沉放深度对气枪震源激发信号影响的试验研究

以2014年11月福建街面水库气枪震源激发试验观测数据为研究对象,利用基于互相关的时延估计法对不同沉放深度及不同水深的气枪激发展开研究,分析沉放深度及激发环境水深对气枪震源激发信号到时的影响。结果显示:激发位置不变,气枪沉放深度在8—30 m范围内变化时,震中距为13 km的测震台站记录到的气枪信号的首脉冲到时差异很小,而气泡脉冲到时则有明显差异,且随着沉放深度的增加,气泡脉冲信号到时提前,8 m沉放深度与30 m沉放深度气泡脉冲的到时差近80 ms,这种变化与布设在库底的海底地震仪记录到的信号变化相一致,分析认为这种变化与气枪沉放深度增加引起的气枪激发信号的周期减小有关;在不同水位开展的相同沉放深度的激发信号差异不大。因此,应用气枪震源监测地壳介质变化时需注意气枪震源沉放深度变化所带来的影响。      

大容量气枪震源子波激发特性分析

大容量气枪水库激发作为陆地震源的可行性与有效性已经得到成功验证.为进一步提高气枪震源激发效果,本文通过水库气枪激发试验对单枪容量为2000 in³的气枪震源激发子波特征及规律进行了研究.依据近场水听器和远场短周期地震仪记录数据,分析气枪震源沉放深度、工作压力等不同激发条件对压力脉冲和气泡脉冲的影响.有助于人们根据不同尺度地下结构探测对震源激发信号的要求,调整气枪激发参数和激发环境,获得最佳激发效果.试验结果表明：（1）沉放深度对压力脉冲波形影响较小,其优势频率不随沉放深度而改变;（2）随着沉放深度从5 m增加到11 m,气泡脉冲的优势频率由5 Hz增加至7 Hz,其最大振幅亦近线性递增;（3）工作压力越大,激发压力脉冲能量越强,而对气泡脉冲的影响主要体现在主频降低.适合远距离深穿透地下结构探测的低频信号主要来自大容量气枪所激发气泡的反复振荡,由于气枪振荡过程非常复杂,本文通过较为简洁的数学和物理模型进行了解释.     

大容量气枪震源的实验与模拟研究

气枪震源是一种新兴、环保、绿色的人工震源,在区域尺度深部探测中有重要的应用前景.本文通过实验模拟研究了用于深部探测的大容量气枪震源,主要工作为:(1)根据陆上气枪实验分析了大容量气枪震源的特征;(2)采用自由气泡振荡理论模拟气枪信号,探讨深部探测中增强气泡效应从而增大气枪低频部分能量的方法;(3)研究气枪容量、工作压力和沉放深度等对单枪信号的影响及枪阵激发时刻和气枪间距对枪阵信号的影响,指导深部探测中气枪震源工作参数的选择;(4)研究不同类型水底对反射透射系数的影响,其结果对于选择合适的场地条件有指导意义.     

实际气体状态下模拟气枪单枪激发信号研究(英文)

以Ziolkowski提出的算法为基础,提出更为准确的气枪震源信号模拟模型。模型引入范德瓦尔斯方程和准静态开放式热力学系统,考虑了气体和水之间的热交换作用、枪口节流作用和气泡上浮因素,并讨论了海面反射对信号的影响,给出了模拟计算过程,最终获得了改进的气枪信号模拟模型。利用模型进行实验,结果表明:(1)海水温度与震源信号能量成正比,与子波信号的信噪比成反比;(2)海面反射造成的陷波效应受实际条件下的海面反射系数和震源沉放深度的影响;(3)气枪的工作压力较高,超出理想气体状态方程的适用范围,应用范式方程可提高模型准确度;(4)改进模型所模拟的气枪子波与气枪激发的实际子波十分吻合。能够精确模拟单枪信号的模型是研究和模拟气枪枪阵信号的基础。现有的大部分模型假设所产生气泡内的气体为理想气体,但由于气枪的工作压力很高,这种假设会导致一定的误差。为了能够精确地模拟气枪信号,在齐奥科斯基算法的基础上,应用范德瓦尔斯方程,建立了新的模型。模型中还引入了准静态开放式热力学系统,考虑了气体和水之间的热交换作用、枪口节流作用和气泡上浮因素,并讨论了海面反射对信号的影响。利用建立的模型进行实验发现:(1)海水温度与震源信号能量成正比,与子波信号的信噪比成反比;(2)海面反射造成的陷波效应受实际条件下的海面反射系数和震源沉放深度的影响;(3)气枪的工作压力较高,超出理想气体状态方程的适用范围,应用范式方程可提高模型准确度;(4)改进模型所模拟的气枪子波与气枪激发的实际子波十分吻合。这些都证明了本文提出的模型能够精确地模拟气枪单枪信号。     

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。     

气枪震源信号波速变化计算中的水位影响及消除

气枪震源是一种重复性很高的人工震源.受激发条件改变影响,气枪信号一致性会有所下降.反褶积方法可以去除气枪信号中激发压力、沉放深度、位置移动等的影响,但信号中水位变化的影响难以通过反褶积消除.地震信号波速变化反映了介质应力及物理状态的变化.利用气枪信号计算的波速变化受水位变化影响不能完全反应真正的介质变化,对研究结果及后续分析和应用产生较大干扰.为消除气枪信号波速变化中水位变化的干扰,本文提出了一种消除水位影响的方法:(1)水位以△h =0.2 m为间隔分段,将各个水位区间内激发的所有气枪信号叠加;(2)计算所有水位区间内气枪信号的波速变化,得到波速变化与水位变化的关系;(3)进行最小二乘拟合得到水位变化与波速变化的关系式,并计算水位变化引起的波速变化;(4)初始波速变化减去水位变化引起的波速变化,得到消除水位后的介质波速变化.研究结果表明:大银甸水库水位变化引起的气枪信号波速变化率最大可迭10-2,波速变化与水位变化呈线性正相关,水位影响随震中距的增大而减小,相同震中距气枪信号受水位变化的影响大小与气枪信号穿过水体的多少有关.运用本文提出的去除水位影响的方法可较好地消除波速变化中的水位变化信息.     

甘肃祁连山主动源不同枪组激发效果对比

大容量气枪震源激发探测因具绿色环保、传播距离远和高度重复性等特点成为地下介质探测的新方法,利用其进行地下介质物性变化高精度探测,则对不同激发条件下气枪传播信号的一致性提出要求。本文选取了祁连山主动源不同枪组（4支和3支气枪）在激发环境一致情况下分别激发时各远台波形记录,通过信号叠加、互相关及频谱分析等方法,对比分析了各台站记录的不同枪组激发信号,及其与震中距的关系,并讨论了不同枪组激发对地下介质走时变化观测的影响。结果表明：（1）不同枪组的激发信号波形相关度随震中距增大而降低,信号震相随激发能量有微弱的变化,震中距超过50 km后其变化几乎分辨不出;（2）远台接收信号的能量大小随主动源激发能量变化,各台站能量变化主要体现在优势频率范围内;（3）接收台站台基越坚固不同激发能量均方根振幅比越小;（4）叠加一定数量的波形可以有效提高远台记录信号的信噪比,增加气枪激发能量则相对更容易提高信号信噪比。     

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。     

水库气枪震源不同组合激发效率的对比研究

为研究气枪的激发特性,并为气枪发射台的堪选、建设提供参考依据,在宾川地震信号发射台进行了不同气枪组合的激发试验,并对试验数据进行了分析。结果表明:(1)单支气枪激发100多次的叠加信号可以被在150 km外的地震台记录到;(2)单支气枪激发与4支气枪同时激发的信号频率基本相同,且衰减基本一致,但4支气枪同时激发信号的均方根振幅约为单支气枪的4倍;(3)当气枪组合激发的信号的信噪比达到10 d B时,相关系数可以达到0.99以上;(4)4支气枪同时激发的激发效率是单支气枪的4倍。从分析结果可看出,宾川地震信号发射台在牺牲一定效率的情况下,单支气枪激发信号可以替代4支气枪组合的激发信号。     

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。     

气枪震源地震波走时变化影响因素分析及地震相关的走时变化

云南省地震局在程海断裂以西10 km的大银甸水库处建成了气枪震源发射台, 在水库丰水期内进行连续激发观测。 2014年8月21日、 24日气枪震源附近分别发生M_S4.2、 M_L4.1和M_L4.0地震。 本文利用宾川气枪震源附近的钟英台、 黄坪台等10个台站2014年9月8日至2015年2月28日观测数据, 使用波形互相关方法提取这些台站气枪信号的走时变化, 使用射线追踪的方式正演研究了气压、 水库水位、 潮汐应力等因素对波速变化的影响。 排除上述影响后, 认为3次4级左右地震可能是2014年9月台站气枪信号走时增大0.04~0.05 s的原因。     

水体形状对陆地气枪激发信号的影响

分析比较4处不同形状水体气枪激发信号的主要特征,得到水体形状对气枪激发波形影响的关系,并利用数值方法模拟不同陆地水体中气枪激发的过程。研究结果表明:不同水体形状对气枪信号存在一定程度的影响,并且对高频信号成分影响较强,对低频信号成分影响较弱。在进行的4组实验中,马刨泉实验信号气枪能量转化为低频能量的效率高,所激发信号波形尖锐。     

利用聚类分析方法研究新疆呼图壁大容量气枪震源重复性

为研究造成新疆呼图壁大容量气枪震源重复性波动的原因,利用2015—2016年新疆呼图壁气枪震源激发池岸边的一台地震仪记录的3 214次激发信号,采用聚类分析中层次聚类方法和波形信号互相关技术,以相关系数大于0.95、对应相似度距离为0.05为标准对气枪震源信号进行聚类分析,将信号分成了2类。对可能造成气枪信号重复性波动的几种原因进行讨论,结果表明这种信号的重复性波动是气枪激发时压力不同造成的,建议通过控制激发压力的方法来解决这一问题。     

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。     

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。     

气枪震源水中能量辐射特性研究

基于云南宾川气枪主动源激发实验数据,对气枪震源水中能量辐射特性进行了分析研究,得到了气枪震源水中激发脉动气泡周期和最大半径的经验计算公式。结果表明:(1)气枪震源的能量辐射效率在垂直向下方向要高于水平方向;(2)垂直向下的气泡能辐射效率随着供气压力的增加而增大;(3)供气压力为15MPa时,气枪震源垂直向下的能量辐射效率为9.4%;(4)供气压力越大,气枪震源压力波叠加增强的持续距离越远。     

基于气枪震源信号的云南漾濞MS6.4地震前后波速变化

本文基于宾川气枪地震信号发射台激发的地震波信号,利用线性叠加和时频域相位加权叠加方法提高信噪比,通过反褶积、插值拟合和波形互相关等方法,获得2021年漾濞M;6.4地震前后气枪震源初至波信号走时变化特征.结果表明两种叠加方法得到的走时变化趋势基本一致,在沿发震断裂带附近的3个台站观测到的初至波走时延迟为7.3~14.4 ms,在射线路径上平均波速降低了0.08%~0.12%,距离震中位置较远的台站走时延迟为2~6 ms.分析认为,观测到的走时变化主要是漾濞M;6.4地震引起强地面运动造成浅层介质疏松、同震破裂导致震源区地下介质裂隙增加和地下流体侵入等共同作用造成,相关研究成果有助于加深和促进对此次地震震源物理过程的认识和了解.     

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。     

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。     

利用祁连山主动源资料研究2016年门源6.4级地震前后波速变化

采用叠加、互相关、插值拟合等方法对祁连山气枪主动源台网数据进行处理,针对2016年1月21日青海门源6.4级地震前后气枪激发地震P波、S波震相的走时变化特征进行了分析,结果表明,地震前约6个月时,震中附近3个台站的相对走时出现下降变化（走时减少）,至震前约3个月时低值异常恢复正常,之后再次出现走时下降变化,地震即发生于走时变化恢复过程中。S波走时变化最大下降幅度达18ms,震后走时变化逐渐恢复正常,且3个台站变化趋势较为一致,其中,距震中最近的台站的S波走时变化最明显（ZDY38台）,较远台站的走时变化幅度较小,其变化特征与震源区位置有关。走时缩短意味着速度增加,可能与区域应力积累间存在一定的关系。