0 引言

我们已详细地报告了微破裂向量扫描技术(Vector Scanning-VS)的原理(沈琛等，2009；王磊等，2012；梁北援等，2016).文中强调：避免、去除、和压制较强干扰信号以获得小振幅的随机记录，是微震监测中应用VS的必要条件.事实上, 它也是判断和监察VS应用于一个微震监测是否可行、置信度的高低、或能否成功的先决条件.

要保证微震监测的可行和可靠，仅仅明确原理或算法是远远不够的，还必须工程化地解决在数据采集、数据处理、和解释各个环节中的一系列问题，任一环节上的失误或缺乏技术监管均可能造成应用失败.本文讨论VS的数据采集.

根据VS的原理及其应用的必要条件，研发数据采集软硬件的目标或要求，简单地说，就是：限定在几到十几平方千米的覆盖地下监测目标点(域)的地表，布设地震台网，尽可能地获得最大有效信噪比(Ratio of Signal over Noise-S/N).需要强调，这里追求的是最大比值，不是一个因子的最大或最小.

研发专用微震监测仪器、探索和确认监测台网的布设原则是数据采集的两个重要方面.对前者，需按照微震特性、原理、监测环境、和对监测的常规要求，确定微震仪器的主要特性，并研制它们(第1章).

布设微震监测台网首先必须避免强背景噪声的干扰.在地表实施微震监测，通常S/N < 1 (梁北援等，2015)；此时，若等距等角或根据人工感觉安静去布设台点，不论如何处理数据，通常总有甚至是较强的噪声干扰，复杂的处理也有可能损伤较小的有用信号.这是当前微震监测的最大问题(Shuck，2014；梁北援等，2015).不解决采集的数据质量，谈不上计算、处理、和解释，以及随后的统计与分析微震活动同生产过程的关联等.即使避开了强噪声干扰，其他相对较弱的干扰也应适当躲避，并在数据处理时去除压制.压制最后残余干扰的任务交由VS原理的计算过程承担.第2章叙述了应用VS时微震监测台网布设的研发过程和基本原则，并给与详细的讨论；这是本文的重点.最后，第3章结论性的综合了VS的数据采集要点.

这里主要讨论地面微震监测，特别是有关VS的监测仪器和地震台网布设特性.至于一般的对地震仪器和地震台网的要求，请参见有关文献(例如，熊仲华，2006；Havskov and Alguacil, 2016).

1 专用微地震监测仪器

微地震的破裂至少有两个重要特性.首先，破裂微小(震级M < 0)；其次，绝大多数是类似于构造地震的剪切破裂或具有剪切破裂成分(梁兵和朱广生，2004；Shapiro，2008；Maxwell，2014；梁北援等，2015).由于研发微震监测方法最终要在工程中实施技术服务，故除了考虑微震特性，还必须适应监测环境，并照顾到施工速度和性价比等因素.为此，不能简单地照搬常用的油气勘探和监测天然地震的仪器.

这两种仪器频率响应范围的设计各有其针对性.前者是针对人工爆炸，一般M=[0，2], 且至多几km以内，故低频端(自然频率)在10 Hz；后者是天然地震(包括小震)，一般M>0, 且多在几km以外，故低频端可接近0 Hz；而地表微震监测的主频范围通常使用[5, 45]Hz (王磊等，2012；梁北援等，2016).又如，常用油气勘探检波器是单垂直分量的，它不可能有效地记录横波(S波)，即不能完整地记录3D地面运动.

从VS原理及其应用条件的角度，我们对监测仪器的研发主要要求有以下三点：

1) 三分量，即，应当完整地记录空间振动向量；

2) 常用的高阻尼速度检波器的频率响应范围的两端应当达到[7，45]Hz, 或更宽；

3) 检波器同大地应当高度耦合而成为一个整体.

否则，无法在地表记录到有效的较大振幅和较低频率的S波.

一味地提高检波器灵敏度会同时类似地放大S/N的上下两个因子，意义不大.将检波器置于地面较深处，如几米以上，确实可以更多地避免来自空气中和无约束的自由表面引起的干扰，但浅埋检波器(如顶部在几十cm以下)，即可消除大部分来自空中的干扰；深埋检波器，或者是不明确压裂车等的干扰振动主要是从岩(土)层传过来的，徒费资源，或者根据VS的叠加原理，与其如此费时费力，不如多设几个台点.对此，我们仅仅是尽力降低检波器的自然频率、适当提高了灵敏度、扩大了检波器与周围介质接触的面积(图 1右上子图的螺纹状外形，这也就提高了它们同大地的耦合程度).后一措施是受到Chambers等(2008)的实验启发：他们发现一个2~3万支单分量检波器的台阵监测地下固定点的600 g和1500 g炸药的两种爆炸，居然对前者影像得很好，而对后者有时却失败了；他们分析，爆炸时弹药是否紧贴井壁可能是一个主要的原因.自然地，我们想到波动射线的另一端，即检波器与周围介质的耦合程度可能也对监测质量影响极大.

考虑到VS原理、监测环境、与对微震监测的一般要求，我们的专用微震监测仪器应当且已经满足下述所有条件(图 1)：

1) 三分量；

2) 布设不受地形地貌和等距限制，各台独立地直接由GPS授时定位；

3) 使用螺旋状外形的检波器，同大地高度耦合；

4) 在几平方千米的面积内使用背景噪声探测仪定出安静点后(见第2章)，能在地表于数小时内快速稀疏布设数十台微震仪；

5) 记录仪和检波器参数，包括小样点间隔和宽频，适合微震监测；

6) 通过电信网，能够迅速大批量地将数据传输到处理解释中心和监察端口；

7) 使用自主研发的嵌入和外控软件对仪器和数据实施远程操控，指挥协调：时间同步、连续记录、两个以上的软件操作系统，使地震台网通过电信网和互联网，与各有关计算机之间能够可靠地双向通信；等等.

2 微震监测台网布设原则

在VS应用中布设地表微震监测台网的问题是：将每一台点放置在何处，以及如何确定至少20余台或更多的监测仪器的总体几何分布，才能够获得最大的S/N？需要反复强调的是，当监测仪器满足要求后，主要问题仍然是获得最大的S/N，而不仅仅是改善其中一个因子.

2.1 微震监测环境

作为努力方向，实施VS的理想微震监测台网应当是：

1) 监测区域地表非常安静，台网将监测目标地表投影点包围覆盖，包括放置仪器在此点上；

2) 为使干扰噪声得到显著压制或在扫描计算中不占统治地位，台点越多越好；

3) 为使3D误差的各向尺度最小，应均匀分布，尽可能接近目标，且不在一个点(或小区域)、直线、和圆上(例如，熊仲华，2006；Havskov and Alguacil, 2016).

很遗憾，这些所谓的理想观测条件，或者基本上不存在，或者地理地貌不允许；从工程角度看，它们同对任何监测方法的常规要求，如性价比高、不停产、快速施工、和实时监测，也相悖.

由于微震监测，就应距目标越近越好，如限制在目标地表投影点周围几平方千米的区域内.而这类区域，特别是油气开发与矿区等，多是地面机器、电力设备林立；较之地面，往往区内地下油气、水、电、通信等管线和巷道更为密集；况且不少监测区域处于人烟稠密、道路密布的地方.更糟糕的是，微震监测多为压裂裂缝监测，而井口的压裂车(群)的振动干扰极大(图 2).

因而，确立布设微震监测台网的原则主要且首先是躲开像压裂车、钻井、繁忙公路之类的强干扰振源(第2.2节)，其次是上述其他干扰源(第2.3节).对于后者，最常见的是车辆行驶引起的具有多普勒效应的宽频记录、抽油机等地面机器引起的类似小震、以及具有多阶频率类似驻波(俗称“葫芦状”)的干扰.如此，给我们留下的选择地域通常很小.不考虑躲避、压制、并去除它们，即使能够记录到有用信号，由于S/N中的因子N太大，将导致S/N非常小.所幸，我们已能够在数据处理中去除和压制抽油机和葫芦状的干扰(详见另文)，使选择范围有所扩大.

事实上，在任何观测中躲避干扰源是常识，在很多微震监测中却成为最大问题.例如：天文观测中将哈勃望远镜设置在稠密大气之外(吴鑫基与温学诗, 2005)，雷达的发射和接收点建在荒山野岭顶部直至预警机上(王雪松等，2014)；舰艇的声呐阵布放在艏和侧部(艉部噪声大)直至拖拽于后面一定距离外(Waite，2002；张玉龙与严晓峰, 2014；朱中锐，2015)，等等，对同一目标使用同一方法处理，均比不特意躲避，在S/N和观测范围上有直至数量级的提高.

2.2 确立布设原则的实验和讨论

为了躲避强干扰源，寻找获得有效S/N的微震监测台网布设几何，我们进行了一系列的实验和相应的分析(图 3~图 7).

图 3为两次直井压裂监测在距压裂车群千米以内接收记录的平均振幅.两次均是大致等角等距均匀布设台点.除台点附近的环境影响外，平均振幅随距压裂车的水平距离的增长成倍下降.经分析自地下压裂点至台点的射线长度(图 4)，发现随着水平距离增大，压裂车的干扰振幅急剧下降，但相应的射线长度(这个值越大，能量衰减越多)却变化不大.例如，设400 m处的射线长度为1，则千米处的值仅为1.07.这表明，我们可以将台点后退，大幅度降低压裂车的干扰(S/N中的N)，但同时有用信号(S)变化不大，从而提高S/N.

上述射线长度随水平距离变化不大的现象，是由振动波传播特性决定的.因为这种传播总是要遵循费马原理(例如，Aki and Richards, 1980; Bullen and Bolt, 1985)，在最短时间内，最大限度地使用较下层的高密度介质，从振源到达台点，形成类似于图 7所示的地震波传播射线路径.从几何上概略地看，射线路径处于压裂车所在的井口、台点、震源组成的三角形的斜边上，当台点与井口的边长成倍增加时，此三角形的斜边不会相应地成比例增长.顺便指出，介质密度越大，能量衰减越少；地表压裂车等强干扰源的振动基本上在深度不大的表层传播，而所监测的微震在地下相当深度处(图 7).

实验2中(图 3)，在约1 km处振幅已较小，应当继续检查压裂车的振动在1 km外是否还有影响.图 5为某直井压裂期间与压裂前后的平均振幅的比较.经实验1和2，已知等距布点受点环境噪声干扰较大，这里台点是以人工感觉“安静”实施布设的.这个实验表明，在约1 km外，若没有临时的干扰，不同时期的振幅几乎没有变化，与压裂车振动无关，仅受台点附近环境影响.换句话说，与图 3的近距离台点记录不同，压裂车的振动在1 km外已低于台点环境噪声.图 5亦表明，这个人工的“安静”感觉是不可靠的，因为蓝色方框内的点记录背景噪声振幅太大而不可用.

图 6是进一步的较大规模实验，以检查图 5以前的所有初步结论.综合图 3至图 6，我们得到获得最大S/N，而不是仅仅其中一个最好因子的总结性要点(见图 7)，或应用VS实施微震监测的台网布设原则：

1) 台点距强干扰源的近边界约在1 km.压裂车(群)及类似干扰源(如繁忙公路)在此距离外的影响已低于台点当地附近的环境噪声.因多次实验中的压裂车的数量和车型有所不同，但似乎此边界没有大的变化，原因可能是大量的气缸不同步运行.对于钻井，可能还要远一点，如，视情况选1.2~1.5 km.

2) 排除监测区域内所有强干扰源影响范围后，以安静点数值定义(见下节)寻找台点.依据人工的“安静”感觉布设台点是不可靠的，更不要说等距等角或所谓均匀排列台点了.使用后种方式，除特殊情况外，我们通常运气不好，几乎全部不满足数值安静点定义，或者地理地貌也不允许这样做.而前种方式亦可能造成约70%以上的记录作废(图 6).

3) 台点的远边界，应服从安静点定义和越接近监测目标越好的原则；如距目标地表投影点约2 km以内(图 1中左子图、图 6).同时避免台点在一个点(或小区域)、直线、和圆上.

故台网几何可能是(有缺口的)圆环或椭圆环，几个孤立的小区域(图 1中左子图).有时台网甚至被迫限制在监测区一隅，对可行性或监测质量来说，也比等距等角或凭人工感受布台在数据处理和解释时再去除它们要可靠得多.

2.3 安静点的数值定义

一个台点是否“安静”，必须定量地确定，而不是以人的感觉为准.所谓安静，是指任何台点记录的平均振幅较小，除有用信号外，任何与监测目标无关的有规律的振动干扰在扫描输出影像中不占主导地位.

为定量地确定台站记录质量，我们定义一个台站记录的平均振幅A：对一个b位(例如，b=24或16等)记录仪，当放大倍数为340、检波器的灵敏度为40V/[m/s]，A是此台站3个分量的平均振幅(A)相对于记录半量程(2^b-1，我们的b=24)的百分比，即

(1)

根据(1)式和我们的观测、计算解释经验，表 1具体规定了安静台点的判断值.这些数值可由专门研发的快速背景探测仪及嵌入软件测定，或用普通仪器经数据处理判定.不同仪器可照此方式推算相应的标准.测定时所得合格点一般在监测时大部分是可用的，对于临时无法控制的噪声源，即使监测已经开始，也应使用事先准备好的备用点及时调整.

需要说明的有以下几点：

1) 此处的“监测数据质量”，仅对数据采集而言，最后监测的可信度还同目标深浅、岩性、破裂过程、处理解释质量、工作经验、甚至处理解释软件的编制能力等有关.但这个质量，是监测成功与否的先决条件；

2) 快速背景探测仪中的软件能够自行判断地表机器等引起的若干具有相对固定或多阶频率的干扰，如抽油机等，并比较去除压制这些常见干扰(详细过程另文叙述)前后的振幅.即便如此，台点也应尽力避开这些干扰源，以免处理中强力去除损伤有用数据；

3) 一般来说，公式(1)或表 1中的A值越小，说明接收条件越好.但如果发现在数据处理中，最后投入计算的台数少于最小台站数N_min(梁北援等，2016)，则监测在此环境中不可行.

2.4 其他要求

使用VS应用于微震监测的地表地震台网原则，除上述外，还要说明几点.首先，这些原则是一个整体，切不可分割理解.例如，仅用最好的几个安静点，舍去了其他合格点，忽略了台数越多背景噪声压制得越好的原则，例如，梁北援等(2016)中的图 6与图 7显示了扫描叠加中每个台对背景噪声的压制均有所贡献；有时要在满足最小扫描台站数的基础上，取一个平衡，或经实验决定.

其次，也应仔细选择台点的具体位置.如，VS一般使用的是直达剪切(S)波，那么检波器就应埋置在固体中，凡抗剪性较差的近于流体的地点不能用；又如，应尽量避免周围存在近反射界面较多的地点，如靠近沟坎、陡崖处(应置于沟底).顺便提到，通常晚上背景噪声较小；白天环境极差时，利用远处噪声的高低起伏的间歇(如由过往车辆等引起)，亦可获得部分时段的好记录.

最后，台点间距应当是多少？这涉及到一个安静区域能够安放的台点数量.若将两个或更多的台放在一个点上，或间距很小，因记录(几乎)一致，即记录相关性较高，叠加时必然同时放大S/N中上下两个因子.就几何形状来说，这是比直线和圆更糟糕的布设，将导致误差域很大.

若地震台在数值化定义合格的安静点上，且已经去噪处理或筛选，那么这里的背景噪声记录总是随机的.那么，对地下一个扫描点，在时间上错动叠加，在没有微震活动时，总是随机噪声的叠加；而在有微震活动时，由淹没在背景噪声中的微震波形控制，随机噪声的叠加不占主导地位(梁北援等，2016).另一方面，一般民用的GPS静态单点定位误差最大可达到20 m (张勤和李家权，2005；胡小平，2015)；因而，两个台点应至少有40 m的间距.当然，有可能的话，还是要照顾分布均匀并覆盖目标区的原则，扩大此间距.

3 结论 3.1

应用微破裂向量扫描技术(VS)的必要条件是避免、去除、和压制干扰信号以获得较小振幅的随机记录；也是判断和监察它在一个微震监测中是否可行和置信度高低的先决条件.因而，VS工程化中的核心任务是保证和提高记录数据中的有效信噪比，而最关键和基础性的环节是野外数据采集.我们认为，若数据采集质量合格，一个监测任务就完成了90%.退一步讲，即使处理解释软件不完善，还有机会再改进，还可以补救.微震监测应先考虑数据质量，再照顾其他如实时处理解释等.

3.2

微震监测仪器特别应当考虑地表接收具有剪切成分的微小地震信号，并可独立布设和无线高速传输数据，以适应地表恶劣监测环境.记录仪和检波器参数或性能，均围绕这些要求设计和研制.例如，检波器应具有较高的灵敏度、能够完整记录3D地面运动、较低的自然频率、与大地高度耦合为一个整体的特性.

3.3

在地表实施VS的理想微震监测台网，作为努力方向，按照重要性的顺序，应当是：

1) 监测区域地表非常安静；

2) 台点尽可能接近目标；

3) 台点越多越好；

4) 台点均匀分布，包围覆盖监测目标地表投影点(域)，且不在极小区域、直线、和圆上.

3.4

为满足VS应用的必要条件，适合地面监测环境，并照顾到对监测方法的常规要求，应用VS实施微震监测的台网布设原则，除按理想微震监测台网的条件去努力外，具体是：

1) 台点距强干扰源的近边界约在1 km；

2) 排除监测区域内所有强干扰源影响范围后，以满足安静点数值定义布设台点；

3) 台点距强干扰源的的远边界，应服从安静点定义和越接近目标越好的原则，如距目标地表投影点约2 km以内.

故台网几何是(有缺口的)圆环或椭圆环，几个孤立的小区域，甚至被迫限制在监测区一隅.

3.5

由第2.2节的实验已能看出，按照上述原则实施数据采集，而不是等距等角和凭人工的感觉定点，进入数据处理的台站数量将有大幅度的提高，如30%~70%.随之而来地，投入扫描计算的台站数量也会有相当的提高；这在布设有限的台站总数情况下，保证和提高微震监测质量，有决定性的意义.

致谢 作者感谢中石化和中石油及其所属油田在十余年内提供的科研实验机会与野外条件，以及他们的技术专家在我们整个研发过程中给与的各种有益建议、质疑、和讨论.作者感谢《地球物理学进展》的辛勤编辑工作和审稿者严格细致的审查.作者特别致谢微破裂向量扫描技术研发团队的科研人员，包括其中的地震学家、地质学家、工程师、和管理者，感谢他们十余年间坚持不懈的、严格的和艰苦的工作.