引言

地震是一盏照亮地球内部的明灯。迄今为止，关于地球内部的结构、组成、过程和状态等认识多来自地震波信息（陈颙，朱日祥，2005）。通过人工震源激发地震波探测地球内部结构，有助于了解地下精细结构和地壳深部的基本结构特征、介质物性、深浅活动断层关系及断层空间展布特征等（酆少英等，2010，2015；刘保金等，2012，2015）。以往的深部探测主要是采用大当量的炸药震源在地下引爆从而产生地震波来探测地下结构，其缺点是存在安全隐患且污染环境。随着国家对环保和安全生产的重视，爆破震源的使用越来越受到限制（王伟涛等，2017）。多年的探索研究表明，大容量气枪震源作为一种可重复激发、无污染、性能可靠的探测源（唐杰等，2009），是开展陆地地壳结构探测及变化监测的理想震源（陈颙，李宜晋，2007；林建民等，2008；赵明辉等，2008）。国内外已经进行了一系列的气枪震源激发试验，如美国在南加州进行的洛杉矶地区地震试验计划LARSE （Fuis et al，2003）、新西兰在南岛进行的SIGHT地球物理调查（Okaya et al，2002）、我国台湾地区的TAICRUST计划（McIntosh et al，2005）、我国在南海东部进行的海上大容量气枪震源与陆上地震台站联合勘探计划（邱学林等，2007）以及上关湖水库试验（Chen et al，2008）、马刨泉试验（Wang et al，2010）、大银甸水库试验（王彬等，2015）等，这些试验均取得了较好的成果。

另一方面，以往的试验探测范围集中在近海区域，主要是以探测含油气盆地沉积精细结构（李绪宣等，2016）为主要目的海上反射地震勘探，而针对内陆地区城市灾害评价以及构造边界动力学研究、人口聚集带孕震构造的探测等研究通常采用陆上反射地震技术。近年来发展出采用气枪在水体中激发、陆地接收的勘探方式，目前主要集中在将气枪震源置于浅海或水库，陆上利用固定台网、流动测线和台阵接收地震波信号，其结果能够用于深部构造研究（胡景等，2016；田晓峰等，2016；徐逸鹤等，2016），但无论是海陆联测还是水库激发，都相当于气枪在接近于静止的水中激发。

本次试验采用气枪震源走航激发、陆上反射地震仪器固定排列接收的新型探测方式，由于受到长江航道及江岸地形的影响，激发线与接收线均为不规则曲线且不重合，这种探测方式与反射地震勘探中的非纵测线及弯曲测线比较相似，但又有本质区别。非纵测线是相对于纵测线而言（季天愚，李澈，2014），采用激发线与接收线相互平行但不重合的一种探测方式。弯曲测线是为了避开地表障碍区或接收条件较差的位置而采取激发线与接收线均为曲线（杨庆道等，2011）且二者位置基本重合的二维探测方式。“地学长江计划”铜陵段试验无论在观测方式还是数据处理方面均与以往的反射地震勘探存在很大差别，在国内尚属首次开展。本文拟通过观测系统参数分析研究影响探测结果的主要因素，为大容量气枪震源进行陆上水体水陆联测提供例证与技术参考。

1.   铜陵试验简介

本文内容为2015年开展的“地学长江计划”铜陵段反射地震试验部分，采用长江航道中大容量气枪震源走航激发、沿江岸道路布设反射地震仪、固定排列不间断接收地震波的方式工作（图1）。震源采用由4支1500 L型大容量气枪组成的6×8气枪阵列，工作压力为2 000 psi （约13.8 MPa）；接收设备采用428XL采集链全天候不间断监测。由于航道水流因素及水运交通因素的影响，炮间距设为非固定值，处于130—180 m之间，江岸接收排列道距设为30 m，共1 802道接收，接收排列长度为54.03 km，最小炮检距为410 m，最大炮检距为50.84 km。处理资料之前，根据震源激发时刻对数据进行精确截取，截取单炮记录长度为25 s，以此最终共获取528炮地震单炮。

图  1  激发线和接收线位置

Figure  1.  Location of the shot line and the receive line

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2.   数据分析

2.1   共中心点分析

对于弯曲测线，共中心点分析能够定量地考察地下反射点的离散性，在地震数据采集和处理中能够充分发挥弯线施工的高效优势，提高数据的可靠性（杨庆道等，2011）。

根据激发与接收的炮检关系，抽取共中心点。共中心点分布如图2所示，可见：其分布位置具有明显的区域特征，在中部偏北区域存在集中区，在东北、西南方向反射点分布范围比较发散，局部有空白；从整体来看，炮检点线中心位置的共中心点分布较远点位置相对集中；南部共中心点发散严重，这是由于测区东北部炮点与西南部反射点相距较远，且在中南部测线存在较大拐角，以及共中心点散布于检波点线与炮线之外所致，北部发散区的形成原因同此；而在测线的起点和终点，由于炮检点位置较近，共中心点也相对集中。

图  2  共中心点分布图

Figure  2.  The common middle points distribution

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为了定量考察各中心点的方位分布和弧形面元内共中心点的分布情况，利用三维地震面元属性分析中的“玫瑰图”技术，结合实际观测系统参数，获得面元方位分布图，如图3所示。图中，玫瑰图圆弧的半径长度表示炮检距的大小，半径的方位表示方位角，色标表示面元数量，即在某个范围（由相邻两条半径和圆弧围成的区域）内方位角和炮检距相同的共中心点数量。

图  3  共中心面元方位分布玫瑰图

Figure  3.  The rose plot of the common central bin location

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由图3所示的面元分析结果可以看出，共中心点主要集中分布在北东（20°—120°，主方位为65°）和南西（190°—270°，主方位为245°）方向，弧形面元内共中心点的数量主要表现为三个级别，即1—450，1 200—1 800，2 500—2 800，总体空间分布极不均匀，面元方位角呈窄条带分布且不规则。

2.2   照明度分析

地震波照明度是基于地震波场对地下地层的照射强度以及照射方向和范围的定量描述，通过照明度分析可以得到地震采集参数对成像质量的影响。常见的地震波照明度分析方法主要包括两类：基于射线理论的射线照明度分析和基于波动理论的波动方程照明度分析（裴正林，2008）。射线照明度分析方法的计算速度快，不受模型边界限制，但存在射线盲区，仅适用于横向速度变化较小的简单模型。波动方程照明度分析方法的计算精度高，对速度模型没有限制，反映地下介质照明度分析结果更加合理、准确，故本文选用该方法。

波动方程照明度分析的计算步骤包括：① 根据实际地震观测系统定义炮检关系，分析区块地质结构，建立地质模型；② 利用单程波传播算子将震源波场传播至地下各个深度；③ 计算单个炮点在地下不同深度的方向照明；④ 叠加所有炮点在该深度的照明能量，得到基于观测系统的波动方程照明图。

安徽铜陵地区及其邻区的地壳结构比较复杂，华北地台和扬子地台的沉积厚度变化较大，第四系沉积厚度为4 km左右，上地壳底界面为11—16 km，中地壳底界面为21—27 km，平均地壳厚度为30—36 km （白志明等，2016）。根据铜陵地区地质结构（酆少英等，2020）建立地质模型，假定地层为水平层状介质，分别对地下3 km，15 km，25 km及35 km深度的照明度进行分析，结果如图4所示。

图  4  铜陵地区不同深度h处的照明度分析（图中红、蓝线分别为炮点、检波点）

Figure  4.  Illumination analyses of Tongling region at different depth h where the red and blue curves are shots and receive points

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由图4可见：3 km深度处，照明度主要集中在炮点附近，在炮检距较小处出现了强度集中区（测线北端与南端）；15 km深度处，照射范围明显增大，照射强度相对向南偏离，基本覆盖了整个探测区的正下方；25 km深度处，照射范围变大，照射强度集中在炮点和接收点区域内，强能量区有所减小；35 km深度处，照射范围在探测区中部偏西区域明显增大，照射强能量区进一步减小。从整个照明分析结果来看，照明度能量在浅部呈焦点状分布，分布范围集中且能量相对较强，随着深度的增加，照明范围逐渐扩大，能量集中范围缩小。

2.3   覆盖次数

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为了分析不同深度不同反射角情况下共中心点的分布范围以及在单位面元（10 m×10 m）中的覆盖次数，假设地下介质为水平层状，根据炮检关系，分别从5 km，10 km，25 km深度下的30°、45°及60°反射角进行分析，获得面元覆盖次数分析结果，如图5所示。

图  5  不同深度h和反射角度α情况下的面元分布和覆盖次数分析

Figure  5.  Distribution of bin and fold with different depth h and reflection angle α

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由图5可以看出：随着地层深度的增大，面元分布范围增大但不规则，中部偏北以及测线两端炮点、检线相对靠近位置的覆盖次数相对有所增加；随着反射角的增大，面元分布范围显著增大，呈现较为发散的形态。对于本次试验，10 km深度以浅，基本面元分布范围相对较小，覆盖次数为1—6；25 km深度以下，面元分布范围逐渐变大，覆盖次数为2—10次。由炮检距限定，在地层深度大于等于25 km时，面元分布范围趋于稳定；当深度小于25 km时，面元分布范围逐渐减小。

2.4   干扰分析

由于气枪能量有限，且与接收点存在较大水平偏移距，因此地震波能量随偏移距的增大而急剧衰减，图6为单次激发的典型原始单炮记录，由该记录可以得到有效信号的最大提取距离为距炮点700道位置（约21 km）。单炮内纵横向振幅能量的变化差异较大，背景噪声干扰严重，这主要来自陆地和水域的规则、不规则随机干扰，包括固定源机械干扰、高能环境噪声等干扰，呈频带宽（2—80 Hz）、能量强、视速度变化大等特点。受背景噪声影响，中深层及大炮检距下的数据信噪比较低。

图  6  原始单炮记录

Figure  6.  The original record of a single shot

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利用气枪震源在固定点重复激发，能够提高有效信号能量，同时降低随机干扰的影响。从垂直叠加50次所获得的单炮记录（图7）上可以看出：有效波能量增强，初至波界面清晰，最大接收范围得到改善，但整体信噪比依然较低，面波干扰范围较宽，浅部能够识别出部分有效反射层，深部有效信号能量较弱，在10 s附近有隐约可见的反射同向轴。

图  7  垂直叠加50次所获的单炮记录

Figure  7.  Single shot record after 50 stackings

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2.5   频带与子波

在地震数据不同层位选取时窗，通过频谱分析技术和地震子波分析技术，可以计算时窗地震数据的主频、频宽、相位等，量化地震数据评价方式，即主频越高、有效频带越宽，子波稳定性越好，地震分辨率越高（刁瑞，2020）。

根据铜陵地区的地质结构，将本次试验的层段分为中浅层（2—6 s）、中深层（5—8 s）、深层（8—12 s）等三个部分，其中中浅层主要为浅层反射波信号，中深层为多次波或层间多次波成分。对中浅、中深、深层数据（分别对应于图8a中绿色、红色、蓝色线标注区间）进行分时窗频谱分析，获得单炮记录中各时窗内波的频谱成分（图8b）。通过分析可知，有效反射频带为3—25 Hz，峰值频率在15 Hz左右，整体振幅由深向浅逐渐变强。对记录面波的频谱分析结果显示，低频面波的干扰频率为3—5 Hz。

图  8  不同单炮时窗范围（a）及不同时窗频谱分析（b）

Figure  8.  The different time windows of a single shot （a） and frequency spectral analysis for different time windows （b）

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由不同时窗的子波分析（图9）可知：同一时窗下，子波的振幅能量、频率及旁瓣的横向变化较大，部分位置的旁瓣能量较强，稳定性较差；随着时间的增加，信噪比降低，子波的稳定性逐渐降低。由于资料受噪声干扰严重，地震子波的振幅能量、频率和旁瓣的变化较大，稳定性较差，在大炮检距和中深层、深层的波场尤为明显。

图  9  不同时窗子波分析

Figure  9.  Wavelet analyses for different time windows

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3.   讨论与结论

“地学长江计划”铜陵段试验通过大容量气枪震源在内陆水体中激发、陆上布设反射地震仪器接收的方式来研究地壳结构与构造，在国内尚属首次开展。从现场单炮记录来看，水平接收的有效范围最大为21 km，在部分记录中能够获得有效信号，浅部地层能够在单炮中识别，纵向可识别的最深层位在10 s左右。

受激发、接收条件所限，接收点线和炮点线均为曲线且偏移距不固定，造成共中心的分布发散，整体覆盖次数不足，尤其在测线方向发生改变的位置，炮检距较大的反射共中心点落在炮点、检线之外，发散严重，覆盖次数小于5次。

由于气枪震源能量有限，同时本次试验的数据采集环境为国内水运最为繁忙的长江航道，加上沿江工业、人口聚集区密集，背景噪声成分复杂，干扰波发育，局部区域干扰严重，因此所采集的数据信噪比偏低。在距炮点较远的检波点的接收能量大大降低，主要为干扰成分。在深度方向，长江水体对气枪能源的衰减严重，造成探测深度有限。

由于采集观测系统复杂且不规则，加上气枪震源的客观因素，本次试验的单炮质量存在明显的分段性，在中大炮检距和中深层区域采集的原始资料信噪比较低，需要在后期处理过程中，针对这些突出问题，选择合理的方法技术与流程进行有效的处理后，才能获得理想的剖面结果。

从“地学长江计划”铜陵段试验的结果及上述分析，我们可以得到以下结论：

1） 大容量气枪震源能量适中，绿色环保，可重复激发，采用组合阵列在内陆水库和流动水体中激发，产生的低频信号能量强，可以用于地壳深部构造探测，是一种具有较大应用前景的新型陆上探测震源。需要根据目的层的深度及噪声环境，综合考虑施工现场的多种因素，选择气枪震源容量大小及组合方式。

2） 在水陆联测勘探中，根据目标层段的要求，对反射角进行合理设计。有效降低因炮检距过小造成的反射角不足从而导致的有效波信号掩盖；炮检距过大，由于震源能量有限，在远道处地震波能量吸收衰减严重。因此，在进行施工前，需要对反射角进行综合分析设计。

3） 在进行炮线和接收点线均为弯线的地震勘探时，需要做好观测系统的论证工作，通过照明度分析、共中心点分布等多种手段，特别是面元属性分析，在野外环境允许的情况下，尽量避免出现测线急拐弯及交叉等，使观测系统的设计能够达到研究目标的要求，便于获得较高质量的成像处理剖面。

4） 根据气枪容量的大小进行炮检距的优化选择，是保证面元成像速度分析精度和面元炮检距属性分布合理以及最终成像质量的重要前提。合理布设近、中、远炮检距，能够使不同炮检距的资料相互匹配，达到资料有效性的最大化，同时能够有效地降低生产成本，提高生产效率。

5） 大容量气枪震源用于内陆水体进行水陆联测存在一定的局限性，由于河道及沿岸道路通常为弯曲测线，造成有效覆盖次数的不稳定，部分资料缺失。此外，由于炮检距的不确定性，外部干扰对探测结果的影响尤为明显。