地球物理学进展  2014, Vol. 29 Issue (5): 2106-2112   PDF    
引用本文
曾然, 林君, 赵玉江. 地震检波器的发展现状及其在地震台阵观测中的应用[J]. 地球物理学进展, 2014, 29(5): 2106-2112, doi: 10.6038/pg20140517  
ZENG Ran, LIN Jun, ZHAO Yu-jiang. Development situation of geophones and its application in seismic array observation. Progress in Geophysics, 2014, 29(5): 2106-2112, doi: 10.6038/pg20140517   
地震检波器的发展现状及其在地震台阵观测中的应用
曾然1, 林君1,2, 赵玉江1    
1. 吉林大学仪器科学与电气工程学院, 长春 130021;
2. 吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室, 长春 130021
收稿日期: 2013-10-14 修回日期: 2013-12-18 .
基金项目：国家“深部探测技术与实验研究”专项(SinoProbe09-04)资助.
作者简介：曾然,女,1989年生,湖北天门人,硕士研究生,研究方向为低频地震检波器技术.(E-mail:zengranjlu@126.com)
通讯作者：林君,男,硕士,教授,主要从事地球信息探测仪器的研究.(E-mail:lin_jun@jlu.edu.cn)
摘要：地震检波器用于检测地震波信号,作为地震数据接收和采集的最前端设备,其性能的好坏直接影响地震资料的解释工作.随着地震观测技术的发展,探测能力的提高,大规模地震台阵观测将成为高分辨率深部结构成像的重要手段和发展方向.地震台阵采用高分辨率地震观测系统,在大范围、长时间内观测地下微弱地震信号,并利用独特的地震数据处理方法抑制地面噪声,提高信噪比,从而准确反演地球深部构造信息.本文首先描述了目前地震检波器的发展现状,主要介绍了宽频带地震检波器、电化学检波器、基于MEMS技术的新型数字检波器以及光纤传感器,并对地震台阵观测进行了简要概述,以典型地震台阵观测项目为例介绍了低频地震检波器在地震台阵观测中的应用及取得的主要成果,最后,指出了地震检波器的未来发展趋势.
关键词： 地震检波器     地震台阵观测     电化学检波器     新型数字检波器     光纤传感器    
Development situation of geophones and its application in seismic array observation
ZENG Ran1, LIN Jun1,2 , ZHAO Yu-jiang1    
1. College of Instrumentation and Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130021, China;
2. Key Laboratory of Geo-Exploration and Instrumentation of Education Ministry, Jilin University, Changchun 130021, China
Abstract: As the forefront of seismic data reception and acquisition equipment, the performance of geophones used for detecting seismic signals directly affects the seismic data interpretation work. With the development of seismic observation technologies and the enhancement of the exploration ability, the large-scale seismic array observation will become an important means and a trend of high resolution imaging of deep structure. The seismic array adopts high resolution seismic observation systems to observe underground weak seismic signals in a wide range and a long time, and we use unique seismic data processing methods to suppress the ground noise in order to improve the signal-to-noise ratio and achieve the accurate inversion information of the earth deep structure. This article first describes the present situation of low-frequency geophones, mainly introduces broadband geophones, electrochemical geophones, new type digital geophones based on MEMS technology and an optical fiber sensor, and then briefly reviews the seismic array observation. With typical seismic array observation projects as examples, this paper also introduces the application and main achievements of low frequency geophones in seismic array observation, and finally points out the future development trend of seismic geophones.
Key words: broadband geophones     seismic array observation     electrochemical geophone     new type digital geophone     optical fiber sensor    
0 引 言

地震检波器用于检测地震波信号，作为地震数据接收和采集的最前端设备，在地震勘探中有着重要的作用，其性能的好坏直接影响地震信号记录质量和地震资料解释工作.地震观测的现实需求是宽频带大动态范围的地震检波器.长周期面波、地球自由振荡、慢地震的研究需要获得良好的超长周期地震记录，超长周期地震检波器是获得高质量观测资料的关键设备(刘洋君，2009).

通过深部地震探测，了解地球内部构造，从而增强深部资源勘探和地质灾害预测的能力，是近年来地球物理探测的研究热点(刘刚等，2010).随着地震观测技术的发展与进步，探测能力的提高，大规模地震台阵观测将成为高分辨率深部结构成像的重要手段和发展方向.地震台阵观测是利用由宽频地震仪器组成的观测台站记录天然或人工地震运动，通过对记录的信号进行精确成像分析获得地壳和上地幔的结构.随着探测深度的增大，深层的高频信号在传播过程中衰减严重，到达地表的信号以低频为主(李庆忠，2008；曹双兰等，2012).因此，在地震台阵观测中，需要依靠更低自然频率的地震检波器来记录低频信号.

1 地震检波器的发展现状

过去几十年，在世界范围内建立了许多高质量的地震台阵和地震台网.高质量的地震台阵观测对地震检波器的带宽提出了越来越高的要求.经验表明：若要无失真地记录1 Hz的地震信号，要求检波器的自然频率小于0.3 Hz；若用10 Hz的检波器拾取0.5 Hz的信号，输出有用信号的能量只有原始信号的千分之几(王振东，2006).目前，常用的低频检波器的自然频率下限约为2 Hz，很难满足工程上更低频率信号的测量要求.因此，需要降低地震检波器的中心频率，同时提高地震检波器的带宽.目前应用于地震探测的动圈式检波器和力平衡反馈式地震检波器已经取得了长足的发展，本文主要介绍宽频带地震检波器和基于新技术、新材料的各类地震检波器的发展现状.

1.1 宽频带地震检波器及主要技术指标

伺服、零极点补偿以及力平衡反馈技术的引入使得检波器能在一个很宽的频带范围内感知地表的运动，因而产生了宽频带地震检波器.宽频带地震检波器大部分是三分量的，这些检波器被应用在被动源实验中，记录来自区域地震和远震的微弱信号以及背景噪声.其中比较典型的宽频带检波器有英国Gurap公司的CMG-3T、瑞士Streckeisen公司的STS-2以及加拿大Nanometrics公司的Trillium120和Trillium240.典型的宽频带低频地震检波器及主要技术指标如表 1(朱元清等，1998；雷军等，2004；蔡亚先等， 2004，2007；李庆忠，2008；刘刚等，2010；王飞等，2011)所示.

表 1 典型的宽频带低频地震检波器及主要技术指标 Table 1 Typical Broadb and Frequency Geophones and Their Main Technical Indexes

从表 1中可以看出，宽频带地震检波器大部分采用了力平衡反馈技术，力平衡反馈检波器主要有动圈速度与电容位移两种换能方式，检波器的低频截止频率与低频响应主要由电子反馈网络决定，通过改变反馈网络参数来改变检波器的响应频带.可以采用多路反馈技术，将检波器的低频截止频率拓展至0 Hz，例如中国地震局地震研究所研制的JCZ-1型检波器在0.0028~20 Hz内速度平坦输出、DC~0.0028 Hz内加速度平坦输出(王惠群等，1995；Forbriger，2009).

1.2 基于新材料的低频地震检波器

近年来，在新材料、新技术的推动下，出现了电化学地震检波器、基于MEMS(Micro Electronic Mechanical System)技术的数字检波器以及光纤传感器，美国PMD/eentec公司研制的宽频带电化学检波器能够检测0.008~50 Hz以内的振动信号，动态范围达到150 dB(陈瑛和宋俊磊，2013)；美国ION公司和法国Sercel公司相继研制出的VectorSeis和DSU型数字检波器，检测信号频带范围可达到DC~800 Hz.

1.2.1 电化学地震检波器

从上世纪90年代开始，美国PMD公司和俄罗斯MET公司相继推出了高动态范围、宽频带的电化学地震检波器.电化学检波器的核心是电化学换能器，主要由一对惰性金属电极(通常使用铂金网状电极)和可逆氧化还原反应的电解质溶液(碘酒)组成，其工作原理是在阴阳电极之间加载小幅值的直流电流，使得离子向阴极密集，形成离子浓度梯度，产生静态电流；地表运动时，电解液随着在管道内移动，产生与电解液运动速度成比例的附加电路，由附加电流可以得到地表运动的速度或者加速度大小.电化学地震检波器属(甚)宽频带地震检波器，功耗非常小，一般只有(30~50)mW以下；换能器用电解液代替弹簧，惯性体为液体，其输出与惯性体的位置无关，没有惯性体锁死和中心调节的要求(Barbour and Schmidt， 2001)；反馈电路中没有积分电路，因此在长周期带宽工作噪声水平非常低；电化学换能器在120~130 dB动态范围内是线性的，采用力平衡反馈，动态范围可以达到150~160 dB.电化学换能器还具有频带宽、在大倾角范围工作、工作温度范围宽及无需任何维护等优点，是地震计换能器的革新.近几年来，通过技术改进，这种电化学地震传感器克服了稳定性、动态范围等特性的不足，已经成功研制了实用的电化学地震仪，并实现了产品化.如美国PMD公司已经研制成功了电化学旋量地震仪、强震仪、宽频带地震仪以及海地地震仪.此外俄罗斯莫斯科物理工艺研究所也研制了类似的地震检波器，能够检测0.005~100 Hz范围内的振动频率.中国科学院电子学研究所研制的MECSS1-Ⅰ与MECSS3-Ⅰ型电化学检波器频率范围为1~70 Hz，灵敏度达到100 V/m/s.

1.2.2 基于MEMS技术的新型数字地震检波器

数字检波器与MEMS传感器集成并微型化在一起，构成了新型数字地震检波器.其特点是内部包含MEMS传感器和微型化的24位ADC电路，直接输出24位数字信号；动态范围可达到120 dB，比传统检波器的动态范围至少高出50~60 dB；幅频特性十分平坦，在1~800 Hz范围内，始终保持平直，而输出相位为零相位(王文良和田宏，2004；吴治涛，2011)；超低噪音特性、极高的向量保真度、不受外界电磁信号干扰的影响.目前世界上比较成熟的数字地震检波器是美国ION公司的VectorSeis型数字检波器和法国SERCEL公司的DSU型数字检波器.

1.2.3 光纤传感器

光纤传感技术以光纤为媒质、光为载体，感知和传输外界信号，具有动态范围大、工作频带宽、灵敏度高、绝缘性好、耐腐蚀、抗电磁干扰、便于组网及长距离传输等优点，适用于边远山区与边界安全监测以及石油勘探中高温高压强电磁强辐射的井下环境等一些传统传感器受限制的领域.

近20多年以来，各种类型的光纤传感器被用于地形变观测、地震波探测、水文地球化学观测和地磁观测的领域，已经取得了不少实验室成果及实际应用(刘育梁等，2009).目前已出现的光纤地震波探测技术主要采用的传感机理有：强度调制型、光纤光栅型、马赫-曾德尔干涉型、迈克尔逊干涉型、萨格纳克干涉型、法布里珀罗干涉型、光纤激光型以及分布型等.美国加州大学圣地亚哥分校M. Zumberge等(2010)研制出了基于Michelson干涉仪的光纤地震检波器，实现了高达4×10-13 m的位移测试精度，带宽为10-3~1 Hz，动态范围达到180 dB，并记录了2008年5月12日发生在四川的一次里氏7.9级地震.Weatherford公司(Knudsen et al., 2006)的井下VSP 系统ClarionTM采用双光纤光栅构成的F-P干涉仪为传感元件，能够实现高灵敏度大动态范围的信号解调，并采用特殊设计的机械结构实现了三维地震波采集，并能够适用于井下175 ℃的高温及108 Pa的高压环境，系统工作频段为10~400 Hz，最小可探测的加速度为(100~500)ng/√ Hz.

2 地震台阵观测概述

地震台阵是为监测微弱地震信号而发展起来的一种地震观测系统.目前，地震台阵已成为全球地震监测网的重要部分，是一种先进的地震观测技术.地震台阵的主要技术有聚束、速度谱分析、F-K分析等，通过不同的方法对地球内部结构的精密尺度进行研究，在火山、大陆地壳和岩石圈的内部、地幔中地震速度的全球性变化、核幔边界与内核的结构等多种地球内部结构的研究中具有重要作用(郝春月和边银菊，2007).应用地震台阵可监测较远处的微震事件，因而有利于对那些不宜在当地架设台站的地区进行地震监测，特别是海域地区的地震监测(寿海涛，2005).地震台阵是在与所观测地震波波长相当的孔径范围内有规则(直线、圆形或三角形等排列安装若干地震计(子台)的地震观测系统，它采用独特的地震数据处理方法，将各子台的数据会聚在一起，抑制地面噪声，提高信噪比，突出有用地震波信号和获取有关震源及地球内部结构的信息，从而获得比单个地震台更强的地震监测能力，特别是提取微弱地震信号的能力(于海英，1999).

自80年代初以来，各国科学家对宽频带数字地震观测技术以及相应的资料解释方法给予越来越大的关注.为了进一步对地震活动性地震过程以及综合利用天然地震和人工地震资料对岩石层精细结构进行定量化综合研究，美国全球数字地震台网计划和大陆岩石层地震台阵计划以及欧洲13个国家的地震学家联合制定的地震学观测与研究计划，这些计划的技术基础是正在迅速开发和部署的新一代宽频带大动态数字地震观测台网和大型宽频带、大动态流动数字地震台阵(刘启元等，1993).

1984年美国地震学研究联合会(IRIS)提出了全球数字地震台网(GSN)计划和大陆岩石圈地震台阵研究(PASSCAL)计划，大陆岩石圈地震台阵研究计划的主要目的是利用高分辨的轻便 流动地震台阵开展大陆岩石圈结构和动力学过程的综合研究，获取大陆岩石圈速度结构的高分辨率图像以及岩石圈与其下伏地慢的关系，以使人们对地震的孕育过程和成因的理解提高到一个新的水平(陈颙，1986；刘启元，1986).以美国PASSCAL台阵为代表的大陆岩石圈台阵技术的推广，为发展以天然地震台阵观测为主的高分辨率大陆岩石圈结构成像理论和方法提供了技术基础，宽频带流动地震台阵日益成为大陆动力学研究的重要手段之一.

表 2 低频地震检波器在地震台阵观测项目中的应用及相应成果 Table 2 Application and Corresponding Results of Low-frequency Geophones in Seismic Array Projects

随着宽频带流动地震台阵技术的发展及所取得的研究成果，使越来越多的地震学家开始关注大陆岩石圈地震台阵观测技术，并相继出现了世界性和区域性的宽频带地震学观测与研究计划.德国格拉芬堡地震台阵GRF是世界上第一个宽频带地震台阵.最近几年，德国大力发展台阵地震观测技术，把台网和台阵有机地进行结合，充分发挥台阵在监测远震和极远震方面的作用.美国最大的地学计划EarthScope计划布设数千台的地震仪组成“美国台阵USArray”采集数据，力图为深入北美大陆的演化过程做出新的根本性贡献(陈颙等，2005).我国计划用21年左右的时间，分为7期(南北地震带南段、南北地震带北段、华北台阵、东北地区、西北地区、青藏高原、华南地区)在全国范围内发展流动地震台阵探测计划，获得整个中国的地壳上地幔精细结构图像和介质物性的分布特征，提高对深部孕震环境和地震发生机理的认识水平，为社会防震减灾事业服务(宋丽莉等，2012).目前挪威(NORESS、NORSAR台阵)、芬兰(FINESA台阵)、西班牙、法国、日本以及韩国等国家也建立了永久性或试验性台阵.

3 低频地震检波器在地震台阵观测中的应用

低频地震检波器的发展促进了地震台阵观测研究的开展.现在，美国中心拥有的宽频带流动数字地震仪已经达到550台，并在全球40多个地区开展了各种类型的地震学研究.我国科学地震探测台阵计划中华北台阵、川西台阵、南北地震带北段、东北地区、青藏高原取得了重要进展.在以我国青藏高原深部结构探测和动力学研究为主要目标的INDEPTH计划，在20世纪90年代的10年中先后开展了4期研究，取得了许多重要成果，受到国际学术界的广泛关注.低频地震检波器在地震台阵观测项目中的应用及相应成果如表 2(刘启元，1986；赵文津等， 1993，2008；周公威等，1997；刘瑞丰等， 2000，2008；魏素花，2000；Hanies et al., 2003；黄志斌，2003；美国“地球透镜计划”项目组，2004；Meissner et al., 2004；赵建和和张学应，2004；李顺成等，2005；陈颙等，2005；李永华等，2006；郝春月和边银菊，2007；刘启元等，2008；滕吉文，2008；郭飚等，2009；李秋生等，2010；吕庆田等，2011；薛光琦等，2011；宋丽莉等，2012；冯少孔等，2013；唐明帅等，2013；王炳瑜等，2013)所示.

4 地震检波器发展趋势

反馈技术的引入，使得地震检波器的通频带和响应类型主要由电子反馈电路来决定，在很小的机械框架的基础上实现宽频带长周期地震计，使得宽频带地震检波器的小型化成为现实.近年来，由于微机械技术(MEMS)与反馈技术的结合，地震检波器在微型化方面取得了长足的发展(谌贵辉等，2010).地层勘探技术的发展，导致对地质构造的描述向更深、更小、更薄的方向延伸.用于微弱信号检测的地震检波器的一个重要的特性是自然频率，为了测量更低频的地震信号，检波器的中心频率应该尽可能的低，频带应该更宽.由于震源物理和地震预报的发展要求，宽频带、高分辨率、大动态范围仍然是地震检波器的发展趋势；为了满足不同的观测需求，地震检波器产品出现多样化的特点；为了方便观测以及流动观测，地震检波器发展趋于小型化；为了追求观测数据的质量，对机械摆体上的要求又更加严格；地震检波器与数据采集技术和网络通信技术相结合，构成简单易用一体化的单台观测系统是地震仪器的新发展趋势(刘洋君，2009).

5 小 结

低频地震检波器在地震台阵观测中的应用及其取得的成果表明，低频地震检波器的发展，极大地推动了地震台阵观测研究的发展，在地震台阵观测中起到了重要作用.地震检波器朝着低中心频率、宽频带、大动态范围、高分辨率、低失真、高假频、高有效输出(低电阻高灵敏度)的方向发展.随着科学技术的迅速发展，应用新技术、新材料(如PVDF)(Brian et al., 2004)的各种检波器开始走上舞台，如微机械检波器、压电陶瓷式检波器、压阻检波器、光纤检波器、电化学检波器等，结合力平衡反馈技术、串联补偿技术以及数字滤波等降频技术的检波器也在迅速地发展中(陈金鹰等，2007；王喜珍和滕云田，2010).

致 谢 感谢吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室各位老师和同学对相关问题的讨论与建议.

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