江苏东海深井观测地震波形及其信噪比研究

徐纪人, 李海兵, 曾祥芝, 赵志新

徐纪人,李海兵,曾祥芝,赵志新. 2022. 江苏东海深井观测地震波形及其信噪比研究. 地震学报,44(6):1007−1018. DOI: 10.11939/jass.20220195
引用本文: 徐纪人,李海兵,曾祥芝,赵志新. 2022. 江苏东海深井观测地震波形及其信噪比研究. 地震学报,44(6):1007−1018. DOI: 10.11939/jass.20220195
Xu J R,Li H B,Zeng X Z,Zhao Z X. 2022. Seismic waveforms and their signal-to-noise ratios of borehole observation in Donghai station,Jiangsu Province. Acta Seismologica Sinica44(6):1007−1018. DOI: 10.11939/jass.20220195
Citation: Xu J R,Li H B,Zeng X Z,Zhao Z X. 2022. Seismic waveforms and their signal-to-noise ratios of borehole observation in Donghai station,Jiangsu Province. Acta Seismologica Sinica44(6):1007−1018. DOI: 10.11939/jass.20220195

江苏东海深井观测地震波形及其信噪比研究

基金项目: 国家自然科学基金(41374052)、国家地质调查局科学基金(J1901)和区域地质调查项目(D1911)联合资助
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    通讯作者:

    徐纪人,博士,研究员,主要从事地球物理学、地震学和大陆动力学方面的研究,e-mail:xujiren1125@hotmail.com

  • 中图分类号: P315.31

Seismic waveforms and their signal-to-noise ratios of borehole observation in Donghai station,Jiangsu Province

  • 摘要: 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ML0.8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1 559.5 m处的地震仪的波形平均信噪比为69.20 dB,2 545.5 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1 500 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。
    Abstract: The Jiangsu Donghai Crustal Activity in Continental Deep Hole National Observation and Research Station (Donghai station for short) is the first deep borehole seismic observation station in China. In order to explore an effective way to observe seismic information with high signal-to-noise ratio in high noise interference areas and to carry out the study on the borehole seismology, this paper analyzed the waveform characteristics and signal-to-noise ratios of waveforms recorded by a seismometer on the ground and three borehole seismometers at different depths underground in Donghai station. The results show that the waveform of a ML0.8 local event cannot be recognized on the seismogram of the seismograph on the ground due to the strong non-seismic noise disturbance around the Donghai station. However, the waveforms of the ML0.8 event can clearly be recognized on the seismograms of the three deep borehole seismographs. Furthermore, the earthquakes with zero magnitude or weaker negative magnitude recorded by the deep borehole seismographs are also more than those recorded by the seismograph on the ground. Meanwhile, the signal-to-noise ratios of waveforms recorded by borehole seismometers at three different depths are much higher than those recorded by the seismometer on the ground; moreover, the average signal-to-noise ratios of waveforms increase with the depths of observation instruments in the borehole. The average signal-to-noise ratio of the waveforms recorded by the seismograph at 1 559.5 m depth underground is 69.20 dB, and that of the seismograph at 2 545.5 m depth is 74.15 dB. Both of the two ratios reached the signal-to-noise ratio value of high fidelity waveform. Therefore, the observation data of seismograph at about 1 500 m depth can effectively avoid the interference on ground and record waveform with high signal-to-noise ratio. Such waveforms provide real and reliable data for the study on source process and site effect, promoting the development of deep borehole seismology.
  • 微小地震活动观测和研究对于了解地壳的原位实时地应力状态、研究地球内部结构和地壳及断裂活动、理解地球动力学过程和地震预测等均具有极为重要的意义(Liu et al,1992Ito,Zoback,2000)。利用宽频地震仪进行地震观测已取得了显著的成效,远距离传输地震观测也可以在非地震噪声干扰小的场所进行。然而,远距离传输地震观测难以观测到远离地震仪设置场所的研究区域的微小地震,且利用远距离传播的地震学方法解释地球构造特征的能力会随距离的增加而减弱。远距离传播的面波也会导致高频成分的丢失,而高频成分正是推测地壳和上地幔结构不可或缺的信息。

    在研究区域安装地震仪进行微小地震活动监测,可在一定程度上弥补上述远距离地震观测的不足,然而许多研究区域却是观测地震的背景噪声高值区域。近年来的高频地震学研究也需要在人类活动频繁的都市背景噪声高值地区监测地震活动,因此地震学者一直在艰难地探索着如何在高噪声背景的地震活动区域观测地震才能获取高信噪比的地震波形。深井下安装地震仪进行地震观测可以减少地表的非地震噪声干扰影响,实现背景噪声高值地区微小地震活动的近距离观测,从而有效地提高观测波形信噪比(徐纪人,赵志新,2009Zeng,Yang,2021),因而深井地震学与地球物理学相结合的观测研究逐渐发展成为多学科的前沿性科学研究(涂毅敏,陈运泰,2002Baisch et al,2002Ishii et al,2003Okubo et al,2004)。深部地震观测方兴未艾(Tembe et al,2009龚正等,2020滕吉文,2021),其成果已被广泛地应用于地球科学诸多领域,极大地推进了现代地震学和地球物理学以及深井钻孔板块构造学等多学科的研究(李海兵等,2018)。近年来,断层井下地震观测研究在断层应力状态、震源过程及地震预报研究领域取得了前沿性成果(Chavarria et al,2003)。钻孔地震观测有利于建立三维地表地震波速度模型(Lay et al,2020),从而推进速度结构与地震关系等的研究(Jeppson,Tobin,2015)。

    深井地震仪记录到大量M−0.5—0.5的微小地震事件,其中包括与中强地震相关的前震和余震,这些微小地震的记录促进了地震序列活动及其震源位置的研究(Lellouch et al,2019),其精确定位的地震活动对于构造研究具有重大意义 (Ma et al,2012Shashidhar et al,2020Hung et al,2022)。区域性深井长期地震观测广泛地应用于地震预测研究(Asai et al,2005Fujimoto et al,2007),且在地震断层活动机制分析中发挥了重要作用(Ikari et al,2015)。此外,利用井下地震观测资料进行震源机制反演求得微小地震群震源的断层平面解,有助于建立地壳应力不均匀性模型(Langet et al,2020Luttrell,Hardebeck,2021)。

    利用井下地震波测量资料结合岩石物理模型可为地震断裂特性的探索提供理论基础(Xu et al,2020)。井孔内微震波研究显示,应力场的方向与岩石脆性破裂特征有关(Pierdominici et al,2020)。使用钻井地震资料可进行裂谷构造的地球动力学研究(Lei et al,2020)。深井地震观测数据结合岩芯信息的地震波数值模拟研究,可以提高复杂地下结构非均质性解释的准确度(Zhao et al,2012Jeong et al,2020)。深井地震观测记录因受场地和衰减效应的影响比较小,能够为震源谱分析提供更直接的约束(Shearer,Abercrombie,2021)。根据井中入射波与反射波之间的传递函数与频率相关的衰减进行场地近地表剪切波衰减特性研究,有利于预测地震动特征(Riga et al,2019)。井下地震应变波的研究也将促进高频地震学的发展(Zhang et al,2019)。

    综上,高精度微小地震观测是未来地球科学发展的必然趋势。本文将主要探索高地震背景噪声的江苏东海深井观测站处于不同深度的地震仪记录微小地震的观测能力,以及近距离监测区域微小地震活动的有效途径,藉此分析地下不同深度地震仪观测到的地震波形信噪比的差异,研究不同深度地震波形的保真度,以期通过深井地震观测资料研究结果来促进地球科学的发展。

    东海深井地壳活动观测站邻近郯庐断裂带(图1)。在东海中国大陆科学钻探的5 158 m深井中的不同深度安装地震仪进行观测,以便于中国大陆构造运动的研究(徐纪人等,2016)。造山运动时期形成的左旋走滑的郯庐断裂带不仅古地震活跃,当代地震活动性也很强(徐纪人等,2008)。1668年山东郯城M8.5地震就发生在郯庐断裂带上。现代震源机制解结果显示郯庐断裂带的当代构造活动呈右旋走滑运动(周翠英等,2013Xu et al,2021)。在复杂构造活动带进行地壳活动的监测研究,对于提高郯庐断裂带附近地震活动及我国东部地壳构造断裂带活动的监视能力具有重要意义。

    图  1  江苏东海地壳活动国家野外科学观测研究站周缘地质构造图(引自徐纪人等,2016
    Figure  1.  Geological structure around the Jiangsu Donghai Crustal Activity in Continental Deep Hole National Observation and Research Station in China (after Xu et al,2016

    江苏东海地壳活动观测研究站周围多有水晶采石活动及水晶岩石加工厂等,位于观测深井东南约3 km处的采石场时有爆破工程,附近的公路交通等也很繁忙。这些均会对地震观测造成背景噪声高值干扰,属于常规地面地震观测的不利因素。在该地区开展地面和井下地震活动观测,探索在背景噪声高值干扰地区地震观测的有效途径,有助于研究地壳活动和郯庐断裂带构造运动的特征。

    江苏东海地壳活动观测研究站位于5 000 m深井中,井下最高温度达142.4 ℃ (何丽娟等,2006),井孔中的压力高达50 MPa。第一期观测分别在井下544.5 m,1 559.5 m,2 545.5 m三处不同深度安装了美国Sondi公司制造的主频为 4.5 Hz的高精度数字三分量地震仪,分别记为L1L2L3。该仪器无供电要求,可以在深井高温高压环境下连续工作。同时,在地表浅处设置了一台英国Guralp公司制造的3ESP型宽频三分量地震仪L0,该仪器的频宽为50 Hz—60 s,连同深处的三台地震仪组成了深井地震观测网(Xu et al,2016)。基于此观测网进行地面与井下不同深度地震仪记录到的地震波形特征及其各自的地震波形信噪比特征的研究。表1列出了各深度处地震仪参数及其围岩岩性等物理参数,其中地震波速为实验室岩心测量结果。

    表  1  深井中的地震仪参数及工作环境岩性和地球物理参数
    Table  1.  Seismograph parameters and lithologic and geophysical parameters around the seismographs in the borehole
    地震仪编号深度/m地震仪主频/Hz岩性围岩vP/(km·s−1 围岩vS/(km·s−1温度/℃
    L00宽频3ESP
    L1544.54.5斜长角闪岩和退变榴辉岩 6.65 3.7029.1
    L21559.54.5花岗质片麻岩(正片麻岩) 5.50 2.9451.0
    L32545.54.5斜长片麻岩5.98 75.0
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    本文分析研究地震波形信噪比,采用了如下公式:

    $$ {{r}}=10\lg {\frac{S}{N}},$$ (1)

    式中,r为地震波形信噪比,S为信号能量,N为噪声能量。噪声能量计算是截取初至波到时之前100 s的数据计算平均值,信号能量是截取横波到时之后记录中的最大振幅能量,噪声N或信号S各自的能量计算公式为

    $$ E = A_{{\text{EW}}}^{\text{2}} + A_{{\text{NS}}}^{\text{2}} + A_{\text{U}}^{\text{2}} ,$$ (2)

    式中:E表示式(1)中计算的噪声N或信号S的能量;AEWANSAU分别为噪声N或者信号S的东西、南北和垂直分量的振幅。

    图2为东海观测站的地面和深井地震仪记录到的2013年2月3日江苏灌云ML0.8地震的波形图。该震震中位于(34.4°N,119.7°E),震中距为 97.2 km,震源深度为5 km。由图2a的原始地震图记录可见东海观测站周围地面干扰有时相当严重,以至于从地面宽频地震仪L0记录中难以识别地震波形。干扰造成了微小地震的漏记现象,显示了地面设置的地震仪在高噪声背景条件下记录微小地震的局限性。为了与井下地震仪记录波形进行比较,图2b给出了图2a中原始地震图记录经过中通滤波的波形,可见滤波后的波形中滤掉了低频干扰,在时间轴大约07 ∶ 27处隐约可辨认出地震事件,但是P波和S波震相皆不清晰,整个波形序列中非地震信号干扰仍十分严重。而图2c中深井下2 554 m处的L3地震仪在同样噪声背景下能够记录到低噪声地震波形图,P波初动和S波波形清晰,显示出井下地震仪在高噪声地区近距离记录微小地震的优越性。

    图  2  东海观测站地面与井下地震仪记录的2013年2月3日江苏灌云ML0.8地震(震中距97.2 km,方位角80°)的三分量波形图
    (a) 地面宽频地震仪L0记录波形;(b) 图(a)波形经中通滤波后的波形;(c) 井下地震仪L3记录波形
    Figure  2.  Three-component waveforms of the ML0.8 earthquake (epicentral distance is 97 km,azimuth is 80°) in Guanyun,Jiangsu on February 3,2013 recorded by the seismographs on the ground and in the borehole of the Donghai station
    (a) Waveforms recorded by the broadband seismograph L0 on the ground;(b) Waveforms after medium-pass filtering to the waveforms in Fig.(a);(c) Waveforms recorded by the seismograph L3 in the borehole underground

    图3 显示了2013年5月24日安徽利辛附近ML2.7地震地面和井下不同深处地震仪记录波形。该地震位于(33.0°N,116.3°E),震中距为271.5 km。图3中井下地震仪L1L3记录中基本无噪声干扰,地震波形三分量的P波初动及P波和S波波形震相都清晰可辨,各分量P波波形和S波波形分别相似。图3a中地面宽频地震仪L0的记录在震前和震后都有明显的长周期噪声干扰,这反映了东海观测站不时处于地面高噪声状态。本文观测资料显示,东海观测站非地震干扰强弱程度是无规则的。地面地震仪记录的垂直分量和近南北分量的P波初动及S波虽可辨,但波形与井下两地震仪的相应波形差别较大,尤其是其近南北分量振幅很小,近于畸变。该地震震中位于东海观测站西南方向,方位角为56°。畸变原因除与观测方位有关外,可能是受到了场地效应或者路径衰减的影响,也可能是受到地面噪声干扰的影响。这就意味着井下地震观测记录受场地或者浅层噪声的影响较地表地震仪小。为了进一步与井下主频为4.5 Hz的地震仪记录波形比较,图3b给出了图3a地面宽频地震仪波形经中通滤波后的波形,可见图3a中的低频干扰虽被滤掉,但与井下地震仪记录波形(图3c3d)相较,其近南北分量的振幅仍然很小,近于畸变。结合上述井下不同深度地震仪波形的相似性分析可知,井下地震仪观测的微小地震波形具有良好的保真度,其观测质量明显优于地面台站,这可能给地震观测学带来启示。综合分析井下和地面地震观测也有益于推进地壳浅层结构特征和地面震动动力学方面的研究。

    图  3  东海观测站地面与井下不同深度地震仪记录的2013年5月24日安徽利辛ML2.7地震(震中距271.5 km,方位角56°)的三分量波形图
    (a) 地面L0地震仪记录波形;(b) 图(a)中波形经中通滤波后所得波形;(c) 井下544.5 m深处地震仪L1记录波形;(d) 井下2 545.5 m深处地震仪L3记录波形
    Figure  3.  Three-component seismic waveforms of the ML2.7 event in Lixin,Anhui on May 24,2013 recorded by seismometers on the ground and at different depths in the borehole underground of the Donghai station
    (a) Waveforms recorded by seismograph L0 on the ground;(b) Waveforms after medium-pass filtering to the waveforms in Fig.(a);(c) Waveforms recorded by seismograph L1 at 544.5 m depth in the borehole;(d) Waveforms recorded by seismograph L3 at 2 545.5 m depth in the borehole

    微小地震是深井地震学的重要观测研究对象。图4给出了东海站深井地震仪L3观测到的三个微小地震事件的波形,其中:图4a 为 2013年2月4日江苏徐圩台附近(34.2°N,119.3°E)ML−1.3地震(震中距为64 km)的波形,其信噪比为55.08 dB;图4b为2013年1月21日江苏灌云(34.2°N,119.4°E)ML−0.5地震(震中距为71 km)的波形,其信噪比为52.84 dB;图4c为2013年6月12日江苏涟水ML0.3地震(震中距为112 km)的波形,其信噪比为67.13 dB。从图中均可见清晰的P波和S波波形,无明显的噪声扰动;这两个负震级地震波形图中的波形虽然存在不同程度的噪声,但都观测到了可供分析的清楚的P波初动和S波波形;在背景噪声水平比较大的东海深井地震观测站能够高质量地观测到周围0震级或者负震级的微小地震。因此,东海深井地震观测站延展了高噪声地区观测微小地震的能力,可促进深井地震学的发展。目前进行中的深井长期观测可以进一步探索东海观测站观测微小地震下限的能力。

    图  4  东海观测站深井地震仪L3观测的微小地震三分量波形
    Figure  4.  Three-component waveforms of the earthquakes recorded by seismograph L3 in the borehole underground of the Donghai station

    统计分析地面和井下不同深度地震仪记录的地震波形信噪比,是探索避免地面噪声干扰、获取零噪声波形的深井地震学观测研究的新途径。本文分析了2012年上半年期间L0L1L2L3四套地震仪记录到的116个地震事件的地震波形信噪比,如图5所示。可见,深井下不同深度地震仪观测到的地震波形信噪比大多在40 dB以上变化,深井地震仪L1L2L3的地震波形信噪比的平均值分别为65.33,69.20和74.15 dB,相较地面地震仪L0,其观测的近震地震波形的平均信噪比有明显的提高。图5中不同深度的地震仪观测到的波形信噪比变化范围虽然不同,但是井下三处不同深度地震仪的波形信噪比曲线的变化趋势基本一致,仅变化幅度大小有别。深井中三组地震仪信噪比平均值以及观测到优良地震波形的数量也均随仪器安装深度的增加而增加,这意味着地震噪声源主要来自地面,表明井下地震观测具有较好的抗地面噪声干扰的能力,是在地面高噪声环境中实现高精度观测微小地震活动的可行途径。因此深井中地震观测对避免地面噪声具有显著的积极效应。如图5中的观测结果所示,在东海观测站安装的深度大于1 500 m的地震仪L2L3观测到的地震波形平均信噪比都接近或大于70 dB,观测结果比较理想。

    图  5  东海站地面L0与深井下L1L2L3地震仪观测地震信噪比计算结果
    Figure  5.  Signal-to-noise ratio curves of seismic waveforms observed by seismometers L0 on the surface and L1L2 and L3 in the borehole underground in Donghai station

    本文分析的地震均为中小地震事件,震中距均在1 000 km以内,其优良地震波形几乎全部是由500 m以下的深井地震仪所记录,其中深度为2 545.5 m的地震仪L3记录到的优良地震波形最多。 图5中地面安装的地震仪L0所记录到的1 000 km之内的中小事件的地震波形信噪比大多不足40 dB,平均值也较低,对于2012年3月16日江苏新沂ML1.1地震(震中距为34 km),地震仪L0观测到的地震波形的信噪比仅为11.27 dB。此外,图5中地面地震仪L0记录的地震波形信噪比变化与深井地震仪L1L2L3三者的信噪比曲线变化形态差别也很大。虽然地面宽频地震仪可以记录到远处大震的波形,但是在避免地面噪声干扰能力方面远不如深井地震仪。

    本文分析了东海地壳活动观测研究站在地面和井下不同深度安装的四套地震仪所记录波形的特征及其信噪比随深度的变化,以探索深井地震仪观测微小地震的能力。由于东海深井观测站周围常出现强烈的非地震干扰,地面地震仪记录中无法识别微小地震的波形,而井下地震仪却可以记录到良好的地震波形,深井地震观测是创新深井地震学发展的必然趋势(Oye et al,2004)。东海观测站井下地震仪可以记录到零震级或负震级微小地震的波形,记录中也可检测到明显的P波和S波震相。相对于地表观测,井下地震观测延拓了高噪声背景区域观测微小地震的下限,不仅提高了高噪声背景区域地震活动性的研究水平,而且为地壳和上地幔结构研究提供了重要资料(沈伟森等,2010王芳等,2017)。深井地震台网观测可以有效地避开地面噪声,接收更多高精度的地球内部信息,因此可以促进郯庐断裂及其周围地区的地壳活动监测研究。

    东海深井地震观测获得了高保真波形。观测期间不同深度井下地震仪记录到的三分量P波和S波波形都清晰,背景噪声小,信噪比高,而且相对应的三分量波形彼此相似,这意味着深井地震观测受地面噪声干扰以及场地效应的影响小,波形保真度高。地面地震仪记录到的地震波形经常出现噪声扰动,甚至有的分量波形畸变,振幅异常,且与深井地震仪记录的相应三分量波形相似性差,这可能是受到地面噪声干扰或场地衰减的影响所致(罗诚等,2018)。因此,地面及深井下记录波形可用于场地效应等研究,与地面地震观测记录相比,基于井下地震仪记录的高保真波形所获得的介质运动学与动力学参数能更好地反映基岩的物理特征(王俊国等,1988)。深井观测地震波形为震源研究和震源谱分析提供了更直接的约束,这也是深井地震学的优势之一。

    本文地震波形信噪比的统计结果表明,深井地震仪观测波形的信噪比明显高于地面地震仪的信噪比,且信噪比平均值随地震仪安装深度的增大而增加。观测结果进一步表明,深井地震仪观测可有效地获取高信噪比、高保真度的观测波形。深井中1559.5 m深处地震仪观测波形的平均信噪比为69.2dB,接近70 dB,2545.5 m深处观测波形的信噪比达到74.15 dB,二者都基本达到了良好地震波形的保真度和信噪比值。这表明,1500 m深处进行的深井地震观测基本可以避开地面噪声的干扰。深井地震学观测研究将有力地促进地球科学的基础理论研究和实际应用。

    此外,观测资料显示,对于少数事件而言,井下较浅地震仪记录的地震波形信噪比高于深处的地震波形信噪比,这可能暗示了东海地区及周边地区岩石的非线性效应。 地面宽频地震仪L0有时能够记录到可识别的大的远震波形,显示了在环境高噪声背景地区观测远处大地震的优势;井下4.5 Hz主频地震仪记录到的远震的P波或S波初动清晰。因此可以考虑进行深井与地面地震仪联合观测研究,这将会取得更好的观测结果。

    十分感谢三位审稿人对本文提出的宝贵意见和建议。

  • 图  5   东海站地面L0与深井下L1L2L3地震仪观测地震信噪比计算结果

    Figure  5.   Signal-to-noise ratio curves of seismic waveforms observed by seismometers L0 on the surface and L1L2 and L3 in the borehole underground in Donghai station

    图  1   江苏东海地壳活动国家野外科学观测研究站周缘地质构造图(引自徐纪人等,2016

    Figure  1.   Geological structure around the Jiangsu Donghai Crustal Activity in Continental Deep Hole National Observation and Research Station in China (after Xu et al,2016

    图  2   东海观测站地面与井下地震仪记录的2013年2月3日江苏灌云ML0.8地震(震中距97.2 km,方位角80°)的三分量波形图

    (a) 地面宽频地震仪L0记录波形;(b) 图(a)波形经中通滤波后的波形;(c) 井下地震仪L3记录波形

    Figure  2.   Three-component waveforms of the ML0.8 earthquake (epicentral distance is 97 km,azimuth is 80°) in Guanyun,Jiangsu on February 3,2013 recorded by the seismographs on the ground and in the borehole of the Donghai station

    (a) Waveforms recorded by the broadband seismograph L0 on the ground;(b) Waveforms after medium-pass filtering to the waveforms in Fig.(a);(c) Waveforms recorded by the seismograph L3 in the borehole underground

    图  3   东海观测站地面与井下不同深度地震仪记录的2013年5月24日安徽利辛ML2.7地震(震中距271.5 km,方位角56°)的三分量波形图

    (a) 地面L0地震仪记录波形;(b) 图(a)中波形经中通滤波后所得波形;(c) 井下544.5 m深处地震仪L1记录波形;(d) 井下2 545.5 m深处地震仪L3记录波形

    Figure  3.   Three-component seismic waveforms of the ML2.7 event in Lixin,Anhui on May 24,2013 recorded by seismometers on the ground and at different depths in the borehole underground of the Donghai station

    (a) Waveforms recorded by seismograph L0 on the ground;(b) Waveforms after medium-pass filtering to the waveforms in Fig.(a);(c) Waveforms recorded by seismograph L1 at 544.5 m depth in the borehole;(d) Waveforms recorded by seismograph L3 at 2 545.5 m depth in the borehole

    图  4   东海观测站深井地震仪L3观测的微小地震三分量波形

    Figure  4.   Three-component waveforms of the earthquakes recorded by seismograph L3 in the borehole underground of the Donghai station

    表  1   深井中的地震仪参数及工作环境岩性和地球物理参数

    Table  1   Seismograph parameters and lithologic and geophysical parameters around the seismographs in the borehole

    地震仪编号深度/m地震仪主频/Hz岩性围岩vP/(km·s−1 围岩vS/(km·s−1温度/℃
    L00宽频3ESP
    L1544.54.5斜长角闪岩和退变榴辉岩 6.65 3.7029.1
    L21559.54.5花岗质片麻岩(正片麻岩) 5.50 2.9451.0
    L32545.54.5斜长片麻岩5.98 75.0
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  • 龚正,李海兵,荆燕,李丽. 2020. 2016年M6.2呼图壁地震发震构造及其对天山构造带隆升的启示:来自中近场钻孔应变观测的证据[J]. 地球物理学报,63(4):1368–1402.

    Gong Z,Li H B,Jing Y,Li L. 2020. Seismogenic structure of the 2016 M6.2 Hutubi earthquake and its implication for the uplift process in Tian Shan:Evidence from borehole strainmeters in the near to intermediate field[J]. Chinese Journal of Geophysics,63(4):1386–1402 (in Chinese).

    何丽娟,胡圣标,杨文采,汪集旸,杨树春,袁玉松,程振炎. 2006. 中国大陆科学钻探主孔动态地温测量[J]. 地球物理学报,49(3):745–752. doi: 10.3321/j.issn:0001-5733.2006.03.018

    He L J,Hu S B,Yang W C,Wang J Y,Yang S C,Yuan Y S,Cheng Z Y. 2006. Temperature measurement in the main hole of the Chinese continental scientific drilling[J]. Chinese Journal of Geophysics,49(3):745–752 (in Chinese).

    李海兵,许志琴,王焕,张蕾,何祥丽,司家亮,孙知明. 2018. 汶川地震断裂带滑移行为、物理性质及其大地震活动性:来自汶川地震断裂带科学钻探的证据[J]. 地球物理学报,61(5):1680–1697. doi: 10.6038/cjg2018M0257

    Li H B,Xu Z Q,Wang H,Zhang L,He X L,Si J L,Sun Z M. 2018. Fault behavior,physical properties and seismic activity of the Wenchuan earthquake fault zone:Evidences from the Wenchuan earthquake fault scientific drilling project (WFSD)[J]. Chinese Journal of Geophysics,61(5):1680–1697 (in Chinese).

    罗诚,谢俊举,温增平. 2018. 熊本MW7.0地震近场地表与井下地震动对比研究[J]. 地震学报,40(1):108–120. doi: 10.11939/jass.20170111

    Luo C,Xie J J,Wen Z P. 2018. Comparison of near-field surface and borehole ground motion observed during the Kumamoto MW7.0 earthquake[J]. Acta Seismologica Sinica,40(1):108–120 (in Chinese).

    沈伟森,罗艳,倪四道,崇加军,陈颙. 2010. 天然地震频率范围内首都圈地区近地表S波速度结构[J]. 地震学报,32(2):137–146.

    Shen W S,Luo Y,Ni S D,Chong J J,Chen Y. 2010. Resolving near surface S velocity structure in natural earthquake frequency band:A case study in Beijing region[J]. Acta Seismologica Sinica,32(2):137–146 (in Chinese).

    滕吉文. 2021. 高精度地球物理学是创新未来的必然发展轨迹[J]. 地球物理学报,64(4):1131–1144. doi: 10.6038/cjg2021N0100

    Teng J W. 2021. High-precision geophysics:The inevitable development track of the innovative future[J]. Chinese Journal of Geophysics,64(4):1131–1144 (in Chinese).

    涂毅敏,陈运泰. 2002. 德国大陆超深钻井注水诱发地震的精确定位[J]. 地震学报,24(6):587–598. doi: 10.3321/j.issn:0253-3782.2002.06.004

    Tu Y M,Chen Y T. 2002. The accurate location of the injection-induced microearthquakes in German continental deep drilling program[J]. Acta Seismologica Sinica,24(6):587–598 (in Chinese).

    王芳,李丽,王宝善. 2017. 普洱大寨深井噪声压制效果及井孔附近波场特征研究[J]. 地震学报,39(6):831–847.

    Wang F,Li L,Wang B S. 2017. Ability of decreasing noise and the characteristics of near-surface wave field around Dazhai borehole in Pu’er[J]. Acta Seismologica Sinica,39(6):831–847 (in Chinese).

    王俊国,卫鹏飞,吴晓芝. 1988. 井下与地面地震波记录特征的对比研究[J]. 地震学报,10(3):270–279.

    Wang J G,Wei P F,Wu X Z. 1988. Comparative study between the characteristics of seismic waves recorded downhole and on groundsurface[J]. Acta Seismologica Sinica,10(3):270–279 (in Chinese).

    徐纪人,赵志新,石川有三. 2008. 中国大陆地壳应力场与构造运动区域特征研究[J]. 地球物理学报,51(3):770–781. doi: 10.3321/j.issn:0001-5733.2008.03.018

    Xu J R,Zhao Z X,Ishikawa Y. 2008. Regional characteristics of crustal stress field and tectonic motions in and around Chinese mainland[J]. Chinese Journal of Geophysics,51(3):770–781 (in Chinese).

    徐纪人,赵志新. 2009. 深井地球物理观测的最新进展与中国大陆科学钻探长期观测[J]. 地球物理学进展,24(4):1176–1182. doi: 10.3969/j.issn.1004-2903.2009.04.003

    Xu J R,Zhao Z X. 2009. Recent advance of borehole geophysical observation and Chinese continental scientific drilling long-term observatory at depth[J]. Progress in Geophysics,24(4):1176–1182 (in Chinese).

    徐纪人,赵志新,曾祥芝,皮金云. 2016. 东海深井地球物理长期观测仪器设置与观测研究[J]. 地震学报,38(2):321–325. doi: 10.11939/jass.2016.02.016

    Xu J R,Zhao Z X,Zeng X Z,Pi J Y. 2016. Instrument installation and observation research for borehole geophysical long-term observation in Donghai,Jiangsu[J]. Acta Seismologica Sinica,38(2):321–325 (in Chinese).

    周翠英,刁桂苓,耿杰,李永红,许萍,胡新亮,冯向东,李冬梅. 2013. 1668年郯城大地震震源断层三维特征反演[J]. 地球物理学进展,28(6):2814–2824. doi: 10.6038/pg20130602

    Zhou C Y,Diao G L,Geng J,Li Y H,Xu P,Hu X L,Feng X D,Li D M. 2013. 3-D characteristics inversion of hypocenter fault-plane of the 1668 Tancheng great earthquake[J]. Progress in Geophysics,28(6):2814–2824 (in Chinese).

    Asai Y,Okubo M,Ishii H,Aoki H,Yamauchi T,Kitagawa Y,Koizumi N. 2005. Co-seismic strain-steps associated with the 2004 off the Kii peninsula earthquakes:Observed with Ishii-type borehole strainmeters and quartz-tube extensometers[J]. Earth Planet Space,57(4):309–314. doi: 10.1186/BF03352568

    Baisch S,Bohnhoff M,Ceranna L,Tu Y M,Harjes H P. 2002. Probing the crust to 9-km depth:Fluid-injection experiments and induced seismicity at the KTB superdeep drilling hole,Germany[J]. Bull Seismol Soc Am,92(6):2369–2380. doi: 10.1785/0120010236

    Chavarria J A,Malin P,Catchings R D,Shalev E. 2003. A look inside the San Andreas fault at Parkfield through vertical seismic profiling[J]. Science,302(5651):1746–1748. doi: 10.1126/science.1090711

    Fujimoto K,Ueda A,Ohtani T,Takahashi M,Ito H,Tanaka H,Boullier A M. 2007. Borehole water and hydrologic model around the Nojima fault,SW Japan[J]. Tectonophysics,443(3/4):174–182.

    Hung R J, Ma K F, Song T R A, Lin Y Y, Weingarten M. 2022. Observation of temporal variations inseismic anisotropy within an activefault-zone revealed from the TaiwanChelungpu-fault drilling projectborehole seismic array[J]. JGeophys Res: Solid Earth, 127: e2021JB023050.

    Ikari M J,Kameda J,Saffer D M,Kopf A J. 2015. Strength characteristics of Japan Trench borehole samples in the high-slip region of the 2011 Tohoku-Oki earthquake[J]. Earth Planet Sci Lett,412(15):35–41. doi: 10.1016/j.jpgl.2014.12.014

    Ishii H, Yamauchi T, Asai Y, Ohkubo M, Matsumoto S. 2003. Continuous multi-component monitoring of crustal activities in 1020 m borehole by Tono Research Institute of Earthquake Science: The deepest multiple observation in the world consisting of stress, strain, tilt, seismic wave, geomagnetism, temperature[C]//Proceedings of Crustal Movements Research Meeting. Kyoto: Disaster Prevention Research Institute of Kyoto University: 81–87 (in Japanese).

    Ito T,Zoback M D. 2000. Fracture permeability and in situ stress to 7 km depth in the KTB scientific drill hole[J]. Geophys Res Lett,27(7):1045–1048. doi: 10.1029/1999GL011068

    Jeong J,Park E,Emelyanova I,Pervukhina M,Esteban L,Yun S T. 2020. Interpreting the subsurface lithofacies at high lithological resolution by integrating information from well-log data and rock-core digital images[J]. J Geophys Res:Solid Earth,125(2):e2019JB018204.

    Jeppson T N,Tobin H J. 2015. San Andreas fault zone velocity structure at SAFOD at core,log,and seismic scales[J]. J Geophys Res:Solid Earth,120(7):4983–4997. doi: 10.1002/2015JB012043

    Langet N,Goertz-Allmann B,Oye V,Bauer R A,Williams-Stroud S,Dichiarante A M,Greenberg S E. 2020. Joint focal mechanism inversion using downhole and surface monitoring at the Decatur,Illinois,CO2 injection site[J]. Bull Seismol Soc Am,110(5):2168–2187. doi: 10.1785/0120200075

    Lay V,Buske S,Bodenburg S B,Townend J,Kellett R,Savage M K,Schmitt D R,Constantinou A,Eccles J D,Bertram M,Hall K,Lawton D,Gorman A R,Kofman R S. 2020. Seismic P wave velocity model from 3-D surface and borehole seismic data at the Alpine fault DFDP-2 drill site (Whataroa,New Zealand)[J]. J Geophys Res:Solid Earth,125(4):e2019JB018519.

    Lei C,Alves T M,Ren J Y,Tong C X. 2020. Rift structure and sediment infill of hyperextended continental crust:Insights from 3D seismic and well data (Xisha Trough,South China Sea)[J]. J Geophys Res,125(5):e2019JB018610.

    Lellouch A,Yuan S Y,Ellsworth W L,Biondi B. 2019. Velocity-based earthquake detection using downhole distributed acoustic sensing:Examples from the San Andreas Fault Observatory at Depth[J]. Bull Seismol Soc Am,109(6):2491–2500. doi: 10.1785/0120190176

    Liu L B,Zoback M D,Segall P. 1992. Rapid intraplate strain accumulation in the New Madrid seismic zone[J]. Science,257(5077):1666–1669. doi: 10.1126/science.257.5077.1666

    Luttrell K,Hardebeck J. 2021. A unified model of crustal stress heterogeneity from borehole breakouts and earthquake focal mechanisms[J]. J Geophys Res:Solid Earth,126(2):e2020JB020817.

    Ma K F,Lin Y Y,Lee S J,Mori J,Brodsky E E. 2012. Isotropic events observed with a borehole array in the Chelungpu fault zone,Taiwan[J]. Science,337(6093):459–463.

    Okubo M,Ishii H,Yamauchi T. 2004. The 2003 Tokachi-Oki earthquake observed by borehole strainmeter array:Comparison with broadband seismogram[J]. Zisin,57(2):105–113 (in Japanese).

    Oye V,Chavarria J A,Mali P E. 2004. Determining SAFOD area microearthquake locations solely with the Pilot hole seismic array data[J]. Geophys Res Lett,31(12):L12S10.

    Pierdominici S,Millett J M,Kück J K M,Thomas D,Jerram D A,Planke S,Haskins E,Lautze N,Galland O. 2020. Stress field interactions between overlapping shield volcanoes:Borehole breakout evidence from the Island of Hawai’i,USA[J]. J Geophys Res:Solid Earth,125(8):e2020JB019768.

    Riga E,Hollender F,Roumelioti Z,Bard P Y,Pitilakis K. 2019. Assessing the applicability of deconvolution of borehole records for determining near-surface shear-wave attenuation[J]. Bull Seismol Soc Am,109(2):621–635. doi: 10.1785/0120180298

    Shashidhar D,Rodriguez I V,Mallika K,Kühn D,Wilks M,Satyanarayana H V S,Oye V. 2020. Relative locations of an earthquake sequence recorded during June 2017 on the Koyna-Warna borehole seismic network of western India[J]. Bull Seismol Soc Am,110(6):3130–3138. doi: 10.1785/012020068

    Shearer P M,Abercrombie R E. 2021. Calibrating spectral decomposition of local earthquakes using borehole seismic records:Results for the 1992 Big Bear aftershocks in southern California[J]. J Geophys Res:Solid Earth,126(3):e2020JB020561.

    Tembe S,Lockner D,Wong T F. 2009. Constraints on the stress state of the San Andreas fault with analysis based on core and cuttings from San Andreas fault Observatory at Depth (SAFOD) drilling phases 1 and 2[J]. J Geophys Res:Solid Earth,114(B11):B11401.

    Xu J R,Zhao Z X,Zeng X Z,Pi J Y. 2016. Long-term geophysical observations and analysis of the world’s deepest borehole[J]. Acta Geologica Sinica,90(3):1061–1062. doi: 10.1111/1755-6724.12753

    Xu J R,Li H B,Qi X X,Zhao Z X. 2021. Shallow structure of the crust in the Sulu-Dabie region,China and its seismotectonic implication[J]. Acta Geologica Sinica,95(3):988–995.

    Xu S,Tang X M,Su Y D,Torres-Verdín C. 2020. Crack-induced shear-wave orthorhombic anisotropy:Modeling and inversion of shear-wave borehole measurements[J]. J Geophys Res:Solid Earth,125(3):e2019JB018741.

    Zeng X Z,Yang W C. 2021. Impact of post-earthquake seismic waves on the terrestrial environment[J]. Appl Sci,11(14):6606.

    Zhang K H,Tian J Y,Hu Z F. 2019. Theoretical frequency response and corresponding bandwidth of an empty borehole for the measurement of strain waves in borehole tensor strainmeters[J]. Bull Seismol Soc Am,109(6):2459–2469. doi: 10.1785/0120180264

    Zhao Z,Zhao Z X,Xu J R. 2012. Velocity structure heterogeneity and tectonic motion in and around the Tan-Lu fault of China[J]. J Asian Earth Sci,57:6–14. doi: 10.1016/j.jseaes.2012.05.019

  • 期刊类型引用(1)

    1. 徐纪人,李海兵,曾祥芝,许健生,赵志新. 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. 地震学报. 2024(06): 919-935 . 本站查看

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出版历程
  • 收稿日期:  2022-01-03
  • 修回日期:  2022-03-14
  • 网络出版日期:  2022-10-16
  • 发布日期:  2022-12-12

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