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。     

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。     

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.      

云南宾川地震信号发射台的流动观测数据服务系统及数据质量评估

对2011年以来云南宾川地震信号发射台的实验数据进行规范化处理,整理原始Reftek数据库,构建为统一的G1数据库(Mini SEED格式),并提供SAC等数据格式的截取服务。对台站分布及数据连续性、各台站仪器类型及经纬度位置变更情况、气枪激发时刻与集中加密实验、台站背景噪声水平等进行数据质量评估,并对宾川附近天然地震分布进行了统计分析。结果表明:G1数据库是对历史数据的检验,格式与信息均可达到统一,也可作为新疆、甘肃等地主动源数据整理的模板。     

云南宾川大容量气枪震源波形频谱特征分析

2011年云南省地震局、中国地震局地球物理研究所在云南省宾川县大银甸水库开展了大容量气枪激发实验。为了深入研究气枪震源激发波形的特征,本文对不同距离台站记录的波形进行了频谱分析,对气枪激发震源的能量进行了计算,并将彩凤台气枪信号的波形、频谱特征与天然地震进行了对比分析。结果表明,1次激发相当于M_L0.7的天然地震。对相近震级天然地震波形的频谱与气枪激发波形的频谱进行对比后发现,气枪震源激发波形频率小于15Hz,主频多数集中在2~5Hz;气枪震源激发的地震波中低频信号较相当震级的天然地震明显;1次激发释放的能量为8.90×10~6J,相当于2.4kg硝铵炸药的当量。     

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。     

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。     

地震台站噪声水平定量评估及其在气枪源探测中的应用

对福建气枪源探测实验中所接入315个实时传输台站分1~10 Hz、0.1~1 Hz、10~60 s 3个频段进行台网噪声水平评估研究。统计240个小时的背景噪声记录,得到各台站的噪声水平MODE线,再利用本文提出的全球新高低噪声模型线与MODE线所占面积比来量化台网噪声水平,根据不同色标将台网噪声水平划分为十个等级进行评估,评选出优质台站。进一步研究背景噪声对气枪激发效果的影响,验证了台站接收能力与背景噪声密切相关,分析了不同台基（固定、加密、流动、海底）环境噪声水平的影响,得出环境噪声水平由低到高分别为固定台、加密台、流动台、海底台。通过台网噪声评估能有效提高气枪震源信号的检测能力,也为优质台站重点维护提供重要参考。     

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。     

大容量气枪震源及其波形特征

大容量低频组合气枪震源已成功应用于南海北部海陆联测实验及陆上水库实验,其信号传播最远距离可达255 km. 为了探讨气枪信号的波形特征, 从广东省地震台网数据中选择了台基相同、震级与震中距相近的珠海台的地震记录, 将气枪震源、天然地震和爆破三种震源的波形特征进行了对比分析,结果表明, 气枪信号特征明显, 信号主频4～8 Hz, 振幅±0.15 μm·s^-1, 波形一般具有3～5个峰值, 并随时间有规律变化,易于准确识别. 实验探测结果说明, 这种能量强、重复性好、探测精度高、绿色环保的枪阵组合震源可广泛应用于海洋与陆地深部结构研究.     

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...     

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。      

立体气枪阵列延迟激发震源特性及在浅海区OBS探测中的应用

利用中、小容量气枪组成的立体气枪阵列延迟激发震源和海底地震仪(OBS)在我国北部浅海海域开展了人工地震深部地球物理探测试验.基于水深条件和压制水体虚反射、提升低频能量的需要,使气枪震源有足够的输出能量和高品质子波特性,研究了立体气枪阵列延迟激发震源工作机理,经远场子波理论模拟优选了组合参数并进行了海上试验工作.结果表明,中、小容量气枪组成的立体气枪阵列延迟激发震源,适应了浅水海域的激发环境,降低了由虚反射造成的局部陷波和干扰作用,有效地改善了OBS信号的品质,获得了Ps,Pg,PmP,Pn等多种震相.创新了由中、小容量气枪组成的立体气枪阵列延迟激发震源在浅海区OBS探测中的应用,也填补了南黄海海域深地震探测数据的空白,为南黄海、渤海深部地壳结构研究及含油气盆地形成演化研究提供了重要的基础资料.     

利用人工爆破资料研究福建一维P波速度结构和地震定位

通过人工爆破资料研究地球结构的独特优点是震源时间和位置精确知道.2010—2012年间福建省进行了一系列的爆破实验.本文利用手工拾取来自省地震台网记录的爆破地震初至Pg、Pn以及续至Pg波到时数据,采用联合反演方法构建了新的一维P波速度模型,即福建爆破模型(FJEM).与华南模型相比,FJEM模型对走时的拟合程度提高了45%,有明显改善.利用不同爆破地震数据组合得到稳定类似的福建地区一维速度模型,显示福建地区存在较简单的一维速度结构.对爆破地震的重定位显示传统使用的华南模型在福建地区具有较小的水平定位误差(平均0.52±0.45km),但存在较大深度误差(平均4.7±1.2km).FJEM模型表现出与华南模型相似的水平定位能力,但是震源深度误差更小(1.3±1.1km).对基于FJEM模型的合成天然地震目录的重定位,华南模型显示出相似的定位结果:(1)台站方位覆盖较好的福建中部地区的水平定位误差小;(2)台站方位覆盖差的福建海岸及海峡区域水平定位误差大;(3)震源深度误差则跟台站数目及方位分布没有明显的关系,而是与发震时间误差有互易关系.从中可以看出,地震水平定位误差基本上受台站方位覆盖影响,而受参考速度模型影响不大;而在深度方面,本文改进的FJEM模型不仅更加接近真实的速度结构(拟合走时更好)而且也减小了深度误差.因此建议在福建及其邻近区域的日常定位中用FJEM模型替代华南模型.     

MCZT在气枪震源信号频谱分析中的应用

气枪震源信号是短时非平稳信号,采用频谱细化算法能提高频谱分析的准确性。首先进行了改进线性调频Z变换(MCZT)和FFT两种频谱分析算法的误差仿真计算,然后进行气枪震源的水下子波信号和地震波信号的对比计算。结果表明MCZT计算误差较小、计算时间较少,能有效提高气枪震源信号频率和幅度特征提取的准确性,是气枪震源信号频谱特征分析的一个有效方法。     

粤东、闽南沿海小震震源参数的研究

本文采用 P,S 振幅比资料测定小震震源参数的方法,研究粤东、闽南沿海地区的小震震源参数,文中针对该地区现有地震台站的设置偏布于地震一侧的实际情况,将台站相对于地震的分布归纳为三种不同的类型,分别进行人工数值试验,其目的在于探讨文献[1]方法对台站偏布于地震一侧时的资料处理能力及误差估计.在此基础上,就该地区1982年至1985年的39个(Ms=1.7——3.0)小震震源参数进行了实际资料处理.计算结果表明,该地区大多数震源错动面较陡,主压应力轴和主张应力轴大多近于水平,主压应力轴的优势取向为北西西方向      

基于压缩感知的信号重建方法及在气枪震源信号处理中的应用

在气枪源探测过程中,由于各种干扰因素的影响,导致部分有效信号缺失或受随机干扰严重,为了重构出连续完整的数据,依据气枪源信号在傅里叶变换域中具有稀疏性的特点,构建了一种基于压缩感知(Compressive Sensing,简称CS)的缺失信号重建方法。首先进行数值模拟,并将该方法与传统的插值方法处理效果进行对比,对重建效果进行均方根误差及信噪比(SNR)分析,结果显示:压缩感知方法重建前后信号的波形吻合度高、振幅一致性更强、同相轴清晰且连续性相同,对噪声压制较好。综上表明:该方法重建效果优于传统的三次样条插值方法。将该方法应用于实际资料,结果显示受干扰的有效信号能够得到很好的恢复重建。     

首都圈数字地震台网对微弱爆破信号的检测能力

利用首都圈数字地震台网接收人工地震信号,进行地下结构研究具有重要意义.但人工震源释放的能量小,激发的地震波以短周期为主,因此本文较全面地研究了地震台网对短周期微弱信号（1～20 Hz）的检测能力：(1) 分析了台网的背景噪声,结果表明基岩台址的地震台噪声比沉积盖层台址的地震台噪声低约13 dB,这相当于近1个震级的检测阈值;夜间的噪声比白天低约5 dB;噪声有逐年增高的趋势,2006年比2001年噪声提高约4 dB.(2 )分析了在台网内进行的药量为25 kg的陆地井下爆破实验,一次爆破相当于0.69级（M_L）的天然地震,有18个地震台可辨认爆炸产生的Pg、Pm或Pc波;离爆破点218 km的基岩台,仍可以接收到振幅只有1.6 nm 的Pm波,这个结果可为地震勘探实际工作提供参考.(3) 研究了台网外核爆试验的信号特征,2006年发生在朝鲜的地下核试验是一次检验台网检测微弱信号能力的好机会.波形记录经1～5Hz滤波后,台网中噪声小的18个基岩台可以清晰辨认核爆破产生的P波或Lg波,P波平均振幅为16 nm,计算的平均震级为m_b4.3,和NEIC给出的震级相同;分析还表明背景噪声是影响台站信号检测能力的主要因素之一.