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。     

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。     

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。     

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。     

新疆呼图壁人工水体大容量气枪信号发射台性能研究

介绍了新疆呼图壁人工水体大容量气枪震源地震信号发射台的选址、建设过程及震源信号特征。从地质构造、历史地震的角度分析了地震信号发射台选址的合理性、必要性以及气枪激发池设计的合理性。利用激发池岸边的低灵敏地震仪记录到的气枪信号,阐述了气枪震源的高度重复性和人工水体气枪震源信号的稳定性,并对信号进行时频分析后得出,气枪信号的优势频率为2~6Hz。最后通过叠加的方法提高信噪比,得到呼图壁气枪震源信号的传播距离约为380km。     

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。     

宾川地震信号发射台的震源系统、观测系统和观测结果

概括总结了宾川地震信号发射台及所处区域地球物理观测的基本情况,重点介绍了宾川地震信号发射台观测系统的构成以及气枪震源在水库、井中激发的特性和信号的传播距离。对发射台建成以来所开展的工作、取得的观测实验研究结果以及遇到的问题进行了总结和探讨。结合项目的目标提出了今后一段时间主要应开展的研究工作。     

宾川地震信号发射台的震源系统、观测系统和观测结果

概括总结了宾川地震信号发射台及所处区域地球物理观测的基本情况,重点介绍了宾川地震信号发射台观测系统的构成以及气枪震源在水库、井中激发的特性和信号的传播距离。对发射台建成以来所开展的工作、取得的观测实验研究结果以及遇到的问题进行了总结和探讨。结合项目的目标提出了今后一段时间主要应开展的研究工作。     

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。     

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.     

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。     

大陆地壳结构的气枪震源探测及其应用

利用人工震源主动向地下发射地震波可以实现地下结构的高精度探测.合适的震源是进行主动源探测的关键.为研究大陆地壳结构及其变化,我们从爆破、电火花、落锤、偏心振动源、重载列车行驶产生的震动、变频汽车震源(Vibroseis)、水体中气体激发等多种震源中,遴选出水体中气体激发的人工震源(以下简称气枪)作为研究大陆地壳结构的震源.这种气枪震源具有绿色、环保、安全、高效等优点,是进行大陆地壳结构探测的新型人工震源.近年来,利用气枪震源分别在云南宾川、新疆呼图壁和甘肃张掖建成了3个固定式地震信号发射台,并开展了连续数年的监测.我们发现了气枪震源产生地震波信号高度重复的特点,利用这种特点,新疆人工水体中激发的地震波,在5000次叠加之后信号则可以追踪到近1300km,可探测面积为600万km~2,深达60km的地下结构.如果把这种人工主动震源看成是一盏照亮地下结构的明灯的话,在中国大陆,建立10个激发地震波的发射台,可以对中国大陆960万km~2的国土进行长时间连续的全覆盖探查,实现"天上有北斗,地下有明灯".     

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。     

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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

水库气枪震源产生的S波及其分裂

人工气枪震源在陆地水库可以有效激发S波,S波能量较强,与ML1.6天然地震相当。气枪可用于S波分裂研究,对布置在燕山隆起带的流动地震台的气枪信号进行了S波分裂参数分析,结果表明,快剪切波偏振优势方向为NWW和NNE向,偏振方向和断裂的性质密切相关。气枪是高度可重复性人工震源,利用气枪定点激发和定点接收有可能精确获取S波分裂参数随时间的变化规律,为地震预测探索实践提供可靠的物理途径     

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。