Experimental research on the effects of explosion depth on the air-gun source excitation wave signals
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摘要: 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。Abstract: This paper investigates the effects of explosion depth and water-level on the time delay based on the experiments carried out at Jiemian reservoir in Sanming of Fujian by Fujian Earthquake Agency in November of 2014. Analyses on the data from the station YXBM show that under the same water level, pressure pulses are affected by air-gun explosion depth so little that the correlation coefficient is high and the time delay is low, while those of the bubble pulses are significantly different. They arrive faster as the explosion depth increases. The arrival time of bubble pulses advances nearly 80 ms when the explosion depth changes from 8 m to 30 m, which is quite consistent with the records of the ocean bottom seismometer. The time delay is related to the decreasing of the period of signals resulted from the explosion depth increasing. Both of the pressure pulses and bubble pulses are similar while stimulated at the same explosion depth of air-gun under different water levels. So the explosion depth should be considered in the future study of exploring and monitoring the subsurface structure and its temporal variations using air-gun active source.
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引言
地下介质应力变化是地震孕育机理研究和震后愈合过程分析的重要依据之一，震前震后地下介质的应力变化为基于介质物理属性的地震预测及余震趋势的判断提供了新的思路，是近年来地球物理学研究的热点（Savarensky，1968；Lumley，2004；Schaff，Beroza，2004；杨微等，2010；Poli et al，2012 ）。利用地震波研究地球内部介质变化依赖于重复震源，天然地震和背景噪声都是重要的重复震源信号来源（Aggarwal et al，1975 ）。随着主动源探测技术的日渐成熟，利用人工震源主动向地下发射地震波模拟重复震源进而监测地下介质变化的方法逐渐得到发展。该方法克服了天然震源时空分布和数量受限以及背景噪声源变化对介质变化测量影响等方面的不足（Zhan et al，2013 ），已经成为地下介质变化研究中优选的方法之一。Silver等（2007）在井眼内利用压电陶瓷组合震源进行试验，结果显示在距离试验点5 km以内的两次地震发生之前，均监测到附近介质波速的变化。Wang等（2008）使用电动落锤震源在云南昆明小哨地震台开展了为期1个月的连续激发试验，利用尾波干涉技术，监测到高精度的相对波速变化（10−4量级）。由于电动落锤震源为陆地使用震源，在工作时会对近源场地产生一定的破坏，影响震源的重复性，无法满足长时间连续监测的需求，在水中激发的震源则可以在一定程度上规避其不足。陆地水体中激发大容量气枪震源各项技术的成熟以及观测系统精度的提高，促进了大范围地下介质应力状态变化的持续监测研究。国内外研究人员对基于气枪震源的地下介质变化进行了大量的研究（Brenguier et al，2008 ；林建民等，2010；王宝善等，2011）。2012年，坐落于云南省大理州宾川县大银甸水库的地震信号发射台正式进入常规运行；2013年，新疆呼图壁地震发射台初步建成并试运行；2014年，为扩大气枪震源的应用范围，福建省地震局建立了大容量移动式气枪震源系统，目前，已在福建省内的6个水库进行了6 000余次激发试验。王宝善等（2016）提出地震过程中关于介质变化研究所面临的的最大困难来自于试验期间的水位持续变化。目前，地震波的衰减变化、各向异性、波速变化等诸多性质（陈海潮等，2012；刘自凤等，2015）均用于研究地下介质的应力状态变化，但并未见相关参数在水位变化时所产生变化的分析报道。
鉴于此，本文拟选取2014年11月福建省地震局在福建省三明市尤溪县街面水库开展的大容量气枪激发试验为研究样本，探寻沉放深度变化和水位变化对激发信号的影响，以期为后续福建省开展的利用水库气枪震源监测地下介质变化试验以及地震过程中地下介质变化的监测研究进行前期探索和解释。
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图 1 福建省街面水库气枪震源位置及周围流动台网和固定台网的分布Figure 1. Location of air-gun source and distribution of corresponding portable and permanent stations in the Jiemian reservoir and its surroundings1. 数据样本
2014年11月，福建省地震局牵头在总库容为18.24亿m3的街面水库开展大容量气枪激发试验。该试验选取4支1500LL型Bolt枪组成气枪阵列，气枪单枪容量为2 000 in3，枪阵总容量为8 000 in3，枪口上方2 m处固定有水听器用于接收枪压信号；水库底固定有海底地震仪用于记录各枪近场子波。岸边布有流动测震台和固定测震台 （图1），测震仪采样率为100 Hz。该试验共开展60个工况，其中仅改变沉放深度的工况有两组，对应试验条件为：A枪单枪激发（沉放深度为8，10，12，15，18，20，25，30 m）和4枪同步激发（沉放深度为10，12，15，18，20，23，25，30 m），每个工况激发9次，工作枪压为1.4×107 Pa。试验后针对20个工况开展不同水深激发情况的研究，对应水深为55，35，25，20 m，每个工况均为4枪同步激发，枪阵尺寸为8 m×6 m，工作枪压为1.4×107 Pa，每个工况激发9次，具体列于表1和表2。
表 1 不同沉放深度的气枪源激发试验工况详表Table 1. The experimental conditions of air-gun source excitation under different explosion depths试验编号 水深/m 沉放深度/m 距离库底高度/m 激发枪 试验编号 水深/m 沉放深度/m 距离库底高度/m 激发枪 K01 46 8 A枪 K25 46 10 36 A，B，
C，D
4杆枪K02 10 K26 12 34 K03 12 K27 15 31 K04 15 K28 18 28 K05 18 K29 20 26 K06 20 K24 23 23 K07 25 K30 25 21 K08 30 K31 30 16 表 2 不同水位激发的试验工况详表Table 2. The experimental condition of air-gun excitation under different water levels试验编号 水深/m 沉放深度/m 距离库底高度/m 试验编号 水深/m 沉放深度/m 距离库底高度/m K40 55 20 35 K51 25 10 15 K41 23 32 K53 12 13 K42 25 30 K55 15 10 K43 27 28 K57 20 8 12 K44 30 25 K58 10 10 K45 35 15 20 K59 12 8 K46 18 17 K47 20 15 K48 23 12 2. 计算原理及数据处理
2.1 互相关时延法
用互相关方法计算两个相似波形的时延，是时延检测中的成熟技术，其基本思想是利用接收到的两个信号x1（t）和x2（t）的相关函数来估计时间延迟，即
${{{x}}_1}\left({{t}} \right) \text{＝} {{s}}\left({{t}} \right) \text{＋} {{{n}}_1}\left({{t}} \right){\text{，}}{{{x}}_2}\left({{t}} \right) \text{＝} {{s}}\left({{t}} \right) \text{＋} {{{n}}_2}\left({{t}} \right){\text{，}}$
(1) 式中，x1（t）和x2（t）为两个独立接收的含噪信号，s（t）为原始信号，n1（t）和n2（t）分别为背景噪声，信号与噪声相互独立。两信号的相关函数为
$\begin{aligned}{R_{{x_1}{x_2}}}\left(\tau \right) &\text{＝} E\left[ {{{{x}}_1}\left({{t}} \right){{{x}}_2}\left({{{t}} \text{＋} {\rm{\tau }}} \right)} \right] \text{＝} {R_{ ss}}\left({\rm{\tau }} \text{－} {{\rm{\tau }}_{\rm{d}}}\right) \text{＋} {R_{{{sn}_1}}}\left({{\rm{\tau }} \text{－} {{\rm{\tau }}_{\rm{d}}}} \right) \text{＋} {R_{{{sn}_2}}}\left({\rm{\tau }} \right) \text{＋} {R_{{{n}_1}{{n}_2}}}\left(\tau \right){\text{，}}\end{aligned}$
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${R_{{{sn}_1}}}\left({{\rm{\tau }} \text{－} {{\rm{\tau }}_{\rm{d}}}} \right) \text{＝} 0,\quad {R_{{{sn}_2}}}\left({\rm{\tau }} \right) \text{＝} 0, \quad {R_{{{n}_1}{{n}_2}}}\left(\tau \right) \text{＝} 0, $
即源信号与噪声之间以及噪声之间完全正交。由自相关函数的性质
$\left| {{R_{ss}}\left( {\rm{\tau }} \text{－} {{\rm{\tau }}_{\rm{d}}} \right)}\right| {\text{＜}} {R_{ss}}(0)$
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${\rm{\delta }} \text{＝} \frac{1}{f}\frac{{{y_0} \text{－} {y_2}}}{{2\left({{y_0} \text{－} 2{y_1} \text{＋} {y_2}} \right)}}{\text {.}}$
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图 2 互相关函数的拟合原理图Figure 2. Diagram of the cross-correlation function and its fitting curves2.2 数据处理
对各工况激发波形数据进行4—10 Hz带通滤波、基线校正及归一化后，取信号部分进行叠加，计算每次激发波形与叠加波形的到时时延；剔除时延超过10 ms的激发枪，对筛选后的数据再次叠加，选取适当的窗口参与计算，获得不同时延下各工况波形间的互相关函数；对函数作抛物线拟合后，获取拟合函数达到最大值时所对应的时间延迟，即为两个窗口信号的延迟时间。
3. 结果及分析
在A01—A08工况下不同沉放深度的激发试验中，对距离气枪激发点13 km的尤溪坂面（YXBM）台站的接收波形的垂直分量进行4—10 Hz带通滤波、基线校正等预处理后，依照沉放深度逐个排列，如图3a所示，自下而上沉放深度依次为8，10，12，15，18，20，25，30 m，可见气枪在不同沉放深度下激发波形存在差异。通过抛物线拟合法找出各工况第一个脉冲的峰值和第二个脉冲的峰值并分别连接，可明显地看到：随着沉放深度的增加，第一个脉冲峰值位置变化很小，连线基本与x轴垂直，说明接收波形的第一个脉冲的峰值到时基本一致；其后的脉冲峰值位置明显不同，连线明显倾斜，直观反映了随着沉放深度的增加，第二个脉冲的峰值到时逐渐提前。以K04工况作为参照，计算各工况的首脉冲信号及后续脉冲信号与K04工况的互相关系数，图3b给出了图3a中第一组脉冲（激发后2.54—2.69 s）和第二组脉冲（激发后2.69—3.40 s）的计算结果，图3c给出了利用互相关时延法计算各工况首脉冲信号和后续脉冲信号相对K04工况的到时时延。可以看到：激发时刻后2.54—2.69 s时段的互相关系数约为0.9，最高可达0.993，到时偏差约为0 ms，基本无相位差，说明不同沉放深度下激发首脉冲的波形相似度极高，沉放深度对首脉冲的到时、周期和振幅基本无影响；激发时刻后2.69—3.40 s时段的互相关系数明显不同于首脉冲，从0到0.82均有分布；到时时延随深度的变化而不同，呈线性关系。
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图 3 K01—K08工况下尤溪坂面（YXBM）台站垂直分量记录（a）及其与K04工况的相关系数（b）和相对K04工况的到时时延（c）Figure 3. Vertical components of the records at the station YXBM under the experiment K01−K08 （a），correlation coefficient between K01−K08 and K04 （b） and corresponding time delays （c）将库底布设的海底地震仪记录到的各工况相对于K04工况的脉冲到时差与由互相关时延法获得的脉冲到时差进行对比，结果如图4所示，可见，由互相关时延法计算获得的YXBM台站首脉冲到时差与库底海底地震仪记录的首脉冲到时差均在0 ms附近，且YXBM台站的第二个脉冲时延在大小与趋势上均与库底海底地震仪记录的气泡脉冲到时差基本一致。结合对海底地震仪记录资料的分析（夏季等，2016），本文认为：该台站在激发时刻后2.54—2.69 s时段接收到的为压力脉冲，是由气枪压力突然释放产生，由于静水压力相对于工作压力很小，所以高压气体释放的速度相差不大，峰值的到时差别不大（林建民等，2010）；激发后2.69—3.40 s时段的主要成分为第一个气泡脉冲，其周期与气泡震荡情况有关。
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图 4 库底海底地震仪记录到的各工况脉冲到时差与由互相关时延法获得的到时差对比（参照工况K04）Figure 4. Comparison of time delay records of ocean bottom seismometer on the bottom of reservoir with those by cross-correlation time-delay method at the station YXBM （refer to experiment K04）![]()
图 5 K05工况下台站YXBM垂直分量记录的原始波形经带通滤波后的波形（a）及其时频特性（b）Figure 5. Waveform （a） and time-frequency characteristic （b） of the vertical component of the records from the station YXBM under the experiment K05为进一步确认两组脉冲到时差形成的原因，对YXBM台站接收到的K05工况所记录的垂直分量线性叠加并进行去直流分量、基线校正、去除仪器响应等预处理后进行S变换，分析其时频特性，结果如图5所示。图5a为垂直分量原始记录经带通滤波等处理后的波形记录，与图3一致；图5b为图5a所对应的时频特性谱。由图5b可见，信号主要分为A1组和A2两组：A1组为激发后2.5—2.7 s时段范围，对应于以高频为主的压力脉冲，弛豫时间很短，与前文判断一致；A2组主要为压力脉冲和气泡脉冲受水面、水底及浅层介质综合影响而产生的子波，优势频率为6 Hz左右，其周期和弛豫时间与气泡震荡情况有关。
以K27工况为参考，对4杆枪在不同沉放深度激发的工况试验（K25—K31）进行分析。选取信噪比高的YXBM台站的激发波形为样本，以沉放深度为15 m的K27工况为参照，结果（图6）显示：压力脉冲（第一组脉冲）的相关系数很高，由互相关时延法计算获得的到时时延基本为0 ms左右；气泡脉冲（第二组脉冲）的波形随气枪的沉放深度变化明显，相关系数不高，到时时延随沉放深度的增加而提前。
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图 6 K25—K31工况下YXBM台站的垂直分量记录（a）及其与工况K27的相关系数（b）和相应到时时延（c）Figure 6. Vertical components of the records at the station YXBM under the experiment K25−K31 （a），correlation coefficient between K25−K31 and K27 （b） and corresponding time delays （c）![]()
图 7 K01—K08工况和K25—K31工况下YXBM台站垂直分量记录的相对时延与单枪激发时库底海底地震仪记录的到时时延对比Figure 7. Comparison of time delay records of ocean bottom seismometer on the bottom of reservoir with those of vertical component of the records at the station YXBM under experiments K01−K08 and K25−K31将单枪激发和4枪激发时YXBM台站的相对时延以及单枪激发时库底海底地震仪的到时时延对比，结果如图7所示，整体看来3条曲线的变化趋势和幅值相当，最大差值为10 ms，出现在沉放深度为20 m时，分析认为导致这些差异的原因有二，其一是4杆枪的激发时间会有一定的延迟，这种不同步会影响气泡的发育形态；其二是信噪比，4杆枪激发能量强于单杆枪激发，YXBM台站接收到的脉冲信号的信噪比较高，由互相关时延法识别的精度会提高。相对而言，4杆枪激发的到时时延更接近于单枪激发时库底海底地震仪记录到的到时时延，因此认为上述两个原因中信噪比的影响更大。
通过上述对比分析，可以明确沉放深度的不同对波形影响很大。在其它变量相同且不考虑激发不同步等误差影响的前提下，沉放深度不同，实际上产生了两个变量：一是距离水面高度，即文中沉放深度代表的变量，该距离不同，使得激发位置的压强不同，从而导致气泡的震荡周期等不同：二是到库底的距离，该距离不同，导致了气泡震荡传播时间的差异。
将表2中所列工况K40—K59及表1中K25—K31工况在YXBM台站的触发波形预处理后，分别依照距离水面高度（图8a）和距离库底高度（图8b）依次陈列，截取信号部分。从图8a中可以直观地看到：依照沉放深度排列的波形很规整，水位不同，距离水面高度相同的激发波形差别不大，无论是从周期、归一化后的振幅或是形态上的对比；相比而言，依照距离库底高度排列的波形显得杂乱无章，信号波形的形态与距离库底的高度并未呈明显的关系，说明水位变化时，对激发波形的影响主要取决于激发位置与水面的距离，即沉放深度，进而言之，真正产生影响的是枪体压强和激发环境的压强差。细看图8b，可见无论距离库底高度为多少，波形的第一组脉冲波形态均很相似，即压力脉冲部分的到时与距离库底高度无关，这是由于枪体工作压力为1.4×107 Pa，远大于液体压强气枪在激发的瞬间所释放的压力，高压气体释放的速度很快，压力脉冲差异很小。
综上所述，本文认为针对试验期间水位持续变化给地下介质变化研究带来的困难，可以采用在库底投放海底地震仪或对沉放深度进行时延测试标定这两种方法来校正。
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图 8 所有工况下分别按距离水面高度（a）和距离库底高度（b）排列的激发波形Figure 8. Waveforms of air-gun source excited under different water levels displayed by explosion depth （a） and explosion height from the bottom of reservoir （b）4. 讨论与结论
本文对街面水库激发试验中不同沉放深度及不同水位下的激发情况分别进行了统计和分析，结果显示水位变化和沉放深度变化对激发波形的影响主要取决于激发位置与水面的距离，即沉放深度。气泡脉冲信号到时随着沉放深度的增加而提前，且该变化与库底海底地震仪的记录一致。气枪震源的沉放深度增加1 m，即可引起测震台站观测信号较为明显的变化，这意味着利用测震台站观测信号可监测到气枪震源沉放深度米级甚至更小的变化，这也进一步证实了大容量气枪水库在地下介质变化监测中应用的可行性。针对王宝善等（2016）提出的水位持续变化给地下介质变化研究工作带来的困难，后续可以尝试利用布设在库底的海底地震仪或对沉放深度作时延测试标定这两种方法来校正。地下介质的变化极其缓慢、微弱，基于本文提出的校正方法在到时识别上仍然会有数毫秒甚至更多的差异，发展精确的波形微弱变化拾取方法和稳定的人工震源激发方法仍是后续工作的重点之一。
福建地震灾害预防中心和厦门地震勘测研究中心为本研究提供了宝贵的数据资料，中国地震局地球物理研究所王宝善研究员给予了悉心指导，作者对此深表谢意！
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图 1 福建省街面水库气枪震源位置及周围流动台网和固定台网的分布
Figure 1. Location of air-gun source and distribution of corresponding portable and permanent stations in the Jiemian reservoir and its surroundings
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图 2 互相关函数的拟合原理图
Figure 2. Diagram of the cross-correlation function and its fitting curves
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图 3 K01—K08工况下尤溪坂面（YXBM）台站垂直分量记录（a）及其与K04工况的相关系数（b）和相对K04工况的到时时延（c）
Figure 3. Vertical components of the records at the station YXBM under the experiment K01−K08 （a），correlation coefficient between K01−K08 and K04 （b） and corresponding time delays （c）
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图 4 库底海底地震仪记录到的各工况脉冲到时差与由互相关时延法获得的到时差对比（参照工况K04）
Figure 4. Comparison of time delay records of ocean bottom seismometer on the bottom of reservoir with those by cross-correlation time-delay method at the station YXBM （refer to experiment K04）
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图 5 K05工况下台站YXBM垂直分量记录的原始波形经带通滤波后的波形（a）及其时频特性（b）
Figure 5. Waveform （a） and time-frequency characteristic （b） of the vertical component of the records from the station YXBM under the experiment K05
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图 6 K25—K31工况下YXBM台站的垂直分量记录（a）及其与工况K27的相关系数（b）和相应到时时延（c）
Figure 6. Vertical components of the records at the station YXBM under the experiment K25−K31 （a），correlation coefficient between K25−K31 and K27 （b） and corresponding time delays （c）
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图 7 K01—K08工况和K25—K31工况下YXBM台站垂直分量记录的相对时延与单枪激发时库底海底地震仪记录的到时时延对比
Figure 7. Comparison of time delay records of ocean bottom seismometer on the bottom of reservoir with those of vertical component of the records at the station YXBM under experiments K01−K08 and K25−K31
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图 8 所有工况下分别按距离水面高度（a）和距离库底高度（b）排列的激发波形
Figure 8. Waveforms of air-gun source excited under different water levels displayed by explosion depth （a） and explosion height from the bottom of reservoir （b）
表 1 不同沉放深度的气枪源激发试验工况详表
Table 1 The experimental conditions of air-gun source excitation under different explosion depths
试验编号 水深/m 沉放深度/m 距离库底高度/m 激发枪 试验编号 水深/m 沉放深度/m 距离库底高度/m 激发枪 K01 46 8 A枪 K25 46 10 36 A，B，
C，D
4杆枪K02 10 K26 12 34 K03 12 K27 15 31 K04 15 K28 18 28 K05 18 K29 20 26 K06 20 K24 23 23 K07 25 K30 25 21 K08 30 K31 30 16 
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表 2 不同水位激发的试验工况详表
Table 2 The experimental condition of air-gun excitation under different water levels
试验编号 水深/m 沉放深度/m 距离库底高度/m 试验编号 水深/m 沉放深度/m 距离库底高度/m K40 55 20 35 K51 25 10 15 K41 23 32 K53 12 13 K42 25 30 K55 15 10 K43 27 28 K57 20 8 12 K44 30 25 K58 10 10 K45 35 15 20 K59 12 8 K46 18 17 K47 20 15 K48 23 12
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