崔仁勝，周銀興，陳 陽，林 湛，王洪體，薛 兵

（中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036）

我國精密可控震源主動(dòng)探測(cè)研究進(jìn)展

崔仁勝，周銀興，陳 陽，林 湛，王洪體，薛 兵

（中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036）

精密可控震源對(duì)地發(fā)射掃頻信號(hào)，通過高精度的觀測(cè)系統(tǒng)獲得記錄資料，采用專門的數(shù)據(jù)處理方法來提取信號(hào)，獲得地下介質(zhì)的信息。介紹現(xiàn)有的一些數(shù)據(jù)處理方法，比如匹配濾波、反褶積、Wigner?Hough變換和時(shí)變?yōu)V波等，可以實(shí)現(xiàn)可控震源信號(hào)提取。并總結(jié)這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)。通過多次野外科學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，精密可控震源技術(shù)是一種探測(cè)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)及變化的有效途徑。針對(duì)精密可控震源探測(cè)的影響因素，還需要開展深入研究，以便于改善其探測(cè)距離和分辨能力。

精密可控震源；主動(dòng)探測(cè)；波速變化；深部結(jié)構(gòu)；信號(hào)檢測(cè)

0 引言

地震是發(fā)生在地球內(nèi)部由地質(zhì)應(yīng)力變化引起的具有破壞性的自然災(zāi)害，其孕育和發(fā)生過程總是伴隨著地下介質(zhì)特性的變化。直接獲取地下介質(zhì)應(yīng)力變化存在困難，而通過測(cè)量介質(zhì)波速變化是間接測(cè)量介質(zhì)應(yīng)力變化的可能途徑之一［1］。長期以來，地球物理學(xué)家獲取地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成和狀態(tài)的手段通常包括三種：天然地震、背景噪聲和人工震源［2-7］。其中，天然地震具有巨大的穿透力量，能量強(qiáng)，信噪比高；但地震事件本身存在時(shí)空分布不均勻的特性，且地震的震源位置等參數(shù)存在不確定性。背景噪聲成像的出現(xiàn)彌補(bǔ)了天然地震分布不均和定位不準(zhǔn)的缺陷，但背景噪聲信號(hào)源弱，需要疊加長時(shí)間數(shù)據(jù)來提高信噪比，犧牲了時(shí)間分辨率。人工震源可根據(jù)需要重復(fù)激發(fā)地震波，并且震源位置已知，是深部結(jié)構(gòu)探測(cè)的重要手段之一。

地震探測(cè)中常用的人工震源分為脈沖型震源和連續(xù)型震源。脈沖型震源主要有爆破、氣槍、錘擊和落重等［7-8］，而連續(xù)型震源主要是機(jī)械可控震源［9-11］。由于爆炸震源對(duì)環(huán)境有一定的破壞作用，氣槍震源需要水體等特定的發(fā)射條件，錘擊和落錘的發(fā)射功率小且探測(cè)距離和深度有限，因此具有大功率輸出力和精確控制相位／頻率特點(diǎn)的人工機(jī)械可控震源在地下介質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

目前常用的機(jī)械可控震源主要有用于石油勘探領(lǐng)域的VE432型可控震源、俄羅斯的液壓共振式可控震源、日本的精密可控常時(shí)震源（ACROSS）和我國研制的精密可控震源（CASS）［11］。用于勘探的VE432型可控震源輸出力小，以淺部結(jié)構(gòu)探測(cè)為主，不適用于遠(yuǎn)距離深部結(jié)構(gòu)探測(cè)［9-10］。俄羅斯的液壓式可控震源以輸出力大（最大100噸）見長，探測(cè)距離可達(dá)350 km［12］；日本的ACROSS震源具有發(fā)射信號(hào)頻率精密控制的優(yōu)點(diǎn)［13-15］。我國的精密可控震源研究始于2002年，在科技部對(duì)俄合作專項(xiàng)、科技支撐計(jì)劃、財(cái)政部修購專項(xiàng)和中國地震局的支持下，開展了大量卓有成效的工作，研制了四代可控震源系統(tǒng)。第一代是單個(gè)偏心質(zhì)量體構(gòu)成的水平旋轉(zhuǎn)震源，輸出水平向旋轉(zhuǎn)力，驗(yàn)證了可控震源控制系統(tǒng)和起震系統(tǒng)的工作原理；第二代是由兩個(gè)偏心質(zhì)量體構(gòu)成的線性震源，輸出水平向線性力；第三代震源是將第二代水平向作用力震源改進(jìn)為垂直向作用力震源，改善了可控震源與大地的耦合；在第三代震源基礎(chǔ)上結(jié)合大功率輸出力和精密控制信號(hào)頻率，開發(fā)了第四代精密可控震源，即由北京港震機(jī)電有限公司生產(chǎn)的大功率精密可控震源。以下文中所述即為第四代精密可控震源研究及應(yīng)用的主要進(jìn)展。

1 工作原理及發(fā)射信號(hào)

由于精密可控震源具有精確控制的發(fā)射頻率和準(zhǔn)確已知的震源位置，通過長時(shí)間向地面主動(dòng)激發(fā)重復(fù)地震波，在高精度的觀測(cè)系統(tǒng)支持下連續(xù)觀測(cè)和記錄信號(hào)，利用數(shù)據(jù)處理計(jì)算波形變化和相位延遲，研究地下介質(zhì)波速的空間分布和時(shí)間變化［11］。主動(dòng)地震監(jiān)測(cè)的重要任務(wù)是利用獲取的地下介質(zhì)波速變化來間接測(cè)量應(yīng)力的變化，從而發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)的構(gòu)造應(yīng)力，并估計(jì)應(yīng)力內(nèi)部儲(chǔ)存能量，嘗試在介質(zhì)的內(nèi)部區(qū)域發(fā)生迅速的地質(zhì)時(shí)間尺度改變或者構(gòu)造應(yīng)力的重新分布時(shí)探索構(gòu)造應(yīng)力的可測(cè)量變化與釋放事件之間的關(guān)系［16］。

精密可控震源系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成［11］。機(jī)械系統(tǒng)主要由電機(jī)和振動(dòng)體組成；控制系統(tǒng)主要包括控制終端和旋轉(zhuǎn)編碼器；監(jiān)控系統(tǒng)主要由近場(chǎng)地震計(jì)和加速度計(jì)組成，記錄震源工作時(shí)的近場(chǎng)波形。精密可控震源控制系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)好的掃描信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在電機(jī)的帶動(dòng)下，兩個(gè)偏心質(zhì)量體相向旋轉(zhuǎn)，其離心力相互作用合成垂直方向的作用力，這個(gè)力作用在發(fā)射平臺(tái)上，使得發(fā)射平臺(tái)與地面耦合共同產(chǎn)生振動(dòng)，將發(fā)射信號(hào)傳入地下，并通過布設(shè)的地震儀接收。

精密可控震源發(fā)射信號(hào)是一種頻率隨時(shí)間變化的連續(xù)振動(dòng)信號(hào)。為了使掃描頻率選擇靈活和準(zhǔn)確，掃描信號(hào)事先生成。目前使用較多的發(fā)射信號(hào)為線性掃頻信號(hào)，信號(hào)頻率為4～10Hz，每小時(shí)1個(gè)周期，每個(gè)周期內(nèi)有5次升頻-降頻過程，具體變頻模式如圖2所示。

通過記錄近場(chǎng)可控震源信號(hào)并計(jì)算其相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)精密可控震源發(fā)射信號(hào)相關(guān)系數(shù)高達(dá)99.7%以上［17］，發(fā)射信號(hào)的高度重復(fù)保證了測(cè)量相同路徑上的地震波走時(shí)變化的可靠性。

通過設(shè)計(jì)頻率和時(shí)間的關(guān)系式來得到理想的掃描信號(hào)，提高探測(cè)信號(hào)的分辨能力。楊微等在龍門山前山斷裂探測(cè)實(shí)驗(yàn)中使用了2～10Hz頻帶的組合線性掃描信號(hào)［19］，盡可能延長低頻信號(hào)掃描時(shí)間，增大低頻激發(fā)總能量。崔仁勝等根據(jù)能量均衡原則和信噪比均衡原則通過仿真計(jì)算設(shè)計(jì)了兩種非線性掃描信號(hào)［20］，理論上這兩種信號(hào)較線性掃頻信號(hào)更利于提高相關(guān)子波的分辨率。

2 數(shù)據(jù)處理方法

由于精密可控震源發(fā)射信號(hào)是一種連續(xù)信號(hào)（調(diào)制正弦波），觀測(cè)臺(tái)站記錄數(shù)據(jù)的信噪比低于1dB，這不同于脈沖震源發(fā)出的信號(hào)，不能直接分析和提取地下介質(zhì)信息；而目前解釋介質(zhì)特性的技術(shù)，都是基于震源信號(hào)為脈沖信號(hào)的波形，因此需要對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行波形變換和信號(hào)疊加。正因?yàn)榫芸煽卣鹪窗l(fā)射連續(xù)的線性調(diào)頻信號(hào)，因此我們可以使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來提取有效信號(hào)。

2.1 匹配濾波

王洪體等利用匹配濾波在接收臺(tái)站弱信號(hào)中檢測(cè)并提取精密可控震源信號(hào)［11］。設(shè)s（t）為可控震源發(fā)射信號(hào)，x（t）為臺(tái)站記錄信號(hào)，n（t）為臺(tái)站噪聲，r（t）為信號(hào)傳播路徑的傳遞函數(shù)，則：

根據(jù)匹配濾波理論存在這樣一個(gè)濾波器，使得臺(tái)站記錄信號(hào)x（t）通過濾波后輸出信號(hào)y（t）達(dá)到最大的信噪比：

這等價(jià)于計(jì)算x（t）和s（t）的互相關(guān)。根據(jù)匹配濾波理論，通過（2）式計(jì)算出的濾波輸出的最大信噪比可以達(dá)到：

式中：N0為噪聲的平均功率譜，E為震源發(fā)射信號(hào)的能量。精密可控震源發(fā)射信號(hào)能量與信號(hào)激發(fā)時(shí)間正相關(guān)，因此能通過增加發(fā)射信號(hào)的持續(xù)時(shí)間來增加匹配濾波輸出的信噪比。

崔仁勝等改進(jìn)了匹配濾波方法［21］，通過評(píng)估記錄波形的噪聲時(shí)間分配對(duì)應(yīng)的權(quán)重，對(duì)噪聲水平高的時(shí)段分配較小的權(quán)重，噪聲水平低的時(shí)段分配較大的權(quán)重，并將權(quán)重分配到匹配濾波中，達(dá)到降低短時(shí)突發(fā)強(qiáng)噪聲的影響、有效提高輸出信號(hào)信噪比的目的。

匹配濾波方法能夠?qū)崿F(xiàn)精密可控震源的弱信號(hào)檢測(cè)，由于其得到的為零相位子波，讀取波形初至等存在一定困難，提取的震相分辨率需要進(jìn)一步提高。

2.2 反褶積

楊微等利用頻率域反褶積方法處理分析精密可控震源觀測(cè)數(shù)據(jù)［19］，對(duì)式（1）進(jìn)行傅立葉變換，可得：

則信號(hào)傳播路徑的傳遞函數(shù)在頻域可表示為

再對(duì)R（ω）進(jìn)行逆傅立葉變換，得到式（1）中的時(shí)域傳遞函數(shù)r（t）。頻域反褶積方法可對(duì)信噪比高的臺(tái)站進(jìn)行信號(hào)提取，由于其忽略了噪聲的影響，不利于遠(yuǎn)距離臺(tái)站高噪聲環(huán)境下的弱信號(hào)檢測(cè)。

2.3 Wigner?Hough變換

Li等、劉?？档群蛣⒚鬏x等利用 Wigner?Hough變換檢測(cè)和提取精密可控震源發(fā)射的線性調(diào)頻信號(hào)［22-24］。Wigner?Hough變換是進(jìn)行非平穩(wěn)信號(hào)處理的強(qiáng)有力工具之一。Wigner?Vile分布對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)具有很好的時(shí)頻聚集性，Hough變換則是圖像信號(hào)處理中用來識(shí)別幾何特征的一種技術(shù)，它通過從圖像空間到參數(shù)空間的映射，對(duì)圖像空間中的直線或曲線進(jìn)行檢測(cè)。接收臺(tái)站的觀測(cè)記錄中包含一系列經(jīng)過不同路徑傳播達(dá)到臺(tái)站的精密可控震源發(fā)射的線性調(diào)頻信號(hào)，這樣的記錄在Wigner?Hough變換中顯示為一系列的峰值。假定在震源信號(hào)頻帶內(nèi)各頻率成分傳播速度一致，那么這一系列峰值具有一樣的斜率，按這個(gè)斜率切除的二維Hough圖像中的曲線就是精密可控震源信號(hào)變

當(dāng)接收臺(tái)站觀測(cè)記錄的信噪比足夠大，忽略噪聲的影響，得到換的波形，再通過時(shí)間軸變換就可以完成可控震源信號(hào)的檢測(cè)與變換。Wigner?Hough是一種有潛力的提取信號(hào)的時(shí)頻分析手段，但在處理中犧牲了時(shí)間分辨率。

2.4 時(shí)變窄帶濾波

張正帥等［25］設(shè)計(jì)了時(shí)變窄帶濾波器，對(duì)精密可控震源源信號(hào)和接收臺(tái)站記錄信號(hào)進(jìn)行濾波，其中時(shí)變?yōu)V波器的中心頻率通過跟蹤源信號(hào)的頻率-時(shí)間關(guān)系得到。通過對(duì)濾波后的記錄信號(hào)滑動(dòng)掃描檢測(cè)不同路徑傳遞到臺(tái)站的精密可控震源信號(hào)，利用滑動(dòng)掃描得到的信號(hào)檢測(cè)曲線峰值讀取不同震相到時(shí)。根據(jù)震相到時(shí)再對(duì)臺(tái)站記錄進(jìn)行時(shí)變窄帶濾波，得到各自對(duì)應(yīng)的波形，實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)和震相分離。時(shí)變窄帶濾波考慮了每一時(shí)刻中心頻率以外的噪聲，局部改善信噪比，有利于弱信號(hào)檢測(cè)；但處理過程較為繁雜，計(jì)算量大，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

3 主要探測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1 沽源實(shí)驗(yàn)

2008年5月，中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所在河北省沽源縣開展了精密可控震源觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中使用的是40噸精密可控震源，信號(hào)發(fā)射臺(tái)安置在沽源縣九連城鎮(zhèn)，自震源位置沿西南方向布設(shè)了150 km長共30個(gè)測(cè)點(diǎn)的流動(dòng)測(cè)線，平均臺(tái)間距約5 km。精密可控震源自2008年5月9日到5月18日共運(yùn)行了10天。通過分析流動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在150 km長測(cè)線上均有效檢測(cè)到信號(hào)，并且得到的精密可控震源記錄剖面與前人在該地區(qū)得到的H-21二號(hào)炮點(diǎn)的記錄剖面初至震相基本一致，也能看到明顯的莫霍面反射波［11］；同時(shí)對(duì)固定路徑的地震波走時(shí)變化進(jìn)行計(jì)算嘗試（圖3），測(cè)量到的走時(shí)相對(duì)變化為1.9×10-4。

3.2 龍門山前山斷裂實(shí)驗(yàn)

汶川地震后，國土資源部和中國地震局實(shí)施了汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程。為研究龍門山斷裂前山斷裂帶的應(yīng)力變化和震后愈合過程，中國地震局地球物理研究所使用北京港震機(jī)電有限公司生產(chǎn)的10噸精密可控震源在四川省綿竹市九龍鎮(zhèn)跨越前山斷裂開展了連續(xù)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，并布設(shè)了8個(gè)流動(dòng)地震臺(tái)進(jìn)行信號(hào)接收，最遠(yuǎn)的臺(tái)站距離精密可控震源9.7 km。該實(shí)驗(yàn)自2009年6月20日開始運(yùn)行。在實(shí)驗(yàn)期間的2009年6月30日凌晨2時(shí)3分，當(dāng)?shù)匕l(fā)生了MS5.6地震。通過分析地震前后的觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)穿過斷裂帶的直達(dá)S波走時(shí)發(fā)生了時(shí)延為5～9 ms的微弱變化，射線路徑上的平均波速相對(duì)下降了約0.3%，如圖4所示，其中臺(tái)站st02-st04的走時(shí)在地震前 后沒有明顯變化，st05-st07的走時(shí)延遲較大［19］。

3.3 龍門山斷裂南段探測(cè)實(shí)驗(yàn)

同樣，在汶川大地震后，中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所在汶川震區(qū)南端的蘆山、寶興一帶開展實(shí)驗(yàn)探測(cè)龍門山斷裂南段地下結(jié)構(gòu)和應(yīng)力變化。由于青藏高原在印度板塊俯沖急速抬升，受華北板塊和楊子板塊阻擋無法向東向北運(yùn)動(dòng)，最終強(qiáng)大的擠壓應(yīng)力施加于龍門山構(gòu)造帶［17］。野外實(shí)驗(yàn)共分兩期進(jìn)行，其中一期為2008年9月至2009年1月，精密可控震源信號(hào)發(fā)射臺(tái)位于四川省雅安市雨城區(qū)望魚鎮(zhèn)，布設(shè)的測(cè)線由雅安市雨城區(qū)望魚鎮(zhèn)開始向西北方向展布長度約120km，共28個(gè)接收臺(tái)站。二期實(shí)驗(yàn)自2009年5月至2009年10月，精密可控震源信號(hào)發(fā)射臺(tái)位于四川省蘆山縣太平鎮(zhèn)，共布設(shè)流動(dòng)測(cè)線2條，其中A測(cè)線走向與一期測(cè)線相同，架設(shè)了23套流動(dòng)數(shù)字地震儀器；B測(cè)線由5個(gè)臺(tái)組成，分布在可控震源發(fā)射臺(tái)兩側(cè)。實(shí)驗(yàn)使用的是建立在水泥基座上的40噸大功率精密可控震源，發(fā)射線性掃頻信號(hào)（圖2），通過流動(dòng)地震儀記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)。劉明輝等利用二期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到了蘆山震中區(qū)附近的二維波速結(jié)構(gòu)（圖5），發(fā)現(xiàn)在蘆山震中區(qū)有明顯的波速差異［18］。

3.4 廣東新豐江水庫探測(cè)實(shí)驗(yàn)

2009年12月至2010年1月，中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所在廣東省新豐江水庫周圍的紫金縣、英德市和龍川縣開展了4次40噸精密可控震源激發(fā)試驗(yàn)，并利用布設(shè)的英德-河源-陸河、龍川-河源-增城兩條流動(dòng)測(cè)線和新豐江水庫地震臺(tái)網(wǎng)共同記錄了該次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最遠(yuǎn)流動(dòng)臺(tái)站距發(fā)射點(diǎn)220 km。通過分析，發(fā)現(xiàn)所有的臺(tái)站均有效檢測(cè)到信號(hào)。除精密可控震源激發(fā)信號(hào)外，還在英德和陸豐進(jìn)行了兩次爆破。通過對(duì)比分析，精密可控震源剖面與英德爆破剖面的主要震相基本一致（圖6）。楊卓欣等聯(lián)合爆破資料和精密可控震源觀測(cè)資料反演了二維波速結(jié)構(gòu)（圖7）［26］，結(jié)果顯示，沿剖面地殼平均速度為6.21～6.25 km／s，莫霍面由南東向北西呈緩慢加深的趨勢(shì)，埋深31.0～32.5 km。庫區(qū)的地震多發(fā)生在二維速度剖面反映的上地殼速度縱橫向變化明顯的區(qū)域，推測(cè)可能存在切至上地殼上部的深部斷裂。

3.5 首都圈赤城實(shí)驗(yàn)

2011年3月，中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所在河北省赤城縣建立精密可控震源信號(hào)發(fā)射臺(tái)，使用40噸精密可控震源分別在水泥基座和流動(dòng)鋼板基座激發(fā)信號(hào)，利用首都圈數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)開展對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。兩次實(shí)驗(yàn)均激發(fā)的是4～12 Hz的線性調(diào)頻信號(hào)，通過對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，水泥基座下激發(fā)的信號(hào)最遠(yuǎn)傳遞到116 km外的張北臺(tái)，鋼質(zhì)基座激發(fā)的信號(hào)最遠(yuǎn)可傳遞到201 km外的興隆東地震臺(tái)；對(duì)張北臺(tái)兩次記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，鋼質(zhì)基座信號(hào)信噪比高于水泥基座激發(fā)的信號(hào)。

4 探測(cè)影響因素

4.1 探測(cè)距離

精密可控震源的探測(cè)距離影響因素主要有發(fā)射能量、震源耦合和觀測(cè)點(diǎn)臺(tái)基噪聲等。

由于精密可控震源是一種連續(xù)震源，其發(fā)射能量主要與震源輸出力和持續(xù)時(shí)間有關(guān)。當(dāng)發(fā)射時(shí)間一定時(shí)，震源輸出力越大，發(fā)生能量越大。而震源輸出力大小又和發(fā)射頻率、旋轉(zhuǎn)體質(zhì)量有關(guān)?？煽卣鹪醋畲蟀l(fā)射頻率和旋轉(zhuǎn)體質(zhì)量由可控震源機(jī)械特性決定。旋轉(zhuǎn)體質(zhì)量越大，最大發(fā)射頻率越低；旋轉(zhuǎn)體質(zhì)量越小，最大發(fā)射頻率越高。另一方面，可控震源發(fā)射能量是震源輸出力在時(shí)間域的積分，因此當(dāng)輸出力一定時(shí)，可控震源通過持續(xù)時(shí)間來增大單個(gè)周期激發(fā)能量。由于可控震源的重復(fù)性高，可通過多個(gè)周期信號(hào)疊加來實(shí)現(xiàn)能量的增加。

精密可控震源探測(cè)距離的另一個(gè)影響因素是震源耦合特性。接收臺(tái)站記錄的信號(hào)強(qiáng)度與發(fā)射能量大小和實(shí)際輸出功率有關(guān)?？煽卣鹪磳?shí)際輸出功率更能夠反映震源的工作效能。精密可控震源將設(shè)計(jì)的掃頻信號(hào)經(jīng)過電機(jī)后驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量體，生成對(duì)地作用力，而后通過和地基耦合的基板將該作用力傳入地下后被遠(yuǎn)距離臺(tái)站接收?？煽卣鹪椿寮ぐl(fā)信號(hào)中，除了發(fā)射信號(hào)的主頻能量成分以外，還疊加有大量的高頻諧波能量，造成發(fā)射信號(hào)能量在耦合過程中的損失［27］。因此震源耦合特性決定了震源發(fā)射能量傳入地下的效率，效率因子越高，傳遞能量越多，探測(cè)距離越遠(yuǎn)。在赤城實(shí)驗(yàn)中，同一個(gè)發(fā)射地點(diǎn)，分別在水泥地基和流動(dòng)鋼板底座來安裝精密可控震源激發(fā)地震波。利用區(qū)域臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)檢測(cè)信號(hào)發(fā)現(xiàn)，流動(dòng)鋼板基座的實(shí)驗(yàn)信號(hào)傳遞的更遠(yuǎn)，可達(dá)201 km處的興隆東臺(tái)，而水泥地基底座的實(shí)驗(yàn)信號(hào)最遠(yuǎn)只能傳遞到116 km外的張北臺(tái)；在張北臺(tái)接收的兩次實(shí)驗(yàn)信號(hào)振幅也不一樣，前者檢測(cè)的信號(hào)振幅更大。因此改善震源耦合特性有助于提高探測(cè)距離。

觀測(cè)點(diǎn)臺(tái)基噪聲也影響了遠(yuǎn)距離探測(cè)信號(hào)檢測(cè)。在赤城實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)，距源201 km的興隆東臺(tái)可有效檢測(cè)到信號(hào)，而距源75 km的沙城臺(tái)卻檢測(cè)不到震源信號(hào)。通過分析兩臺(tái)的臺(tái)基噪聲發(fā)現(xiàn)，沙城臺(tái)在1～10 Hz頻帶內(nèi)的臺(tái)基噪聲水平高于-140 dB，而興隆東臺(tái)的臺(tái)基噪聲遠(yuǎn)低于-140 dB?？梢姷驮肼暛h(huán)境臺(tái)站有助于精密可控震源的信號(hào)檢測(cè)。

4.2 分辨能力

精密可控震源探測(cè)分辨能力主要與發(fā)射能量、信號(hào)頻帶寬度和信號(hào)頻譜等有關(guān)［10］。在有噪聲情況下，相同臺(tái)站接收可控震源發(fā)射信號(hào)，發(fā)射能量越大，接收信號(hào)信噪比越強(qiáng)，對(duì)改善探測(cè)分辨能力越明顯。信號(hào)頻帶寬度對(duì)分辨能力的影響主要表現(xiàn)在中心頻率和相對(duì)頻帶寬度：中心頻率越高，相關(guān)子波主瓣寬度越窄；相對(duì)頻帶寬度越寬，相關(guān)子波主旁瓣振幅比越大，主瓣部分越突出。

震源發(fā)射信號(hào)的頻譜形態(tài)特征代表了各頻率能量的分布，經(jīng)過地下介質(zhì)傳播接收的觀測(cè)信號(hào)能量均衡決定了相關(guān)子波形態(tài)，而相關(guān)子波形態(tài)又決定了震相分辨率。不考慮場(chǎng)地響應(yīng)，在無噪聲的情況下，信號(hào)各頻率能量相等的相關(guān)子波分辨率最高，因此信號(hào)頻譜是影響探測(cè)分辨能力的重要因素之一。

5 結(jié)論與討論

由于精密可控震源對(duì)地作用力小，綠色環(huán)保，對(duì)激發(fā)場(chǎng)地條件沒有過多的限制，可在不同地質(zhì)條件情況下開展主動(dòng)探測(cè)，獲得地球深部介質(zhì)信息；同時(shí)精密可控震源激發(fā)信號(hào)高度重復(fù)，并能夠連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，可以對(duì)跨斷層及地震重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)開展連續(xù)觀測(cè)，用于監(jiān)視地下介質(zhì)波速變化。多次野外實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了精密可控震源是用于主動(dòng)地震探測(cè)的有力工具之一。

雖然精密可控震源已用于多次科學(xué)實(shí)驗(yàn)，但仍需要開展深入研究來進(jìn)一步提高精密可控震源的探測(cè)距離和分辨能力。在探測(cè)距離方面，一方面改進(jìn)震源結(jié)構(gòu)本身，拓寬發(fā)射頻帶增加輸出力；另一方面，繼續(xù)發(fā)展弱信號(hào)檢測(cè)方法，使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)或臺(tái)陣技術(shù)檢測(cè)遠(yuǎn)距離接收信號(hào)。在探測(cè)分辨能力方面，結(jié)合探測(cè)區(qū)實(shí)際情況設(shè)計(jì)質(zhì)量更高的發(fā)射信號(hào)，提高震相識(shí)別及到時(shí)讀取精度，使探測(cè)數(shù)據(jù)更易于處理和分析。同時(shí)由于連續(xù)監(jiān)測(cè)會(huì)產(chǎn)生大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理分析也是亟需的。實(shí)時(shí)便捷化數(shù)據(jù)處理可快速產(chǎn)出地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)及波速變化云圖，為探索地下介質(zhì)變化與研究地震孕育發(fā)生提供有力支撐。

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Research Progress in Active Monitoring of the Controlled Accurately Seismic Source in China

Cui Rensheng，Zhou Yinxing，Chen Yang，Lin Zhan，Wang Hongti，Xue Bing

（Institute of Earthquake Science China Earthquake Administration，Beijing 100036，China）

A sweep signal，radiated by the Controlled Accurately Seismic Source（CASS），is recorded by a high?precision observation system.From what’s recorded signal is extracted through special data processing to get information about the subsurface medium.This paper first presents some data?processing methods like matched filter，deconvolution，Wigner?Hough transform and time?varying narrow?band filter etc.，which can be used to extract controlled seismic source signals，and then summarizes both the advantages and the disadvantages of these methods. Field experiments prove that CASS technology is efficient in detecting the structure and variation of the subsurface medium.To make improvements in the detection of distance and resolution capability，further study is to be done in specifying the factors that have an influence on CASS detection.

CASS；active monitoring；velocity variation；deep structure；signal detection

P631.4

1673-8047（2016）04-0021-09

2016-07-29

中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（2014IES0202，2015IES0307，2015IES010303）

崔仁勝（1985—），男，博士研究生，助理研究員，主要從事地震觀測(cè)技術(shù)研究。

周銀興（1980—），男，碩士，工程師，主要從事地震觀測(cè)技術(shù)研究。