地震监测系统

GIS地震探测系统

一、 概述

地震又称地动、地振动，是地壳快速释放能量过程中造成振动，期间会产生地震波的一种自然现象。全球每年发生地震约五百五十万次。地震常常造成严重人员伤亡，能引起火灾、水灾、有毒气体泄漏、细菌及放射性物质扩散，还可能造成海啸、滑坡、崩塌、地裂缝等次生灾害。

地球的构造分为三层：即中心层地核、中间层地幔、外层地壳； 1.地壳:分为上地壳和下地壳。是岩石圈上部次极圈层。

2.地幔：分为上地幔和下地幔。岩石圈是它的一部分，软流层以上。地幔多以流体形式的岩浆等物质存在

3.地核：分为外核和内核。外核是液体的，所以又称外核液体圈。内核，是固体的，主要由铁、镍组成，又称内核固体圈。

地壳与地幔之间由莫霍面界开，地幔于地核之间由古登堡面界开。地震一般发生在地壳之中。地壳内部在不停地变化，由此而产生力的作用，使地壳岩层变形、断裂、错动，于是便发生地震。超级地震指的是指震波极其强烈的大地震。但其发生占总地震7%~21%,破坏程度是原子弹的数倍，所以超级地震影响十分广泛，也是十分具破坏力。

下图为全球板块构造运动图：

地震是地球内部介质局部发生急剧的破裂，产生的震波，从而在一定范围内引起地面振动的现象，地震就是地球表面的快速振动，在古代又称为地动，他就像海啸、龙卷风、冰冻灾害一样，是地球上经常发生的一种自然灾害，大地振动是地震最直观、最普遍的表现；在海底或滨海地区发生的强烈地震，能引起巨大的海浪，称为海啸。地震是极其频繁的，全球每年发生地震约550万次。

地震波发源的地方，称为震源。震源在地面上的垂直投影，地面上离震源最近的一点称为震中，它是接受振动最早的部位，震中到震源的深度叫做震源深度。通常将震源深度小于70公里的叫做浅源地震，深度在70~~300公里的叫做中源地震，深度大于300公里的叫做深源地震。对于同样大小的地震，由于震源深度不一样，对地面造成的破坏程度也不一样；震源越浅，破坏越大，但波及范围也越小，反之亦然。

破坏性地震一般是浅源地震。如1976年的唐山大地震的震源深

度为12公里。

破坏性地震的地面振动最烈处称为极震区，极震区往往也就是震中所在的地区。

某地与震中的距离叫做震中距。震中距小于100公里的地震称为地方震，在100—1000公里之间的地震称为近震，大于1000公里的地震称为远震，其中，震中距越长的地方收到的影响和破坏越小。

地震做引起的地面振动是一个复杂的运动，它是由纵波和横波共同作用的结果。在震中区，纵波使地面上下颠动。横波是地面水平晃动，由于纵波传播速度较快，衰减也快，横波传播速度较慢，衰减也较慢，因此里震中较远的地方，往往感觉不到上下跳动，但能感到水平晃动。

当某地发生一个较大的地震时，在一段时间内，往往会发生一系列的地震，其中最大的一个地震叫做主震，主震之前发生的地震叫做前震，主震之后发生的地震叫做余震。

地震具有一定的时空分布规律。

从时间上看，地震有活跃期和平静期交替出现的周期性现象。 从空间上看，地震的分布呈一定带状，称为地震带，主要集中在环太平洋和地中海至喜马拉雅山脉两大地震带。太平洋地震带几乎集中了全世界80%以上的浅源地震（0千米~~70千米），全部的中源地震（70~~300千米）和震源地震（大于300千米），所释放的地震能量约占全部能量的80%。

二、 系统简介

我们都知道，震源的测量是利用纵波（P波）和横波（S波）的时间差，这种方法需要地震台的数据来减小误差，这就是建立地震台网的原因。

GIS地震监测系统是一款便携式遥测地震数据采集系统，该系统利用先进的网络通讯技术和有源相控阵雷达技术实现地震数据实时采集及实时显示功能。该系统主要由GIS主控单元、采集站（RSU）、交叉站（CSU）、数据传输复合电缆以及遥测译码器和有源相控阵雷达组成。主要应用于地震台网监测、地矿、煤矿、石油勘探、水利勘探等领域的二维及三维高精度的地震探测工作。 三、 监测方法

包含反射法、折射法和地震测井。前两种方法在陆地和海洋中均可应用。

研究很浅或很深的界面、寻求特殊的高速底层时，折射法比反射法有效。但应用折射法必须满足下层波速大于上层波速的特定要求，故折射法的应用范围受到限制。应用发射法只要求岩层波阻抗有所变化，易于得到满足，因而地震勘探中广泛采用的是反射法。

反射法

利用反射波的波形记录的地震勘探方法，地震波在其传播过程中遇到介质性质不同的岩层界面时，一部分能量被反射，一部分能量透过界面而继续传播。

在垂直入射情形下有反射波的强度受反射系数影响，在噪声背景相当强的条件下，通常只有具有较大反射系数的反射界面才能被检测识别。地下每个波阻抗变化的界面，如地层面、不整合面、断层面等都可产生反射波。在地表面接收来自不同界面的反射波，可详细查明地下岩层的分层结构及其几何形态。

反射波的到达时间与反射面的深度有关，据此可查明地层埋藏深度及其起伏。随着检波点至震源距离（炮检距）的增大，同一界面的反射波走时按双曲线关系变化，据此可确定反射面以上介质的平均速度。反射波振幅与反射系数有关，据此可推算地下波阻抗的变化，进而对地层岩性作出预测。

反射法勘探采用的最大炮检距一般不超过最深目的层的深度。除记录到反射波信号之外，常可记录到沿地表传播的面波、浅层折射波以及各种杂乱振动波。这些与目的层无关的波对反射波信号形成干扰，称为噪声。使噪声衰减的主要方法是采用组合检波，即用多个检波器的组合代替单个检波器，有时还需用组合震源代替单个震源，此外还需在地震数据处理中采取进一步的措施。反射波在返回地面的过程中遇到界面再度反射，因而在地面可记录到经过多次反射的地震波。如地层中具有较大反射系数的界面,可能产生较强振幅的多次反射波,形成干扰。

反射法观测广泛采用多次覆盖技术。连续地相应改变震源与检波点在排列中所在位置，在水平界面情形下，可使地震波总在同一反射点被反射返回地面，反射点在炮检距中心点的正下方。

具有共同中心反射点的相应各记录道组成共中心点道集，它是地震数据处理时所采用的基本道集形式，称为CDP道集。多次覆盖技术具有很大的灵活性，除CDP道集之外,视数据处理或解释之需要,还可采用具有共同检波点的共检波点道集、具有共同炮点的共炮点道集、具有相同炮检距的共炮检距道集等不同的道集形式。采用多次覆盖技术的好处之一就是可以削弱这类多次波干扰，同时尚需采用特殊的地震数据处理方法使多次反射进一步削弱。

反射法可利用纵波反射和横波反射。岩石孔隙含有不同流体成分，岩层的纵波速度便不相同，从而使纵波反射系数发生变化。当所含流体为气体时，岩层的纵波速度显著减小，含气层顶面与底面的反射系数绝对值往往很大，形成局部的振幅异常，这是出现“亮点”的物理基础。横波速度与岩层孔隙所含流体无关，流体性质变化时，横波振幅并不发生相应变化。但当岩石本身性质出现横向变化时，则纵波与横波反射振幅均出现相应变化。因而，联合应用纵波与横波，可对振幅变化的原因作出可靠判断，进而作出可靠的地质解释。

地层的特征是否可被观察到，取决于与地震波波长相比它们的大小。地震波波速一般随深度增加而增大，高频成分随深度增加而迅速衰减，从而频率变低，因此波长一般随深度增加而增大。波长限制了地震分辨能力，深层特征必须比浅层特征大许多，才能产生类似的地震显示。如各反射界面彼此十分靠近，则相邻界

面的反射往往合成一个波组，反射信号不易分辨，需采用特殊数据处理方法来提高分辨率。

折射法

利用折射波（又称明特罗普波或首波）的地震勘探方法。地层的地震波速度如大于上面覆盖层的波速，则二者的界面可形成折射面。以临界角入射的波沿界面滑行，沿该折射面滑行的波离开界面又回到原介质或地面，这种波称为折射波。折射波的到达时间与折射面的深度有关，折射波的时距曲线（折射波到达时间与炮检距的关系曲线）接近于直线，其斜率决定于折射层的波速。

震源附近某个范围内接收不到折射波，称为盲区。折射波的炮检距往往是折射面深度的几倍，折射面深度很大时，炮检距可长达几十公里。

地震测井

直接测定地震波速度的方法。震源位于井口附近，检波器沉放于钻孔内，据此测量井深及时间差，计算出地层平均速度及某一深度区间的层速度。由地震测井获得的速度数据可用于反射法或折射法的数据处理与解释。在地震测井的条件下亦可记录反射波，这类工作方法称为垂直地震剖面(VSP)测量,这种工作方法不仅可准确测定速度数据，且可详查钻孔附近地质构造情况。

系统工作

GIS地震监测系统分为：主机、振动传感器、辐射天线、电磁信号接收单元、有源相控阵雷达；雷达设备放置于地表下1000米处，对地下深度50000米内空间进行热红外成像，实时扫描，接收器不断接受反射信号给振动传感器并对发回的信号进行算法处理发送给地面地震台。系统是沿着地震测线等间距布置多个检波器来接收地震波信号。因为系统采用了有源相控阵雷达热红外成像的技术，实时监视板块运动，从而达到避震减灾的目的。 四、 探测过程

地震探测过程由地震数据采集、数据处理和地震资料解释3个阶段组成。 地震数据采集

在野外观测作业中，一般是沿地震测线等间距布置多个检波器来接收地震波信号。安排测 线采用与地质构造走向相垂直的方向。依观测仪器的不同，检波器或检波器组的数量少的有24个、48个，多的有96个、120个、240个甚至1000多个。每个检波器组等效于该组中心处的单个检波器。每个检波器组接收的信号通过放大器和记录器，得到一道地震波形记录，称为记录道。为适应地震勘探各种不同要求，各检波器组之间可有不同排列方式，如中间放炮排列、端点放炮排列等。记录器将放大后的电信号按

一定时间间隔离散采样，以数字形式记录在磁带上。磁带上的原始数据可回放而显示为图形。

常规的观测是沿直线测线进行，所得数据反映测线下方二维平面内的地震信息。这种二维的数据形式难以确定侧向反射的存在以及断层走向方向等问题，为精细详查地层情况以及利用地震资料进行储集层描述，有时在地面的一定面积内布置若干条测线，以取得足够密度的三维形式的数据体，这种工作方法称为三维地震勘探。三维地震勘探的测线分布有不同的形式，但一般都是利用反射点位于震源与接收点之中点的正下方这个事实来设计震源与接收点位置，使中点分布于一定的面积之内。 地震数据处理

数据处理的任务是加工处理野外观测所得地震原始资料，将地震数据变成地质语言──地震剖面图或构造图。经过分析解释，确定地下岩层的产状和构造关系，找出有利的含油气地区。还可与测井资料、钻井资料综合进行解释(见钻孔地球物理勘探)，进行储集层描述，预测油气及划定油水分界。 削弱干扰、提高信噪比和分辨率是地震数据处理的重要目的。根据所需要的反射与不需要的干扰在波形上的不同与差异进行鉴别，可以削弱干扰。震源波形已知时，信号校正处理可以校正波形的变化，以利于反射的追踪与识别。对高次覆盖记录提供的重覆信息进行叠加处理以及速度滤波处理，可以削弱许多类型的相干波列和随机干扰。预

测反褶积和共深度点叠加，可消除或减弱多次反射波。统计性反褶积处理有助于消除浅层混响，并使反射波频带展宽，使地震子波压缩，有利于分辨率的提高。

地震数据处理的另一重要目的是实现正确的空间归位。各种类型的波动方程地震偏移处理是构造解释的重要工具，有助于提供复杂构造地区的正确地震图像。

地震数据处理需进行大数据量运算，现代的地震数据处理中心由高速电子数字计算机及其相应的外围设备组成。常规地震数据处理程序是复杂的软件系统。 地震资料解释

包括地震构造解释、地震地层解释及地震烃类解释或地震地质解释。

地震构造解释以水平叠加时间剖面和偏移时间剖面为主要资料，分析剖面上各种波的特征，确定反射标准层层位和对比追踪，解释时间剖面所反映的各种地质构造现象，构制反射地震标准层构造图。

地震地层解释以时间剖面为主要资料，或是进行区域性地层研究，或是进行局部构造的岩性岩相变化分析。划分地震层序是地震地层解释的基础，据此进行地震层序之沉积特征及地质时代的研究，然后进行地震相分析，将地震相转换为沉积相，绘制地震相平面图，划分出含油气的有利相带。

地震烃类解释利用反射振幅、速度及频率等信息，对含油气有利地区进行烃类指标分析。通常需综合运用钻井资料与测井资料进行标定分析与模拟解释，对地震异常作定性与定量分析,进一步识别烃类指示的性质,进行储集层描述，估算油气层厚度及分布范围等。 五．系统组成

GIS地震监测系统是一个由以下主要部件组成： ? 用于发送超宽频信号的发送器 ? 用于侦测接收返回信号的接收器 ? 用于定位检测波的检测探头 ? 用于显示信息的PDA控制器 ? 用于检测地震频率的振动传感器 ? 用于监控地壳板块运动的有源相控阵雷达 六．技术指标

1) 超宽频信号的发送器

频率精确度 : ±(设定值的3ppm＋2pHz) 频率分辨率 : 0.01 μHz

振幅精确度 : ±(振幅设定值[Vp-p]的1%＋2mVp-p)

相位设定分辨率 : 0.001o(设定范围－1800.000o～＋1800.000o) 占空比设定范围 : 0.0000%～100.0000% 、分辨率 0.0001% 脉冲波上升/下降时间: 15.0ns～58.8Ms 、分辨率3位数/0.1ns 任意波形数据振幅分辨率: 16 比特

2) 信号接收器

接收信号：压力、温度、流量、液位等测量数据 通讯接口：RS485、RJ45

通讯波特率：2400、4800、9600、19200 通讯协议：MODBUS-RTU 环境温度：-40℃～+65℃ 环境湿度：35%～75%、无凝露 供电电源：220V.AC、220V.DC 工作电流: ≤200mA 接收距离：约10千米

3) 检测波的检测探头

1．灵敏度高：采用液压内外加压的办法使压电陶瓷芯频响特性好，振动模式单一，信号质量好，无杂波。采用串并联的连线方式，提高了在桩基或大体积混凝土声波法检测中可测试距离，同时也提高了对有缺陷混凝土的微弱信号的识别能力。

2．发射电声转换效率高，接收灵敏度高，波形信号质量优良，谐振频率：50±4kHZ；水密性：1.2MPa水压不渗水；外观尺寸：Φ300X190mm；探测深度500米

4) 振动传感器

频率响应：0.5Hz ~ 200Hz（－3db）； 灵 敏 度：位移型：8V/mm±5％ 最大可测量程：±1mm

输出接线形式：航空插头型；

使用环境：防尘，防潮（95％不冷凝）。 输出电压： 最大± 8V

电 源： -24VDC 消耗电源≤ 15mA 使用温度： -20℃~+60℃ 外形尺寸： Φ 150mm × 85mm

5) 有源相控阵雷达 脉冲型式：双相方波脉冲；

半波周期：脉冲宽度10-600 ns 单独可调，调节步进满足10ns； 相控阵通道：1~1024独立发/收模式；

重复频率：10~5000 Hz可调，调节步进满足1Hz； 增益范围：0~100 db可调，调节步进满足0.5 db； 频带宽度：支持0.2~25MHz带宽范围；

数字过滤器：频率滤波通过至少32位激发带宽需可以实现频率上限以及下限控制来调节；

声速范围：300~20000 m/s，调节步进满足1 m/s； 声程范围：0.5~7000μs， 调节步进满足0.01μs； 延迟范围：0~3200μs，调节步进满足0.01μs； 探头角度：0~90度范围，调节步进满足1度； 探头延迟：0~70μs范围，调节步进满足0.01μs；

显示模式：支持射频（RF）、全波、正半波、负半波、频谱(FFT)； DAC / TCG：46 dB 动态范围, 坡度≤20 dB/μs, 容量≥40 点；

闸门： 支持2个独立闸门，可分别报警，可无限扩大； 测量功能：支持可扩展25个以上；

画面冻结：可冻结脉冲信号，支持累加记录脉冲信号模式； 数值读取：支持读取脉冲信号前沿点与波峰点信息；

电源支持：100~240 V AC，40~70 Hz。 电池连续使用≥5小时； 工作温度：相对湿度：≤

-40℃至80℃；85％；

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