陳海潮 葛洪魁 王寶善 宋麗莉 王偉濤

（中國北京100081中國地震局地球物理研究所）

利用主動(dòng)震源監(jiān)測(cè)地下介質(zhì)衰減特性變化

陳海潮 葛洪魁 王寶善 宋麗莉 王偉濤

（中國北京100081中國地震局地球物理研究所）

監(jiān)測(cè)地下介質(zhì)物性動(dòng)態(tài)變化對(duì)于研究地震的孕育發(fā)生過程具有重要意義.汶川地震發(fā)生后，在汶川地震主斷裂帶東北端的陜西省寧強(qiáng)縣，建立了一套主動(dòng)震源觀測(cè)系統(tǒng)，利用電動(dòng)落錘作震源對(duì)斷裂帶開展了近一個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn).利用主動(dòng)震源激發(fā)波形的高度可重復(fù)性，用譜比法計(jì)算了淺層地下介質(zhì)衰減參數(shù)t隨時(shí)間的變化，并與波速和大氣壓變化進(jìn)行了對(duì)比分析.結(jié)果顯示，由未固結(jié)的沉積層和破碎巖石組成的斷裂帶地震波衰減強(qiáng)，品質(zhì)因子為10左右；衰減參數(shù)t與大氣壓的變化有很好的相關(guān)性，并與波速隨大氣壓的變化趨勢(shì)一致，可能是由于大氣壓變化導(dǎo)致淺層介質(zhì)的裂隙密度變化引起的；強(qiáng)余震引起顯著的t的同震變化及震后各接收臺(tái)站的不同變化趨勢(shì).野外實(shí)驗(yàn)表明，主動(dòng)震源是一種監(jiān)測(cè)地下介質(zhì)物性變化的有效方法.

汶川地震 主動(dòng)震源 地震波衰減 隨時(shí)間變化 大氣壓

引言

地震是活動(dòng)斷裂在應(yīng)力作用下，突發(fā)失穩(wěn)錯(cuò)動(dòng)引起的.監(jiān)測(cè)斷裂帶的介質(zhì)應(yīng)力變化，對(duì)于研究斷裂帶的演化，理解地震的孕育發(fā)生過程具有重要的意義.斷裂帶應(yīng)力狀態(tài)的變化，會(huì)引起波速、衰減等物理參數(shù)的變化.利用地震波波速對(duì)應(yīng)力的依賴性，在原場(chǎng)條件下測(cè)量地震波的波速變化，并用大氣壓和固體潮作為標(biāo)定信號(hào)，進(jìn)而推測(cè)地下介質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)，為地震孕育過程研究提供了重要手段.Yamamura等（2003）利用壓電陶瓷超聲波主動(dòng)震源連續(xù)監(jiān)測(cè)地下介質(zhì)的波速和衰減變化，并指出這種變化與海潮加載引起的應(yīng)變變化密切相關(guān).Silver等（2007）利用類似的方法，發(fā)現(xiàn)井間的波速變化與大氣壓變化存在很好的相關(guān)性.Wang等（2008）以電動(dòng)落錘作為主動(dòng)震源，利用尾波干涉方法連續(xù)監(jiān)測(cè)地表淺層介質(zhì)的波速變化，也發(fā)現(xiàn)波速與大氣壓明顯的相關(guān)性，并認(rèn)為是由大氣壓變化引起地下介質(zhì)的裂隙密度變化引起的.大地震引起的震源區(qū)附近及斷裂帶的波速震前、同震及震后逐漸愈合的變化趨勢(shì)，已經(jīng)在許多地區(qū)利用主動(dòng)源（Vidale，Li，2003；Niuetal，2008）、重復(fù)地震（Schaff，Beroza，2004）和被動(dòng)干涉成像（Brenguieretal，2008）等方法觀測(cè)到.

相對(duì)于波速的研究，介質(zhì)衰減變化的研究較少，地震波衰減的研究滯后于波速研究，原因之一是地震波傳播過程中振幅受多種因素影響（幾何擴(kuò)散、折射、反射、不均勻介質(zhì)散射等）（劉建華等，2004），導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不穩(wěn)定.然而實(shí)驗(yàn)室研究表明，介質(zhì)的衰減比波速對(duì)介質(zhì)的溫度、裂隙、流體和介質(zhì)的不均勻性等更為敏感.因此從理論上來講，地下介質(zhì)應(yīng)力變化也會(huì)引起衰減變化，并且這種變化比波速變化更為顯著（如，Yamamura等（2003）觀測(cè)到海潮加載引起的衰減變化為4%，而波速變化僅為0.3%）.Chun等（2004）利用重復(fù)地震具有相似的波形這一特點(diǎn)，提出了利用單臺(tái)譜比法計(jì)算衰減參數(shù)t相對(duì)變化的方法，并研究了1989年Loma Prieta地震斷裂帶附近的t變化，發(fā)現(xiàn)了明顯的同震變化及震后的長期愈合趨勢(shì).

雖然介質(zhì)衰減計(jì)算結(jié)果受到多種因素的影響，但在震源激發(fā)子波、傳播路徑、接收臺(tái)站固定的條件下，介質(zhì)衰減變化的觀測(cè)可以獲得較高的精度.汶川地震后，我們?cè)邶堥T山斷裂帶東北端的陜西省寧強(qiáng)縣金山寺村建立了一套固定觀測(cè)系統(tǒng)，利用電動(dòng)落錘主動(dòng)震源激發(fā)高度可重復(fù)地震信號(hào)，用譜比法計(jì)算了汶川地震斷裂帶淺層介質(zhì)的衰減參數(shù)t的相對(duì)變化，并分析了其與波速及大氣壓變化的關(guān)系.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 主動(dòng)源探測(cè)實(shí)驗(yàn)

汶川地震后，為監(jiān)測(cè)地震斷裂帶應(yīng)力變化趨勢(shì)，在地震主斷裂龍門山斷裂帶的東北端，四川省青川縣和陜西省寧強(qiáng)縣交界處（32.44°N，105.36°E），開展了近一個(gè)月的地震斷裂帶主動(dòng)探測(cè)實(shí)驗(yàn)（2008－06－06—29）.探測(cè)系統(tǒng)由主動(dòng)震源與8臺(tái)流動(dòng)地震觀測(cè)臺(tái)站組成（圖1）.主動(dòng)震源為75kg的電動(dòng)落錘，震源每1小時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)一回，每回在約3分鐘內(nèi)激發(fā)16次.電動(dòng)落錘震源完全由電力控制自動(dòng)激發(fā)，落錘提升的高度由鉸鏈決定，每次提升的高度一致，激發(fā)能量相同，以保證源的重復(fù)性.地震計(jì)為Guralp公司的CMG－40T短周期地震計(jì)（速度型，電壓靈敏度為2 000V／m·s－1，頻帶為0.5—100Hz），數(shù)據(jù)采集器為Reftek－130B，通過GPS連續(xù)同步授時(shí).8臺(tái)地震計(jì)形成“十”字形測(cè)線，一條測(cè)線（A）垂直于斷裂帶，另一條測(cè)線（B）平行于斷裂帶.每條測(cè)線上相鄰臺(tái)站間距約為50m（圖1）.數(shù)據(jù)采集器以500Hz的采樣率連續(xù)記錄落錘激發(fā)的地震信號(hào).震源附近的O臺(tái)站準(zhǔn)確地記錄下每次震源激發(fā)的近場(chǎng)波形，近似為源信號(hào).王偉濤等（2009）給出了本次實(shí)驗(yàn)更詳細(xì)的描述.

圖1 實(shí)驗(yàn)位置及其觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)圖.方塊表示落錘主動(dòng)震源，三角形表示流動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站.小插圖給出了實(shí)驗(yàn)位置，星號(hào)表示汶川地震震中，小圓圈表示在實(shí)驗(yàn)期間發(fā)生的余震，實(shí)線表示活動(dòng)斷裂帶，十字表示實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，位于龍門山斷裂帶的東北端Fig.1 Experiment site and seismic observation system.Square indicates location of electric drop hammer source and triangles denote temporal seismic stations；the inset illustrates experiment site；asterisk represents the epicenter of Wenchuan MS8.0earthquake；small circles show aftershocks which occurred during the experiment；lines denote active faults in surrounding region；cross marks the location of our monitoring system

1.2 頻譜比法

頻譜比法是計(jì)算地震波衰減的常用方法.由于我們使用的電動(dòng)落錘震源具有高度的可重復(fù)性，因此可以使用類似于Chun等（2004）的方法來計(jì)算衰減的相對(duì)變化.下面簡要闡述該方法的主要原理.

假設(shè)地震波的傳播過程由線性系統(tǒng)理論來描述，根據(jù)地震學(xué)中地震波傳播理論（Rietbrock，2001），臺(tái)站j記錄到的第i次落錘激發(fā)的振幅譜可以表示為

式中，Ai（f）是震源的激發(fā)函數(shù)，Pi是震源輻射花樣，T（d）表示幾何擴(kuò)散函數(shù)，Ij（f）是儀器響應(yīng)，Gij（f）表示路徑效應(yīng).根據(jù)Rietbrock（2001），路徑效應(yīng)可以表示為

其中，積分沿著射線路徑進(jìn)行，Q表示介質(zhì)的品質(zhì)因子，衰減參數(shù)t定義為走時(shí)t與品質(zhì)因子Q值之比沿射線路徑的積分，為根據(jù)臺(tái)站j記錄到的第i次激發(fā)的信號(hào)計(jì)算的衰減參數(shù).根據(jù)Adam等（2009），假設(shè)在我們研究的頻率范圍內(nèi)（5—50Hz），t與頻率無關(guān).將臺(tái)站j所有波形疊加作為參考波形，即

假設(shè)在實(shí)驗(yàn)過程中，落錘激發(fā)保持穩(wěn)定（即Ai（f）和Pi保持不變），并且落錘和臺(tái)站的相對(duì)位置不變（即T（d）不變），則從式（1）和式（3）可以得到譜比

式中，t0j為臺(tái)站j的參考衰減參數(shù).

選擇合適的頻段，取對(duì)數(shù)后用直線擬合頻譜比數(shù)據(jù)，Δtij為擬合直線斜率的相反數(shù).圖2是用頻譜比法計(jì)算Δtij的一個(gè)例子.

圖2 用譜比法計(jì)算Δt的原理示意圖圖中灰線表示參考信號(hào)的振幅譜，黑線表示單次激發(fā)信號(hào)的振幅譜，圓圈表示用來計(jì)算振幅譜比的數(shù)據(jù)點(diǎn)，正方形表示用于直線擬合的數(shù)據(jù)點(diǎn)Fig.2 Methodology for estimation ofΔtusing spectral ratio methodGrey line represents the reference amplitude spectra；black line denotes the amplitude spectra of a single shot；circles represent data points used to calculate amplitude spectra；open squares mark the data points for linear fitting

1.3 數(shù)據(jù)處理

電動(dòng)落錘主動(dòng)震源在實(shí)驗(yàn)期間，運(yùn)行穩(wěn)定且激發(fā)信號(hào)高度可重復(fù).由于氣候等原因，導(dǎo)致部分地震臺(tái)站數(shù)據(jù)缺失，只在兩個(gè)時(shí)間段（160—167天和169—174天，以下文中分別稱為第一階段和第二階段）所有臺(tái)站均有比較完整的記錄，因此我們分別計(jì)算這兩個(gè)時(shí)間段的結(jié)果.

首先利用互相關(guān)方法，檢測(cè)源臺(tái)站的主動(dòng)源信號(hào)，得到每次激發(fā)的精確時(shí)間，根據(jù)激發(fā)時(shí)間截取每次激發(fā)前0.5s和激發(fā)后1.5s的垂直分量波形.由于各臺(tái)站均為速度記錄，積分得到位移記錄.圖3是各臺(tái)站記錄到的電動(dòng)落錘震源激發(fā)信號(hào)的垂向分量，這里是將所有激發(fā)的信號(hào)疊加得到的參考波形，其中陰影部分是用來計(jì)算頻譜的波形段.根據(jù)落錘震源激發(fā)信號(hào)的能量頻段，將位移記錄經(jīng)過5—50Hz的4階Butterworth帶通濾波以降低噪聲，然后手動(dòng)挑選高信噪比的波形，用于下一步計(jì)算.由于所有臺(tái)站的地震計(jì)和數(shù)據(jù)采集器為同一型號(hào)的儀器，為避免引入可能的人為誤差，沒有去除儀器響應(yīng)，這并不影響用頻譜比法求取衰減變化的計(jì)算結(jié)果.

圖3 各臺(tái)站記錄到的落錘激發(fā)信號(hào)的垂直分量波形圖中波形為所有激發(fā)波形的疊加，陰影部分為用頻譜比法計(jì)算Δt的波形段Fig.3 Vertical component waveforms excited by the drop hammerThe seismograms are the superposition of all excitations；shadow parts indicate the waveforms used to estimateΔt with spectral ratio method

圖4 圖3中各臺(tái)站陰影部分中最大振幅附近約1個(gè)周期的質(zhì)點(diǎn)偏振示意圖所有臺(tái)站的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)近似為線性偏振Fig.4 Particle motion for the wave traces showed in Fig.3 （about one period around the maximum amplitude）All particle motions show approximately linear polarization

為了確定所選波形的震相，我們給出了圖3中陰影部分最大振幅附近約一個(gè)周期的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)圖（圖4）.盡管受到其它震相干擾，所有臺(tái)站的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)都近似為線性偏振.我們認(rèn)為所選取的波形段主要能量由S波組成，其后也有部分面波成份.

截取各臺(tái)站記錄到的落錘震源激發(fā)的波形（圖3中相應(yīng)臺(tái)站的陰影部分），用多窗口譜分析方法（multi－taper spectral analysis）計(jì)算截取波形的傅里葉振幅譜.該方法是用一系列相互正交的窗口加到時(shí)間序列數(shù)據(jù)上，得到相應(yīng)的正交振幅譜，然后將這些振幅譜根據(jù)一定的權(quán)重進(jìn)行疊加，得到最終的結(jié)果（Lees，Park，1995）.Zhu等（1989）詳細(xì)比較了多窗口和其它窗口（如10%cos窗口）在頻譜計(jì)算中的差別，認(rèn)為多窗口譜分析方法能夠有效地降低譜的方差，減少譜泄漏，使計(jì)算的譜形狀更為穩(wěn)定，但在一定程度上犧牲了譜的頻率分辨率.由于在計(jì)算Δtij時(shí)，直接用到振幅譜的形狀，因此我們選用多窗口譜分析方法以增加結(jié)果的穩(wěn)定性.圖5a是源臺(tái)站的三分量波形，圖5c是圖3中所選取波形用多窗口分析得到的振幅譜，圖中的點(diǎn)表示用來進(jìn)行直線擬合的數(shù)據(jù)點(diǎn).最后將每小時(shí)的結(jié)果求平均（如果該小時(shí)內(nèi)的有效激發(fā)次數(shù)小于6，則舍棄該時(shí)間點(diǎn)），得到Δtij的平均值及其相應(yīng)的誤差.

圖5 （a）源臺(tái)站O的三分量波形，持續(xù)時(shí)間約為0.2s；（b）圖（a）中波形的振幅譜；（c）接收臺(tái)站的垂直分量的振幅譜.空心圓形、三角形和菱形分別表示A1，A4和B1臺(tái)站（離源較遠(yuǎn)）用于直線擬合的數(shù)據(jù)點(diǎn)；實(shí)心圓形、三角形和菱形分別表示A2，A3和B2臺(tái)站（離源較近）用于直線擬合的數(shù)據(jù)點(diǎn)Fig.5 （a）Active signals recorded by the source station O，and the source duration is approximately 0.2s；（b）Amplitude spectra of the waveforms shown in（a）；（c）Amplitude spectra of vertical component for all stations.Open circle，triangle and diamond denote the data points of A1，A4and B1stations（far from source）for linear fitting，respectively；solid circle，triangle and diamond represent the data points of A2，A3and B2stations for linear fitting，respectively

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 品質(zhì)因子Q值

首先，以源臺(tái)站O記錄到的垂直分量波形作為參考信號(hào)，用譜比法計(jì)算了各臺(tái)的品質(zhì)因子Q值，大致了解該區(qū)域地下介質(zhì)的衰減特性.表1給出了計(jì)算參數(shù)和結(jié)果.由于A1臺(tái)站位于相對(duì)完整的巖體上，品質(zhì)因子較其它臺(tái)站略高.除A1臺(tái)站外，其它臺(tái)站的品質(zhì)因子Q值均為10左右，這是由于實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)淺層地下介質(zhì)為未固結(jié)的沉積層和破碎的巖石組成，沉積層的厚度為30m左右（黃偉傳等，2009），地震波衰減較強(qiáng).該結(jié)果與其它地區(qū)地表淺層的品質(zhì)因子結(jié)果接近（Geetal，2009），說明結(jié)果的合理性.

2.2 Δt的長期變化

圖6給出了兩個(gè)階段的Δt及其相應(yīng)大氣壓的長期變化.源臺(tái)站的相關(guān)系數(shù)絕大部分

在0.97以上，說明電動(dòng)落錘震源具有高度可重復(fù)性，源場(chǎng)信號(hào)基本保持不變（圖6a）.從圖6中可以看出，所有臺(tái)站的變化趨勢(shì)基本一致，與大氣壓變化呈明顯的負(fù)相關(guān).圖7給出了圖6中第一階段的Δt的頻譜特征，可以看出大氣壓變化具有日變化和半日變化特征，日變化要強(qiáng)于半日變化.各臺(tái)站的Δt均具有明顯的日變化，半日變化不明顯.為進(jìn)一步檢驗(yàn)衰減與波速和大氣壓的相關(guān)性，給出了A4臺(tái)站的Δt與大氣壓的關(guān)系曲線（圖8b，d），表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為－0.52.同時(shí)給出了A1臺(tái)站的Δt與波速變化Δv／v的關(guān)系，也呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為－0.91，并且波速變化也表現(xiàn)出微弱的日變化特征.這說明衰減與波速都受大氣壓的影響.第一階段（160—167天）的地震活動(dòng)性弱，沒有ML3以上的地震發(fā)生，但是大氣壓的日變化幅度較大（圖6f）.因此我們認(rèn)為，Δt的變化可能是由于大氣壓變化導(dǎo)致的.

表1 用譜比法求得各臺(tái)站的t及相應(yīng)的品質(zhì)因子Q值Table 1 Estimates of tand quality factor Qusing spectral ratio method

圖6 Δt及其大氣壓的長期變化（a）源臺(tái)站O垂直分量波形的相關(guān)系數(shù).相關(guān)系數(shù)大部分在0.97以上，表明主動(dòng)源的高度可重復(fù)性；（b）A1 臺(tái)站；（c）A2 臺(tái)站；（d）A3 臺(tái)站；（e）A4 臺(tái)站；（f）B2 臺(tái)站；（g）大氣壓.圖（b）—（f）中，黑線表示Δt隨時(shí)間的變化，灰線代表±δ誤差.B1和B3臺(tái)站數(shù)據(jù)缺失Fig.6 Long－term variation ofΔt and atmospheric pressure（a）Waveform cross－correlation coefficient of source station O，mostly over 0.97，indicating high repeatability of the drop hammer source；（b）A1station；（c）A2station；（d）A3station；（e）A4station；（f）B2station；（g）Atmospheric pressure.In（b）—（f），black line stands for temopral variation ofΔt，and grey line for±δestimation error.Data of B1and B3stations are not available for system malfunction

圖7 第一階段（160—167天）Δt和大氣壓的歸一化頻譜特征.大氣壓具有明顯的日變化和半日變化，各臺(tái)站的Δt均具有明顯的日變化特征，但半日變化不明顯Fig.7 Normalized spectra ofΔtand atmospheric pressure（grey line）during the first period（from day 160to day 167）.The atmospheric pressure exhibits diurnal and semidiurnal variations，and Δtshows obvious diurnal variation while semidiurnal variation is not clear

圖8 Δt變化與波速和大氣壓的相關(guān)性（a）A1臺(tái)站Δt和波速變化；（b）A4 臺(tái)站Δt和大氣壓變化；Δt分別作為速度變化（c）和大氣壓（d）的函數(shù).Δt與波速變化及大氣壓均呈明顯的負(fù)相關(guān)Fig.8 Correlation betweenΔtand wave velocity changes and atmospheric pressure（a）Δtand velocity changes of A1station；（b）Δtand atmospheric pressure of A4station；Δtvariations are shown as a function of velocity changes（c）and atmospheric pressure（d）.Significant negative correlation betweenΔtand velocity change and atmospheric pressure can be identified

圖9 Δt的同震及其震后變化（與圖6類似）灰線表示一次強(qiáng)余震的發(fā)震時(shí)刻.A1，A2臺(tái)站有明顯的同震變化.地震發(fā)生后，A2臺(tái)站與A3臺(tái)站的Δt的變化趨勢(shì)明顯相反Fig.9 Co－seismic and post－seismic variation ofΔt （similar to Fig.6）Grey line denotes the origin time of a moderate aftershock.Δtof A1and A2 stations shows evident co－seismic changes，and post－seismic variation of Δtis apparently different between A2and A3stations

2.3 余震的影響

在第二階段（169—174天），大氣壓較第一階段要低0.5kPa左右，且日變化幅度較小，但是在這期間發(fā)生了一次較強(qiáng)的余震（2008－06－19，11：31：16.7；105.62°E，32.73°N，ML4.6，Δ＝40.1km）.王偉濤等（2009）利用本次實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)源數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了由該次地震引起的約1%的同震波速下降.我們的分析表明，A1和A2臺(tái)站有較明顯的同震衰減變化（圖9），Δt突然增加，在震后約一天，緩慢恢復(fù)到震前水平.Δt增大說明地震波衰減增強(qiáng).此外，地震發(fā)生后，各臺(tái)站的衰減出現(xiàn)了不同的隨時(shí)間變化趨勢(shì).地震發(fā)生前，所有臺(tái)站的變化趨勢(shì)基本一致，與第一階段類似，Δt與大氣壓呈負(fù)相關(guān).地震發(fā)生后，A1和A2臺(tái)站的Δt逐漸減少，A3和A4臺(tái)站則逐漸增大，兩者表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì).B2臺(tái)站的變化則不明顯.

3 討論與結(jié)論

3.1 Δt變化的物理機(jī)制

大氣壓變化引起介質(zhì)的波速變化已經(jīng)被大量主動(dòng)源實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到，如Silver等（2007）和Wang等（2008）觀測(cè)到淺層介質(zhì)波速變化與大氣壓的強(qiáng)相關(guān)性，并認(rèn)為波速的變化與有效應(yīng)力和流體飽和度密切相關(guān)；Yamamura等（2003）觀測(cè)到波速和衰減與固體潮引起的介質(zhì)應(yīng)變有明顯的相關(guān)性.但到目前為止，尚未見到大氣壓變化引起介質(zhì)衰減變化的報(bào)道.

在地下10km深度范圍內(nèi)，介質(zhì)中普遍存在著微小裂隙（Huengesetal，1997）.我們的實(shí)驗(yàn)中，流動(dòng)地震臺(tái)站與電動(dòng)落錘震源的最遠(yuǎn)距離為100m左右，采樣深度約為10—30m.淺層勘探表明，該地區(qū)的沉積層厚度為30m左右（黃偉傳等，2009）；實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于汶川地震斷裂帶東北緣末端的一處河床上，淺層介質(zhì)中裂隙發(fā)育，孔隙率較高，并且實(shí)驗(yàn)期間又為當(dāng)?shù)氐挠昙荆严吨辛黧w應(yīng)處于飽和或接近飽和狀態(tài).室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，孔隙率影響介質(zhì)的波速和衰減（Klimentos，McCann，1990；Meglisetal，1996；Tompkins，Christensen，2001），裂隙的幾何形狀、密度、排列方向等都會(huì)對(duì)波速和衰減造成影響.一般來說，孔隙率越大，波速越低，衰減越強(qiáng)（Hudson，1981）.O′Connell和Budiansky（1974）給出了含裂隙介質(zhì)中地震波波速的計(jì)算模型，P波和S波的波速均隨著孔隙率的減小而增加.Meglis等（1996）進(jìn)一步發(fā)展了O′Connell和Budiansky（1974）的理論，給出了含裂隙介質(zhì)中波速與衰減對(duì)有效應(yīng)力的依賴關(guān)系，其表達(dá)式為

式中，ε表示孔隙率，τ表示孔隙率隨有效應(yīng)力變化的衰減常數(shù)，c表示與有效應(yīng)力無關(guān)的常數(shù).從式（5）可以看出，孔隙率主要受有效應(yīng)力影響，有效應(yīng)力越大，孔隙率越少，反之亦然.

有效應(yīng)力定義為圍壓與孔隙壓力之差，即Pe＝Pc－Pp.大氣壓變化引起介質(zhì)中有效應(yīng)力變化比較復(fù)雜：一方面，大氣壓會(huì)通過增加施加在介質(zhì)上的壓力，從而增大圍壓，增加有效應(yīng)力；另一方面，大氣壓也會(huì)直接通過增加施加在孔隙流體上的壓力增加孔隙壓力，減少有效應(yīng)力.究竟哪種效應(yīng)起主導(dǎo)作用則取決于介質(zhì)中孔隙之間和孔隙與外界環(huán)境之間的連通性.Silver等（2007）觀測(cè)到大氣壓對(duì)波速變化的不同影響，并分別解釋為近場(chǎng)效應(yīng)和遠(yuǎn)場(chǎng)效應(yīng).

對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)，大氣壓增加圍壓，從而引起有效應(yīng)力增加，使波速提高，衰減減少似乎是主導(dǎo)的影響.圖10是根據(jù)式（5）和式（6）導(dǎo)出的衰減參數(shù)t變化與有效應(yīng)力變化的關(guān)系.由于τ表征介質(zhì)孔隙密度隨壓力變化的關(guān)系，τ越小表明相同有效應(yīng)力變化引起的孔隙率變化越大，因此其對(duì)衰減影響亦越大.假設(shè)介質(zhì)的τ＝10kPa，則0.5 kPa的有效應(yīng)力變化將引起5%的衰減變化；而τ＝20kPa的介質(zhì)則需要1kPa的有效應(yīng)力變化引起同樣的衰減變化（圖10）.由于缺乏實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)巖石樣品的實(shí)驗(yàn)分析，不能獲得τ的準(zhǔn)確數(shù)值，但是可以進(jìn)行粗略地估計(jì).以A4臺(tái)站為例，Δt的日變化幅度約為0.005s，其t約為0.05 s（表1），相應(yīng)的大氣壓變化接近103Pa，應(yīng)力敏感性約為10－4／Pa.對(duì)應(yīng)于圖10，可以推測(cè)淺層介質(zhì)在原場(chǎng)條件下的τ值約為20kPa.我們的結(jié)果表明，大氣壓的變化不但會(huì)引起地下介質(zhì)波速的變化，其衰減特性也會(huì)發(fā)生變化，并且這種變化比波速變化更為顯著.利用高精度的主動(dòng)震源和觀測(cè)系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)介質(zhì)衰減隨時(shí)間的變化.

圖10 Δt的變化與有效應(yīng)力變化的理論關(guān)系計(jì)算依據(jù)文中式（5）和式（6）Fig.10 Δtshown as a function of effective stress variationΔPe The calculation is based on equations（5）and（6）in this paper

除大氣壓外，固體潮加載引起介質(zhì)應(yīng)變變化也可能會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)的波速和衰減的變化，如Yamamura等（2003）就觀測(cè)到由海潮加載導(dǎo)致的應(yīng)變變化引起的波速和衰減變化.本文中，固體潮對(duì)Δt也會(huì)有一定的影響，但是由于Δt與大氣壓的良好的相關(guān)性，我們認(rèn)為大氣壓是引起Δt變化的主要原因.

地震對(duì)衰減的影響也能夠利用上述理論進(jìn)行定性地解釋.強(qiáng)余震引起強(qiáng)烈的地表晃動(dòng)，導(dǎo)致淺層介質(zhì)破壞，裂隙張開引起孔隙密度增大，從而使地震波衰減增強(qiáng)，出現(xiàn)明顯的同震衰減變化.地震發(fā)生后，不同臺(tái)站表現(xiàn)出不同的衰減變化，可能是地震引起介質(zhì)中孔隙連通性發(fā)生變化所致.強(qiáng)烈的地表晃動(dòng)不但會(huì)增加淺層介質(zhì)中的孔隙率，孔隙之間及孔隙與外界之間的連通性也會(huì)發(fā)生變化.如前所述，A1，A2，A3，A4臺(tái)站組成的測(cè)線垂直于斷裂帶，B1，B2則平行于斷裂帶.A3，A4臺(tái)站靠近斷裂帶，A1，A2臺(tái)站則距離斷裂帶較遠(yuǎn).地震引起斷裂帶內(nèi)地下介質(zhì)中孔隙與大氣的連通性增強(qiáng)，大氣壓增加引起介質(zhì)的孔隙壓力增大將成為主導(dǎo)效應(yīng)，增大孔隙率，導(dǎo)致衰減增強(qiáng).這樣，A3，A4臺(tái)站的Δt變化趨勢(shì)與大氣壓變化呈正相關(guān)，而遠(yuǎn)離斷裂帶的區(qū)域裂隙發(fā)育相對(duì)較弱，孔隙與大氣的連通性并沒有明顯變化.按照前面的分析，衰減與大氣壓的變化呈負(fù)相關(guān)，大氣壓增加引起衰減減小.

3.2 影響觀測(cè)結(jié)果的因素

衰減參數(shù)Δt的計(jì)算結(jié)果受信號(hào)的信噪比及震源重復(fù)性等多種因素的影響.下面我們對(duì)這些因素分別進(jìn)行討論.

1）信噪比.由于頻譜比法的計(jì)算結(jié)果受所選波形窗口，擬合直線的頻段和頻譜計(jì)算方法等多種因素影響.我們所采用的方法是計(jì)算衰減參數(shù)Δt的微小相對(duì)變化，受噪聲的影響較大，所以要求信號(hào)具有較高的信噪比.盡管臺(tái)站的徑向分量信號(hào)強(qiáng)于垂直分量，計(jì)算過程中我們只采用了垂直分量的信號(hào).主要原因是水平分量的噪聲明顯高于垂直分量，更容易受其它因素的干擾，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不穩(wěn)定.同時(shí)，有些臺(tái)站的信噪比較低（如B1臺(tái)站），數(shù)據(jù)也沒有被采用.

2）震源重復(fù)性.在計(jì)算過程中，對(duì)于同一個(gè)臺(tái)站，我們假設(shè)每次震源的激發(fā)譜和輻射譜都是一樣的，這就要求震源激發(fā)波形具有高度可重復(fù)性.我們對(duì)主動(dòng)震源處的場(chǎng)地進(jìn)行了處理，以保證激發(fā)條件的一致性.盡管如此，在實(shí)驗(yàn)過程中，由于降雨和錘擊致使地面變形等原因，電動(dòng)落錘震源與地面的耦合可能會(huì)發(fā)生微小的變化，從而影響震源的激發(fā)譜和輻射譜.這種變化會(huì)影響所有臺(tái)站的觀測(cè)結(jié)果，從而造成所有臺(tái)站都出現(xiàn)一致變化的假象.本次實(shí)驗(yàn)中，震源對(duì)衰減參數(shù)Δt的影響相對(duì)較小，主要有以下幾個(gè)原因：① 源臺(tái)站O記錄到的震源激發(fā)的源場(chǎng)波形的相關(guān)系數(shù)大都在0.97以上，表明我們采用的電動(dòng)落錘主動(dòng)震源具有高度可重復(fù)性；② 采用頻譜比法求取Δt，只要震源譜形狀不發(fā)生改變，震源譜幅值大小的改變不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果；③ 觀測(cè)到的Δt具有規(guī)律的日變化，與大氣壓變化具有良好的相關(guān)性，這種有規(guī)律的變化不太可能是由震源的變化導(dǎo)致的.

3）走時(shí)變化.根據(jù)衰減參數(shù)t的定義，走時(shí)t的變化會(huì)影響Δt.如果介質(zhì)的波速v減小，走時(shí)t增加，一般來說相應(yīng)的衰減增強(qiáng)，品質(zhì)因子Q值減小.t的增加和Q的減小都會(huì)導(dǎo)致t增加，因此有必要區(qū)分這兩種作用.Chun等（2004）認(rèn)為，走時(shí)t的變化引起的Δt變化很小，相對(duì)于Δt的實(shí)際變化為高階小量，可以忽略.我們根據(jù)實(shí)際的數(shù)據(jù)對(duì)這種影響進(jìn)行粗略地估計(jì).假設(shè)觀測(cè)到的t的變化是由走時(shí)t的變化引起的，而介質(zhì)的品質(zhì)因子Q并沒有發(fā)生變化，則有關(guān)系

即，Δt的變化與波速v的變化在量值上是一致的.以A1臺(tái)站為例（圖8），Δv／v約為0.5%，走時(shí)約為1s，Q值為10左右，則由走時(shí)變化引起的Δt變化約為5×10－4s，而Δt的實(shí)際變化約為5×10－3s，兩者相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，說明走時(shí)t的變化對(duì)Δt的貢獻(xiàn)相對(duì)于Δt的實(shí)際變化可以忽略.

綜合以上分析，我們認(rèn)為觀測(cè)到衰減參數(shù)Δt長期變化是由大氣壓引起淺層介質(zhì)孔隙率變化引起的，Δt同震及震后變化也可能是由于余震破壞地表淺層介質(zhì)，引起介質(zhì)孔隙率和孔隙與大氣連通性變化導(dǎo)致的，并且基本可以排除信號(hào)信噪比、震源重復(fù)性和走時(shí)變化對(duì)Δt的影響.

由于本次實(shí)驗(yàn)使用的電動(dòng)落錘主動(dòng)震源能量較小，所以探測(cè)深度較淺（≤30m），范圍較小（百米量級(jí)）.選擇高性能的大能量震源進(jìn)行區(qū)域尺度探測(cè)是發(fā)展方向.陸地氣槍震源是能量更強(qiáng)，重復(fù)性更好的主動(dòng)震源，能夠進(jìn)行更大更深范圍內(nèi)的主動(dòng)探測(cè)，將會(huì)是我們下一步研究的主要方向（羅桂純等，2006；陳颙等，2007；Chenetal，2008；林建民等，2008；Wangetal，2010）.

3.3 結(jié)論

斷裂帶介質(zhì)物性變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，是研究斷裂帶演化和地震孕育過程的有效手段.利用主動(dòng)震源的高度可重復(fù)性，進(jìn)行了近一個(gè)月的連續(xù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)域范圍內(nèi)斷裂帶淺層介質(zhì)地震波衰減的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè).通過頻譜比法計(jì)算了地震波衰減參數(shù)t隨時(shí)間的相對(duì)變化，發(fā)現(xiàn)Δt與波速變化及大氣壓變化有良好的相關(guān)性.這是由于大氣壓變化引起淺層介質(zhì)中有效應(yīng)力的變化，改變了介質(zhì)中的孔隙率，進(jìn)而引起地震波衰減的變化.這種變化比波速變化更為顯著.同時(shí)我們還觀測(cè)到余震引起的地下介質(zhì)衰減的同震變化及其震后不同臺(tái)站的不同變化趨勢(shì).實(shí)驗(yàn)表明，利用高度可重復(fù)的主動(dòng)震源和高精度的觀測(cè)系統(tǒng)，以大氣壓等作為標(biāo)定信號(hào)，可以動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)地下介質(zhì)的波速和衰減變化，主動(dòng)源是動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)地下介質(zhì)物性變化行之有效的方法.

感謝所有參加野外實(shí)驗(yàn)的工作人員的辛勤勞動(dòng)，同時(shí)感謝審稿專家提出的建設(shè)性意見.

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（三）將情感態(tài)度價(jià)值觀目標(biāo)操作具體化。明確教學(xué)活動(dòng)中要達(dá)到的情感態(tài)度價(jià)值觀的目標(biāo)。借鑒國外學(xué)者對(duì)情感領(lǐng)域目標(biāo)的分類，結(jié)合我國小學(xué)教學(xué)實(shí)際，可以把情感態(tài)度價(jià)值觀教學(xué)目標(biāo)分為五個(gè)層次類型：接受、興趣、熱愛、價(jià)值觀形成、個(gè)性品格形成。教師在寫教案時(shí)表述情感態(tài)度價(jià)值觀目標(biāo)要具體、清晰、具有操作性，例如，小學(xué)低年級(jí)英語課中“培養(yǎng)學(xué)生的英語學(xué)習(xí)興趣”可表述為：（1）學(xué)生在學(xué)習(xí)單詞時(shí)能夠認(rèn)真跟讀和模仿；（2）學(xué)生能夠積極主動(dòng)地參與課堂游戲；（3）學(xué)生能主動(dòng)提出問題。

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陳海潮 中國地震局地球物理研究所固體地球物理專業(yè)在讀博士研究生.2009年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)固體地球物理專業(yè)畢業(yè)，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位.現(xiàn)主要研究方向?yàn)榱鲃?dòng)地震觀測(cè)、主動(dòng)源和被動(dòng)源聯(lián)合監(jiān)測(cè)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)和物性變化等.

Monitoring temporal variation of subsurface wave attenuation using active source

Chen Haichao Ge Hongkui Wang Baoshan Song Lili Wang Weitao
（InstitutionofGeophysics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China）

Monitoring subsurface medium properties is essential for understanding earthquake evolution process.After the occurrence of WenchuanMS8.0 earthquake，a 1－month field experiment was conducted in Ningqiang County，Shaanxi Province，to monitor subsurface medium property variation.The experiment site is located at the northeast end of the main fault ruptured during the devastating Wenchuan earthquake.An electric drop hammer was used for highly repeatable excitation of elastic waves.We extracted small temporal variations of the attenuation parametertof subsurface medium using spectral ratio method，and investigated the correlation between the attenuation，wave velocity and atmospheric pressure.The result shows that the shallow fault zone，which is generally composed of sedimentary cover and unconsolidated rocks，exhibits strong attenuation with a quality factorQof about 10；the temporal variation oftis strongly correlated with the variation of atmospheric pressure and is conformable to seismic velocity change with atmospheric pressure，which is probably caused by the opening and closing of compliant microcracks associated with pressure variation；apparent co－seismic change，as well as different postseismic variation patterns across different seismic stations，oftassociated with a moderate aftershock is identified.Our field experiment shows that it is feasible to monitor subsurface medium properties using active source.

Wenchuan earthquake；active source；seismic attenuation；temporal variation；atmospheric pressure

10.3969／j.issn.0253－3782.2012.06.007

P315.3＋1

A

陳海潮，葛洪魁，王寶善，宋麗莉，王偉濤.2012.利用主動(dòng)震源監(jiān)測(cè)地下介質(zhì)衰減特性變化.地震學(xué)報(bào)，34（6）：804－817.

Chen Haichao，Ge Hongkui，Wang Baoshan，Song Lili，Wang Weitao.2012.Monitoring temporal variation of subsurface wave attenuation using active source.ActaSeismologicaSinica，34（6）：804－817.

地震行業(yè)專項(xiàng)（200808002）、國家自然科學(xué)基金（41174040）和國家科技支撐計(jì)劃“汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探—— 主動(dòng)震源探測(cè)及發(fā)震斷裂的走時(shí)變化監(jiān)測(cè)”共同資助.

2011－11－15收到初稿，2012－04－10決定采用修改稿.

e－mail：seismichc＠gmail.com