用于微动探测的低成本自存储式数字地震检波器

卢川， 王肃静， 张妍， 游庆瑜*， 戴靠山

1 中国科学院地质与地球物理研究所油气资源研究重点实验室， 北京 100029 2 中国科学院大学， 北京 100049 3 同济大学， 上海 200092



用于微动探测的低成本自存储式数字地震检波器

卢川1,2， 王肃静1,2， 张妍1， 游庆瑜1*， 戴靠山3

1 中国科学院地质与地球物理研究所油气资源研究重点实验室， 北京 100029 2 中国科学院大学， 北京 100049 3 同济大学， 上海 200092

微动探测是利用地球表面的天然震动信号进行探测的被动源探测方法.相对于传统的物探方法，微动探测野外施工灵活，阵列形状多样，受施工场地限制小，对施工环境影响小.目前进行微动探测所用的地震检波器大多成本较高、重量和体积大，不便于运输与大规模布设.本文由微动探测方法的特点出发，优化改造了自行研发的低成本自存储式数字地震检波器，使其性能满足微动探测的需要.通过对地震计系统噪声的详细分析、微动探测原理的讨论，结合现场试验数据，探讨了该检波器应用于大规模微动探测的可行性.

地震检波器； 微动勘探； 噪声； 低成本

1 引言

1.1 微动探测的原理及方法

无论何时，地球表面都存在着非地震引起的微弱震动信号，称为“微动”(Microtremor)(Okada and Suto，2003).其中，频率小于1 Hz的微动信号通常因天气、气压、风速、海浪等自然现象的变化而产生，频率大于1 Hz的微动信号则主要由交通运输、机械振动等人类活动产生 (孙勇军等，2009).微动没有特定的震源，观测点记录到的振动信号来自四面八方，含有丰富的地球内部信息.对微动性质的研究表明，微动是由体波(P波与S波)，面波-瑞雷(Rayleigh)波和勒夫(Love)波组成的复杂震动，其中面波能量占信号总能量的70%以上(Toksöz and Lacoss，1968).瑞雷波具有如下几个基本性质：(1)瑞雷波的相速度与横波速度相近，故可利用瑞雷波的波速求取岩土层的各种力学参数.(2)瑞雷波振幅随深度按指数衰减，影响深度约一个波长，其能量主要集中在半个波长范围内 (Rayleigh，1885；杨成林，1993；丁连靖和冉伟彦，2005).对于某一特定波长，其相速度基本等于半个波长内各地层的横波相速度的加权平均.所以，同一波长瑞雷波的传播特性反映了地层在水平方向上的情况，不同波长瑞雷波的传播特性则反映了地层在垂直方向上的情况.(3)瑞雷波在不均匀介质中传播会发生频散现象，而体波在传播过程中以极化群形式出现，不会出现频散现象.微动信号的振幅及形态随时空的变化而变化，但是在一定的时空范围内具有统计稳定性，因此可以使用平稳随机过程对其进行描述 (Aki，1957).微动勘查方法(The Microtremor Survey Method，简称MSM)就是基于以上的研究成果，以平稳随机过程为理论基础，从微动信号中提取瑞雷波的频散曲线，再通过对频散曲线的反演，获得地下介质的横波速度结构的勘探方法.

1.2 微动探测研究现状

1957年，Aki使用空间自相关法(SPAC法)首次从微动信号中提取出了面波频散曲线(Aki, 1957).1994年，凌甦群突破了由SPAC法计算频散曲线的传统方式，将扩展的空间自相关法(ESPAC法)应用于复杂阵型中，提高了微动数据处理效率 (Ling and Okada, 1993).20世纪90年代初，王振东与冉伟彦将微动探测技术引入我国，微动探测在国内开始逐步发展，被运用于多种领域 (王振东，1986；冉伟彦和王振东，1994).由于微动探测方法设备简单，施工方便快捷，对环境无破坏且无特殊要求，在实际的勘探应用中越来越受到重视.2003年，冯少孔探讨了将微动探测用于土木工程领域的可能性 (冯少孔，2003).试验结果显示，虽然微动探测的分辨率较差，但其获得的地下横波速度结构与传统测井结果具有很好的一致性.叶太兰与何正勤等人首次在北京多个地区完成了微动试验，为地热资源的开发提供了依据 (何正勤等，2007).徐佩芬等人于2008年使用微动探测技术首次应用于对煤矿矿区陷落柱的探测，效果显著 (徐佩芬等，2009)，又于2012年完成了对深圳地铁地下“孤石”的探测，获得了较好结果 (徐佩芬等，2012).同年，张维与何正勤等人将微动探测与人工源探测结合起来，对地下浅部速度结构进行了面波联合勘探，增加了面波勘探的能力 (张维等，2012).

1.3 微动探测设备现状

自20世纪90年代被引入我国以来，微动探测均使用各型通用地震探测仪器，如各型地震仪或地震探测系统，并无其专用设备.目前使用的设备主要分为三类：第一类关注较低频率的微动信号，进行中深层勘探的各型地震检波器，如我国重庆地质仪器厂生产的CDJ-Z1地震计与日本的MTKV-1C地震计.第二类为各种有缆检波器系统，主要用于浅层微动探测，如法国CGG Seceral公司生产的428系列地震采集系统与德国DMT公司生产的SUMMIT地震数据采集系统.第三类为目前较新型的各种一体化地震计，如英国GURALP公司的CMG系列一体化地震仪.第一类设备固有频率较低，制造成本高昂，价格昂贵，单台价格万元人民币以上，并且重量大，均为10 kg以上，且需要装备独立的GPS模块、记录仪及配套电源才能使用，运输携带不便，野外布设时可靠性难以保证，难以进行大区域高密度探测.第二类探测系统使用具有较高固有频率成本较低的地震计，但其以缆线作为数据传输媒介，其占据仪器重量70%以上，极大降低了仪器布设的便利性，加大了大尺度布设的难度.第二类设备价格与第一类设备相比有一定程度的降低，整套系统约五万至十万人民币，使用单套系统即能完成多台通用地震计才能完成的探测任务，但仍达不到大规模布设的低成本要求.第三类探测系统为通用一体化地震计，无需外部电源、记录仪与GPS，为第一类仪器与其配套模块的集成.集成化虽然解决了第一类仪器的布设可靠性问题，但由于其仍为通用地震观测仪器，并非专为微动探测而设计，虽其性能指标完全能够满足微动探测，但综合其便携性，易用性以及仪器成本，仍不适用于微动探测.综上，由于大规模微动探测需要探测系统具有良好的可靠性、便携性、易用性以及较低的成本，而目前所使用的三类微动探测设备均无法完全满足上述要求，故研制适于大规模微动探测的新型低成本数字地震检波器具有重要的意义.

2 适用于微动探测的低成本数字检波器的研制

由于用于微动探测的数字地震检波器只是在其可靠性、便携性、易用性以及成本控制上有特殊需求，本质上与通用地震检波器及各型地震计并无不同，故本研究利用研究室已研发的低成本数字地震检波器，通过对核心部件地震计的重新选型、匹配运放以及A/D转换模块的选择，优化多项性能指标，以满足大规模微动探测对仪器的特殊需求.

2.1 地震计的分析与选型

现有微动探测系统价格高昂，携带布设不便，而检波器改造的首要问题是减小微动探测对具有较低固有频率地震计的依赖性，使用较高固有频率的地震计进行探测.已研发的低成本数字地震检波器为主动源勘探设计，其地震计固有频率为10 Hz，其性能可满足主动源勘探.但其是否也适用于微动探测并未得到理论或实验上的验证.由于地震计性能直接关系到微动信号是否能够被有效拾取，故选型是本研究的关键，其自噪声性能是选型最重要的依据.

地震计自噪声主要由两个互不相关的噪声源组成 (Jon, 1993)，一是由于空气分子不断撞击检波器芯体产生的布朗热噪声，其平方加速度噪声谱为

(1)

式中Kb为波尔兹曼常数，Te为开尔文温度，Q为摆体的品质因素，T0为摆体自振周期，ms为摆体质量.

二是由检波器芯体线圈内阻而产生的热噪声.其计算公式为

(2)

地震计的总体自噪声为上述两种不同来源噪声的矢量和.

根据探测深度的不同，微动探测通常需要地震计能够有效记录频率低至1Hz以下，高至几十Hz频带范围内的微动信号.为了选出适于低成本微动探测的地震计，我们将新的全球高噪声模型(NHNM)及低噪声模型(NLNM)(Jon, 1993)与地震计总体自噪声进行比较.

为了比较不同地震计性能，本研究绘制了多种具有不同固有频率与带宽地震计的自噪声曲线、全球噪声模型以及在安静环境下地震台站所记录的地动噪声曲线，用来对比在接收信号能量相同的情况下，不同地震计具有的信噪比能否满足微动探测的需要.由图1可知，在安静环境下由地震台站所记录的微动信号曲线在整个频带内均高于全球低噪声模型，而放置于地表复杂噪声环境下的检波器所记录的微动信号必定高于地震台站的微动噪声曲线，故只要检波器自噪声曲线低于全球低噪声模型则一定能够对微动信号进行记录.在微动探测所关注的频带内，所有检波器及地震计的自噪声曲线均低于NHNM曲线，各型仪器均能记录一定能量范围内的地动噪声.随检波器固有频率升高，其低频段的自噪声逐渐增大.在0.1Hz附近，固有频率4.5Hz的地震计与地震台微动噪声相当，固有频率10Hz的地震计自噪声已高于地震台噪声，固有频率2Hz的地震计自噪声低于地震台噪声但高于NLNM曲线，仅固有频率1Hz的地震计以及宽带地震计(以野外使用最多的CMG-40T宽带地震计为例)的自噪声低于NLNM曲线.故由图1可知，在微动关注的低频附近，固有频率为2Hz与1Hz的地震计以及宽带地震计的自噪声较小，能够对微动信号进行观测，而固有频率为4.5Hz及10Hz的地震计此时已无法用于观测微动噪声.换言之，固有频率为2Hz及以下的地震计或地震计具有足够的信噪比以拾取较低频段的微动信号.

虽然仪器信噪比随固有频率的降低而增大，但其体积、重量等本研究关注的仪器属性也随其固有频率的降低而改变.表1中列出了上文中信噪比满足微动探测的三种仪器的物理属性及价格.由表中数据可知，与固有频率为1 Hz的地震计以及CMG-40T宽带地震计相比，固有频率为2 Hz的地震计具有以下多项优势：(1)重量轻，不及其他两种仪器重量的1/10；(2)体积远小于其他两种仪器；(3)价格较低，仅为1 Hz固有频率地震计的1/10，CMG-40T宽带地震计的1%.另外，在实际的野外探测作业中，固有频率1 Hz的地震计与CMG-40T地震计需要进行调平才能正常工作，工作环境的适应性不及固有频率为2 Hz的地震计.综上，虽然固有频率为2 Hz的地震计在0.1 Hz附近探测性能不如固有频率更低的地震计，但其信噪比能够满足大多数微动探测需求，且成本较低，方便野外施工，故在性能、成本及微动探测仪器野外适用性的综合考虑下，本研究选择固有频率2 Hz的地震计用于微动探测.

图1 多种地震计自噪声与peterson曲线及典型地震台噪声范围(阴影部分，数字化于国家地震科学数据共享中心)的比较Fig.1 Comparison of self noise of multiple seismometers, perterson curves and the range of seismic noise records (shaded area, digitized from China Earthquake Data Center)

仪器型号重量体积(直径×高度)价格固有频率2Hz地震计0．5kg40mm×47mm千元左右固有频率1Hz地震计8．15kg160mm×138mm万元以上CMG-40T6．9kg168mm×230mm十万元以上

2.2 运算放大器的匹配选型

由于微动信号的幅度极小，大约为10-4～10-2mm，拾取后需通过运算放大器放大才能进行后续处理.不同性能的地震计具有不同的源阻抗，需要选择合适的运算放大器与其配合，使运放噪声显著小于地震计自噪声，才能最大限度地保证检波器系统的信噪比不会因为运算放大器的选择不当而受到限制.故运算放大器是检波器系统中极其重要并需慎重选择的首要器件.

图2 常用运算放大器指标比较Fig.2 Comparison of common operational amplifiers

2.3A/D转换模块的选型

微动信号由地震计拾取放大后，必须经A/D转换模块将其数字化以进行存储并方便后续计算机处理.目前主流地震检波器使用的A/D转换模块为高性能的AD7766-2,、ADS1281/2和CS5371/76A，其共同特点是支持多通道、高采样率与模块内置滤波器，适于三轴地震仪或者多通道地震数据采集系统.这些A/D转换模块功能强大多样，导致其功耗巨大(视其时钟频率而异，从几十mW至数百mW不等)价格高昂(数百元至上千元)，无法满足大规模微动仪器所需要的低成本要求.微动探测无需多通道采集以及过高的采样率，故可以在满足数据转换质量的前提下，使用采样率较低、功能较为简单、价格相对低廉的A/D转换模块，即够满足微动探测的需要.本研究选择Texas Instruments公司的ADS1251作为检波器采集系统的A/D转换模块.它为上述主流A/D转换模块中ADS1281的廉价版本，具有较低的采样率，但在同一采样频率下的功耗可降至使用ADS1281的二分之一，CS5371/76A的1/4.表2详细列出了上述几种A/D转换模块的指标.

2.4 改造后的低成本地震检波器

本研究利用的是已研制的地震检波器进行优化改造，使其适用于微动探测.在优化改造地震检波器之前，其制造成本，仪器尺寸及工作功耗已得到很好的控制.同时，其模块化设计以及高度的集成化也保证了检波器的易用性与可靠性.检波器已去除如外部GPS、外接电源、外接数据记录器等独立外部设备，同时取消数据大线，进行数据本地存储，使其能灵活方便地进行大规模野外布设.

如图3所示，由于无需具备通用地震计系统繁多的功能，改造后的检波器系统使用了低成本ARM(Advanced RISC Machine)控制器作为主控制器，固有频率为2 Hz的地震计通过A/D转换模块将地面震动转换为数字信号.ARM控制器为A/D转换器提供控制逻辑与时钟，将转换后的数字信号存储于本地TF卡.系统使用GPS模块对A/D时钟进行校准，同时记录下检波器的经纬度，以日志形式保存于TF卡，方便后期进行数据处理.系统还可进行无线通讯模块扩展，通过无线通讯方式对其进行数据读取或对地震计系统进行设置.此外使用可充电锂电池为地震计系统供电，取消了外接电源.

与现有的微动探测仪器相比，专为微动探测改造的新型地震计系统具有三大显著优势：(1)质量轻.单个地震计总重量不超过600 g，而现有的微动勘探仪器集成方案(CDJ-Z1地震计及数据采集器、MTKV-1C地震计及数据采集器、428地震采集系统)总重量均超过10 kg；(2)成本低廉.地震计选用千元左右的2 Hz地震计作为地震传感器，所用模具易于大批量生产，单个地震计成本不超过5000，而上述系统价格均10万元以上；(3)功耗更低.地震计系统使用低功耗元器件，软件采用低功耗设计，工作状态下最大功耗小于100 mW，休眠状态下功耗小于1 mW，使用较小容量的电池即可满足地震计长时间运行的需要.而现有的微动探测仪器均需携带具有较大体积与重量的大容量电池以保证仪器长时工作.综上，数字地震检波器完全根据微动探测的要求进行了优化改造.为检验进行优化改造后检波器的可靠性，我们进行了24 h的长时记录测试.如图4所示，检波器工作稳定.

表2 A/D转换模块指标比较

图3 新型低成本自存储检波器系统结构图Fig.3 System structure of new digital geophone

图4 检波器长时间工作记录(a) 检波器刚开始工作; (b) 已工作24 h.Fig.4 Records of digital geophone(a) Start； (b) After 24 hours.

2.5 新型地震计与宽带地震计对比试验

由于微动探测所关注频带的低频部分低于2 Hz地震计的固有频率，为验证新型数字检波器在工作频带之外是否依然能够记录地动噪声，将其与宽带地震计放置在一处，对记录进行比较.如图5所示，新型数字地震检波器与宽带地震计在1 Hz左右至2 Hz带宽内所记录的信号依然具有很高(大于0.8)的相关性.在更低频率上数据的相关性降低，在数据处理上通常作选择性的滤除处理.对比实验的结果印证了对地震计探测能力的分析，证明了其确实有能力记录下在工作频带之外的低频微动信号，可对中浅层地层(数百米)进行微动探测.更深地层的微动探测有赖于更低频微动信号的拾取，2 Hz固有频率的地震计已无法满足.

3 低成本地震计用于微动探测的实例

为验证新型地震计在野外工作的能力，我们分别在山西柳林地区、北京北郊天通苑地区、上海某发电场及徐州市某煤矿采空区进行了实地微动探测.

3.1 台阵布设

三次实地微动探测中，山西柳林、北京北郊天通苑及徐州贾汪区试验按空间自相关法(Spatial Autocorrelation Method，简称SPAC法)及其扩展(ESPAC法)的要求对地震计进行多重圆形阵列的布设，如图6a所示，仅检波器阵列半径r有所不同.其中山西柳林与徐州贾汪区布设的检波器阵列半径为30 m，北京北郊天通苑布设的检波器阵列半径为45 m.上海崇明岛风场由于河堤地形狭长，无法布设圆阵，故探测阵列采用间隔为5 m的直线型阵列，如图6b所示，所得数据依然可使用ESPAC法进行处理.

3.2 数据处理

微动探测的数据处理方法基于平稳随机理论，使用数字信号处理技术从地动噪声中提取基阶面波，测定其相速度频散曲线，以此获得测区下方的S波速度结构或视S波速度结构.观测要求台阵中各测点的观测同步进行，相对位置需要精确定位以保证探测结果的精度.

一段时间的微动记录可以看作是平稳随机过程，则圆周上每一点的微动记录与圆心处微动记录空间自相关系数ρ(f,r)的方位平均值为

(3)

其中S0(f,0)与Sr(f,r)分别为圆心处微动信号的功率谱与半径为r圆周上微动信号的功率谱，S(f,r,θ)为圆心处记录的微动信号与圆周上(r,θ)点处记录微动信号的互功率谱.J0为第一类零阶贝塞尔函数，c(f)为面波传播速度.

将各地震计取得的微动记录分为若干数据段，除去干扰明显的部分，之后完成对各地震计之间空间自相关函数的计算，得出不同距离地震计的空间自相关系数ρ(f,r).通过对同一频率而不同距离的地震计空间自相关系数的拟合，即可得此阵列下方地层的相速度频散曲线(Ling，1994).通过得到的地下介质的频散曲线，可计算视S波速度Vx，将Vr-f曲线转换为Vx-H曲线 (LingandMiwa, 2006).计算公式为

图5 宽带地震计与新型自存储数字地震检波器记录比较Fig.5 Comparison between broadband seismometer record and new digital geophone

图6 微动探测阵型排列方式(a) 圆形阵； (b) 直线阵.Fig.6 Geophone arrays of microtremor survey(a) Circular array； (b) Linear array.

(4)

式中，Vr为瑞雷波速度，ti为周期.最后将计算所得的Vx-H曲线通过拟合及插值进行平滑处理.新型地震计在三次实地微动探测中所采集的数据均以上述方式进行处理.

3.3 山西柳林煤矿采空区试验

山西柳林地区地下因煤矿开采而存在大量采空区.选择在采空区上方进行微动探测试验即可将试验结果与矿区已有采空区深度资料进行对比，以此验证新型地震计进行微动探测的可靠性.此次试验所得空间自相关曲线、频散曲线及探测圆阵下方视S波速度曲线如下图7中所示.视S波速度曲线显示出两处明显低速区分别与矿区地层资料中的废旧采煤巷道与8号采空区深度一致.

3.4 北京北郊天通苑试验

北京北郊天通苑地区存在大量地质钻孔，可以为微动探测提供可进行对比的钻孔资料.此次试验所得空间自相关曲线、频散曲线及探测圆阵下方视S波速度曲线与地勘资料对比如下图8中所示.图中视S波速度结构曲线深度50 m处低速区指示了细沙层，深度80 m处低速区指示了细沙及粘土层，因为非均匀混合的细沙及粘土会表现出S波低速的特性.

3.5 上海某风场试验

上海某风力发电场为湿地滩涂环境，具有与山西柳林地区及北京北郊地区完全不同的地质结构.试验所得空间自相关曲线、频散曲线以及直线阵下方视S波速度曲线与地勘资料对比如下图9所示.图中视S波速度结构曲线深度15 m及30 m处低速区指示了较为松散的砂质粉土和含水量高的淤泥质粘土.

3.6 徐州某煤矿采空区试验

徐州某煤矿采空区是20世纪50至60年代开采形成，在不同深度均有分布，具有典型的多层层状结构.试验所得空间自相关曲线，频散曲线以及探测圆阵下方视S波速度曲线与已有采空区资料对比如图10中所示.当地采空区资料显示，检波器阵列下方有煤1、煤3及煤7三个采空区，其深度分别约为55 mm、75 m及160 m，与试验所得视S波速度曲线中三个低速区对应深度一致.为进一步验证实验结果，我们使用商业面波处理软件Geogiga Seismic Pro对数据进行处理，结果如图10d所示，也得到了较为一致的结果.

图7 山西柳林微动探测试验结果(a) 不同距离的空间自相关系数； (b)频散曲线； (c)视速度结构与地勘资料对比.Fig.7 Microtremor survey results in the Liulin area, Shanxi Province(a) Spatial autocorrelation coefficients of different distances； (b) Dispersion curves；(c) Comparison of S-wave velocity structure and geological prospecting data.

图8 北京北郊天通苑微动探测试验结果(a) 不同距离的空间自相关系数； (b)频散曲线； (c)视速度结构与地勘资料对比.Fig.8 Microtremor survey results in the Tiantongyuan area, northern Beijing(a) Spatial autocorrelation coefficients of different distances； (b) Dispersion curves；(c) Comparison of S-wave velocity structure and geological prospecting data.

图9 上海崇明岛风力发电场微动探测实验结果(a) 不同距离的空间自相关系数； (b) 频散曲线； (c) 视速度结构与地勘资料对比.Fig.9 Results of test in Chongmin Island, Shanghai(a) Spatial autocorrelation coefficients of different distances； (b)Dispersion curves； (c) Comparison of S-wave velocity structure and geological prospecting data.

图10 徐州市贾汪区微动探测实验结果(a)不同距离的空间自相关系数； (b)频散曲线； (c)视速度结构与地勘资料对比； (d)使用Grogiga Seismic Pro软件处理结果.Fig.10 Results of test in the Jiawang area, Xuzhou City(a) Spatial autocorrelation coefficients of different distances； (b)Dispersion curves； (c)Comparison of S-wave velocity structure and geological prospecting data； (d)Processing results of Geogiga Seismic Pro.

4 讨论

由图7—10可见，四次试验所得的视S波速度结构与对应地层资料吻合，空间自相关系数在1 Hz左右具有最大值，高于1 Hz信号的空间自相关系数则按距离的不同有规律地衰减，相距越远则衰减越快，其形态为具有不同宗量的第一类零阶贝塞尔函数族，完全符合SPAC理论预期.低于1 Hz的信号在不同距离上虽也具有与距离成正相关的衰减关系，但空间自相关系数均较低，其原因有：(1) 固有频率为2 Hz的地震计在低频段的自噪声增加，灵敏度迅速降低；(2) 与地震计埋设场地的表层土质具有很大关系，土质较松的沙土对低频面波信号的衰减作用明显，在较大距离上难以对低频面波信号进行有效观测；(3) 2 Hz地震计在此频带的响应一致性降低.

图11 大规模高密度检波器布设示意图Fig.11 Sketch showing large-scale high-density deploy ment of geophones

由于新型检波器成本远低于现有微动探测设备，使大规模高密度的微动探测成为可能.如图11所示，新型检波器大规模布设进行微动探测时：(1) 可按需求选择不同检波器作为阵列中心，提取探测场地下方不同位置的视S波速度曲线，即可获得地下结构的三维视S波速度模型，如图中选择多列检波器组成探测阵列；(2) 可按需求选择不同距离检波器组成不同尺寸的探测阵列，以满足不同探测任务需求，如图中选择更多检波器组成大型阵列以获得更大的探测深度与更高的探测精度.可见，新型低成本检波器为目前难以开展的大规模高密度的微动探测提供了可能，特别为目前较为困难的采空区勘查提供了新的手段与方法，具有极好的应用前景.

综上，2 Hz地震计能够有效拾取其工作频带外的一部分低频信号以获取较深地层的信息，同时具备了廉价、便携、易用以及低能耗等便于大规模高密度布设的多项优势，为微动探测开辟了新的方向.

5 结论

本文研发了一种用于微动探测的新型自存储式数字地震检波器，并对系统噪声、微动探测原理与数据处理方法进行了探讨.通过多个不同地区的微动勘查试验，验证了该检波器应用于大规模微动探测的可行性.同时，已有的研究表明在传统地球物理勘探方法受到限制的区域开展微动探测的优越性，包括施工方便快捷、对环境无破坏、勘探成本较低等，并且已证实其对采空区、煤层陷落柱等多种速度异常区反映敏感.使用固有频率为2 Hz的地震计用于微动探测能够满足对从较低频率(1 Hz以下)至较高频率(10 Hz以上)地动信号的拾取而同时获取地下浅部及中深部速度结构，无需使用低频及高频多套检波器系统，具有极大的技术优势及广阔的应用前景.同时，由于其具价格低廉，对其探测能力的进一步挖掘也已成为检波器研制的新热点.

致谢 本研究得到了徐锡强硕士、赵春蕾工程师、同济大学土木工程学院结构工程与防灾研究所多名老师及同学的帮助，胡鹏翔博士也对本文的撰写提出了宝贵的意见，在此一并致谢.

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(本文编辑 张正峰)

A new low-cost no-cable digital geophone for microtremor survey

LU Chuan1,2, WANG Su-Jing1,2, ZHANG Yan1, YOU Qing-Yu1*, DAI Kao-Shan3

1KeyLaboratoryofPetroleumResourcesResearch,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3TongjiUniversity,Shanghai200092,China

Microtremor survey is a kind of passive-source methods which uses ambient ground tremors for geological investigation. Compared with traditional geophysical methods, it is more flexible, cost-efficient, and environmentally friendly. Most currently used geophones are expensive and bulky, and therefore inconvenient to large-scale deployment. In this study, a no-cable low-cost geophone was optimized to suit for large-scale microtremor survey.The method of optimization is based on the following four points: First, it selects a sensor through the analysis of the self-noise of to meet the needs of microtremor survey.Second,it chooses the right operational amplifier and AD conversion module.Third, it integrates design of the entire system without using external module.And fourth,it makes a low-cost design of the geophone system, including selection of low-cost hardware components and reducing the amount of software code. Finally, the optimized geophone was used in three areas with different geological conditions in order to verify the rationality of the improvement and the possibilities for large-scale microtremor survey.The purpose of optimization has been achieved in this research. The no-cable geophone wrights only 600 g, and the maximum average power cost does not exceed 0.1 mW. The entire system costs less than 2000 RMB. The most important thing is the optimized geophone can record the microtremor signal from 0.5 to 20 Hz effectively. Experiments show that in different geological conditions the geophone can be setup quickly and work smoothly and reliably. The results of microtremor survey experiments are consistent with the existing geological data.Because the new geophone is much cheaper than the existing microtremor survey equipment, it is possible to use it in low-cost large-scale survey. The optimized geophone has a very small volume and light weight, and can be rapidly emplacedinto a variety of detector arrays. After the emplacement of large number of geophones, it can easily and quickly conduct survey to two- dimensional or three-dimensional velocity structure of the area. Such microtremor survey with environment-friendly and low-cost advantages has broad application prospects.

Geophone； Microtremor survey； Noise； Low-cost

10.6038/cjg20150628.

国家重点基础研究发展计划(973)(2013CB733204)和国家自然科学基金(41304045)联合资助.

卢川，男，1985年生，中国科学院地质与地球物理研究所在读博士，研究方向为地球物理探测仪器研发. E-mail: luchuan@mail.iggcas.ac.cn

*通讯作者 游庆瑜，男，1973年生，中国科学院地质与地球物理研究所研究员，博士生导师，主要从事地震仪器装备的研制与地震数据处理工作.E-mail: qyyou0880@mail.iggcas.ac.cn

10.6038/cjg20150628

P631

2014-05-13，2015-03-26收修定稿

卢川， 王肃静， 张妍等. 2015. 用于微动探测的低成本自存储式数字地震检波器.地球物理学报，58(6):2148-2159,

Lu C, Wang S J, Zhang Y, et al. 2015. A new low-cost no-cable digital geophone for microtremor survey.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(6):2148-2159,doi:10.6038/cjg20150628.