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.     

甘肃张掖M5.0地震前气枪信号走时变化研究

利用祁连山主动源观测系统记录的气枪激发信号资料,通过滤波、叠加、反褶积、互相关等处理,获得了观测系统各台站P波不同震相走时变化数据,发现2019年9月16日张掖M5.0地震前震源区附近台站存在一定的P波走时变化,表明震源区地下结构在震前存在应力状态的改变。     

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。     

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.     

气枪震源资料反褶积方法及处理流程研究

气枪震源具有极高的可重复性,可用于地下介质变化的监测。但不同工作条件下气枪震源产生的信号会存在细微差异,反褶积方法能在一定程度上消除由震源变化引起的记录信号变化。为了去除气枪震源子波信号,获取气枪源到台站之间的格林函数,通常需要选取一种恰当的方法对地震波形数据进行反褶积处理。频率域水准反褶积和时间域迭代反褶积是在接收函数等领域已被广泛使用的2种反褶积方法。本文以云南宾川主动源资料为例,对比了利用这2种方法处理气枪震源资料的效果,结果表明：在计算效率方面,频率域水准反褶积方法更具优势;在处理结果的信噪比方面,时间域迭代反褶积方法表现更好,P波初至也更清晰。此外,进一步讨论了在多炮资料的处理过程中反褶积和叠加等操作的顺序问题,最后提出了从气枪震源资料中提取气枪源到台站之间的格林函数的一般流程。     

甘肃祁连山主动源不同枪组激发效果对比

大容量气枪震源激发探测因具绿色环保、传播距离远和高度重复性等特点成为地下介质探测的新方法，利用其进行地下介质物性变化高精度探测，则对不同激发条件下气枪传播信号的一致性提出要求。本文选取了祁连山主动源不同枪组（4支和3支气枪）在激发环境一致情况下分别激发时各远台波形记录，通过信号叠加、互相关及频谱分析等方法，对比分析了各台站记录的不同枪组激发信号，及其与震中距的关系，并讨论了不同枪组激发对地下介质走时变化观测的影响。结果表明：（1）不同枪组的激发信号波形相关度随震中距增大而降低，信号震相随激发能量有微弱的变化，震中距超过50 km后其变化几乎分辨不出；（2）远台接收信号的能量大小随主动源激发能量变化，各台站能量变化主要体现在优势频率范围内；（3）接收台站台基越坚固不同激发能量均方根振幅比越小；（4）叠加一定数量的波形可以有效提高远台记录信号的信噪比，增加气枪激发能量则相对更容易提高信号信噪比。     

基于长江安徽段气枪主动源实验庐江台阵的台站对双差地震速度成像

针对气枪主动源监测中相位加权叠加数据绝对到时拾取可能存在较大误差的问题,提出基于台站之间叠加信号波形的相似性,利用台站对波形的互相关得到更准确到时差的策略。在此基础上,将台站对双差地震速度成像方法直接用于台站对到时差数据,以确定地下介质的速度异常。本文利用长江安徽段气枪实验在庐江临时地震台阵接收到的数据进行了测试,发现基于波形互相关得到的到时差数据比绝对到时数据更准确。最后,采用台站对双差地震成像的方法,得到了庐江台阵覆盖区域的地壳三维速度异常模型,继而确定了该地区较大尺度的地下结构分布。     

气枪震源资料反褶积方法及处理流程研究

不同工作条件下气枪震源产生的信号会存在细微差异,反褶积方法能在一定程度上消除由震源变化引起的记录信号变化。为了去除气枪震源子波信号,获取气枪源到台站之间的格林函数,通常需要选取一种恰当的方法对地震波形数据进行反褶积处理。频率域水准反褶积和时间域迭代反褶积是在接收函数等领域已被广泛使用的2种反褶积方法。本文以云南宾川主动源资料为例,对比了利用这2种方法处理气枪震源信号的效果,结果表明,在计算效率方面,频率域水准反褶积方法更具优势;在处理结果的信噪比方面,时间域迭代反褶积方法表现更好,P波初至也更清晰。此外,进一步讨论了在多炮资料的处理过程中反褶积和叠加等操作的顺序问题,最后提出了从气枪震源资料中提取气枪源到台站之间的格林函数的一般流程。     

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。     

基于水库气枪震源数据的频域水准比例因子反褶积方法分析

基于2016年福建南一水库气枪实验资料,利用频率域水准因子反褶积方法和互相关时延检测技术,研究水准比例因子及台站的背景噪声水平对反褶积计算结果的影响,并对反褶积法消除不同枪压引起的震源影响效果进行分析。结果表明:(1)水准比例因子越小,反褶积计算后的波形信噪比越小,当水准比例因子取值过小时,走时识别误差较大;(2)台站气枪记录的信噪比越大,走时识别精度越高,参考台记录的信噪比对结果的影响远大于远场台,当远场台记录的信噪比大于10时,走时误差一般小于6ms,而当参考台记录的信噪比为30左右时,走时误差可能达到20ms;(3)气枪震源差异较大时,频域水准反褶积方法去除震源效应的效果较好,而在震源差异较小时,可能引入方法误差。     

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。     

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。     

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     

气枪震源波形走时变化分析的反褶积处理

利用云南省宾川主动源基地周边10 km范围内7个流动台站2017年2月气枪震源集中激发时段记录的气枪信号,使用干涉法计算了直接使用波形和将波形与参考台反褶积后的格林函数两种处理方法下气枪信号的走时变化。使用了气枪震源附近不同方位角的两个参考台的数据,以分析不同参考台对走时变化结果的影响。结果表明:反褶积能较为有效的压制气枪震源的时间、空间和频谱轻微不重复性导致的走时变化;反褶积能降低一些来源不明的伪走时变化;使用CKT2的数据反褶积的结果略优于CKT0,其可能原因是气枪阵列沿方位角的非均匀辐射。     

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.      

用于龙门山断裂南段深部介质探测的精密可控震源

汶川地震后在龙门山断裂带南段建立了精密可控震源发射台,结合布设的28套流动地震仪的信号记录,尝试监测地下介质的动态应力变化。为了提取记录中的主动源发射的信号,本文采用了匹配滤波方法来实现弱信噪比条件下的信号检测并进行了波形变换。在提取出每个周期的主动源信号后,利用信号叠加,分别获得了1、5、10天时间的波形,有效地提高了记录波形的信噪比。然后通过互相关检测精确得出地震波的走时变化,并分析了计算误差。最后,针对实验期间发生的绵竹M_S5.6地震进行分析,获得了地震前后的走时剖面和信号变化,结果表明,距离较远的龙门山断裂北段地震未能对南段实验区域的地下介质波速产生影响。     

气枪信号触发台站的自动快速识别

气枪震源是高度可重复的人工震源,在深部探测工作中应用广泛。以福建省地震局组织开展的水库气枪实验为研究对象,面向未来技术的发展,提出基于气枪激发波形的相关性计算,自动获取气枪信号触发台站情况,并绘制触发台站的分布图。对处理结果分析认为:该方法能快速准确识别触发台站,可迅速作出分布图,直观地反应气枪激发效果,较好地为实验现场实验条件的调整提供依据。     

利用大容量气枪震源资料研究北天山地区介质衰减特征

利用人工震源(大容量气枪)数据资料对北天山地区的气枪信号振幅随距离衰减关系和介质的衰减特征进行了研究。选取北天山地区新疆数字地震台网的8个固定台站记录到的气枪震源信号,计算气枪主频2~6 Hz之间的叠加后信号的振幅谱值的均方根,用均方根值代表气枪信号传播到该台站处的振幅值,并对得到的均方根值进行拟合,得出当频率为3.8 Hz时研究区域P波和S波品质因子分别为QP=(464±70),QS=(653±46)。用同样方法计算气枪震源附近发生的一个天然地震的信号,得出当频率为4.2 Hz时QP=(226±40),QS=(484±34)。以上测量结果与前人利用不同范围天然地震得到的结果类似,表明人工震源资料可以用于介质衰减特征研究,相关研究为长时间监测地球介质衰减特征随时间变化提供了基础。     

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。