要完整描述固体连续介质的运动和变形,需要知道平动三分量、应变六分量和旋转三分量^[1]。然而,地震学的发展是建立在观测基础上的。长期以来,地震学研究主要基于速度、加速度等平动数据或应变数据来开展。旋转分量的观测在很长的时间内一直受限于高精度仪器的缺乏,没有合适的地震仪器可以满足旋转波场的观测即在空间、时间、振动矢量和频带等方面的采集需求^[2⇓-4]。虽然地震引起的旋转运动早在19世纪就已有报道^[5],但是对地震波场旋转分量的可靠观测一直都是学术界广泛关注的问题^[6-7]。近年来,得益于光学技术的进步和环形激光技术的兴起^[8-9],地震波旋转分量的直接观测也逐渐成为地震学中一种新的观测手段。

1998年,McLeod等^[10]使用环形激光陀螺G-ring进行地震学观测,记录到地震引起的旋转运动(图1),从平移地震计台阵估算的勘探尺度的间接旋转分量数据^[11]可证明地震波引起的旋转运动是可测量和解释的。对旋转运动垂直分量的高分辨率观测使得环形激光仪器贡献了许多值得关注的观测结果^[12-13],包括当地、区域和远程地震信号,自由振荡,海洋噪声等。但是环形激光陀螺尺寸大、难以移动,限制了很多地震学观测实验的开展。

而光纤陀螺的出现,让旋转测量变得更为直接、灵活和可靠。光纤旋转地震仪使零星的地震学旋转应用开始展现出“燎原”之势,旋转地震学也逐渐进入了新的发展阶段。2018年,法国iXBlue公司推出第一款商用高灵敏度、便携式三分量宽频带光纤陀螺旋转地震仪——BluSeis3A^[14](www.blueseis.com)。BlueSeis3A为旋转地震学的发展注入了一针强心剂,国外研究者们积极开展旋转分量的直接观测实验,证实了旋转分量在地震学研究的多个方向都有潜在应用前景,包括波场分离^[15],后方位角精确计算^[16],局部相速度估算^[17],改善震源参数反演结果和单点解算完整矩张量^[18]等。

但在国内,旋转地震学的研究还多停留在仿真模拟和间接观测阶段。周聪等^[19]推导了剪切位错源在水平面产生的旋转运动场,并根据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。陈锋等^[20]讨论了不同模型平动与旋转联合估算瑞利波相速度的可靠性。李维等^[21]对两种可控震源的旋转分量直接观测数据进行分析,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。

本文利用比以往工作来源更丰富的近场甲烷震源观测资料以及一次近场天然地震观测资料分析和讨论了平动三分量和旋转三分量联合观测的六分量(简称6C)数据的特征,并优化了近场后方位角BAz(back azimuth angle,BAz)的计算精度。

北京大学李正斌教授团队利用自主研发的双偏振方案,研制出便携式三分量光纤旋转地震仪DP-Rots-3C^[22-23]。它是一种基于开环干涉型光纤陀螺(IFOG)的便携式三分量宽带旋转地震仪,具有抗电磁干扰强、灵敏度高、无运动部件等优点。双偏振方案大大提高了旋转分量观测仪器的灵敏度,使得各方面指标达到了地球物理观测的要求水平,可广泛应用于地震勘探等领域^[24]。其性能指标如表1所示。与法国iXBlue公司的BluSeis3A相比,两者灵敏度相同,但其尺寸更小。仪器内部架构见图2。图3为DP-Rots-3C的三分量旋转观测自噪声PSD(噪声功率谱密度)。

本文中涉及的两个场地实验均使用DP-Rots-3C进行旋转分量的直接观测。

为实现对城市地区较大范围的探测,近年来发展了甲烷气爆震源来实现绿色探测^[25]。甲烷气爆震源是通过将甲烷和氧气进行混合点火产生高压气体,将其快速释放形成定向冲击产生地震波。2020年12月~2021年1月,广东省地震局以全面构建大湾区地下浅层三维精细结构为目的,联合多家单位在大湾区布设了面状密集台阵,并开展了甲烷震源激发实验。

经过前期协商,商定在第25号甲烷气爆源的激发区域开展本文的旋转主动源观测实验。因主动源震源具有位置确定、时间精确可控等特点,本次甲烷主动源旋转观测实验方案确定为短时间临时观测。为了探寻水体是否会对旋转分量的观测造成影响,两个台站隔江相对,并且在预设部署方案中,两个接收点与甲烷震源位于同一条直线上。仪器安装避开混凝土层及其他人为浇筑地面,与天然风蚀地表接触。提前准备好可容纳观测设备放置的小坑,以保证在观测时仪器与地面获得更好的耦合。

本次甲烷主动源观测实验所使用的单台六分量接收点仪器设置如图4a所示,布设的仪器包括G1B型三轴力平衡加速度计和三分骨旋转地震仪DP-Rots-3C,均固定在同一块刚性面料上,在确保位置稳定的同时也保证了两个仪器接收的信号相同。分别连接各自的电源和GPS,内接数字转换器,在开始观测前对仪器进行半掩埋处理。最终,甲烷主动源旋转观测场地实验的震源及两个单台六分量接收点的位置如图4b所示。甲烷震源S25的经纬度为113.1627°E、23.1296°N;接收点P1经纬度为113.1633°E、23.1314°N,距离震源211 m;P2经纬度为113.1627°E、23.1361°N,距离震源727 m,P2点与震源之间有明显河流穿过。25号甲烷震源激发时间为2021年1月19日00:48:38,于夜间00:15:00开始实验,持续时间为1 h,记录甲烷震源激发时刻前后0.5 h的数据。

天然地震作为被动源的一种,具有偶然性和随机性的特点,在选择观测实验地址时需经多方考虑。邢台市位于中国河北省南部,地质构造复杂,受华北克拉通边缘活动的影响,存在一定的地震活动性,历史上发生过多次5级以上地震事件。邢台市距离北京市直线距离大约220 km,交通便利,有利于研究人员能够在有需要时快速往返两地。相对于北京,邢台地区的地震活动更为频繁,选择邢台开展天然地震的旋转分量观测实验意味着更丰富的地震数据和观测机会。在较长时间的观测周期内,邢台比北京更可能捕捉到天然地震的震源信号。

为了解决长周期观测中的仪器供电和维护问题,决定与邢台隆尧县城的红山基准地震台共同合作开展本次被动源旋转分量观测实验。红山地震台位于隆尧县城西北处,海拔高度37 m,台站位于城镇边缘,周围是广袤的冲击平原,人烟稀少,建筑物稀疏。红山地震台提供了一个相对幽静且少受干扰的研究场所,周边农田的开阔空间和少量建筑物减少了人为干扰和城市噪声对实验数据的影响。红山基准台所使用的单台六分量接收点仪器设置和室内环境如图5a所示,MENHIR强震仪和DP-Rots-3C光纤旋转地震仪固定在同一块花岗岩面板上,分别连接各自的电源和GPS。该站点简称为HST,经纬度为114.7°E,37.4°N,设于红山基准台安排的一楼观测室内,温度恒定,仪器面板直接与屋内地面接触。

为了对比室内、室外环境对实验数据产生的影响,在红山基准台横向水平直线距离8.8 km处设置了1个户外单台六分量观测点,该户外点位于大曹庄中心小学后院简称为DCZ,经纬度为114.8°E,37.4°N。户外站点所使用的单台六分量接收点仪器设置和室内环境如图5b所示,同样使用MENHIR强震仪和DP-Rots-3C光纤旋转地震仪,两个仪器固定在同一块花岗岩面板上,分别接入供电电源与GPS。由于该站点设于户外,除了对仪器进行半掩埋处理外,为了保护设备免受风吹和阳光直射(温差较大)的影响,掩埋时在设备上方放置了一个聚苯乙烯绝缘箱进行保护。

两个六分量观测台HST和DCZ安装位置如图6所示。2021年7月5日,在大曹庄中心小学该学期结束后的第二天,两个站点同时投入使用,开始为期30天的天然地震观测实验。2021年7月15日16时31分19秒,河北省邢台市晋宁县发生M_L3.7级地震。此次地震震中经纬度为115.10°E,37.53°N,深度10 km,震中与台站的位置见图6。接收点HST距离震中38.2 km,DCZ距离震中30.2 km,两测点相距8.8 km。两个观测台都清晰记录到了该次地震的六分量数据。

在甲烷主动源观测实验中,震源与观测仪器的距离近,干扰小,数据信噪比高。图7展示了六分量观测所记录的甲烷爆破信号。P1接收点与震源之间均为陆地。可以看到面波在RUD和AEW分量上发育得较为明显,由此可以判断该面波为SH型面波,即Love波。在加速度三分量无法确定面波种类的情况下,可以根据旋转三分量的波形表现来进行判断。如果是瑞雷波,旋转分量的瑞雷面波只会在RNS和REW分量上出现。而P2接收点由于波的传播路径经过水源的原因,六个分量上都没有面波发育,并且由于横波被水源隔离,可以发现P2的RNS、REW和AUD三分量上的P波比P1接收点清晰。从数值上看,不论是P1接收点还是P2接收点,旋转分量的数值基本都比加速度的数值要小一个量级。

图8展示了六分量观测信号的振幅谱。从振幅谱可以看出,旋转的高频成分较加速度更丰富。总体而言,旋转三分量频谱表现较为统一,加速度AEW分量频率成分少于横向分量。从优势频段角度可以看到P1接收点的低频优势频段为2~5 Hz,P2接收点传播距离稍远并经过水源,低频优势频段就变为了8~13 Hz,体现了传播介质对六分量地震信号的影响。

邢台M_L3.7地震的两个观测点一个处于室内、一个处于室外。通过对比时域波形(图9)可以看出,设置于室内的HST观测点六分量的数据噪声较大,都受到了较大的影响,特别是对于旋转三分量。RUD受到的干扰较大,目标波形的P波震相都被噪声掩盖。我们认为,这些干扰是由于室内地面较为光滑,由刚性基座与大地的耦合差所造成的。

除了由于耦合较差造成的HST旋转垂直分量P波震相不明显以外,DCZ的旋转三分量和HST旋转RNS、REW分量的P波和S波震相都清晰可见;而两个接收点的加速度的P波震相只在垂直分量上较为明显,横向两分量只能看到P波尾波,加速度的S波分量也较为清晰。室外接收点DCZ的六分量振幅谱(图10)显示,六分量的低频优势频段都为0~10 Hz,低频段谱峰均出现在5 Hz附近。但是旋转三分量具有明显的高频谱线,高频成分发育强于加速度分量,甚至RUD分量的高频频段峰值大于低频频段。而室内接收点HST的六分量数据却显示旋转与加速度的极大差异,低频频段旋转处在10~18 Hz,加速度则是2~13 Hz。只有旋转分量具有高频成分,而加速度三分量的高频成分很少,这反映地震旋转波高频成分较加速度分量更为丰富。同时,从振幅谱的对比可以看出,与地面的耦合程度会极大地影响旋转低频成分信号的接收和记录。

为了进一步研究六分量波形的衰减速率,运用短时傅里叶变换计算出时频谱(图11)。如图11所示,旋转分量的高能量呈明显的横向线性分布,加速度的能量集中点则较为分散,这说明在旋转的高能频率上,衰减较加速度慢。此外,还可以看到一个有趣的现象,在波形开始出现的时候,时频谱中旋转三分量的高低频信号均为同时出现,而加速度三分量在两个接收点上的时频谱中均可见到低频成分先于高频成分出现的情况(图11中的红色虚线,旋转与时间轴垂直,加速度是倾斜的)。这可能是由于仪器本身构造造成的,传统平动地震仪的可移动零部件受地球自身重力的影响,在实际观测中会出现一个长周期的漂移现象,这个漂移相较于地震波形的时间尺度长很多。在时频分析的时候可能会出现低频成分能量较大,造成频谱泄露的情况,呈现低频能量先于高频能量出现的情况。旋转地震仪通过Sagnac效应捕捉地震波旋转信号,仪器内部结构不存在可移动零部件,可以避免这一问题^[23]。

本文详细介绍了主动源和被动源(天然地震)观测实验的实施步骤、方案,并对其记录到的数据进行了初步分析。从实验方案的实施来看,主动源和被动源观测在仪器配置上基本相同,均采用一个加速度型地震计和光纤旋转地震仪DP-Rots-3C,将其固定在同一块刚性面板上进行六分量的观测,两个仪器间距不超过10 cm。图7和图9的数据波形显示,将单台六分量信号设备放置于同一块面板上可以确保所获取的信号一致性。除了仪器配置,实验观测时间的选择遵循低扰性原则,即在条件允许的范围内尽量选择干扰最小的时间段进行。主动源实验在夜间00:15开始,连续观测1 h。被动源的观测选择在学期结束后的时段,避开人类活动干扰,即7月5日~8月5日。

然而,由于野外地质条件的差异,在观测点即仪器放置点的细节处理上稍有不同。例如,主动源和被动源的仪器供能方式不同,主动源使用便携电源,被动源接入市政供电,但对数据质量无影响。实验设计方案中对观测点的选择也因环境条件不同而采用不同策略。

主动源实验基于其特性,只需进行短时间观测,实验方案设计相对简单。基于射线法布点原则,采用了共线布设方案,即两个测点与震源处于同一射线上。因场地处于市区,城镇建筑物密集,实际放置仪器位置与预设点稍有偏离。要强调的是,地震旋转分量的能量略小于传统地震计所观测的加速度或速度等平动物理量,需要根据主动源震源能量的大小选择合适的观测距离,以确保旋转地震仪可记录到目标信号。

天然地震观测实验方案的设计首先考虑实验区域地震活动性,活动性较高的地方采集数据的机会更大。其次需考虑在长时间观测过程中仪器的运行维护问题,观测点不宜设置于难以接近的地区。最后,选择远离城镇中心的开阔环境,可避开大部分人类活动干扰,通常城镇边缘的地震台是较好选择。

除了上述实验方案设计和实施中需要注意的要点外,主动源观测和天然地震观测均设置了两个观测点进行对比。在主动源实验中,对比了水体环境对数据的影响。从第2.1节的数据分析中可以看出,水源会抑制地震面波的传播。P2观测点由于波的传播路径穿过水源,无论是旋转分量还是加速度分量,均未观察到面波。水源的影响导致P1和P2观测点在面波表现和P波清晰度上存在显著差异。

在被动源实验中,进行了室内和户外观测点的对比。这两个观测点最大的区别在于与地面的耦合程度不同,户外观测点在自然地表上进行观测,并在观测时进行了半掩埋处理。第2.2节的数据分析也显示,室内HST观测点的六分量数据噪声较大,特别是对于旋转三分量,受到的影响更为显著,旋转三分量中的RUD受到的干扰最为严重。天然地震观测实验的两个观测点到震中的距离基本相同,但从图10的振幅谱可以看出,室内HST的旋转三分量频谱分布与加速度三分量频谱分布存在较大差异,而室外DCZ的旋转与加速度频谱则具有较高的一致性。在主动源观测实验中,两测点在安装时都保证了与地面的良好耦合,所以两测点的旋转分量与加速度分量具有良好的一致性。因此,可以认为,被动源HST观测点的六分量数据受到的干扰和频谱的差异主要是由于室内地面较为光滑,刚性基座与大地的耦合不良所致。

总体而言,在实验方案设计时,需根据实际观测目标制定方案,光纤旋转地震仪与传统地震计组成的六分量观测台需固定在同一块刚性面板上,以保证接收信号的一致性。除了低噪声和非水源干扰等环境选取外,仪器安装需保证与地面的良好耦合,避免过于光滑的地面条件,进行掩埋处理更容易得到高质量的实验数据。

2007年,旋转地震学国际工作组(IWGoRS, www.rotational-seismology.org)建立了一个旋转地震学时间数据库^[25]。该数据库的每个地震事件都包含一个环形激光陀螺(G-ring或ROMY)的垂直分量数据和传统地震仪三分量数据,通过这些数据计算每个地震事件的后方位角和区域相速度。由此可见,单台六分量数据较为广泛的应用于计算后方位角和区域相速度。

对于后方位角的计算来说,尽管是单台测量,但是因为旋转数据的存在可以通过偏振或互相关(CC)分析来确定地震后方位角(BAz)。在各向同性介质中,横向偏振波只产生旋转运动,这些旋转运动将只会被旋转传感器的垂直分量所感知。所以,通过CC分析的网格搜索优化算法可以度量横向加速度(At)和垂直旋转(RUD)之间相似性,当相似性最大时,便可确定后方位角的角度。在计算BAz的过程中,需要将加速度的坐标从NEZ坐标系转换为RTZ坐标系,并计算At分量和RUD的归一化零滞后互相关系数(ZLCC)。由于At和RUD分量来自相同的地面运动,当计算的BAz与真实值重合时,At和RUD的ZLCC会达到最大值。在此计算过程中需要循环遍历所有可能的角度(0°~360°)。

在具体计算前,需要对数据进行预处理。上述提到的旋转数据库中给出了数据预处理的推荐参数,如表2所示,传统数据预处理均采用该表参数值。但如前文所述,实际旋转数据会受到安装耦合、地质条件的影响,能量集中频段并不一定严格遵守该表推荐值。因此,本文提出通过能量谱查找旋转RUD分量的能量优势频段进行滤波,完成数据预处理。

对于甲烷震源,因其距离小于1 km,持续时间较短,采用2 s的滑动窗口,1 s的时间步长,计算整个地震记录(共截取15 s长度波形)的BAz和相应的ZLCC。每个窗口所得BAz的对应时间为窗口的结束时间。接收点P1、P2的能谱如图12所示。对于接收点P1,旋转垂直分量能谱的优势频段为3~5 Hz,故在预处理阶段,对该频段使用带通滤波进行数据处理。后方位角计算结果如图13所示。其中,图13a为RVV分量与旋转坐标后的At分量时域波形,图13b为通过本文提出的旋转RUD分量的能量优势频段滤波完成数据预处理。图13b显示,优化后的预处理数据在目标波形出现的时窗相关系数大于0.8,计算得到的BAz为209.3°,图13c计算的BAz为125.3°,根据经纬度计算得到的理论BAz是196.8°。与旋转数据库给出的预处理参数相比,通过能谱优势频段进行预处理后,计算BAz与理论BAz的误差仅为12.5°,图13c给出了仅采用传统表2预处理参数的BAz计算结果,表2的参数计算得到的误差为71.3°,预处理优化方案使得误差降低了58.8°。

将相同的预处理步骤应用于接收点P2,其滤波频带为10~15 Hz,处理结果如图14所示。图14a为RVD分量与旋转坐标后的At分量时域波形,图14b使用优化后的方法计算BAz为214°,图14c使用表2参数计算的BAz为264°,理论BAz为180°,对比未优化的预处理计算结果,优化后的数据处理结果误差减小了50°,在计算准确度上得到了很大的改善。

对于邢台M_L3.7地震,采用10 s的滑动窗口,5 s的时间步长,计算整个地震记录(共截取60 s长度波形)的BAz和相应的ZLCC。每个窗口所得BAz的对应时间为窗口的结束时间。

通过计算能谱,得到邢台两个接收点DCZ和HST的旋转垂直分量RUD的优势频段均为20.5~21.5 Hz。使用前述优化后的预处理方案进行处理后,计算结果如图15所示。DCZ接收点理论后方位角为61.4°,图15a为DCZ观测点使用表2的预处理参数后的计算结果,BAz为91°,误差为29.6°;图15c为使用预处理方法优化后计算结果为66.5°,误差为5.1°。HST接收点理论后方位角为67.7°,图15b为使用表2的预处理参数后计算的BAz为35°,误差为32.7°;图15d为使用预处理方法优化后计算结果为71°,误差为3.3°。HST误差较小,但因与地面耦合较差造成的噪声使得计算结果的平稳性表现略差于DCZ。

上述结果表明,本文提出的通过旋转RUD分量能量优势频段滤波的数据预处理方法在实际数据处理中表现良好。相比于数据库的指导参数,提高了两测点的单台六分量后方位角(BAz)的计算精度,使误差分别降低了24.5°和29.4°。

本文详细介绍了一次主动源和一次天然地震的六分量联合共址观测实验的方案设计、实施步骤以及对数据的初步分析。对比分析实验方案的相似性和差异性、实验时间选择的原则、不同环境条件下的细节处理、观测点布设的策略,最后分析讨论了实验中的观测点设置条件对数据的影响。首先,光纤旋转地震仪与传统地震计组成的六分量观测台需固定在同一块刚性面板上,以保证接收信号的一致性。其次,仪器安装需保证与地面的良好耦合,避免过于光滑的地面条件,进行掩埋处理更容易得到高质量的实验数据。最后,光纤旋转地震仪的户外实验需要注意保温,避免因温差较大而导致数据漂移。以上结论适用于大部分有光纤旋转地震仪参与的地震动观测实验,可以为未来进行类似实验的研究人员提供指导,帮助他们更好地设计实验方案、优化观测点设置条件,获得高质量数据,提高实验结果的可靠性。

在数据应用方面,因旋转地震学国际工作组建立的旋转数据库给出的预处理参数不适用于地方震等近距离地震事件处理,本文提出了预处理的优化方法。通过计算旋转垂直分量能量谱优势频段,以此作为预处理的滤波的参数,该方法在实际应用中表现良好。相比于数据库给出的指导参数,优化后,甲烷主动源的P1接收点BAz计算误差从71.3°减小到了12.5°,P2接收点BAz计算误差从84°减小到了34°。天然地震的DCZ测点计算误差从29.6°降为5.1°,HST测点BAz计算误差从32.7°降为3.3°。除了计算精度大幅提高以外,计算结果的平稳性也得到了较大改善。

综上所述,经过实验验证,光纤旋转地震仪展现出卓越的实用性和有效性,拓宽了地震监测领域的技术边界,为地震学的研究注入了新的活力,为未来地震研究和预警系统的发展开辟了崭新的可能性。而优化后的单台六分量的数据应用也证实了额外的旋转分量观测可以带来更多的地震波场信息,引入旋转观测可以显著提升中国庞大的地震观测数据的有效利用率。单台观测的低成本也展现了便携式宽频带光纤旋转地震仪在地震学的良好应用前景。