大容量氣槍震源地震動衰減特性分析

蔡輝騰 陳颙 金星 徐逸鶴 李穩

1）南京大學地球科學與工程學院，南京市仙林大道163號 210046

2）福建省地震局，福州市華鴻路7號 350003

3）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

4）中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450003

0 引言

利用人工震源主動向地下發射地震波并有效接收是進行區域尺度深部精細探測和地殼介質變化監測的重要途徑（陳颙等，2017）。大容量氣槍震源（以下簡稱氣槍震源）作為高性能人工震源，因其具有高重復性、定位精確、能量轉換效率高、低頻成分豐富等特點，經數據處理后可滿足傳播遠、穿透深的探測要求，已成為海洋深部探測和海陸聯測中的主要震源（Nazareth et al，2003；Van Avendonk et al，2004；Mc Intosh et al，2005；Melhuish et al，2005；丘學林等，2007；趙明輝等，2008；林建民等，2010）。近年來，我國科研人員對包括炸藥爆破和氣槍震源在內的多種人工震源進行實驗和分析（陳棋福等，2004；葛洪魁等，2006；李輝等，2007；陳颙等，2007；Wang et al，2008、2010），最終遴選出氣槍震源作為研究大陸地殼結構及其變化的震源，于2012、2013、2015年分別在云南賓川、新疆呼圖壁和甘肅張掖建成3個固定式氣槍發射地震臺，這些固定發射臺已運用于地球介質中地震波傳播速度變化的監測和研究中（Wang et al，2012；魏斌等，2016；張元生等，2016；陳颙等，2017）。為克服上述固定發射臺不能移動的缺點，經過多年努力，福建省地震局自主研制了移動式和船載式氣槍震源技術裝備，并成功在福建多個水庫、臺灣海峽和長江安徽段進行了氣槍激發實驗（夏季等，2016；徐嘉雋等，2016；陳惠芳等，2016、2017；林彬華等，2017a、2017b）。

在利用氣槍震源進行地殼結構探測或介質變化監測過程中，氣槍震源激發的地震波傳播能力直接影響了其探測或監測范圍和深度。究其本質，氣槍震源激發的地震波傳播能力取決于不同震中距臺站接收到氣槍激發的地面震動大小是否可被辨別，而氣槍激發的地面震動大小則由氣槍震源激發能力（氣槍容量、壓力，槍陣組合、尺寸、沉放深度）、激發環境（水體大小、形狀、水深、液固耦合界面上下層介質特性）、地下介質傳播過程的衰減等共同決定。鑒于此，基于福建海陸多個氣槍震源固定激發點重復激發的實驗數據，首先采用線性疊加方法進行疊加，把疊加結果除以疊加次數作為單次激發結果并仿真成位移記錄，然后將氣槍震源激發能力和激發環境綜合為一個影響因素即氣槍震源激發效能，采用不同震中距的位移峰值計算等效震級來評價不同固定點的激發效能，進而建立等效震級、震中距和速度峰值的衰減關系，以期為定量判斷氣槍震源激發的地震波的傳播能力以及利用氣槍震源進行深部探測或監測的觀測系統的設計提供重要依據。

2 數據和處理方法

2.1 數據來源

福建省地震局2014～2017年以來選擇16個地點共實施了20次大容量氣槍固定點激發實驗，實驗概況如表1所示。實驗中陸上和海上激發平臺分別為移動式水庫氣槍震源系統和“延平2號”海上氣槍震源系統，2套系統最初設計均由4桿1500 LL長壽命氣槍組成，總容量為8000 in3，2016年開始對“延平2號”海上氣槍震源系統進行擴容改造，升級為由6桿1500 LL長壽命氣槍組成，總容量為12000 in3。值得一提的是，在這20次固定點激發實驗中，由于不同的實驗目的，存在同一地點不同時段激發的實驗，考慮到激發時段不同，背景噪聲不同，可能造成接收效果不一，故本文將此類型實驗也作為獨立的實驗樣本進行考慮。

福建測震臺網經過20余年建設，截至目前，正式運行的有88個臺站，其中73個臺站配備寬頻帶地震計，大部分臺基環境干擾較小，其中，120s～50Hz帶寬臺站46個，60s～50Hz帶寬臺站27個，采樣率均為100Hz。本文收集了如圖1（a）所示的73個寬頻帶測震臺實驗期間三分量（E-W，N-S，U-D）的連續數字波形記錄，每個臺按每次激發時刻前20 s、后300 s截取作為1條記錄，并形成一個SAC格式數據文件，最終共截取約110萬條記錄。

2.2 處理方法

先將三分量記錄進行去儀器響應、均值和線性趨勢，并把水平2個分量旋轉至徑向（RR）和切向（T-T）?？紤]到氣槍震源優勢頻帶為3～8Hz（林建民等，2010），進而對每條記錄進行3～8Hz帶通濾波，而后具體處理步驟如下：

（1）為了得到高保真的幅值信息，疊加方法選擇線性類方法，針對每個固定激發點逐臺采用蔣生淼等（2017）提出的RMS篩選線性疊加方法進行疊加，并把疊加結果除以疊加次數作為單次激發結果；

表1 大容量氣槍固定點激發實驗概況

圖1 固定激發點和臺站分布（a）及YXBM臺站L01固定點激發的垂直分量重合波形（b）、速度峰值散點（c）

（2）將每個固定激發點所有臺疊后速度記錄集成地震剖面，計算5個分量（U-D，E-W，N-S，R-R，T-T）剖面中每道地震記錄的信噪比，選取信噪比大于8的地震記錄并分別提取P波段和S波段速度峰值；

（3）為便于后續固定激發點等效震級計算，需要將速度記錄仿真成位移記錄，采用金星等（2004）提出的不同類型地震動參數相互仿真的遞歸方法，把第2步驟中信噪比大于8的速度記錄仿真成位移記錄，并分別提取P波段和S波段位移峰值。

圖1（b）顯示震中距為13.63km的YXBM臺站接收L01固定點725次激發的垂直分量記錄重合繪制（黑線），紅線為采用RMS篩選線性疊加方法的結果，從圖1中可以看出噪聲段（0～2 s）疊前速度幅值約為±200nm/s，疊加后速度幅值約為±10nm/s，信號段（2～10 s）較長，除了P波、S波外還可以看到面波成分，結合圖1（c）可知，信號段速度峰值位于P波段，峰值范圍為 500～800nm/s，峰值平均值為 698.6nm/s，疊后峰值為 689.5nm/s，定義幅值疊加損失率為峰值平均值減去疊后峰值與峰值平均值的比值，那么L01固定點—YXBM臺站幅值疊加損失率為1.3%，顯示疊后幅值保真度較高，反映了RMS篩選線性疊加方法效果較為理想。

圖2為L01固定點73個臺疊后垂直分量的速度地震剖面和位移地震剖面及其相應的P波組和S波組峰值。從圖2可以看出，疊后P波組和S波組信號在震中距0～270km內可連續辨別，提取的P波組和S波組峰值對應的走時符合相應的視速度關系；速度峰值范圍約為700～4nm/s，位移峰值范圍約為200～0.2nm；速度峰值衰減形式與位移峰值衰減形式較為一致，P波組和S波組速度峰值或位移峰值相近；但是存在一些震中距相近的觀測點的峰值速度相差近乎1個數量級的現象，初步判斷是因氣槍震源激發能量傳播過程中的方向差異性造成的。綜上，后續分析中根據上述處理方法獲取的數據中，取位移峰值進行不同固定點等效震級計算，取速度峰值建立氣槍震源速度衰減關系。

圖2 L01固定點疊后速度和位移分布

3 等效震級計算

本文將不同固定點震源激發能力和激發環境作為整體因素考慮，采用類似常規地方性震級計算方法，計算P波和S波等效震級作為綜合評價不同固定點激發效能的參數。等效震級計算公式如下

其中，MLP和MLS分別為P波和S波等效震級；AP和AS分別為P波和S波最大振幅即位移峰值；AZ為垂直分量P波位移峰值；AN和AE分別為NS分量和東西分量S波位移峰值；AZ、AN和AE單位換算為 μm；Δ為震中距，單位為 km；R（Δ）為地方性震級的量規函數，取《GB，17740－2017，地震震級的規定》（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2017）附錄 A中 R12。

針對每個固定激發點每個臺疊后P波和S波位移峰值，采用式（1）～（4）計算相應的震級，取所有臺的震級平均值作為該固定激發點的等效震級，結果如表1所示，其中陸地水庫L01固定點和臺灣海峽S08固定點計算過程如圖3所示。從圖3可以看出，震中距為 100～200km時的計算結果離散性除個別臺外總體優于其他震中距段的結果。

圖3 等效震級計算

4 衰減模型建立

衰減模型建立之前，需要考慮的是衰減模型形式的選擇。由于選用的氣槍震源的等效震級均小于1（表1），震源體尺度較小且震源深度可近似為0km，可不考慮震級飽和項和近震飽和項影響，故本文選用僅考慮震級項M和幾何擴散項lgΔ影響的衰減模型（靳超宇等，2009）

式中，Y為速度峰值，單位統一換算為nm/s；Δ為震中距，單位為km；ε為隨機變量。

按照式（5）模型采用多元線性回歸方法，對3個分量的P波和S波速度峰值分別進行擬合，得到氣槍震源基巖場速度峰值的衰減規律，具體結果見表2、圖4和圖5。值得一提的是，擬合過程中震級項 P波和 S波分別采用 MLP和MLS，水平向2組2個分量除了分別作為獨立參量擬合外還作為同一樣本進行擬合，即表2中（E-W ＋N-S）和（R-R＋T-T）的結果。圖4、5分別為P波和S波的衰減擬合結果，圖中還給出了原始樣本作為對比分析。

表2 速度峰值衰減系數和擬合標準差

圖4 5個分量上P波速度峰值分布和擬合結果

5 分析和討論

5.1 氣槍震源激發效能分析

為便于分析，圖6給出表1中20個固定激發點等效震級分布情況。結合表1和圖6可以看出：①MLS均大于MLP，表明氣槍震源激發產生的S波能量大于P波能量，這與張蔚等（2009）研究結果一致，另外從圖2中可以看出，S波走時特性呈現其為氣泡應力波在水庫庫底產生的轉換波，這說明S波主要是水體中氣槍產生的P波在震源附近水體底面即液固界面產生的轉換波，且轉換過程中可能因上下層介質特性引起的能量重新分配或地形影響而導致S波強于P波。②氣槍震源激發能力一致，但是激發環境不同導致效能相差較大，如L01～L04均為大陸水體，槍陣容量、壓力和尺寸相近，但是效能大不一樣，如L03點和L02兩點。根據能量與震級間的關系（周云，2005），可得P波能量比約為8.5，S波能量比約為6.0。③氣槍激發環境相似，氣槍震源槍陣總容量越大，效能越高，如激發地點均為漳州海外的S03、S10點，槍陣總容量分別為8000、12000，in3，激發環境相近，P波和S波能量比均約為2.0，說明槍陣總容量增加50%，但是能量近乎增加了1倍。

圖5 5個分量上S波速度峰值分布和擬合曲線

圖6 固定激發點等效震級直方圖

5.2 氣槍震源速度峰值衰減特征分析

圖7為5個分量的P波和S波速度峰值衰減關系比較結果，結合圖4、5可得：①總體而言，5個分量的P波和S波速度峰值衰減趨勢與統計樣本分布情況基本一致，反映了樣本值的衰減趨勢，從表2的衰減系數看，速度峰值隨等效震級增大而增大，隨震中距增大而減小。②從擬合結果看，本文所得的衰減關系最適用范圍為100～400km，這是由于樣本分布導致的，近場衰減關系則需要更多近場數據支持。③比較不同分量衰減關系可知，U-D分量速度峰值P波最大，S波則相反，這與通常的認識相一致，水平方向上4個分量相差不大。

圖7 5個分量P波和S波速度峰值衰減關系比較

5.3 速度峰值衰減特征運用于實驗觀測系統設計的思路

在以氣槍為人工震源進行地下介質探測或監測實驗中，在觀測系統設計時，需要根據探測或監測范圍科學合理地確定激發次數與不同震中距信號信噪比間的關系。據此，我們試圖探討依據速度峰值衰減關系確定不同震中距接收到的信號信噪比與激發次數間的關系，該思路可供觀測系統設計時參考使用。思路如下：首先確定探測或監測范圍內不同震中距觀測臺站的噪聲水平N，并假設在同一震中距、不同方位角的觀測臺站接收到的氣槍信號能量一樣的前提條件下，可利用氣槍震源等效震級和速度峰值衰減關系估計不同震中距上的速度峰值F，其中，氣槍震源等效震級可根據類似激發能力和激發環境進行預估，或者采用實驗的方式激發10～25次進行估算得到，進而采用F/N作為觀測臺站的單次激發信噪比，結合激發n次信噪比提高的關系，即可得到激發n次后觀測臺站信號的信噪比SNR為×F/N，這樣我們就可以根據實驗預先設定的信號信噪比要求來確定不同臺站需要的激發次數，取所有臺站中激發次數最大值作為實驗設計的激發次數。

舉例說明，假定震中距分別為50、100、150、200、250km的5個觀測臺站的垂直分量噪聲水平 N分別為 200、200、100、150、100nm，P波等效震級為 0.7，采用表 2中 P（U-D）對應的衰減關系，則可以得到不同震中距信噪比與激發次數間關系曲線（圖8）。假如實驗要求250km范圍內的P波觀測信號信噪比至少大于3，則由圖8可判斷至少需要激發約500次。

圖8 信噪比、震中距、激發次數間的關系

6 結語

本文基于福建及臺灣海峽對氣槍震源固定點激發的觀測記錄，對激發效能及速度峰值的估計問題作了分析探討，得出以下結論：震中距為0～270km時，現有固定測震臺觀測儀器均能接收到氣槍震源激發的地震波信號；氣槍震源槍陣總容量越大，激發的效能越好，本地區氣槍震源激發產生的S波能量大于P波能量，激發環境不同激發效能相差較大；速度峰值隨等效震級增大而增大，隨震中距增大而減小，P波速度峰值三分量中垂直分量最大；S波相反，其垂直分量最小，二者水平分量相近。希望本文的工作能為深入研究氣槍震源傳播特性和進一步拓展氣槍震源科學與工程應用問題提供一些幫助。

致謝：福建省地震局多位同志參加了水庫氣槍激發實驗，監測中心提供所需的連續記錄數據，匿名審稿人為文章的修改提供了寶貴建議，特此感謝。