地震方法研究

『壹』 什麼是地震危險性分析，它包含哪些主要研究內容

地震危險性分析是指在未來不同年限下，對工程建設場地可能遭受到的地震影響程度作出科學評價的工作。該項工作實在對工程建設場地所在的地震與地質環境條件進行詳細研究分析的基礎上，綜合考慮場地及周臨地區可能發生的所有地震影響，採取嚴格餓數理統計分析方法，給出在未來不同年限下場地遭遇到不同地震影響程度的概率水平。地震影響程度可以用烈度、加速度峰值、加速度反應譜值、地震動持續時間等來表述。地震危險性分析，是地震安全性評價的工作之一。
地震危險性分析包含潛在震源識別、地震發生概率、地運動衰減規律、場地條件影響和小區劃、震害預測和抗震防災工程決策等諸方面。

潛在震源識別 識別指定地區或建設場地的鄰近地區內可能發生強烈地震的潛在震源，主要根據地震地質對發震斷層的調查結果，同時也藉助於歷史地震資料和當前地震活動儀器記錄資料的分析。並根據對每個震源的了解程度，給出合理的震源模型。例如，對已知斷層確切位置和長度的震源可模擬為點源；已知斷層主要走向但確切位置不詳的震源可模擬為線源；以及斷層位置和方向都不清楚的震源可模擬為面源。

地震發生概率 對於每一個潛在震源，一般都是從這個地區地震歷史記錄數據進行統計分析，確定在未來一定時期內不同震級的地震發生的概率分布。同時，把對這個地區從地震地質角度得到的地震活動性的知識運用到分析中，使所得結果更為可靠。對於地震發生的概率模型，一般採用波桑模型，即假定地震的發生在時間和空間上都是互相獨立的。目前已有許多新的模型出現。

地運動衰減規律 指定地區或建設場地的地運動，隨潛在震源距離的不同，可能發生地運動強度衰減的規律。不同強度的地運動，可用地震烈度或地面運動參數表達，它們可根據已知潛在震源的不同震級、地震發生概率和震源距離的概率分布求得。影響地震作用強度的因素很多，諸如震源情況、地震波的傳播情況等，因此，有很大的不確定性。

場地條件影響 主要是場地土的地質以及地形地貌對地震作用的影響。考慮場地影響的途徑大體上有兩種：①對場地土進行分類，並對每類場地土給出不同的地運動參數衰減公式。②用解析的方法分析場地土對地震運動的影響。如先求得基岩上的地運動參數，再考慮覆蓋層土的震動反應，從而得到地面上包含場地土影響的地運動參數。

震害預測 在預期的不同強烈程度的地震作用下，對可能導致的各種工程破壞、經濟損失、人員傷亡和其他災害作出合理的估計。地震災害可分為原生災害、次生災害，以及再次生災害。震害預測就是要建立以概率形式給出地震作用同這些地震災害之間的關系，為制訂減輕地震災害計劃提供依據。預測方法分為兩種：①經驗方法。主要通過大量歷史震害資料的分析得出建築物破壞與強度的關系、某類結構倒塌率和地運動反應譜的關系等。②理論方法。主要是將地運動輸入到結構計算模型中計算結構反應，分析這種反應與結構破壞的對應關系。關於經濟損失、人身傷亡數目的預測，都已建立了一定的分析模型。

抗震工程決策 對一個地區或建設場地在已知可能遭遇的地震作用或破壞、損失發生的概率的情況下，從安全和經濟的角度出發，對工程結構設防標准、防震措施選擇最優方案。

『貳』 地震地層學的研究方法

地震地層學的研究方法有兩大趨向。首先，著重考慮沉積體的外形、側向接觸關系及其岩相環境等方面的對應關系，將地震剖面上的反射同相軸視為接近於理想的地質體的反映而較少考慮畸變。這種方法常用於區域地震資料的地層解釋，稱為區域地震地層解釋。
其次，利用物探的理論分析以及改變參數扯理和模擬方法，詳細地研究地震剖面中局部反射產生變化的地質原因。由於這種研究涉及具體岩性的解釋，常稱為岩性地震研究。又因此種研究常牽涉復雜的計算過程，往往只能限於局部地區的分析，也被稱為局部地震地層研究。

『叄』 古地震研究

第33屆國際地質大會為古地震方面的研究設立三個議題進行分組討論：關於古地震的一般性論述提交論文摘要17篇，關於尋找古地震並測算其發生期次的議題提交論文摘要23篇，關於應用古地震學重建地震歷史推斷地震災害影響提交論文摘要3篇。

有三十餘個國家的地震和地質學者以口頭發言或展板形式進行了有關的學術交流。其中包括美國、英國、法法、義大利、日本、俄羅斯和挪威等發達國家以及印度、伊朗、阿爾及利亞、哥倫比亞、約旦、尼泊爾等發展中國家，可見人們對地震災害的強烈關注。

有關地質災害的研究中，活動斷層、陸表斷層、走滑斷層、深部斷層、隱伏斷層調查分析等為主要的關注對象。在深度上，古地震研究已到洋底地區，如對冰島南部轉換斷層活動地區洋殼古地震的研究。

藉助近、現代沉積物和新構造運動的觀察在地震研究分析起了重要作用。如對日本東北部地區海灘沉積物的位移變形的觀察研究揭示了其地下的隱伏斷層；委內瑞拉地震研究機構Franck Audemard首次通過近現代沉積和構造演化來完善南加勒比海轉換邊緣地質災害的評估；阿爾及利亞學者通過古地震特徵的研究推測古地震的震源和能量。當然也有相當數量的文章對全球各地受地震影響而產生的地質災害的描述及環境影響的評估。俄羅斯地球物理研究所的Ruben Tatevossian闡述了對比地震學中地震期次與古地震時間的工作方法。比利時Renard海洋地質中心的Jasper Moernaut和Marc De Batist通過智利南部中央地區高精度地震剖面研究，揭示了大規模地震在湖泊內形成的流動構造。美國阿肯色州立大學小石城的Haydar Al-Shukri和Hanan Mahdi通過物探手段反演古地震的特徵。西班牙IG-ME的Miguel Angel Rodríguez-Pascua從沉積學、古地震學、考古學等方面，研究了西班牙東南部地震發生區的古地震記錄。義大利Insubria大學的Alessandro Maria Michetti對地震的環境影響進行了綜述。哥倫比亞的Hans Diederix認為，哥倫比亞全新世時期陸表斷層活動對小型拉分盆地沉積物特徵的影響為古火山活動的研究提供了證據。法國LGCA, CNRS UMR Christian Beck通過對委內瑞拉西北加勒比海斷層的研究認為，湖相沉積地層是古地震研究的又一新的佐證。挪威Bergen大學Kuvvet Atakan指出了古地震數據對地震危害評估的重要性。土耳其Suleyman Demirel大學Fuzuli Yagmurlu對該國西南部愛琴海古地震板塊多發區和Fethiye-Burr斷層地區的地震構造特徵進行了綜合研究。

下列研究值得我們關注。

一、阿拉斯加Yakutat微板塊全新世斷裂活動與復雜的重力滑塌作用的研究

基於「Saint Elias剝蝕和構造」項目（NSF大陸動力項目），美國地質災害咨詢公司的James Mc Calpin和西班牙Zaragoza大學的Francisco Gutierrez-Santolalla針對太平洋板塊與北美板塊之間的Yakutat微板塊開展了地震地質調查研究。該微板塊的海岸部分由一系列小的山脊組成，沿小山脊斷續分布有數百個年輕的小崖岸；他們選擇代表性的崖岸從3個區間進行了填圖和槽探工作。

James Mc Calpin和Francisco Gutierrez-Santolalla發現，Yakutat微板塊以ca.40 mm/yr的速率向阿拉斯加處的大陸匯聚，並產生了壓性斷裂和褶皺作用。Yakutat微板塊的西部邊緣是Regged山斷裂（RMF），以往研究認為它在全新世以正斷層的形式滑移了150米，斷面西傾、傾角為8°。而這一解釋與該斷裂的新近紀逆沖斷裂活動相反。James Mc Calpin和Francisco Gutierrez-Santolalla的填圖和槽探工作表明，Regged山斷裂（RMF）在第四紀晚期依然延續以往逆沖斷裂的構造帶特徵，而以往認為的山麓前緣正斷層崖岸，實際上是由逆沖斷裂前緣的重力垮塌作用所形成的。

二、現代沉積物和構造演化提高南加勒比海轉換邊界的地質災害評估

加勒比海南緣的東西向邊界為一條右旋的活動轉換板塊邊緣，經歷了變形和強地震活動。其所帶來的相關活動包括環境變化和氣候事件，如1999年12月的Vargas災害。為了更好地評價那些可能影響北部和東北部沿岸的不同類型的「地質災害」如地震、海嘯和洪水等，2001年，在安第斯Mérida，針對Bocon6斷裂開展了一個合作研究項目。

通過海相和湖相沉積物資料，他們進一步了解目前地震地質過程和晚第四紀演化。在實施鑽孔取心前，確定了實施高解析度地震剖面（sparker and single channel streamer,3.5千赫integrated system）的合適網度。2006年1月，CARIELPS航程應用兩種工具對這個深88米、東西拉長的盆地（6015千米）進行了調查。沿El Pilar斷裂發育而成的加勒比海灣，與轉換系統最東部斷面一致。地震地層學分析證實一個復雜的驅動機制：海平面波動、三角灣增長、沉降、變形滑移等。液體（氣、水、泥）逃逸，重力再作用、後期剪切等均可見到。

該項研究計劃以後將涉及：邊緣區高分辨地震網度加密沿中央斷面；橫跨加勒比盆地獲得幾個剖面；短重力取心、高分辨多譜調查。

三、2007年7月16日日本中部地震評估核電站地震風險

2007年7月16日，里氏6.6級沖擊了日本中部的日本海。距離震中10千米的Kashi-wazaki-Kariwa核電站（KK NPP），緊急關閉了7個反應堆中的4個，盡管關閉過程成功了，但強烈的地面變形和隨後的火災導致了公眾的極大憂慮。

2007年地震斷裂為一條傾向陸地的遠岸逆沖斷層，在原層沉積物覆蓋之下識別地震構造是關鍵點（問題）。這個斷裂位於5千米厚的強烈變形新近紀早期沉積物之下。海洋調查表明伴隨褶皺和單斜傾覆的間斷活動是諸多小地震（小於6級）的根源。斷層之間的褶皺以前從未被當做地下盲斷層的標志。由此斷層的連續活動僅以特定的分支為依據。延伸小的斷層在經驗模式下僅會導致小地震。同樣的方式來推測大地震KK NPP東30千米的斷層系統。地震研究促進會2004年明確表示依據古地震數據有一條長83千米的斷裂有8級地震的可能。然而，KK NPP公司堅持認為不連續間斷斷裂系統僅能產生短小分支和小地震。另一個關鍵問題是評估第四紀晚期微小的變形。Shin-estu油田褶皺和斷裂帶在第四紀非常活躍。晚—中更新世變形明顯而連續。晚更新世—全新世的褶皺和斷裂作用僅僅由於短的經歷和表生地質作用的而非構造運動的擾動而連續性和明顯性差。在2007年預測失敗後，核工業公司和許多人才認同HERP的預測是合理的。

四、同震環境影響評估釙平原的地震可能性

義大利Insubria大學的Alessandro Maria Michetti等學者，在Monte Netto靠近古代（公元1222年）震中區域附近研究發現，同震的「古液化作用」和近期地表斷裂事件是應用古地震事件評估地震災害的良好例證。Monte Netto事件的發生史對於在活動的擠壓構造環境下識別潛在的活動斷層具有重要意義。尤其是在諸如核電站等關系重大的基礎設施附近。依據文字資料、區域地貌分析以及詳細的填圖工作，他們確認位於Garda湖南西數千米的三個獨立的丘陵（Castendol和Monte Netto）是第四紀晚期背斜作用的地貌表現。Ales-sandro Maria Michetti等學者發現，在幾何學和近期變形速率方面，上述三個孤立的背形構造受控於東西向的對沖斷層。兩個十米級別的背斜構造被識別。背斜的核部地層為中更新統連續沉積的冰水堆積物和古土壤。其上為厚約6米的中—晚更新統黃土和古土壤所覆蓋。北部褶皺的頂端以彎曲斷裂組成的「地塹式」構造為特徵，斷層波及到頂部全新世土壤層。地層之間的關系清楚表明，地塹式構造由至少兩個獨立的地表斷裂形成。地表發掘發現，靠近地塹中心，由砂和礫石組成的「岩脈」切穿了厚360厘米、具有液化特徵的中更新統沉積物。橫穿Monte Netto的地震反射剖面清晰表明，地表的褶皺和斷裂作用與2千米深的次級斷裂密切相關；而這個次級斷裂受控於5千米深的Capriano del Colle逆沖主斷裂。

此外，在地質災害的調查研究中，有關地震發生機制、活動規律等理論探索也是一個重要議題——「地震、流體和變質作用」分組討論的主要內容。

德國Steinmann研究所Stephen Miller在《脫/去揮發作用、地震和餘震》的論述中指出，脫水和脫碳形式的去揮發作用能夠在地殼內產生巨大的超高壓流體帶。一旦系統失去平衡，圈閉在地殼深部的超高壓流體可能通過向雛形裂隙的擴散影響地震的開始過程。隨著裂隙網路連貫性的形成，這個擴散過程可達數月至數年。當地震發生時，靠近狹窄滑動面的岩石會出現明顯的破損帶。相關的地震破裂過程包括微小和巨大裂隙的產生、生長以及接合等復雜作用；野外研究證實破損程度隨著與滑動面距離的大小呈現指數式衰減。包括多重滲透裂隙網路的新生破損帶，為圈閉在地殼深處的流體外泄提供了主要通道。經由新生裂隙的高壓脈沖流體的傳播很大程度地減少了作用於初始滑移面的正壓力，進而引發地震或餘震。依據震源區域的壓力減少速率以及正的Clapyron斜面，壓力的減少能夠反作用於去揮發作用並促使額外流體的產生。這個假定基於一個非線性流體擴散模型。模擬結果呈現了上述過程，並以此模型對餘震發生區域和幾個特定構造環境下流體壓力擴散區域進行了對比。Omori法則表明餘震隨著時間衰減的自然規律，這一點在裂隙系統的非線性擴散模型得到了充分證實。

挪威奧斯陸大學Haakon O.Austrheim在進行「地震抽吸導致的洋殼岩石圈水合作用」研究認為，延伸到海平面下29千米的轉換斷層是地震的發生地。這些斷層也與廣泛蛇紋石化的缺失有關。Leka地幔斷面的橄欖石在斷層和韌性剪切帶表現為不同尺度的變形特徵。目前，針對這些構造的調查顯示其中的橄欖石發生了強烈的破碎和斷裂。這些碎裂的橄欖石相互間旋轉形成了「書斜式」構造。充填在橄欖石的旋轉碎塊之間蛇紋石和透輝石，這一構造表明斷裂造成的虛脫空間促成了此類礦物的生長。次級礦物的生長說明這些變形帶曾經有大量流體通過。斷裂作用形成空間估計約為50%(Ca50）。主滑移面上發育有條帶狀的蛇紋石。每個蛇紋石條帶表現為一個滑動事件，在1厘米寬的斷層帶內記錄了10個滑動事件。碎裂的橄欖石與碎塊之間的開放空間，以及次生礦物生長和反復的斷裂作用的綜合效應共同形成了一個高效的地震抽吸系統。研究表明它是轉換斷層帶洋殼岩石圈水合作用以及蛇紋石化和變質作用的有效機制。

挪威奧斯陸大學Torgeir Bjørge Andersen,Haakon O.Austrheim,Timm John論述了「中等深度地震地質和高壓下的岩石受力」。他們在高壓和超高壓下，對挪威西部地區岩石進行長期的實驗觀測得出了幾項關於古地震位置和高壓變質岩是的新發現。這些地震遺跡以榴輝岩相和藍片岩相的假玄武岩玻璃斷裂脈為特徵。在加里東山系和阿爾卑斯山的科西嘉，這一發現證實，變質條件下的相關地震變形常常為韌性形變；而有關脆—韌性轉換和如此高壓下的岩石受力問題並未得到深入理解。有幾處發掘出的地形顯示了相關古地震遺跡的證據。它們是目前板塊邊緣收斂處常見地震的化石事例。結合理論與模型的建立，對古地震的野外研究和礦物學分析表明，藍片岩相—榴輝岩相條件下的地震斷裂活動通常與高溫至超高溫斷裂有關。觀察還發現即使在位移小於1厘米的非常小的斷裂上，也會產生基性岩石和超基性岩石的加熱和相關的熔融。橄欖岩中最小可視斷裂的熔融作用表明，地幔岩石非常強硬而且斷裂作用提高了溫度（δT）並且熔蝕了一定體積難熔的物質，如橄欖岩。如果能夠確定δT、熔蝕體積和位移，某一古地震所釋放的最小應力便可得出。在科西嘉，針對穿越地幔橄欖岩的Ca 50古地震的詳細工作能夠計算這些相關斷裂的最小應力下降。我們發現，當一個非常小的斷層（45毫米位移）轉變為450℃和25億帕的硬柱石—榴輝岩相時，能夠釋放出580百萬帕的應力（最小估計值）。這一數值小於冷地漫流體的理論計算值，但遠遠大於通常狀況下由地震數據得出的應力值。我們研究發現，幔源橄欖岩能夠耐受地質歷史時期100百萬帕的應力，而在如此高壓條件下即使十分微小的偏移也可能導致富橄欖石的幔源岩石在極高溫度下的熔融。我們推測高壓下的地震斷裂與藍片岩相—榴輝岩相條件相一致（如絕大多數中等深度的地震），並可形成假玄武岩玻璃；而明顯缺少假玄武岩玻璃的地表暴露斷裂復合體可相當於全球采樣深度。

日本東京大學Kazuhito Ozawa，京都大學Tadamasa Ueda,Masaaki Obata等通過「上地幔的摩擦熔化和形變：Balmuccia超基性假玄武玻璃中鉻—鋁尖晶石的記錄」認為，超基性假玄武玻璃是上地幔地震破裂殘留的象徵，能夠為更好地認識深源地震提供潛在的有價值信息。玻璃質出現在超基性假玄武玻璃可以為摩擦熔融作用提供明確的證據；但它同時也暗示著較低的環境溫度不至於引起廣泛的結晶作用和脫玻化作用，即對上地幔條件下是否真的發生碎裂事件提出疑義。2006 JPGU會議上Ueda等匯報了一個例外，他們在義大利Balmuccia橄欖岩中發現一個窄的超糜棱岩具有假玄武玻璃狀的形態特徵，如從斷層脈體分支出去的注入式脈體；但其中的礦物組成卻不具有玻璃物質或淬火結構。在2007 JPGU會議上，Obata等人進一步論述了700～800℃下橄欖岩相的尖晶石假玄武玻璃的重結晶作用，並討論了韌—脆性轉換所致地震破碎和摩擦熔融過程中「H2O-CO2流體」的作用。然而，這些研究並未給出有關熔融跡象和熔融程度估算的結論；關於摩擦熔融作用前後的形變史也未能全面澄清。通過觀察全晶質假玄武玻璃之中和邊緣的鉻—鋁尖晶石，我們得出了「假玄武玻璃形成和冷凝過程中熔融作用和應力轉換」的明確證據。鉻—鋁尖晶石發育於所有假玄武玻璃的內部和邊緣微相之中。在不同的產出狀況下，尖晶石的形態、鉻—鋁條帶和內部構造等表現出巨大的差異性。清晰的熔融作用證據來自注入脈體內細小的尖晶石顆粒。它們多數被拉長而平行於周邊輝石和橄欖石構成的葉理。脈體還具有一個由細小的共生斜輝石和尖晶石組成的薄邊，邊緣的共生尖晶石的鉻含量比內部的尖晶石高。脈體內的尖晶石由類似晶軸方向的一些亞顆粒構成。這些結構和組成明確說明，鉻—鋁尖晶石經歷了由短暫熱事件和熔融下形變而造成的部分解體。目前的研究證實，在極高壓力導致的韌性變形處、剪切熱事件的不穩定性可能成為幔源條件下（700～800℃和10億帕）深部地震的動力機制。

在進行地震調查、預測、研究中，上述理論探索具有重要的指導意義。我們應當藉助33屆地質大會有關地質災害方面的科技成果，結合四川汶川大地震的發生開展相關的調查、實驗研究以及理論探索，把我國的地震預防工作提高到一個新的水平。

（陳樹旺執筆）

『肆』 人類現代對地震有什麼研究

進入現代以來，人類對地震的認識得以從科學的角度出發，從而開辟出了一片完全嶄新的研究天地。研究地震，最基本的是研究地震的發震時間、震中位置和地震強度。隨著地質勘探技術的進步，人類對地球構造的認識加深，形成了以地球內部構造結構為基礎，地球板塊運動為模型的地殼形變引起地震的理論。與之相關地，地殼形變運動發生時，地下水水位的升降變化，以及地下水的化學組成的突變也成了預測地震的重要參考指標。隨著有記錄的地震觀測數據的積累，人們發現地震的發生與地磁、地電的變化也存在著一些聯系，通過對地磁地電的觀測來預測地震也成為一個可以考慮的突破口。

地震活動性研究

早期的地震學主要研究地震發生後的各種現象，多局限於研究較大地震的地理分布和時間分布。20世紀60年代起，地震預報被提上日程，人們迫切需要知道強震發生前的諸種現象，強震前觀測到的大量中小地震，為人們尋求地震前兆提供了信息。目前關於前兆性地震分布圖像的研究已經比較深入，形成了地震活動空區和地震活動條帶兩個地震前兆模型。

在強震發生前的一定時期內，在未來的震源區附近，地震活動水平有下降趨勢，從而形成地震活動空區。通過尋找地震空區預測未來強震的地點、大小和時間，是利用前兆性地震活動圖像預報地震的一個有希望的方法。通過多次強震的對比分析，發現空區基本上都位於具有較強地震活動背景的地區。空區不僅有其平靜的一面，還有外圍地震活動增強的一面。通過對大量震例的分析，研究空區面積、長軸、空區持續時間等與未來地震強度的統計關系，在實際預報中可以發揮一定的效用。

地震活動條帶是指在區域地震活動不斷增強的背景下，地震震中由分散、凌亂狀態轉化為集中分布的過程中形成的，未來強震往往發生在這個條帶上。通過條帶內外地震強度、能量等的對比分析，可提高判定條帶的准確性。

地殼形變測量法

地震大部分是發生在地殼的中上部，而地震發生時一定會伴隨地殼形變的發生。因此，地殼形變與地震關系的研究，是地震預報中很重要的一項基礎研究。地殼形變測量是大地測量的一部分，它是研究地震過程的重要手段。地殼形變測量工作主要是在活動構造帶、多震地區和具有一定潛在地震危險的重點地區，以及大型水庫區等要害地區進行的。地殼形變的測量周期比大地測量周期短得多，並經常視需要進行加密觀測，還要特別注意大地震前後的及時測量。

地殼形變測量主要有垂直形變測量、水平形變測量、跨斷層測量和定點形變測量幾種。

垂直形變測量的目的，是測定地殼的升降運動，其主要方法是精密水準測量。在地殼形變監測區按一定計劃布點，在每個觀測點將水準標石（水準點）牢固地埋在地下或出露於地表的基岩上，從而組成垂直形變網。定期測量各條水準線上水準點之間的高差，經過適當處理就可以確定地殼是否發生了垂直形變。垂直形變監測網應布設在以活斷層為主的構造帶，大城市、大廠礦、大水庫和交通樞紐為主的重點保衛區，以及地震活動區和地殼形變異常區。

資料表明，大多數淺源地震震源區均以水平錯動為主，水平位移的幅度往往比垂直位移大。因此，研究水平形變也和垂直形變一樣具有重要意義。地殼的水平運動是通過測定地面上一些點的平面位置變化來描述的，為此需要布設水平形變觀測網。構成水平形網的基本圖形是三角形，所以也稱三角網。按照觀測元素的不同，可以分為測角網、測邊網和邊角同測網。測網的布設原則和復測周期與垂直形變網的要求相同。

自從地震的斷層成因說提出以來，斷層位移與地震的關系受到了地學工作者的特別關注。為了了解產生地震的斷層力學過程，捕捉地震前兆，地學工作者布置了各種跨斷層測量。跨斷層測量與獲得斷層兩測點之間的產狀、斷層運動方式、兩側岩體力學性質及測點距斷層面和距離有關。測值中還包含某些干擾因素的影響，應予以排除。

為了重點監測某個地區的地震發生情況，可以建立地殼形變台站來進行短水準和短基線觀測。前者是用精密水準測量方法測定地面的垂直運動；後者則是用精密測距方法測定地面之間的水平位移。它們一般布設在活動斷裂帶上以監視斷層活動。一般每時日觀測一次，長期連續觀測。

地下水觀測

對地下水的觀測和研究，主要是針對地下水的水位、水溫、流量及氣體—化學成分隨時間變化的動態規律進行總結，研究地下水的動態規律發生異常與地震的關系，是探索地震預報的重要課題之一。經過實踐檢驗，地下深井水網觀測效果良好，對監視區內發生的強震均能觀測到地下水異常，對一些地震作了一定程度的預報。在廣泛開展實際觀測的同時，科技工作者還對地下水前兆的物理機制進行了探討，進一步認識到地下水動態變化與地殼岩石受力變形之間的關系，並且由於封閉性較好的深井水位靈敏度高，能很明顯地反映地下含水岩體的微小變形，對地震的預測有很現實的意義。

由於水具有易流動性、不可壓縮性，氣具有易穿透性，因此水和氣對力的作用特別敏感。地下水在地殼中的分布深度達20～30千米，這正是大多數震源分布的范圍。因此，在地震孕育、岩體受力變形及破裂的過程中，含水圍岩的應力—應變變化將造成地下水物理性質和化學成分的明顯變化，並通過水的流動將變化信息傳遞到淺部來。因此，通過測定地下水（氣）物理性質、化學成分隨時間和空間的變化來預測地震成為地震預報的有效方法之一。

地磁地震關系的研究

國內外多次大震發生前，均在震中及其鄰區發現過大量與電磁波有關的異常現象。現在世界各國都組織開展系統的觀測和研究工作，已經或計劃進行的研究課題非常廣泛，有的已經取得了一定成果。例如，對震前電磁波異常進行了分類，指出存在兩種不同起因的電磁波異常：一類是在孕育過程中，由震源體產生的某種電磁輻射，稱之為輻射異常；另一類是由於震源體及其鄰區介質物理性質的變化，導致該區電磁波傳播特性的變化引起的電磁波異常，稱之為傳播異常。前者可能發生在孕育直到發震的整個過程中，壓電效應、動電效應、熱電效應等均能導致岩石在微破裂時產生電荷的積累與釋放，從而使震源區輻射出頻譜很寬的電磁波。

地震孕育過程中，經常伴有地下介質電阻率的變化及大地電流和自然電場的變化。觀測研究這些變化（主要是地殼上部介質電阻率的變化），提取地震前的電信息，並探討其與地震之間的關系，以進行地震預報，是地電觀測的主要任務。地震預報中的地電研究與應用主要為地殼淺層介質電阻率的變化和地殼深部介質的電性變化兩個方向。同其他地球物理手段一樣，用地電方法預報地震仍處於經驗性階段，離預報地震目標還相差很遠，有待於繼續努力探索。

地球重力場是地球的一種物理屬性，重力隨觀測點空間位置和地球介質密度狀況而變化，因此，觀測重力場的變化反過來可以研究地殼的變形、介質密度的變化或質量的遷移，從而探討與地震預報研究和現代地殼運動有關的地球動力學問題。重力場的時間變化主要反映地球的變形、地球內部質量運動，以及地球在空間運動中一些動力學要素的變化，它與現代地殼運動、地震預報研究和基礎天文學等密切相關。重力場的時間變化又可分為潮汐變化和非潮汐變化兩類。前者起因於外部天體（主要是太陽和月球）對地心和地球表面的引力作用；後者則主要是地球自身的變化，如地球自轉速度的變化、地極移動、地殼運動、地殼變形和深部物質變異等引起的。觀測地震前重力變化的較好的實例是1976年唐山地震。這次地震發生的前半年，重力場就出現了趨勢性的變化，震後異常恢復。

利用衛星監測地震

隨著空間衛星技術的發展，衛星在地震預報研究和應用上的作用也越來越大。我國在「九五」期間就開始了衛星預報地震的研究和應用，並取得了初步成果。我國有關專家認為，發展地震監測衛星十分必要。我國建成了相當數量的地基電磁監測台網，但我國幅員遼闊，地震多發區多，已建和籌建的電磁監測台還不能滿足預報需求。而在空間軌道運行的衛星對地電磁觀測覆蓋范圍大，不受地面自然條件限制，且空間電磁的場動態信息強於地面的信息。利用衛星實現空間電磁監測，將對地震預報起到積極的推動作用。此次汶川地震，如果我們事先有該地區連續的空間電磁監測圖像，就可能會做出預報。

發展我國的地震電磁衛星對地觀測技術，將空間手段與地基監測相結合，建立天地一體化的立體地震電磁監測系統，將明顯增加地震前兆的信息量，為地震預測預報提供重要的科學判據。我國航天發展「十一五」規劃中，明確提出了開展地震電磁監測衛星研究。汶川震後，國家國防科技工業局組織召開的航天技術應對當前地震災害的專題研討會上明確提出，要進一步加快包括地震電磁監測試驗衛星在內的關鍵技術的攻關研製，不斷增強航天技術服務國家防災救災事業的能力。

地震監測衛星的計劃是20世紀90年代初，在多年研究的基礎上，前蘇聯科學家提出的建立地震前兆全球監測衛星系統的設想。該系統的目標是對特定地區上空的電磁波、電離層等離子體特徵等進行長期監測，在震前2小時～48小時做出預報。俄羅斯先後於1999年、2001年、2006年發射了3顆衛星，用來探測與地震有關的電離層變化信息，探索地震預報信息和預報技術，研究與地震等自然災害有關的電離層、磁和等離子體變化等前兆。另外，美國、法國、烏克蘭、義大利和我國的台灣地區也進行了地震電磁監測衛星的相關研究或有這方面的研究計劃。

與傳統的地面地震監測站相比，利用衛星監測並且預報地震的方法無疑為人們提供了新的預報的依據。雖然利用地震電磁衛星預報地震目前還處於探索階段，但是這一方法已得到了許多科學家的認同。未來，隨著科技水平的提高和科學研究的深入，地震電磁衛星有望在地震預測中發揮重要的作用。

地震研究相關學科蓬勃發展

對地震的研究直接促進了地球物理學的蓬勃發展。地球物理學自20世紀初形成以後，進入60年代後發展迅速，包含許多分支學科，涉及海、陸、空三界，是天文、物理、化學、地質學之間的一門邊緣學科。地球物理學是以地球為研究對象的一門應用物理學，現已發展成為包含地震學、重力學、地電學、地磁學等多個學科及其形成的交叉學科的多分支學科。地震學與重力學、地電學、地磁學、地熱學、地質學、天文物理學等學科都有著密切的關系，各學科已經形成了相互促進的關系。

『伍』 疊前地震數據重建方法研究

霍志周

（中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083）

摘 要 地震勘探的目的是為了獲得地下構造的精確成像。由於人為因素和環境原因，地震數據在空間方向上往往是不規則采樣或缺失采樣的，因此經常需要在空間方向對缺失的地震數據進行重建。最小范數傅立葉重建方法是基於估算非規則采樣地震數據傅立葉系數的方法，一旦准確求得這些系數，就可以通過傅立葉反變換將地震數據重建到任何合適的空間位置。該方法的主要優點是既可以處理規則采樣數據有空道的情況，也可以處理非規則采樣的數據；該方法的缺點是無法重建含空間假頻以及含空隙過大的地震數據。針對含空間假頻的地震數據重建問題，本文通過將最小范數傅立葉重建方法和多步自回歸方法相結合，較好地克服了最小范數傅立葉重建方法的缺點。通過對不同的理論和實際地震數據算例的驗證，表明了該重建方法的有效性和實用性。

關鍵詞 地震數據重建 最小范數反演 傅立葉變換 多步自回歸

Research on Pre－stack Seismic Data Reconstruction Method

HUO Zhizhou

（Exploration and Proction Research Institute，SINOPEC，Beijing 100083，China）

Abstract The objective of exploration seismology is to obtain an accurate image of the subsurface.Due to human－related reasons and environmental circumstances，more often than not the seismic data can be irregularly sampled or missing sampled in spatial direction.Therefore，it often needs to reconstruct missing seismic data along spatial direction.Fourier reconstruction with minimum norminversion is based on estimating the Fourier coefficients that describe the irregularly sampled seismic data，and once these coefficients have been obtained， seismic data can be reconstructed on any suitable spatial location via inverse Fourier transformation.The main advantages of Fourier reconstruction are flexible，as it can not only handle regularly sampled data with gaps，but also can handle irregularly sampled data.The disadvantage of this method is that the method can』t handle spatially aliased seismic data and seismic data with large gaps.In this article，for reconstruction question of spatially aliased seismic data，Fourier reconstruction with minimum norminversion and multi－step autoregressive method is combine.This method overcomes the shortcomings of the Fourier reconstruction method.Several different theoretical and practical seismic data would be reconstructed using multi－step autoregressive method，that prove the effectiveness and practicality of this method。

Key words seismic data reconstruction；minimum norm inversion；Fourier transforms；multistep autoregressive

眾所周知，地震數據的採集嚴重影響地震數據最終的成像結果，而地震數據採集中很常見的一個問題就是地震數據沿著空間方向是非規則采樣或是稀釋采樣的。地震數據在空間方向上稀疏采樣的原因主要是出於經濟因素的考慮，稀疏采樣比較經濟，但意味著採集到較少的數據，而且會導致地震數據中含有空間假頻，尤其是在3D地震勘探中。引起地震數據在空間方向上非規則采樣的原因主要有：地表障礙物的存在（建築物、道路、橋梁等）或地形條件因素（禁采區和山區、森林、河網地區等）、儀器硬體（地震檢波器、空氣槍、電纜等）問題引起的採集壞道以及海洋地震數據採集時電纜的羽狀漂流等。在地震數據處理過程中，非規則采樣和稀疏采樣不但會引起人為誤差，而且會對基於多道技術的DMO、FK域濾波、速度分析、多次波衰減、譜估計和波動方程偏移成像等方法的處理結果帶來嚴重的影響，因此通過對原有的地震數據進行重建，使其包含的地球物理信息更加真實地反映地下地質體的地球物理特徵，使得後續地震數據處理能夠更好地滿足對復雜地質構造進行精細刻畫的要求，為油氣勘探提供更有效的指示和幫助等具有重要的現實意義^［1，2］。

基於傅立葉變換的地震數據重建方法不需要地質或地球物理假設，只要求地震數據是空間有限帶寬的，並且計算效率高。傅立葉重建方法利用最小二乘反演估算非規則采樣數據的傅立葉系數，如何更好地估算傅立葉系數是該方法的核心。一旦傅立葉系數被正確估算出來，數據可以重建到任意采樣網格上。Duijndam等^［3］將傅立葉重建方法應用於非規則采樣地震數據的規則化上，並成功解決了參數選擇等一系列問題。Hindriks和Duijndam^［4］將該方法擴展到3D地震數據重建中。Liu和Sachhi^［5］提出了最小加權范數插值的傅立葉重建方法，該帶限重建方法利用自適應譜加權范數的正則化項來約束反演方程的解，將數據的帶寬和頻譜的形狀作為帶限地震數據重建問題的先驗信息，因此得到了比傳統的帶限數據傅立葉重建方法更好的解，但沒有給出好的反假頻方法。Zwartjes和Sachhi^［6］提出了使用非二次型正則化項的稀疏約束傅立葉重建方法，以改善地震數據含較寬的空道時的重建效果，並較好地解決了含有空間假頻的地震數據的重建問題。傅立葉重建方法不但可以重建規則采樣的地震數據，而且可以重建非規則和隨機采樣的地震數據，但是不能很好地重建含有空間假頻的地震數據。

本文對基於最小范數解的傅立葉地震數據重建方法的研究分析，通過最小二乘反演方法得到傅立葉域的系數來進行地震數據重建。為了改進最小范數傅立葉重建方法不能重建空道間距過大的地震數據和無法重建含有空間假頻的地震數據的缺點，本文採用了最小范數傅立葉重建方法和多步自回歸方法相結合的思想進行地震數據重建，該方法不但能重建空道間距大的地震數據，而且可以重建含有空間假頻的地震數據。

1 最小范數傅立葉重建方法

傅立葉重建是從非規則采樣數據上恢復信號的一種方法，它是基於采樣定理的，也就是說一個帶限的連續信號能夠從規則采樣數據中恢復。如果非規則采樣信號的平均采樣率超過Nyquist采樣率，則非規則采樣的信號也可以重建。在規則采樣的情況下，離散傅立葉變換是正交變換。但是當采樣是非規則時，傅立葉變換的基函數不再是正交的，這就意味著直接用離散傅立葉變換計算傅立葉系數將產生誤差。利用最小二乘反演計算傅立葉系數就是一種補救措施^［7］。

假設數據是在空間方向上是不規則采樣的，每個采樣點的位置分別為［x₀，…，x_n，…，x_N－1］。使用真實的采樣位置和采樣間隔的中點法則，非規則采樣數據的離散傅立葉變換可由以下離散求和的形式表達：

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

上式為非均勻離散傅立葉變換。其中，空間采樣間隔△x_n定義為：

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

在波數域規則采樣意味著數據在空間域是周期性的，所以 X為非規則采樣數據的長度。如果直接用NDFT（Non－uniform Discrete Fourier Transform）計算波數，則由於采樣非規則而會引起極大的誤差，因此實際計算時通常採用最小二乘反演來計算波數。

首先定義由規則采樣波數計算任意空間位置采樣數據的數學變換，把它當作正演模型。假設帶限數據的波數域帶寬為［－M△k，M△k］，在波數域規則采樣，△k為空間波數采樣間隔，則由波數域重建任意空間位置x_n的離散傅立葉反變換為

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

記系數矩陣為 不規則采樣數據為d_n＝P（x_n，ω），待求的規則波數為

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

在實際的地震數據處理中，由於數據可能不完全是帶限的，所以部分空間波數成分會超出定義的頻帶范圍，這些超出的成分構成了上述正演模型的誤差和噪音，因此在上式中需要雜訊項：

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

Duijndam等^［3］通過最小二乘反演估計得到非規則采樣數據d（x_n，t）的空間波數 從非規則采樣數據向量d中計算出未知的規則采樣的傅立葉系數向量 可以歸結為求解一個不適定線性反演問題，需要對其進行正則化，藉助一些先驗信息構建出合適的解。可以使用任何所需的參數估計技術，首先我們假設噪音n＝N（0，C_n）和先驗信息

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

的最大值來進行反演，其中 是似然函數， 表示模型向量的先驗分布。分別滿足

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

求 的最大後驗概率解轉化為求下面目標函數的最小化解，建立目標函數

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

最小化目標函數得：

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

這里， 為計算要得到的規則采樣波數，A^H為矩陣A的共軛轉置矩陣， 為先驗模型的協方差矩陣。

下面我們對（9）式進行簡化。首先對於地震數據，通常沒有先驗模型信息，因此 一般沒有理由假設空間波數之間的相關性，所以 是對角陣，通常的形式為 是先驗模型的方差。准確地表達噪音的協方差矩陣C_n是不現實的，因為關於噪音詳細的信息是未知的。Duijndam等^［3］給出的噪音協方差矩陣為C_n ＝c²W^－1，c是常數；W為權系數組成的對角陣，即W＝diag（△x_n）。根據離散傅立葉變換理論，應選擇△k≤2π/X，這里X＝∑_n△x_n，為數據的長度，即X＝x_N－1－x₀，則（9）式變為

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

其中， 稱為阻尼因子。λ可以通過L－curve或者廣義交叉驗證（GCV）方法確定，最佳的選取方法是^［4］：

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

式中：F為用戶給定的常數，表示期望的數據信噪比值。但在實際地震數據重建過程中，λ一般取A^HWA矩陣主對角元素的1％。

方程（10）的解稱為最小范數解，也稱為阻尼最小二乘解，該重建方法稱為最小范數傅立葉重建方法（Fourierreconstruction with minimum norminversion，FRMN）^［8］。通常非規則采樣時，式（10）的系數矩陣AHWA為病態的Toeplitz矩陣。當不加權矩陣W時，A^HA形成的Toeplitz矩陣病態程度受非規則采樣數據之間的緻密程度控制。非規則采樣地震數據中地震道靠得越近，間距△x越小，則Toeplitz矩陣的條件數就越大，求解越困難；加上權系數矩陣W後，A^HWA形成的Toeplitz矩陣病態程度受各數據之間的最大空隙△x_a的大小控制，△x_a＝max（△x_n）。系數矩陣A^HWA的條件數與最大空隙△x_a的關系如下^［7］：

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

由上式可見，最大空隙△x_a越大，矩陣A^HWA病態程度越大，求解方程時就越難以收斂。如果定義空間Nyquist采樣間隔為

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

則當△x_a≥3△x_Nyq時，系數矩陣A^HWA已經無法保證迭代收斂^［3］。也就是說當非規則采樣地震數據的空隙太大時，不能得到滿意的重建效果。這是傅立葉重建方法的固有弊病。

方程（10）實際求解時一般在頻率域逐頻率求解。在求解方程時，由於低頻部分只需要很小的波數帶寬就能完整重建數據，因此求解方程（10）的規模小，求解相對容易；而高頻部分則需要較大的波數帶寬，因此求解式（10）中的未知數多，求解需要更多的計算時間，而且解也不穩定。因此，利用最小范數傅立葉方法重建的地震數據低頻部分有較高的精度。

2 多步自回歸方法

自回歸模型（預測濾波器）在信號處理領域具有廣泛的應用，它是一種模擬信號演化的技術^［9］。自回歸模型可以應用於信號預測和噪音消除^［10］、地震道內插^{［11，12］}以及參數頻譜分析^［13］等方面。t－x域的線性同相軸變換到f－x域是復正弦函數，該函數可以通過自回歸運算元來模擬。Spitz^［11］和Porsani^［12］提出了自回歸的重建方法，成功地解決了規則采樣含空間假頻地震數據的插值問題，這些方法是利用低頻信息來恢復數據的高頻部分。但這種方法只適用原始地震數據是空間規則采樣的情況，而且只能用於加密插值。

多步自回歸方法（multistep autoregressive，MSAR）^［14］是對Spitz單步預測方法的拓展，使其應用范圍從只能進行道加密插值擴展到能對不規則缺道地震數據進行插值重建。假設地震數據包含有限個線性同相軸，由N個等間距的地震道組成，部分地震道是缺失的。首先將地震數據從時間域變換到頻率域，在f－x域，地震數據可以用向量x（f）表示，x^T（f）＝［x₁（f），x₂（f），x₃（f），…，x_N（f）］，其中只有M道數據是已知的。分別用n＝｛n（1），n（2），n（3），…，n（M）｝和m＝｛m（1），m（2），m（3），…，m（N－M）｝表示已知數據和未知數據（缺失道）的下標，目標是從x_n（f）中恢復出x_m（f）。

由L個近似線性的同相軸構成的地震數據在f－x域可表示為

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

式中：△x和△f分別表示空間域和頻率域采樣間隔；p_j表示第j個線性同相軸的斜率；A_j表示振幅。對於每個頻率成分f，上式表明在f－x域每個線性同相軸都可以用復諧波函數來表示。考慮當△x′＝α△x，△f′＝△f/α時，得到：

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

此外，通過自回歸模型的形式，可將L個諧波函數的疊加表達為

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

其中P（j，n△f）表示預測濾波因子。同樣的，對於△x′和△f′，有

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

比較表達式（15）、（16）和（17），可得：

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

該式即為多步自回歸方法的基礎。它表明在頻率軸上，對於預測濾波器的每個成分都是可預測的。這就意味著，如果已知某些頻率的預測濾波器，可以預測得到其他頻率的預測濾波器。也就是說，我們可以從傅立葉方法重建得到的無空間假頻的低頻成分的預測濾波器中提取高頻成分的預測濾波器，進而重建得到缺失地震道的高頻成分。

假設用最小范數傅立葉方法重建得到的低頻數據的頻率范圍為f∈［f_minr，f_maxr］，在f－x域線性同相軸向前和向後預測的多步預測濾波器可以由下列方程組確定：

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

式中：*表示復共軛；L表示預測濾波器的長度；P_j（f）表示預測濾波器。這些方程對應一種特殊類型的自回歸模型，向前自回歸方程（19）和向後自回歸方程（20）是通過每次向前和向後跳α步來實現的。通過自回歸方程（19）和（20）可以計算出在α步時的預測濾波器P_j（f）。參數α＝1，2，…，α_max是步長因子，用於從頻率f中提取頻率αf的預測濾波器。由於步長因子是一個正整數，很顯然低頻部分為數據重建演算法提供了重要的信息。步長上限α_max依賴於地震道數N和預測濾波器的長度L，該參數由下式給出

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

這里［.］表示取整數部分。

當用多步自回歸方法從已重建的低頻數據x（f）中計算出高頻數據x（f′）的預測濾波器時，同Spitz插值方法相似，可以通過已知的數據和預測濾波器重建出缺失的數據。向前和向後自回歸重建方程為

油氣成藏理論與勘探開發技術（五）

設地震數據中含有L個不同斜率的線性同相軸，地震數據的有效頻帶范圍為［f_min，f_max］，含空間假頻的不規則道缺失的地震數據的重建實施步驟為：(1)首先將原始地震數據變換到f－x域，用最小范數傅立葉方法重建無空間假頻的低頻段［f_minr，f_maxr］的地震數據，得到低頻段地震數據，其中f_minr＝f_minr。對於不含空間假頻的有限帶寬信號而言，FRMN重建得到的地震數據精度較高；(2)運用方程（19）和（20），從低頻段［f_minr，f_maxr］中提取高頻成分的預測濾波器P_j（f′）；(3)利用已知道數據和預測濾波器P_j（f′）重建缺失的地震數據；(4)最後將重建後的地震數據反變換回t－x域。遇到復雜地震數據時，同相軸可能不滿足線性假設，可將地震數據劃分成多個小時空窗，分窗口進行重建。綜上所述，從無空間假頻低頻段［f_minr，f_maxr］數據中提取缺失數據高頻成分f′＝αf的預測濾波器，然後利用已知數據和預測濾波器計算缺失數據的高頻成分，最終完成多步自回歸重建。

3 理論數據算例

為了驗證多步自回歸演算法的有效性，本節中我們將該演算法應用於理論數據，進行缺失道的重建以及加密插值。第一個理論數據如圖1（a）所示，是由7個不同斜率的線性同相軸組成，其f－k譜含有嚴重的空間假頻（如圖1（c）所示）。共有81道，道間距為5m，時間采樣間隔為2ms，采樣點數為901。圖1（b）是從原始數據中隨機抽去了40％的地震道後得到的數據。圖1（d）是圖1（b）對應的f－k譜。從圖1（d）中可以看出，由於地震道的缺失而導致f－k譜上產生嚴重的噪音。

圖1 多步自回歸法理論算例

圖2 最小范數傅立葉重建方法與多步自回歸法的理論聯合應用（一）

圖2（a）是利用FRMN方法重建出的低頻數據，其f－k譜如圖2（c）所示。重建出的低頻數據被MSAR演算法用於提取預測濾波器來重建數據的高頻部分。對於數據低頻端的預測濾波器是通過預測濾波器的外推來估計。通過FRMN ＋ MSAR方法重建後的完整數據如圖2（b）所示，其對應的f－k譜如圖2（d）所示，與原始數據的f－k譜（圖1（c））相對比，幾乎完全一樣，由采樣缺失引起的噪音已被消除。與原始數據（圖1（a））相對比，缺失的地震道被填充，線性同相軸的連續性也很好。

圖3 最小范數傅立葉重建方法與多步自回歸法的理論聯合應用（二）

圖4 圖3中數據對應的f－k譜

圖5 最小范數傅立葉重建方法與多步自回歸方法的實際應用

為了進一步驗證演算法在復雜情況下的適用性，我們選取了Marmousi模型數據中的一個單炮數據（圖3（a）），共有96道數據，道間距為25m，時間采樣間隔為4ms，采樣點數為750。隨機抽去了其中的27道數據（圖3（b）），用FRMN ＋ MSAR方法對該數據進行重建，圖3（c）顯示的是用FRMN方法重建的低頻段的數據，圖3（d）顯示的是用FRMN＋MSAR方法重建的完整單炮數據。由於模型很復雜，所以原始單炮數據的f－k譜有空間假頻的存在（圖4（a））。圖4（b）是圖3（b）對應的f－k譜，可以看出含有嚴重的噪音。圖4（c）和圖4（d）分別是3（c）和圖3（d）對應的f－k譜。重建後的數據f－k譜中的噪音消除了，缺失的道也得到了填充，而且同相軸也保持很好的連續性。

圖6 圖5中數據對應的f－k譜

4 實際數據算例

本節我們將對實際數據進行重建，以驗證FRMN ＋MSAR方法的適用性。選取一個共偏移距地震剖面的部分數據（圖5（a）），總共有201道，道間距為12.5m，時間采樣間隔為2ms。隨機抽去其中30％的地震道（圖5（b））進行重建，圖5（c）展示的是FRMN方法重建的低頻段的數據，圖5（d）展示的是FRMN＋MSAR重建的完整數據。圖6（a）、圖6（b）、圖6（c）和圖6（d）分別是圖5（a）、圖5（d）、圖5（c）和圖5（d）對應的f－k譜。可以看出，重建前後數據f－k譜的變化很小。重建後數據的缺失道得到了恢復，且同相軸連續，重建的結果接近於原始數據。

5 結論

本文在最小范數傅立葉重建方法的基礎上，結合多步自回歸方法進行含空間假頻地震數據的重建。多步自回歸方法是對Spitz方法的拓展，也是基於近似線性同相軸的假設。因此在處理復雜地震數據的時候一般難以滿足這個假設，這時可採用小時空窗的方法來進行計算，在小時空窗中可以認為滿足近似線性的假設。但是時空窗太小會使數據量不足，反而會導致重建的結果不好或可能無法重建。眾所周知，為了能夠求解大多數的地球物理問題，必須基於某些假設條件。一般在處理實際數據時，都是部分地違背這些假設的。事實上，對於中等程度彎曲的同相軸本方法同樣能取得比較理想的重建結果，說明本文的重建方法具有很好的穩定性。實際上，對於含有大間距空道的地震數據，該方法同樣取得了較好的重建結果。通過對一些理論數據和實際數據進行重建實驗，驗證了本文中重建方法的有效性和實用性。另外，地震數據的重建效果同原始數據的復雜程度以及譜的性質、缺失地震道的數量及位置和缺失道間距的大小等多方面原因有關，需要進一步研究這些因素對重建演算法的影響。

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［14］Naghizadeh M，Sacchi M D.Multistep autoregressive reconstruction of seismic records［J］. Geophysics，2007，72（6）：111－118.

『陸』 地震的研究方法

地震又稱地動、地振動，是地殼快速釋放能量過程中造成的振動，期間會產生地震波的一種自然現象。地球上板塊與板塊之間相互擠壓碰撞，造成板塊邊沿及板塊內部產生錯動和破裂，是引起地震的主要原因。地震開始發生的地點稱為震源，震源正上方的地面稱為震中。破壞性地震的地面振動最烈處稱為極震區，極震區往往也就是震中所在的地區。地震監測
手段方法
(1)測震：記錄一個區域內大小地震的時空分布和特徵，從而預報大地震。人們常說的「小震鬧，大震到」，就是以震報震的一種特例。當然，需要注意的是「小震鬧」並不一定導致「大震到」。

(2)地殼形變觀測：許多地震在臨震前，震區的地殼形變增大，可以是平時的幾倍到幾十倍。如測量斷層兩側的相對垂直升降或水平位移的參數，是地震預報重要的依據。(3)地磁測量：地球基本磁場可以直接反映地球各種深度乃至地核的物理過程，地磁場及其變化是地球深部物理過程信息的重要來源之一。震磁效益的研究有其理論依據和實驗基礎，更有震例的事實。

(4)地電觀測：地震孕育過程中，會伴隨有地下介質(主要是岩石)電阻率的變化及大地電流和自然電場的變化，由於這些變化與岩石受力變形及破裂過程有關，因此提取這一信息可以預測地震。

(5)重力觀測：地球重力場是一種比較穩定的地球物理場之一，它與觀測點的位置和地球內部介質密度有關。因此，通過重力場變化可以了解到地殼的變形、岩石密度的變化，從而預測地震。

(6)地應力觀測：地震孕育不論機制如何，其實質是一個力學過程，是在一定構造背景條件下，地殼體中應力作用的結果。觀測地殼應力的變化，可以捕捉地震前兆的信息。

(7)地下水物理和化學的動態觀測：地下水動態在震前異常現象，宏觀現象如水井水位上漲，水中翻花冒泡、井水變色變味等；微觀現象如水化學成分改變(如水中溶解氡氣量變化等)，固體潮(天體引潮力引起的地下水位漲落現象)的改變等。通過地下水動態的觀測，可以直接地了解含水層受周圍的影響情況和受力的情況，從而進行地震預報。

類似這樣的經常性的監測手段和預報方法還有不少。地震學家們根據多種手段觀測的結果，綜合考慮環境因素、構造條件和地球動力因素等，提出慎之又慎的分析預測意見。

『柒』 地震預測的方法

最近關注這個話題的人很多，我也了解了一些，希望能幫助樓主，同時也可以讓更多人了解！！！地震預測研究有3種不同的思路:
①地震地質。地震發生在地殼中上層，故認定地震應屬於地質過程。研究已發生的大地震的地質構造特點，應有助於今後判定何處具備發生大地震的地質背景。但有些地震發生前，地質構造往往不甚明朗，震後才發現有某個斷層，認為與地震有關。
②地震統計。對過去已發生的地震，運用數理統計方法，從中發現地震發生的規律，特別是時間序列的規律，根據過去以推測未來。此法把地震問題歸結為數學問題。因需要對大量地震資料作統計，研究的區域往往過大，所以判定地震的地點有困難，而且外推常常不準確。
③地震前兆。地震是地球介質的破裂，故認定地震應屬於物理過程。觀測地球物理場各種參量以及地下水等異常變化，可能找到有用的地震前兆 。前兆研究中的最大困難是，觀測中常遇到各種天然的和人為的干擾，而所謂的前兆與地震的對應往往也是經驗性的。尚未找到一種普遍適用的可靠的前兆。
以上 3種思路都有片面性，都不能獨立地解決地震預測問題 。實際採取的是綜合的辦法，把3種不同思路所得放在一起對比參照，力求對未來的地震活動作出估計。
地震預測是世界難題，第一，地球的不可入性。大家知道上天容易入地難，我們對地下發生的變化，只能通過地表的觀測來推測；第二，地震孕律的復雜性。通過專家多年的研究，現在逐漸認識到地震孕育、發生、發展的過程十分復雜，在不同的地理構造環境、不同的時間階段，不同震級的地震都顯示出相當復雜的孕律過程；第三，地震發生的小概率性。大家可能都感覺到，全球每年都有地震發生，有些還是比較大的地震。但是對於一個地區來說，地震發生的重復性時間是很長的，幾十年、幾百年、上千年，而進行科學研究的話，都有統計樣本。而這個樣本的獲取，在有生之年都非常困難。
由於地震預測作為一個世界性科學難題，全世界都在努力研究地震預測，探索地震預測的有效途徑，但就現在來說，不管國內還是國際上，還很難完全准確地預報地震。一次真正的有社會顯示度的預報意見必須給出未來地震時間、地點和震級，即時空強三要素，一種實用的預報方法必須具有較高的准確率。
動物對於地震更為敏感，許多動物的某些器官感覺特別靈敏，它能比人類提前知道一些災害事件的發生，例如海洋中水母能預報風暴，老鼠能事先躲避礦井崩塌或有害氣體等等。至於在視覺、聽覺、觸覺、振動覺，平衡覺器官中，哪些起了主要作用，哪些又起了輔助判斷作用，對不同的動物可能有所不同。伴隨地震而產生的物理、化學變化（振動、電、磁、氣象、水氡含量異常等），往往能使一些動物的某種感覺器官受到刺激而發生異常反應。如一個地區的重力發生變異，某些動物可能能過它的平衡器官感覺到；一種振動異常，某些動物的聽覺器官也許能夠察覺出來。地震前地下岩層早已在逐日緩慢活動，呈現出蠕動狀態，而斷層面之間又具有強大的磨擦力，於是有人認為在磨擦的斷層面上會產生一種每秒鍾僅幾次至十多次、低於人的聽覺所能感覺到的低頻聲波。人要在每秒20次以上的聲波才能感覺到，而動物則不然。那些感覺十分靈敏的動物，在感觸到這種聲波時，便會驚恐萬狀，以致出現冬蛇出洞，魚躍水面，豬牛跳圈，狗哭狼吼等異常現象。動物異常的種類很多，有大牲畜、家禽、穴居動物、冬眠動物、魚類等等。動物反常的情形，人們也有幾句順口溜總結得好：
震前動物有預兆，群測群防很重要。
牛羊騾馬不進廄，豬不吃食狗亂咬。
鴨不下水岸上鬧，雞飛上樹高聲叫。
冰天雪地蛇出洞，大鼠叼著小鼠跑。
兔子豎耳蹦又撞，魚躍水面惶惶跳。
蜜蜂群遷鬧轟轟，鴿子驚飛不回巢。
家家戶戶都觀察，發現異常快報告。
除此之外，有些植物在震前也有異常反應，如不適季節的發芽、開花、結果或大面積枯萎與異常繁茂等。

『捌』 　地震方法與技術

地震勘探是通過人工手段激發地震波，研究地震波在地層中的傳播規律，以查明地下地質小構造及獲取地層、岩性信息的一種物探方法。所採用的淺層反射法，不僅能直觀地反映地層界面的起伏變化，而且還能探測地下隱伏斷層、空洞、陷落柱及各種異常物體。其基本原理如圖5-13、圖5-14所示。

圖5-13反射地震法流程圖

圖5-14共反射點激發接收示意圖

在震源處激發地震波，該波在地表下半空間進行傳播，當碰到基岩面或其他波阻抗（地層波速與密度的乘積）分界面時，就會產生反射波返回到地表，並被安置在1,2，…，M等處的檢波器所接收，檢波器將反射波引起的微波地面振動轉化成電信號，然後再傳輸至接收儀器中，經過放大，以數字方式被記錄下來。

在地震勘探的野外工作和資料處理過程中，總是盡量增強有效波，壓制干擾波，即提高地震資料的信噪比（S/N），以提高地震勘探的解釋精度和地質效果。目前，在地震勘探中廣泛使用的用以提高信噪比的方法是共反射點疊加法，簡稱水平疊加或多次覆蓋技術。

通常基岩面是一個良好的反射界面，可以得到連續追蹤的反射波。煤系地層中，煤層的頂底板也是良好的波阻抗界面，能夠形成較強的反射波。這些反射波的振幅、波形、頻率等特徵穩定。由於陷落柱的存在，波阻抗分界面被破壞，致使反射波追蹤中斷，動力學特徵（波形、振幅、頻率）明顯變化。所以，在地震記錄或剖面上確定陷落柱的位置是可行的。利用反射波地震法對陷落柱這樣的局部小構造進行研究所面臨的主要問題之一是橫向解析度（指地震剖面橫向上能分辨的最小地質體寬度）問題，這是與常規區域性構造地震勘探的最大不同。

反射波地震在現有的物探手段中是分辨能力最高的，但是也存在著一些致命的弱點：對施工條件要求嚴格，地形起伏及低速帶對資料的解釋影響較大，反射波是續至波，淺層勘探時干擾影響特別突出，比其他物探方法成本高。所以，只能在其他物探方法大致確定陷落柱位置的基礎上，在地形較平坦的地段利用反射波地震技術准確圈定陷落柱的邊界。