微地震技术

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第1章 微地震技术的基础理论
　　地震学是微地震技术的重要基础理论。本章将用“正问题”的思路回顾和介绍微地震技术所涉及的地震学原理、方法等关键基础理论，包含宏观定义地震波的激发原理、地震波的传播理论等。这些理论知识是认知微地震技术必备的重要理论基础和背景知识，亦是后续微地震观测设计、处理算法构建和流程搭建的重要理论支撑，更是微地震震源参数与工程活动相结合的地质工程一体化解释思路和解决方案的理论支撑。
　　1.1 地震学的概述
　　地震学是一门系统理论极其深厚的学科，亦是比较复杂的学科，其理论和应用研究均融入了多个学科的基础知识，一些新的学科研究方向亦是地震学研究和应用领域的延伸。地震学理论涉及大量的物理、数学知识，而其技术实现和工程实施过程需要一定的地质学以及相关工程技术等专业的知识基础。地震学的诞生和发展始终得益于人类认识地球的迫切需求，随着科技发展和文明进步，其研究范围更加广阔、研究对象更加细化和广泛。现代地震学的研究更需要一定的电子信息、计算机和数字信号技术基础，如数字信号处理、人工智能等现代计算机和信息技术知识。
　　1.1.1 地震学发展历程
　　地震学源于人类抵御地震灾害的需要，早期的地震学主要从地质学的角度研究记载地震的宏观现象、地震的地理分布以及地震导致的自然灾害等。中国是世界上地震学发展最早的国家，张衡研究的世界上最早的地震仪就记录了当时的地震。中国古代关于地震的记载亦是很丰富的，但由于那时基础科学相对比较薄弱，加之人类对自然认识的不足，人们记录的更多的是地震带来的损害，如自然灾害日志、灾情等信息，往往没有对地震现象及背后隐藏的奥秘进行系统的研究、分析和总结，那时的地震学理论和研究方法尚未得到质的发展。
　　随着人类文明的进步和对自然认识的深入，以及近几十年来计算机信息技术的发展，地震学研究突飞猛进。第二次世界大战以后，地震学涉及的各个分支均进步显著，并在1906年旧金山地震成因研究中得到扩展和深化。近代电子信息等技术的发展亦带动了模拟和数字地震仪等观测设备的进步，观测设备的灵敏度和便捷性极大增强，大范围密集的区域性观测日益广泛。同时，通过对地震波的记录和分析，极大地促进了地震学从宏观地质现象描述向数学物理基础理论的建立，从感知地质现场震动向地球深部探测的发展，更促进了地震学从定性描述向定量分析的转变。这些理论基础和定量描述极大地扩展了地震学的研究范围和应用领域，产生了大量的分支学科。这些分支学科在孕震机理、板块构造、区域应力等理论研究，以及防震减灾、工程监测等工业应用中得到了广泛的融合，地震学的基础理论亦在应用中得到不断的深入和完善，精细化和定量化特征也更加显著。近年来，互联网信息技术呈现跨越式发展，地震技术更不断地颠覆传统的分析模式。密集分布式台阵观测、海底光缆地震数据采集、快速自动的计算机实时处理、地震预警、地震处理解释与人工智能等技术的融合，使得地震学的研究和应用范畴得到极大地拓展，几乎涉及国家基础设施建设和维护的各个方面。
　　1.1.2 地震学分类
　　广义的地震学包含地震震源和传播介质的研究，其研究范围极大。针对不同的研究和应用对象，地震学可分为构造地震学、勘探地震学、工程地震学以及声发射等。当然，随着未来技术的进步和人类探究自然的扩大和深入，地震学的分支可能更多，分类亦更细，如近几年快速发展的高铁地震学。
　　狭义的地震学是研究固体地球的震动和有关现象，是固体地球物理学的一个重要分支，其不仅研究天然地震，也研究某些人为的或自然因素所造成的地震，如地下核爆炸、岩浆冲击、地面塌陷等。随着科学技术的发展，地震学已经从传统的天然地震研究发展到人工地震，亦扩展至实验室条件下微小尺度地震研究。因此，根据不同的研究领域和应用对象，地震学的研究尺度和应用领域的范围较广。然而，尽管其震源尺度或震级的跨度存在极大的差异，以及极其广泛的应用领域，其力学基础理论仍存在极大的相似性。
　　地震学极其宽泛，根据不同分支及不同研究对象和研究目的，其名称亦有所差异。下面将从地震学的尺度和分支方面对地震学进行概要介绍。
　　1.1.2.1 地震学的尺度
　　地震学几乎涉及国家建设和人民生活的方方面面，因此，在不同领域，地震学研究和应用对象的名称亦存在明显差异，总体而言，广义的地震学可从震源尺度、震源激发方式、震源成因三个方面进行地震学分支的差异化区分。
　　1.震源尺度
　　地震学研究尺度范围极广。按照震源尺度，狭义的地震研究将地震分为板块地震和内陆地震（赵根模等，2010)。例如，学术界认为从1956年开始沿印度洋一亚洲板块和太平洋板块边界的地震迁移触发了2008年的汶川地震，因此将该地震归为板块地震。内陆地震则是发生在板块内部大陆的地震，通常而言，由于引起震源活动的应力和断层尺度相对板块地震而言较小，故通常内陆地震震级亦相对较小。
　　从广义的震源尺度，地震可理解为岩石圈、岩石或物质内部裂隙等活动而产生的一种地震信号，激发这种地震信号可以是板块间的拉升挤压、断层的相对运动、裂缝在局部应力下的错动或破裂、岩石内裂隙或孔隙的张开或闭合等，因此，根据激发地震震源尺度(从小到大），地震可分为声发射、微地震、有感地震、中等地震、大地震、特大地震等。通过图1-1可知，针对不同的地震对象，其震源类型亦差异极大，从微米级甚至纳米级的孔隙/裂隙到几百公里级的大断裂带，其激发的地震震级亦从-12～9的范围，而激发地震波的频率亦从MHz量级降为Hz级，其研究模式也从微观尺度的机理研究到宏观尺度的板块运动以及孕震机理的探索。
　　图1-1 跨尺度地震框架图
　　因此，地震学按照广义震源尺度，可大体分为如下六类。
　　(1)板块构造地震：可归为大尺度地震学研究，包括板块构造、板块构造地震，其震源活动往往涉及板块构造带、断裂带。
　　(2)内陆构造地震：可归为中等尺度地震学研究，涉及板块内断层活动的地震，其地震激发源往往为断层。
　　(3)火山地震：可归为中小尺度地震学研究，火山地震是由火山活动引起的地震，即火山在活动过程中，岩浆冲破围岩引起震动，可产生于火山喷发的前期或在火山喷发的过程中。因震源仅限于火山活动的地带，故全球火山地震数量较少，多属于无主震的地震群类型，且一般深度不超过10km的浅源地震，影响范围小。
　　(4)诱发地震：可归为小尺度地震学研究，涉及人类活动的诱发/触发地震等（Lei et al.，2013，2017)，该类地震激发源往往为中小尺度的断层，并与人类活动存在直接或间接的关系，如水库诱发地震、地热开发诱发地震、塌陷地震等。
　　(5)微地震：可归为微小尺度地震学研究，涉及油气、矿山、隧道、大坝等工程建设和运行中的小断层、裂缝在自然和人工应力扰动下诱发的地震。
　　(6)声发射：可归为微尺度地震学研究，往往涉及实验室条件下岩石样品的孔隙或裂隙，或岩石颗粒在外力作用下活动而激发的极高频的地震信号（Lietal.，2016，2017)。
　　值得注意的是，如图1-1所指的有感地震往往是一种比较笼统的定义，是一种体感的描述，具有极大的地域性差异。从相对关系而言，根据地震波传播理论，任何大地震，在距离足够远都可演变为无感地震，而一定尺度的小震，只要距离足够近，都能被感知为有感地震，因此，有感地震是一种相对概念。
　　2.震源激发方式
　　按震源的激发方式可以将地震分为主动地震和被动地震。主动地震是通过人工激发源的方式达到研究震源、传播介质、观测仪器的目的。这种划分方式的关键在于震源，即单个震源什么时间激发、什么位置激发、以何种方式激发、激发多大的震源尺度（简称震源四要素）是可以通过人工作用控制的。如油气工业中的二维/三维地震勘探涉及的人工激发源，包括炸药震源、雷管、电火花、空气枪、气爆震源、震源车（中石油东方物探）、重锤等激发方式产生的震源的四要素均可通过人工作用而总体控制，其中，部分主动地震震源激发装置示意图和激发的地震记录分别如图1-2和图1-3所示。
　　图1-2 不同类型主动地震震源激发装置示意图
　　图1-3 不同震源激发的地震波示意图（源自四川伟博震源科技有限公司）
　　主动地震主要用于油气、矿山、近地表地质结构等勘查，目前，主要通过在地表或近地表进行人工震源（爆破）而激发地震波，因震源激发能量和频宽要求的限制，且地震波传播往往为双程旅行，故其勘探深度大部分在10km以内，对于部分特殊的勘探目标，可通过增大药量等方式实现深度10km以上的地震勘探。
　　被动地震则是通过被动获取观测数据从而达到研究震源、传播介质、观测仪器的目的，即震源四要素是未知的，人类作用是难以控制的。例如，汶川地震在地震发生之前，人们不确定在什么时间会有这样一次地震，亦不确定具体会在什么位置发生断层的破裂而激发地震，更不确定具体的震级有多大等。又如近年深部注采而激发的微地震或更大尺度的诱发/触发地震，在人们的主观意识中，不希望通过注采等工程活动而导致影响当地人民生活和工业生产的地震事件发生。从微地震角度，尽管人们希望通过注采能够打通特定岩层内或岩层间的裂缝网络而激发微地震，但是微地震激发的震源四要素是无法具体掌控的。因此，对于微地震而言仍可以将其划分为被动地震。
　　3.震源成因
　　按照震源成因，地震又分为天然地震、诱发/触发地震。然而，天然地震与诱发地震难以有直接的定义。总体而言，天然地震与诱发地震往往发生于断层，但主要区别在于断层活动是否与人类活动规律有关。天然地震活动的力源往往来自地球内部，这里不做过多的论述。诱发地震的力源有可能来自人类直接或间接的活动（Leietal.，2017)，也有可能来自天然应力和人工应力的结合。如果在没有原始地层应力的条件下，人类活动似乎真的难以诱发有感地震以上尺度的地震，但由于地球内部应力场的作用，从断层面上地震的诱发机理而言，人类活动的应力干扰则是可能达到的，具体参考本章1.2节的详细介绍。
　　总之，尽管地震存在多种形式和尺度的源，但最终均作用于地球上的物质并以地震波的形式被感知。换句话说，通常人们所感受到的地震波都是由震源产生的，这个震源可以是天然地震，也可以是爆破地震（如核爆炸等），亦可以是人类活动下的断层活动引起的诱发/触发地震，如工程活动而引起的坍塌类地震等。
　　1.1.2.2 地震学的分支
　　地震因震源激发类型、激发方式、激发尺度等不同，从而建立其与地质、人类活动相关的不同分支。同样参考图1-1可知，从研究尺度上，地震学的研究范畴可从微米级裂隙/孔隙诱发声发射活动到上百公里级断层活动诱发大型天然地震。因此，地震学是研究地球板块内和板块间构造的主要工具。对于中小型地震，地震学能实现板块内局部区域的地质构造特征研究；对于更小的微地震，其可实现目标岩体内裂缝或小断层活动成像，以及小范围内的结构成像；在实验室条件下，则可实现微观尺度下裂隙/孔隙描述及岩石破裂机理分析。针对上述地震学在各个震源类型、研究尺度、应用领域等分类，地震学的研究和应用可分为如下重要分支。
　　1.天然地震
　　天然地震的研究深度可实现地壳、地幔的结构研究。因地震通常是断层两侧的块体相对移动产生的结果，而板块构成了地球的岩石圈，且板块运动亦可由地幔对流所引起，故板块运动的方向和速度对于研究板块的受力情况有重要意义。地震波从震源激发经地层传播至观测台站，其蕴含了大量的震源和传播介质的特征，因此，地震波是研究天然地震震源和传播介质的重要方法，亦是分辨率较高的一种方法。大部分地震断层活动激发的地震波均可被记录，并通过一定的数据处理和震源参数反演可获得断层和传播介质的空间特征。同时，地震记录和有针对性的反演方法，使我们了解地震前、地震中、地震后断层的物理过程，有助于评估地震带来的损失。通过对地震活动激发的地震波（直达波、反射波、转换波等）的研究，实现地球内部物理特征和运动过程的描述。
　　2.诱发/触