高精度光纤旋转地震仪研制与应用

地表运动的旋转量观测在地震学、地球物理学及工程勘察等研究中具有重要意义,基于Sagnac效应的光纤陀螺由于其全固态、高灵敏度和宽频响特性等优势,受到旋转地震仪研究和开发的广泛关注.为了提高光纤旋转地震仪的灵敏度一般采用长光纤环,然而随着光纤长度的增加,光纤环内的热相位噪声、光源的相对强度噪声等限制了其灵敏度性能提高.本文针对影响光纤旋转地震仪灵敏度的噪声展开了深入分析,利用保偏光纤的快慢轴提出了双偏振工作方案,对其光学结构和解调算法进行了理论分析,结果表明该方案可有效抑制热相位噪声与光源相对强度噪声.在此基础上,研制了三分量双偏振光纤旋转地震仪DP-Rot3C,并对其进行了静态测试和动态测试.结果显示,该仪器的灵敏度达到了20 nrad·s^(-1)·√Hz^(-1),与法国Bluseis-3A相当,且在0.01~125 Hz频率范围内响应平坦,在-300~+300°/s的量程范围内非线性度小于6 ppm(1 ppm=0.0001%),具有高精度、宽频带、大量程、高线性度的特性.DP-Rot3C还运用于人工主动源观测、高铁地震观测、天然地震观测等领域,为工程勘探、地震研究等应用提供了高精度观测地表运动旋转量的工具.

广州市区浅层横波速度六分量地震探测试验

理论上,通过平移与旋转运动联合观测的六分量地震记录,在单物理点上即可实现浅层横波速度结构的反演。本文主要目的为结合正演模拟设计六分量面波数据处理的流程,并将此单物理点方法应用至广州市区所采集的数据当中。本次研究在正演模拟的阶段中,通过时频域滤波方法实现了基阶面波数据的提纯,设计了使用单物理点的六分量数据实现浅层横波速度结构反演的流程;在实际应用阶段,通过数据的波形和偏振分析,介绍了甲烷气爆震源激发下的六分量波场特征,并分析出基阶面波所在的时频区域,结合时频域滤波、基阶面波相速度反演得到了试验区的横波速度结构。其结果与区域地质调查结果有较好的对应性,说明此六分量地震观测方法在工程地震领域的应用是可行的。

两种可控震源的浅层地震六分量波场特征

随着旋转地震学的发展,地震旋转分量观测在浅层工程地质勘查领域的应用值得关注。甲烷爆炸震源和电火花震源是近些年浅层工程地震勘查使用的新型震源,这两种可控震源激发条件下的旋转运动特征尚未得知。本文利用在广州城区进行的甲烷震源和电火花震源激发试验,结合二维浅层介质模型平动和旋转地震的数值模拟结果,证明了在浅层工程地震中进行旋转分量观测的可行性;通过分析两种震源采集数据的频谱特征和不同频带范围的质点偏振特征,对比平动与旋转分量的响应的异同点,发现旋转分量可以提供额外的不同于平动分量的信息、高频信号在旋转分量上更为凸显;河道会令观测数据10Hz以下的面波信号能量大幅衰减。分析结果主要表明了在旋转分量上面波不同于平动分量的特征及应用前景。

光纤旋转地震仪的主、被动源观测实验与应用

在过去的20年里,高灵敏度环形激光陀螺展示了旋转观测数据在全球地震学中的潜力,而商用光纤三分量旋转地震仪的出现也预示着旋转地震学的发展进入了新的阶段。高灵敏度便携光纤旋转地震仪的场地实验在我国起步稍晚,但其相关的数据分析研究工作已经在国外取得了一定的进展。本文详细介绍了一次主动源和一次天然地震的六分量(6C,平移运动三分量和旋转运动三分量)联合共址观测实验,内容涵盖了实验方案、实施步骤以及后续数据分析。同时,对比分析了实验的相似性和差异性,揭示了可能影响实验结果的主要因素。光纤旋转地震仪与传统地震计需固定在同一块刚性面板上来保证接收信号的一致性,良好的地面耦合以及进行掩埋处理更容易得到高质量的实验数据。同时,实验结果也表明,水体的存在会影响面波表现和P波清晰度等。这些发现不仅丰富了地震旋转观测实验的实践经验,也可为未来旋转观测实验设计提供参考,帮助更好地完成实验,获得更高质量的数据。在数据应用上,本文优化了预处理方案,该方案将主动源两测点后方位角计算精度分别提高了58.8°和50°,被动源两测点的后方位角计算精度分别提高了24.1°和29.4°,证实了该优化方案的可行性。单台六分量的数据应用也表明额外的旋转分量观测可以带来更多的地震波场信息,引入旋转观测可以提高中国目前庞大的地震观测数据的利用率。光纤旋转地震仪拓宽了地震监测领域的技术边界,也为地震学的研究注入了新的活力,为未来地震学的研究开辟出新的可能。