利用聚類分析方法研究新疆呼圖壁大容量氣槍震源重復性

蘇金波+王海濤+王瓊+張文來+冀戰(zhàn)波+魏蕓蕓+陳昊+張文秀

摘要：為研究造成新疆呼圖壁大容量氣槍震源重復性波動的原因，利用2015—2016年新疆呼圖壁氣槍震源激發(fā)池岸邊的一臺地震儀記錄的3 214次激發(fā)信號，采用聚類分析中層次聚類方法和波形信號互相關技術，以相關系數(shù)大于0.95、對應相似度距離為0.05為標準對氣槍震源信號進行聚類分析，將信號分成了2類。對可能造成氣槍信號重復性波動的幾種原因進行討論，結(jié)果表明這種信號的重復性波動是氣槍激發(fā)時壓力不同造成的，建議通過控制激發(fā)壓力的方法來解決這一問題。

關鍵詞：氣槍震源；信號重復性；波形信號互相關；聚類分析

中圖分類號：P315.3文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2017）04-0613-06

0引言

利用人工震源激發(fā)地震波是進行介質(zhì)結(jié)構(gòu)探測和介質(zhì)變化監(jiān)測的一種手段，目前已經(jīng)廣泛應用于石油勘探、礦產(chǎn)資源調(diào)查以及地球動力學研究等領域（王寶善等，2016）。對介質(zhì)變化進行長時間連續(xù)監(jiān)測依賴于重復性震源，其中氣槍震源是通過在水下瞬間釋放高壓空氣進而激發(fā)地震波的一種新型震源。研究表明，氣槍震源對近場破壞小、重復性高、低頻成分豐富，是進行地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)探測和介質(zhì)變化監(jiān)測研究的理想震源（Wang et al，2013）。

新疆呼圖壁大容量氣槍震源信號發(fā)射臺于2013年8月正式運行，是世界上首個基于人工激發(fā)池的大容量氣槍震源信號發(fā)射系統(tǒng)（蘇金波等，2016）。該系統(tǒng)由一個上表面直徑100 m、下表面直徑15 m、深15 m的倒圓臺形激發(fā)池和6條單槍容量為2 000 in3的大容量氣槍組成，具有激發(fā)能量大、水位穩(wěn)定、震源重復性好等優(yōu)點。在3年多的運行中，已經(jīng)完成了7 000次左右的有效激發(fā)，積累了大量的數(shù)據(jù)（魏斌等，2016）。

氣槍震源在水體中激發(fā)，其能量來源是高壓空氣的瞬間釋放，高壓空氣的釋放不會對近場產(chǎn)生破壞，也不會改變水體的性質(zhì)，每次激發(fā)時氣槍本身和周圍水體的耦合條件完全一致，這是氣槍震源具有高度重復性的主要原因（楊微等，2016）。為了獲得地下介質(zhì)隨時間的變化情況，陳颙院士等提出建設地震信號發(fā)射臺，開展4D地震學方面的研究，而氣槍震源作為一種新型重復震源，在4D地震學的研究中的應用已經(jīng)取得了比較大的進展（張云鵬等，2016）。氣槍信號的高重復性，使其在地殼介質(zhì)結(jié)構(gòu)的精細探測和動態(tài)監(jiān)測方面具有一定的優(yōu)勢（武安緒等，2016）。但是，通過對距離呼圖壁氣槍震源激發(fā)池20 m處的一個地震儀記錄到氣槍信號的分析發(fā)現(xiàn)，氣槍信號的穩(wěn)定性有一定的浮動。本文將利用聚類分析方法和波形互相關技術，對這一問題進行分析和討論。

1研究方法——聚類分析

聚類分析也稱群分析或點群分析，是一種研究多要素事件分類的方法，也是一種新興的多元統(tǒng)計方法。其基本原理是根據(jù)樣本自身屬性，使用數(shù)學方法，按照某種相似性或者差異性的指標定量地確定樣本之間的親疏關系，并按照這種親疏關系的程度對樣本進行聚類。簡而言之，聚類分析就是按照事件彼此不同的屬性進行辨認，最終將相似屬性的事件劃為一類。

許多研究人員將這種統(tǒng)計方法應用在地震學中的相似地震研究上。Peng和Benzion（2005）利用聚類分析中的等價聚類方法對重復地震進行識別；王偉濤和王寶善（2012）提出一種基于聚類分析的多尺度相似地震快速識別方法，利用聚類分析中的層次聚類方法，對汶川地震東北端余震序列進行研究。

地震研究40卷第4期蘇金波等：利用聚類分析方法研究新疆呼圖壁大容量氣槍震源重復性等價聚類分析方法的原理為：先設定一個相關系數(shù)閾值β，當事件A和事件B的相關系數(shù)大于β，事件B和事件C的相關系數(shù)也大于β時，A、B、C被視為一個等價類。得到這樣的兩兩事件的相關系數(shù)之后，可以據(jù)此對重復地震進行快速識別和分析。但是，此種方法沒有對A和C的相關性做出限制，在進行等價類分析的時候，有可能將原本分別屬于兩個叢集的事件合并成為一個比較大的叢集，得出錯誤結(jié)果（Maurer，Deichmann，2007）。

為了避免等價聚類分析可能導致的上述問題，我們選用層次聚類分析的方法來對呼圖壁氣槍震源信號進行聚類。假設有N個氣槍信號，首先選取合適的相關窗口計算任意2個信號的相關系數(shù)C，并定義2個信號的相似度距離為D（D=1-C），這樣可以構(gòu)建一個相似度距離的矩陣M。初始狀態(tài)下，每個信號自成一類，共有N類，之后將具有最小距離的2個信號合并成為一類，這時有N-1個信號。如此循環(huán)計算類之間的距離并執(zhí)行合并操作，最后所有信號被歸為一類。

2個信號之間的距離由二者的相關系數(shù)來確定（矩陣M中對應元素），2個類之間的距離則定義為分別屬于2個類中的信號相關系數(shù)距離的最大值，這種方法稱為聚類分析中的最大距離法（Lance，Williams，1967）。如圖1所示，選擇一個相似度距離的閾值為α，得到這個標準下類別數(shù)目和各類中的信號。根據(jù)上述最大距離法，得到的每一類中的事件的相似度距離都小于α，這樣就可以避免等價聚類中的類別合并問題（王偉濤，王寶善，2012）。

2數(shù)據(jù)處理與結(jié)果

為了對呼圖壁大容量氣槍震源的特性進行分析，我們在距離激發(fā)池岸邊20 m處架設了一套寬頻帶地震儀（地震儀型號CMG-40T，數(shù)采型號Q330s+），利用這個地震儀記錄到的信號（圖2）可對震源的頻率特征、能量特征、重復性等進行研究，本研究所用波形數(shù)據(jù)均為該儀器記錄。

本文應用的聚類分析的方法需要計算兩兩信號之間的互相關系數(shù)，2013年8月以來，呼圖壁氣槍震源已經(jīng)進行了約7 000次的激發(fā)，如果對所有的波形信號進行兩兩互相關計算，共需要進行約2 500萬次，計算量較大。選取2015年1月1日至2016年12月30日共3 214次激發(fā)的波形信號，這樣既可以將季節(jié)、水溫等不確定因素包括進來，又降低了計算成本。氣槍震源的優(yōu)勢頻率主要集中在2～8 Hz，具有豐富的低頻有效能量，這是氣槍震源能夠進行地殼結(jié)構(gòu)探測的原因之一（楊微等，2013），所以本文只討論在這一頻帶范圍內(nèi)的氣槍信號。具體數(shù)據(jù)處理流程如下：endprint

（1）根據(jù)氣槍激發(fā)時刻，截取激發(fā)后3 s的波形數(shù)據(jù)。

（2）對截取的波形數(shù)據(jù)進行2～8 Hz濾波。

（3）對濾波后的信號進行兩兩互相關計算，求取兩兩信號之間相關系數(shù)的最大值，這些最大值組成相似度矩陣M。

（4）利用聚類分析中的最大距離法，以相關系數(shù)大于0.95、對應相似度距離為0.05為標準對所有信號進行聚類。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)處理方法，最終得到波形信號聚類結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出，3 214條氣槍激發(fā)信號被分成了2類，分別包括1 056條和2 158條。2類中的氣槍信號波形均表現(xiàn)了很高的重復性。

將圖3中2個聚類中的信號按照激發(fā)時間進行分布，可以得出2個聚類中信號的時間分布，如圖4所示，圖中每個黑點代表一次氣槍激發(fā)（圖中有2段2個聚類都沒有數(shù)據(jù)的部分，是由于氣槍系統(tǒng)在這段時間發(fā)生故障無法進行正常實驗造成的）。為了進一步對比2個聚類中信號的差異，將2個聚類中的所有信號分別進行線性疊加（圖5），兩個疊加后信號的相關系數(shù)為0.988。

3分析與討論

氣槍震源重復性波動可能由多種因素造成。結(jié)合氣槍震源系統(tǒng)工作原理和呼圖壁氣槍震源的具體情況，對影響呼圖壁氣槍震源重復性的因素進行討論。

（1）激發(fā)池水位因素。氣槍信號中的低頻成分主要是氣槍中的高壓氣體瞬間釋放，形成的氣泡在水體中來回震蕩產(chǎn)生的脈沖信號。所以，水體的形狀和激發(fā)池中的水體容量對氣泡脈沖會造成較大影響（李孝賓等，2016）。不同于水庫氣槍震源，呼圖壁氣槍震源的水體是人工開挖的激發(fā)池，配備有補水系統(tǒng)，在夏季蒸發(fā)量較大時可以對激發(fā)池進行補水，使激發(fā)池中水位長期保持穩(wěn)定狀態(tài)（蘇金波等，2015），且呼圖壁地區(qū)常年干旱少雨，所以降雨對水位造成的影響可以忽略。因此可以排除激發(fā)池水位對氣槍信號的影響。

（2）季節(jié)因素。呼圖壁氣槍震源所在地區(qū)氣候較為惡劣，冬季最低氣溫低至零下30 ℃左右，且全年有近4個月平均氣溫在0℃以下（蒲紅錚等，2015）。在這樣的溫度條件下，每年有4個月左右的時間激發(fā)池表面會覆蓋一層冰層，冰層最厚可達20 cm。冬季實驗時，氣泡震蕩和上升會將吊裝氣槍的浮臺周圍的冰面破開，但無法將激發(fā)池的上覆冰層整體破開。當氣泡震蕩上升至表面時，上覆冰層可能對其震蕩方式造成一定影響。但是，從圖4可以看出2個聚類在時間上的分布跟季節(jié)變化沒有明顯的關系。如2015年7月至2016年7月，2個聚類在這段時間分布較為均勻。據(jù)此，可以判斷季節(jié)因素對信號重復性的影響較小。

（3）激發(fā)壓力影響。可以將氣槍震源看成一種比較均勻的膨脹源，氣槍每次激發(fā)時內(nèi)部空氣壓力如果存在差異，其信號重復性也將受到影響。氣槍內(nèi)的高壓空氣是由活塞式空氣壓縮機（以下簡稱空壓機）產(chǎn)生并輸送至儲氣鋼瓶，鋼瓶通過氣纜和配氣開關與氣槍連接，依靠鋼瓶和氣槍之間的壓強差給氣槍配氣，當氣槍內(nèi)的氣體壓強達到15 MPa時，進行一次激發(fā)。在實際工作中可以根據(jù)空壓機的效率，計算每次激發(fā)后氣槍重新充氣至15 MPa的時間來設置氣槍控制系統(tǒng)，使其按照規(guī)定時間自動激發(fā)。但是空壓機的效率是不穩(wěn)定的，當每次激發(fā)的時間間隔確定后，有時無法保證在經(jīng)過這段時間后氣槍內(nèi)的壓力達到15 MPa，那么氣槍就會在壓強小于或大于15 MPa的情況下進行激發(fā)，而且這種過程將逐漸累加，最后造成每次激發(fā)時槍內(nèi)壓力的差異。

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，將不同聚類中的信號進行疊加后，其信號的差異主要集中0.5～1.3 s之間的振幅上。這段信號主要是由氣槍激發(fā)產(chǎn)生氣泡在水體中的自由震蕩產(chǎn)生的，稱為氣泡脈沖。類似于炸藥震源，氣槍震源是一個均勻的膨脹源，氣槍內(nèi)的氣壓相當于炸藥震源的炸藥當量，不同當量的炸藥爆破產(chǎn)生的信號存在振幅差異（林建民等，2008），同理，氣槍震源在不同氣壓下激發(fā)，其信號也將存在振幅差異。由此可以判斷，這段信號的振幅差異主要是氣槍激發(fā)時的氣體壓力不同造成的。

圖6為2015年2次氣槍實驗情況，聚類分析結(jié)果顯示2015年10月9日的實驗被分成了1類，如圖6a所示，圖中每個點代表一次激發(fā)，共37次激發(fā)；而2015年10月16日的實驗卻被分成了2類，如圖6b所示，共40次激發(fā)。兩次實驗時間間隔很近，可以排除季節(jié)等因素的干擾，造成這種差異的原因只能是氣槍激發(fā)時的壓力不同。圖6a的激發(fā)壓力比較穩(wěn)定，而圖6b中的激發(fā)壓力不穩(wěn)定，造成了信號重復性的差異。

4結(jié)論與討論

本文利用2015—2016年新疆呼圖壁氣槍震源激發(fā)池岸邊的一臺地震儀記錄的3 214次激發(fā)信號，采用聚類分析中層次聚類方法和波形信號互相關技術，對新疆呼圖壁氣槍震源信號重復性波動現(xiàn)象進行了研究，通過對可能造成信號重復性波動的原因進行分析與討論，初步得出結(jié)論：呼圖壁氣槍震源的重復性波動主要是氣槍激發(fā)時氣槍內(nèi)空氣壓力差異造成的。

利用大容量氣槍震源進行區(qū)域地下介質(zhì)的監(jiān)測是一種精度很高的地球物理監(jiān)測手段，該手段主要依賴氣槍震源的高度重復性（王寶善等，2011），減小信號重復性波動對后續(xù)研究十分有利。通過以上結(jié)論，可以對氣槍實驗提出建議：在氣槍激發(fā)實驗時，盡量保證在同一壓力下激發(fā)，這樣可以在一定程度上提高信號的重復性。

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