微震

微震，是指由岩石破裂或流體擾動產生微小的震動。廣義上的微震可以分為兩大類：工程生產上的微震（microseism）和自然產生的微地震（microearthquake）。前者震級一般在－2—2之間。這類微震是由人為生產施工導致岩石破裂產生的。如油田壓裂微震監測技術，礦山安全生產微震監測預警系統、水電站大壩微震監測系統等等。後者是由天然應力場的變化引起岩石破裂或者岩漿、雨水等流體擾動引起孔壓變化產生的。

基本介紹

• 中文名：微震
• 外文名：microseismic
• 產生原因：岩石破裂或流體擾動產生
• 分類：工程和自然微震
• 一級學科：地球科學
• 二級學科：地震學

簡介

微震，是指由岩石破裂或流體擾動產生微小的震動。廣義上的微震可以分為兩大類：工程生產上的微震（microseism）和自然產生的微地震（microearthquake）。前者震級一般在－2—2之間。這類微震是由人為生產施工導致岩石破裂產生的。如油田壓裂微震監測技術，礦山安全生產微震監測預警系統、水電站大壩微震監測系統等等。後者是由天然應力場的變化引起岩石破裂或者岩漿、雨水等流體擾動引起孔壓變化產生的。如利用大地震後微震研究大地震產生機理，利用微震數據研究斷裂走向和長度，利用微震數據反演火山區速度和品質因子Q等等。

微震的波形特徵及其頻譜特徵

微震波形最明顯的特徵一個是持續時間較短，一般只有零點幾秒左右。另外振幅通常較小也是分辨微震信號的重要標準。微震波在物理本質上和地震波沒有差別可以理解為能量較小的地震波。在不同的套用領域微震大小尺度的劃分也是不同的。比如在油田壓裂產生的微震較小通常在－2—2級；在研究地震餘震時，大地震後的引起斷裂錯動導致地下應力狀態不均，在其之後的幾個月里應力逐漸釋放會出現大量的餘震，這些餘震能量較大通常能達到4、5級左右但相對於大地震來說都可以劃作微震來研究；在研究火山活動時，由於岩漿擾動和熱力作用會誘發地震，這些地震相對於構造地震一般較小，在監測火山活動性時候常常要研究分析這些火山地震，也被劃作微震監測研究的範疇。

微震的頻譜特徵表現為不同的微震頻帶差異較大。能量小的（如油田壓裂）頻率相對較高，主頻可達到幾百赫茲。能量大的（如煤礦的衝擊壓）頻率較低，頻帶範圍通常在幾赫茲到十幾赫茲之間。

微震技術研究

震源定位技術

確定震源的空間位置是微震監測技術研究中的最重要的手段。微震的定位方法與地震的定位方法幾乎相同，震源定位早期是通過幾何作圖完成的，包括和達法、高橋法、石川法等等，定位方法簡單但精度低。直到1912年德國Geiger提出的基於理想地球在時間域內定位方法，其原理是將非線性問題線性化並給出最小二乘解。林峰等將該方法套用到微震定位的研究中去。到20世紀70年代Lee和Lahr在Geiger理論開發了HYPO71－86系列定位程式，開創了計算機定位的先河。由於定位的方程是非線性方程，Geiger方法是將非線性方程線性化，其結果必然是使解非線性問題中本來存在的非唯一性問題更加嚴重，進而更容易使反演陷入局部極小值。因此人們又發展了非線性方法。非線性定位方法不需要求偏導數，對初始位置的依賴性不強，這樣可以避免解陷入局部極小點，但是這種方法效率相對較低並且運算量比較大。比較常用的方法有牛頓法、Powell方法、Broyden法、模擬退火法、遺傳算法等等。在實際的地震定位中，我們通常是不知道真實的地層速度結構的。常規定位方法的定位結果受地層速度結構的影響較大。因此減小或消除地層速度結構的影響成為我們最關心的問題。為了減小這種影響，Waldhauser　and　Ellsworth提出了雙差分定位法。該算法的思想是計算同一台站接收的兩個相鄰地震走時差的差來消除速度結構的影響，從而使定位結果比常規定位方法提高一個數量級。目前雙差定位方法在國內外都得到了廣泛的套用。微震定位是微震研究的最簡單也是最基礎的一步，常常要結合微震成像等研究方法共同解釋地質構造現象。

微震層析成像

除了微震定位技術，利用微震數據中P波、S波到時和振幅等信息進行反演目標區速度模型和衰減結構在研究火山地震等方面也有著重要的套用。和普通的地震信號一樣，微震信號里的許多信息（到時、振幅、相位等）都可以在一定程度上反應其穿過目標區岩石物性和大地構造情況。根據反演參數的不同，層析成像可主要分為：反演速度模型的走時層析成像和反演Q值模型的衰減層析成像。

地震走時層析成像法起初由Aki　and　Lee提出並成功套用到區域地震中，其研究思路是給定初始模型並離散化，再設定初始模型的時候把研究區域劃分為若干個小塊體，並假設每個塊體的速度相同。通過初始速度模型計算走時並將其與實際觀測的走時比較，根據比較結果修改模型，再計算走時，然後再比較。如此反覆比較修改直至疊代達到滿意的精度，最終得到的速度模型就是反演結果。

微震在研究大地構造中的套用

微震在火山構造研究中的套用

微震在火山監測中的套用。火山和地震有著密切的聯繫。火山能夠產生大量的地震信號，這些信號和構造斷裂產生的地震信號不同。幾乎在每一次有記錄的火山噴發之前，火山下面或附近的構造活動性會增強，並伴有不同程度地震。因此地震學已成為火山噴發預報和監測的最有力手段之一。在研究火山地震信號中低頻信號成為重點，大多數低頻事件是由流體增壓過程引起的，如氣泡的形成和破裂。這種事件經常出現P波，而缺乏S波，主要頻段為1～5Hz，其中2～3Hz最為常見。吳建平等利用2002－2003安放在長白山火山附近的寬頻地震儀接收的微震P波低頻信號，定位微震群的位置並分析微震活動過程，通過定位震源深度，台站記錄的初動變化和震群的分布規律得出結論：震群活動可能與岩漿熱液活動和岩漿的增壓有關。除了研究火山構造地震和流體增壓產生的低頻地震之外，火山內部流體擾動氣體膨脹或收縮也會在火山通道附近產生微小地震。火山構造研究一個重要的手段就是通過微震信號到時信息和振幅信息來反演火山附近區域的速度和衰減結構。此外地球物理參數結合岩石物性模型、孔隙度和流體飽和度對火山內部結構進行研究和解釋。

微震在震源機理及地震預報研究中的套用

一般情況下大地震產生是地下應力變化、積累和釋放過程，這些應力變化往往要伴隨著微震。現今的高精度微震觀測網已經可以了解地下微震的活動情況（震源位置，發震機理）進而預報研究地震。而且，地震活動原本是長時間尺度的應力變化的結果。因此長時間積累的微震觀測數據反應了長時間地下應力變化情況，對今後大地震的預報具有積極的意義。微震監測也常常用在大地震發生後誘發地震的研究以及研究大地震產生的機制方面。通過餘震簇分布的研究可以確定大地震後產生的斷裂的位置長度以及延伸方向，為該地區未來大地震的預報提供了重要的信息。

微震在大地構造研究上套用

微震監測是研究斷層活動性以及研究它內部速度結構的重要工具，由於微震的活動性常常與地質構造相關聯，因此對研究區微震發生的數量隨時間和位置的變化的統計可在一定程度上反應地下構造的活動情況。國外學者通過微震反演等手段對一些大斷裂進行了大量的研究並通過實驗建立起微震和地震構造的關係。斷層的構造活動也提供大量微震信息，利用這些地震信息反演出斷層的P波和S波的速度結構結合實際地質資料對斷層的走滑區位置和產生原因等並行分析和解釋。在大洋中脊存在著大量的轉換斷層，由於海底擴張作用這些斷層會頻繁活動，通過海底檢波器接收到大量微震可用來反演洋殼結構特徵。