大容量气枪震源地震动衰减特性分析

蔡辉腾 陈颙 金星 徐逸鹤 李稳

1）南京大学地球科学与工程学院，南京市仙林大道163号 210046

2）福建省地震局，福州市华鸿路7号 350003

3）中国地震局地球物理研究所，北京 100081

4）中国地震局地球物理勘探中心，郑州 450003

0 引言

利用人工震源主动向地下发射地震波并有效接收是进行区域尺度深部精细探测和地壳介质变化监测的重要途径（陈颙等，2017）。大容量气枪震源（以下简称气枪震源）作为高性能人工震源，因其具有高重复性、定位精确、能量转换效率高、低频成分丰富等特点，经数据处理后可满足传播远、穿透深的探测要求，已成为海洋深部探测和海陆联测中的主要震源（Nazareth et al，2003；Van Avendonk et al，2004；Mc Intosh et al，2005；Melhuish et al，2005；丘学林等，2007；赵明辉等，2008；林建民等，2010）。近年来，我国科研人员对包括炸药爆破和气枪震源在内的多种人工震源进行实验和分析（陈棋福等，2004；葛洪魁等，2006；李辉等，2007；陈颙等，2007；Wang et al，2008、2010），最终遴选出气枪震源作为研究大陆地壳结构及其变化的震源，于2012、2013、2015年分别在云南宾川、新疆呼图壁和甘肃张掖建成3个固定式气枪发射地震台，这些固定发射台已运用于地球介质中地震波传播速度变化的监测和研究中（Wang et al，2012；魏斌等，2016；张元生等，2016；陈颙等，2017）。为克服上述固定发射台不能移动的缺点，经过多年努力，福建省地震局自主研制了移动式和船载式气枪震源技术装备，并成功在福建多个水库、台湾海峡和长江安徽段进行了气枪激发实验（夏季等，2016；徐嘉隽等，2016；陈惠芳等，2016、2017；林彬华等，2017a、2017b）。

在利用气枪震源进行地壳结构探测或介质变化监测过程中，气枪震源激发的地震波传播能力直接影响了其探测或监测范围和深度。究其本质，气枪震源激发的地震波传播能力取决于不同震中距台站接收到气枪激发的地面震动大小是否可被辨别，而气枪激发的地面震动大小则由气枪震源激发能力（气枪容量、压力，枪阵组合、尺寸、沉放深度）、激发环境（水体大小、形状、水深、液固耦合界面上下层介质特性）、地下介质传播过程的衰减等共同决定。鉴于此，基于福建海陆多个气枪震源固定激发点重复激发的实验数据，首先采用线性叠加方法进行叠加，把叠加结果除以叠加次数作为单次激发结果并仿真成位移记录，然后将气枪震源激发能力和激发环境综合为一个影响因素即气枪震源激发效能，采用不同震中距的位移峰值计算等效震级来评价不同固定点的激发效能，进而建立等效震级、震中距和速度峰值的衰减关系，以期为定量判断气枪震源激发的地震波的传播能力以及利用气枪震源进行深部探测或监测的观测系统的设计提供重要依据。

2 数据和处理方法

2.1 数据来源

福建省地震局2014～2017年以来选择16个地点共实施了20次大容量气枪固定点激发实验，实验概况如表1所示。实验中陆上和海上激发平台分别为移动式水库气枪震源系统和“延平2号”海上气枪震源系统，2套系统最初设计均由4杆1500 LL长寿命气枪组成，总容量为8000 in3，2016年开始对“延平2号”海上气枪震源系统进行扩容改造，升级为由6杆1500 LL长寿命气枪组成，总容量为12000 in3。值得一提的是，在这20次固定点激发实验中，由于不同的实验目的，存在同一地点不同时段激发的实验，考虑到激发时段不同，背景噪声不同，可能造成接收效果不一，故本文将此类型实验也作为独立的实验样本进行考虑。

福建测震台网经过20余年建设，截至目前，正式运行的有88个台站，其中73个台站配备宽频带地震计，大部分台基环境干扰较小，其中，120s～50Hz带宽台站46个，60s～50Hz带宽台站27个，采样率均为100Hz。本文收集了如图1（a）所示的73个宽频带测震台实验期间三分量（E-W，N-S，U-D）的连续数字波形记录，每个台按每次激发时刻前20 s、后300 s截取作为1条记录，并形成一个SAC格式数据文件，最终共截取约110万条记录。

2.2 处理方法

先将三分量记录进行去仪器响应、均值和线性趋势，并把水平2个分量旋转至径向（RR）和切向（T-T）。考虑到气枪震源优势频带为3～8Hz（林建民等，2010），进而对每条记录进行3～8Hz带通滤波，而后具体处理步骤如下：

（1）为了得到高保真的幅值信息，叠加方法选择线性类方法，针对每个固定激发点逐台采用蒋生淼等（2017）提出的RMS筛选线性叠加方法进行叠加，并把叠加结果除以叠加次数作为单次激发结果；

表1 大容量气枪固定点激发实验概况

图1 固定激发点和台站分布（a）及YXBM台站L01固定点激发的垂直分量重合波形（b）、速度峰值散点（c）

（2）将每个固定激发点所有台叠后速度记录集成地震剖面，计算5个分量（U-D，E-W，N-S，R-R，T-T）剖面中每道地震记录的信噪比，选取信噪比大于8的地震记录并分别提取P波段和S波段速度峰值；

（3）为便于后续固定激发点等效震级计算，需要将速度记录仿真成位移记录，采用金星等（2004）提出的不同类型地震动参数相互仿真的递归方法，把第2步骤中信噪比大于8的速度记录仿真成位移记录，并分别提取P波段和S波段位移峰值。

图1（b）显示震中距为13.63km的YXBM台站接收L01固定点725次激发的垂直分量记录重合绘制（黑线），红线为采用RMS筛选线性叠加方法的结果，从图1中可以看出噪声段（0～2 s）叠前速度幅值约为±200nm/s，叠加后速度幅值约为±10nm/s，信号段（2～10 s）较长，除了P波、S波外还可以看到面波成分，结合图1（c）可知，信号段速度峰值位于P波段，峰值范围为 500～800nm/s，峰值平均值为 698.6nm/s，叠后峰值为 689.5nm/s，定义幅值叠加损失率为峰值平均值减去叠后峰值与峰值平均值的比值，那么L01固定点—YXBM台站幅值叠加损失率为1.3%，显示叠后幅值保真度较高，反映了RMS筛选线性叠加方法效果较为理想。

图2为L01固定点73个台叠后垂直分量的速度地震剖面和位移地震剖面及其相应的P波组和S波组峰值。从图2可以看出，叠后P波组和S波组信号在震中距0～270km内可连续辨别，提取的P波组和S波组峰值对应的走时符合相应的视速度关系；速度峰值范围约为700～4nm/s，位移峰值范围约为200～0.2nm；速度峰值衰减形式与位移峰值衰减形式较为一致，P波组和S波组速度峰值或位移峰值相近；但是存在一些震中距相近的观测点的峰值速度相差近乎1个数量级的现象，初步判断是因气枪震源激发能量传播过程中的方向差异性造成的。综上，后续分析中根据上述处理方法获取的数据中，取位移峰值进行不同固定点等效震级计算，取速度峰值建立气枪震源速度衰减关系。

图2 L01固定点叠后速度和位移分布

3 等效震级计算

本文将不同固定点震源激发能力和激发环境作为整体因素考虑，采用类似常规地方性震级计算方法，计算P波和S波等效震级作为综合评价不同固定点激发效能的参数。等效震级计算公式如下

其中，MLP和MLS分别为P波和S波等效震级；AP和AS分别为P波和S波最大振幅即位移峰值；AZ为垂直分量P波位移峰值；AN和AE分别为NS分量和东西分量S波位移峰值；AZ、AN和AE单位换算为 μm；Δ为震中距，单位为 km；R（Δ）为地方性震级的量规函数，取《GB，17740－2017，地震震级的规定》（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2017）附录 A中 R12。

针对每个固定激发点每个台叠后P波和S波位移峰值，采用式（1）～（4）计算相应的震级，取所有台的震级平均值作为该固定激发点的等效震级，结果如表1所示，其中陆地水库L01固定点和台湾海峡S08固定点计算过程如图3所示。从图3可以看出，震中距为 100～200km时的计算结果离散性除个别台外总体优于其他震中距段的结果。

图3 等效震级计算

4 衰减模型建立

衰减模型建立之前，需要考虑的是衰减模型形式的选择。由于选用的气枪震源的等效震级均小于1（表1），震源体尺度较小且震源深度可近似为0km，可不考虑震级饱和项和近震饱和项影响，故本文选用仅考虑震级项M和几何扩散项lgΔ影响的衰减模型（靳超宇等，2009）

式中，Y为速度峰值，单位统一换算为nm/s；Δ为震中距，单位为km；ε为随机变量。

按照式（5）模型采用多元线性回归方法，对3个分量的P波和S波速度峰值分别进行拟合，得到气枪震源基岩场速度峰值的衰减规律，具体结果见表2、图4和图5。值得一提的是，拟合过程中震级项 P波和 S波分别采用 MLP和MLS，水平向2组2个分量除了分别作为独立参量拟合外还作为同一样本进行拟合，即表2中（E-W ＋N-S）和（R-R＋T-T）的结果。图4、5分别为P波和S波的衰减拟合结果，图中还给出了原始样本作为对比分析。

表2 速度峰值衰减系数和拟合标准差

图4 5个分量上P波速度峰值分布和拟合结果

5 分析和讨论

5.1 气枪震源激发效能分析

为便于分析，图6给出表1中20个固定激发点等效震级分布情况。结合表1和图6可以看出：①MLS均大于MLP，表明气枪震源激发产生的S波能量大于P波能量，这与张蔚等（2009）研究结果一致，另外从图2中可以看出，S波走时特性呈现其为气泡应力波在水库库底产生的转换波，这说明S波主要是水体中气枪产生的P波在震源附近水体底面即液固界面产生的转换波，且转换过程中可能因上下层介质特性引起的能量重新分配或地形影响而导致S波强于P波。②气枪震源激发能力一致，但是激发环境不同导致效能相差较大，如L01～L04均为大陆水体，枪阵容量、压力和尺寸相近，但是效能大不一样，如L03点和L02两点。根据能量与震级间的关系（周云，2005），可得P波能量比约为8.5，S波能量比约为6.0。③气枪激发环境相似，气枪震源枪阵总容量越大，效能越高，如激发地点均为漳州海外的S03、S10点，枪阵总容量分别为8000、12000，in3，激发环境相近，P波和S波能量比均约为2.0，说明枪阵总容量增加50%，但是能量近乎增加了1倍。

图5 5个分量上S波速度峰值分布和拟合曲线

图6 固定激发点等效震级直方图

5.2 气枪震源速度峰值衰减特征分析

图7为5个分量的P波和S波速度峰值衰减关系比较结果，结合图4、5可得：①总体而言，5个分量的P波和S波速度峰值衰减趋势与统计样本分布情况基本一致，反映了样本值的衰减趋势，从表2的衰减系数看，速度峰值随等效震级增大而增大，随震中距增大而减小。②从拟合结果看，本文所得的衰减关系最适用范围为100～400km，这是由于样本分布导致的，近场衰减关系则需要更多近场数据支持。③比较不同分量衰减关系可知，U-D分量速度峰值P波最大，S波则相反，这与通常的认识相一致，水平方向上4个分量相差不大。

图7 5个分量P波和S波速度峰值衰减关系比较

5.3 速度峰值衰减特征运用于实验观测系统设计的思路

在以气枪为人工震源进行地下介质探测或监测实验中，在观测系统设计时，需要根据探测或监测范围科学合理地确定激发次数与不同震中距信号信噪比间的关系。据此，我们试图探讨依据速度峰值衰减关系确定不同震中距接收到的信号信噪比与激发次数间的关系，该思路可供观测系统设计时参考使用。思路如下：首先确定探测或监测范围内不同震中距观测台站的噪声水平N，并假设在同一震中距、不同方位角的观测台站接收到的气枪信号能量一样的前提条件下，可利用气枪震源等效震级和速度峰值衰减关系估计不同震中距上的速度峰值F，其中，气枪震源等效震级可根据类似激发能力和激发环境进行预估，或者采用实验的方式激发10～25次进行估算得到，进而采用F/N作为观测台站的单次激发信噪比，结合激发n次信噪比提高的关系，即可得到激发n次后观测台站信号的信噪比SNR为×F/N，这样我们就可以根据实验预先设定的信号信噪比要求来确定不同台站需要的激发次数，取所有台站中激发次数最大值作为实验设计的激发次数。

举例说明，假定震中距分别为50、100、150、200、250km的5个观测台站的垂直分量噪声水平 N分别为 200、200、100、150、100nm，P波等效震级为 0.7，采用表 2中 P（U-D）对应的衰减关系，则可以得到不同震中距信噪比与激发次数间关系曲线（图8）。假如实验要求250km范围内的P波观测信号信噪比至少大于3，则由图8可判断至少需要激发约500次。

图8 信噪比、震中距、激发次数间的关系

6 结语

本文基于福建及台湾海峡对气枪震源固定点激发的观测记录，对激发效能及速度峰值的估计问题作了分析探讨，得出以下结论：震中距为0～270km时，现有固定测震台观测仪器均能接收到气枪震源激发的地震波信号；气枪震源枪阵总容量越大，激发的效能越好，本地区气枪震源激发产生的S波能量大于P波能量，激发环境不同激发效能相差较大；速度峰值随等效震级增大而增大，随震中距增大而减小，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。希望本文的工作能为深入研究气枪震源传播特性和进一步拓展气枪震源科学与工程应用问题提供一些帮助。

致谢：福建省地震局多位同志参加了水库气枪激发实验，监测中心提供所需的连续记录数据，匿名审稿人为文章的修改提供了宝贵建议，特此感谢。