一种适用于大地震临震预测的地声监测系统

林 科，王新安，张 兴，雍珊珊，王 腾，谢 峥，郭朝阳

(北京大学深圳研究生院，广东 深圳 518055）

一种适用于大地震临震预测的地声监测系统

林 科，王新安，张 兴，雍珊珊，王 腾，谢 峥，郭朝阳

(北京大学深圳研究生院，广东 深圳 518055）

介绍了震前地声的历史记载以及震前地声的产生机制和特征，还有如何利用震前地声观测结果对地震发震的三要素进行预测。并针对震前地声监测所存在的问题、困难和发展趋势，提出了一种适用于大地震临震预测的地声监测系统，该系统可详尽、完整地记录震前地声的强度、频度、频谱，并可通过在地震易发区域的大规模密集布点，组成这一区域的震前地声监测网络，以监测大地震孕育过程，以及对大地震的三要素进行预测预报。

临震预测；前兆信息；地声监测

0 引言

我国是全球大陆地震灾害最严重的国家之一，在约占全球陆地面积1/14的国土上，每年发生地震的次数却占全球陆地地震次数的1/3以上[1]。建国以来，我国相继发生数十次7级及以上大地震，如：1954年2月甘肃山丹7.2级地震、1974年5月云南大关7.1级地震、1976年7月河北唐山7.8级地震、2008年5月四川汶川8.0级地震，2010年4月青海玉树7.1级地震、2012年4月四川雅安7.0级地震。这些大地震均造成受灾区域严重的人员伤亡以及惨重的财产损失。

目前，一种被广泛接受的地震成因是由H.F.Reid提出的断层理论[2]。该理论认为，由于地壳内部板块相互运动、挤压、摩擦，导致巨大的能量以应力的形式聚集在基岩内部，在地壳一些比较脆弱的地带，当基岩内不断积累起来的应力大于基岩强度时，就会突然发生破裂或引发断层的错动，同时将能量释放出来引发地震。地震的预测和预报分为长期（10年以上）、中期（1～10年）、短期（10～100日）和临震（1日以下）预测预报[3]，其中，震前中心地带及其周边区域出现的异常变化，如：地声、地温、地下水、地电、地应力、电磁场变化，可以作为地震短期和临震预测预报的判别征兆。

作为一种显著的震前征兆，地声已被国内外广泛地观测和研究，以期达到对地震短期和临震预测预报的目的。国外最早于20世纪20年代有地声的观测记录，20世纪中后期，主要有日本、美国、前苏联等国家对地声进行持续的研究[4]。在我国，关于震前地声的记录和描述时常出现在古代史书，而正式的地声研究和观测从20世纪60年代至今均有开展，并在80、90年代达到一个顶峰[4]。经过近百年的研究，地声监测被认为是一种地震短期和临震预测预报的重要和有效的手段之一。

1 震前地声概述

1.1 震前地声的历史记载和描述

我国自古以来便有关于震前地声的记录。其中，1668年发生于山东郯城的大地震，全国有震感记载的县有410个，当中26个县记录了震前地声，是我国震前地声历史记载最丰富的一次[5]。

到了20世纪，震前地声作为震前宏观征兆被更为广泛和详细地记录了下来，表一[6]列举出了我国近代几次7级以上大地震后，地震工作者通过走访记录到的震前地声。

表1 我国近代部分7级以上大地震震前地声记载Table 1 List of geosound sounds prior to earthquake(ML≥7.0)in modern China

尽管到目前为止，来自台站的大震前地声信号原始观测数据较少，而且震前地声的出现不具备可重复观测性，也缺乏令人信服的科学证据，但是，从古自今如此大量的史实记载，从一定程度反应了一个客观事实：即这种声学异常可能为地下岩体积累的巨大能量中一部分转变而来的，而这种异常恰好反应了孕震体的异常。

1.2 震前地声的产生机制及特征

现在，被普遍认同的一种观点是：震前地声是地震孕育过程中地壳微破裂产生的声波[6]。在地壳中应力容易集中的地方，如断层、裂缝和空洞等，其局部的应力场分布为一种不稳定态，当这种非稳态的应力场持续积累能量时，在一个临界点就会发生应力场的再分布，这种应力场的再分布过程或应变能的释放过程是以岩体的形变、微观破裂、裂缝产生进而发展为岩体大规模断裂（发震）为表现形式。而其中释放出的能量一部分以声波的形式释放出来，在岩体大规模断裂（发震）之前的微观破裂、裂缝产生过程中辐射的声波即为震前地声。此外，在地震的孕育过程中，由于应力作用，岩体的宏观蠕变过程或岩体间的宏观摩擦，也可能在震前辐射声波[6]。

以往资料表明，以声波的波动形式来看[6～8]，震前地声分为脉冲型地声和连续型地声，如图1所示。其中，脉冲型震前地声是由岩体的微破裂产生的，是一种极微震；而连续型震前地声是在裂缝发展或断层的局部错动所产生的[6]。以声波的频率来看[9]，震前地声可以分为低频地声（60 Hz以下）、中频地声（60～300 Hz）和高频地声（大于300 Hz）。其中，大部分观测记录到的震前地声为中频地声以及一些低频地声，而对于高频震前地声观测记录鲜有报道[8、10]。实际上，相关实验室岩石破裂实验已表明[6]，当岩体弯曲、伸长、受压破碎及微破裂时，发出的声波主频范围为100～10 kHz，根据岩石类型不同，有的甚至到1 MHz。然而高频震前地声未有记录的原因一方面是地下介质（如土壤、砂石相当于一个低通滤波器），对高频声波吸收强烈，高频声波在地下传播的衰减大，传播距离短，难以在地表听到[11]，另一方面是监测仪器的频响范围并未包含高频段。

图1 震前地声波形Fig.1 Wave profile of geosound prior to earthquake

1.3 震前地声与地震三要素的预测

对于震前地声监测的最终目的是为了对地震发生的三要素做到短期或临震预测，即：发震时间、主震震级和震中地点。通过对有限的震前地声观测数据的深入分析，可以零星地获得一些震前地声信息与地震预测三要素之间的关系。

震前前兆地声与其他震前征兆一样，也有密集-平静这一现象[12]，而震前地声信息中反映这一规律的主要参量是震前地声发生的频度[7、13、14]。一般来说，地震孕育过程中地声的频度会经历从高至低再发震这一过程，这对于地震三要素中发震时间的预测有着积极的意义。此外，在一些观测报告中，震前地声由高频到低频的转变，预示了地震将要发生[7、14、15]。1982年在浙江湖南镇水库的一系列近场小地震的观测数据表明[16]：震前地声主频率由高值向低值转移，并在主震时达到极低值。其中，从震前地声主频率明显至持续下降再到主震发生间隔有4 d。由此可见，通过震前地声频率的由高频到低频再到发震时的极低频这一变化特征，也可以有效地对地震三要素中发震时间进行预测。

关于地震三要素中主震震级，上述的研究报告[16]也通过对41次地震资料的频谱分析及主震频率分析得到一组关系：震级越小，地声主频率高，反之亦然。另外，一些研究也指出[17、18]，震前地声出现的时间越早，即地震的孕育期越长，则主震震级越大。所以，地震三要素中主震震级也是可以从震前地声信息中推测出来的。

然而，通过震前地声观测对地震三要素中震中地点的预测的相关研究却没有得到可以令人信服的结论。究其原因，是由于地声声源不是一个点源，而是在整个孕震体上分布的体源，它具有一定的走向和范围，而且，地震震级越高，地声出现的范围越广，就越难以精确确定震中位置[6]。根据我们的设想，要想解决震中地点难以通过单一地声观测点来明确的这一问题，可以通过两方面进行分析：① 提高地声监测点的密度，做到地声台网的监测点间隔尺度为10 km左右，通过这种大规模的监测，找到地下能量释放最集中的区域，这一区域即为震中区域。②辅以其它的震兆观测手段，如：异常的电磁辐射、地温、地电、地应力，综合考量分析，对三要素中震中地点进行预测。

1.4 我国震前地声观测的状况、问题及发展趋势

我国自1966年开始地声观测，1977年起陆续采用一些仪器检测地声，并于1983年在国家地震局地球物理研究所主持下启动了全国地声专题课题研究，根据震前地声的产生机制和特征，研制了基于极微震检测的地声观测仪器以及建立了标准的地声观测台网[13]。所使用的仪器性能为[8]：通频带10～300 Hz或5～100 Hz，动态范围大于40 dB，仪器所采用的地声传感器或换能器包括麦克风[19]、压电陶瓷[16]、动圈传声器[18]等。这些仪器的安装方式都是深井下将换能器与基岩直接耦合以及通过空气或水间接与基岩耦合，深井深度一般在几十到几百米不等，孔径在一百毫米至两百毫米之间，孔内套以钢管作为支撑，并在靠近地面一段增加隔震套管或填充物以防止地表干扰传入井内[20、21]。

然而，上述的震前地声观测仪器、台网均存在或多或少的问题，这也导致震前地声的观测和相关研究在上世纪90年代以后进入了一个停滞期。这些问题包括：① 地声观测井通常使用已有的废弃水井，但符合条件的水井很少，而自行打井成本过高[13]，导致难以密集大规模布设地声观测点；②由于地声信号频谱宽、干扰背景强、信号弱，坚持长期连续记录十分困难[13]；③ 由于地下环境复杂，介质吸收强烈[7]，同时普通观测仪器的频带宽度有限[16]，导致高频地声信息无法正常捕获。

对于以上这些问题，我国地震工作者在上世纪80年代末就已认识到，并提出相关解决办法。其中的关键点是要小尺度布设地声监测网络，即必须密集的布设地声观测点、阵和进行流动观测[9、13]，此外，以地声台网为基础，同时进行极微震、电磁波、应力、形变、地电等各种前兆方法综合观测。可惜的是，虽然对地声监测工作的问题及发展趋势已有深刻的认识和有益的解决方法，但是经过二十多年的发展，问题始终没有解决，改进始终没有落实，地声的观测工作基本停滞不前。

幸运的是，随着集成电路技术、信号处理技术、传感技术和打孔钻井技术的高速发展，使得地声监测点的小型化、高可靠性化和低成本化成为可能；同时，近年来的无线通信网络的建设和推广，让密集台网中地声监测点间及监测点与处理中心的无线数据通信得以实现。此外，其他地震前兆监测手段也在不断进步，地震前兆的综合监测水平也有整体提高，为综合地对地震预测预报奠定了基础。因此，为了促进我国地震预测预报工作的发展，改善提高震前地声监测工作的效果和质量，本文提出了一种基于压电薄膜的适用于大地震临震预测的地声监测系统，以期解决地声观测不能密集布设、铺设困难和频率响应范围窄、精度低的问题。

2 基于压电薄膜的深井地声传感单元

2.1 压电薄膜的特性与检测原理

本文所采用的压电传感器为PVDF（Polyvinylidene Fluoride）压电薄膜传感器。PVDF压电薄膜传感器是一种重要的压力传感材料，外形可根据应用场合任意加工，而且与常规压电材料相比，其电学性能优异，输出信号易于采集和处理[22]。

当PVDF压电薄膜受机械冲击或振动时，其中的压电材料中的偶极子排列被打乱，并试图恢复原来的状态，并在这一过程中，就会有电荷形成，PVDF压电薄膜的输出电荷 可表示为：

式中，d31、d32为压电常数，ε1、ε2是应变， EPVDF是PVDF压电薄膜弹性模量，S是PVDF传感器电极所覆盖的面积[23]。PVDF压电薄膜产生的电荷须经过电荷放大器放大转化为电压信号，再由后续电路处理。

2.2 传感单元结构与电路设计

利用压电薄膜传感器优秀的压力检测特性，结合集成电路技术的快速发展和成熟的产业链，针对震前地声监测的问题、困难以及发展要求，本文提出了可密集布设、宽频率响应范围、高精度、耐腐蚀、耐寒耐高温、使用寿命长、可靠性高、成本低的一种适用于大地震临震预测的地声监测传感单元结构及其电路结构，如图2所示。

图2 传感单元结构及电路结构和安装图Fig.2 Structure of sensing unit with its circuits and installation section view

本文提出的适用于大地震临震预测的地声监测传感单元结构中，由不锈钢锥形传声头与基岩直接耦合，将捕获的地声信号传导至横截面为正六边形的传声杆。传声杆6个侧面贴有带状压电薄膜传感器，将传导至传声杆的地声信号转化为电信号，经预处理电路处理后，由电缆传输至地面基站处理和发送。其中，带状压电薄膜传感器、预处理电路与一段供电及信号传输电缆均用耐腐蚀、防水、抗摩擦的硬胶封装于与锥形传声头等直径的柱形空间内。整个传感单元结构高30 cm，直径10 cm。

为了可以覆盖震前地声信号所涵盖的次声波、可听波、超声波，本设计采用PVDF型压电薄膜传感器，其特性是：灵敏度为-180dB·V×104/Pa，频率响应范围为10-3Hz-1MHz，工作温度范围为-50～100℃，满足震前地声检测的要求。压电薄膜传感器封装形式为金属带状封装，长20 cm，宽2 cm。

其中的电路结构由传感器组和预处理电路组成，如图3所示。其中，传感器组由3对、6条带状压电薄膜传感器构成；预处理电路由3路信号处理链路构成，每条链路依次由带宽为0Hz～100kHz的滤波及放大电路和Delta-Sigma模数转换器（ADC）组成；预处理电路的输出信号由3根电缆分别传送至地面基站。该电路结构有以下特点：

（1）传感器可捕获的信号频率范围覆盖了地声信号中的低频地声（60 Hz以下）、中频地声（60～300 Hz）和高频地声（大于300 Hz）以及现有仪器、设备难以检测到的超高频地声（大于1 kHz），使得地声信息可以被更完整、准确地记录下来。

（2）所采用的电路拓扑结构简单，所用电路模块分辨率高、性价比高、可靠性高以及功耗低，非常适于地声的自动化地远程监测，适于地声台网大规模密集布设。

（3）本电路结构从传感单元、处理电路、传输过程3个层次对捕获的地声信号备份，提高了整个电路系统的可靠性，使传感单元适于在地下长时间地、稳定地对地声信号进行监测。

图3 传感单元电路拓扑结构Fig.3 Circuits topological structure of sensing unit

3 基于压电薄膜的地声监测系统

3.1 系统设计

基于上述传感单元结构及电路结构，可以保证震前地声信号能够完整、准确的被记录下来。基于此传感单元布设地声监测点，并以10 km为布网孔径在地震多发的断裂带布设，可以形成一个震前地声监测网络，如图4所示，其中，SC为处理中心，SP为上述地声监测传感单元。如这样在500×500 km2的区域共布局2 500个SP，在100×100 km2的区域布局一个SC，这样在500×500 km2的区域共布局25个SC，每100个 （100×100 km2的区域）SP通过移动网络或以太网发布地声监测数据到至少一个SC，25个SC通过移动网络或以太网互联，使每个SC能够获得全部区域SP监测的数据，从而实时监测震前地声信息，实现地震短期临震预测预报。

图5 震前地声监测网络Fig.5 Monitoring network of geosound prior to earthquake

3.2 安装方式

本文除了提出适用于大地震临震预测的地声监测传感单元结构及其系统，还相应设计了其安装方式，以在无需另行开发特殊钻探设备的情况下，使传感单元可便捷、快速地安装于地下基岩或密实土壤，降低单位成本。

本系统安装于地下150～200 m处的基岩或密实土壤。安装时，采用常规钻井设备打一直径15 cm，深度150～200 m的深钻孔至基岩或密实土壤后，取出打孔用钻头。将传感单元放入打好的深钻孔中，并推入推进入基岩或密实土壤，再浇注水泥，使传感单元与基岩或密实土壤紧密接触。最后，在距深井口1m处，灌注吸声胶体，直至完全覆盖住深井口。

4 结语

通过分析已有震前地声研究报告以及观测数据，震前地声具有反映地震三要素（发震时间、主震震级、震中地点）的能力，本文在详细分析了已有地声观测仪器和台网的基础上，针对震前地声监测所存在的问题、缺陷以及应有的发展趋势，提出了一种基于压电电缆的适用于大地震临震预测的地声监测系统。该监测系统可详尽、完整地记录震前地声的强度、各频段的主频率、发生的频度，并通过在地震易发区域的大规模密集布点，组成这一区域的震前地声监测网络，以监测大地震孕育过程，以及对大地震的三要素进行预测预报。

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A Monitoring System of Geosound Prior to Earthquake Applicable to Imminently Predict Violent Earthquake

LIN Ke,WANG Xinan,ZHANG Xing,YONG Shanshan,WANG Teng, XIE Zheng,GUO Zhaoyang

(Peking University Shenzhen Graduate School,Shenzhen 518055,China)

This paper presented historical records of geosound prior to earthquake,its mechanism and characteristics，and analyzed how to use observation results of geosound prior to earthquake to predict the three elements of earthquake.Besides,on the issues of existing problems, challenges and future development trends of monitoring geosound prior to earthquake,this paper proposed a monitoring system of geosound prior to earthquake applicable to imminently predict violent earthquake.The proposed system is able to record amplitude,frequentness and frequency spectrum of geosound prior to earthquake thoroughly.And by networking in earthquake zone in a massive and intensive way with the proposed system,it is practicable to observe the formation process of violent earthquake and predict the three elements of earthquake.

Imminent earthquake prediction；Foreboding information；Geosound monitoring

P315.62

A

1001-8662（2013）04-0054-09

2013-01-05

深圳市战略新兴产业发展专项资金项目（JCYJ20130329113052637）资助

林 科，男，1988年生，在读博士，主要从事集成电路设计与传感系统设计研究

E-mail：link@sz.pku.edu.cn.