中国井下地震观测研究回顾与展望——从井下到东海深井垂直地震台阵

目前我国约有数百个井下地震观测台。井下观测可以避免地表噪声干扰和场地效应,填补在高噪声区域获取高精度地震资料的空白。增加井下观测台站可以弥补地表观测能力的不足,使观测台站的布局更加科学合理,从而也为地震学观测研究开辟新途径。井下台网观测波形有利于准确测定地震参数,建立高精度波速模型,探索地震成因,从而推动地震预报工作。唐山强震就发生在低速体与高速体之间,文安地震前波速出现了可信的地震前兆性降低异常。井下地震仪可观测到地表反射波,对研究地壳精细结构和资源评估均有重要意义。井下观测到的震级、矩震级以及拐角频率均小于地面台站观测结果。江苏东海大陆深井垂直地震台阵井下波形的平均信噪比为70 dB以上,在高噪声背景区可获得高保真度的地震波形,也为研究震源提供更直接的约束条件,有利于高可信度的震源理论研究,以及地震波传播的非线性效应和场地效应的研究,进而提高强地面运动预测的精确度。井下与地面观测的震级差异可能与上层介质的波形非线性增幅效应及波的频率有关,它们拐角频率差异可能与上层介质对不同频率波分量的影响有关。这些差异的成因也具有多重复杂性,有待于深入地科学研究和探索。我国近期将建设更多井下地震观测台站,井下观测网和垂直地震台阵观测研究是创新未来地球物理学发展的重要途径。

西藏波密地区深部密度结构与地震活动的关系

西藏波密地区位于南迦巴瓦构造结东北部,是研究喜马拉雅东构造结演化的关键地区。本文首次获得波密地区1:20万布格重力数据,并利用小波变换多尺度分解方法、刻痕分析方法和重力三维反演方法,获得了不同尺度的重力异常、断层分布和密度结构。结果分析表明,波密地区整体地壳密度变化明显,与断裂分布密切相关。同时结合区域地质资料,在波密地区推断了20条断裂,发现了4处较大的横向密度不均匀带,并推断了贯穿研究区的嘉黎断裂带的产状。在此基础上利用该地区地震及余震活动记录,本文分析了深部密度结构与地震的关系。通过对研究区的断裂构造、地震活动与重力异常的密度横向变化可知,该地区地震活动、断裂带与岩石密度扰动的横向不均匀性密切相关,地震主要位于密度差异带整体的垂向的高密度区域。最后讨论了深部密度结构对波密地区大型工程建设的潜在影响。

常压低氧小鼠氧耗量测定新装置的研究及应用

目的:建立一种实时记录常压低氧环境中动物氧耗量的方法。方法:本实验装置由动物舱、补水控制系统、天平、软管、装有体重记录软件的电脑等组成。为了实现常压低氧,用水补充动物消耗的氧气以保持动物舱内压力恒定,这个过程由气液联动装置控制;补充的水量由天平测量并同步输出信号至excel文档中。用注射器抽气校准方法检测了装置的准确性和精度。利用该装置观察了6只急性重复低氧小鼠(处理组)和6只未经低氧处理的小鼠(对照组)的常压低氧过程的氧耗量特征。结果:不同体积抽气量与相应补水量两组数据配对t检验P=1;重复抽1 ml氧气6次的补水量变异系数为4%。处理组小鼠的存活时间为(58.8±6.8)min,显著高于对照组(46.0±8.7)min(P<0.05)。处理组小鼠的总氧耗量为(85.1±8.5)ml,显著高于对照组(73.6±5.4)ml(P<0.05)。结论:处理组小鼠摄取氧总量增多从而显著延长其存活时间。氧耗量测定装置准确度和精密度较高,可用于低氧研究中氧耗量的测定。

东海深井地球物理长期观测仪器设置与观测研究

东海深井地球物理长期观测是我国开展深井地震学观测研究的第一步，其目的是为了排除地面干扰，取得高信噪比、高分辨率和高精度的地球物理观测资料．美国圣安德列斯断层项目组开展的深井综合地球物理观测研究项目在4000m深井的不同深度处设置了多种观测仪器（Chavarria et al，2003），

小波变换在面波插值中的应用

利用瑞雷面波的频散信息可有效反演浅层横波速度结构。但在大时空采样地震记录中,由于瑞雷面波的速度很低,其记录中的高频成分容易出现严重假频,甚至出现超周期现象,这会降低其频率速度谱的信噪比,影响频散曲线的提取精度,在高频段更加如此。基于小波变换原理,实现对瑞雷面波的时空插值;根据瑞雷面波同相轴线性的特点,将线性动校正引入到插值中,改善高频信息的插值效果;进行理论模型数据和实际记录的试算与频率速度谱的提取以及插值前后频率速度谱的对比分析。研究结果表明:基于小波变换原理的插值方法是正确的;该方法可以有效提高频率速度谱的信噪比和频散曲线的提取精度,为大时空采样地震记录瑞雷面波频散曲线的提取提供理论基础。

胆碱对鸡胚绒毛尿囊膜血管新生的促进作用

目的:研究胆碱对鸡胚绒毛尿囊膜(CAM)血管新生的促进作用。方法:制备CAM模型,将氯化胆碱、人血管内皮细胞生长因子(hVEGF)和生理盐水分别通过载体加到CAM上,观察CAM特异性血管生长情况和血管数目变化。结果:氯化胆碱在0.5 nmol/L^1 mmol/L浓度范围内,当浓度增至0.01μmol/L^1 000μmol/L浓度范围时均有促进血管新生的作用,其最低有效浓度为0.01μmol/L,促进血管新生的作用幅度与hVEGF相当。结论:胆碱可促进鸡胚绒毛尿囊膜血管新生。

深井地球物理观测与东海深井长期观测的最新进展

深井地震与地球物理观测（Borehole Seismology）是21世纪的一项崭新的高科技项目。东海深井地球物理长期观测是我国开展深井地震学观测研究迈出的第一步。 20世纪70年代起，国外地球物理学界开始从地面观测向地下深井发展，前苏联等国相继进行了不同深度的科学钻探。

江苏东海5000米深井地球物理长期观测的最新进展

深井地震与地球物理观测fBorehole Seismology）是21世纪的一项崭新的高科技项目。为了排除地面干扰，取得高信噪比、高分辨率、高精度的地球物理资料，从上世纪70年代起，国外地球物理学界开始从地面观测向地下深井发展，建设了众多的深井观测台站，并组建了区域深井观测台网。

差分法声波地震合成的方法技术问题差分格式选取和变密度项取舍

本文对复杂介质声波地震合成中的一些技术问题进行了研究。其中包括:差分方法中的网格假象与差分格式的关系及差分格式选取问题;普通声波方程和变密度声波方程合成的反射记录的差异及变密度项取舍问题。本文对田字型九点差分格式、十字形九点差分格式和五点差分格式的网格假象进行理论分析和数值计算,结果说明:田字形九点差分可以有效地压制网格引发的各向异性现象,在一定情况下也可以压制网格假频,其应用效果与差分权重系数有着很大的关系;十字形九点差分可以有效地压制网格假频,通常情况下其效果优于田字形九点差分。通过对比标准声波方程和变密度声波方程合成的反射记录说明变密度方程的反射系数更接近理论值。

三分量地震映像技术在浅层裂隙调查中的应用

地震映像法在工程地质调查中应用广泛,三分量地震勘探技术能够获得丰富的地学信息。本文采用纵波激发,三分量检波器接收的三分量地震映像技术对某测区进行浅层裂隙调查试验。通过对三分量数据进行处理和解释,成果剖面特别是X分量上裂隙反映明显。裂隙的响应特征表现为同相轴的扭曲和错断。X分量的加入,弥补了Z分量对于某些方向裂隙的不敏感,增加了解释的可靠性。调查结果表明该方法用于浅层裂隙调查行之有效。

江苏东海深井观测地震波形及其信噪比研究

为了探索在高噪声干扰地区获取高信噪比地震信息的有效途径,本文分析了我国第一个超深井地震观测站江苏东海地壳活动国家野外科学观测研究站设置在地面与井下三个不同深度处的地震仪所记录的波形及其信噪比特征。结果显示:由于观测研究站周围强烈的噪声扰动,地面地震仪记录中无法识别M_(L)0.8地方震波形,而深井地震仪可清晰地记录到该小震波形,且深井地震仪可观测到较地面地震仪更多的零级或负震级地震;井下三组不同深度地震仪所记录波形的信噪比均远高于地面地震仪,且不同深度地震波形信噪比的平均值随仪器深度的增大而增加。井下1559.5 m处的地震仪的波形平均信噪比为69.20 dB,2545.5 m处的信噪比达到74.15 dB,均达到高保真波形的信噪比值,这说明1500 m深处地震仪所观测到的波形可以有效地避免地面干扰,因此深井地震观测能够提供高信噪比的波形资料,为研究震源过程和场地效应等提供真实可靠的基础资料,这也预示着深井观测将促进深井地震学的研究与发展。

认知地球物质运动的大陆动力学方法

20世纪70年代板块构造学建立以后,全球地球物理调查取得了足够多的观测数据,对地壳上地幔构造进行了准确的物性成像,为克服板块构造学的存在问题的大陆动力学研究提供了可实现的基础。在地壳-上地幔物性成像的基础上,大陆动力学的研究方法首先是综合多学科数据进行全球对比。结合古地理和古地磁数据,全球对比的内容包括地幔的速度变化、电阻率扰动和位场反映的介质密度和磁性扰动异常等,它们在大陆动力学研究中,为研究地球物质运动的非板块模式提供了大量证据。多学科全球对比研究结果表明,大陆和大洋岩石圈的力学性质和物质运动形式大不相同,必须跳出板块的概念来研究大陆动力学作用过程。同时,岩石圈本身没有板块运动的动力来源,必须和软流圈物质运动一起研究,才能全面理解岩石圈的行为和物质运动的规律性。从最近几年的地幔地球物理三维成像成果看到,对于地球表面难以观察的软流圈和地下深部,对比三维的地震波速和电阻率扰动图像,可以获得关于上地幔物质运动的信息,认知已经发生在地壳-上地幔的物质运动特征。本文中介绍了几个典型例子。

深井地壳运动长期观测

我国建立的深井地壳运动长期观测站以中国内地科学钻探工程所取得的5158米深井为核心,在地面和井下进行地磁、绝对重力、测震、地温、地应变、地倾斜、孔隙压、水位、气氮等多种地球物理参数的长期观测,使得人类对于地壳深部的认识不断迈向深入。

利用深度自编码算法的地震脉冲信号检测方法

四川省汶川地震发生前,一些测震和形变台站记录到了低频脉冲信号。为了进一步分析和判别这类脉冲信号的真实性,提出了基于深度自编码算法的地震脉冲信号检测方法。以汶川地震为例,首先收集四川省49个台站震前9天的波形数据作为样本集,采用连续小波变换获得波形数据的时频谱,然后利用深度自编码神经网络对其进行训练,并应用于地震脉冲异常信号的自动识别。测试结果表明,所构建的深度自编码网络模型具备良好的稳定性,对新数据的识别准确度在93%以上。最后初步统计了汶川地震前1个月四川省出现的疑似脉冲异常的空间分布,从断层慢滑移运动的角度给出了一种可能解释。

基于地倾斜数据的九寨沟Ms7.0地震旋转运动场构建

过去几十年由于对地面旋转运动认识的不足以及直接测量旋转分量存在实际困难,所以一直忽视了地震旋转分量的观测和研究.目前国内尚缺乏地震旋转量直接测量的工作,文章尝试讨论从地倾斜资料中获得地震旋转量的可能性.基于均匀全空间弹性波场的位移公式,推导了剪切位错源在水平面产生的旋转运动场,对比分析了三分量平移运动和旋转运动近、中、远场的特征.并根据自由表面旋转量与倾斜量的对应关系,获得了间接构建分层半空间中旋转运动场的方法.最后计算出2017年8月8日四川九寨沟Ms7.0地震产生的理论旋转运动场,结果表明九寨沟Ms7.0地震产生的旋转运动场集中在震中附近约150km范围内,主要分布在近垂直于断层走向的区域.自由边界的存在对整个地震旋转运动场有衰减作用,特别是在旋转分量的能量优势方向衰减剧烈.通过实际地倾斜数据与理论旋转运动场的对比,发现特别是在远场区域,实际资料与理论计算结果的趋势性基本一致.表明了可以尝试从地倾斜资料中获得地震旋转运动水平分量,为完整描述地下介质的运动特征提供更丰富的信息.

基于变系数声波方程的地震深度偏移

理论分析表明,常系数声波方程与变系数声波方程之间有根本性的区别,变系数声波方程中波场的作用算子属于拟微分算子.地震学的理论应该建立在变系数声波方程的基础上,才更加准确.但是,变系数声波方程理论需要通过实际资料应用来检验.本文基于变系数声波方程上下行波分离与深度偏移方程降阶方法,导出二维和三维波速不均匀介质中的一种地震深度偏移方法.该方法在理论上应该有更高的精度,理论模型的实验证明了算法的正确性.利用塔里木盆地的实际资料的试验表明,基于变系数声波方程的深度偏移算法,不仅理论上是正确的,和一般声波方程的偏移算法相比,提供了更加清晰的细节,取得更加准确可靠的结果.实际资料试验证实了变系数波动方程的拟微分算子理论在地震勘探中具有重要的应用前景.

井间透射-反射波场分离方法及应用

近十几年来,井间地震在石油勘探领域发挥着重要作用.然而井间地震波极其复杂,给同相轴拾取、层析成像、偏移成像等工作带来了困难.因此,波场分离成为井间地震数据处理的一项重要内容.目前,不少学者研究了井间上下行波分离,纵横波分离等多种方法,但尚未出现相关文献研究透射波和反射波的分离方法.本文根据井间透射波和反射波在不同道集(共炮点集或共接收点集)中视速度极性的差异,首次提出了一种"透射-反射"波场分离方法.该方法首先在不同道集中利用τ-p变换进行视速度分离,得到反射上行波、反射下行波、透射上行波、透射下行波四个波场,然后选择对应的波场叠加,从而得到透射波和反射波.其中,透射波为井间层析成像提供了相对清晰的初至同相轴,尤其是横波初至同相轴,以便进行到时提取;所得反射波为井中偏移成像提供了可靠的反射波数据,比人工切除透射波方法更为准确有效.本文通过理论模型试验和实际数据处理,证明了该方法的有效性和实用性.此外,在本文基础上,再进行纵横波分离处理可以得到更多的波场分量,为井间成像提供更有效的数据.

从反射地震剖面认识龙门山断裂带彭灌杂岩深部结构

彭灌杂岩位于龙门山断裂带中段,是龙门山区域地质构造重要组成部分.通过对一条穿过彭灌杂岩中部的深地震反射剖面进行分析解释,描述该区域彭灌杂岩深部结构特征及形成机制.地震反射剖面分析表明彭灌杂岩在纵深上存在分层结构,且彭灌杂岩存在底界面,在该区域表现出无根特征,参考岩体层倾向推断原岩应来自现位置西北方向更深部;同时剖面能量图上映秀-北川深部断裂位置发育在彭灌杂岩体不同分层间隙,未破坏彭灌杂岩主岩体深部结构,彭灌杂岩体浅部的断层发育与龙门山地表断裂系统一致,表明彭灌杂岩成岩时间早于龙门山构造运动;综合岩性及成岩时间推断彭灌杂岩源于现有位置的西北方向大陆基底,由印支期板块运动中松潘陆块基底物质多期次上涌形成,并在喜山运动期受到西北方向应力推覆隆起到达目前位置.

重力异常方向导数的刻痕分析方法及在江西省地热调查中的应用

江西省已知地热资源主要分布在剩余重力低异常区和梯度带上,剩余重力低异常区主要反映了地下中酸性岩体,而梯度带主要反映了岩体的边缘和断裂构造,这些信息为进一步研究地热水成因及导水储水结构机理提供了一定依据.本文基于江西省重力异常数据,利用剩余重力异常刻痕分析的边界系数识别线性构造,提取的断裂构造与地质图上的主构造基本吻合,呈现北东向主构造背景特征.为了特定识别北西向微弱断裂构造,本文提出基于剩余重力异常方向导数的刻痕分析方法,利用其脊形系数识别线性构造,提取特定方向上构造信息,并论证了该方法的有效性.江西省处于北东向大断裂构造背景下,北西向断裂构造在地热资源的形成机理中充当着重要角色.基于该技术方法,可靠地提取北东向和北西向两组断裂构造,根据已知地热点的分布特征,圈定多处北东、北西向两组构造交汇位置,结合构造交叉型蓄水空间理论,为微弱构造的识别以及后续地热靶区的确定提供了地球物理的依据.