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《地震研究雜志》2016年第3期
摘要:
為研究氣槍的激發特性，并為氣槍發射臺的堪選、建設提供參考依據，在賓川地震信號發射臺進行了不同氣槍組合的激發試驗，并對試驗數據進行了分析。結果表明:(1)單支氣槍激發100多次的疊加信號可以被在150km外的地震臺記錄到;(2)單支氣槍激發與4支氣槍同時激發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)當氣槍組合激發的信號的信噪比達到10dB時，相關系數可以達到0.99以上;(4)4支氣槍同時激發的激發效率是單支氣槍的4倍。從分析結果可看出，賓川地震信號發射臺在犧牲一定效率的情況下，單支氣槍激發信號可以替代4支氣槍組合的激發信號。
關鍵詞:
氣槍激發;地震信號;激發效率;信噪比;信號疊加
0引言
大容量氣槍震源具有綠色環保、重復性好、激發能量大、能量轉換效率高等優點(陳颙等，2007a，b)。作為一種高效經濟的主動震源，近些年一些地球科學家將其從海洋搬到陸地，用于內陸地球深部結構的探測。2006、2007年，在陳颙院士的帶領下，在河北遵義上關湖水庫進行了2次大容量氣槍的激發試驗(陳颙等，2007b;林建民等，2008，2010;Chenetal，2008)，用4支容量分別為1500in3和4支容量分別為2000in3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換效率(Wangetal，2010)，單次激發分別在距離為110km和185km的臺站可以清晰的記錄到信號(林建民等，2008，2010;Chenetal，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構探測的可行性。由于氣槍激發受到水庫水體、形狀以及水位等因素的影響，激發產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，若水庫形狀不規則且界面不平滑，氣槍信號會變的比較復雜，激發質量也會受到一定影響。由于水庫大容量氣槍激發的影響因素較多，前人在海洋中進行氣槍激發試驗得到的理論基礎不能完全適用，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、工作壓力等激發條件與近場信號的關系。Chen等(2014)于2011年在賓川地震信號發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，總結了氣槍沉放深度、工作壓力、水庫水位變化對激發的影響。但他們并未對不同氣槍組合的激發效率進行詳細研究。賓川地震信號發射臺自2011年開始試驗至今，產出了大量的試驗數據，得到了很好的試驗效果。同時，也發現了一些問題，最突出的是氣槍震源的穩定性，水庫水位的季節性變化會影響氣槍震源的激發穩定性(Chenetal，2014)。其次，要實現“地下云圖”的構建需要在一定探測區域尺度內建設多個氣槍發射臺，讓氣槍信號多角度的掃描整個探測區域。而在一個較小的區域內勘選多個適合建設氣槍發射臺的水體較為困難，如果能夠精簡氣槍激發系統，使其具備更好的流動性，能在更小的水體中進行氣槍激發，那么這些問題就能得到解決。為此，研究氣槍數量與激發效率關系，討論使用更少數量氣槍組合在更小的水體中激發達到現有激發效果具有重要的現實意義。2013年，在賓川地震信號發射臺開展了單支氣槍激發(以下簡稱單槍激發)與4支氣槍同時激發(以下簡稱4槍激發)激發效率的對比研究試驗。本文對這些試驗數據進行對比分析，討論氣槍源的激發效率與氣槍數量的經驗關系，為在較小水體中建設氣槍發射臺提供一些參考依據。
1試驗情況
賓川地震信號發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(王彬等，2015)(圖1)，其激發系統由4支Btolt1500LL型氣槍組列構成，單支容量2000in3，總容量達8000in3(圖2)，震源系統常規激發時由4槍激發;接收系統由激發臺周圍150km范圍內分布的40多個流動測震臺構成，每個流動測震臺都是由Reftek130B數據采集器和頻帶范圍2s～100Hz的短周期GuralpCMG—40T地震計組成(Wangetal，2012)。2013年10～12月期間，在賓川地震信號發射臺分別做了2組試驗，本文根據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性激發試驗，1號槍和3號槍各激發了49次;第2組試驗為同一時間段4號槍單槍激發與4槍激發的對比試驗，為了增加樣本的數量，這組試驗分別在4天內進行;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詳見表1，并挑選了部分信噪比較好的臺站的數據進行了分析(圖1)。試驗的目的:(1)單槍激發的重復性是否與4槍激發相當;(2)相同激發條件下，對比單槍和4槍的激發效率;(3)不同位置單槍激發信號之間是否存在較大差異。
2對比分析
2.1單槍和4槍激發震源信號對比
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，氣槍產生的水泡與水庫的液、壁相互作用耦合共同構成了一個特殊的震源系統，距離激發浮臺水平距離50m的參考臺剛好處于這個震源系統的外沿(圖2)，本文近似地將參考臺接收到的激發信號看作源信號。討論單槍與4槍激發信號的效率，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的49次信號進行兩兩相關得到1176個相關系數，將相關系數作成點圖，如圖3所示。從圖3a，b中可以看出，1號和3號氣槍的激發信號的相關系數都在0.90以上，且集中在0.98。為了與4槍的激發信號進行對比，本文篩選了第2組試驗中激發條件比較接近的2天的試驗數據進行對比，其中2013年12月19日和26日，4號氣槍共激發33次，4槍激發共32次，分別用這2天單槍和4槍激發的參考臺信號進行互相關分析，從圖3c、d中可以看出，4號氣槍和4槍的參考臺信號相關性分別在0.90以上和0.96以上。在相關性上，4號槍的激發信號較為離散，這可能因為試驗分別在2天進行，激發條件有了細微的變化(水位和浮臺位置的變化)，而單槍較4槍激發對這些變化更敏感。第2組試驗為在相同激發條件下，對4號槍和4槍的激發信號對比(圖4a)，從功率譜密度對比(圖4b)可以看出，在參考臺的數據采集器為100Hz采樣的情況下，接收到的氣槍信號主要功率集中在30Hz以下，4槍激發信號的功率譜密度要比單槍的高約10～20dB/Hz，其最大功率都出現在3.50Hz。從時頻特性上看，4槍(圖4c)和單槍(圖4d)激發信號都在1s左右出現了能量最大值，并且集中在8Hz以下，將8Hz以下的有助于遠距離傳播的低頻成分產生的能量放大，4槍激發信號的能量集中在3～4Hz(圖4c)，單槍激發信號的能量主要集中在3～6Hz(圖4d)，而兩者的能量最大值都出現在3.5Hz附近，這與功率譜密度圖(圖4b)中的功率最大值相對應，其信號能量持續2s左右，初步判斷此能量主要是由氣泡脈沖和氣泡震蕩產生，可以看出單槍激發信號的能量中心頻率略高于4槍激發信號。在第3組試驗中，2號氣槍激發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號氣槍的激發條件較為相似，且相關系數和振幅也很接近。
2.2單槍和4槍激發信號信噪比與相關性對比
由于信號的衰減，炮檢距較遠的臺站接收到的激發信號振幅已經淹沒在背景噪聲之中，無法正確的計算信號振幅和信噪比。但相關信號的疊加能夠突顯信號(Niuetal，2008;Silveretal，2007)，氣槍激發信號的高重復性(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，經過數次疊加后，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20km時衰減劇烈，變化趨勢明顯，炮檢距大于20km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0～0.05－7m/s的穩定區間，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槍激發信號的相關系數在信噪比大于10dB時變化不大，平均相關系數可達到0.99，當信噪比小于10dB時，二者相關系數驟減，且穩定性也很差。相關系數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槍的激發信號的變化規律基本一致，其區別主要體現在這2種激發方式產生信號的振幅導致信噪比的不同。
2.3單槍與4槍激發效率的對比
信號的振幅代表了信號的能量，頻率可以反應出信號的抗衰減能力，相關系數體現了信號的相似程度，信噪比體現了信號的優劣。從以上試驗分析中可以看出幾種激發方式，信號的頻率和相關性都基本一致，只有信號的振幅有所不同，在噪聲較為穩定的情況下，我們以信噪比作為激發效率比較的標尺，單槍激發信號疊加多少次相當于一次4槍激發信號的信噪比。Silver(2007)的研究表明，當信噪比定義為SNR=A2槡signalA2槡noise．(1)其中，Asignal為信號振幅，Anoise為噪聲振幅，信噪比與疊加次數的關系為SNR=槡N×SNR0．(2)其中，SNR0是原始信號的信噪比，N為疊加次數，SNR為疊加后的信噪比。若將信噪比以dB形式表示時，信噪比的定義為SNRdB=20×log10AsignalAnoise．(3)由式(2)和式(3)可以得到疊加次數與信噪比的關系為SNRdB=SNRdB0+10×log10N．(4)其中，SNRdB0為原始信號的信噪比。圖7為炮檢距依次遞增的8個流動臺記錄到波形的信噪比和疊加次數的關系，圖中，“○”符號組成的曲線表示實際計算得到的疊加次數和信噪比的關系，黑實線表示由式(4)得到的理論曲線。從圖中可以看出每個臺的2條曲線還是比較接近的，形成差別的主要原因是現實生活中噪聲信號來源復雜，不可能完全符合理想狀態。由于理論和實際的計算結果基本一致，我們可以由式(4)推導出單槍信噪比、疊加次數與4槍激發信號信噪比的關系，即N=(SNR4SNR1)2．(5)其中，SNR4為4槍激發信號的信噪比，SNR1為單槍激發信號的信噪比，N為疊加次數。理論上，若臺站的背景噪聲為振幅恒定的白噪聲時，信噪比只與信號振幅有關。由圖8a可知，單槍與4槍激發信號的振幅比不隨炮檢距的增大而有規律變化，其范圍大概為3.6～4.4倍，于是可得:k×A1=A4，(3.6≤k≤4.4)．(6)將信號振幅和噪聲振幅信息帶入式(4)，取k為平均值4，可以得到n=(A4Anoise÷A1Anoise)2=(A4A1)2=(4×A1A1)2=16．(7)其中，n為單槍信號疊加的次數，A4為4槍激發信號的振幅，A1為單槍激發信號的振幅，Anoise為噪聲振幅，得到的理論結果是16次單槍激發的結果疊加后的信噪比與1次4槍激發的結果相當。從圖8b可以看出，單槍激發信號經過16次疊加的信噪比已經基本高于單次4槍激發的信號，隨著炮檢距的增大兩者的變化趨勢基本一致。在單槍信號經過100次疊加后，其信號可以在炮檢距為150km的臺站識別出來(圖5)。
3討論與結論
從以上的分析研究可以發現，賓川地震信號發射臺單槍和4槍激發信號的周期基本一致，這點可以從4槍激發的相干性來考慮，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)的經驗公式為a=(34π)13(P0V0Pa+ρwgh)13γ．(8)其中，a為平衡氣泡半徑，γ=1.13為熱容比，P0為氣槍壓力，V0為氣槍容量2000in3，Pa為大氣壓強，ρw=1000kg/m3為水的密度，g=9.8N/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15MPa，槍深為10m時，計算得到氣泡的平衡半徑a≈0.8096m，其2倍為1.6192m。從圖2可以看出，4支氣槍懸掛于邊長為7m的正方形浮臺，相鄰槍之間槍口的距離約為5.12m，這個距離遠遠大于相干槍1.6192m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槍激發信號的衰減速度相當，4槍與單槍激發信號的振幅比保持在3.6～4.4之間，說明單槍與4槍激發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槍和單槍激發所產生的信號4倍左右的振幅差異才是影響單槍激發能力的主要原因。從2種激發信號的相關系數看，相關系數與信號的信噪比高度相關，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，單槍的激發效率雖然低于4槍，但其具備150km的信號覆蓋半徑，具有更好的流動性，占用的空間更小，在今后氣槍臺網的建設、氣槍流動臺的建設都具有實際的應用價值，特別是今后單槍在更小的人工水體中發射臺的建立，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條件，使得氣槍震源系統更加穩定、高效，但在此之前，人工水體的設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，陳蒙博士在試驗數據的處理方面給予很多的幫助，中國地震局滇西地震預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，對本次試驗能夠順利開展做了很多工作，給予很大的支持，在此表示由衷的感謝。
參考文獻:
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作者:李孝賓 葉泵 楊軍 陳蒙 金明培 王寶善 單位:中國地震局滇西地震預報實驗場 中國地震局地球物理研究所 南洋理工大學