水庫氣槍震源不同組合激發(fā)效率的對比研究

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)射臺的堪選、建設(shè)提供參考依據(jù)，在賓川地震信號發(fā)射臺進行了不同氣槍組合的激發(fā)試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行了分析。結(jié)果表明：（1）單支氣槍激發(fā)100多次的疊加信號可以被在150 km外的地震臺記錄到；（2）單支氣槍激發(fā)與4支氣槍同時激發(fā)的信號頻率基本相同，且衰減基本一致，但4支氣槍同時激發(fā)信號的均方根振幅約為單支氣槍的4倍；（3）當氣槍組合激發(fā)的信號的信噪比達到10 dB時，相關(guān)系數(shù)可以達到099以上；（4）4支氣槍同時激發(fā)的激發(fā)效率是單支氣槍的4倍。從分析結(jié)果可看出，賓川地震信號發(fā)射臺在犧牲一定效率的情況下，單支氣槍激發(fā)信號可以替代4支氣槍組合的激發(fā)信號。

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

中圖分類號：P3153文獻標識碼：A文章編號：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（陳颙等，2007a，b）。作為一種高效經(jīng)濟的主動震源，近些年一些地球科學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。2006、2007年，在陳颙院士的帶領(lǐng)下，在河北遵義上關(guān)湖水庫進行了2次大容量氣槍的激發(fā)試驗（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的氣槍組進行了試驗，試驗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的臺站可以清晰的記錄到信號（林建民等，2008，2010；Chen et al，2008），這2次試驗不但得出了一些可喜的研究成果，更證明陸地水庫大容量氣槍進行地下深部結(jié)構(gòu)探測的可行性。

由于氣槍激發(fā)受到水庫水體、形狀以及水位等因素的影響，激發(fā)產(chǎn)生的信號除了主脈沖、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疊加在一起，若水庫形狀不規(guī)則且界面不平滑，氣槍信號會變的比較復(fù)雜，激發(fā)質(zhì)量也會受到一定影響。由于水庫大容量氣槍激發(fā)的影響因素較多，前人在海洋中進行氣槍激發(fā)試驗得到的理論基礎(chǔ)不能完全適用，林建民等（2010）對水庫中近場的水聽器接收到的氣槍信號進行了分析，得出了氣槍沉放深度、工作壓力等激發(fā)條件與近場信號的關(guān)系。Chen等（2014）于2011年在賓川地震信號發(fā)射臺做了類似的試驗，不但分析了水中近場OBS水聽器的信號，還分析了遠場陸地地震儀記錄的信號，總結(jié)了氣槍沉放深度、工作壓力、水庫水位變化對激發(fā)的影響。但他們并未對不同氣槍組合的激發(fā)效率進行詳細研究。

賓川地震信號發(fā)射臺自2011年開始試驗至今，產(chǎn)出了大量的試驗數(shù)據(jù)，得到了很好的試驗效果。同時，也發(fā)現(xiàn)了一些問題，最突出的是氣槍震源的穩(wěn)定性，水庫水位的季節(jié)性變化會影響氣槍震源的激發(fā)穩(wěn)定性（Chen et al，2014）。其次，要實現(xiàn)“地下云圖”的構(gòu)建需要在一定探測區(qū)域尺度內(nèi)建設(shè)多個氣槍發(fā)射臺，讓氣槍信號多角度的掃描整個探測區(qū)域。而在一個較小的區(qū)域內(nèi)勘選多個適合建設(shè)氣槍發(fā)射臺的水體較為困難，如果能夠精簡氣槍激發(fā)系統(tǒng)，使其具備更好的流動性，能在更小的水體中進行氣槍激發(fā)，那么這些問題就能得到解決。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)達到現(xiàn)有激發(fā)效果具有重要的現(xiàn)實意義。

2013年，在賓川地震信號發(fā)射臺開展了單支氣槍激發(fā)（以下簡稱單槍激發(fā)）與4支氣槍同時激發(fā)（以下簡稱4槍激發(fā)）激發(fā)效率的對比研究試驗。本文對這些試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，討論氣槍源的激發(fā)效率與氣槍數(shù)量的經(jīng)驗關(guān)系，為在較小水體中建設(shè)氣槍發(fā)射臺提供一些參考依據(jù)。

1試驗情況

賓川地震信號發(fā)射臺處于由紅河斷裂、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_8 000 in3（圖2），震源系統(tǒng)常規(guī)激發(fā)時由4槍激發(fā)；接收系統(tǒng)由激發(fā)臺周圍150 km范圍內(nèi)分布的40多個流動測震臺構(gòu)成，每個流動測震臺都是由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地震計組成（Wang et al，2012）。

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

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

2對比分析

21單槍和4槍激發(fā)震源信號對比

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

在第1組試驗中，將參考臺記錄到的同一支氣槍同一天晚上激發(fā)的49次信號進行兩兩相關(guān)得到1 176個相關(guān)系數(shù)，將相關(guān)系數(shù)作成點圖，如圖3所示。從圖3a，b中可以看出，1號和3號氣槍的激發(fā)信號的相關(guān)系數(shù)都在090以上，且集中在098。為了與4槍的激發(fā)信號進行對比，本文篩選了第2組試驗中激發(fā)條件比較接近的2天的試驗數(shù)據(jù)進行對比，其中2013年12月19日和26日，4號氣槍共激發(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)的參考臺信號進行互相關(guān)分析，從圖3c、d中可以看出，4號氣槍和4槍的參考臺信號相關(guān)性分別在090以上和096以上。在相關(guān)性上，4號槍的激發(fā)信號較為離散，這可能因為試驗分別在2天進行，激發(fā)條件有了細微的變化（水位和浮臺位置的變化），而單槍較4槍激發(fā)對這些變化更敏感。

第2組試驗為在相同激發(fā)條件下，對4號槍和4槍的激發(fā)信號對比（圖4a），從功率譜密度對比（圖4b）可以看出，在參考臺的數(shù)據(jù)采集器為100 Hz采樣的情況下，接收到的氣槍信號主要功率集中在30 Hz以下，4槍激發(fā)信號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。從時頻特性上看，4槍（圖4c）和單槍（圖4d）激發(fā)信號都在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以下的有助于遠距離傳播的低頻成分產(chǎn)生的能量放大，4槍激發(fā)信號的能量集中在3～4 Hz（圖4c），單槍激發(fā)信號的能量主要集中在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應(yīng)，其信號能量持續(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)信號的能量中心頻率略高于4槍激發(fā)信號。

在第3組試驗中，2號氣槍激發(fā)信號的最大振幅略高于1號和3號氣槍，且高頻成分更多，初步估計是由2號氣槍距離岸邊參考臺較近所致。1號和3號氣槍的激發(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)信號信噪比與相關(guān)性對比

由于信號的衰減，炮檢距較遠的臺站接收到的激發(fā)信號振幅已經(jīng)淹沒在背景噪聲之中，無法正確的計算信號振幅和信噪比。但相關(guān)信號的疊加能夠突顯信號（Niu et al，2008；Silver et al，2007），氣槍激發(fā)信號的高重復(fù)性（林建民等，2008）為氣槍信號的疊加提供了有力支持（王寶善等，2011）。本文將挑選出的臺站波形信號疊加，經(jīng)過數(shù)次疊加后，氣槍信號被突顯出來，如圖5所示，將圖中深灰色框截選的信號作為氣槍信號，并計算其均方根振幅，再取很長的一段沒有氣槍信號的部分作為背景噪聲，并求出噪聲振幅，研究地震信號在傳播過程中的變化。從圖6a可以看出，單槍和4槍激發(fā)信號的振幅隨著炮檢距的增加而降低，且變化趨勢基本一致，炮檢距小于20 km時衰減劇烈，變化趨勢明顯，炮檢距大于20 km的臺站觀測到的信號振幅變化趨于平緩。從圖6b可以看出，所挑選的臺站的背景噪聲基本處于0～005-7 m/s的穩(wěn)定區(qū)間，此時，臺站的信噪比和振幅的變化趨勢一致，并且單槍和4槍激發(fā)信號的變化趨勢也是一致的（圖6c）；從圖6c、d中可以看出，單槍和4槍激發(fā)信號的相關(guān)系數(shù)在信噪比大于10 dB時變化不大，平均相關(guān)系數(shù)可達到099，當信噪比小于10 dB時，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，主要是由信號隨炮檢距增大導致的信噪比降低引起的，所以臺站接收到信號的相關(guān)性主要取決于信號的信噪比。

從圖6綜合看出，單槍和4槍的激發(fā)信號的變化規(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)生信號的振幅導致信噪比的不同。

23單槍與4槍激發(fā)效率的對比

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

其中，n為單槍信號疊加的次數(shù)，A4為4槍激發(fā)信號的振幅，A1為單槍激發(fā)信號的振幅，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。

從圖8b可以看出，單槍激發(fā)信號經(jīng)過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，隨著炮檢距的增大兩者的變化趨勢基本一致。在單槍信號經(jīng)過100次疊加后，其信號可以在炮檢距為150 km的臺站識別出來（圖5）。

3討論與結(jié)論

從以上的分析研究可以發(fā)現(xiàn)，賓川地震信號發(fā)射臺單槍和4槍激發(fā)信號的周期基本一致，這點可以從4槍激發(fā)的相干性來考慮，當氣槍組相鄰槍之間的距離為氣泡半徑2倍左右時，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，ρw=1 000 kg/m3為水的密度，g=98 N/kg，h為氣槍的深度。由式（8）可以計算出平衡氣泡半徑。當氣槍壓力為15 MPa，槍深為10 m時，計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支氣槍懸掛于邊長為7 m的正方形浮臺，相鄰槍之間槍口的距離約為512 m，這個距離遠遠大于相干槍1619 2 m的距離，所以此槍陣為不相干槍陣，這也就說明了4槍和單槍激發(fā)信號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)信號的衰減速度相當，4槍與單槍激發(fā)信號的振幅比保持在36～44之間，說明單槍與4槍激發(fā)信號的頻率的微小差異，并不是影響信號傳播的主要原因。而4槍和單槍激發(fā)所產(chǎn)生的信號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)信號的相關(guān)系數(shù)看，相關(guān)系數(shù)與信號的信噪比高度相關(guān)，單槍信號可以通過信號疊加，有效地提高信噪比。

水庫單槍和4槍激發(fā)對比試驗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的信號覆蓋半徑，具有更好的流動性，占用的空間更小，在今后氣槍臺網(wǎng)的建設(shè)、氣槍流動臺的建設(shè)都具有實際的應(yīng)用價值，特別是今后單槍在更小的人工水體中發(fā)射臺的建立，可以降低水庫選址的困難，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)計還需要更多的試驗研究。

中國地震局地球物理研究所王寶善研究員對本論文進行了耐心細致的指導，陳蒙博士在試驗數(shù)據(jù)的處理方面給予很多的幫助，中國地震局滇西地震預(yù)報實驗場金明培高級工程師、楊軍高級工程師、葉泵工程師等，對本次試驗?zāi)軌蝽樌_展做了很多工作，給予很大的支持，在此表示由衷的感謝。

參考文獻：

陳颙，王寶善，葛洪魁等. 2007a. 建立地震發(fā)射臺的建議[J]. 地球科學進展，22（5）：441-446.

陳颙，張先康，丘學林等. 2007b.陸地人工激發(fā)地震波的一種新方法[J]. 科學通報，52（11）： 1317-1321.

陳浩林，寧書年，熊金良等. 2003. 氣槍陣列子波數(shù)值模擬[J]. 石油地球物理勘探，38（4）： 363-368.

林建民，王寶善，葛洪魁等. 2008. 大容量氣槍震源特征及地震波傳播的震相分析[J]. 地球物理學報，51（1）： 206-212.

林建民，王寶善，葛洪魁等. 2010. 大容量氣槍震源子波激發(fā)特性分析[J]. 地球物理學報，53（2）：342-349.

王彬，吳國華，蘇有錦等. 2015. 賓川地震信號發(fā)射臺的選址、建設(shè)及初步觀測結(jié)果[J]. 地震研究，38（1）：1-6.

王寶善，王偉濤，葛洪魁等.2011. 人工震源地下介質(zhì)變化動態(tài)監(jiān)測[J]. 地球科學進展，26（3）：249-256.