利用多種震源測(cè)量介質(zhì)波速度變化的實(shí)驗(yàn)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(shí)的最重要的研究手段。過(guò)去一個(gè)多世紀(jì)，由于觀測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，通過(guò)對(duì)天然地震激發(fā)的地震波的研究，人們對(duì)全球地震分布、地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)過(guò)程、物質(zhì)組成和橫向不均勻性等方面的認(rèn)識(shí)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(duì)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(duì)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(dòng)變化過(guò)程，這些變化過(guò)程與地球內(nèi)部介質(zhì)的應(yīng)力場(chǎng)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(gè)地球的振動(dòng)，因此研究地球介質(zhì)應(yīng)力場(chǎng)和物性變化最有效的手段依然是利用地震波，但這種對(duì)變化過(guò)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(dòng)變化過(guò)程，我們必須研究不同時(shí)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(lái)，由于觀測(cè)技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，使測(cè)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(cè)、介質(zhì)物性變化檢測(cè)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(guò)精確測(cè)量地震波速度的變化探測(cè)地球介質(zhì)的短期變化過(guò)程已成為地球物理學(xué)新的研究熱點(diǎn)和未來(lái)重要的發(fā)展方向。
　　 本文圍繞著地震波速度變化精確測(cè)量這一方向，在全面總結(jié)已有的理論研究成果、實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理方法

4、的基礎(chǔ)上，利用人工震源探測(cè)實(shí)驗(yàn)、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(duì)地震波速變化這一問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)地分析與實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)地震波速變化的精確測(cè)量，獲取地球介質(zhì)短期變化和地震孕育過(guò)程中的一些信息，得到了一些有意義的結(jié)果，并對(duì)引起波速變化的原因、實(shí)驗(yàn)的測(cè)量精度及有關(guān)方法中需要進(jìn)一步完善和研究的問(wèn)題、介質(zhì)波速變化探測(cè)的實(shí)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(gè)方面。
　　 第一

5、，人工震源由于其時(shí)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(cè)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(dòng)源探測(cè)實(shí)驗(yàn)，采用了兩套地震觀測(cè)系統(tǒng)，觀測(cè)基線分別長(zhǎng)250米和1千米。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用相關(guān)檢測(cè)方法，直達(dá)波的波速相對(duì)變化測(cè)量精度達(dá)到了10-4至10-5的量級(jí)，脈沖序列的相關(guān)檢測(cè)可有效地提高信號(hào)的信噪比，增加信號(hào)的探測(cè)距離。利用尾波干涉方法測(cè)量得到波速相對(duì)日變化量達(dá)10-2至10-3，測(cè)量精度是10-4，波

6、速在具有長(zhǎng)趨勢(shì)變化的背景上表現(xiàn)出明顯的日變化，這種日變化與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地附近深井觀測(cè)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(shí)驗(yàn)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(jí)兩次地震，震后我們?cè)谡饏^(qū)立即布設(shè)了較為密集的流動(dòng)數(shù)字化地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)，獲得了大量的余震觀測(cè)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(shí)別系統(tǒng)，以不同的波形相關(guān)系數(shù)為閾值識(shí)別出余震序列中的重復(fù)地震事件。對(duì)相關(guān)系數(shù)為0.9的兩對(duì)重復(fù)地震事件在固定臺(tái)站上的記錄波形，采用尾波干涉方法對(duì)地震波速度變化進(jìn)行了測(cè)量，但我們用天然重復(fù)地震并沒(méi)有得到明顯的波速擾動(dòng)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(shí)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(cè)的應(yīng)用方面受到很大的限制，對(duì)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(cè)是近年來(lái)地震學(xué)研究中的一個(gè)新方向。我們利用云南數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)，選取2008年3月21日云南盈江5.0級(jí)地震前后七個(gè)月的震區(qū)附近三個(gè)地震臺(tái)的連續(xù)觀測(cè)資料，提取了Green函數(shù)，用干涉的方法對(duì)Green函數(shù)的變化進(jìn)行了測(cè)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(tái)站對(duì)之間)波速相對(duì)變化有的在震前上升，有的在震前表現(xiàn)為下降，相對(duì)變化幅度可達(dá)10-3至10-2的量級(jí)。用同樣的方法，對(duì)20

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