利用氣槍震源探測大陸淺部的地震學研究回顧與展望

王偉濤+王寶善+蔣生淼+胡久鵬+張元生

摘要：氣槍震源在大陸淺部探測中的應用日益廣泛。首先描述了大容量氣槍震源在陸地水體內(nèi)的激發(fā)特征，分析了其由海洋轉(zhuǎn)入陸內(nèi)水體激發(fā)實現(xiàn)的激發(fā)模式、激發(fā)環(huán)境和探測方法的轉(zhuǎn)變；然后介紹了氣槍震源在探測大陸淺部速度結(jié)構及監(jiān)測彈性波速隨時間變化當中的應用；最后簡述了氣槍震源在地震學研究中的潛在應用及面臨的挑戰(zhàn)。實踐證明，陸地水體內(nèi)激發(fā)的氣槍震源是一種綠色、環(huán)保、高效的人工重復震源，其激發(fā)的信號可用于區(qū)域尺度的地殼結(jié)構成像，在一定程度上可替代傳統(tǒng)炸藥震源。同時，其激發(fā)的高度重復的信號可用于彈性波速隨時間變化的監(jiān)測，測量精度可達到10-4。氣槍震源是一種新型的、發(fā)展中的震源，仍需要對其震源特性和信號處理技術開展深入的研究以拓展其在地震學研究中的應用。

關鍵詞：氣槍震源；淺部探測；波速變化

中圖分類號：P315.3文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2017）04-0514-11

0引言

自地震學誕生以來，研究人員通過對地震波的產(chǎn)生和傳播規(guī)律的研究，獲取了地球內(nèi)部的結(jié)構、組成和狀態(tài)變化的信息。我們對于地球內(nèi)部的了解，大部分來源于地震波，地震波是“照亮地球的一盞明燈”（陳颙，朱日祥，2005）。根據(jù)產(chǎn)生地震波的震源及研究目標的不同，地震學逐漸分化為兩大主要分支：天然地震學和勘探地震學。天然地震學以天然地震為主要震源，利用專業(yè)地震臺站構成接收系統(tǒng)，在全球尺度至區(qū)域尺度（幾十到幾百千米）對地下介質(zhì)進行研究?？碧降卣饘W則主要以人工震源主動發(fā)射地震波，以密集布設的檢波器為接收設備，研究局部尺度（幾百米至十幾千米）精細的淺層礦產(chǎn)資源分布。在遵循地震波傳播規(guī)律的基礎上，二者相互借鑒又獨立發(fā)展。近年來，在很多領域，尤其是針對地球淺部的研究中，二者有逐漸融合的趨勢。

地球的淺部，是相對于地球半徑而言，包含極淺部的近地表沉積層直至地殼和上地幔頂部。地球淺部，尤其是人類生活的大陸的淺部結(jié)構、狀態(tài)及其變化，是天然地震學和勘探地震學共同關心的問題。以資源探查為主要目標的勘探地震學主要研究數(shù)米至數(shù)千米深度的地下介質(zhì)。然而，隨著淺層能源日益減少及近年來非常規(guī)油氣（如頁巖氣）的發(fā)展，勘探地震學也逐漸關注更加深部的信息。同時，天然地震學也借鑒勘探地震學的接收系統(tǒng)，利用大量布設的密集臺站，加強對近地表構造和狀態(tài)的研究（Schmandt，Clayton，2013）。兩者在大陸淺部具有共同的研究對象，其融合的關鍵，在于尋找到一種合適的震源，既能滿足勘探地震學中對震源位置和時間可控的要求，又能實現(xiàn)較大范圍的探測用于天然地震學的研究。

人工震源是勘探地震學使用的主要震源，也是天然地震學所利用的震源之一。在傳統(tǒng)研究中，人工震源使用最多的是利用化學爆炸產(chǎn)生地震波的爆破震源。爆破震源可實現(xiàn)幾十克到幾千千克劑量的爆破，其激發(fā)的地震波可傳播幾百米至幾百千米，在人工震源發(fā)展歷史上扮演了重要的角色。然而，隨著整個社會對環(huán)境保護的日益重視，爆破震源的使用受到越來越多的限制。同時，爆破震源本質(zhì)上是一種瞬間強脈沖型震源，爆破往往會給周邊造成難以恢復的破壞，很難用于重復探測。地震學家轉(zhuǎn)而探索利用連續(xù)震動作為震源，促使了Minisose、Vibroseis及ACROSS等震源的產(chǎn)生和發(fā)展（Yamaoka et al，2001；常旭等，2008；王洪體等，2009）。這些震源為持續(xù)非脈沖型震源，可通過互相關、卷積等后續(xù)處理來獲取地下結(jié)構對脈沖沖擊的響應。然而，這樣的震源能量轉(zhuǎn)化成地震波的效率較低，并且長期的連續(xù)觀測也會對震源激發(fā)場地造成破壞，進而影響信號的重復性。

近年來，我們通過實驗研究的方式，探索人工震源在研究大陸淺部的應用（Wang et al，2010，2012；王寶善等，2016）。實驗研究表明，將海洋中的氣槍震源在陸地水體內(nèi)激發(fā)，是研究大陸淺部結(jié)構和變化的有效手段。氣槍震源是一種在水中激發(fā)的震源，它通過水下瞬間釋放高壓空氣而激發(fā)地震波，在一定程度上可視為脈沖型震源。由于水體的自恢復性，氣槍震源在多次激發(fā)中可以產(chǎn)生重復性很高的信號。在多次激發(fā)的時間尺度內(nèi)，氣槍震源等效為一種連續(xù)脈沖震源。這種特征，使得可以通過簡單疊加提升信號的傳播距離，同時使得氣槍震源在重復探測上具有得天獨厚的優(yōu)勢。

地震研究40卷第4期王偉濤等：利用氣槍震源探測大陸淺部的地震學研究回顧與展望自2011年在云南賓川建成第一個氣槍震源發(fā)射臺后，至今在全國范圍內(nèi)已經(jīng)建立了多個氣槍震源發(fā)射臺，實現(xiàn)了地震波在陸地水體中的主動發(fā)射，對幾十到幾百千米范圍內(nèi)的地下介質(zhì)進行主動的、重復的探測（王寶善等，2016）。通過實驗研究，我們分析了氣槍震源在陸地水體內(nèi)激發(fā)的特征，并在探測地殼淺部結(jié)構和波速變化方面開展了應用探索。

1陸地水體內(nèi)激發(fā)的大容量氣槍震源特征

氣槍震源是海洋勘探中廣泛使用的震源，利用其高頻沖擊信號可以對較小區(qū)域的精細結(jié)構進行研究。然而船載激發(fā)模式及高頻信號的有限傳播距離，限制了其在大陸淺部介質(zhì)上的應用研究。為克服這種限制，我們使用了大容量氣槍震源在陸地水體進行激發(fā)以提升氣槍震源的探測范圍（陳颙等，2007）。在探索將氣槍震源從海洋激發(fā)轉(zhuǎn)為陸地水體激發(fā)的實驗研究中，氣槍震源信號的高度重復、綠色環(huán)保及平均激發(fā)成本低等優(yōu)勢得以保持，并呈現(xiàn)了新的特征，更適用于作為一種進行大陸淺部探測的優(yōu)良震源。

1.1激發(fā)模式的轉(zhuǎn)變

氣槍震源在陸地水體激發(fā)，實現(xiàn)了激發(fā)模式的轉(zhuǎn)變。氣槍震源是一種瞬時沖擊型震源，其釋放的沖擊包含高壓空氣瞬間釋放產(chǎn)生的高頻沖擊，以及沖擊形成的氣泡振蕩所形成的低頻沖擊。這些沖擊信號的特征由氣槍的充氣壓力、觸發(fā)時間和氣槍容量共同控制。海洋勘探成像主要關注小尺度的精細結(jié)構，因此往往采用不同容量的氣槍組成調(diào)諧氣槍陣列，通過控制氣槍的容量組合和激發(fā)時間來突出高頻沖擊，壓制低頻沖擊。由此形成的較為高頻的地震波有助于高精度的成像結(jié)果。在陸地水體激發(fā)時，高頻信號衰減過快、傳播距離有限，不利于進行區(qū)域尺度的大陸淺部探測研究。因此在將氣槍震源引入陸地水體激發(fā)時，我們采用了大容量（單槍氣室容量0.13 m3）的氣槍震源，并采用多條氣槍使用非調(diào)諧模式進行激發(fā)，從而進一步增強其低頻沖擊信號以實現(xiàn)遠距離的探測，其激發(fā)模式的差異如圖1所示。這一激發(fā)模式的轉(zhuǎn)變，這大大增加了陸地水體內(nèi)大容量氣槍震源激發(fā)信號的傳播距離。多次的實驗結(jié)果表明，采用4條0.13 m3大容量氣槍在15 MPa圖1海洋勘探中的氣槍陣列（a）及陸地水體壓力下激發(fā)，其產(chǎn)生的地震波的信號主頻為2～8 Hz。在進行100次線性疊加之后，其信號在多個地區(qū)均可傳播至300～500 km（王寶善等，2016）。大容量氣槍震源信號的主頻范圍，使其在保證傳播距離的基礎上保留了對地下介質(zhì)相對較高的分辨率，且其主頻在專業(yè)地震臺的通帶頻率范圍內(nèi)，易于被接收系統(tǒng)記錄。這種激發(fā)模式的轉(zhuǎn)變，使得氣槍在保持其人為可控的主動震源特征下，將其探測范圍擴展到了百千米量級，從一種工業(yè)勘探設備轉(zhuǎn)化為優(yōu)良的地震學研究工具。endprint

1.2激發(fā)環(huán)境的轉(zhuǎn)變

氣槍震源在陸地水體內(nèi)激發(fā)，實現(xiàn)了激發(fā)環(huán)境從無限水體到有限水體的轉(zhuǎn)變。其激發(fā)過程涉及到高壓氣體、水體和固體地球3種相態(tài)物質(zhì)的耦合，由其產(chǎn)生的地震波特征也受到這種復雜耦合過程的影響。由于氣槍總是在水面以下特定深度激發(fā)，其高壓空氣沖擊所釋放的能量主要為3個邊界所控制：①水面可視為自由邊界，傳播至水面的能量被完全損耗；②水體底部是主要的能量吸收和轉(zhuǎn)換邊界，吸收傳播至此的能量并轉(zhuǎn)化為地震波向外傳播；③水體的側(cè)面邊界也控制著沖擊能量到地震波的轉(zhuǎn)化。氣槍從海洋中無限水體內(nèi)的激發(fā)轉(zhuǎn)化為陸地有限水體內(nèi)激發(fā)，使得這3種邊界呈現(xiàn)了不同的特征，從而進一步影響氣槍所激發(fā)的地震波的特性。

氣槍釋放能量在水面自由邊界會產(chǎn)生損耗，因此氣槍的沉放深度影響地震波轉(zhuǎn)化效率。圖2顯示了祁連山氣槍發(fā)射臺在激發(fā)點附近200 m的地震臺記錄到的不同沉放深度下單次氣槍記錄的相對振幅變化。實驗結(jié)果表明，隨著氣槍沉放深度的圖2氣槍震源在不同沉放深度下近場臺站增加，其損耗能量減小，地震波能量的轉(zhuǎn)化效率增加。考慮到實際場地限制，一般建議氣槍的沉放深度在水下15 m或者更深為佳。

在海洋無限水體中，相對于高壓氣泡沖擊的影響范圍，其側(cè)邊界和底面邊界均可視為無限的邊界。而在陸地的有限水體中，這兩個邊界都是有限的，并且跟水體的總量相關聯(lián)。圖3顯示了氣槍震源在不同容量的水體中激發(fā)時，震源附近記錄到的地震波波形和能量的時頻分布。從圖中可見，總量較小的水體（如水井等）往往對應有限的底部和側(cè)面邊界，過小的底面邊界不利于充分吸收氣泡沖擊向下的傳播能量。而距離高壓氣體釋放點過近的側(cè)面邊界會產(chǎn)生較強的反射作用，甚至可能破壞高壓氣泡的振蕩過程，從而不利于較低頻信號的產(chǎn)生，在增加波形復雜性的同時造成過多的能量損耗（Chen et al，2014；楊微等，2016）。在總量較多的水體（如水庫）中，其底面邊界相對較大，可以吸收大部分向下傳播的能量。但由于實際實驗中，氣槍激發(fā)裝置往往需要固定圖3在不同容量水體內(nèi)激發(fā)的氣槍信號波形在距離水體固體邊界幾百米處以利于工作。當較強的沖擊能量傳播至固體邊界時，會同側(cè)面邊界相互作用產(chǎn)生較強的反射和折射作用，從而影響地震波的最終形態(tài)。

在分析研究了氣槍在有限水體內(nèi)激發(fā)的影響因素后，我們在新疆呼圖壁建設了水體總量較大的人工規(guī)則水體激發(fā)環(huán)境，使其底面及側(cè)面邊界更易于吸收沖擊能量轉(zhuǎn)化為地震波。實驗結(jié)果表明，對于單次氣槍激發(fā)，其產(chǎn)生地震波的能量等效于一次ML0.9地震，略大于相同激發(fā)參數(shù)下賓川天然水庫中的ML0.7地震（魏斌等，2016）。

1.3探測方法的轉(zhuǎn)變

氣槍震源在陸地水體激發(fā)，實現(xiàn)了強震動震源到弱震動震源探測方法的轉(zhuǎn)變。震源所釋放出來的信號的強度決定著它能探測的地下介質(zhì)的范圍。一個8級天然地震釋放的地震波可以震撼整個地球，提供地球極深部的信息。在人工地震測深研究中，為了獲取更清晰的地震波信號，往往使用大當量的爆破作為強震動震源來提升信號強度，其爆破劑量從幾百公斤到幾噸不等。然而，通過簡單提升單次震源強度以提高探測能力的方式越來越受到制約。大當量化學爆破會嚴重破壞環(huán)境，同時大當量爆破震源往往會對爆破點造成強烈破壞，無法進行高重復度的原地測量。以相對較弱的單次激發(fā)，通過累加獲取較大探測距離的無損探測模式成為新的發(fā)展趨勢。

氣槍具有間隔脈沖源的特征，可以在同一地點產(chǎn)生高度重復的脈沖沖擊，從而可以利用單次較弱的能量通過累加獲取較強能量。氣槍單次激發(fā)所釋放的能量較弱，對近場場地的影響很小。實驗表明，在距離激發(fā)震源600 m的位置，氣槍單次震動所產(chǎn)生的峰值加速度已經(jīng)接近背景振動水平，對激發(fā)環(huán)境而言屬于無損激發(fā)（劉必燈等，2011）。這使得氣槍震源可以用于城市地下結(jié)構探測、建筑物無損探測等對無損激發(fā)具有嚴格要求的環(huán)境中。同時，得益于氣槍的高度重復特征，通過對多次激發(fā)進行疊加，在探測范圍上可以等效于一次強震動激發(fā)。我們在距離賓川氣槍震源300 m的陸地進行了一次900 kg炸藥爆破，并對比了同一測線上110次氣槍信號疊加波形（圖4）。結(jié)果顯示，在同樣的測線上，110余次氣槍疊加的信號傳播距離優(yōu)于900 kg炸藥的激發(fā)。就震源而言，通過疊加多次高度重復的激發(fā)，提高了震源的等效強度。同時，在多次疊加，也可以壓制不相干的噪聲信號，突出由氣槍震源發(fā)射的相干信號，從而進一步提升了信噪比。圖4同一測線上氣槍震源100次信號疊加（a）以弱震動震源通過累加的方式去等效強震動震源，是現(xiàn)代地震學發(fā)展的一個重要方向。最近10年來發(fā)展的背景噪聲互相關方法（Shapiro et al，2005）就是通過相干累加獲取高信噪比信號的經(jīng)典案例，連續(xù)激發(fā)的Virbroseis、ACROSS震源也屬于此范疇。相比于這些震源，氣槍的單次激發(fā)均為類脈沖沖擊，通過簡單疊加即可實現(xiàn)震源能量的增強，有利于簡化后續(xù)分析。同時，氣槍激發(fā)的信號以體波信號為主，相比噪聲互相關方法得到的面波信號，可以提供更深部的地下介質(zhì)的信息。

氣槍震源在陸地水體的激發(fā)，為實現(xiàn)強震動震源到弱震動震源探測方法的轉(zhuǎn)變提供了重要的參考。這使得氣槍震源在合適的條件下可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)爆破震源，同時又克服了爆破震源使用環(huán)境的限制，拓展了氣槍震源的應用范圍，即可應用于淺部結(jié)構的勘探，也可以用于區(qū)域尺度大陸淺部的成像研究。

2氣槍震源在探測大陸淺部結(jié)構中的應用

在陸地水體內(nèi)激發(fā)的大容量氣槍震源的激發(fā)時間和激發(fā)條件都人為可控，具有勘探地震學震源的特征。而其所探測的距離和深度又可延伸至天然地震學所關注的區(qū)域尺度研究，這使得氣槍震源在探測大陸淺部結(jié)構中得到了廣泛的應用。

大容量氣槍在陸地水體內(nèi)激發(fā)的信號經(jīng)過疊加后可以傳播幾百千米，同時，其發(fā)射的地震波還具有信號重復、震相豐富等特征，在一定程度上可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)爆破震源對大陸淺部結(jié)構進行研究。圖5上關湖實驗中200次激發(fā)信號疊加信號在200 km測線上傳統(tǒng)的爆破震源主要產(chǎn)生P波信號，而氣槍震源信號中除含有P波信號之外，還含有豐富的S波信號，震相相對豐富。因此，在分析反射和折射剖面中，可以對P波和S波信號進行聯(lián)合分析。利用在燕山隆起南部布設的200 km測線所記錄到的氣槍信號，我們分析了其震相特征，并對該地區(qū)的P波、S波速度結(jié)構及地殼泊松比進行了研究，結(jié)果表明該地區(qū)上、下地殼中各存在一個明顯的低速層，且其成因不同（林建民等，2008；陳劍雄等，2011；陳蒙等，2013）。endprint

氣槍震源在固定點激發(fā)時，其震源位置固定，波形高度重復。這種特性使得我們不僅可以在單一測線上通過疊加獲取高信噪比數(shù)據(jù)，而且可以將震源視為恒定，分期布設多個測線以實現(xiàn)更大范圍和更高密度的觀測。2015年底，我們在賓川地區(qū)1 km×0.5 km的區(qū)域內(nèi)，利用86臺地震計布設了觀測系統(tǒng)以記錄氣槍信號。得益于氣槍震源的重復性，實驗采用了分期移動布設的方法，最終利用86臺三分量數(shù)字地震儀獲取了543個觀測點的數(shù)據(jù)，觀測點平均間距30 m，如圖6所示。

在福建開展的棉花灘水庫氣槍激發(fā)實驗中，利用50臺地震計，通過類似方法，獲取了臺間距為1 km的250 km長度的測線（陳惠芳等，2016）。超密集觀測系統(tǒng)一直以來被勘探地震學使用，近年來也被天然地震學研究所采用并催生了一些新的研究方法，獲得了較好的結(jié)果（Schmandt et al，2013）。利用氣槍震源定點激發(fā)的重復性，可以利用有限的觀測儀器，構建超密集觀測系統(tǒng)，這對于獲取精細的大陸地殼淺部結(jié)構特征大有裨益。

定點激發(fā)的氣槍震源在測線上的記錄可以用于廣角反射和折射剖面的研究。而利用多點激發(fā)的氣槍震源，輔以密集觀測，則可為三維體波成像提供必要的數(shù)據(jù)支持。氣槍震源的多點激發(fā)，可以通過在多個陸地水體內(nèi)同時或分期進行定點激發(fā)實現(xiàn)，也可以使用船載氣槍震源在陸內(nèi)河流內(nèi)進行流動激發(fā)獲得。2015年10月，我們使用船載氣槍震源沿著長江蕪湖—安慶段進行了氣槍震源的流動激發(fā)試驗。實驗期間，氣槍震源在長江中20個固定激發(fā)點共激發(fā)了4 000多次，其激發(fā)點位以圖7a中紅色五角星表示。實驗接收系統(tǒng)采用固定地震臺與流動地震儀相結(jié)合的方式。圖7a中黃色和綠色三角顯示了在觀測區(qū)域內(nèi)由1 000個流動地震臺組成的11條測線，每條測線長約200 km；為更好的對微弱信號進行監(jiān)測，我們利用100個流動臺站組成的2個小型觀測臺陣接收氣槍信號，用藍色和紅色倒三角表示；同時，該區(qū)域內(nèi)還包含160個連續(xù)觀測的固定臺站，以黑色倒三角表示。實驗觀測系統(tǒng)記錄到了豐富的氣槍震源信號，可用于對該區(qū)域波速結(jié)構的探測研究。張云鵬等（2016）利用固定臺站記錄到的氣槍信號對該區(qū)域進行了層析成像，展示了流動氣槍源在三維體波成像中的應用，如圖7b所示。船載氣槍震源在長江流域的激發(fā)和觀測實驗，為研究長江中下游大陸淺部結(jié)構、礦產(chǎn)分布及成因等提供了豐富的觀測資料。同時，這種實驗探索使得我們可以在一些構造穩(wěn)定、發(fā)生天然地震較少的區(qū)域，利用氣槍震源的多點激發(fā)和流動激發(fā)，獲取豐富的體波走時數(shù)據(jù)，分析大陸淺部的三維波速結(jié)構。

除在陸地水體激發(fā)外，利用船載的大容量氣槍震源在近海進行流動激發(fā)，陸地臺站和海底地震儀聯(lián)合接收的方法，可以對海陸過渡帶的地下結(jié)構進行精細的研究（丘學林等，2007；徐輝龍（a）氣槍長江實驗中的激發(fā)點位和觀測系統(tǒng)分布（b）利用固定臺記錄到的氣槍P波獲得的層析成像結(jié)果（張云鵬等，2016）TLF：郯廬斷裂；SDF：壽縣—定遠斷裂；CHF：滁河斷裂；MSF：茅山東斷裂；JNF：江南斷裂；YCF：陽新—常州斷裂；XGF：襄樊—廣濟斷裂；XLF：信陽—六安斷裂；長江中下游礦集區(qū)：JR：九瑞；AQ：安慶；LZ：廬樅；TL：銅陵；NW：寧蕪；NZ：寧鎮(zhèn)圖7氣槍長江實驗中的激發(fā)和觀測系統(tǒng)及在P波層析成像結(jié)果等，2012）。作為一種人工震源，船載氣槍源的激發(fā)位置和時間都是人為可控的，因此可以事先規(guī)劃觀測系統(tǒng)和激發(fā)位置，根據(jù)研究目的獲取最優(yōu)化的震源和接收點組合。海域激發(fā)的大容量氣槍震源可在一定程度上改善海域地震不足、地震位置和時間不可控對成像研究的限制，對于研究中國海陸構造帶結(jié)構，解釋其構造歷史具有重大的意義。

當對大陸淺部的速度結(jié)構進行研究時，氣槍震源可被視為傳統(tǒng)的爆破震源。因此，在勘探地震學和天然地震學發(fā)展起來的多種成熟的成像方法均可移植到基于氣槍震源的結(jié)構成像研究中。同時，相比天然地震，氣槍震源的激發(fā)時刻和位置均可精確測量，可以減小震源因素在成像結(jié)果中引入的誤差，易于實現(xiàn)對地下介質(zhì)結(jié)構的精細化研究。

3氣槍震源在研究大陸淺部物質(zhì)狀態(tài)變化中的應用

利用地震學的方法，監(jiān)測地下介質(zhì)的物質(zhì)組成、結(jié)構和狀態(tài)隨時間的變化，開展包含時變信息的4D地震學研究，是現(xiàn)代地震學發(fā)展的重要方向。從地震學的視角，當?shù)叵陆橘|(zhì)某一區(qū)域的物理性質(zhì)發(fā)生變化時，會導致穿過該區(qū)域的地震波特征發(fā)生變化。利用相同的震源和觀測系統(tǒng)進行重復測量，就可以通過分析地震波的變化來實現(xiàn)對地下介質(zhì)的4D監(jiān)測，繪制“地下云圖”。

地震波的波速/走時是易于測量的物理量，利用測量地震波波速變化來探索地震在孕育和發(fā)生過程中伴隨的地下介質(zhì)的狀態(tài)變化，一直是地震學研究的重要方向。地震在孕育和發(fā)生的整個物理過程中，會引起介質(zhì)的應力狀態(tài)發(fā)生變化，改變其彈性性質(zhì)，進而影響其彈性波速，從而導致多次重復測量得到的地震波走時發(fā)生變化。研究表明，地震孕育過程所引起的波速變化非常小，其波速/走時的相對變化量在10-4量級（Wang et al，2008）。早在20世紀70年代初，地震學家已經(jīng)嘗試利用氣槍震源主動向地下發(fā)射地震波，研究地殼淺部10～20 km波速變化（Reasenberg，Aki，1974）。隨著觀測儀器記錄精度的提升和數(shù)據(jù)處理方法的發(fā)展，眾多研究人員嘗試用多種震源來監(jiān)測與地震過程相關的波速變化。Niu等（2008）利用壓電陶瓷震源在圣安德烈斯斷層的鉆井中開展實驗，發(fā)現(xiàn)2次小地震之前波速有明顯變化。Yamaoka等（2001）利用ACROSS震源對地下介質(zhì)波速變化進行連續(xù)監(jiān)測。楊微等（2010）利用ACROSS震源開展了汶川地震斷裂帶波速變化的監(jiān)測研究。Brenguier 等（2008）用背景噪聲測量了Parkfield地區(qū)斷裂帶地震波波速的長期變化，發(fā)現(xiàn)其同大地震的孕育和釋放過程緊密聯(lián)系。

以上研究表明，通過測量地震波波速/走時的變化可以對地下介質(zhì)的狀態(tài)變化進行監(jiān)測。但由于同地震物理過程相關的波速變化往往很小，因此高度重復的震源信號是實現(xiàn)精確的4D監(jiān)測的基礎。氣槍震源對激發(fā)環(huán)境無損，激發(fā)波形高度重復的特征，使得它在監(jiān)測地下介質(zhì)物質(zhì)狀態(tài)變化方面具有先天的優(yōu)勢。endprint

對地下介質(zhì)微弱波速變化的高精度監(jiān)測，得益于觀測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理方法共同的進步。地震記錄儀器的時間服務精度是影響走時變化測量精度的重要因素。早期的波速變化研究，受觀測系統(tǒng)精度限制很大。隨著地震觀測儀器的發(fā)展，目前地震儀器的時間服務精度可達到微秒量級。圖8顯示了云南賓川氣槍參考臺站使用的REFTEK-130數(shù)采1 600次鐘差記錄的統(tǒng)計特征。REFTEK-130每小時生成一次鐘差記錄，從圖中可以看出，在1 600 h的時長內(nèi)，多數(shù)時間內(nèi)鐘差保持在1 μs（10-6s）以內(nèi)，這為后續(xù)處理提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎。

地震波形中的尾波部分是在介質(zhì)中經(jīng)過多重散射的波形，對介質(zhì)波速的微小變化更為敏感，因此被廣泛的應用于監(jiān)測地下介質(zhì)波速變化中（Wang et al，2008）。然而，利用尾波監(jiān)測走時變化反應的是地下介質(zhì)波速變化的平均效應，較難反映波速變化發(fā)生的區(qū)域。雖然在實驗室尺度可以利用尾波對波速變化區(qū)域進行定位，但在實際野外觀測中仍較難實現(xiàn)（Xie et al，2016）。得益于氣槍震源的高度重復特征和現(xiàn)代儀器精確的時間服務，地震波不同震相的絕對走時差也可用于波速變化測量。通過選取不同的地震波震相，同長時間疊加所得的相應震相進行互相關，可以獲取該震相走時隨時間的變化。利用這種方法，可以根據(jù)震相對應路徑分析波速變化的可能區(qū)域，并分析不同的震相對波速變化的敏感程度。圖8REFTEK-130數(shù)據(jù)采集器波速變化測量的精度是利用走時變化進行4D地震學研究的關鍵。在地球上周期發(fā)生的固體潮現(xiàn)象會引起地下介質(zhì)微弱的應力變化，對比波速變化測量和固體潮變化的周期性，是對震源-接收系統(tǒng)和測量方法總體精度的一種評估方法。2015年10—11月，我們在祁連山甘肅氣槍發(fā)射臺進行了每小時激發(fā)一次的連續(xù)激發(fā)試驗，利用距離發(fā)射臺20 km的地震臺站的直達P波震相測量了其走時變化，如圖9中紅線所示，灰線顯示了距離該地震臺42.7 km的肅南洞體應變臺記錄到的應變曲線。從圖中可以看出，地震波走時變化與應變變化存在很好的相關性，這揭示了利用高度重復的氣槍震源信號探測地球內(nèi)部微弱應力變化的可能性和有效性。圖9利用氣槍震源信號測量的地震波一周內(nèi)的地震波波速或者走時的變化是進行4D地震學研究中最常用的觀測量。地下介質(zhì)的變化不僅反映在地震波走時的變化，也會引起地震波波形的改變。利用氣槍激發(fā)信號中的S波信號，趙雯佳（2013）研究了橫波分裂隨時間的變化。結(jié)果表明S波的快波偏振方向存在明顯的日變化，這可能同周期性的固體潮加載有關。

隨著4D地震學的發(fā)展，多種重復震源，如ACROSS震源、氣槍震源及背景噪聲，都被用來監(jiān)測地震、火山等自然現(xiàn)象相關的波速變化。這些震源特征各異，研究對象也各有側(cè)重。相比其它重復震源，氣槍震源的信號重復性高，傳播距離遠，可以對較深部地下介質(zhì)的波速變化進行監(jiān)測。同時，氣槍震源的激發(fā)時間和地點是人為可控的，這使得我們可以就關注的問題，在特定時間和地點進行密集的觀測，改善波速變化監(jiān)測的時間分辨率。綜合利用多種重復震源，可以形成多尺度的，有重點的4D監(jiān)測，其結(jié)果對于了解大陸淺部地下介質(zhì)的動態(tài)變化具有重要的意義。

4利用氣槍震源研究大陸淺部的潛在應用與挑戰(zhàn)

經(jīng)過多年的實驗探索，我們實現(xiàn)了大容量氣槍震源在陸地水體內(nèi)的激發(fā)向外主動發(fā)射地震波，并在研究大陸淺部結(jié)構和介質(zhì)變化方面開展了應用研究。作為一種新型的人工震源，氣槍震源的激發(fā)能量適中，傳播距離較遠，成為溝通天然地震學和勘探地震學的一種優(yōu)良震源，在二者的交叉領域具有廣闊的發(fā)展空間。

氣槍震源可主動發(fā)射地震波，實現(xiàn)百千米尺度的探測距離，可用于深層礦產(chǎn)的探測。把氣槍震源用于大尺度的勘探探測，可以在傳統(tǒng)高精度淺層勘探成像的結(jié)果上，探查更大范圍，更深深度上礦產(chǎn)的分布。這對于研究深層礦產(chǎn)分布，認識礦產(chǎn)資源的成礦環(huán)境和成礦機理具有重要意義。

氣槍震源是一種連續(xù)脈沖震源，單次激發(fā)能量小，對環(huán)境友好，而疊加能量大，可適用于城市等對無損探測要求較高的地區(qū)。對城市這一特定區(qū)域進行地震災害的防范，在中國飛速發(fā)展的城市化進程的背景下十分重要（陳颙等，2003）。雖然數(shù)字城市的概念已深入人心，但已有對城市的數(shù)字化地學信息絕大部分集中在地表以上，對城市下方地質(zhì)結(jié)構的數(shù)字化研究依然很少。充分利用氣槍震源環(huán)境無損的特征，在無法使用爆破震源的城市地區(qū)進行小區(qū)域的主動探測，構建城市地下三維地圖，是完善數(shù)字城市，減輕城市在自然災害中損失的有效手段。氣槍震源對環(huán)境無損的特點，對于城市中高層建筑物的無損探傷也具有潛在的應用前景。

氣槍震源是適用于4D監(jiān)測的人工震源，可以對地下介質(zhì)狀態(tài)變化進行監(jiān)測。隨著人類改造自然能力的增加，人類大規(guī)模的工業(yè)活動，如大型儲氣庫的建設，二氧化碳的地下存儲等都可以引起地下介質(zhì)的應力狀態(tài)、物理性質(zhì)等發(fā)生改變。利用主動震源，動態(tài)的對這些改變進行監(jiān)測，對于確保能源儲存安全，研究人類工業(yè)活動對自然界的改造作用都具有重要意義。

充分發(fā)揮氣槍震源的特點，配合觀測技術和處理技術的進步，可以拓展氣槍震源在很多研究領域的應用空間。

同時，作為一種新型的人工震源，自2011年云南賓川氣槍發(fā)射臺建成，氣槍震源僅經(jīng)歷了5年的發(fā)展，在激發(fā)技術、原理和應用方面還有很多技術和科學問題亟待解決。

從激發(fā)技術層面來看，現(xiàn)有氣槍激發(fā)技術系統(tǒng)均為大型系統(tǒng)，可以實現(xiàn)百千米尺度的探測距離，但其便攜性和移動性不足，需要較深的水體才能激發(fā)。開發(fā)小型的流動氣槍激發(fā)系統(tǒng)，減小對水體的依賴，實現(xiàn)幾千米到幾十千米的探測距離，對拓展氣槍的應用范圍具有重要意義。小型氣槍激發(fā)系統(tǒng)易于實現(xiàn)氣槍震源的流動激發(fā)，對于實現(xiàn)氣槍低成本多點激發(fā)，構建城市地下三維地圖具有重要意義。

從信號處理方面，氣槍震源遵循的是小能量激發(fā)，累加增強的模式。在較遠接收距離上，單次激發(fā)的信號往往會淹沒于噪聲之中。如何借鑒GPS、通訊學科中的信號處理技術，更有效地實現(xiàn)弱信號的檢測和提取十分重要。弱信號提取和檢測技術的進步，對于擴展氣槍信號的探測范圍，提升4D監(jiān)測的時間分辨率具有切實的意義。endprint

氣槍震源的激發(fā)涉及到氣體、液體和固體三種相態(tài)物質(zhì)的耦合，結(jié)合氣泡震蕩理論和地震波傳播，研究氣槍震源產(chǎn)生地震波的詳細機制，需要更深入的工作。了解氣槍震源激發(fā)的物理過程，實現(xiàn)對復雜耦合過程的模擬，對于進一步提高氣槍激發(fā)效率和后續(xù)信號分析意義重大。對震源激發(fā)機理的深入認識，較好的模擬其產(chǎn)生的彈性波，有助于更好的利用氣槍信號波形信息開展精細化研究。

從研究思路上，地震學對震源和地下介質(zhì)結(jié)構的了解總是交替進行的。通過布設密集的臺陣觀測，獲取震源激發(fā)區(qū)的精細速度結(jié)構，可以促進對于氣槍震源激發(fā)地震波的機理研究。此外，如何聯(lián)合地震學中的其它震源，如背景噪聲、天然地震等對大陸淺部的地殼結(jié)構和狀態(tài)變化進行綜合的、多尺度的研究，也是未來發(fā)展的重要方向。

5結(jié)語

大陸是人類居住與活動的基本場所，如果說20世紀地震學家利用天然地震勾勒了地球內(nèi)部的整體結(jié)構，那么21世紀地震學家面臨的問題就是利用人工激發(fā)的地震波來精細的刻畫我們腳下大陸的結(jié)構和狀態(tài)變化。在陸地水體內(nèi)激發(fā)的大容量氣槍震源，是探測大陸淺部結(jié)構和狀態(tài)變化的重要工具，也是聯(lián)系勘探地震學和天然地震學的震源媒介。過去十年來，氣槍震源研究取得的發(fā)展，顯示了其多樣應用前景，也彰顯了亟待解決的問題。利用地震學的方法更好的探測大陸淺部結(jié)構，更精確的描述地下介質(zhì)變化，需要地震學家投身其中，加強學科交叉，促進創(chuàng)新和融合，實現(xiàn)新時期地震學對大陸淺部進行精細描述的宏大夢想。

在本文的撰寫過程中，參考了陳颙院士及多位專家的演講材料，主動源ET11小隊的翟秋實、張云鵬等多位同學為圖件準備提供了幫助，在此一并感謝。

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