李孝賓　葉泵　楊軍　陳蒙　金明培

摘要：為研究氣槍的激發(fā)特性，并為氣槍發(fā)射臺(tái)的堪選、建設(shè)提供參考依據(jù)，在賓川地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)進(jìn)行了不同氣槍組合的激發(fā)試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：（1）單支氣槍激發(fā)100多次的疊加信號(hào)可以被在150 km外的地震臺(tái)記錄到；（2）單支氣槍激發(fā)與4支氣槍同時(shí)激發(fā)的信號(hào)頻率基本相同，且衰減基本一致，但4支氣槍同時(shí)激發(fā)信號(hào)的均方根振幅約為單支氣槍的4倍；（3）當(dāng)氣槍組合激發(fā)的信號(hào)的信噪比達(dá)到10 dB時(shí)，相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到099以上；（4）4支氣槍同時(shí)激發(fā)的激發(fā)效率是單支氣槍的4倍。從分析結(jié)果可看出，賓川地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)在犧牲一定效率的情況下，單支氣槍激發(fā)信號(hào)可以替代4支氣槍組合的激發(fā)信號(hào)。

關(guān)鍵詞：氣槍激發(fā)；地震信號(hào)；激發(fā)效率；信噪比；信號(hào)疊加

中圖分類號(hào)：P3153文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2016）03-0458-08

0引言

大容量氣槍震源具有綠色環(huán)保、重復(fù)性好、激發(fā)能量大、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)（陳颙等，2007a，b）。作為一種高效經(jīng)濟(jì)的主動(dòng)震源，近些年一些地球科學(xué)家將其從海洋搬到陸地，用于內(nèi)陸地球深部結(jié)構(gòu)的探測(cè)。2006、2007年，在陳颙院士的帶領(lǐng)下，在河北遵義上關(guān)湖水庫(kù)進(jìn)行了2次大容量氣槍的激發(fā)試驗(yàn)（陳颙等，2007b；林建民等，2008，2010；Chen et al，2008），用4支容量分別為1 500 in3和4支容量分別為2 000 in3的氣槍組進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)表明了小水體中大容量氣槍依然保持了較好的能量轉(zhuǎn)換效率（Wang et al，2010），單次激發(fā)分別在距離為110 km和185 km的臺(tái)站可以清晰的記錄到信號(hào)（林建民等，2008，2010；Chen et al，2008），這2次試驗(yàn)不但得出了一些可喜的研究成果，更證明陸地水庫(kù)大容量氣槍進(jìn)行地下深部結(jié)構(gòu)探測(cè)的可行性。

由于氣槍激發(fā)受到水庫(kù)水體、形狀以及水位等因素的影響，激發(fā)產(chǎn)生的信號(hào)除了主脈沖、氣泡脈沖、氣泡震蕩和水面虛反射外，還存在很多近源固液界面的反射、折射和繞射等干擾與信號(hào)疊加在一起，若水庫(kù)形狀不規(guī)則且界面不平滑，氣槍信號(hào)會(huì)變的比較復(fù)雜，激發(fā)質(zhì)量也會(huì)受到一定影響。由于水庫(kù)大容量氣槍激發(fā)的影響因素較多，前人在海洋中進(jìn)行氣槍激發(fā)試驗(yàn)得到的理論基礎(chǔ)不能完全適用，林建民等（2010）對(duì)水庫(kù)中近場(chǎng)的水聽(tīng)器接收到的氣槍信號(hào)進(jìn)行了分析，得出了氣槍沉放深度、工作壓力等激發(fā)條件與近場(chǎng)信號(hào)的關(guān)系。Chen等（2014）于2011年在賓川地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)做了類似的試驗(yàn)，不但分析了水中近場(chǎng)OBS水聽(tīng)器的信號(hào)，還分析了遠(yuǎn)場(chǎng)陸地地震儀記錄的信號(hào)，總結(jié)了氣槍沉放深度、工作壓力、水庫(kù)水位變化對(duì)激發(fā)的影響。但他們并未對(duì)不同氣槍組合的激發(fā)效率進(jìn)行詳細(xì)研究。

賓川地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)自2011年開(kāi)始試驗(yàn)至今，產(chǎn)出了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了很好的試驗(yàn)效果。同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，最突出的是氣槍震源的穩(wěn)定性，水庫(kù)水位的季節(jié)性變化會(huì)影響氣槍震源的激發(fā)穩(wěn)定性（Chen et al，2014）。其次，要實(shí)現(xiàn)“地下云圖”的構(gòu)建需要在一定探測(cè)區(qū)域尺度內(nèi)建設(shè)多個(gè)氣槍發(fā)射臺(tái)，讓氣槍信號(hào)多角度的掃描整個(gè)探測(cè)區(qū)域。而在一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)勘選多個(gè)適合建設(shè)氣槍發(fā)射臺(tái)的水體較為困難，如果能夠精簡(jiǎn)氣槍激發(fā)系統(tǒng)，使其具備更好的流動(dòng)性，能在更小的水體中進(jìn)行氣槍激發(fā)，那么這些問(wèn)題就能得到解決。為此，研究氣槍數(shù)量與激發(fā)效率關(guān)系，討論使用更少數(shù)量氣槍組合在更小的水體中激發(fā)達(dá)到現(xiàn)有激發(fā)效果具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2013年，在賓川地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)開(kāi)展了單支氣槍激發(fā)（以下簡(jiǎn)稱單槍激發(fā)）與4支氣槍同時(shí)激發(fā)（以下簡(jiǎn)稱4槍激發(fā)）激發(fā)效率的對(duì)比研究試驗(yàn)。本文對(duì)這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，討論氣槍源的激發(fā)效率與氣槍數(shù)量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，為在較小水體中建設(shè)氣槍發(fā)射臺(tái)提供一些參考依據(jù)。

1試驗(yàn)情況

賓川地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)處于由紅河斷裂、劍川—麗江斷裂和程海斷裂圍成的三角形塊體內(nèi)（王彬等，2015）（圖1），其激發(fā)系統(tǒng)由4支Btolt 1 500LL型氣槍組列構(gòu)成，單支容量2 000 in3，總?cè)萘窟_(dá)8 000 in3（圖2），震源系統(tǒng)常規(guī)激發(fā)時(shí)由4槍激發(fā)；接收系統(tǒng)由激發(fā)臺(tái)周圍150 km范圍內(nèi)分布的40多個(gè)流動(dòng)測(cè)震臺(tái)構(gòu)成，每個(gè)流動(dòng)測(cè)震臺(tái)都是由Reftek 130B數(shù)據(jù)采集器和頻帶范圍2 s～100 Hz的短周期Guralp CMG—40T地震計(jì)組成（Wang et al，2012）。

2013年10～12月期間，在賓川地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)分別做了2組試驗(yàn)，本文根據(jù)4支氣槍所處的位置對(duì)其進(jìn)行了編號(hào)（圖2）。第1組試驗(yàn)為相同位置單槍重復(fù)性激發(fā)試驗(yàn)，1號(hào)槍和3號(hào)槍各激發(fā)了49次；第2組試驗(yàn)為同一時(shí)間段4號(hào)槍單槍激發(fā)與4槍激發(fā)的對(duì)比試驗(yàn)，為了增加樣本的數(shù)量，

這組試驗(yàn)分別在4天內(nèi)進(jìn)行；2015年3月，筆者又進(jìn)行了第3組試驗(yàn)，在同一時(shí)段不同位置的單槍激發(fā)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。以上試驗(yàn)時(shí)間都在GMT時(shí)間14時(shí)（即北京時(shí)間22時(shí)）以后進(jìn)行，人類活動(dòng)較少，能有效的降低人為噪聲干擾。具體試驗(yàn)情況及參數(shù)詳見(jiàn)表1，并挑選了部分信噪比較好的臺(tái)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析（圖1）。試驗(yàn)的目的：（1）單槍激發(fā)的重復(fù)性是否與4槍激發(fā)相當(dāng)；（2）相同激發(fā)條件下，對(duì)比單槍和4槍的激發(fā)效率；（3）不同位置單槍激發(fā)信號(hào)之間是否存在較大差異。

2對(duì)比分析

21單槍和4槍激發(fā)震源信號(hào)對(duì)比

要了解一個(gè)震源的特性，需要從“源”入手。水庫(kù)大容量氣槍震源，對(duì)于陸地上的地震儀來(lái)說(shuō)，氣槍產(chǎn)生的水泡與水庫(kù)的液、壁相互作用耦合共同構(gòu)成了一個(gè)特殊的震源系統(tǒng)，距離激發(fā)浮臺(tái)水平距離50 m的參考臺(tái)剛好處于這個(gè)震源系統(tǒng)的外沿（圖2），本文近似地將參考臺(tái)接收到的激發(fā)信號(hào)看作源信號(hào)。討論單槍與4槍激發(fā)信號(hào)的效率，首先要對(duì)比氣槍源信號(hào)。試驗(yàn)中所計(jì)算的振幅如無(wú)注明均表示均方根振幅。

在第1組試驗(yàn)中，將參考臺(tái)記錄到的同一支氣槍同一天晚上激發(fā)的49次信號(hào)進(jìn)行兩兩相關(guān)得到1 176個(gè)相關(guān)系數(shù)，將相關(guān)系數(shù)作成點(diǎn)圖，如圖3所示。從圖3a，b中可以看出，1號(hào)和3號(hào)氣槍的激發(fā)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)都在090以上，且集中在098。為了與4槍的激發(fā)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，本文篩選了第2組試驗(yàn)中激發(fā)條件比較接近的2天的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，其中2013年12月19日和26日，4號(hào)氣槍共激發(fā)33次，4槍激發(fā)共32次，分別用這2天單槍和4槍激發(fā)的參考臺(tái)信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)分析，從圖3c、d中可以看出，4號(hào)氣槍和4槍的參考臺(tái)信號(hào)相關(guān)性分別在090以上和096以上。在相關(guān)性上，4號(hào)槍的激發(fā)信號(hào)較為離散，這可能因?yàn)樵囼?yàn)分別在2天進(jìn)行，激發(fā)條件有了細(xì)微的變化（水位和浮臺(tái)位置的變化），而單槍較4槍激發(fā)對(duì)這些變化更敏感。

第2組試驗(yàn)為在相同激發(fā)條件下，對(duì)4號(hào)槍和4槍的激發(fā)信號(hào)對(duì)比（圖4a），從功率譜密度對(duì)比（圖4b）可以看出，在參考臺(tái)的數(shù)據(jù)采集器為100 Hz采樣的情況下，接收到的氣槍信號(hào)主要功率集中在30 Hz以下，4槍激發(fā)信號(hào)的功率譜密度要比單槍的高約10～20 dB/Hz，其最大功率都出現(xiàn)在350 Hz。從時(shí)頻特性上看，4槍（圖4c）和單槍（圖4d）激發(fā)信號(hào)都在1 s左右出現(xiàn)了能量最大值，并且集中在8 Hz以下，將8 Hz以下的有助于遠(yuǎn)距離傳播的低頻成分產(chǎn)生的能量放大，4槍激發(fā)信號(hào)的能量集中在3～4 Hz（圖4c），單槍激發(fā)信號(hào)的能量主要集中在3～6 Hz（圖4d），而兩者的能量最大值都出現(xiàn)在35 Hz附近，這與功率譜密度圖（圖4b）中的功率最大值相對(duì)應(yīng)，其信號(hào)能量持續(xù)2 s左右，初步判斷此能量主要是由氣泡脈沖和氣泡震蕩產(chǎn)生，可以看出單槍激發(fā)信號(hào)的能量中心頻率略高于4槍激發(fā)信號(hào)。

在第3組試驗(yàn)中，2號(hào)氣槍激發(fā)信號(hào)的最大振幅略高于1號(hào)和3號(hào)氣槍，且高頻成分更多，初步估計(jì)是由2號(hào)氣槍距離岸邊參考臺(tái)較近所致。1號(hào)和3號(hào)氣槍的激發(fā)條件較為相似，且相關(guān)系數(shù)和振幅也很接近。

22單槍和4槍激發(fā)信號(hào)信噪比與相關(guān)性對(duì)比

由于信號(hào)的衰減，炮檢距較遠(yuǎn)的臺(tái)站接收到的激發(fā)信號(hào)振幅已經(jīng)淹沒(méi)在背景噪聲之中，無(wú)法正確的計(jì)算信號(hào)振幅和信噪比。但相關(guān)信號(hào)的疊加能夠突顯信號(hào)（Niu et al，2008；Silver et al，2007），氣槍激發(fā)信號(hào)的高重復(fù)性（林建民等，2008）為氣槍信號(hào)的疊加提供了有力支持（王寶善等，2011）。本文將挑選出的臺(tái)站波形信號(hào)疊加，經(jīng)過(guò)數(shù)次疊加后，氣槍信號(hào)被突顯出來(lái)，如圖5所示，將圖中深灰色框截選的信號(hào)作為氣槍信號(hào)，并計(jì)算其均方根振幅，再取很長(zhǎng)的一段沒(méi)有氣槍信號(hào)的部分作為背景噪聲，并求出噪聲振幅，研究地震信號(hào)在傳播過(guò)程中的變化。從圖6a可以看出，單槍和4槍激發(fā)信號(hào)的振幅隨著炮檢距的增加而降低，且變化趨勢(shì)基本一致，炮檢距小于20 km時(shí)衰減劇烈，變化趨勢(shì)明顯，炮檢距大于20 km的臺(tái)站觀測(cè)到的信號(hào)振幅變化趨于平緩。從圖6b可以看出，所挑選的臺(tái)站的背景噪聲基本處于0～005-7 m/s的穩(wěn)定區(qū)間，此時(shí)，臺(tái)站的信噪比和振幅的變化趨勢(shì)一致，并且單槍和4槍激發(fā)信號(hào)的變化趨勢(shì)也是一致的（圖6c）；從圖6c、d中可以看出，單槍和4槍激發(fā)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)在信噪比大于10 dB時(shí)變化不大，平均相關(guān)系數(shù)可達(dá)到099，當(dāng)信噪比小于10 dB時(shí)，二者相關(guān)系數(shù)驟減，且穩(wěn)定性也很差。相關(guān)系數(shù)隨炮檢距的增大而降低，主要是由信號(hào)隨炮檢距增大導(dǎo)致的信噪比降低引起的，所以臺(tái)站接收到信號(hào)的相關(guān)性主要取決于信號(hào)的信噪比。

從圖6綜合看出，單槍和4槍的激發(fā)信號(hào)的變化規(guī)律基本一致，其區(qū)別主要體現(xiàn)在這2種激發(fā)方式產(chǎn)生信號(hào)的振幅導(dǎo)致信噪比的不同。

23單槍與4槍激發(fā)效率的對(duì)比

信號(hào)的振幅代表了信號(hào)的能量，頻率可以反應(yīng)出信號(hào)的抗衰減能力，相關(guān)系數(shù)體現(xiàn)了信號(hào)的相似程度，信噪比體現(xiàn)了信號(hào)的優(yōu)劣。從以上試驗(yàn)分析中可以看出幾種激發(fā)方式，信號(hào)的頻率和相關(guān)性都基本一致，只有信號(hào)的振幅有所不同，在噪聲較為穩(wěn)定的情況下，我們以信噪比作為激發(fā)效率比較的標(biāo)尺，單槍激發(fā)信號(hào)疊加多少次相當(dāng)于一次4槍激發(fā)信號(hào)的信噪比。

其中，n為單槍信號(hào)疊加的次數(shù)，A4為4槍激發(fā)信號(hào)的振幅，A1為單槍激發(fā)信號(hào)的振幅，Anoise為噪聲振幅，得到的理論結(jié)果是16次單槍激發(fā)的結(jié)果疊加后的信噪比與1次4槍激發(fā)的結(jié)果相當(dāng)。

從圖8b可以看出，單槍激發(fā)信號(hào)經(jīng)過(guò)16次疊加的信噪比已經(jīng)基本高于單次4槍激發(fā)的信號(hào)，隨著炮檢距的增大兩者的變化趨勢(shì)基本一致。在單槍信號(hào)經(jīng)過(guò)100次疊加后，其信號(hào)可以在炮檢距為150 km的臺(tái)站識(shí)別出來(lái)（圖5）。

3討論與結(jié)論

從以上的分析研究可以發(fā)現(xiàn)，賓川地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)單槍和4槍激發(fā)信號(hào)的周期基本一致，這點(diǎn)可以從4槍激發(fā)的相干性來(lái)考慮，當(dāng)氣槍組相鄰槍之間的距離為氣泡半徑2倍左右時(shí)，氣槍組可以形成相干槍陣（陳浩林等，2003）。Johnson（1994）和Ziolkowski（1970）的經(jīng)驗(yàn)公式為

a=（34π）13（P0V0Pa+ρwgh）13γ.（8）

其中，a為平衡氣泡半徑，γ=113為熱容比，P0為氣槍壓力，V0為氣槍容量2 000 in3，Pa為大氣壓強(qiáng)，ρw=1 000 kg/m3為水的密度，g=98 N/kg，h為氣槍的深度。由式（8）可以計(jì)算出平衡氣泡半徑。當(dāng)氣槍壓力為15 MPa，槍深為10 m時(shí)，計(jì)算得到氣泡的平衡半徑a≈0809 6 m，其2倍為1619 2 m。從圖2可以看出，4支氣槍懸掛于邊長(zhǎng)為7 m的正方形浮臺(tái)，相鄰槍之間槍口的距離約為512 m，這個(gè)距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于相干槍1619 2 m的距離，所以此槍陣為不相干槍陣，這也就說(shuō)明了4槍和單槍激發(fā)信號(hào)的頻率只存在微小差別的原因。

從振幅隨炮檢距的增大的衰減看，單槍與4槍激發(fā)信號(hào)的衰減速度相當(dāng)，4槍與單槍激發(fā)信號(hào)的振幅比保持在36～44之間，說(shuō)明單槍與4槍激發(fā)信號(hào)的頻率的微小差異，并不是影響信號(hào)傳播的主要原因。而4槍和單槍激發(fā)所產(chǎn)生的信號(hào)4倍左右的振幅差異才是影響單槍激發(fā)能力的主要原因。

從2種激發(fā)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)看，相關(guān)系數(shù)與信號(hào)的信噪比高度相關(guān)，單槍信號(hào)可以通過(guò)信號(hào)疊加，有效地提高信噪比。

水庫(kù)單槍和4槍激發(fā)對(duì)比試驗(yàn)是研究陸地單槍氣槍震源可行性的第一步，單槍的激發(fā)效率雖然低于4槍，但其具備150 km的信號(hào)覆蓋半徑，具有更好的流動(dòng)性，占用的空間更小，在今后氣槍臺(tái)網(wǎng)的建設(shè)、氣槍流動(dòng)臺(tái)的建設(shè)都具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，特別是今后單槍在更小的人工水體中發(fā)射臺(tái)的建立，可以降低水庫(kù)選址的困難，并且能很好地控制氣槍震源的激發(fā)條件，使得氣槍震源系統(tǒng)更加穩(wěn)定、高效，但在此之前，人工水體的設(shè)計(jì)還需要更多的試驗(yàn)研究。

中國(guó)地震局地球物理研究所王寶善研究員對(duì)本論文進(jìn)行了耐心細(xì)致的指導(dǎo)，陳蒙博士在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方面給予很多的幫助，中國(guó)地震局滇西地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)金明培高級(jí)工程師、楊軍高級(jí)工程師、葉泵工程師等，對(duì)本次試驗(yàn)?zāi)軌蝽樌_(kāi)展做了很多工作，給予很大的支持，在此表示由衷的感謝。

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