賓川地震信號發射臺的選址、建設及初步觀測結果*

王 彬，吳國華，蘇有錦，王寶善，葛洪魁，金明培，楊 軍，張啟明，李 濤，劉繼武

0 前言

隨著數字化地震觀測水平的提高和數字處理技術的發展，人們有可能實現對地球介質性質的細微變化進行觀測，這種觀測對研究區域介質性質的變化，研究地震的孕育發生過程具有重要意義。地震波的很多特征 (如衰減、頻散等)都可以用來研究地下介質的結構及其性質變化，但地震波速度及變化仍然是精度最高的方法。

地震儀記錄到的地震波信號，是震源、傳播介質和記錄儀器三者相互耦合的結果，為研究地球介質的變化，在保持觀測記錄條件一致的情況下，地震波激發震源的高度一致并可重復是最為關鍵的問題。經過多次的實驗表明，氣槍震源具有綠色環保、重復性好、激發能量大、地震波轉換效率高及激發地震波的能量主要集中在低頻5 Hz左右的特點 (陳颙，朱日祥，2005)。為了利用氣槍源建立地震波發射臺，促進“4D”地震學發展，陳颙院士領導的研究小組在華北上關湖水庫等地進行了實驗，取得了非常好的觀測效果 (陳颙等，2007b)。

云南現代構造運動強烈，破壞性地震多發，是進行地震科學研究的理想場所，在中國地震局地球物理研究所、云南省地震局、大理州地震局和賓川縣地震局的共同努力下，經過多次堪選，在云南滇西地震預報實驗場區的賓川縣大銀甸水庫建成了全球第一個氣槍地震信號發射臺。

滇西地震預報實驗場區具有較好的地震觀測條件，從20世紀80年代開始在實驗場區內開展了地震地質、地殼探測、地震前兆、地球物理與地球化學參數、地震預報方法等多方面的研究，取得了很多成果，對這一區域的地殼結構、地球物理場等有了較為深入的了解 (劉祖蔭，秦嘉政，1996)，這為開展主動源的觀測研究奠定了良好的基礎。

1 發射臺所處區域地震地質環境及地震活動概況

賓川地震信號發射臺所在的滇西地區位于歐亞板塊與印度洋板塊碰撞帶之東緣地帶，地質構造十分復雜，強震活動特別頻繁。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 (圖1)。在金沙江—紅河斷裂以東地區，應力場主壓應力優勢方位約為N20°W，該區應力場主要受青藏高原物質側移造成川滇菱形塊體向南南東推擠的力源控制;瀾滄江以西地區，應力場主壓應力優勢方位約為N30°E，主要受印度洋板塊向北推擠對緬甸弧東翼側向擠壓作用的影響。瀾滄江與紅河斷裂之間的印支板塊地帶，主要應力方位北北西和北北東向兼有之，但更多表現為近于金沙江—紅河斷裂以東地區。同時，震源機制解顯示，在中甸、麗江、鶴慶、永勝帶，斷層具有較大的傾滑分量，可能與劍川—鶴慶一帶地幔物質上隆有關 (晏鳳桐等，1996)。

滇西實驗場區的地殼大致可分為4層，且以紅河斷裂為界分為南、北兩區，沉積層平均波速為4.55 km/s。南區沉積層相對較厚，約為5 km，北區相對較薄，不足3 km。第一層波速一般為6.10～6.25 km，南區層厚較穩定，約7～10 km，北區層厚變化較大，約10～17 km，且在劍川斷裂以北 (南高寨)波速突升至6.30～6.45 km/s。第二層波速一般為6.30～6.45 km/s，南區厚度較穩定，約10 km，北區厚度變化較大，約5～17 km，在劍川斷裂以北波速突升至6.50～6.60 km/s。第三層波速一般為6.35～6.45 km/s，南區和北區的厚度比較穩定，約10 km，南區第三層與第二層相比波速變化不大，亦可歸為一層;但北區第三層波速不僅低于南區第三層波速，而且低于上覆第二層波速，構成北區的地殼低速層。第四層的厚度與波速變化均較大，南區層厚穩定，約18 km，平均波速相對較低，為6.75～6.90 km/s，北區層厚逐漸增加至25 km，且平均波速較高，在6.75～7.10 km/s之間 (圖2)(晏鳳桐等，1996)。

發射臺附近兩條主要活動斷裂為程海—賓川斷裂和紅河斷裂。程?！e川斷裂北起永勝金官北雜拉坡附近，向南經金官盆地與永勝盆地之間芮官山西坡、程海東、清水、期納，到濤源，東南經過金沙江、熱水塘、片角街，順賓川盆地東緣延伸到哨廠以南逐漸向南西彎轉，后經響水、毛栗坡，達彌渡盆地北西邊緣，在紅崖坡西的橋頭哨附近交于紅河斷裂。全長約200 km，總體走向近南北，地表顯微波狀彎曲傾向南西，傾角70°～85°。

紅河斷裂北起洱源灣坡塘，南于河口附近進入越南，在云南境內長約600 km。斷裂帶由北西向南東穿過洱源盆地、洱海，過彌渡盆地后沿禮社江、元江、紅河河谷延伸?？傮w走向北西，傾向北東，傾角在65°～80°之間。發射臺所處的紅河斷裂北段 (洱源至彌渡)自第四紀以來，斷裂活動強烈 (虢順民等，2001)。

發射臺所處的滇西地震預報實驗場核心區域，最早的破壞性地震記載始于公元886年大理5?4級地震，自1481年以來，共發生25次M≥6.0地震，其中，M≥7地震4次，最大為1515年永勝7■4級地震，距發射臺約40 km發生過1925年大理鳳儀7級地震。近年來區內中強地震活動頻繁，大部分地震震源深度約20 km，處于中上地殼內。

2 基地建設情況

大銀甸水庫 (25°48'N，100°30'E)位于賓川縣城西南，距縣城直線距離約7 km。該水庫為中型水庫，主壩高 58 m，壩長 144 m，庫容為4 085×104m3，最大水深大于40 m，每年5～7月水位最低，最大水深約20 m(圖3)。該水庫以農田灌溉為主，兼防洪、縣城供水等。

項目組在測量水庫水深的基礎上，確定了臺站位置，臺站占地約5畝。建設前期，先后完成了項目立項、建設方案論證、環境評價、壓覆礦產資源評價等工作。為便于氣槍的操作和檢修，使用昆明力神重工有限公司生產的6013型塔式起重機作為氣槍源發射塔架。氣槍入水工作期間，主要懸掛于置于水面的浮臺上。目前已建設完成了操作室、空壓機室和檢測維修室等附屬設施以及發射塔防雷設施安裝?，F主要配備有氣槍4支(單槍容量2 000 in3，共8 000 in3)、氣槍控制器1套。輔助設備包括一臺空氣壓縮機，儲氣瓶組和氣源控制系統等。

在公益性行業專項重大項目“中國地震科學臺陣探測——南北地震帶南段”的資助下，在發射臺周圍建設了40個地震信號接收臺，結合滇西實驗場區已有的固定臺，金沙江流域的水庫地震臺，構成地震波信息接收系統 (圖5)。

3 初步觀測結果

3.1 強震觀測結果

為了觀測氣槍激發產生的地震動，在氣槍周圍布設了強震臺進行觀測，一個強震臺置于距氣槍源最近距離56.4 m(強震儀置于塔吊基座)，并沿直線在不同的距離上架設了4個臺 (No.1～4)，在水庫大壩中間和壩肩距氣槍源分別為1 409 m和1 351 m處也架設了強震儀進行觀測 (No.5～6)。觀測時，4支氣槍同時激發 (圖6)，各測點的地震動加速度峰值、速度和卓越頻率如表1所示。從強震觀測結果可知，在塔吊基座附近，4槍同時激發時，可以產生較強的地震動，但隨著距離的增加，地震動迅速衰減，在距震源約1 000 m的水庫大壩上已無影響，這也保證了發射臺長期工作時不會對周圍環境造成影響。同時，經過長期觀察，水庫內的魚類也未受到實驗的影響，這表明氣槍震源是綠色環保震源。

表1 各觀測點強震動峰值及卓越頻率Tab.1 Peak and predominant frequency of strong ground motion of each observation point

3.2 氣槍震源的一致性及頻率特征

氣槍震源的一致性是其最本質的特征和突出優點 (陳颙，李宜晉，2007a)，是進行主動源“4D”地震學研究，構建“地下云圖”的基本要求，也是對多次記錄進行疊加提高觀測數據信噪比的物理基礎。經計算震源處地震波的相關系數達0.99，圖7a給出了震源處111次記錄的疊加結果，充分顯示了氣槍震源的可重復性。圖7b給出了單槍置放同一深度 (11.5 km)，不同工作壓力(10 MPa、15 MPa)時的記錄信號及頻譜，氣槍源信號的頻率主要集中在6 Hz附近，這一頻段，正好處于地震觀測系統的觀測頻帶范圍內。

3.3 觀測結果及與爆炸源觀測的比較

圖8 給出了不同觀測距離處所獲得的記錄信號，從圖中可看出，各震相發育良好，最遠至230 km處都可得到清晰的觀測記錄。以發射源為中心，利用氣槍源發射，可“照亮”15×104km2以上的研究區域，這為研究該區域的地殼及上地幔精細結構提供了可靠的觀測資料。通過氣槍源的長期連續激發和觀測，可實現對深部介質物性與應力狀態變化進行連續監測，這對于研究地震的孕育和發生具有重要的意義，也是震情跟蹤工作的一種新的有力的手段。

傳統的地震測深是利用大當量的炸藥進行爆破觀測，為了對比研究爆炸源與氣槍源的觀測記錄、標定觀測系統，我們在賓川主動源發射基地旁300 m處進行了一次當量為900 kg的爆炸實驗，圖9為同一觀測系統對氣槍源激發 (111次疊加的結果)和爆破源激發信號的記錄。兩種激發源所記錄的波形、震相是一致的，但與爆炸源相比，氣槍源的有效觀測范圍更大、信噪比更高。爆炸實驗后，爆炸現場已遭到破壞，不可能再進行原地的重復實驗。

4 總結及展望

賓川地震信號發射臺初步建成后，進行了一個月的實驗觀測，初步觀測結果已被美國地球物理聯合會會刊《EOS》和美國科學促進會(AAAS)作了報道，《中國科學報》也對相關報道進行了轉載。2012年11月16日《春城晚報》頭版對賓川主動源工作進行了全面報道，向公眾進行了地震科普知識的宣傳。從2012年9月起，已開始一周一次的激發觀測，觀測結果的分析研究工作正在深入進行中。2013年底，依托于賓川地震信號發射臺的科學實驗及研究工作被云南省人民政府批準成為“陳颙院士工作站”。近期，在行業專項“滇西地區深部介質變化主動監測技術研究”的支持下，在發射臺又開挖了一個直徑5 m，深20 m的實驗井，并成功進行了氣槍井中激發的觀測實驗。以地震信號發射臺為依托開展的科學研究工作已獲得自然科學基金的資助?？深A期的是，作為全世界第一個固定的地震信號發射臺，隨著觀測研究的深入，必將在地震科學的探索研究中發揮出重要的作用，開辟出新的研究領域，取得原創性的地震科學成果。

就賓川地震信號發射臺今后的工作，應注意以下幾個方面的問題:

(1)截至目前，賓川地震信號發射臺的建設是在中國地震局專項、行業專項、中國地震局地球物理研究所所長基金等的支持下完成的。為了使這個極具探索性的工作長期堅持下去，應尋求穩定的資金投入渠道。

(2)總結過去一段時間的工作經驗和成果，完善觀測系統，進一步研究明確賓川地震信號發射臺的科學發展規劃、科學思路、分階段的工作目標等。

(3)組建科學家小組，培養研究團隊，對觀測資料進行深入、全面的分析研究，盡快產出高質量的科學成果。

(4)自2012年11月以來，研究區內發生了多次M≥4地震，最大為2013年3月3日洱源MW5.5地震，充分利用這些資料，研究地下介質波速的時空變化是近期工作的一個重點。

賓川地震信號發射臺的建設，是在中國地震局地球物理研究所、云南省地震局、大理州地震局、賓川縣地震局和北京市地震局等有關科技人員的共同努力下完成的，建設過程中得到中國地震局領導的大力支持和關懷。大理州政府和賓川縣政府及有關部門對項目的實施做了大量協調工作，在此一并表示衷心的感謝!

陳颙，李宜晉.2007a.地震波雷達研究展望:用人工震源探測大陸地殼結構［J］．中國科學技術大學學報，37(8):813－819.

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

陳颙，朱日祥.2005.設立“地下明燈研究計劃”的建議［J］．地球科學進展，20(5):485－489.

虢順民，計鳳桔，向宏發，等.2001.紅河活動斷裂帶［M］．北京:海洋出版社.

劉祖蔭，秦嘉政.1996.滇西地震預報科學實驗［J］//國家地震局科技監測司，國家地震局滇西地震預報實驗場.滇西地震預報實驗研究論文集(1991—1995)［C］．北京:地震出版社.

晏鳳桐，闞榮舉，周瑞琦，等.1996.滇西實驗場及鄰區地震構造、應力場及地震活動基本特征［J］//國家地震局科技監測司、國家地震局滇西地震預報實驗場.滇西地震預報實驗研究論文集(1991－1995)［C］．北京:地震出版社.