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。     

大容量气枪震源特征及地震波传播的震相分析

利用大容量气枪震源在陆上水库进行地震波激发试验,研究陆上水库环境下激发气枪震源所产生的地震波特征及传播距离. 试验结果表明,大容量气枪震源是具有丰富的10 Hz以下低频信号的低频震源,其激发的地震波具有传播距离远,穿透深度深的特点. 在185 km长的测线上均记录到了气枪信号,成功检测到Pg,Pc,P2,PmP和Pn等多组震相,并在此基础上对地下深地壳结构进行了一维速度结构正演,讨论了该区域壳幔过渡带的低速结构. 气枪震源还具有一般炸药震源不具有的特征,如长期定点重复激发和有效转换S波的优点,是陆上进行长炮检距深穿透地下结构研究的一种优良人工震源.     

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。     

利用气枪震源探测大陆浅部的地震学研究回顾与展望

气枪震源在大陆浅部探测中的应用日益广泛。首先描述了大容量气枪震源在陆地水体内的激发特征,分析了其由海洋转入陆内水体激发实现的激发模式、激发环境和探测方法的转变;然后介绍了气枪震源在探测大陆浅部速度结构及监测弹性波速随时间变化当中的应用;最后简述了气枪震源在地震学研究中的潜在应用及面临的挑战。实践证明,陆地水体内激发的气枪震源是一种绿色、环保、高效的人工重复震源,其激发的信号可用于区域尺度的地壳结构成像,在一定程度上可替代传统炸药震源。同时,其激发的高度重复的信号可用于弹性波速随时间变化的监测,测量精度可达到10~(-4)。气枪震源是一种新型的、发展中的震源,仍需要对其震源特性和信号处理技术开展深入的研究以拓展其在地震学研究中的应用。     

大容量气枪震源主动探测技术系统及试验研究

针对地下介质动态变化监测研究中的信噪比、震源可重复性和波速精确测量等关键问题,利用大容量气枪震源,构建了一套高性能的主动探测技术系统,该系统包括气枪震源激发和信号接收,并在河北、云南和新疆等地的内陆水库和人工水体等不同激发环境,开展了探索性试验研究。试验结果表明:①气枪震源激发频率低,能量强,具有高度的可重复性、可通过叠加提高信噪比、探测距离大、绿色环保等特征,是一种理想的低频震源;②该探测技术系统操作简单,易控制,自动化程度高,探测精度高,能观测到固体潮引起的连续变化,可应用于区域尺度地下介质动态变化监测和开展4D 地震学研究;③气枪震源激发产生的信号震相丰富,有较强的S波,为研究地壳介质特性、应力分布及其动态变化等提供了新的技术路线。     

大容量气枪震源在陆内反射地震探测中的应用

为探索大容量气枪震源在陆内地壳结构反射地震探测中的应用前景,在安徽长江中下游池州一铜陵段完成气枪震源流动水体激发、岸上反射地震仪器接收的探测试验,获得测线下方反射地震数据剖面。结果显示：在研究区内大容量气枪震源激发的地震波信号具有传播距离远、穿透深度大等特点,在距炮点13km处获得清晰地震波初至起跳信号,纵向上双程走时...     

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。     

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。     

时频域相位加权叠加算法在主动源气枪信号识别中的应用

正主动源探测是研究地球内部结构及其动态变化的重要手段,传统爆炸震源对激发场地产生的破坏使得其难于用于监测动态变化,近年来国内外专家提出将人工震源用于研究地壳结构及其变化,发现气枪震源是一种较为高效的可重复性震源。然而,气枪震源激发的能量有一定的限制,相比于天然地震来说较弱,传播距离有限,并且气枪信号经过一定距离的传播后,台站接收到的信号会很微弱,加之环境噪声的影响,信噪比变低,使得气枪信号的识别和提取变得     

地震雷达

利用绿色、环保的人工震源，主动向地下发射地震波，构建地震雷达，实现大范围的地下探测，是地球科学的一个前沿课题.最早，探测地球内部利用的是天然地震产生的地震波，这是因为天然地震释放的能量大，一次天然地震释放的能量相当于万吨级炸药.几千公里远处仍可以接收到信噪比大于1的地震波信号，但天然地震发生频度低和震源位置定位精度低限制了利用天然地震进行地下探测的精度；后来，利用人工源的地震勘探得到迅速的发展，探测精度明显提高，但受到人工源能量的限制，探测的空间尺度有限；今天，以小当量激发实现大尺度探测是发展地震雷达的一个关键问题，是将地震波理论和现代信息科学相结合的一个新的领域.发展人工震源的编码和接收信号的解码等理论和技术，可以从电磁波雷达在过去半个世纪所经过的道路得到许多借鉴和启发.可以预期，地震雷达的发展将会对观测地震学带来全面的影响.     

主动气枪震源波形数据的整理和归档模式研究

正地震波速度是反映地下介质物性的一个重要参数,由于应力与波速的相关性,因此波速变化的精确测量对于监测地下应力的变化、地下结构、地震预报等的研究具有重要意义。在目前监测地下波速变化的方法中,主动震源探测作为一种新型的、前沿的、精确可控的方法,在国内越来越多的省局进行了实际的推广应用。人工震源的方法是测量地下波速变化精度最高的方法,其中气枪震源具有低频、能量大、重复性高和绿色环保的优点,这些优点表明气枪震源是     

探索精密可控震源实现地震预报之路

正我国大陆破坏性地震多发生在深度为5—25 km的地壳层,对于地壳层物理参数的动态监测是实现地震预报的一个行之有效的方法。通过建立观测量与地震层介质参数的关系,实现对地震层物理参数的动态监测是地震预报的一种根本办法。近代地震学很早就提出,通过监测由地壳内部应力积累引起的地震波速变化来预报地震。天然地震和人工震源是人类探测地下结构的主要手段。人工震源克服了天然地震的时空分布不均匀、重复性差、震源位置不确定、信号源弱等缺陷,已成为"照亮"地下介质并且是地     

祁连山气枪主动震源浮台漂移钢索悬吊控制技术

针对地下介质动态变化监测研究中的信噪比、震源可重复性和波速精确测量等关键问题,利用大容量气枪作为主动震源,构建了一套高性能的主动源探测技术系统,该系统主要由气枪震源和信号接收部分组成。为了解决浮台偏离设定位置的问题 ,提出了浮台漂移控制技术。实验结果表明,该技术可以有效地解决气枪激发后浮台受到水流冲击作用而偏离设定位置的问题。本研究结果可为一定激发场地情况下的气枪主动震源重复探测工作所借鉴。     

二氧化碳相变技术应用于新型震源研发的可行性研究

为了研究二氧化碳物理相变技术应用于新型震源研发的可行性,在地下成层性较好的某煤田地震测区,开展了利用二氧化碳相变技术激发地震波的野外人工震源激发-接收实验．并与传统炸药震源进行了对比．地震数据利用Aries2.66型垂直分量反射地震仪和PDS-2型三分量地震仪接收．根据实测地震数据,从野外地震记录震相识别,初至波传播距离分析,震源近场地震信号时频分析,CO_2相变激发震源子波提取和基于CO_2震源子波的地震初至波波形反演实验等多个方面,进行了关于CO_2相变激发技术能否产生地震波信号以及能否将其应用于新型震源研发的可行性研究．研究结果表明CO_2物理相变膨胀能够产生能量集中的地震波信号;在实验区地质条件和激发参量下地震记录中初至波的可识别的传播距离约为1km;震源近场地震信号的主频集中在8～13Hz;利用震源近场数据提取了CO_2震源子波;通过地震初至波波形反演实验认为这种震源子波能够应用于波形反演等方面的研究．因为CO_2相变激发具有绿色、环保、安全等方面的优点,若能进一步在激发能量、激发—延迟时间一致性等方面加以改进,该技术有望在城市隐伏活动断层探测、城市地下空间探测、煤矿高瓦斯环境人工地震勘探等领域发挥重要的作用．     

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。     

祁连山气枪主动震源浮台漂移钢索悬吊控制技术

针对地下介质动态变化监测研究中的信噪比、震源可重复性和波速精确测量等关键问题,利用大容量气枪作为主动震源,构建了一套高性能的主动源探测技术系统,该系统主要由气枪震源和信号接收2部分组成。为了解决浮台偏离设定位置的问题,提出了浮台漂移控制技术。实验结果表明,该技术可以有效地解决气枪激发后浮台受到水流冲击作用而偏离设定位置的问题。本研究结果可为一定激发场地情况下的气枪主动震源重复探测工作所借鉴。     

陆地水体气枪震源探测技术回顾与进展

地下介质应力场的状态及其变化监测研究,可促进对地震物理过程的认识和理解.高精度波速测量为微弱的应力变化监测提供了可靠的技术手段,但高重复性的震源是研究地下介质微弱变化的关键.近十几年来的探索和实验表明,陆地水体气枪震源是一种较为理想的重复性人工震源,具有高度可重复、绿色环保和测量精度高等特点.本文对陆地水体气枪震源探测技术的发展历程进行了回顾,介绍和总结了陆地水体气枪震源技术的系统构成、性能特点及相关应用,主要包括在地震前后物理过程、断裂带介质变化和工业开采区生产监测等方面的进展,探讨了目前在推广应用中面临的问题及重点发展方向,为利用陆地水体气枪震源技术开展地下介质动态监测研究提供了佐证.     

S变换在气枪震源弱信号提取中的组合应用

正气枪主动震源能够持续、环保、精细监测地下介质结构的变化,对地震预测探索提供新的途径和方法。但气枪震源激发能量较低,传播一定距离后信号衰减会变得非常微弱,信噪比变低,有效信号难以识别,给进一步研究带来一定困难。但气枪震源和台站位置的不变性,使得持续激发的信号具有较高的相似性和很好的重复性。对台站记录的由震源重复激发的信     

含有限水体介质中地震波场数值模拟

准确模拟地震波在复杂介质中的传播过程,能够为分析主动源探测中获得的数据资料以及反演区域内部介质结构提供理论支持和依据。基于二维介质模型,利用有限差分法对地震波场传播过程进行数值模拟。结果表明,震源在不同介质中被激发后所产生的波场特征不同,有限水体的存在对波场传播有显著影响,随着水体水位的加深,激发产生的波场能量先增强后减弱,存在一个最佳水位深度,此时激发产生的波场能量最强。在有限水体一侧激发震源时,两侧等震中距台站的记录会有所差异,靠近陆地的一侧的波场能量更大,传播速度更快,且水平分量的差异相比垂直方向更明显。因此,可以通过数值模拟判断水库水位的最佳深度与震源的最佳沉放位置,为水库激发气枪震源实验提供理论依据。     

气枪震源在地球深部结构探测中的应用研究进展

介绍了气枪震源的发展历史、工作原理、激发参数、性能指标，及气枪震源的最新发展动态.由于气枪震源的优越性，使得气枪震源成为新兴的、环保的、绿色的人工震源，在地球物理学中得到迅速推广和广泛应用，如国外的LARSE和SIGHT计划，及国内的南海东北部海陆联合勘探计划，都是利用气枪震源进行深部地球物理探测的成功实例.通过对气枪震源的容积能量、激发频率、沉放深度等的分析和讨论，探讨气枪震源在地球深部结构探测中的进一步应用.