利用大容量氣槍震源資料研究北天山地區介質衰減特征*

蘇金波，王寶善，王海濤，王　瓊，冀戰波1，

(1.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；2.新疆維吾爾自治區地震局，新疆 烏魯木齊 830011；

3.中國地震局地震觀測與地球物理成像重點實驗室，北京 100081)

利用大容量氣槍震源資料研究北天山地區介質衰減特征*

蘇金波1，2，王寶善3，王海濤2，王瓊2，冀戰波1，3

(1.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；2.新疆維吾爾自治區地震局，新疆 烏魯木齊 830011；

3.中國地震局地震觀測與地球物理成像重點實驗室，北京 100081)

摘要：利用人工震源(大容量氣槍)數據資料對北天山地區的氣槍信號振幅隨距離衰減關系和介質的衰減特征進行了研究。選取北天山地區新疆數字地震臺網的8個固定臺站記錄到的氣槍震源信號，計算氣槍主頻2～6 Hz之間的疊加后信號的振幅譜值的均方根，用均方根值代表氣槍信號傳播到該臺站處的振幅值，并對得到的均方根值進行擬合，得出當頻率為3.8 Hz時研究區域P波和S波品質因子分別為QP=(464±70)，QS=(653±46)。用同樣方法計算氣槍震源附近發生的一個天然地震的信號，得出當頻率為4.2 Hz時QP=(226±40)，QS=(484±34)。以上測量結果與前人利用不同范圍天然地震得到的結果類似，表明人工震源資料可以用于介質衰減特征研究，相關研究為長時間監測地球介質衰減特征隨時間變化提供了基礎。

關鍵詞：人工震源；北天山地區；振幅衰減；Q值

0引言

地震波在地球介質中的衰減攜帶著地震震源性質和地球深部構造的物理信息(林懷存，李永紅，2001)。研究地震波在地球介質中的衰減可以為研究地球內部的精細結構、物質組成、物理化學狀態等提供十分重要的依據，其結果可用于能源勘探、地震預報等方面。因此，對地震波衰減的研究一直受到地球物理工作者的高度重視(劉建華等，2004)。

地震的發生往往伴隨著地球介質內部應力的積累和釋放，我們可以根據監測地下介質應力的變化對地震孕育和發生進行動態監測。目前，被普遍認可的方法是利用地震波測量地下介質的波速隨時間的變化(如Niuetal.，2008)。但是，實驗室研究結果表明，同地震波速相比，衰減對巖石物理狀態變化的反應更為靈敏，我們可以通過監測地震波在地下介質中的衰減來對地震的孕育和發生進行監測和研究(劉斌等，1998)。

目前，對地震波衰減的研究主要局限在天然地震和小尺度的巖石物理實驗，其中利用天然地震波研究地殼Q值的方法主要有單臺—單源，多臺—單源，多臺—多源等方法，利用的地震波資料包括自由震蕩、面波、體波、Lg波、尾波、地震烈度資料等(趙翠萍等，2004；周連慶等，2008)。利用地震等天然震源對地下介質進行監測受到震源時空分布不均勻的限制(王寶善等，2011)。利用人工震源對地球介質Q值的研究較少，主要是因為一般的人工震源能量小、頻率高，傳播距離短(徐薈等，2015)，無法對較大尺度的區域進行Q值的研究。

最近發展起來的陸地水庫大容量氣槍震源具有頻率低，重復性好，信號傳播距離遠等優點，是進行地下介質連續監測的理想震源(陳颙等，2007；Wangetal.，2012；羅桂純等，2007；楊微等，2013；王彬等，2015)。本文通過分析大容量氣槍震源激發的信號研究北天山地區介質的衰減特性，以期為該地區的物性特征及其演化研究提供重要信息。

1試驗系統與數據

為連續監測北天山地區地下介質變化，2013年5月建成了一個以大容量氣槍為核心的“新疆主動震源野外科學觀測研究站”，這是我國第一座人工水體的大容量氣槍發射臺站。氣槍發射臺定址于烏魯木齊西北約80 km、北天山北麓的呼圖壁縣境內的古河灘荒地，激發池為上直徑100 m、下直徑20 m、深度18 m的圓臺形人工水體。發射臺配備6條單槍容量為2 000 in3的 Bolt 1500LL型氣槍。

圖1　氣槍震源位置及周邊臺站分布

新疆呼圖壁氣槍震源在2013年6～12月共進行600次有效激發，激發的地震波信號被新疆數字地震臺網記錄。激發期間氣槍沉放深度為10 m，工作壓力為15 MPa，6條槍同時一次激發釋放的能量與一次ML0.9天然地震釋放的能量相當(楊微等，2013)。由于氣槍震源的重復性極高，可以對同一臺站接收到的不同次激發的氣槍信號進行疊加來提高信噪比(王寶善等，2013)。圖2顯示600次激發信號的疊加結果，帶通濾波范圍2～6 Hz，圖中，紅色部分信號波形為北天山地區8個固定臺站記錄到的氣槍震源信號。從圖中可以看出最遠的固定地震臺(380 km)依然可以記錄到很強的氣槍信號，且該地區P波和S波的平均視速度分別為6 km/s和3.5 km/s。

圖2　固定臺站記錄到的氣槍激發的

2氣槍信號衰減

為了研究氣槍信號在北天山地區振幅與傳播距離衰減關系，筆者對該地區新疆數字地震臺網的固定臺站接收到的氣槍信號進行疊加，并對疊加后信號的信噪比進行篩選，最終選取了沿著北天山分布的8個信噪比較高的固定臺站的波形數據(圖1)。選取臺站都是基巖地基，采用速度記錄觀測所使用的EDAS-24型數字采集器，地震計為BBVS-60型。系統頻響特性在0.1～20 Hz之間，速度響應基本平坦，采樣率為100 Hz。

首先，對選取的8個臺站記錄到的氣槍信號進行了600次疊加，提高信噪比。通過疊加，氣槍信號可以被比較清楚地識別出來(圖2紅色部分)。然后去除地震信號中的儀器響應，把地震儀記錄到的信號還原成代表地表運動速度的信息。為了更加清楚地觀察到氣槍信號，對疊加后信號進行了一次1～20 Hz的寬頻帶濾波，去除高頻噪聲的影響，手動拾取了P波和S波到時。

對于濾波后的波形，我們分別截取了P波到時前2 s和后8 s進行深入分析。對于截取波形(圖3a)進行傅里葉變換，將信號變換至頻率域中，得到氣槍信號的頻率—振幅譜(圖3b)。

圖3　固定臺站記錄到的研究區域氣槍震源激發信號疊加后的P波震相(a)和對應的頻率振幅譜(b)

從圖3b可以看出，氣槍信號主要頻率集中在2～6 Hz，因此計算2～6 Hz之間所有譜值的均方根，用這個均方根值代表P波傳播到該臺站處時的振幅值(Yamaokaetal.，2014)，進而可以得到氣槍震源激發的P波信號振幅隨距離的衰減關系(圖7)。

從圖2可以發現，呼圖壁氣槍震源激發的S波普遍不強，但還是可以從圖上比較清晰的分辨出來，使用上文同樣的方法，我們對S波也進行了振幅譜的計算，分別截取了S波到時前0 s和后20 s進行深入分析，結果如圖4所示。

從圖4b可以發現，氣槍震源激發的S波信號主要頻率依然在2～6 Hz，利用與上文同樣的方法，可以得到氣槍震源激發的S波信號振幅隨距離的衰減關系(圖8)。

2013年8月3日，在距離氣槍震源10 km左右的呼圖壁縣與昌吉市交界處(44.3°N，87.1°E)發生了一次MS3.0地震，震源深度為8 km(圖1)。我們選取此次地震波形研究計算介質衰減，并與氣槍震源獲得的衰減特征進行對比。圖5、6表明，天然地震信號的頻譜明顯比氣槍震源寬。為了與氣槍信號的衰減關系進行對比，我們同樣計算出頻率振幅譜上2～6 Hz譜值的均方根，作為地震波傳播到該臺站時的振幅值(Yamaokaetal.，2014)，并得到天然地震P波和S波振幅隨距離衰減關系(圖7、8)。

通過對比天然地震和氣槍震源的P波和S波振幅隨距離衰減可以發現：(1)二者的衰減關系很類似，大體都呈現指數衰減；(2)從振幅歸一化后的結果對比可以發現，氣槍信號的P波和S波振幅隨距離的衰減都要比天然地震慢。

圖4　固定臺站記錄到的研究區域氣槍震源激發信號疊加后的S波震相(a)和對應的頻率振幅譜(b)

圖5　固定臺站記錄到的研究區域天然地震信號P波震相圖(a)及對應的頻率振幅譜(b)

圖6　固定臺站記錄到的研究區域天然地震信號S波震相(a)和對應的頻率振幅譜(b)

3振幅隨距離衰減模型

地震信號振幅隨傳播距離的衰減跟很多種因素有關，除了和介質的非完全彈性和不均勻性有關外，還和地震波的幾何擴散有關。根據Richards和Aki(1980)對地震波衰減的研究，體波隨距離衰減的關系為

(1)

由于計算體波傳播至特定臺站引起的振幅值時(式(1)A值)，是用2～6Hz之間振幅譜值的均方根來代表的，所以這個振幅值對應的頻率是一個中間頻率，可以利用加權平均的方法來得出這個振幅值對應的頻率，以振幅譜值作為權重，對頻率進行加權平均：

(2)

得出氣槍震源和天然地震的體波傳播至特定臺站引起的振幅值對應的加權平均頻率分別為3.8 Hz和4.2 Hz。

圖7　氣槍震源與天然地震P波信號歸一化振幅衰減

圖8　氣槍震源與天然地震S波信號歸一化振幅衰減

用同樣的方法，根據式(1)，可以直接對圖8中的天然地震和氣槍震源S波信號的歸一化振幅隨傳播距離衰減關系進行擬合，得到氣槍震源和天然地震擬合出的QS分別為(653±46)和(484±34)。

4討論與結論

姜慧等(2007)利用中小地震的觀測資料反演的北天山地區QS=278f0.346，這里取f=3.8Hz和f=4.2Hz，得到對應的QS值分別為441和457，這個結果和本文得到的利用天然地震擬合的QS值比較一致，說明本文提到的方法在該地區的Q值擬合的運算中是可行的。

從上文得出的結論我們可以發現：(1)無論是氣槍震源還是天然地震，相同頻率P波振幅的衰減都要比S波的快；(2)相同頻率的氣槍震源擬合得出的QP和QS均比天然地震得出的值高，這可能是由于區域結構(Cappenter，Stanford，1985)和二者震源特性造成的。

影響地震波振幅衰減計算結果的因素有很多種，主要有震源處輻射花樣，傳播過程中的散射、幾何擴散、儀器的不穩定性，介質的橫向和徑向的不均勻性，地球的自傳和橢球率等(付昌洪，1985)。本文在擬合氣槍震源和天然地震體波信號衰減得出研究區域品質因子時，考慮到幾何擴散和儀器響應對品質因子造成的影響。所以造成氣槍震源和天然地震信號擬合得到的研究區域品質因子存在差別的主要原因，很可能是震源輻射花樣不同造成的。氣槍震源可以看作是一個比較均勻的膨脹源，而天然地震是一個位錯源，所以二者激發出來的體波性質會有一些不同。呼圖壁氣槍震源激發出來的S波不強，但P波很強，這與天然地震的震源特性差別較大。

從圖7和圖8我們可以看出氣槍震源激發的體波在傳播100km以后，振幅出現了一個增大的現象，這可能是由于氣槍震源是一個表面源，在傳播至近場臺站時，體波射線路徑經過淺表沉積層的部分較多，衰減較大，而傳播至遠場臺站時，射線路徑經過淺表沉積層的部分相對變少，經過深層基巖的部分較多，振幅的衰減可能比一些近場的臺小，可能造成一些振幅增大的現象。而天然地震有一定震源深度(上文的ML3.0天然地震震源深度為8 km)，體波的射線路徑相比氣槍震源存在著一定差別，從圖上未發現明顯的振幅變大現象。同時由于選取波列相對較長，不同震中距上可能會出現不同的震相。以上情況對我們的擬合結果均可能造成了一定影響。

想要提高擬合精度，得出更精確的Q值，就必須要求研究區域有較為密集的臺站。而本文研究區域內的臺站相對稀疏，這對擬合精度造成了很大的影響。希望以后該區域的臺網更加密集，不但有利于進行對地震波衰減的研究，更有利于提高該地區對地震的監測能力。

氣槍震源和天然地震一樣，都具有豐富的低頻成分，雖然二者在震源特性上有一些差別，但是，從根據二者振幅衰減情況擬合出的QP和QS上看，二者的傳播規律十分相似。所以，我們可以利用氣槍震源來進行一些以前只能靠天然地震作為震源來研究的內容。氣槍震源擁有精確的發震位置和發震時刻，而且環保高效，利用這些優勢，我們還可以對一些天然地震研究方法進行驗證和改進。

新疆維吾爾自治區地震局監測中心的陳向軍高級工程師和唐明帥高級工程師為作者提供數據支持，中國地震局地震觀測與地球物理成像重點實驗室的王芳博士和胡久鵬博士在論文寫作和程序中給了作者很大的幫助，在此一并表示感謝。

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Research on Characteristic of Seismic Attenuation in the Northern

Tianshan Area using Seismic Signal from Airgun Source

SU Jin-bo1，2，WANG Bao-shan3，WANG Hai-tao2，WANG Qiong2，JI Zhan-bo3

(1. Lanzhou Institute of Seismology，CEA，Lanzhou 730000，Gansu，China)

(2. Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011，Xinjiang，China)

(3. Key Laboratory of Seismic Observation and Geophysical Imaging，CEA，Beijing 100081，China)

Abstract

Using the artificial seismic source(airguns) data，we studied the attenuation relation of the amplitude of airguns signal with distance and estimated the attenuation characteristics of the medium in the northern Tianshan area. We chose the airguns signals which were recorded by 8 fixed stations in Xinjiang Digital Seismic Network in the northern Tianshan area，and calculated the RMS(root mean square) of amplitude spectrum of the signal after the stacking of the signals within the frequency 2～6 Hz of airguns. Taking the RMS value as the amplitude which was formed when the airgun signal propagated to each station，we fitted these RMS values with attenuation equation，and obtained that when the frequency is 3.8 Hz，the quality factors of P and S waves areQP=(464±70) andQS=(653±46) in the study area. By using the same method，we also calculated seismic attenuation by using an earthquake signal occurred near the airguns source，and obtained that when the frequency is 4.2 Hz，the quality factors of P and S waves areQP=(226±40) andQS=(484±34). The obtained results are similar to previous studies which were based on earthquake in different area. It shows that artificial seismic source can be used to study on attenuation characteristic of the medium，and the relative study could provide the foundation for monitoring the variation characteristics of geological medium attenuation with time in the long term.

Key words：artificial source；northern Tianshan area；amplitude attenuation；Qvalue

中圖分類號：P313.22

文獻標識碼：A

文章編號：1000-0666(2015)04-0598-08

*收稿日期：2015-05-13.基金項目：2015年行業專項(地震行業專項20150800)、國家自然科學基金——呼圖壁儲氣田充放氣引起地下應力變化的地震學觀測(41474051)和自治區科研機構創新發展專項基金(2013016)聯合資助.