大容量气枪主动源波形资料处理(一):云南宾川

宾川气枪地震信号发射台以水库大容量非调制气枪阵列为震源,可以连续不断地激发重复性极高的地震信号。本文利用其2013年的数据,对地下介质进行了观测。由于水库水位的变化对震源波形及远处台站接收到的地震波形会产生影响,因此,为了区分介质变化与震源变化,研究了陆上水库环境下激发气枪震源所产生的地震波形的特征和合适的处理流程。结果表明:1水库水位变化较大时,同一台站记录的地震波形之间的互相关系数过小,不能直接进行叠加处理,需进行震源聚类分析,而震源聚类受水位变化量的控制;2为消除水位的影响,进行了反褶积处理,当震中距小于10km时,对不同水位激发的信号进行叠加再进行反褶积的效果优于直接进行叠加的效果;3通过互相关计算和信噪比分析发现,4个台站的波形变化可能是由地下介质变化引起的。     

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.      

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。     

气枪主动源与天然地震信号的传播特征对比研究

应用S变换对比分析云南宾川地震信号发射台单次气枪激发信号与同当量天然地震信号在传播过程中的波形和频率特征,并基于参考台聚类分析结果,对其他接收台站的地震信号进行线性叠加和相位加权叠加,研究结果表明:(1)气枪信号传播过程中主频为3~6 Hz,可以在距离为151 km的台站检测到信号,传播过程中能量衰减较慢。天然地震信号主频较高,在传播7.7 km时的主频为10~20 Hz,传播距离约为60 km,传播过程中能量衰减较快;(2)经过2 000余次的线性叠加和相位加权叠加,可以分别在距离为225 km和350 km的台站检测到气枪信号。与天然地震信号相比,气枪信号数据丰富、衰减慢、传播距离远,利用气枪数据可以研究更大范围的地壳介质结构。     

S变换在气枪震源弱信号提取中的组合应用

正气枪主动震源能够持续、环保、精细监测地下介质结构的变化,对地震预测探索提供新的途径和方法。但气枪震源激发能量较低,传播一定距离后信号衰减会变得非常微弱,信噪比变低,有效信号难以识别,给进一步研究带来一定困难。但气枪震源和台站位置的不变性,使得持续激发的信号具有较高的相似性和很好的重复性。对台站记录的由震源重复激发的信     

数值模拟激发条件对宾川水库气枪信号振幅的影响

利用有限差分方法,对宾川气枪试验中激发条件对气枪信号振幅的影响进行数值模拟。结果显示:水库水位对信号振幅的影响呈非线性关系,34 m为气枪激发试验的优势激发水位,能产生最强波形振幅能量,而水位变化的影响随距离缓慢减小。通过拟合给出了不同水位变化幅度与其产生的平均振幅变化率之间的幂函数关系,可为实际波形运用中去除水位变化的影响提供理论参考。波形振幅与激发能量及震源沉放深度呈近线性关系,即激发能量越大,震源沉放深度越深,气枪激发效果越好,越有利于进行远距离深穿透地下结构的探测。     

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。     

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。     

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,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。     

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。     

A Comparative Study on the Excitation of Large Volume Airgun Source with Different Combinations in Hutubi, Xinjiang, China

In order to study the excitation of large-volume airgun source with different combinations in Hutubi, Xinjiang,China,we conducted a targeted experiment. The method of time-frequency analysis is used to study the signals recorded by a seismometer on the shore of the excited pool, and it is concluded that different gun combinations will lead to different frequency of bubble pulse signals. Besides, linear combination method is used to analyze the signal-to-noise ratios of signals excited by different gun combinations which was recorded by seismic stations around the airgun source. In order to improve the signal-to-noise ratios, it is more effective to increase the activation energy (the number of excited guns at the same time) than to stack the excited signals with smaller energy repeatedly.     

基于气枪震源信号和背景噪声的2016年呼图壁6.2级地震前后波速变化特征初步研究

本文选取呼图壁气枪发射台周边流动台记录的2016年6月至2017年12月气枪震源信号和背景噪声信号,分别采用互相关时延检测法和移动窗互谱法研究2016年12月呼图壁6.2级地震前后波速变化特征,得到以下初步结果:呼图壁6.2级地震前后,距6.2级地震60 km的流动台记录的气枪震源信号未发现明显的波速变化,距6.2级地震27 km的固定台石梯子台在6.2级地震前出现了较为明显的波速变化异常,可能与信号传播路径不同有关;流动台记录到的背景噪声信号出现与呼图壁6.2级地震有关的波速异常变化;气枪主要利用体波信号,背景噪声主要利用面波信号,两者射线路径不同可能是导致不同波速变化特征的主要原因。     

大容量气枪震源长江定点激发信号检测

地学长江计划“安徽段实验”是大容量气枪震源在长江的首次激发。本文针对布设在气枪固定激发点附近的流动台和周边固定台接收到的气枪信号进行线性叠加分析近场和远场信号的时频特性,利用叠加结果检测气枪信号的传播特性,分析不同环境因素对信号传播距离的影响。结果表明：①近岸首台可以接收到清晰的压力脉冲、气泡脉冲的体波和面波信号;②气枪信号主频为5Hz左右,随震中距的增加,压力脉冲信号衰减很快,信号主频频带变窄;③对信号传播距离进行初步检测,最近的传播距离为180km,最远共有3个激发点传播达到260km,夜晚激发信号传播距离较远。     

Numerical Simulation of the Binchuan Airgun Source Affected by Water Body

The numerical simulation of the influence of a reservoir water body on the Binchuan airgun source could provide a theoretical basis to analyze the data obtained from the active source detection and inversion of regional interior medium structures. Based on a medium model containing limited water body, we use the finite different method to simulate the effect of the water level, excitation energy and focal depth. The results show that the influence on the waveform amplitude caused by the water level changing is very large near the water body, and that a high water level or large amplitude change can have a larger effect. However, for stations beyond a certain epicentral distance, the influence will be weakened and kept stable. As for the Binchuan airgun source, amplitude fluctuation caused by the water level changing becomes very small(±0.05 times) after propagating a certain distance, so we can remove the influence of the water level changing by referring to the numerical simulation result. Wave amplitude increases linearly with the excitation energy and focal depth, therefore, the greater the energy and the deeper the focal depth, the better the effect of the excitation, and is more conducive in detecting remote and deep penetration underground structures.     

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。     

利用宽频带地震数据资料研究辽宁地区的地壳结构

通过收集辽宁省地震局数字地震台网34个地震台站记录的2008—2009年的60个震中距为30°~90°之间,震级6,信噪比较高的远震记录数据,采用频率域反褶积方法计算获得各台站的远震P波接收函数,并用H-Kappa叠加方法对获得的接收函数进行叠加处理获得各台站下方的地壳厚度以及泊松比。通过研究表明,辽宁地区的地壳泊松比在0.24~0.29之间,地壳厚度介于30~36km之间。     

大连台使用CTS-1记录波形特点

自"九五"数字化改造以来,作为国家数字台网重要组成部分的大连地震台配备了数字地震观测系统(CTS-1),使台站的地震观测水平和观测质量有了质的飞越。大连地震台通过长时间对不同类型及不同震中距的地震震例分析、讨论与研究,总结出了大连地震台的地震波形及震相特征。大连台使用CTS-1记录波形特点。     

源自多个大电流源的华东地区地电场空间变化特征

在地震电磁学研究中,电流在地下流动特征与构造关系是一个非常重要的问题.多个强电流源的存在和大范围地电场观测站的分布格局为我们研究这个问题提供了更好的机会.本文通过利用上海及其周边地区4个地点不同的高压换流站接地极向地下注入的大电流(1200~4780A)信号,研究了华东地区8个台站组成的地电场观测台网接收到的附加地电场信号,推进了对地电流在地下传播特征的认识.研究显示:1从幅度特征而言,对于源自不同的大电流信号,各台站观测到的附加地电场信号幅度特征有很大不同,而近处的浦东台只能观测到南桥大电流源的信号而观测不到其他3个大电流源发出的信号,存在着所谓的"敏感点"效应;2对于上海地区4个接地极大电流而言,能够观测到源自它们的附加地电场的台站最远为350km,在更远的台站则观测不到.3从均匀度方面而言,在每个台站对于不同的信号源,记录到的附加地电场信号在各方向上的长极距和短极距信号幅度之比可以有很大变化;4在方位特征上,只有崇明台站接收到的同里接地极和华新接地极大电流信号的计算方位度数与实际方位度数误差最小,分别为0.2°和0.8°.而在距离各个信号源最近的青浦台,这种误差要比崇明台站的大;5极化方向特征显示,在青浦台和崇明台所观测到的附加地电场信号中,存在着同一方向上长、短极距信号极化方向是反向的现象,这与常理相悖,怎样解释该现象有待于今后进一步研究.本文从点电流源与台站测线布局构成的装置系统、大区域介质非均匀性、台站测区以及附近地区的介质细结构的影响三个方面,对上述特征进行了较深入的分析和解释.