【《节点地震仪发展现状及应用研究文献综述》5500字】

节点地震仪发展现状及应用研究文献综述在地球物理探测中，探测仪器是整个采集过程中的核心装备。而地震法是当下最主要的地球物理研究方法之一，地震仪作为地震数据采集中的一种监测工具，其地位随着地震勘探技术的进步日益加深。无论是在地球物理科学的研究中，还在工程应用，对地震仪的性能要求不断提高。随着地震勘探程度的提高和地质目标的复杂化、多样化，对地震采集技术的要求越来越精细、高效，传统的有缆地震数据采集方式，由于存在采集大线重量大、线缆维护成本高、施工布线程序繁琐、人力物力消耗大等问题，促使越来越多的无缆节点地震仪的研发和应用。节点地震仪又称无缆存储式地震仪，指无需缆线连接即可作为单独站点接收并记录地震数据的仪器，本文中所提到的节点地震仪指便携式的节点地震仪。虽然有缆地震仪器仍是主动源地震勘探的主要采集仪器，但在一些地形条件复杂的施工区域，节点地震仪更能实现灵活高效的采集（刘庆华等，2015）。节点地震仪发展现状节点仪器的广泛出现大约在2007年由FairfieldNodal公司和Geospace公司分别代表的Z-land和GSR节点仪器的推出。早在2002年时，东方地球物理公司（BGP）就研发了GPS授时地震仪。之后有Sercel公司研制了Unite节点仪器，INOVA公司推出Hawk节点设备，NOVA和Innoseis合作推出Quantum节点，GTI公司推出NuSeis节点，DTCC公司推广的SmartSolo设备，以及在国内有吉林大学自主研发的GEIWSR系统，重庆地质仪器厂推出的DZS数字地震仪等。但这些节点产品在全球范围内还主要是在石油勘探领域的应用为主（任彦宗，2021）。这些节点设备的共同点都是实现了GPS授时、GPS定位以及数据的自主记录。GPS授时为数据的采集提供准确的世界时间，GPS定位解决了仪器布放位置灵活性，摆脱了连线仪器在没有GPS情况下点位的固定性。但类似Z-land这样的一些早期商业化应用产品存在着一些缺陷，例如地震数据的采集无法做到实时监控，不能及时反馈数据质量以及野外排列布放的情况；其次是没有防盗系统，在很多时候，直到数据下载完成时，才能知道某些台站的丢失、仪器的工作状态不正常或者数据存在问题。近两年来，为了弥补这些缺陷，推出了一些可以进行实时回传的节点系统，例如INOVA的Hawk，Wireless的RT2等。通过采集单元内置WiFi等无线通信单元得到实时QC数据。但是，在某些特殊地区，很难接收道通信信号的地方，仍然无法解决实时监控的问题。并且通过无线电频道只能传送这么多数据，不足以支持实时地震数据。额外的电子设备消耗更多的电量，众所周知，WiFi无线电的效率很低，因此耗电量大，所以内置无线通信单元的仪器又很难以保持长时间的数据采集。下面列举一些在主动源勘探中常用的节点仪器（表1-1）。各种型号的仪器尤其独特的优势与劣势，目前还没有在重量，动态范围，续航时间长短，仪器体型大小以及操作上都比较优秀的仪器。表1-1国内常用主动源采集的节点地震仪性能表节点名称生产厂家采样率连续记录能力动态范围重量Zland-3CFairfield0.5,1,2,4ms35天（2ms）127dB2.8kgSmartsoloDTCC0.25，0.5，1，2，4ms30天（2ms）125dB2.4kgHawkInova0.25，0.5，1，2，4ms26天127dB4.2kgUniteSercel0.5,1,2,4ms——1.6kgRT2Wireless0.5,1,2,4ms25天143dB3.32kg同传统的有缆式地震采集系统相比，节点系统最大的优势就在于其简单的野外施工流程，极大的减少了对人力物力的需求，提高野外的工作效率，降低野外作业的采集成本。节点地震仪的优势节点式地震仪与有缆式地震仪数据采集的最大区别就在工作方式上。一般来说，有缆式的地震仪不含有GPS系统，其仪器布设前通常会有测量班的人进行点位测量，记录了点位的经纬度坐标后才进行测线的布放。目前市场上使用较多节点地震仪都自带GPS系统，在布设时即可记录经纬度坐标，省去了对人力的大量消耗。另外，传统的有缆式地震仪需要联通整个工区的排列，从而激发震源接收信号，一旦排列的某一处线缆损坏，则从此点往后的检波器都无法反馈信号，但比较方便的是这样的采集方式接受数据只需要记录相对时间即可，自激发震源时刻开始为零时开始记录，设置记录时间长度即可。节点地震仪则需要利用手持终端或配置管理软件实现仪器激活，进入采集状态。可以为其设置采集的时间窗口，或是从激活后便开始采集直至回收，若未到达设置的采集实际，则仪器处于待机状态。因此，节点仪器的工作都需要GPS授时，以获得精准时间，从而从长时间的数据采集中截取有效的数据。如图4所示，为两种仪器采集的工作方式。图4节点地震仪和有缆式地震仪工作示意图Fig4.Schematicdiagramofworkingflowofnodeseismographsandcableseismographs参数设置上包括仪器的采样率、前置增益、采样的起始与截止时间等等。大多数节点地震仪都包含GPS系统，既是仪器采集地点的定位，也完成GPS授时同步。每隔一段时间进行一次GPS授时，以保证采集过程中时间的精确性。节点地震仪在采集状态时，可以是被动源的地震数据，也可以在采集过程中增加主动激发震源，最终通过GPS时间来截取相应的数据。由于其连续记录的特性，记录到的数据可以选择多种处理手段，而有缆式的地震仪记录的数据目的性较强，往往比较单一，通常只适用少数几种处理方法。综上所述，既体现了节点地震仪在野外灵活观测的低成本性，也表现出数据的多用性。1.2.3节点地震仪的应用实例近10年来，由于密集台阵技术的发展，许多学者通过短周期（1-2个月）的野外数据观测来研究地下结构。就出现了诸多应用这种便携式的节点地震仪在较为密集的点距下开展数据观测，能够较快的获得研究区的地下结构信息。与宽频带地震仪相比，通过更少的观测时间，加密点距来获得有效可靠的地震资料。目前这种技术在地壳结构（Liuetal.,2017）、沉积层构造（Baoetal.,2019）、城市空间地下探测、火山地震活动性监测（Lietal.,2018；Brenguieretal.,2020）等方面应用愈加广泛。节点地震仪在被动源地震探测技术中的应用主要是以密集台阵观测的形式进行野外观测。针对台阵数据处理技术，国内外目前主要的处理手段为噪声成像和接收函数（Lin,2013;Liu,2017）。基于噪声的成像方法很多，从早期Aki（1957）提出SPAC法以来，这种方法一直被应用于浅层地表速度结构的研究；频率波数域分析（F-K）是一种基于台阵的研究背景噪声源分布的方法（Friedrich,1998）；Nakamura（1989）提出利用横向与纵向的频谱比分析（HVSR）来研究沉积层结构；至今最为常用的噪声层析成像（ANT）被广泛应用于城市空间地下探测、微震监控、火山和地震活动性研究等等（Brenguier,2008;Xu&Song,2009;刘志坤,2010）。采集的被动源数据可以分为噪声数据和天然地震数据。对于噪声数据，国内外广泛运用的数据处理手段主要包括空间自相关法和背景噪声层析成像。两者的物理基础相似，但有一定的差异，前者可以获得排列下方整个地区的频散曲线，后者则提取的是台站间的频散曲线。低频的噪声（0.005~0.3Hz）通常来源于大陆、海洋带和海洋之间的相互作用（鲁来玉等，2009;Stehlyetal.,2006）、地震尾波（Campillo,2006）以及大气的变化作用；通常大于1Hz的高频噪声主要来自人类活动，如工厂机械振动和交通工具等等，呈昼夜和周的变化规律。对于天然地震数据，接收函数是用来研究有明显地震波速度间断面的有效方法。目前较多应用于密集台阵观测的节点地震仪与上述表格列举的仪器类型大多不同，表1-1中列举的节点仪器主要还是应用于地震勘探中，特别实在油气市场。但也已经存在许多此类仪器应用于被动源数据观测的成功案例。Tian（2019）等人在青山海湾地区用109个自然频率2Hz的地震仪器进行微震数据观测。图1-1为RW5-3站点提取的频散曲线，并反演得到横波速度结构，与现场钻探横波速度和岩性作为比较，验证了SPAC方法得到结果的准确性。图1-1台站面波频散曲线(a)和横波速度结构(b)与现场钻探结果(c)对比图;（Tianetal.,2019）Fig1-1.Comparisonofstationsurfacewavedispersioncurve(a)andshearwavevelocitystructure(b)withfielddrillingresults(c);(Tianetal.,2019)Bao（2019）等人用152个节点仪器基于短周期密集台阵观测手段，用HVSR方法对唐山断裂带进行了二维的构造研究及对周围第四纪厚度估算（图1-2）。计算得到的沉积厚度与区域地质调查的结果趋于一致，都呈现出北部沉积物厚度较薄，南部较厚的特征。但发现H/V导出的厚度与钻井测量结果有一些不一致性，尤其是在最深处的沉积中心位置。基于短周期密集台阵的HVSR方法为推断浅层地下结构提供了一种较为可靠的方法，且相较于钻探与主动源探测，其成本要低出很多。图1-2(a)唐山断裂带周围H/V微震测点的共振频率（Hz）分布（白十字）和（b-d）第四纪厚度（米）。(b)和(c)是根据不同的频率-厚度关系从H/V共振频率得到的沉积加密层厚度的地图(见各图左上角的标签)。(d)稀疏地质钻孔第四纪沉积物厚度的等高线图;（Baoetal.,2019）Fig1-2.(a)Resonancefrequency(inHz)distributionwithH/Vmicrotremorsurveysites(whitecrosses)and(b–d)Quaternarythicknesses(inmetres)aroundtheTangshanfaultzone.Panels(b)and(c)aremapsshowingthethicknessofthesedimentaryinfillderivedfromtheH/Vresonancefrequencybydifferentfrequency-thicknessrelationships(seeupperleftlabelofeachpanel).(d)ContourmapshowingthethicknessoftheQuaternarysedimentfromsparsegeologicaldrillings;(Baoetal.,2019)节点地震仪在基于背景噪声成像技术上的应用已经非常广泛。以Lin为代表的eikonal成像技术在美国长滩（LongBeach）的高密度阵列得以应用。阵列由5204个节点仪器以100米的平均间距组成（图1-3）。从三个星期的环境噪声数据中提取到0.5~4Hz的面波信号，得到的Rayleigh波相速度图可以反演地下1km以下的三维剪切波速度结构（Linetal.,2013）。如图1-4所示，得到的结果与已知的地质特征有很好的相关性，还可以直接评估方位各向异性及其不确定度。图1-3长滩阵列结构和区域断层线示意图，红色圈代表5204个台站，黑线代表纽波特-英格尔伍德断层系统。(Linetal.,2013)Fig1-3.ThearrayconfigurationandtheregionalfaultlinesinSouthernCalifornia.Thesmallcirclesshowthe5204stationsusedinthisstudy.SeveralsegmentsoftheNewport-Inglewoodfaultsystemaredenotedbyblacklinesinthemagnifiedplot.(Linetal.,2013)图1-4(a)总结出最合适的1.25Hz瑞雷波方位各向异性快速方向和振幅。背景为1.25Hz的瑞雷波各向同性相位速度图。(b)与(a)，但针对的是1.0Hz的瑞雷波。(c)在650m深度处反演剪切波速度模型。（Linetal.,2013）Fig1-4.(a)Thebest-fitting1.25-HzRayleighwaveazimuthalanisotropyfastdirectionsandamplitudesaresummarized.(b)Sameas(a)butforthe1.0-HzRayleighwave.(c)Inverted3Dshearvelocitymodelat650mdepths.(Linetal.,2013)Mordret等人（2019）用1108个垂直检波器近1个月的连续地震波形，建立了圣哈辛托断裂带下500m深度处的三维横波速度模型。Wu、Ward等人于2015年11月在黄石国家公园的上间歇泉盆地部署了一组Zland节点仪器的密集台阵，包含133个台站（Wu,2017）。在3.33Hz的相位速度测量表明，东北地区的快速度结构和西南地区的慢速度结构速度相差约40%。通过计算两周的背景噪声数据得到互相关函数（CCFs）的空间分布，发现在老忠实区西南方向的相速度较慢，而东北方向的相速度较快。Liu等人（2017）在青藏高原东缘布设的一条160km长度的剖面，用330个三分量短周期地震仪以500间距布设，采集1个月的数据利用接收函数的方法研究了该地区的地壳结构（图1-5）。这些观测结果表明，高原的扩张和地壳增厚代表了一个由向东逆冲和地壳收缩导致的推覆体（Liuetal.,2017a）。除此以外，Wei等人在长江中下游利用350台便携式数字地震仪（PDS）进行密集台阵观测，用RFs方法得到阵列下方Moho深度变化（Weietal.,2018）。图1-5(a)地震剖面位置，两条剖面分别为ABCDE和FGHIJ。(b)ABCDE剖面沿轴线CCP叠加图像。(c)FGHIJ剖面沿轴线CCP叠加图像。(d)接收函数图像显示的二维地下构造解释；(Liuetal.,2017a)Fig1-5.(a)thelocationoftheseismicprofile.ThetwoprofilesareABCDEandFGHIJ,respectively.(b-c)CCPstackingimageofthecrustalstructurealongaxesofseismicprofiles.(d)Two-dimensionaltectonicinterpretationofsubsurfacestructureshownbytheRFimage;(Liuetal.,2017a)上述几个实例是基于节点地震仪采集被动源数据，运用了不同方法来研究地下结构。由于宽频带地震仪的记录时间相对较长，通常需要持续记录1年以上的数据，对地区的研究进展较慢，这种利用节点地震仪的短周期密集台阵的观测手段有望成为地壳尺度范围内的又一项主流的地壳结构地震学探测方法。目前，节点地震仪在主动源的应用在国内的见刊的文章中较少，但已经有不少的应用实例。如中石油华北油田分公司和东方地球物理公司在二连盆地利用无线节点地震仪采集接收可控震源信号（赵贤正等，2015）。如图1-6所示，为其在二连盆地阿尔凹陷的偏移剖面对比，相比较老资料（1-6左图），1-6右图改为采用大吨位、低频可控震源激发技术、节点地震仪采集接收的信号处理后的结果，获得了较高品质的地震资料。图1-6阿尔凹陷新（右）、老（左）偏移剖面;（赵正贤等，2015）Fig1-6.New(right)andold(left)migrationprofileofAIsag;(Zhaoetal.,2015)参考文献邓军,王长明,李文昌,等.三江特提斯复合造山与成矿作用研究态势及启示[J].地学前缘,2014,21(01):52-64.董树文,李廷栋,陈宣华,等深部探测揭示中国地壳结构深部过程与成矿作用背景.地学前缘,2014,21(3):201-225.酆少英,李秋生,邓小娟,李井元,熊小松,卢占武,李文辉,王晓冉,吴庆宇,石金虎.深反射大炮揭示的青藏高原侧向碰撞带地壳骨架结构[J].地球物理学报,2020,63(03):828-839.高锐,董树文,贺日政,刘晓春,钱桂华,等.2004莫霍面地震反射图像揭露出扬子陆块俯冲过程,地学前缘,11(3):43-49.高锐,王海燕,马永生,朱铉,李秋生,李朋武,匡朝阳,卢占武.2006.松潘地块若尔盖盆地与西秦岭造山带岩石圈尺度的构造关系———深地震反射剖面探测成果.地球学报,27(5):411-418.高锐,黄东定,卢德源等.横过西昆仑造山带与塔里木盆地结合带的深地震反射剖面.科学通报,2000,45(17):1874~1879高锐,李朋武,李秋生,等.青藏高原北缘碰撞变形的深部过程——深地震探测成果之启示[J].中国科学:地球科学,2001a(S1):66-71.高锐,肖序常,刘训,等.新疆地学断面深地震反射剖面揭示的西昆仑—塔里木结合带岩石圈细