利用多種震源測量介質(zhì)波速度變化的實驗研究.pdf

1、地震波作為“照亮地球內(nèi)部的一盞明燈”，是我們獲取地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成及狀態(tài)等知識的最重要的研究手段。過去一個多世紀(jì)，由于觀測技術(shù)的不斷進(jìn)步，通過對天然地震激發(fā)的地震波的研究，人們對全球地震分布、地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)及動力學(xué)過程、物質(zhì)組成和橫向不均勻性等方面的認(rèn)識取得了巨大的進(jìn)步，為我們較為完整地勾畫出了地球整體結(jié)構(gòu)的三維圖像。也是基于對地震波傳播特性的研究，人工地震勘探也已成為了解地球淺部能源分布、勘查構(gòu)造環(huán)境的重要手段。
　　

2、然而，面對嚴(yán)重的地震災(zāi)害、強(qiáng)烈的火山噴發(fā)、地下水污染的日趨嚴(yán)重和資源的深度開發(fā)，都要求我們必須了解和掌握地球內(nèi)部的運(yùn)動變化過程，這些變化過程與地球內(nèi)部介質(zhì)的應(yīng)力場和物性變化關(guān)系密切。由于地震波是目前所知唯一能夠穿透整個地球的振動，因此研究地球介質(zhì)應(yīng)力場和物性變化最有效的手段依然是利用地震波，但這種對變化過程的研究與傳統(tǒng)地震學(xué)研究的區(qū)別在于，要了解地球介質(zhì)這種運(yùn)動變化過程，我們必須研究不同時間地震波穿透變化了的地球介質(zhì)所產(chǎn)生的細(xì)微變化，以

3、獲取地球介質(zhì)的短期變化信息為前提。進(jìn)入新世紀(jì)以來，由于觀測技術(shù)和計算技術(shù)的發(fā)展，使測量和研究地震波速度的這種短期變化成為可能，并已在火山地震監(jiān)測、介質(zhì)物性變化檢測等方面獲得了應(yīng)用，為我們研究地球的短期變化提供了很多新的信息。當(dāng)前，通過精確測量地震波速度的變化探測地球介質(zhì)的短期變化過程已成為地球物理學(xué)新的研究熱點和未來重要的發(fā)展方向。
　　 本文圍繞著地震波速度變化精確測量這一方向，在全面總結(jié)已有的理論研究成果、實驗和數(shù)據(jù)處理方法

4、的基礎(chǔ)上，利用人工震源探測實驗、天然重復(fù)地震波形分析和背景噪聲提取Green函數(shù)方法等不同震源產(chǎn)生的地震波對地震波速變化這一問題進(jìn)行了詳細(xì)地分析與實驗研究，通過對地震波速變化的精確測量，獲取地球介質(zhì)短期變化和地震孕育過程中的一些信息，得到了一些有意義的結(jié)果，并對引起波速變化的原因、實驗的測量精度及有關(guān)方法中需要進(jìn)一步完善和研究的問題、介質(zhì)波速變化探測的實際應(yīng)用等方面進(jìn)行了探討。本論文的主要工作大致可以分為以三個方面。
　　 第一

5、，人工震源由于其時間的精確可控和激發(fā)波形的高度相似性，是當(dāng)前地震波速變化精確測量最重要的手段。我們研究小組進(jìn)行了為期30天的野外主動源探測實驗，采用了兩套地震觀測系統(tǒng)，觀測基線分別長250米和1千米。實驗結(jié)果表明，利用相關(guān)檢測方法，直達(dá)波的波速相對變化測量精度達(dá)到了10-4至10-5的量級，脈沖序列的相關(guān)檢測可有效地提高信號的信噪比，增加信號的探測距離。利用尾波干涉方法測量得到波速相對日變化量達(dá)10-2至10-3，測量精度是10-4，波

6、速在具有長趨勢變化的背景上表現(xiàn)出明顯的日變化，這種日變化與實驗場地附近深井觀測的地下水位的日變化顯示出同步的關(guān)系，并與大氣壓的變化成負(fù)相關(guān)關(guān)系。實驗結(jié)果表明，由于應(yīng)力變化引起的波速變化的敏感性可達(dá)10-6/pa。
　　 第二，2003年7月和10月云南大姚地區(qū)先后發(fā)生了6.2、6.1級兩次地震，震后我們在震區(qū)立即布設(shè)了較為密集的流動數(shù)字化地震觀測臺網(wǎng)，獲得了大量的余震觀測資料。利用這些余震的數(shù)字化波形資料，我們開發(fā)了一套基于距離

7、的聚類分析法重復(fù)地震波形識別系統(tǒng)，以不同的波形相關(guān)系數(shù)為閾值識別出余震序列中的重復(fù)地震事件。對相關(guān)系數(shù)為0.9的兩對重復(fù)地震事件在固定臺站上的記錄波形，采用尾波干涉方法對地震波速度變化進(jìn)行了測量，但我們用天然重復(fù)地震并沒有得到明顯的波速擾動規(guī)律性的結(jié)果，這顯示了由于天然重復(fù)構(gòu)造地震在時間和空間分布上的不可控性，使得這種方法在速度變化監(jiān)測的應(yīng)用方面受到很大的限制，對此，尚需進(jìn)行深入的研究。
　　 第三，用背景噪聲提取Green函數(shù)

8、進(jìn)行地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的反演和波速變化的監(jiān)測是近年來地震學(xué)研究中的一個新方向。我們利用云南數(shù)字地震臺網(wǎng)，選取2008年3月21日云南盈江5.0級地震前后七個月的震區(qū)附近三個地震臺的連續(xù)觀測資料，提取了Green函數(shù)，用干涉的方法對Green函數(shù)的變化進(jìn)行了測量，結(jié)果表明，地震發(fā)生前，孕震區(qū)出現(xiàn)波速的異常變化，不同的路徑(臺站對之間)波速相對變化有的在震前上升，有的在震前表現(xiàn)為下降，相對變化幅度可達(dá)10-3至10-2的量級。用同樣的方法，對20

9、09年7月3日云南姚安6.0級地震前后孕震區(qū)周圍三個臺站連續(xù)22個月的觀測資料進(jìn)行了分析，不同臺站對之間介質(zhì)的波速變化也顯示出類似的現(xiàn)象，波速相對變化最大可達(dá)1％。這個結(jié)果表明，利用背景噪聲提取Green函數(shù)通過干涉測量獲取地球介質(zhì)的波速變化的方法可成為對地震孕育過程監(jiān)測的一種新手段。
　　 對地球介質(zhì)波速變化的精確測量，是為了獲取地球介質(zhì)的短期變化信息，使我們對地球的認(rèn)識從靜態(tài)的3-D圖像發(fā)展到與時間過程相關(guān)的、動態(tài)的4-D圖