未來城市地下空間探測的關鍵技術
——大陸氣槍震源

王櫟,陳颙*,于大勇,胡久鵬,徐逸鶴,楊微,王濤

1 南京大學地球科學與工程學院，南京 210023 2 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

進入21世紀以來，中國城市化進程加速推進.根據第七次全國人口普查結果，中國城市化率達到63.89%，且過去20年的增幅超過30%.在城市高速發展的背景下，城市地下空間的利用是城市發展中至關重要的一環，其作為城市的載體奠定了城市快速發展的基礎.同時，城市地下空間的安全保障也是城市安全發展的前提.目前，北京、上海等特大型城市的地下空間利用深度在50 m左右，一線城市達到30 m，其他城市在20 m以內，相較于新加坡等發達國家對地下空間大于100 m的利用深度，我國目前對城市地下空間的利用水平還相對滯后；與此同時，城市地下空間容納了供水供電管線、燃氣電力管道等基礎公共設施，但近年來許多城市因地下空間利用不合理而造成了大雨內澇、地面塌陷、地下管線泄露等諸多問題.隨著城市人口的不斷增長，城市地下空間的安全問題嚴重影響了人民的生命財產安全，給城市運行和長期發展帶來了不利因素.因此，對城市地下空間的有效探明，是城市地下空間安全開發和高效利用的基礎，城市地下空間探測也成為了深地探測等國家戰略發展計劃的重要方向.

地球物理探測作為一種無損、高效的方法，是探測城市地下空間的有效手段.隨著城市的不斷發展，城市地球物理也得到了廣泛研究（Liu and Chan,2007;Miller,2013;Schreilechner and Eichkitz,2013），逐漸成為地球物理與城市發展科學的新興領域.我國自上個世紀60年代開始對城市地下空間進行探查，進入21世紀以來，逐步開展了對部分城市地下三維空間結構的綜合探測（郝英紅等,2021;薛濤等,2021）.目前成都、武漢、雄安等城市已經開展了較為全面的地球物理綜合探測與評價研究，對城市的地下空間結構有了較為清晰的認識（李華等,2020;馬巖等,2020;趙鐠等,2017）.

當前，開展城市地下空間探測的地球物理方法主要包括：重力探測、探地雷達、高密度電阻率、瞬變電磁法、測井與淺層地震勘探等（王栩等,2020;趙鐠等,2017）.但城市中存在建筑分布密集、城市電纜產生游離電場、大量金屬構件等因素的干擾，且城市地下空間探測對測深和分辨率有一定要求（武斌等,2019）.因此，抗干擾能力強、探測深、分辨率高的主動源地震勘探方法得到了廣泛應用（高景華等,2007;楊吉武等,2021;周長江等,2019）.

1 新型人工主動源—氣槍的應用

在主動源地震勘探中，需要選擇激發能量大、頻帶寬的人工震源，以保證較好的數據質量和探測效果.目前，在陸上勘探中，主動源勘探使用的震源包括炸藥震源、落錘震源、電火花震源、可控震源車等，其中炸藥震源當量大、激發信號信噪比高，是使用最廣泛的人工震源（陳颙和李宜晉,2007）.然而，在人口密度大、影響因素復雜的城市中，人工震源面臨著環境污染小、施工周期短、破壞性低、對城市交通與社會活動影響弱等嚴格要求.同時，震源的可重復性對監測城市地下結構變化也尤為重要，因此炸藥不宜繼續作為城市主動源勘探的主要人工震源.其他主要使用的震源中，落錘震源和電火花震源激發的能量相對較低，可控震源車雖然激發能量較大，但由于車體龐大、對路況要求高且噪聲污染大，在施工中會阻礙城市交通、影響城市運行與居民生活（陳颙和李宜晉,2007;陳颙等,2007a）.因此，傳統的地球物理手段已經無法滿足城市地下空間探測的要求，地球物理領域急需新型人工震源來滿足我國日益增長的城市地下空間探測需求.

氣槍震源是一種放置于水體中的新型人工震源，由美國Bolt公司Stephen Chelminski于1966年發明（Chelminski,1966），從20世紀80年代開始，氣槍開始被廣泛應用于海洋地震勘探.進入21世紀，我國的地球物理學家開始嘗試將氣槍震源引入陸上探測（陳颙等,2017），目前已開展了多次大陸氣槍震源試驗（楊微等,2021），并在云南賓川、新疆呼圖壁、甘肅張掖和永靖建立了四個固定氣槍信號發射臺（Tian et al.,2018;Wang et al.,2012;陳颙等,2007b;郭曉等,2020;魏斌等,2016;張元生等,2016）.試驗結果表明，大陸氣槍震源作為一種新型的人工震源具有巨大的探測優勢：

（1）綠色、無污染.氣槍激發無污染物產生，不會對水中生物造成影響.

（2）能量轉化效率高.131 L的氣槍陣列在2000 psi的工作壓力下產生的地震波能量可達一次ML0.7級地震產生的地震波能量，產生地震波能量的效率約為炸藥的10倍（陳颙等,2017）.

（3）可重復性高.氣槍陣列激發信號在一年內的相關系數始終保持在95%以上，震源的可重復性極高（魏斌等,2016）.

（4）安全、施工影響小.氣槍激發時始終放置于水體中，噪聲水平低，不影響城市人群的日常生活，且不會破壞地表結構.

這些特點使得大陸氣槍震源具有成為城市地下空間探測主動源的巨大潛力.

2 大陸氣槍震源在城市中的首次應用

大陸氣槍震源在城市中的應用，具有一定的挑戰.目前的大陸氣槍震源主要采用大容量氣槍（4條氣槍組合陣列，每槍33 L），并放置在水庫等大型水體中進行激發.然而人口密度大的城市環境對于大型設備場地、施工噪聲、施工時間和城市運行影響的要求嚴苛，不具備在大規模水體中進行大容量氣槍震源激發的試驗條件.同時，大陸氣槍震源的激發效果主要受到氣槍在水體中沉放深度的影響，更深的氣槍沉放深度可得到更好的激發效果（Wei et al.,2018;黃艷丹等,2018）.當前使用的大容量氣槍震源主要放置在大型水庫中，水深數十米，氣槍沉放深度主要在15～35 m范圍內.但大部分城市水體的深度在5～10 m以內，難以滿足大容量氣槍沉放深度的要求，激發效果難以驗證.因此，大陸氣槍震源尚未有過在城市中的應用嘗試.

在此背景下，南京大學地球科學與工程學院與中國地震局地球物理研究所合作，于2017年12月14—15日在江蘇省南京市棲霞區的羊山公園中，開展了大陸氣槍震源在城市中的首次激發試驗.在本次試驗中，我們布設了一條長約5 km、由16臺短周期地震儀組成的測線（圖1），激發源為美國Teledyne Bolt公司的1900LL型小容量氣槍（圖2a），放置于公園內的羊山湖中，激發壓力15 MPa，氣槍容量4.1 L，僅為大容量氣槍震源總容量的1/32.氣槍震源控制系統位于岸邊，用以控制氣槍激發、接收GPS時間與位置信號等，激發時間精度可達微秒級.

羊山公園位于南京市棲霞區的仙林大學城東部 （圖2b），占地1.34 km2，處于仙林副城中心區，臨近南京大學、南京中醫藥大學等高校，周邊住宅眾多，人口密集，交通路網發達，滿足在城市人口密集區域試驗大陸氣槍震源應用效果的測試條件.公園內的羊山湖為本次試驗的激發水體，湖面面積約為0.6 km2，實測水深最深約2.5 m，是典型的小規模城市水體環境，為大陸氣槍震源在城市內激發提供了理想的試驗環境.

圖1 羊山湖氣槍激發試驗觀測系統Fig.1 Observation system of Yangshanhu lake seismic airgun excitation experiment

圖2 （a） Teledyne Bolt 1900LL型氣槍震源;（b） 試驗區域衛星圖 （紅色標記為臺站位置）Fig.2 （a） Teledyne Bolt 1900LL seismic airgun source;（b） Satellite image of experimental field （Red symbols are locations of seismic stations）

本試驗的觀測系統于2017年12月14日安裝完畢，并在12月14—15日的日間持續工作.氣槍震源沉放處水深2.5 m，沉放深度2 m，為極淺水域激發.在系統調試階段，采用手動激發方式，根據激發效果調整激發參數，待效果穩定后，采用程序控制定時激發，每30 s激發一次，共激發373次.

3 試驗結果與分析

本文對地震儀記錄到的氣槍數據進行了處理，處理流程參考大容量氣槍震源的數據處理流程（翟秋實等,2016）.處理中首先根據氣槍震源激發時間表，對連續記錄進行事件切分，得到了每次激發被各個地震臺站接收到的事件信號，對事件信號進行預處理后進行線性疊加，并濾波至1～50 Hz.對經過處理得到的疊加信號，本文通過計算相關系數、計算信噪比、時頻分析、頻率-波數分析（F-K分析）等方法對小容量氣槍震源的激發信號特征進行了分析.

3.1 相關系數

圖3 614臺氣槍震源激發信號相關系數Fig.3 Correlation coefficient of seismic airgun signals at station 614

本研究首先分析了該小容量氣槍震源激發信號的可重復性參數.我們選取了布設在離震源最近的614地震臺（圖1，震中距450 m）在2017年12月15日上午記錄到的100次激發信號，對這100次激發信號進行線性疊加和歸一化，并將該疊加波形作為參考波形，用614臺站在100次激發中每次激發信號的波形與參考波形進行相關計算后，得到了每次氣槍震源激發信號的相關系數（圖3）.結果顯示，在100次激發中，相關系數幾乎都在95%以上，并在開始激發后隨著激發狀態的穩定逐漸上升.在第50次激發前后，相關系數達到99%，之后相關系數緩慢下降，這可能與試驗一段時間后氣槍未能滿氣激發有關.由于30 s的氣槍激發間隔時間較短，在試驗后段可能由于注氣不足，導致了氣槍信號的相關性逐漸下降，但整體的相關系數仍可保持在95%以上，表明了氣槍激發信號極高的可重復性.

氣槍信號在工作壓力穩定的情況下，會受到沉放深度的影響（Chen et al.,2014;黃艷丹等,2018）.相比于放置于水庫等大規模水體中的大容量氣槍震源，羊山湖氣槍激發試驗的水體規模很小，水深極淺，且試驗當天有一定降雨量，更易使氣槍激發信號受到影響.在此試驗環境下，氣槍信號的相關系數依然保持在95%以上，處于重復地震的相關系數閾值之上.這表明小容量氣槍震源即使在易受影響的城市小規模水體中，仍然具有極高的可重復性，抗干擾能力強.

3.2 信噪比計算

由于小容量氣槍震源激發信號具有高可重復性，本研究對記錄到的多次激發信號進行線性疊加來提高信噪比，并分析了對氣槍震源信號進行識別的可靠性.首先選取布設在南京大學天文臺處的636臺站（圖1，震中距2.06 km），將其在2017年12月15日中記錄到的單次激發和100次激發疊加后的三分量波形進行了對比.結果顯示，單次激發事件的三分量波形中（圖4a），雖然隨機噪聲有一定干擾，但三個分量的P波初至相對明顯，能夠有效識別氣槍激發信號.經過100次疊加后的三分量波形，隨機噪聲被大幅度壓制，震相清晰，信噪比極高（圖4b）.其中，E-W、N-S和Z（垂直）三個分量單次激發波形的均方根信噪比（信號窗均方根/噪聲窗均方根）分別為1.53、2.23和2.21，疊加后分別為13.87、18.92和17.55.三個分量的信號經過100次疊加后，信噪比分別提升了9.06倍、8.48倍和7.94倍.

其次，本研究觀察了信號隨震中距的變化特征（圖5）.將各臺站Z分量接收到的信號經過100次疊加后按震中距排列（圖5a），結果顯示在2.5 km范圍內都具有較高的信噪比，初至信號明顯，視速度在3.8 km·s-1左右.同時，單次激發與100次疊加的信噪比水平對比結果（圖5b）顯示，100次疊加處理可使氣槍信號在2.5 km震中距內提升一個數量級.該結果表明，4.1 L的小容量氣槍震源在小規模水體中的單次激發信號可被震中距至少在2.5 km內的地震儀清晰記錄，多次疊加處理后，氣槍激發信號的信噪比將大幅度提升.

圖4 636臺站氣槍震源激發波形對比（5～30 Hz帶通濾波，0 s為激發零時）（a） 單次激發波形；（b） 100次疊加后波形.Fig.4 Comparison of seismic airgun signals at station 636 （5～30 Hz bandpass filtered,0 time is the excitation moment）（a） Single-shot waveform；（b） 100-time stacked waveform.

圖5 氣槍震源信號隨震中距變化的特征（a） Z分量100次疊加波形隨震中距的變化（直線為3.8 km·s-1視速度）；（b） （a）中波形信噪比隨震中距的變化.Fig.5 Characteristics of seismic airgun signal varied with epicenter distance（a） Z component 100-time stacked waveforms varied with epicenter distance.The line showed the 3.8 km·s-1 apparent velocity；（b） Signal-noise ratios of waveforms in （a） varied with epicenter distance.

3.3 時頻分析

本研究選取了614、654和647三個短周期地震臺（圖1，震中距分別為0.44 km、1.74 km和2.27 km）的100次疊加信號進行時頻分析.在分析前，考慮到本次試驗區域較小，觀測信號受到傳播路徑上幾何擴散的影響相對較大，且觀測臺站布設在城市區域中，容易受到城市地表松散土層或沉積層的影響.因此，我們首先采用HVSR方法測算了每個臺站記錄信號的優勢頻率，討論了臺站下方松散沉積層對接收信號的影響.之后對波形信號進行了幾何擴散校正，并將校正后的信號進行了時頻分析.

HVSR方法（Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio）是一種利用單個地震臺站接收的隨機噪聲信號計算臺站下方松散沉積層層厚的方法（Nakamura,1989）.該方法計算三分量地震儀的水平分量信號和垂直分量信號在頻率域的比值，當地表松散沉積層與基巖之間存在較大的波阻抗差異時，比值結果會呈現出明顯的峰值頻率，該頻率與松散沉積層的卓越頻率一致，可用于估計沉積層厚度和場地放大效應（Nakamura,2019;Parolai et al.,2002）.本研究對所有臺站進行了HVSR曲線計算（圖6），計算時選取未進行氣槍震源激發的時段以避免氣槍震源的影響.HVSR結果表明，除615、616臺站外的所有臺站未出現明顯的峰值頻率，表明下方不存在明顯的沉積層.而615和616臺站的峰值頻率分別為1.55 Hz和2.95 Hz，參考后文的時頻分析結果（圖7）可知，其峰值頻率與氣槍信號所在主頻的頻段差異較大，并不會對氣槍信號主頻段內的信號產生影響.因此，本次試驗的觀測系統并未受到城市地表松散沉積層的明顯影響.

圖6 不同臺站HVSR曲線對比Fig.6 Comparison of HVSR curves between different seismic stations

確定城市地表沉積層不會對結果產生明顯影響后，筆者對接收信號振幅進行了幾何擴散校正.結合圖5中的視速度和圖7中得到的信號主頻，計算得到該小容量氣槍震源激發信號的波長約為100 m.本次試驗布設的所有臺站震中距均在信號的三倍波長距離外，因此可將所有接收到的信號作為遠場信號進行處理.參考地震波在均勻各向同性介質中的遠場傳播公式（Aki and Richards,2002）可知，位移與震中距的關系為u∝γ-1.因此對每個臺站的接收信號乘上震中距γ，將不同震中距帶來的幾何擴散影響校正后，計算得到的時頻特征見圖7.從中可見，氣槍信號存在兩個部分的主頻，分別集中于25～35 Hz頻段內和4～7 Hz頻段內.其中處于25～35 Hz頻段內的高頻信號在最近的614臺站能量極強，到時和弛豫時間短，但能量在稍遠的兩個臺站中迅速衰減，因此該信號為氣槍震源激發的高頻脈沖信號；主頻在4～7 Hz頻段內信號的能量在614臺相比25～35 Hz頻段內信號能量較弱，有相對明顯的弛豫時間，為氣槍激發的振蕩信號.觀測系統內其他臺站的時頻分析結果也進一步表明，小容量氣槍震源的脈沖信號處于25～35 Hz頻段內，振蕩信號處于4～7 Hz頻段內.由于該次試驗為極淺水域激發，因此氣槍的振蕩信號可能發育較差，導致其能量較弱.此外，信號在15 Hz左右能量較強，結合試驗場地條件推測，羊山湖的水底界面復雜，該部分信號是由水體形狀不規則所引起的.

由于氣槍激發信號會同時受到激發條件和水體環境（水體大小、形狀等）的影響，在恒定激發條件下，氣槍信號在不同水體中也會表現出不同波形和時頻特征（Chen et al.,2014;楊微等,2020）.圖7結果表明，小容量氣槍在羊山湖中激發信號波形和時頻特征較為復雜，其時頻特征與云南賓川氣槍發射臺激發信號的時頻特征較為相似（胡久鵬等,2017）.據此推斷，羊山湖水體底部結構和形狀復雜，激發水深較淺，對氣槍激發信號存在一定影響，需要對此類試驗條件進行進一步的試驗探究.

圖7 氣槍信號時頻分析（a） 614臺站；（b） 654臺站；（c） 647臺站.每圖上部為100次疊加Z分量波形 （1 s為激發零時），下部為波形時頻圖Fig.7 Time-frequency analysis of seismic airgun signals（a） Station 614；（b） Station 654；（c） Station 647.The top row of each plot is the 100-time stacked waveform of the vertical component （1 second is the excitation time）.The bottom row of each plot is the time-frequency representation of the stacked waveform.

3.4 F-K分析

F-K分析方法早期由Capon（1969）提出，后來被廣泛應用在地震臺陣分析中（唐明帥等,2010）.該方法通過對臺陣數據進行分析，可以獲得地震事件的反方位角和慢度.本次試驗中，我們選取了布設在南京大學天文臺的小型臺陣（617、634-637、646-649共9個臺站）的100次疊加數據進行了F-K分析，設置慢度網絡拐點為-2.0～2.0 s·km-1，步長為0.005 s·km-1，滑動窗口為0.4 s，滑動步長為0.05 s，最終計算得到了氣槍信號的F-K分析結果（圖8）.結果以極坐標圖表示，極徑為慢度值，極角為反方位角值.結果顯示，反方位角范圍在205°到215°之間，慢度值在0.28～0.3 s·km-1之間.并且在該結果中，氣槍信號的能量明顯高于其他干擾信號，聚焦效果良好.進一步分析發現，氣槍信號的反方位角約為213°，慢度值約為0.28 s·km-1，可得氣槍信號從水中激發到地震臺站接收路徑上的平均速度為3.57 km·s-1.該速度與氣槍信號的視速度大致相符（圖5），且反方位角與地震臺陣間的實際反方位角（～225°）基本吻合，驗證了分析結果的準確性.

以上分析結果表明小容量氣槍震源在城市小規模水體中具有良好的激發效果，激發信號的相關系數和信噪比高，震相到時清晰，可對淺表地層速度進行有效的探測，表明了小容量氣槍震源在城市應用中的有效性.

4 結論

2017年12月在南京開展的羊山湖氣槍激發試驗，為新型人工主動源—大陸氣槍震源在城市內的首次應用.本次試驗使用了容量為4.1 L的大陸氣槍震源，放置在南京市棲霞區羊山公園內面積不足1 km2的羊山湖中進行激發，湖深2.5 m，氣槍震源沉放深度2 m.通過分析氣槍震源的激發信號，結果表明：沉放在小規模水體中的小容量氣槍震源可激發相關系數在95%以上的地震信號，具有很高的信號可重復性.在城市中激發信號經過100次疊加后，信噪比可獲得極大提升；氣槍激發的脈沖信號處于25～35 Hz頻段內，振蕩信號處于4～7 Hz頻段內.通過F-K分析，驗證了氣槍信號對淺層速度探測的有效性，分析得到了氣槍激發信號沿北東方向（反方位角213°）的平均傳播速度約為3.57 km·s-1.表明了大陸氣槍震源在城市小規模水體中的良好應用效果，滿足城市地下空間的探測需要.

5 應用前景

本次羊山湖氣槍激發試驗對大陸氣槍震源在城市中心區域小規模水體中的應用效果進行了初步研究.結果表明，沉放在小規模水體中的小容量氣槍震源信號具有很高的可重復性，在城市中激發同樣可以得到具有高信噪比的信號.同時，小容量氣槍震源的信號主頻具有與過往研究相似的特征（陳颙等,2017;胡久鵬等,2017），這表明小容量氣槍震源在城市中同樣可以完成對城市地下空間的探測任務.此外，本文通過F-K分析方法對氣槍激發信號的反方位角與慢度進行分析，得到了氣槍信號在羊山湖附近區域淺表的傳播速度，分析結果合理可靠，表明小容量氣槍震源具有對半徑2.5 km范圍內城市地下空間進行有效探測的能力，驗證了大陸氣槍震源作為一種安全高效的城市地下空間探測主動源的有效性.

此外，氣槍的高可重復性使得氣槍信號可用于監測地下應力和波速的微弱變化（陳颙等,2017）.重復性和精度高的走時測量技術是觀測地下結構應力和波速變化的關鍵（Wang et al.,2008）.目前，背景噪聲技術是對地下結構成像、地下波速和水位動態變化特征進行監測的重要技術手段（Li et al.,2016;Liang and Langston,2009;Shapiro and Campillo,2004），但背景噪聲源會隨著季節而改變，并需要疊加至少一個月的連續記錄數據來保證結果的穩定性（Stehly et al.,2007;顧悅等,2021;楊建文等,2021;于雯等,2021），同時背景噪聲提取的面波相對低頻，使得城市內的噪聲成像分辨率受限.相比之下，大陸氣槍震源實驗獲得的信號主頻普遍較高（Wang et al.,2018;陳颙等,2017），在地下結構探測過程中可具有較高的空間分辨率，同時大陸氣槍還可激發有效面波用于地下結構探測與介質變化監測（于雯等,2021）.本次實驗中使用的小容量氣槍震源所激發的信號可重復性在95%以上，可對淺表波速和應力的動態變化特征進行有效監測（Wang et al.,2020）.采用本實驗中30 s的激發間隔，可使得大陸氣槍震源在城市中，每不到一小時就可獲得具有極高信噪比的地震信號，極大程度地縮短了對城市淺表特征動態監測所需時間，大幅提高了監測效率.為城市淺表的動態監測提供了良好的激發震源選擇.

本次試驗是大陸氣槍震源在極淺水域激發的首次嘗試，試驗結果驗證了大陸氣槍震源在城區水體中激發的有效性，突破了過往在水庫等大型水體中試驗激發的水體規模限制.另一方面，試驗過程中，氣槍震源的準備與激發過程無需對城市運行狀態提出較大要求，不會對所在水域和周邊環境產生較大影響.同時，氣槍震源激發不影響水域生物的生存環境和居民生活，突破了傳統地球物理勘探技術的限制.我國水域資源豐富、類型多樣，目前在全國28個省（自治區、直轄市）范圍內，共有2693座面積在1 km2以上的自然湖，總面積約占我國國土面積的0.9%（馬榮華等,2011）.本次試驗所在的羊山湖為面積不足1 km2的城市人工湖，此類水域在全國數量更大、分布更為廣泛.這表明采用大陸氣槍震源作為城市中應用的新型主動源，可對我國大部分城市進行有效的地下空間探測.在我國城區水域面積遼闊、城市規模龐大、城市地下空間探測需求強烈的背景下，大陸氣槍震源具有十分廣闊的應用前景，將成為未來城市地下空間探測的關鍵技術.

致謝感謝三位審稿專家對本文的寶貴意見和建議，感謝中國地震局地球物理勘探中心對本次試驗野外數據采集工作的支持.感謝阮友誼副教授對本文內容的審閱和修改貢獻.