微震監(jiān)測(cè)：彌補(bǔ)巖石聲發(fā)射到天然地震間的空白

溫燕林方國(guó)慶趙文舟于海英馬欽忠上海市地震局，上海 2000622）同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 2000923）中國(guó)科技大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

微震監(jiān)測(cè)：彌補(bǔ)巖石聲發(fā)射到天然地震間的空白

溫燕林1,2）方國(guó)慶1）趙文舟1,3）于海英1）馬欽忠1）
1）上海市地震局，上海 200062
2）同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092
3）中國(guó)科技大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

通常把巖體微小破裂會(huì)伴隨產(chǎn)生強(qiáng)度較弱的地震波稱為微地震（Microseismic)。大多數(shù)微地震事件震動(dòng)能量一般為102～1010J，頻率范圍介于50～1500 Hz之間，持續(xù)時(shí)間通常小于1 s，微震的地震矩震級(jí)MW介于0～4之間。

地震具有非線性多尺度特性。實(shí)驗(yàn)室?guī)r石壓裂試驗(yàn)產(chǎn)生的聲發(fā)射（AE）為微尺度現(xiàn)象（微米-毫米級(jí)），頻段達(dá)到超聲波頻率（MHz），能量換算成震級(jí)范圍為M－12～－6；微震為小尺度巖石破裂（米級(jí)），頻率幾百至上千赫茲(聲波頻段)，震級(jí)范圍M－4～0；天然構(gòu)造地震為中尺度到大尺度巖石破裂現(xiàn)象（千米級(jí)，幾千米到幾百千米），產(chǎn)生的地震波頻率低（10-3Hz～102Hz），震級(jí)范圍M 0～9。微震波是地下巖層微破裂產(chǎn)生的聲波，其頻段已屬于可聽聲頻段，可稱之為“微弱地聲”。微震與實(shí)驗(yàn)室?guī)r石破裂聲發(fā)射及天然地震波的頻率范圍、對(duì)應(yīng)的震級(jí)關(guān)系見圖1。實(shí)驗(yàn)室?guī)r石聲發(fā)射研究成果已用于礦震和油田壓裂裂縫監(jiān)測(cè)，但很多無(wú)法應(yīng)用到天然地震觀測(cè)結(jié)果。天然地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域需要打通實(shí)驗(yàn)室?guī)r石聲發(fā)射（AE）實(shí)驗(yàn)到構(gòu)造地震間的鴻溝，覆蓋巖石破裂發(fā)出全部聲波（高頻部分為可聽聲，低頻為地震波），填補(bǔ)100 Hz-1 KHz觀測(cè)的空隙，以彌補(bǔ)現(xiàn)有寬頻帶地震觀測(cè)范圍空白。

大量實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，高應(yīng)力作用下巖石出現(xiàn)“微小破裂萌生（微尺度、微能量）-裂縫擴(kuò)展、貫通（小尺度、小能量的破裂）-巖體局部失穩(wěn)（中尺度、中能量的沖擊）-巖體結(jié)構(gòu)破壞、大范圍失穩(wěn)（大尺度、大能量的礦震）”的發(fā)展過程。利用微震監(jiān)測(cè)能夠?qū)崟r(shí)觀察巖石破裂形成的裂縫延伸情況，對(duì)礦山和隧道巖爆進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)預(yù)警。煤巖瓦斯復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害具有微破裂前兆，災(zāi)變過程經(jīng)歷從微小破裂萌生-擴(kuò)展-集結(jié)和從無(wú)序到有序發(fā)展過程，聲發(fā)射/微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可以很好地監(jiān)測(cè)整個(gè)過程。

圖1 不同地震觀測(cè)系統(tǒng)的頻段（A. Baig,2010)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室?guī)r石破裂聲發(fā)射試驗(yàn)研究，聲發(fā)射事件的演化過程是：在主破裂發(fā)生前，聲發(fā)射源在未來(lái)主破裂區(qū)周圍分布，形成一個(gè)空區(qū)，當(dāng)空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)聲發(fā)射事件并達(dá)到一定數(shù)量后（成核），才發(fā)生主破裂（失穩(wěn)）。主破裂形成于臨震階段成核期以后，在成核期以前的中短階段處于微破裂平靜的硬化空區(qū)狀態(tài)。一些地震學(xué)家據(jù)此提出了強(qiáng)震震源硬化模型，將震源破裂分成成核階段和失穩(wěn)階段，而聲發(fā)射（微破裂）就反映了巖石（震源）的亞失穩(wěn)狀態(tài)。因此有必要開展天然地震震源微破裂時(shí)的微震波監(jiān)測(cè)，才有可能觀測(cè)到震源成核到亞失穩(wěn)狀態(tài)。但是在天然震源領(lǐng)域，目前的地震臺(tái)網(wǎng)卻難以觀測(cè)到其亞失穩(wěn)狀態(tài)，因現(xiàn)有國(guó)家和省市區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)對(duì)0級(jí)以下微震監(jiān)測(cè)定位基本無(wú)能為力。由于微震能量非常弱，頻率很高，衰減快，很大部分超出寬頻帶地震儀的監(jiān)測(cè)范圍，且傳統(tǒng)的基于P、S波震相到時(shí)拾取再定位的方法很多時(shí)候難以識(shí)別出震相，需要發(fā)展新的觀測(cè)系統(tǒng)（超高靈敏三分量檢波器陣列）和非常規(guī)數(shù)據(jù)處理方法（如能量反演定位法等）。可以借用當(dāng)前已在礦山和油氣工業(yè)發(fā)展起來(lái)的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和定位技術(shù)，選擇重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)開展深鉆高密度微震儀監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)0級(jí)以下天然微地震有效監(jiān)測(cè)和分析。類似油田水力壓裂過程中通過微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)時(shí)觀測(cè)人造裂縫的發(fā)展與延伸情況，天然微震監(jiān)測(cè)也可以監(jiān)視斷裂帶巖層微小破裂長(zhǎng)期發(fā)展演化過程，對(duì)地層破裂發(fā)展程度連續(xù)成像，探索大破裂（大地震）發(fā)生機(jī)理，進(jìn)而推動(dòng)“（有感）小震（中尺度）預(yù)報(bào)大震”向“（無(wú)感）微震（小尺度）預(yù)報(bào)大震”邁進(jìn)，以提高地震預(yù)測(cè)水平。