断裂带介质物性变化及其主动与被动监测方法

陈海潮

（中国地震局地球物理研究所，北京 100081）

绝大部分破坏性地震都发生在活动断裂带上，地震的孕育、发生、震后恢复都伴随着地震断裂带上应力和介质物性的变化。监测这种变化对于理解地震发生的机理和规律具有重要意义。在断裂带所有物性中，因地震波的深穿透和技术发展的成熟度，地震波速和衰减是反映断裂带性质变化最可行的参数。然而由于断裂带上介质变化非常缓慢，变化量很小，目前从观测技术到分析处理的理论和方法都需要进一步深入研究。

本文结合地震断裂带介质物性变化监测的需要，围绕提高断裂带介质变化探测精度这一关键科学和技术问题，开展了地震波速和衰减变化检测理论与方法研究。利用人工主动震源和自然噪声被动源，构建了断裂带介质变化监测的高性能主被动源联合监测系统。在汶川地震断裂带开展了流动地震台阵降噪、跨越断裂带主动源监测、主动源与被动源（自然噪声）对比监测实验；形成了断裂带介质变化监测的方法，获得了汶川地震断裂带介质速度和衰减随时间的变化规律，探讨了介质物性变化的物理机制。本论文的工作主要包括以下5个方面：

（1）流动地震观测背景噪声特征与降噪技术。流动地震台站可以根据观测需要灵活布置，可以跨越地震断裂带进行密集观测，而背景噪声是影响流动地震观测质量的关键因素。我们开展了流动地震观测台站对比观测实验。通过计算不同频段噪声的加速度功率谱密度，研究了不同场地条件和环境噪声下流动地震台站的噪声特征，分析了不同台基处理方式对噪声的抑制效果。结果表明，高频人为噪声和长周期自然噪声是影响流动地震观测质量的主要噪声来源，观测目的不同，噪声控制策略不同。通过增加台基深度和改善台基处理方式能有效降低噪声水平。提出了不同场地条件和噪声环境下的台基处理建议和流动地震台站建设参考方案，为降低流动台站噪声水平，提高观测质量，开展跨断裂带微弱信号监测以及大规模流动地震台阵观测打下基础。

（2）断裂带介质物性变化分析方法。从地震信号接收、震源信号提取以及物性参数变化信号分析等方面入手，构建了一整套断裂带物性变化监测系统及其相应的分析方法。地震信号的信噪比是提高断裂带介质变化探测精度的核心，而时间分辨率是地震前后介质变化分析的关键问题。信号接收方面，采用经过高标准台基处理的流动地震台阵，连续监测感兴趣的目标断层；震源信号提取方面，根据连续型和脉冲型人工震源信号以及背景噪声源的不同特点，发展了基于互相关和叠加处理的信号处理方法，以得到震源与观测台站（或台站对）之间的高信噪比经验格林函数；信号分析方面，根据不同震相的特点（体波、面波和尾波），采用波形互相关时延检测方法（滑动窗互相关和延展法）以获得精确的波速相对变化，采用单台站频谱比法，获得高精度的衰减相对变化，编制了相应的全套算法和处理程序。

（3）断裂带浅层介质衰减变化的主动源探测。汶川地震后，在汶川地震主断裂汶川—映秀断裂带的东北端，建立了一套主动震源观测系统，利用电动落锤震源对断裂带开展了近一个月的连续监测实验。利用主动震源激发波形的高度可重复性，分别获得了断裂带浅层介质波速和衰减的连续变化。结果表明：①断裂带浅层主要由未固结的沉积层和破碎岩石组成，波速较低，衰减强，品质因子为10左右；②波速和衰减变化趋势一致，并且和当地的大气压变化具有很好的相关性，大气压变化导致浅层介质的裂隙密度变化可能是波速与衰减变化的主要原因，并且远场效应占主导作用，大气压增加引起浅层介质中有效应力增大，降低了介质中的裂隙密度，引起介质波速增大，衰减减小；③实验地点附近的一次强余震（ML4.7）引起明显的同震波速下降和衰减增加，并在震后逐渐恢复到震前水平，可能是由强余震的强地表运动导致的浅层介质破坏引起的。

（4）断裂带波速变化主动源与被动源对比观测。结合汶川地震断裂带科学钻探项目，在灌县—安县断裂带进行了跨断裂带动态监测实验研究，测线长度约为10km。我们利用ACROSS主动震源信号和背景噪声互相关函数，分别独立获得了断裂带及其附近区域2009～2012年的连续波速变化。结果表明：①虽然使用不同的震相和信号频段，主动和被动方法获得的波速变化趋势非常一致，都呈现出振幅约为0.2%的季节性波速变化，冬天波速高，夏天波速低；②波速变化主要发生于断裂带内部，裂缝密度较高的断裂破坏带附近的波速变化幅度（约0.2%）要远高于围岩（＜0.1%）；③波速变化与实验地点的大气压良好的正相关性，说明大气加载可能是波速变化的主要原因，波速应力敏感系数为10－6Pa－1数量级；④与落锤主动震源实验的观测结果类似，大气压的远场效应起主导作用，断裂带内部分布着大量微裂隙，大气压增加会提高施加在断裂带介质上的围压，使裂隙闭合，波速增加。

（5）提高监测精度和时间分辨率的技术途径。研究表明，利用主动源和被动源可以获得断裂带介质随时间的变化，具有重要的发展前景。发展介质变化动态监测技术的核心是提高监测精度和可靠性，提高波速变化监测的时间分辨率。本研究中主动源与被动源获得的季节性变化具有良好的一致性，且主动源监测误差相对较小，监测结果比基于噪声的被动源更为可靠。并且通过提高主动源性能，如增大主动源激发能量、拓展频带宽度和保证信号的重复性等，可进一步提高监测精度和时间分辨率。

地震断裂带；人工震源；被动干涉成像；介质物性变化；监测实验