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《地震研究杂志》2016年第3期
摘要:
为研究气枪的激发特性，并为气枪发射台的堪选、建设提供参考依据，在宾川地震信号发射台进行了不同气枪组合的激发试验，并对试验数据进行了分析。结果表明:(1)单支气枪激发100多次的叠加信号可以被在150km外的地震台记录到;(2)单支气枪激发与4支气枪同时激发的信号频率基本相同，且衰减基本一致，但4支气枪同时激发信号的均方根振幅约为单支气枪的4倍;(3)当气枪组合激发的信号的信噪比达到10dB时，相关系数可以达到0.99以上;(4)4支气枪同时激发的激发效率是单支气枪的4倍。从分析结果可看出，宾川地震信号发射台在牺牲一定效率的情况下，单支气枪激发信号可以替代4支气枪组合的激发信号。
关键词:
气枪激发;地震信号;激发效率;信噪比;信号叠加
0引言
大容量气枪震源具有绿色环保、重复性好、激发能量大、能量转换效率高等优点(陈颙等，2007a，b)。作为一种高效经济的主动震源，近些年一些地球科学家将其从海洋搬到陆地，用于内陆地球深部结构的探测。2006、2007年，在陈颙院士的带领下，在河北遵义上关湖水库进行了2次大容量气枪的激发试验(陈颙等，2007b;林建民等，2008，2010;Chenetal，2008)，用4支容量分别为1500in3和4支容量分别为2000in3的气枪组进行了试验，试验表明了小水体中大容量气枪依然保持了较好的能量转换效率(Wangetal，2010)，单次激发分别在距离为110km和185km的台站可以清晰的记录到信号(林建民等，2008，2010;Chenetal，2008)，这2次试验不但得出了一些可喜的研究成果，更证明陆地水库大容量气枪进行地下深部结构探测的可行性。由于气枪激发受到水库水体、形状以及水位等因素的影响，激发产生的信号除了主脉冲、气泡脉冲、气泡震荡和水面虚反射外，还存在很多近源固液界面的反射、折射和绕射等干扰与信号叠加在一起，若水库形状不规则且界面不平滑，气枪信号会变的比较复杂，激发质量也会受到一定影响。由于水库大容量气枪激发的影响因素较多，前人在海洋中进行气枪激发试验得到的理论基础不能完全适用，林建民等(2010)对水库中近场的水听器接收到的气枪信号进行了分析，得出了气枪沉放深度、工作压力等激发条件与近场信号的关系。Chen等(2014)于2011年在宾川地震信号发射台做了类似的试验，不但分析了水中近场OBS水听器的信号，还分析了远场陆地地震仪记录的信号，总结了气枪沉放深度、工作压力、水库水位变化对激发的影响。但他们并未对不同气枪组合的激发效率进行详细研究。宾川地震信号发射台自2011年开始试验至今，产出了大量的试验数据，得到了很好的试验效果。同时，也发现了一些问题，最突出的是气枪震源的稳定性，水库水位的季节性变化会影响气枪震源的激发稳定性(Chenetal，2014)。其次，要实现“地下云图”的构建需要在一定探测区域尺度内建设多个气枪发射台，让气枪信号多角度的扫描整个探测区域。而在一个较小的区域内勘选多个适合建设气枪发射台的水体较为困难，如果能够精简气枪激发系统，使其具备更好的流动性，能在更小的水体中进行气枪激发，那么这些问题就能得到解决。为此，研究气枪数量与激发效率关系，讨论使用更少数量气枪组合在更小的水体中激发达到现有激发效果具有重要的现实意义。2013年，在宾川地震信号发射台开展了单支气枪激发(以下简称单枪激发)与4支气枪同时激发(以下简称4枪激发)激发效率的对比研究试验。本文对这些试验数据进行对比分析，讨论气枪源的激发效率与气枪数量的经验关系，为在较小水体中建设气枪发射台提供一些参考依据。
1试验情况
宾川地震信号发射台处于由红河断裂、剑川—丽江断裂和程海断裂围成的三角形块体内(王彬等，2015)(图1)，其激发系统由4支Btolt1500LL型气枪组列构成，单支容量2000in3，总容量达8000in3(图2)，震源系统常规激发时由4枪激发;接收系统由激发台周围150km范围内分布的40多个流动测震台构成，每个流动测震台都是由Reftek130B数据采集器和频带范围2s～100Hz的短周期GuralpCMG—40T地震计组成(Wangetal，2012)。2013年10～12月期间，在宾川地震信号发射台分别做了2组试验，本文根据4支气枪所处的位置对其进行了编号(图2)。第1组试验为相同位置单枪重复性激发试验，1号枪和3号枪各激发了49次;第2组试验为同一时间段4号枪单枪激发与4枪激发的对比试验，为了增加样本的数量，这组试验分别在4天内进行;2015年3月，笔者又进行了第3组试验，在同一时段不同位置的单枪激发进行对比试验。以上试验时间都在GMT时间14时(即北京时间22时)以后进行，人类活动较少，能有效的降低人为噪声干扰。具体试验情况及参数详见表1，并挑选了部分信噪比较好的台站的数据进行了分析(图1)。试验的目的:(1)单枪激发的重复性是否与4枪激发相当;(2)相同激发条件下，对比单枪和4枪的激发效率;(3)不同位置单枪激发信号之间是否存在较大差异。
2对比分析
2.1单枪和4枪激发震源信号对比
要了解一个震源的特性，需要从“源”入手。水库大容量气枪震源，对于陆地上的地震仪来说，气枪产生的水泡与水库的液、壁相互作用耦合共同构成了一个特殊的震源系统，距离激发浮台水平距离50m的参考台刚好处于这个震源系统的外沿(图2)，本文近似地将参考台接收到的激发信号看作源信号。讨论单枪与4枪激发信号的效率，首先要对比气枪源信号。试验中所计算的振幅如无注明均表示均方根振幅。在第1组试验中，将参考台记录到的同一支气枪同一天晚上激发的49次信号进行两两相关得到1176个相关系数，将相关系数作成点图，如图3所示。从图3a，b中可以看出，1号和3号气枪的激发信号的相关系数都在0.90以上，且集中在0.98。为了与4枪的激发信号进行对比，本文筛选了第2组试验中激发条件比较接近的2天的试验数据进行对比，其中2013年12月19日和26日，4号气枪共激发33次，4枪激发共32次，分别用这2天单枪和4枪激发的参考台信号进行互相关分析，从图3c、d中可以看出，4号气枪和4枪的参考台信号相关性分别在0.90以上和0.96以上。在相关性上，4号枪的激发信号较为离散，这可能因为试验分别在2天进行，激发条件有了细微的变化(水位和浮台位置的变化)，而单枪较4枪激发对这些变化更敏感。第2组试验为在相同激发条件下，对4号枪和4枪的激发信号对比(图4a)，从功率谱密度对比(图4b)可以看出，在参考台的数据采集器为100Hz采样的情况下，接收到的气枪信号主要功率集中在30Hz以下，4枪激发信号的功率谱密度要比单枪的高约10～20dB/Hz，其最大功率都出现在3.50Hz。从时频特性上看，4枪(图4c)和单枪(图4d)激发信号都在1s左右出现了能量最大值，并且集中在8Hz以下，将8Hz以下的有助于远距离传播的低频成分产生的能量放大，4枪激发信号的能量集中在3～4Hz(图4c)，单枪激发信号的能量主要集中在3～6Hz(图4d)，而两者的能量最大值都出现在3.5Hz附近，这与功率谱密度图(图4b)中的功率最大值相对应，其信号能量持续2s左右，初步判断此能量主要是由气泡脉冲和气泡震荡产生，可以看出单枪激发信号的能量中心频率略高于4枪激发信号。在第3组试验中，2号气枪激发信号的最大振幅略高于1号和3号气枪，且高频成分更多，初步估计是由2号气枪距离岸边参考台较近所致。1号和3号气枪的激发条件较为相似，且相关系数和振幅也很接近。
2.2单枪和4枪激发信号信噪比与相关性对比
由于信号的衰减，炮检距较远的台站接收到的激发信号振幅已经淹没在背景噪声之中，无法正确的计算信号振幅和信噪比。但相关信号的叠加能够突显信号(Niuetal，2008;Silveretal，2007)，气枪激发信号的高重复性(林建民等，2008)为气枪信号的叠加提供了有力支持(王宝善等，2011)。本文将挑选出的台站波形信号叠加，经过数次叠加后，气枪信号被突显出来，如图5所示，将图中深灰色框截选的信号作为气枪信号，并计算其均方根振幅，再取很长的一段没有气枪信号的部分作为背景噪声，并求出噪声振幅，研究地震信号在传播过程中的变化。从图6a可以看出，单枪和4枪激发信号的振幅随着炮检距的增加而降低，且变化趋势基本一致，炮检距小于20km时衰减剧烈，变化趋势明显，炮检距大于20km的台站观测到的信号振幅变化趋于平缓。从图6b可以看出，所挑选的台站的背景噪声基本处于0～0.05－7m/s的稳定区间，此时，台站的信噪比和振幅的变化趋势一致，并且单枪和4枪激发信号的变化趋势也是一致的(图6c);从图6c、d中可以看出，单枪和4枪激发信号的相关系数在信噪比大于10dB时变化不大，平均相关系数可达到0.99，当信噪比小于10dB时，二者相关系数骤减，且稳定性也很差。相关系数随炮检距的增大而降低，主要是由信号随炮检距增大导致的信噪比降低引起的，所以台站接收到信号的相关性主要取决于信号的信噪比。从图6综合看出，单枪和4枪的激发信号的变化规律基本一致，其区别主要体现在这2种激发方式产生信号的振幅导致信噪比的不同。
2.3单枪与4枪激发效率的对比
信号的振幅代表了信号的能量，频率可以反应出信号的抗衰减能力，相关系数体现了信号的相似程度，信噪比体现了信号的优劣。从以上试验分析中可以看出几种激发方式，信号的频率和相关性都基本一致，只有信号的振幅有所不同，在噪声较为稳定的情况下，我们以信噪比作为激发效率比较的标尺，单枪激发信号叠加多少次相当于一次4枪激发信号的信噪比。Silver(2007)的研究表明，当信噪比定义为SNR=A2槡signalA2槡noise．(1)其中，Asignal为信号振幅，Anoise为噪声振幅，信噪比与叠加次数的关系为SNR=槡N×SNR0．(2)其中，SNR0是原始信号的信噪比，N为叠加次数，SNR为叠加后的信噪比。若将信噪比以dB形式表示时，信噪比的定义为SNRdB=20×log10AsignalAnoise．(3)由式(2)和式(3)可以得到叠加次数与信噪比的关系为SNRdB=SNRdB0+10×log10N．(4)其中，SNRdB0为原始信号的信噪比。图7为炮检距依次递增的8个流动台记录到波形的信噪比和叠加次数的关系，图中，“○”符号组成的曲线表示实际计算得到的叠加次数和信噪比的关系，黑实线表示由式(4)得到的理论曲线。从图中可以看出每个台的2条曲线还是比较接近的，形成差别的主要原因是现实生活中噪声信号来源复杂，不可能完全符合理想状态。由于理论和实际的计算结果基本一致，我们可以由式(4)推导出单枪信噪比、叠加次数与4枪激发信号信噪比的关系，即N=(SNR4SNR1)2．(5)其中，SNR4为4枪激发信号的信噪比，SNR1为单枪激发信号的信噪比，N为叠加次数。理论上，若台站的背景噪声为振幅恒定的白噪声时，信噪比只与信号振幅有关。由图8a可知，单枪与4枪激发信号的振幅比不随炮检距的增大而有规律变化，其范围大概为3.6～4.4倍，于是可得:k×A1=A4，(3.6≤k≤4.4)．(6)将信号振幅和噪声振幅信息带入式(4)，取k为平均值4，可以得到n=(A4Anoise÷A1Anoise)2=(A4A1)2=(4×A1A1)2=16．(7)其中，n为单枪信号叠加的次数，A4为4枪激发信号的振幅，A1为单枪激发信号的振幅，Anoise为噪声振幅，得到的理论结果是16次单枪激发的结果叠加后的信噪比与1次4枪激发的结果相当。从图8b可以看出，单枪激发信号经过16次叠加的信噪比已经基本高于单次4枪激发的信号，随着炮检距的增大两者的变化趋势基本一致。在单枪信号经过100次叠加后，其信号可以在炮检距为150km的台站识别出来(图5)。
3讨论与结论
从以上的分析研究可以发现，宾川地震信号发射台单枪和4枪激发信号的周期基本一致，这点可以从4枪激发的相干性来考虑，当气枪组相邻枪之间的距离为气泡半径2倍左右时，气枪组可以形成相干枪阵(陈浩林等，2003)。Johnson(1994)和Ziolkowski(1970)的经验公式为a=(34π)13(P0V0Pa+ρwgh)13γ．(8)其中，a为平衡气泡半径，γ=1.13为热容比，P0为气枪压力，V0为气枪容量2000in3，Pa为大气压强，ρw=1000kg/m3为水的密度，g=9.8N/kg，h为气枪的深度。由式(8)可以计算出平衡气泡半径。当气枪压力为15MPa，枪深为10m时，计算得到气泡的平衡半径a≈0.8096m，其2倍为1.6192m。从图2可以看出，4支气枪悬挂于边长为7m的正方形浮台，相邻枪之间枪口的距离约为5.12m，这个距离远远大于相干枪1.6192m的距离，所以此枪阵为不相干枪阵，这也就说明了4枪和单枪激发信号的频率只存在微小差别的原因。从振幅随炮检距的增大的衰减看，单枪与4枪激发信号的衰减速度相当，4枪与单枪激发信号的振幅比保持在3.6～4.4之间，说明单枪与4枪激发信号的频率的微小差异，并不是影响信号传播的主要原因。而4枪和单枪激发所产生的信号4倍左右的振幅差异才是影响单枪激发能力的主要原因。从2种激发信号的相关系数看，相关系数与信号的信噪比高度相关，单枪信号可以通过信号叠加，有效地提高信噪比。水库单枪和4枪激发对比试验是研究陆地单枪气枪震源可行性的第一步，单枪的激发效率虽然低于4枪，但其具备150km的信号覆盖半径，具有更好的流动性，占用的空间更小，在今后气枪台网的建设、气枪流动台的建设都具有实际的应用价值，特别是今后单枪在更小的人工水体中发射台的建立，可以降低水库选址的困难，并且能很好地控制气枪震源的激发条件，使得气枪震源系统更加稳定、高效，但在此之前，人工水体的设计还需要更多的试验研究。中国地震局地球物理研究所王宝善研究员对本论文进行了耐心细致的指导，陈蒙博士在试验数据的处理方面给予很多的帮助，中国地震局滇西地震预报实验场金明培高级工程师、杨军高级工程师、叶泵工程师等，对本次试验能够顺利开展做了很多工作，给予很大的支持，在此表示由衷的感谢。
参考文献:
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作者:李孝宾 叶泵 杨军 陈蒙 金明培 王宝善 单位:中国地震局滇西地震预报实验场 中国地震局地球物理研究所 南洋理工大学