短周期密集台阵在郯庐带北段（辽宁段）的架设

杨振鹏， 崔政东， 程 程， 张志宏， 杜琳琳

（1. 辽宁省地震局， 辽宁 沈阳 110034； 2. 铁岭地震台， 辽宁 铁岭 112000；3. 吉林大学， 吉林 长春 130012； 4. 辽宁开放大学（辽宁装备制造职业技术学院）， 辽宁 沈阳 110034）

0 引言

郯庐断裂带北段（辽宁段） 是中国大陆历史强震活跃区和现今地震重点危险区之一。 从事地震学研究的前辈们从地震地质、 地球物理及地震活动性等方面开展基础性工作， 获得过相应的成果和宝贵经验。 但是关键构造部位地质资料较少、 速度结构分辨率不高、 强震孕育动力学模型不清楚等问题值得我们研究。 利用密集台阵观测进行噪声成像、 接收函数等地震学方法开展地下探测研究是当下研究地震学的热门方法。 即穿透物质来探索研究物质内部结构， 更好的揭示地下精细结构。 地震台阵始建于20 世纪50 年代末， 用于检测、 区分核爆炸信号和地震信号[1-3]。 随着社会经济的飞速发展， 对地震台网监测能力的要求越来越高[4]。地震波在其传播过程中遇到介质不同的岩层界面， 其中一部分能量被反射， 另一部分能量通过界面而继续传播。 地下的地层面不整合面和断层面等都可能产生反射波， 以反射波振幅和反射系数可以推算出地下波阻抗的变化， 然后对地层岩性做出预测。 沿地表传播的面波浅层折射波和各种杂乱振动波与目的层无关的反射波信号形成干扰， 我们称之为噪声[5]。 地震波在地表下传播的时候会基于不同的介质发生具有特殊性的反射或者是折射， 接收器在接收到地震波的反射或者是折射信号之后能够基于震源的位置以及震波检测地点的位置等对地下岩层的具体结构和性质等做判断[8]。

近年来， 基于噪声成像和密集台阵观测是地震学研究技术和方法的重要变革， 该方法已经成为探测研究地球深部精细结构的重要手段[7]。百米级台间距的短周期密集台阵所记录的远震射线在地壳内相对均匀、 密集， 适合于研究地壳速度结构[6]。 地震现场应急和科学探测台阵的流动测震台网中也包括不少的短周期地震仪[9-10]。目前噪声成像和密集台阵观测在探测城市地下空间、 活动构造带、 火山、 大型建筑结构等内部结构研究， 以及大陆动力学等相关研究中得到了广泛应用， 国内外学者开展了大量的研究工作[7]。 密集台阵观测存在着4 个方向的显著特点。 第一是专业性。 短周期和宽频带仪器信号接收都利用的是专业的设备， 所以方法利用的专业性显著； 第二是方法利用具有规律性。 因为地震波的传播有特定的规律， 所以在数据分析中， 基于规律分析效果会更加显著； 第三是回报率高， 这种方法利用的准确性非常突出，能够在最低投入基础上获得最大产出； 第四是有利于地质细节确定， 更好揭示地下精细结构[8]。

1 台阵概况

郯庐断裂带北段（辽宁段） 是中国大陆历史强震活跃区和现今地震重点危险区之一。 我们的前辈从地震地质、 地球物理及地震活动性等方面开展基础性工作， 获得过相应的成果和宝贵经验。 但是关键构造部位地质资料较少、速度结构分辨率不高、 强震孕育动力学模型不清楚等问题值得我们研究。 利用架设密集台阵进行反演地下地质速度结构是当下研究地震学的热门方法。 通过这样的方法来揭示研究区域地下精细结构。 数据采集作为第一步， 也是最关键的一步， 因为原始数据有缺陷， 数据没有连续， 没有任何办法可以修补， 因此高质量的野外工作是科学研究成功的基础。

本文是基于局所合作项目所产生， 通过郯庐带北段（抚顺地区、 沈阳地区） 布设短周期密集台阵， 利用接收函数和背景噪声成像方法获取郯庐带北延段地下速度结构。 本文主要论述的内容为密集抬阵的布设方案、 布设流程、布设过程中的注意事项等。 密集台阵布设观测共两期， 两期都使用同型号短周期仪器， 布设仪器数量为60 套。

2 布设方案特点及预期产出效果

一期采用线型设计， 两条线各30 套仪器，每条线长度约15km， 台间距400m-600m， 连续观测时间近一个月； 采用线性设计主要是短周期地震计包围水库和容易发生矿震地段， 通过水库蓄水和发生矿震被短周期仪器接收信号，提取蓄水和发生矿震对地下介质影响， 同时对地震进行定位。

二期采用矩形设计10km*10km 范围内布设60 套仪器设计， 连续观测时间三个月左右。 在依兰—依通断裂（辽宁段） 和密山敦化断裂（辽宁段） 两支主干分支断裂布设； 其中依兰—依通断裂从沈阳西部穿过， 走向NE-NNE， 长度200km； 密山敦化断裂从沈阳南部穿过， 走向NEE， 长度200km 左右。 采用矩形设计是短周期地震计包围所研究的区域， 通过面型覆盖，拟利用噪声成像方法反演该区域地下速度结构。获得郯庐断裂带分叉区域的高精度地下介质模型（图1）。

图1 一期和二期密集台阵布设图Fig.1 Intensive stage array layout in two stages

3 流动台设备的构成

3.1 地震检波器

架设密集台阵首选是仪器， 仪器选用一体化短周期地震计（图2）， 内置正交三分量高灵敏度短周期地震检波器， 频率响应范围1Hz～150Hz， 尺寸14cm*16cm， 重量2.4kg， 固态存储32G， 工作温度范围-40℃～70℃， 收据回收方式采用数据回收电缆+无线数据回传， 工作模式自主采集+工业级平板电脑现场无线质控，内置锂电池可以反复充电。

图2 短周期地震计Fig.2 Short-period seismometer

该仪器产品的特点是全内置一体化短周期地震计， 实现在固定测位上按照预先设定的采集参数， 对内置正交三分量高灵敏度短周期地震检波器通道进行连续的数字化同步采集， 并将采集记录存储的采集站内部的大容量非易失性存储器中； 24 位模数转换器， 高精度数字化采集与记录， 瞬时动态范围≥124dB； 内置高灵敏度卫星定位与授时模块， 配合内置+外置高灵敏度有源天线， 支持埋置应用， 最大程度上减小卫星授时失锁概率； 卫星授时连续驯服策略配合高稳定度内部时钟源， 实现微秒量级经度的广域系统同步采集； 内置无线模块， 支持采集现场设备自检、 无线状态查询、 采集数据的回读及实时回传； 内部160Wh 可充电锂电池组， 连续记录大于600 小时； 可选配外接大容量电池单元， 工况下外电池为主， 内电池为辅， 由内置电源管理单元自动切换， 实现超长时间连续采集与记录； 防水耐腐蚀高强度工程塑料外壳。 体积小（14cm*16cm）， 重量轻2.4kg。

3.2 GPS 授时

GPS 时钟是一种接受GPS 卫星发射的低功率无线电信号， 通过计算得出GPS 时间的接受装置。 为获得准确的GPS 时间， GPS 时钟必须先接受到至少4 颗GPS 卫星的信号， 计算出自己所在的三维位置。 GPS 授时系统是针对自动化系统中的计算核心、 控制装置等进行校时的高科技产品， GPS 授时产品它从卫星上获取标准的时间信号， 将这些信息通过各种接口类型来传输给短周期地震计， 这样就可以达到整个系统的时间同步， 如图3 所示。

图3 短周期地震计连接的GPS 装置Fig.3 GPS device connected by a short-period seismometer

3.3 电源供电

检波器本身自带电源， 在冲满电情况下可以记录20 余天数据。 一期布台并未使用额外电源。 二期布台结合东北地区秋冬温度低、 耗电量快的特点， 采用短周期地震计连接蓄电池的供电方式， 保证短周期地震计数据记录达到三个月， 蓄电池为12v， 60Ah， 具有双耳手拎式，把手可以折叠， 方便携带和转移。 同检波器连接一起埋入地下。 蓄电池如图4 所示。

图4 短周期地震计连接供电的蓄电池Fig.4 Short-period seismometer connecting the supplied battery

4 仪器配置

（1） 在巡线平板电脑中， 进行现场质控软件（ALLSEIS Manangement Unit-3CH） 参数配置。 设置Configure.ini 文件中Repeater_IP 参数， 讲地址配置为所使用中继单元IP 地址； 中继单元后面有IP 地址为： 110.***.140.196。

（2） 开启电脑， 通过无线网络连接中继单位（软件界面中继连接状态为绿色连接显示成功）；

（3） 用巡线平板电脑连接检波器， 在界面Status 里搜索设备， 然后连接设备， 连上以后设置台站号码， 设置采样率， 统一频率是100Hz。

（4） 点击开始采集， 进行采集数据， 界面显示数据采集中， 仪器开始记数。

（5） 完成设备采集参数设置后， 在Status菜单栏中选中该设备， 点击断开设备。 仪器配置完成， 如图5 所示。

图5 仪器配置界面Fig.5 Instrument configuration interface

5 野外工作施工

地震检波器野外采集的数据是后续科学研究和分析的最主要依据， 所以严格标准化的野外施工是获得高质量数据的前提和保障。

在野外工作中， 为保障采集到真实有效的地震数据， 精准定位至仪器架设位置， 检查周边坏境， 选择合适的台站点位。 环境背景噪声是野外环境中最突出的信号干扰源。 台站位置的选择， 首先要注重选择低噪声背景位置。 一般采用如下选址标准： 第一， 远离公路、 铁路、采矿施工和其他连续噪声信号源， 避开高压线路、 变电站等电磁干扰； 第二， 考虑到仪器安全问题， 包括仪器看护、 交通道路和绿化挖掘、野生动物啃食、 导致设备老化等可能发生的情况； 第三， 避开树下、 河道等地点， 防止雷击、水淹事件发生， 远离周围正在进行施工或即将施工的区域。 项目进行过程中为保证数据采集连续性应提前计算好仪器更换频率， 在每个点位的仪器布设过程中的关键步骤（主要是调平指北） 留存一张以上的照片为依据， 特别是仪器埋设周围环境参照物照片， 做好标记以便取回。 完成布设前通过仪器配置， 设好桩位号、采集频率、 检查GPS 连接情况等， 仪器进入采集模式并显示实时波形后方可掩埋。 施工人员应认识到地震仪在勘探工作中所起到的重要作用， 要了解与掌握设备类型、 性能以及野外操作等， 并按照实地勘察要求， 合理选择与运用设备。 野外采样的观测流程见图6 所示。

图6 野外采样观测流程图Fig.6 Flow chart of field sampling observations

6 常见问题与注意事项

（1） 检波器要放置空旷场地， 不要放置大树下等有遮挡物的下面， 以免GPS 信号不好，影响数据授时。

（2） 下载检波器数据时候， 将检波器关闭，否则与电脑连接时， 虽然有电脑提示音， 但是不显示硬盘符号， 读取不到数据。

（3） 回收设备后一定要关机， 否则设备还是默认记录数据， 在电源允许情况下， 直至存储空间存满， 不利于再次使用。

（4） 检波器存储存在虚拟删除， 在与电脑连接后， 即使删除数据， 页面空白也不是真正数据清空， 当手持电脑连接时数据还是有剩余，记住要清除数据选择格式化。

（5） 辽宁地区气候地处欧亚大陆东岸、 中纬度地区， 境内雨热同季， 日照丰富， 积温较高， 冬长夏暖， 春秋季短， 四季分明。 雨量不均， 东湿西干。 尽量避开冬季布设和架台， 冬季温度时间长， 平均温度处于-5℃～6℃。 由于冬季气温低， 昼夜温差较大， 电池电量损耗快，数据记录时间短。 另外回收设备时候容易被冻住， 仪器不好回收， 在挖掘时检波器和GPS 线路也容易受到损坏。

（6） 每次布台前做好准备工作， 逐一检查设备电量， 确保电量充足； 逐一检查设备存储空间， 确认设备内存充足。

（7） 辽宁大部分位于中朝准地台， 喜马拉雅运动形成了辽宁境内的东、 西部大型隆起和中部凹陷的构造格局[11]。 中间平原居多， 布设仪器绕开干扰源即可布设。 而辽宁东、 西部排除干扰源外， 山区和农田地貌居多， 勘选布设稍有难度。

（8） 检波器设备掩埋地方一定要做好标记，同时拍好掩埋处参照物照片， 以便于回收时候寻找。 建议做两处标记， 一个是掩埋处地上标记， 另一个是掩埋处高处的标记。 掩埋处地上标记方便寻找准确位置， 掩埋处高处标记方便迅速锁定掩埋区域。

7 结论与讨论

（1） 密集台站观测数据采集作为项目研究的第一步， 也是最关键的一步， 原始数据有缺陷， 数据没有连续， 无任何办法可以修补， 因此高质量的野外工作是科学研究成功的基础。

（2） 密集台阵布设方案与研究对象有关，本文主要是线型和面型布设， 线型布设研究水库蓄水和发生矿震对地下介质速度结构的影响；面型布设主要研究郯庐断裂带（沈阳地区） 分叉定位成像。

（3） 该项目将短周期密集台阵引入到壳幔结构的深部探测， 丰富了壳幔结构的探测手段。

（4） 密集地震台阵探测这类方法抗干扰能力强， 特别适于在人口密集的城市地区开展工作。

（5）短周期密集地震台阵探测一次性可以投入大量的仪器设备， 观测点距可达百米级， 在高精度地球深部结构探测中有明显的优势和广阔的应用前景。

（6） 在大中城市周边建设地震台阵， 可解决城市内地震监测台站建设不便和背景噪声高等问题， 增强人口密集区的地震监测能力。