0 引言

Matsushima(1960)在对花岗岩作封闭单向压缩实验时发现，岩石受压初期，波速随压力的增加而增大；但在岩石破坏以前(当压力超过岩石强度的50%以后)，沿垂直于压力作用的方向，波速却随压力的增加而明显减小(最大减小20%左右)，许多研究也都印证了这一结论(冯德益等，1974；Reasenberg et al，1974；Kanamori et al，1976；王伟涛等，2009)。因此，对地壳波速变化进行监测，将有助于探索地震孕育的机理。

由断裂带内应力变化引起的波速变化很小，波速动态监测对观测精度有很高的要求，而高性能人工震源和高精度测量系统的发展，为地震波波速变化的高精度监测创造了条件(杨微等，2015)。杨微等(2010)在龙门山断裂带前山断裂附近，利用10t精密控制常时运行震源(Accurately-Controlled Routinely-Operated Seismic Source，简称ACROSS)进行连续监测实验，监测到2009年6月30日绵竹M_S5.6地震发生前后时发现，穿过断裂带的直达S波走时发生了时延为5~9ms的微弱变化，射线路径上的平均波速相对下降了约0.3%。

大岗山水电站位于鲜水河断裂带、龙门山断裂带及安宁河断裂带等3组不同走向结构展布和交汇的“三叉口”地区，地质构造复杂，构造活动强烈，大坝距鲜水河断裂带仅4.5km，库区天然地震活跃，水库诱发中强地震概率较高。2014年9月，我们在大岗山库区建立了精密控制主动震源动态监测系统，开展地震波走时变化的主动震源探测。借助这些观测数据，一方面可以探究库区蓄水对深部介质物性和应力变化的影响，另一方面可以研究库区地震与地震波走时变化间的关系。因此，本研究工作对于认识地球内部局部动态过程以及水库蓄水对周围介质的影响、探索水库诱发地震的机理、减轻诱发地震震害等具有一定的意义。

1 主动震源监测系统

大岗山库区主动震源探测系统由精密控制机械震源系统和接收台站组成。考虑到主动震源的供电需求和场地要求，在四川省地震局燕子沟地震台建设精密控制机械震源，该台东距磨西断裂约1km，主动震源和台站分布见图 1。

1.1 观测技术系统

观测系统由8个水库地震台网固定台(XIX、ZMC、XMC、NTW、HCP、BLG、CAK、AJW)、2个流动地震台(ZDA、ZDB)及1个距震源不到5m的震源接收台(gzh)组成。8个固定台的台基地动噪声水平较低，数据记录质量较好，地震计为四川省地震局水库地震研究所研制的直线型短周期地震计，灵敏度2000V/(m·s^-1)，频带范围为0.5~40.0Hz，数据采集器为EDAS-24GN，采样频率100Hz，采用GPS连续授时。2个流动地震台和1个震源接收台的地震计为FSS-3M短周期地震计，灵敏度为2000V/(m·s^-1)，数据采集器为EDAS-24GN，采样率和GPS授时方式与固定台一致。

1.2 大岗山精密控制人工震源系统

本研究采用的精密控制人工震源系统，由北京港震机电技术有限公司生产，是一种连续扫描振动设备，用伺服控制电动机带动2个偏心轮作不平衡转动，其离心合力形成垂向振击力，冲击地面产生振动波(廖成旺等，2003；王洪体等，2009)。2个偏心轮的转速、时间同步通过精密控制器精确控制，可获得不同频率、高度可重复的振动波。该震源自重16t，转速为10转/s时的垂向振击力约10t。精密控制震源需要50kW的电力，对安装有着较严格的要求。精密控制震源主要由2台伺服电机、2个机械特性完全一样的偏心轮和1套控制电路组成。2台伺服电机分别带动偏心轮相向转动而向地面输出1个垂直方向的合力，通过精确控制2台伺服电机的转动频率而实现连续向地下发射线性调频信号，输出力的表达式为(王洪体等，2009)

$ F\left(t \right) = 2Mr{\omega ^2}\left(t \right)\cos \left[ {\varphi \left(t \right)} \right] $

(1)

式中，F(t)为向地面输出的垂直力；M为偏心轮的质量；r为偏心轮的转动半径；ω(t)为偏心轮转动的角频率；φ(t)为偏心轮转动总相位。M、r为精密控制震源的机械参数，在仪器制造时就已测得，因此输出力的大小和相位取决于ω(t)和φ(t)。

2 震源与地基耦合特征分析

主动震源激发的能量在给定的扫描方式、扫描时间下，输出的总能量是恒定的，而震源地基的处理和安装方式则会影响震源与地基的耦合。主动震源对安装场地和安装条件的要求较为苛刻，综合主动震源供电需求和大岗山水库地震台网的台站分布，主动震源建设在条件合适的四川省地震局燕子沟地震台内进行。震源场地为河床冲积层，厚度数十米。为保证主动震源的长期稳定工作，经过多次实验，最终采用开挖回填三合土的方式进行震源地基处理，避免了地基沙土液化的问题。

震源与地基的耦合程度，直接影响着激发能量向外传播的效率。本研究先后进行了2种震源与地基的耦合实验，一种是在地基上浇注40cm厚钢筋混泥土基础后安装震源，另一种是直接在回填地基上安装震源，并对震源接收台激发波形进行了频谱分析。图 2、3是2种不同耦合方式激发波形的频谱，由图 2、3可见，震源直接与地基耦合时激发波形的主频振幅要比通过钢筋混泥土基座与地基耦合时高出约30%，表明震源直接与地基耦合的方式向地下传播的能量更大。因此，大岗山主动震源探测系统采用震源直接与地基耦合的方式进行安装，同时为避免震源水平移动，用钢钎对震源进行了固定。

3 主动震源探测系统性能分析

震源工作激发模式、激发波形的重复性和接收台站的地动噪声水平等是影响大岗山主动震源探测系统的主要性能，探测距离的远近和处理结果的可靠性就取决于探测系统的性能。

3.1 主动震源工作激发模式

主动震源激发设置为线性扫频方式。线性调频信号是一种典型的非平稳信号，其频率随时间的变化而线性变化，具有很好的时间-频率聚集性，被广泛用于雷达、声纳、通信以及地震勘探等领域(张贤达等，1998；刘明辉等，2015)。

主动震源扫描信号频带为4~10Hz，扫描频率组合模式见图 4，扫描周期为42min/次，其中震源运转时间为40min，震源根据GPS时间自动激发和运行。为取得较好的观测效果，开始运行时间和运行次数应考虑接收台站噪声水平较低的时段和激发的总能量，震源每天从18点开始运行，运行5次，至22点结束。图 5为震源接收台记录的单次激发垂直向原始波形，图 6为震源接收台记录的单次激发信号的频谱。

3.2 主动震源激发波形的重复性

利用主动震源测量波速变化是通过重复测量相同路径上的地震波走时来实现的，只有保证震源的重复性，才能进行有效的波速变化测量。对精密控制主动震源激发的100次信号进行了重复性分析(图 7)，参考信号时间窗长为震源1次激发的运转时间，即40min，得到的相关系数均大于0.98，且大于0.995的占82%(表 1)，这表明精密控制人工震源每次激发产生的振动信号具有很好的重复性，可通过对多次激发信号进行叠加来提高记录的信噪比。

3.3 接收台站的地噪声水平

大岗山主动震源探测系统的接收台站为大岗山水库地震台网的8个固定台站和2个加密的流动地震观测台站，依据《中华人民共和国国家标准地震台站观测环境技术要求第1部分：测震》(GB/T 19531.1-2004)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004)，选取震源未运行时段的台站记录，计算地面运动速度记录的功率谱密度为1~20Hz的均方根(rms)值，得到各个台站的地噪声水平(表 2)。总体来看，接收台站地噪声水平较低，其中，固定台站的地噪声水平更低。

图 8为ZMC台噪声的频谱，图 9为ZMC台反褶积后的频谱。由图 9可见，震源激发信号中只有5~10Hz的信号被提取出来。而人类活动与环境等自然噪声的频段一般为几Hz到几十Hz，与震源信号频段有重叠，但这并不影响震源信号的提取，说明台站的信噪比较高。

4 数据处理初步结果

扫描信号的处理方法主要有互相关法、短时相关法、相干法和反褶积法，杨微等(2013)研究认为，相干法和反褶积法适合于具有一定信噪比的ACROSS信号检测分析，因此，本文采用反褶积方法进行处理。

我们选取了距震源较近的ZDA、ZDB、ZMC和HCP等4个台站进行研究，震中距分别为5.98、7.74、9.30、19.35km。首先，对接收台站信号作3~11Hz带通滤波，并与对应的震源接收台记录(近似震源激发信号)作反褶积。图 10为不同数目激发信号的叠加结果，由图 10可见，随着叠加次数的增加，信噪比得到较大提高，同时可以看出，大岗山库区P波速度为4.9~5.7km/s。

当震源和观测点位置固定、地震波传播路径固定时，地震波平均波速的相对变化为dv/v=-dt/t。将ZDA、ZMC台2014年12月12日~2015年1月31日经滤波和反褶积处理的数据叠加作为参考信号，这2个台的参考信号分别由244、249条记录叠加生成。然后，将2015年2月开始每个月经滤波和反褶积处理的数据分别叠加并与参考信号作波形干涉，时间窗口选取0.2s，并对得到的相关系数作cosine拟合插值和误差分析，从而得到上述台站相对走时变化。图 11为ZMC、ZDA台2015年相对走时变化，其中，ZDA台部分月份数据缺失，但在有数据的时段，2个台站相对走时变化趋势一致。

5 结论与展望

通过观测和初步分析可知，大岗山精密控制主动震源地基耦合效果良好，能激发相对稳定的信号，可重复性高，水库台网固定台站地动背景噪声低，并可通过多次叠加来提高信噪比，提取走时信号，进行走时变化监测分析。

从数据处理结果来看，距震源5~20km的ZDA、ZDB、ZMC、HCP等台观测到了震源激发信号，其中，距震源最近的ZDA、ZDB台信噪比较低。原因可能有2个方面：其一，这2个台站位于磨西断裂的东侧，震源信号穿过断裂到达这2个台站，断裂带对地震波传播有强衰减作用；其二，这2个流动台位于河流和村庄附近，因此地动噪声水平较高。

目前，大岗山主动震源监测工作尚处于探索阶段，缺乏经验，并存在一些问题需要改进。在以后的工作中，我们决定对流动台站重新勘选架设，提高流动台站的观测能力，及时完成观测系统GPS授时的资料收集和校正，同时尽量降低环境因素如气压、温度、降雨等对观测结果的影响，努力实现高精度的跨断层地震波波速变化监测，并逐步使其成为水库诱发地震的常规监测手段之一。

致谢: 在研究过程中，中国地震局地球物理研究所地震观测与地球物理成像重点实验室、北京港震仪器设备有限公司、四川省地震局康定地震中心站等单位给予了大力帮助，在此表示衷心感谢，特别感谢中国地震局地球物理研究所为本研究提供主动震源设备。