基于甘肅氣槍主動源的“地下云圖”構(gòu)建

張元生 秦滿忠 鐘美嬌 鄒銳 張衛(wèi)東 周濤 郭曉 劉旭宙 李少華

摘要：

在陸地氣槍主動源技術(shù)系統(tǒng)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，使用地震層析成像和計算機(jī)圖像處理技術(shù)，把地震波物理參數(shù)（地震波速度和vP/vS）演化過程以氣象云圖的形式表現(xiàn)出來，達(dá)到“看圖識天氣”的目的。利用地震波速“地下云圖”的結(jié)果開展地震孕育過程和機(jī)理研究，深入了解強(qiáng)震發(fā)生前后震源區(qū)地震波速度和波速比的時空演化表征，總結(jié)提取具有普適性的地震學(xué)前兆參數(shù)及其指標(biāo)，對進(jìn)一步提高地震預(yù)測預(yù)報效能有著重要科學(xué)意義。

關(guān)鍵詞：

氣槍主動源; 地下云圖; 地震孕育過程; 地震波速異常特征

中圖分類號： P315????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號： 1000-0844（2023）02-0382-05

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230202004

Construction of "underground cloud maps" based on

airgun active source of Gansu

ZHANG Yuansheng1，2， QIN Manzhong1，2， ZHONG Meijiao1，2， ZOU Rui1，2， ZHANG Weidong1，2，

ZHOU Tao1，2， GUO Xiao1，2， LIU Xuzhou1，2， LI Shaohua1，2

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

（2. Gansu Lanzhou Geophysics National Observation and Research Station， Lanzhou 730000， Gansu， China）

Abstract：

Based on the continuous development of the technical system of airgun active source on land， the evolution process of seismic waves' physical parameters （wave velocity and vP/vS） can be presented in the form of meteorological cloud map by using the techniques of seismic tomography and computer image display， so as to achieve the purpose of "reading cloud maps and recognizing weather underground". On the basis of the results of "underground cloud maps"， we can study the seismogenic process and mechanism of earthquakes， deeply understand the temporal and spatial evolution characteristics of seismic wave velocity and vP/vS in epicentral area before and after strong earthquakes， and also summarize and extract universal seismic precursor parameters and indicators. The results of the study have important scientific significance for further improving the efficiency of earthquake prediction.

Keywords：

airgun active source; underground cloud map; seismogenic process of earthquake; abnormal characteristic of seismic wave velocity

0 引言

“地下云圖”是在實(shí)施國家地震科技創(chuàng)新工程“透明地殼”計劃的基礎(chǔ)上提出來的，這個概念最早可見于2018年《科技日報》［1］、《文摘報》［2］、《科普時報》［3］等。類似于天氣云圖的生成方式，“地下云圖”是利用震源和地震觀測臺網(wǎng)對地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行的動態(tài)監(jiān)測，是用地震CT原理構(gòu)建的一張能夠看見地下應(yīng)力的動態(tài)演化圖。“地下云圖”類似于氣象預(yù)報“看云識天氣”的方式，可以每天、每周、每月、每年產(chǎn)出，目前主動源可以產(chǎn)出每周的地下介質(zhì)地震波速度變化圖，根據(jù)速度變化特征分析地下介質(zhì)物性異常情況，從而為地震預(yù)測提供一種新途徑。

至今，應(yīng)用地震學(xué)方法，“地下云圖”已取得了兩方面進(jìn)展：一是動態(tài)噪聲成像技術(shù)工程。地脈動噪聲作為地震觀測的背景干擾，地震學(xué)家們希望通過地脈動記錄來實(shí)時監(jiān)測地殼介質(zhì)變化。“紅腫理論［4］”認(rèn)為在大震來臨之前的一段時間，孕震區(qū)巖體破裂加劇，脈動水平增高，通過對脈動水平變化的監(jiān)測，有可能認(rèn)識到大地震的前兆特征。二是主動震源深部探測工程。進(jìn)入21世紀(jì)以來，人工主動震源探測技術(shù)進(jìn)展引人注目，主要技術(shù)有氣槍震源［5-7］、精控震源及人工爆破等。先后在云南賓川、新疆呼圖壁、甘肅張掖（以下稱祁連山主動源）和甘肅永靖（以下稱劉家峽主動源）建成了陸地大容量水中氣槍地震信號發(fā)射臺。在甘肅主動源有效監(jiān)測區(qū)內(nèi)地震活動頻繁，強(qiáng)震多發(fā)，斷裂帶構(gòu)造活動強(qiáng)烈，臺站密度不斷得到提高，逐漸形成較密集的地震觀測臺網(wǎng)（圖1）。利用氣槍震源的高度可重復(fù)性，可以將多次激發(fā)信號進(jìn)行疊加來增強(qiáng)信噪比。實(shí)際觀測記錄表明，氣槍震源激發(fā)信號可追蹤到200～300 km范圍，其中云南賓川主動源的激發(fā)信號可追蹤到240 km，新疆呼圖壁主動源、甘肅祁連山主動源和甘肅劉家峽主動源的激發(fā)信號均可追蹤到300 km，探測深度可達(dá)到莫霍面。這些主動源的建成為監(jiān)測各地區(qū)地下介質(zhì)動態(tài)變化提供了寶貴的科學(xué)實(shí)驗平臺，因此，開展“地下云圖”構(gòu)建技術(shù)及其應(yīng)用研究是必要的，也是可行的。

1 甘肅氣槍主動源

甘肅主動源由甘肅祁連山主動源和甘肅劉家峽主動源組成，分別位于甘肅省張掖市肅南縣和甘肅省臨夏州自治區(qū)永靖縣（圖1）。祁連山主動源位于黑河西流水水庫，距張掖市約50 km，激發(fā)點(diǎn)常年水深為45～65 m（年平均水深約為55 m），觀測臺網(wǎng)由40個短周期野外觀測臺站、甘肅固定數(shù)字測震臺網(wǎng)、青海固定數(shù)字測震臺網(wǎng)和甘肅預(yù)警臺網(wǎng)組成［8］，于2015年7月正式激發(fā)運(yùn)行。劉家峽主動源位于劉家峽水庫，鄰近永靖縣峴塬鎮(zhèn)劉家村，距永靖縣城約15 km，常年激發(fā)點(diǎn)水深在20～40 m，觀測臺網(wǎng)由99個固定臺組成，其中甘肅境內(nèi)77個、青海境內(nèi)12個、寧夏境內(nèi)6個、四川境內(nèi)4個，于2020年10月正式運(yùn)行。兩個激發(fā)源都由4支氣槍組成，每支氣槍容量為2 000 in3，工作壓力為2 000 PSI。祁連山主動源每周三夜間激發(fā)，劉家峽主動源每周一夜間激發(fā)，主動源觀測臺網(wǎng)的每個臺站可以觀測到主動源激發(fā)信號，各臺站每周可獲得一條多次疊加后的記錄波形，觀測區(qū)域半徑約為300 km。

2 “地下云圖”構(gòu)建方法

2.1 三維速度模型建立

應(yīng)用地震層析成像方法可以獲得地殼三維速度結(jié)構(gòu)，即三維速度模型［9］。通過收集和整理相關(guān)地殼速度結(jié)構(gòu)研究成果［10-17］，使用插值方法可以獲得區(qū)域三維地殼模型。中國大陸地區(qū)地殼大致可以分為4層，分別為覆蓋層、上地殼、中地殼和下地殼，各層厚度和速度為：覆蓋層厚度為1～6 km，平均速度為5.1 km/s;上地殼厚度為15～19 km，速度為5.9～6.1 km/s;中地殼厚度為12～16 km，速度為6.2～6.3 km/s;下地殼厚度為11～13 km，速度為6.8 km/s。網(wǎng)格水平尺度大小可為30～80 km，實(shí)際大小與臺網(wǎng)密度有關(guān)，臺網(wǎng)密度小時網(wǎng)格尺度大，臺網(wǎng)密度大時網(wǎng)格尺度小（圖2），各網(wǎng)格尺度大小可以不等。

2.2 速度變化計算

（1） 平均走時計算

通過主動源激發(fā)時刻提取，以激發(fā)時間為準(zhǔn)，對每一個臺站的連續(xù)記錄波形進(jìn)行截取，獲得激發(fā)記錄波形，再對每一個臺站的激發(fā)記錄波形進(jìn)行疊加，獲得一次有效激發(fā)地震波記錄。對每一個臺站計算波形匹配模板，應(yīng)用波形相關(guān)性計算，可準(zhǔn)確獲得震相走時和相對走時差Δt數(shù)據(jù)。可以使用如下公式計算目標(biāo)時段的平均走時：

ti=dv=1N∑Nj=1tij （1）

式中：i為臺站;d為地震波射線路徑（km）;v為地震波傳播速度（km/s）;tij為第i個臺站j次疊加的地震波記錄震相走時（s）;N為有效激發(fā)疊加的地震波記錄統(tǒng)計總次數(shù)，i=1，2，…，n，n為臺站個數(shù)。

（2） 平均速度模型修正

根據(jù)式（1）計算得到的平均走時，其走時方程為：

ti=dijj，i=1，2，3，…，n;j=1，2，3，…，m（2）

式中：m為射線穿過的模塊總數(shù);j為慢度向量。把式（2）寫成矩陣形式：

D=t （3）

式中：D為n×m的距離矩陣;為平均慢度向量的轉(zhuǎn)置;t為震相走時向量的轉(zhuǎn)置。D矩陣一般情況下不為方陣，應(yīng)用矩陣性質(zhì)有：

= （DTD）-1 DTt， （4）

計算上式可獲得平均慢度，根據(jù)j=1/j關(guān)系可修改三維速度模型。

（3） 速度變化值計算

根據(jù)走時公式有：

Δtij=dii-dii+Δvij=dii-divij=ti-divij（5）

式中：di為第i個臺站的地震波射線路徑（km）;i為第i個臺站的地震波傳播平均速度（km/s）;vij第i個臺站第j次疊加時段的地震速度（km/s）;vij=i+Δvij，Δvij為第i個臺站第j次疊加時段的地震速度擾動量（km/s）。把上式寫成矩陣形式為：

Δtj=D-Du′j=D（-u′j）=DΔuj，

DΔuj=Δtj，（6）

式中：j次疊加記錄時段的慢度u′j=+Δuj，平均慢度=1/，u′j=1/v′j;D為距離矩陣;Δuj和Δtj分別為j次疊加記錄時段的變化慢度向量和震相走時差向量的轉(zhuǎn)置。式（6）中D矩陣一般情況下不為方陣，應(yīng)用矩陣性質(zhì)有：

DTDΔuj=DTΔtj，

Δuj= （DTD）-1 DTΔtj，

D=d11…d1mdn1…dnm （7）

式中：m為射線穿過的模塊總數(shù);n是射線數(shù)或臺站數(shù);dik為第i個臺站（射線）在第k個模型塊中所走的路徑長度（km）;D矩陣由射線追蹤計算得到。

（4） D矩陣計算

射線追蹤方法通常有打靶法、彎曲法、擾動法及有限差分法等，這里使用的是逐次迭代射線追蹤方法［18］。逐次迭代射線追蹤方法是固定震源點(diǎn)和接收點(diǎn)，連續(xù)3點(diǎn)滿足Snell折射定律，對中間折射點(diǎn)進(jìn)行修改。每迭代一次，除2個端點(diǎn)外，其間的每一個點(diǎn)都要進(jìn)行計算和修改，直到每個點(diǎn)都滿足迭代精度為止。逐次迭代法的優(yōu)點(diǎn)是收斂快、精度高。在實(shí)際射線追蹤計算過程中，根據(jù)震源和臺站的位置，在三維速度模型中垂直切割生成一個二維速度剖面，進(jìn)行二維射線追蹤。對每個臺站的所有震相走時做理論計算，就獲得了射線路徑D矩陣。界面滑行波（如Pn和Sn波）的射線路徑可以直接被計算確定，不用迭代計算，但對于直達(dá)波和反射波的射線路徑需要經(jīng)過射線追蹤迭代計算才能獲得。

2.3 “云圖”實(shí)現(xiàn)

對式（7）進(jìn)行計算得到變化慢度Δuj，根據(jù)速度與慢度的關(guān)系，其變化速度和速度變化率的計算公式可寫成為：

Δvij=-v2ijΔuij1+vijΔuij，Rij=Δvijvij×100%（8）

式中：j為三維模型的模塊序號，j=1，2，3，…，m;Δvij為具有時間意義的第i次時段疊加波形震相走時所對應(yīng)第j模型塊的速度變化，對應(yīng)的速度變化率為Rij。根據(jù)P波和S波震相走時數(shù)據(jù)可以獲得各自對應(yīng)的速度變化，在此基礎(chǔ)上可以計算出波速比。波速比的計算公式為：

γij=vPij+ΔvPijvSij+ΔvSij， （9）

式（9）中的角標(biāo)含義與式（8）相同。使用VC開發(fā)工具，應(yīng)用RGB值分別對劉家峽主動源監(jiān)測區(qū)地震臺站每周觀測到的速度變化率Rij（P波或S波）和波速比γij（vP/vS）進(jìn)行配置，可易實(shí)現(xiàn)數(shù)值圖像處理（圖3）。根據(jù)理論分析和震例總結(jié)，在強(qiáng)震孕育過程中，波速比為低值異常（一般小于1.6），速度變化率為高值異常（一般大于0.2%）。

3 討論與結(jié)論

甘肅主動源監(jiān)測區(qū)內(nèi)曾發(fā)生過2016年1月21日門源MS6.4地震、2022年1月8日門源MS6.9地震和2019年9月16日張掖MS5.0地震。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，在震前均觀測到了較明顯的走時異常變化。其中，距2016年門源MS6.4地震震中25 km的主動源臺站（zdy38）觀測到明顯的走時變化異常［19］，其變化幅度達(dá)到13 ms;距2022年門源MS6.9地震震中66 km的鏵尖臺（HJT）觀測到的走時變化異常最大幅度達(dá)到15 ms;zdy27臺（距震中7 km）觀測到2019年張掖MS5.0地震的走時變化異常最大幅度達(dá)到了20 ms［20］。實(shí)際觀測結(jié)果顯示，強(qiáng)震前地下介質(zhì)物性改變引起的地震波速變化是可以觀測到的，其地震波波速（走時）變化具體大小取決于震級和震中距等多方面因素。在目前的觀測條件下，從幾次震例來看，甘肅主動源可以觀測到的強(qiáng)震前地震波走時變化幅度在13 ～20 ms之間。

使用地震波層析成像技術(shù)和計算機(jī)圖像處理技術(shù)，把地下速度演化過程以人們熟知的氣象云圖的形式表現(xiàn)出來，更好地研究地震的孕育過程中區(qū)域應(yīng)力與速度變化的關(guān)系以及強(qiáng)震震源區(qū)速度演化表征。震例研究發(fā)現(xiàn)震前走時呈“V”字型變化［19-21］，對應(yīng)速度應(yīng)該呈“Λ”字型變化，區(qū)域應(yīng)力可能為持續(xù)增加狀態(tài)，這些特征還需在“地下云圖”中進(jìn)一步求證，可能會找到更具有普適性的特征。

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