基于改进的线性调频Z变换的高精度地震波速干涉测量

地震波信号走时差的精确估计是了解地壳介质性质变化及其过程的关键,鉴于互相关的时延检测方法受相关窗口长度和信号信噪比影响较大,将改进的线性调频Z变换谱细化和相关峰精确插值引入到陆地大容量气枪主动源观测中的波速干涉测量中,介绍了一种能够获得高精度走时差的短时窗时延估计方法。模拟实验和实际数据分析表明:本文方法可以获得高精度的信号时延估计值,提高地震信号波速变化计算的精度。     

匹配滤波和曲波去噪相结合的气枪主动源弱信号提取

提出由一维模板匹配滤波技术(MFT)和二维曲波(Curvelet)变换法穿插的数据处理方法,即先通过一维模板匹配滤波方法得到相关系数,将相关系数组成二维数据并用曲波变换法处理,最后将各道对应相关系数分别与模板信号褶积,得到高信噪比恢复信号。将该方法用于处理仿真数据和宾川主动源气枪信号,结果表明:在宾川主动源气枪信号的处理中,本方法较单一数据去噪方法恢复能力更好,可对气枪主动源的模拟与实际信号进行更好的数据提取与恢复,得到噪声干扰更少的地下介质波速变化,提高低信噪比数据的利用率与可分析性。     

宾川主动源地震波走时变化分析方法研究

挑选了2013年以来信噪比较高、数据较为完整的6个宾川主动源接收台站的气枪记录数据,采用互相关时延检测、近场校正等技术进行了高精度波速变化测量,得到以下初步结果:(1)接收台站下方介质存在δv/v≈10-5~10-2的相对波速变化;(2)2014年9月初至10月底,初至波走时变化较平稳,集中在-0.01~0.01 s之间变化,且6个台的变化趋势一致。     

噪声对气枪信号叠加效果的影响及自动数据筛选方法

为剔除小地震信号和强噪声对气枪信号叠加效果的影响,提出了一种利用信号记录中噪声特征的主动源数据筛选方法——RMS筛选法,服务于气枪数据的自动化处理。实际气枪数据筛选结果表明,RMS筛选法采用信号噪声水平作为信号选择标准,可以有效去除高噪声信号,其线性和相位加权叠加结果优于常规线性叠加和常规相位加权结果,噪声得到压制,远距离台站微弱信号检测效果得以增强。     

祁连山气枪主动震源浮台漂移钢索悬吊控制技术

针对地下介质动态变化监测研究中的信噪比、震源可重复性和波速精确测量等关键问题,利用大容量气枪作为主动震源,构建了一套高性能的主动源探测技术系统,该系统主要由气枪震源和信号接收部分组成。为了解决浮台偏离设定位置的问题 ,提出了浮台漂移控制技术。实验结果表明,该技术可以有效地解决气枪激发后浮台受到水流冲击作用而偏离设定位置的问题。本研究结果可为一定激发场地情况下的气枪主动震源重复探测工作所借鉴。     

利用数值方法研究陆地气枪的震源特性及其影响因素

监测地下结构以及介质变化是地震学研究的任务之一,选择合适的信号源对监测结果的优劣有着重要的影响。作为区域性地球物理勘探的理想震源,与传统的人工源相比,气枪震源重复性好、低频丰富并且绿色环保,极大地拓展了我们探索地球的手段。陆地水体气枪激发环境与海洋气枪存在显著不同,陆地气枪激发水体为有限小型水体,水体形状各不相同,陆地气枪信号的激发和传播不可避免地受到固液界面的影响。在利用气枪震源进行一些高精度的介质性质监测时,需要详细掌握气枪震源的源部分的特征,以去除气枪震源本身对测量结果的影响。为了研究气枪激发环境对气枪激发信号的影响,探讨气枪震源的能量传播过程,本文结合陆地气枪主动震源在区域尺度地球物理勘探中的应用,辅助以数值模拟方法,进行了不同水体对气枪激发信号性质影响的研究,分析了水体形状对气枪激发信号影响的机制。结合实际的观测数据和数值模拟方法,对快速评估气枪激发后气枪能量的传播过程提出了简单的计算方法。本文结合马刨泉实验,介绍了云南宾川、新疆呼图壁和甘肃张掖气枪地震信号发射台站的工作和取得的进展,发现大容量气枪震源应用到陆地区域尺度地球物理勘测中具有较好的可操作性和很重要的科研意义。利用数值模拟的方法计算地震波的传播,是地震学研究中的有效手段。在主动源探测领域,对地震波在复杂介质中的传播过程进行准确模拟,可以为主动源相关的数据资料的分析解释和区域介质结构反演提供理论支持和依据,有助于利用主动源开展地下介质性质的研究工作。在气枪主动源实验中,由于实地情况非常复杂,如固液界面上发生的反射、折射等现象,水体水位高低的变化、气枪在水体中放置位置的偏移等等因素,都有可能使波场特征发生改变。要想从实际观测的波形中剥离掉这些影响因素,从而得到震源特性,是十分困难的。因此,对气枪震源进行数值模拟的正演研究,有助于我们得到更为准确的震源本身特性。陆地水体气枪激发环境与传统的海洋气枪存在不同。本文通过分析实际气枪激发实验的数据,结合数值模拟实验,从绝对振幅、相对振幅、频率以及形状参数等几个方面,综合分析了水体形状对陆地大容量气枪激发信号的影响。本文的研究表明,不同水体形状对信号存在一定程度的影响,并且不同水体形状对不同频率的信号具有不同程度的影响。在几十米的水体尺度内,陆地有限水体对高频的脉冲信号影响较强,而对低频的气泡脉冲信号影响较弱。陆地气枪信号形成完整的气泡脉冲需要足够的水体体积,而在水体体积足够大的情况下,水体边界越陡,气枪能量转化为低频能量的效率越高,所激发信号波形越尖锐。而这也是陆地有限水体气枪应用的理想水体激发环境。经典气泡振荡理论是解释海洋气枪激发机制的基础理论,它将气枪信号分为压力脉冲信号和气泡脉冲信号两部分来加以阐述。但是在陆地气枪激发中,固液界面的研究一直缺乏准确的理论探讨。虽然无限半空间水体中气枪的激发信号方程可以由经典气泡震荡理论给出,但是由于陆地激发环境边界条件的复杂性,我们很难或者不能求出陆地有限水体中气枪激发信号的解析解。这使得我们有必要寻找一种方法来研究陆地气枪震源的震源特性。依据反投影方法的基本原理,本文改进了算法使之适用于陆上气枪震源的波场监测。通过五组数值模拟实验,本文发现利用布置在水体中的水听器接收到的信号,该方法可以有效地监测到气枪信号的能量传播过程。该方法布置方便,计算迅速,结果可靠,可以有效及时地对气枪震源的效果做出评估,可以为更充分地利用气枪震源提出有益的指导。应用陆地气枪震源可以监测波速变化,但因为气枪数据多来自于单一震源和单侧接收台站的监测配置,我们很难利用传统方法定位波速变化的位置。我们试图通过正演计算对波速变化位置提供一定的约束。首先利用较详细的速度结构信息,建立不同波速异常的试探模型,然后应用数值方法计算不同模型下接收台站的波形信号,与实际数据相比较选出最优模型,估计波速变化的位置以及波速变化的幅度。     

甘肃主动源建设发展与展望

利用大容量气枪震源探测已成为探索地震预报新途径的一个重要发展方向,将推进经验性地震预测与物理预测的结合。祁连山、刘家峡气枪发射台的选址与建设经历曲折过程,在多方努力和帮助下,克服重重困难,最终高质量完成。祁连山气枪发射台的稳定运行,已积累了丰富的主动源气枪激发数据,并取得了多项创新性成果。新建的刘家峡气枪发射台将实现对海原断裂和西秦岭北缘深大断裂的连续监测,通过多点监测,分析强震孕育与区域应力场和介质变化的关系,开展地震危险性的分析研究。位于青藏高原东北缘强震活动强烈地区的甘肃未来计划再建设3个气枪主动源,联合祁连山、刘家峡气枪主动源,实现对青藏高原东北缘断裂带系进行主动源四维探测,对于甘肃的防震减灾和地震预测具有重要意义。     

利用固定台站分析长江激发气枪信号特征

“地学长江计划”安徽实验是以气枪震源为核心的大型主动源探测实验。通过在长江安徽段20个固定点定点激发气枪震源,结合109个固定台站、11条流动测线组成的观测网络,首次利用主动源实现了对长江流域安徽段约6万km2面积的三维地下结构探测。本文利用固定台站对长江激发气枪信号进行了分析,结果表明,长江中气枪信号激发效果良好,固定台记录中气枪信号可识别的最远距离达300km。对气枪信号绝对振幅的研究结果表明：① 50km处的气枪信号约为10nm量级,200km处的气枪信号小于1 nm;② 气枪信号强度的空间分布存在一定的方位各向异性,可能与长江的几何形状有关;③ 台站背景噪声对于提取气枪信号至关重要,高质量的固定台网为识别nm量级气枪信号提供了可能。     

祁连山气枪主动震源浮台漂移钢索悬吊控制技术

针对地下介质动态变化监测研究中的信噪比、震源可重复性和波速精确测量等关键问题,利用大容量气枪作为主动震源,构建了一套高性能的主动源探测技术系统,该系统主要由气枪震源和信号接收2部分组成。为了解决浮台偏离设定位置的问题,提出了浮台漂移控制技术。实验结果表明,该技术可以有效地解决气枪激发后浮台受到水流冲击作用而偏离设定位置的问题。本研究结果可为一定激发场地情况下的气枪主动震源重复探测工作所借鉴。     

利用固定台站分析长江激发气枪信号特征

地学长江计划安徽实验是以气枪震源为核心的大型主动源探测实验。通过在长江安徽段20个固定点定点激发气枪震源,并结合由109个固定台站、11条流动测线组成的观测网络,首次利用主动源实现了对长江流域安徽段约6万km~2面积的三维地下结构探测。本文利用固定台站对长江激发气枪信号进行了分析,结果表明,长江中气枪信号激发效果良好,固定台记录中气枪信号可识别的最远距离达300km。对气枪信号绝对振幅的研究结果表明:150km处的气枪信号约为10nm量级,200km处的气枪信号小于1nm;2气枪信号强度的空间分布存在一定的方位各向异性,可能与长江的几何形状有关;3台站背景噪声对于提取气枪信号至关重要,高质量的固定台网为识别nm量级气枪信号提供了保障。     

基于气枪源信号的数据处理与传播特性研究

区域尺度地球浅部结构、状态和介质变化研究是天然地震学和勘探地震学共同关注的问题。探索适宜于大陆浅部区域尺度地下结构探测与介质物性变化监测的新型人工震源,构筑地震雷达平台,向地下主动发射地震波,将为深部油气资源利用、浅部地球动力学、城市地球物理学和防震减灾事业等提供重要工具。目前,对地下介质进行动态变化测量的适用的主要震源包括相似地震、背景噪声、人工震源和其他非常规震源。而在天然源方面,大地震时空分布不均,相似地震数量有限,地震背景噪声源需长时间叠加才能获取稳定信号且源存在季节性变化,三者对于变速变化测量时空分辨率与精度较低。在人工震源方面,传统炸药震源适用受限,连续震源等因释放能量低,不适宜进行区域尺度大陆浅部探测与监测研究。为寻找适合的理想震源,我们通过一系列野外实验探索对多种人工震源进行了测试筛选,最终选定具有绿色环保、高效、重复性好等优点的海洋勘探气枪震源作为探测震源,并成功移植到陆上有限水体激发。本文结合区域尺度大陆浅部结构探测和监测这一核心目的,以历次非调谐大容量气枪阵列激发实验为基础,围绕探索发展新的探测与监测方法,对气枪主动源探测技术中的相关信号处理与波场传播问题进行了研究。本论文的主要工作包括以下几个方面:(1)全面回顾、认识陆上大容量气枪震源。在全面回顾总结海洋气枪震源的发展历史、技术原理和气枪激发理论发展进程与研究成果的基础上,讨论了海洋气枪震源与陆地气枪震源的差异。陆上大容量气枪震源是气枪阵列与有限水体环境耦合的结果,固液界面的存在是陆上水体气枪源的关键特征。陆上水体气枪震源涉及气泡振荡理论、气-液和液-固界面的物质耦合、水体边界条件、地震波传播等复杂机制,受多种因素影响,是气体-流体-固体三相耦合的物理系统。其次详述了多年来陆上水体大容量气枪震源激发实验,总结了气枪源在研究区域尺度介质变化测量和探测中的独特优势。陆上不同水体中气枪信号模拟和实际激发效果的对比表明,影响气枪激发效果的主要因素包括气枪枪体(类型、容量、同步性)、工作条件(激发压力、沉放深度)和水体条件(水位、水体形状、水体大小)。对不同相关激发条件影响的探讨总结,有利于加深对陆上气枪震源的震源特性的认识,改进激发环境的设计与评价,获得更好的激发条件。(2)主动源数据自动筛选方法。介绍了噪声对于主动源信号叠加处理的影响,并提出了一种利用信号记录中噪声特征的主动源数据自动筛选方法——RMS筛选法。在气枪震源信号处理过程中,多次小能量激发叠加等效于一次大能量激发和利用干涉获取走时变化来成像介质变化的处理方式,决定了对叠加技术的需求;地震信号发射台的大规模激发和台阵的发展积累的海量气枪信号数据,催生了对于气枪信号自动化处理的要求。不同气枪发射台实际信号处理证实RMS筛选后叠加效果明显优于传统叠加方法,更能压制强背景噪声的干扰,可有效提高信噪比。RMS筛选叠加数据剖面显示,宾川台信号传播距离由250 km增至350 km,呼图壁台由500 km左右增加至1000 km,张掖台信号探测距离由300 km提高到了近500 km。(3)气枪震源波场信息传播特性研究。利用已建立并在持续运行的3个以大容量非调制气枪阵列为震源的固定地震信号发射台数据对气枪震源信号传播过程中的一系列问题进行了研究。研究内容包括发射台信号特征、气枪信号能量空间分布、利用主动源信号中Pn波震相研究气枪信号的衰减与几何传播、发射台配套台网的噪声水平分析等内容。研究气枪源信号波场传播影响对于深入理解陆上水体气枪源激发机理,探索不同区域的潜在应用有重要作用。发射台周边台站速度记录分析显示,气枪源激发在近源参考台记录均在106 nm/s量级,其中呼图壁台产生的信号振幅最强。各发射台信号强度在40 km左右及已降低至100 nm/s左右,接近背景噪声水平。宾川台信号的衰减最快,原因可能是由于云南地区地质结构复杂,几何传播衰减值较其他地区大,而品质因子Q值更小。信号能量空间分布显示各发射台气枪震源辐射图样基本满足几何扩散分布,但呼图壁台南部台站接收台站信号较弱。台站背景噪声水平分析显示,在气枪优势频带2~10 Hz范围内宾川台周边台站噪声水平普遍在–130 d B左右,仅部分台站背景噪声值较高。宾川台周边台站动态环境噪声水平明显低于呼图壁流动台20 d B左右。     

谱白化叠加方法在气枪信号检测中的应用

主动源气枪信号具有绿色环保,低频信号丰富,传播距离远,高重复性的特点,广泛运用于区域尺度深部探测和介质变化监测中.如何准确和高效的识别信号是气枪信号处理的难点也是重点.检测信号的能力取决于观测记录的信噪比,通常为了提高地震记录的信噪比,常用的方法有滤波,去噪和叠加.针对具有高重复性的气枪信号,通过叠加的手段提高信号信噪比.文中基于气枪信号的特征,推导了谱白化叠加与窄带线性叠加的等价关系,从数值模拟和实际气枪记录的角度,对线性叠加、谱白化叠加和加权叠加在信号捡拾能力方面进行了分析和研究.结果表明:相比于线性叠加和加权叠加,谱白化叠加具有与模版信号相似程度高,对弱信号捡拾能力强的特点,但是对于高信噪比信号,线性叠加的效果更好.另一方面,对实际记录分析验证了数值模拟分析的正确性、合理性.因此针对气枪信号近场应采用线性叠加,远场应采用白躁化叠加.而针对地震剖面中信号连续追踪可采用加权叠加结果,这是因为加权叠加提高信噪比最为明显;震相拾取建议采用线性叠加或谱白化叠加结果,这是因为以上两种方法不会产生相位偏移和相位畸变.     

甘肃祁连山大容量气枪主动源最大探测范围

叠加甘肃和青海数字测震台网记录到的甘肃祁连山大容量气枪连续激发的大量观测波形。结果显示,单次激发的气枪震源信号最远可以在距气枪震源304km的古浪台(GLT)识别,通过110次叠加的信号最远可以追踪到412km的安西台(AXX),4 600次叠加的信号最远可以在距气枪震源677km的乌图美仁台站(WTM)观测到。研究结果可为提高甘肃祁连山大容量气枪主动源观测系统的监测能力和微弱信号的提取能力,探讨祁连山区域内部介质速度变化等工作提供重要的科学意义。     

气枪震源激发条件对走时变化观测结果的影响

基于4支单枪容量2 000 in3的气枪组成的阵列,2017年2月在宾川地震信号发射台大银甸水库内开展了不同激发气枪压力、沉放深度和水平位移情况下的对比试验。利用发射台周边9个流动宽频带数字地震仪与震源附近3个参考台的数据,使用互相关时延检测的方法计算了不同激发条件下的气枪信号的走时变化,并结合激发条件进行了分析。研究表明:(1)不同气枪压力或沉放深度下,激发的气枪信号的波形和互相关系数存在明显差异;(2)气枪压力从9 MPa升为15 MPa,走时变化可达0.06 s;(3)走时变化的可能原因是主频段(3~5Hz)中的相对高频成分发生变化,相对低频成分未变化,二者耦合在一起形成了伪走时变化;(4)由于气枪信号不同时窗走时变化不尽相同,技术手段难以消除压力的影响,所以建议未来气枪激发时固定激发条件;利用已有资料做走时变化相关研究时选用震幅相近的数据。     

祁连山大容量气枪主动源重复探测系统

<正>祁连山主动源激发系统位于祁连山腹地,距张掖市以南约50 km的黑河二级电站上,激发点水深为55 m左右,水面宽约200 m,该水库在祁连山地区是一个良好的主动源激发场地。激发系统由4杆气枪组成,每杆气枪容量为2 000立方英寸。供气系统由2 m3压缩比的2台空压机组成。以激发源为中心,在方圆200 km范围内架设了40套短周期地震仪临时台站和14个宽频带固定台站,构成了祁连山大容量气     

气枪震源波形走时变化分析的反褶积处理

利用云南省宾川主动源基地周边10km范围内7个流动台站2017年2月气枪震源集中激发时段记录的气枪信号,使用干涉法计算了直接使用波形和将波形与参考台反褶积后的格林函数两种处理方法下气枪信号的走时变化。使用了气枪震源附近不同方位角的两个参考台的数据,以分析不同参考台对走时变化结果的影响。结果表明:反褶积能较为有效的压制气枪震源的时间、空间和频谱轻微不重复性导致的走时变化;反褶积能降低一些来源不明的伪走时变化;使用CKT2的数据反褶积的结果略优于CKT0,其可能原因是气枪阵列沿方位角的非均匀辐射。     

台网噪声评估及其对气枪震源激发效果影响的研究

为了研究背景噪声对长江地学气枪主动源实验激发效果的影响,收集了240个台站激发前72小时的背景噪声数据及20个定点激发的叠加结果进行实验分析.先剔除异常台站,按照国标将台网噪声水平划分为高、中、低3个等级进行评估,从而研究气枪波形信噪比与台站背景噪声的关系.结果表明:① 台站接收能力与背景噪声水平密切相关;② 气枪信号的信噪比在一定范围内受背景噪声的影响大于距离衰减的影响;③ 长江马鞍山—安庆流域段不同定点激发的场地条件基本一致;④ 随气枪信号叠加次数的增加,低噪台站的信噪比增长速度快于中、高噪台站,若想获得同样的叠加效果,高噪台站需要的叠加次数远大于低噪台站.      

甘肃张掖M5.0地震前气枪信号走时变化研究

利用祁连山主动源观测系统记录的气枪激发信号资料,通过滤波、叠加、反褶积、互相关等处理,获得了观测系统各台站P波不同震相走时变化数据,发现2019年9月16日张掖M5.0地震前震源区附近台站存在一定的P波走时变化,表明震源区地下结构在震前存在应力状态的改变。     

利用噪声功率谱密度的统计特征评价台站对主动源信号的接收效能

利用背景噪声的功率谱密度的统计特征,对宾川主动源周边接收台站1~10 Hz有效频带的噪声水平进行了分析。结果表明:较好的台站观测条件和观测环境可以大大提高气枪信号的记录质量,通过建立和维护高质量的观测台站,可以减少获取高信噪比的气枪信号的叠加次数,也可以在同等叠加次数下获取更远的传播距离。     

基于水库气枪震源数据的频域水准比例因子反褶积方法分析

基于2016年福建南一水库气枪实验资料,利用频率域水准因子反褶积方法和互相关时延检测技术,研究水准比例因子及台站的背景噪声水平对反褶积计算结果的影响,并对反褶积法消除不同枪压引起的震源影响效果进行分析。结果表明:(1)水准比例因子越小,反褶积计算后的波形信噪比越小,当水准比例因子取值过小时,走时识别误差较大;(2)台站气枪记录的信噪比越大,走时识别精度越高,参考台记录的信噪比对结果的影响远大于远场台,当远场台记录的信噪比大于10时,走时误差一般小于6ms,而当参考台记录的信噪比为30左右时,走时误差可能达到20ms;(3)气枪震源差异较大时,频域水准反褶积方法去除震源效应的效果较好,而在震源差异较小时,可能引入方法误差。