楊微， 王寶善， 張云鵬， 王偉濤

1 中國地震局地球物理研究所， 北京 100081 2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院， 合肥 230026

0 引言

地震給人類社會帶來了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，同時產(chǎn)生的地震波攜帶了豐富的地球內(nèi)部信息，為人們利用地震波信息對地球靜態(tài)結(jié)構(gòu)進行描繪提供了重要的技術(shù)手段.地震是地下介質(zhì)應(yīng)力積累和釋放的物理過程，由于其發(fā)生的時間和地點不可控，且發(fā)生過程復(fù)雜等特征，導(dǎo)致對地震孕育和發(fā)生機理的認(rèn)識和理解有待提升.科學(xué)家們多通過探測地球內(nèi)部物理場的變化來分析和研究地震的物理過程，其中對地下介質(zhì)應(yīng)力場進行連續(xù)監(jiān)測是一種可行的途徑(王寶善等，2011).但由于地球的不可入性，對孕震深度層介質(zhì)應(yīng)力變化的探測能力有限.在地球內(nèi)部應(yīng)力場的各種探測手段中，地震波作為“照亮地球內(nèi)部的一盞明燈”，能夠穿透地球內(nèi)部(陳颙和朱日祥，2005).在地震波的信息參數(shù)中，地震波速度是測量精度最高、最可靠的參數(shù)，測量方法相對成熟，且大量的實驗室實驗均表明巖石的波速會隨應(yīng)力變化而發(fā)生變化(如 Birch, 1960; Nur, 1971).因此，可將連續(xù)精確測量波速變化作為“應(yīng)力計”，來反應(yīng)地下介質(zhì)應(yīng)力場的狀態(tài)及變化.

在地表測量地下介質(zhì)的波速變化非常微弱，高精度的重復(fù)測量是實現(xiàn)介質(zhì)變化監(jiān)測研究的關(guān)鍵因素之一.目前，利用重復(fù)性震源開展地下介質(zhì)波速變化研究的方法主要有重復(fù)地震(Poupinet et al., 1984; Nadeau et al., 1994; Song and Richards, 1996; Schaff and Richards, 2004; Schaff and Beroza, 2004; Peng and Ben-Zion, 2006; Li et al., 2006, 2007)，背景噪聲(Brenguier et al., 2008; Cheng et al., 2010; Takagi et al., 2012; Liu et al., 2014; Mao et al., 2019; Pei et al., 2019)和人工震源(Leary et al., 1979; Karageorgi et al., 1992; Furumoto et al., 2001; Yamaoka et al., 2001; Yamamura et al., 2003; Ikuta et al., 2002; Ikuta and Yamaoka, 2004; Silver et al., 2007; Niu et al., 2008; 楊微等, 2010; Yang et al., 2018; 張元生等, 2017; Tsuji et al., 2018; Wang et al., 2008, 2020)等.與天然地震和背景噪聲等天然源相比，人工震源具有準(zhǔn)確的激發(fā)時間、地點和震源特性可測等優(yōu)點(陳颙等，2007a，2017；Wang et al., 2012)，可實現(xiàn)高精度測量地震波的速度變化來研究地球介質(zhì)的變化過程.因此，需要尋找一種高度可重復(fù)且具有綠色環(huán)保的人工震源來開展相關(guān)研究.

在20世紀(jì)70年代，Reasenberg和Aki(1974)就提出了利用人工重復(fù)震源來測量地下介質(zhì)的波速變化，由于當(dāng)時相關(guān)技術(shù)的限制導(dǎo)致探測精度不高(McEvilly et al., 1974; Kanamori and Fuis, 1976).但隨著電子科技和地震觀測技術(shù)的發(fā)展，近些年來國內(nèi)外科研人員在人工震源重復(fù)探測方面進行了有益的嘗試，并取得了一些進展及成果，分別利用氣槍(Reasenberg and Aki, 1974; Leary et al., 1979; 張元生等，2017；Yang et al.，2018; Wang et al., 2020)，壓電陶瓷(Yukutake et al., 1988; Yamamura et al., 2003; Silver et al., 2007; Niu et al., 2008)，重復(fù)爆破(Furumoto et al., 2001; Li et al., 2007)，ACROSS(Yamaoka et al., 2001；Ikuta et al., 2002; Ikuta and Yamaoka, 2004；Saiga et al., 2006；楊微等，2010)，落錘(Wang et al., 2008；王偉濤等，2009)等人工震源觀測到了相關(guān)的波速變化，但大多數(shù)人工震源重復(fù)探測的距離小于1 km，監(jiān)測到的波速變化主要是淺地表介質(zhì)的變化.而大陸地震主要都發(fā)生在10～30 km的深度，觀測到的淺地表變化不能準(zhǔn)確地反應(yīng)孕震深度層介質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)及變化，需要進一步尋找具有傳播距離遠(yuǎn)的高性能大功率人工震源.

2000年后，在陳颙院士的倡議下，中國地震局與中國科學(xué)院、中國石油集團和中國石油化工集團等相關(guān)單位對系列人工震源進行了大量的探索實驗(王寶善等，2016；王偉濤等，2017；陳颙等, 2017).通過與其他類型的人工震源相比，大容量氣槍震源有能量大、頻率低、高度可重復(fù)、近場破壞小等優(yōu)點(陳颙等，2007a；Chen et al., 2008)，尤其氣槍震源信號的高度可重復(fù)是其區(qū)別于其他人工震源的重要特征，其可重復(fù)性可高達99.5%(林建民等，2008)，通過多次疊加后可在幾百公里外檢測到清晰的氣槍信號，為針對孕震深度上介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)及變化監(jiān)測研究提供了一條有效的技術(shù)路線(Wang et al., 2012).

1 氣槍震源的發(fā)展歷程

氣槍震源是由美國Bolt公司的Stephen Chelminski在1964年發(fā)明的(陳浩林等，2008).氣槍震源產(chǎn)生振動的原理是高壓空氣在水里瞬間釋放的過程中，會激發(fā)兩組波(圖1).一組是高壓空氣對水體的瞬間沖擊產(chǎn)生的壓力脈沖波，信號頻帶較寬，優(yōu)勢頻率一般為幾十赫茲；另外一組是在后期高壓空氣形成氣泡及氣泡上升過程中，氣泡往復(fù)收縮和膨脹產(chǎn)生氣泡振蕩波，信號主頻表現(xiàn)為幾赫茲.根據(jù)氣槍信號產(chǎn)生的原理及特征，氣槍震源的發(fā)展到目前為止共經(jīng)歷了三個階段.

圖1 單支容量為2000 in3氣槍震源的近場記錄波形(1 in3=16.39 cm3)Fig.1 The waveform recorded at near field for airgun source with the capacity of 2000 in3

(1)20世紀(jì)60—70年代，氣槍震源的萌芽起步.

在該時期以Bolt公司的PAR(pneumatic acoustic repeater)氣槍為典型代表.氣槍震源均以單支氣槍為主，為了提升氣槍激發(fā)的能量，會同時增加氣槍的容量和激發(fā)壓力，其中激發(fā)壓力增加到高達5000 psi(pound per square inch，1 psi=6.8948 kPa，周寶華和劉威北，1998).但氣槍激發(fā)壓力越高，壓力脈沖波受氣泡震蕩的干擾也越強，不利于后期的數(shù)據(jù)處理.

另外，單支高壓氣槍也存在安全性和故障率高的問題(陳浩林等，2008)，使得氣槍震源的應(yīng)用在早期受到一些限制.Ziolkowski(1970)和Schulze-Gattermann(1972)等在20世紀(jì)70年代初，提出了氣泡振蕩的衰減方式、振蕩周期和振蕩模型理論，為后期氣槍震源的快速發(fā)展和應(yīng)用奠定了重要的理論基礎(chǔ).

(2)20世紀(jì)80—90年代，氣槍震源產(chǎn)品工業(yè)化及在海洋中的應(yīng)用.

美國Bolt公司的氣槍專利在1983年失效后，美國西方地球物理公司設(shè)計出了LRS-6000型氣槍(陳浩林等，2008).為了提升激發(fā)的可靠性、能量和頻帶范圍等，且符合健康、安全與環(huán)境管理體系(Health Safety and Enviromen Management System，HSE)的要求，美國西方地球物理公司的E.R.Harrison研制出2000 psi的套筒(Sleeve)槍(Krail, 2010)，具有較好的同步性和可靠性等特點，成為20世紀(jì)80年代的主流氣槍(周寶華和劉威北，1998).

1989年，美國地震震源系統(tǒng)公司的Pascouet研制了G和GI槍(Krail, 2010)，隨后被法國CGG的Sercel公司收購.美國Bolt公司為了奪回氣槍的領(lǐng)先地位和市場，在1991年研制出了長壽命氣槍(Long Life Airgun)，機械部件可達50萬次激發(fā)，并占領(lǐng)全球70%的市場(周寶華和劉威北，1998)，成為20世紀(jì)90年代的主流氣槍.

1996年，美國西方地球物理公司的勘探產(chǎn)業(yè)事業(yè)部被美國ION地球物理公司收購，隨后套筒槍因在能量和操作等方面的因素逐漸被市場所淘汰.1999年，美國Bolt公司研制出APG槍(Annular Port Airgun)，具有更長的工作壽命和適合在水中拖拽等特點(陳浩林等，2008).2014年，美國Bolt公司被美國Teledyne公司收購，更名為Teledyne Bolt公司.氣槍震源在生產(chǎn)和制造方面逐漸形成以美國Teledyne Bolt公司和法國CGG的Sercel公司瓜分全球市場的局面.

在海洋油氣和礦產(chǎn)資源探查中，為了突出氣槍震源壓力脈沖波的高頻特點，以氣泡衰減和振蕩模型為基礎(chǔ)，建立了無限水體中的氣槍陣列理論模型，通過多支不同容積的氣槍進行組合激發(fā)，壓制氣泡振蕩波，同時能提高壓力脈沖波的能量和頻率.氣槍震源在海上油氣勘探方面取得了巨大的進步(Lutter et al.，1999；Okaya et al.，2002；Fuis et al.，2003)，且隨著地震勘探精度的提高，在海洋勘探上氣槍震源陣列組合的頻帶范圍為幾十赫茲到150 Hz.

另外，地震波在地下介質(zhì)的傳播過程中高頻信號易衰減，低頻信號能量衰減相對較慢.Avedik等(1993)結(jié)合氣槍震源激發(fā)產(chǎn)生的氣泡振蕩波和地震波信號的傳播衰減特征，提出了利用氣泡振蕩波作為震源信號來開展海洋地殼結(jié)構(gòu)的深地震探測，結(jié)果表明通過壓制氣槍激發(fā)產(chǎn)生的壓力脈沖波，增強氣泡振蕩波的方式可以獲得足夠的低頻能量來探測海洋地殼結(jié)構(gòu)，傳播距離可達到幾百公里，為海域和海陸聯(lián)合探測地殼結(jié)構(gòu)提供了一條新的技術(shù)路線，氣槍震源的應(yīng)用得到了進一步的拓展(Qiu et al.，2001；趙明輝等，2004；Calvert，2004；McIntosh et al.，2005；Melhuish et al.，2005).

(3)21世紀(jì)初—至今，氣槍震源在陸地有限水體中的發(fā)展和應(yīng)用.

2000年前，氣槍震源主要應(yīng)用于海上，而具有低頻優(yōu)勢的氣泡振蕩波在傳播過程中呈現(xiàn)出高度可重復(fù)和傳播距離遠(yuǎn)等特征未得到很好的利用.為了發(fā)揮大容量氣槍震源低頻振蕩波的優(yōu)點來探測在孕震深度層介質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)及變化，以分析和研究地震孕育和發(fā)生的物理過程，中國地震局嘗試將氣槍震源激發(fā)技術(shù)移植到陸地有限水體中(陳颙等，2007b)，其研究的對象主要是大陸，氣槍震源上陸遇到的第一個問題就是現(xiàn)有的海洋探測系統(tǒng)不適用.另外，與海洋相比，陸地激發(fā)環(huán)境都是有限水體，且為了實現(xiàn)氣泡振蕩波的遠(yuǎn)距離探測，需要使用大容量氣槍陣列.2006年，在中國石油集團公司和中國科學(xué)院南海海洋研究所等相關(guān)單位的幫助下，在河北上關(guān)湖水庫進行了一次嘗試性的激發(fā)實驗，氣槍震源的高度可重復(fù)性和遠(yuǎn)距離探測能力為實現(xiàn)地下介質(zhì)動態(tài)監(jiān)測帶來了可能(陳颙等，2007a).

氣槍震源在陸地水庫、人工水體、湖泊和公園水體等環(huán)境中經(jīng)過多次現(xiàn)場測試和改進(Wang et al., 2010；楊微等，2013；陳颙等, 2017)，探測技術(shù)系統(tǒng)得到了優(yōu)化和完善，逐漸趨于成熟，形成了一整套陸地水體氣槍震源重復(fù)探測技術(shù)系統(tǒng)，并開始探索利用氣槍震源圍繞板內(nèi)陸地和人類活動開展地下介質(zhì)變化監(jiān)測研究.2011年，在云南省賓川縣大營甸水庫建立了世界上第一個地震信號發(fā)射臺(Wang et al., 2012).全球的地震臺是用來接收地震波的，而賓川地震信號發(fā)射臺是主動往外發(fā)射地震波.為了降低激發(fā)水位變化的影響，進一步提升氣槍震源的重復(fù)性，2013年在新疆呼圖壁縣建立了第一個人工水體氣槍信號發(fā)射臺(魏斌等，2016).隨后在甘肅省張掖市(張元生等，2016)和永靖縣(郭曉等，2020)也分別建立地震信號發(fā)射臺.近些年來，陸地水體氣槍震源探測技術(shù)逐漸被應(yīng)用于地下介質(zhì)變化監(jiān)測及其相關(guān)探測研究，并取得了系列成果(陳颙等, 2017；Wang et al., 2018；She et al., 2018；Tian et al., 2018；Yang et al., 2018；Wang et al., 2020；Zhang et al., 2020a, 2020b；Ji et al., 2021).

為了服務(wù)于地震危險區(qū)和工業(yè)開采區(qū)等地下介質(zhì)變化監(jiān)測研究，在固定氣槍信號發(fā)射臺技術(shù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上(楊微等，2013)，對硬件技術(shù)系統(tǒng)進行了功能性分析和模塊化集成，研制了井中和移動式氣槍震源系統(tǒng)，并在地震斷裂帶和礦產(chǎn)資源區(qū)進行了應(yīng)用(楊微等，2016；Yang et al., 2018；Zhang et al., 2020a).井中氣槍(BHS-2200LL)激發(fā)受水體大小的影響明顯，在直徑0.2 m的井中受井壁的約束氣泡無法形成振蕩，產(chǎn)生的信號主要是高頻的壓力脈沖波，與在直徑5.0 m的井中相比，激發(fā)幅值上相差1個數(shù)量級，但具有較好的可重復(fù)性(楊微等，2016).移動系統(tǒng)采用容積為250 in3的氣槍，降低了對大水體的依賴，可以在公園水體、河流、湖泊等環(huán)境實現(xiàn)快速移動激發(fā).針對多尺度的探測需求形成了不同的探測技術(shù)系統(tǒng)，可在地震斷裂帶、工業(yè)開采區(qū)等地快速部署和開展監(jiān)測，進一步擴展了陸地氣槍震源的應(yīng)用范圍.

2 陸地水體氣槍震源探測系統(tǒng)構(gòu)成

陸地水體氣槍震源探測系統(tǒng)由氣槍震源激發(fā)系統(tǒng)和氣槍信號接收系統(tǒng)兩部分組成，其中氣槍震源激發(fā)系統(tǒng)包含氣源系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、氣槍、激發(fā)平臺和激發(fā)水體(見表1).氣源系統(tǒng)由空氣壓縮機、儲氣瓶和氣控系統(tǒng)組成，主要為氣槍震源提供高壓空氣，保證氣槍在正常工作壓力下激發(fā)，由于氣槍的工作壓力為200～2000 psi，考慮到氣槍震源的激發(fā)能效，氣源系統(tǒng)的供氣壓力不低于2000 psi.電控系統(tǒng)控制氣槍的激發(fā)模式、同步觸發(fā)信號的精度和監(jiān)控激發(fā)波形質(zhì)量等.為了保證氣槍震源的激發(fā)信號具有良好的可重復(fù)性，在氣源系統(tǒng)上要求控制精度為0.1 MPa，在電控系統(tǒng)上要求激發(fā)精度為0.1 ms.

陸地氣槍信號接收系統(tǒng)主要是采集、存儲和傳輸?shù)卣鹦盘栍涗?，由高性能的地震儀和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備等組成.為了保證探測系統(tǒng)的相對測量精度能達到10-4，一方面要求地震儀GPS的授時精度優(yōu)于10-5s，以確保在探測距離較近的射線路徑上也可到達測量精度要求.另一方面，地震儀的GPS對鐘周期一般為15 min左右，這就要求地震儀的守時精度優(yōu)于0.1 ppm.另外，表1給出了陸地水體氣槍震源探測系統(tǒng)相關(guān)設(shè)施的主要作用和關(guān)鍵技術(shù)要求等.

表1 陸地水體氣槍震源探測系統(tǒng)構(gòu)成及技術(shù)要求Table 1 The composition and technical requirements of the detection technology using airgun in continental water

與海洋探測系統(tǒng)相比，陸地水體氣槍震源激發(fā)系統(tǒng)采用的氣槍陣列不同，還在激發(fā)平臺和激發(fā)水體等存在差異.海洋探測系統(tǒng)的激發(fā)平臺是海上作業(yè)船，激發(fā)水體是可近似無限大的海洋，而陸地探測系統(tǒng)分別是浮臺和陸上有限水體.海洋和陸地探測系統(tǒng)在信號接收方面，由于接收介質(zhì)的差異分別采用水聽器和地震儀來記錄氣槍信號.

3 陸地水體氣槍震源探測技術(shù)特點

3.1 綠色環(huán)保

氣槍震源產(chǎn)生地震波的能量來自于高壓壓縮空氣在水中的瞬間釋放，其綠色環(huán)保特征表現(xiàn)如下：

(1)高壓壓縮空氣在進入氣槍前，對壓縮過程中產(chǎn)生的油污進行了過濾，不會對水體造成污染.

(2)高壓壓縮空氣在水中釋放，對水體和震源近場不會產(chǎn)生破壞.

(3)在多個陸地水體中進行長時間激發(fā)，未發(fā)現(xiàn)氣槍激發(fā)對水中的魚類產(chǎn)生影響(表2).例如，在北京馬刨泉激發(fā)實驗中，將20斤魚放進漁網(wǎng)里也未見傷亡(Wang et al., 2010).

(4)在陸地水體不同激發(fā)環(huán)境中，多種不同組合容量的氣槍激發(fā)在100 m處的峰值加速度均小于0.5 m·s-2(表2)，對水庫大壩的結(jié)構(gòu)安全和周圍環(huán)境也不會產(chǎn)生影響(陳颙等，2007a；Wang et al., 2010；張元生等，2016).

表2 陸地水體氣槍震源激發(fā)實驗情況Table 2 Experiment of airgun source excited in continental water

3.2 良好可重復(fù)性

震源的高度可重復(fù)是開展地下介質(zhì)變化監(jiān)測的關(guān)鍵，決定能否在同一探測基線上進行重復(fù)多次探測，將探測結(jié)果進行對比分析以實現(xiàn)變化監(jiān)測.這就要求探測基線上的激發(fā)點和接收點位置不變，且震源具有可重復(fù)性.首先，與其他人工震源相比，氣槍震源是在水里激發(fā)，不會對激發(fā)點近場環(huán)境產(chǎn)生破壞，每次激發(fā)后經(jīng)過一段時間均可恢復(fù)到激發(fā)前的狀態(tài)，激發(fā)點和接收點位置均不變.其次，氣槍震源具有高度可重復(fù)特征(陳颙等，2007a；王彬等，2015；魏斌等，2016；張元生等，2016；.陳颙等,2017；Yang et al., 2018；Wang et al., 2018, 2020).在多個陸地水體的氣槍激發(fā)實驗中，對同一地點激發(fā)的氣槍信號可進行重復(fù)性分析(表2)，在不同水體里激發(fā)的氣槍信號的重復(fù)性存在著一些微弱的差別，但其相關(guān)系數(shù)均大于0.94.另外，氣槍震源通過優(yōu)化硬件技術(shù)系統(tǒng)和對震源信號采用反褶積處理可進一步提高氣槍震源的重復(fù)性(楊微等，2020).

3.3 大尺度探測

陸地水體氣槍震源單次激發(fā)的能量不強，信號傳播到較遠(yuǎn)距離時常常淹沒在噪聲中，但由于其具有高度可重復(fù)的特征，當(dāng)氣槍激發(fā)點與信號接收點的位置不變時，可以對每次氣槍激發(fā)在同一信號接收點產(chǎn)生的記錄進行疊加，以提高氣槍信號的信噪比，有效信號可追蹤到幾百公里，甚至上千公里(圖2).在信號接收條件較好和噪聲較為安靜的臺站，氣槍信號單次激發(fā)也可傳播上百公里，例如，云南賓川氣槍信號發(fā)射臺單次激發(fā)信號可傳播到112 km的大栗樹臺站(Wang et al., 2012)，甘肅張掖氣槍信號發(fā)射臺單次激發(fā)信號可傳播到304 km的古浪臺(秦滿忠等，2017).

圖2 新疆呼圖壁氣槍信號100次疊加(a)和5000次疊加(b)的走時剖面(改自陳颙等, 2017)Fig.2 The travel time profile of airgun signal with stack of 100 times (a) and 5000 times (b) in Hutubi, Xinjiang (Modified from Chen et al., 2017)

3.4 高測量精度

對于固定傳播路徑的地震波波速變化測量，通常采用波形互相關(guān)的方法獲得地震波走時變化信息，其互相關(guān)延時估計理論誤差通常用克拉美-羅下限(Cramer-Rao Lower Bound)來估算(Céspedes et al., 1995; Silver et al., 2007；Niu et al., 2008；Wang et al., 2012).走時變化誤差不受采樣率的影響，主要取決于信號特征，包括信號的重復(fù)性、優(yōu)勢頻率、信噪比和頻寬比等.根據(jù)大容量氣槍震源信號特征，在信噪比較高(SNR≥20)的情況下，相對走時變化測量精度約為10-4～10-3.在河北遵化上關(guān)湖水庫、云南賓川大營甸水庫、新疆呼圖壁人工水體和甘肅張掖西流水水庫等水體中開展的大容量氣槍震源激發(fā)實驗，均觀測到了由大氣壓或固體潮等引起的日變化和半日變化(表2).例如，在云南賓川氣槍信號發(fā)射臺同時觀測到了氣槍信號直達P波和S波的走時變化(圖3)，具有較好的日變化和半日變化特征(Wang et al., 2020).

圖3 臺站53034(偏移距為4.7 km)觀測到的云南賓川氣槍信號P波(a)和S波(b)走時隨時間的變化關(guān)系及其頻譜特征(c)(改自Wang et al., 2020)Fig.3 The direct P wave (a) and S wave (b) of airgun signal change with time observed at station 53034 (offset is 4.7 km) in Binchuan, Yunnan Province, and their spectrum characteristics (c) (Modified from Wang et al., 2020)

4 應(yīng)用研究進展

由于地下介質(zhì)變化非常微弱，且在地表觀測受信噪比、環(huán)境(地下水位、溫度、大氣壓)等因素的影響，導(dǎo)致在地表開展變化監(jiān)測結(jié)果可靠性有待提升.而在地震孕育和發(fā)生區(qū)、斷裂帶區(qū)域和工業(yè)開采區(qū)等地下介質(zhì)的應(yīng)力變化較大，相對容易被觀測到(Ikuta and Yamaoka, 2004；Niu et al., 2008； 楊微等，2010；張元生等，2017；Yang et al., 2018；Wang et al., 2020)，可用于波速變化機理的分析和研究.目前，陸地水體氣槍震源探測技術(shù)主要應(yīng)用于地震前后物理過程、斷裂帶介質(zhì)變化和儲氣庫生產(chǎn)運行等方面的監(jiān)測研究.

4.1 地震前后物理過程研究

在20世紀(jì)70年代，Reasenberg和Aki(1974)提出了可以用人工震源重復(fù)探測地下介質(zhì)的狀態(tài)變化以探索和實現(xiàn)地震預(yù)報的想法，但是需要尋找一種高性能的重復(fù)震源能持續(xù)向地下發(fā)射地震波.近來大量的研究表明，地下介質(zhì)的波速會在地震前后發(fā)生明顯的變化(Niu et al., 2008; Brenguier et al., 2008; 楊微等, 2010; Li et al., 2017; Pei et al., 2019)，這些波速變化能很好地反應(yīng)地下介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)的改變.

陸地氣槍震源的傳播距離通過疊加可達幾百公里，可對地下深部介質(zhì)進行多次重復(fù)探測，分析孕震深度層介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)及其隨時間的變化，以促進對地震孕育和發(fā)生的物理過程進行研究，為分析和了解地下孕震區(qū)的介質(zhì)變化過程研究提供科學(xué)的物理信息.2010、2014和2015年分別在地震活動性較強的云南賓川(Wang et al., 2012)、新疆呼圖壁(魏斌等，2016)和甘肅祁連山(張元生等，2016)等地區(qū)建立了固定氣槍信號發(fā)射臺，間隔激發(fā)向外發(fā)射地震波信號.

在各個固定氣槍信號發(fā)射臺運行期間，氣槍信號的覆蓋區(qū)域內(nèi)都發(fā)生過MS5-6級的中強地震(魏蕓蕓等，2016；張元生等，2017；陳佳等，2017；劉志國等，2019；楊建文等，2019)，均發(fā)現(xiàn)在地震前，震中附近臺站觀測到的走時變化比距離震中較遠(yuǎn)臺站的變化大，較遠(yuǎn)多個臺站的走時變化趨勢一致，且震中附近臺站觀測到的走時變化幅度明顯大于離震中較遠(yuǎn)的臺站.例如，張元生等(2017)對地震前后的Pg和Sg震相走時變化進行分析，在震源區(qū)臺站觀測到明顯的變化，且變化具有一致性，明顯大于遠(yuǎn)震區(qū)臺站的變化量(圖4)，而在此期間其他地球物理技術(shù)手段未觀測到變化.隨著觀測資料的積累和震例的增加，對地震的孕育過程會逐步認(rèn)識和了解，陸地水體氣槍震源探測技術(shù)為地震物理預(yù)測提供了一種可能的技術(shù)途徑.

圖4 (a)甘肅張掖氣槍信號發(fā)射臺、觀測臺站及地震震中分布圖； (b)和(c)分別為遠(yuǎn)離地震區(qū)臺站ZDY14和ZDY17觀測到的Pg(圓點)和Sg(三角形)走時變化圖； (d)和(e)分別為近震區(qū)臺站63001和QIL觀測到的Pg(圓點)和Sg(三角形)走時變化圖(改自張元生等，2017)Fig.4 (a) Location of airgun signal transmitting seismic station in Zhangye Gansu, observation seismic station and the earthquake epicenter. (b) and (c) are the travel time variation with Pg (dot) and Sg (triangle) of airgun signal observed at stations ZDY14 and ZDY17 far away from the epicenter, respectively. (d) and (e) are the travel time variation with Pg (dot) and Sg (triangle) of airgun signal observed at stations 63001 and QIL near the epicenter, respectively (Modified from Zhang et al., 2017)

4.2 斷裂帶介質(zhì)變化研究

在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的作用下，地球介質(zhì)會產(chǎn)生應(yīng)力積累并發(fā)生變形.而斷裂帶是地球介質(zhì)中相對薄弱的地區(qū)，在這些地區(qū)更容易產(chǎn)生應(yīng)力積累而產(chǎn)生地震.斷裂帶應(yīng)力的變化在整個地震孕育和發(fā)生的過程中起著至關(guān)重要的作用(如Scholz, 2002).因此研究斷裂帶應(yīng)力狀態(tài)及其變化對于認(rèn)識構(gòu)造演化，以及地震的孕育發(fā)生過程至關(guān)重要.

川滇地區(qū)為我國長期以來的地震重點監(jiān)視區(qū)之一，其中程海斷裂帶和小江斷裂帶等是主要的活動斷裂帶，受青藏高原東向擠出作用的影響，該區(qū)域小震震群活動頻繁.程海斷裂帶是賓川盆地的主控斷裂帶，發(fā)育于賓川盆地的東側(cè)，是一條正斷層，在歷史上曾發(fā)生過1515年73/4級永勝大地震，2001年在永勝段發(fā)生6.0級地震.小江斷裂帶位于川滇菱形地塊東南緣，北起云南省巧家縣，南至云南省建水縣，呈SN走向，在東川以南分為東、西兩支(錢曉東和秦嘉政，2008).現(xiàn)代活動方式主要以左旋走滑為主，是一個地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜的區(qū)域，曾發(fā)生過6.0級以上中強地震10多次，其中最大地震為1833年嵩明8.0級(劉翔等，2006).因此，針對潛在地震危險區(qū)的斷裂帶，利用陸地水體氣槍震源探測技術(shù)開展介質(zhì)變化研究具有非常重要的意義.

基于賓川氣槍信號發(fā)射臺，在2012年11月2日至2012年11月9日期間連續(xù)163 h進行了氣槍震源激發(fā)，共激發(fā)138次.Wang等(2020)把氣槍震源激發(fā)產(chǎn)生的P波和S波的波速進行了測量和分析，在多個臺站上發(fā)現(xiàn)兩者都具有日變化和半日變化特征(圖5).通過與常見的日變化因素(溫度、大氣壓和固體潮等)對比分析，解釋為溫度變化導(dǎo)致熱應(yīng)變引起的波速變化.同時，還發(fā)現(xiàn)在斷裂帶附近或盆地里臺站觀測到的變化要比山區(qū)的大，P波都比S波要大(圖5).根據(jù)巖石物理的裂紋模型，巖石在受壓或受張之后，裂隙的孔隙度會發(fā)生變化，孔隙里會含水，孔隙度變了之后飽和度也會有變化.而山區(qū)相對盆地來說比較干燥，只會受孔隙度的影響.因此，孔隙度和飽和度的共同作用導(dǎo)致在斷裂帶附近或盆地里臺站觀測到的變化大，且P波和S波的表現(xiàn)不一樣.

另外，在深度50 m和直徑0.2 m的井中，利用井中氣槍跨小江斷裂帶南段東支(云南省尋甸縣)建立了氣槍信號激發(fā)點，與地面近垂直跨斷裂帶的測線上布設(shè)了9套短周期地震儀，組成了跨斷裂帶的重復(fù)探測系統(tǒng)(圖6a).2014年4月23日至2014年4月28日期間，對井中氣槍震源進行連續(xù)激發(fā)(每30 min激發(fā)1次).Yang等(2018)對直達初至波進行了測量和分析，圖6b中顯示在多個臺站觀測到的地震波走時變化趨勢一致，且斷裂帶內(nèi)波速變化明顯高于斷裂帶外，發(fā)現(xiàn)與地下水位變化趨勢具有較好的相關(guān)性(圖6c和d)，推測觀測到的波速變化是源于水位變化引起的孔隙壓力、裂紋密度和飽和度變化的綜合效應(yīng).

圖5 (a) 云南賓川氣槍信號發(fā)射臺及觀測臺站位置分布圖(三角形的大小表示觀測到的波速變化大小，紅色的是在盆地里的臺站，藍(lán)色的是在山區(qū)的臺站)； (b) 各臺站觀測到的氣槍信號P波(虛線)和S波(實線)的走時變化圖(垂直的黑色標(biāo)尺表示幅度范圍為±1 ms)； (c)為(b)中對應(yīng)各臺站走時變化的頻譜圖(改自Wang et al., 2020)Fig.5 (a) Location of airgun signal transmitting seismic station and observation seismic station in Binchuan Yunnan. The size of the triangle indicates the amplitude of the observed seismic wave velocity variation. The red is the station in the basin, and the blue is the station in the mountain area； (b) The direct P wave (dotted line) and S wave (solid line) of air gun signals observed at seismic station, and the vertical black scale indicates the amplitude range of ±1 ms； (c) The spectrum of travel time variation observed at each station in (b) (Modified from Wang et al., 2020)

圖6 (a) 跨小江斷裂帶井中氣槍激發(fā)位置與觀測臺站的分布； (b) 各臺站觀測到的地震波走時變化； (c)和(d) 分別為臺站XD2和XD6觀測到的走時變化與地下水位變化的關(guān)系圖(改自Yang et al., 2018)Fig.6 (a) Location of downhole airgun and observation seismic station across the Xiaojiang Fault; (b) The travel time variation of seismic wave observed at each station; (c) and (d) The diagrams of travel time variation observed at stations XD2 and XD6 with groundwater level change, respectively (Modified from Yang et al., 2018)

通過以上觀測和分析結(jié)果，提升了對地下介質(zhì)波速變化的機理認(rèn)識，且在斷裂帶附近和盆地里臺站觀測的波速變化幅度大，為今后的地下介質(zhì)變化監(jiān)測研究工作提供了一種可能性，若要開展長期變化監(jiān)測研究，可以選擇在主要斷裂帶或者盆地里，會更容易被觀測到.

4.3 儲氣庫生產(chǎn)監(jiān)測研究

地下儲氣庫是將從天然氣田采出的天然氣重新注入地下可以保存氣體的空間而形成的一種人工氣田或氣藏，保障供氣的持續(xù)性和可靠性(Katz and Tek, 1981)，主要用于天然氣季節(jié)調(diào)峰和建立戰(zhàn)略儲備.在正常的生產(chǎn)過程中，儲氣庫的壓力差范圍在幾個到十幾個兆帕，頻繁往復(fù)的應(yīng)力加載與卸載過程有可能造成地下巖石的疲勞(葛修潤等，2003)或增強地下斷層的活動性(Goertz-Allmann et al., 2011)，為儲氣庫的正常生產(chǎn)留下安全隱患.因氣田開采或灌注誘發(fā)的地震活動在世界范圍內(nèi)已被觀測到(Dahm et al., 2007; Lei et al., 2008，2013)，并得到了社會上的廣泛關(guān)注.

2013年投產(chǎn)的呼圖壁儲氣庫是目前我國最大的儲氣庫，總庫容為107億m3，生產(chǎn)庫容為45.1億m3，日注氣總量大1123萬m3，分布于氣庫區(qū)域幾千米范圍內(nèi)的十余口注氣井，注氣深度約3 km.儲氣田的日常運營會導(dǎo)致可觀的地下應(yīng)力變化，甚至誘發(fā)微地震.因此，監(jiān)測儲氣庫地下介質(zhì)變化，對保障氣庫安全生產(chǎn)和評估儲氣庫周邊地震危險性具有重要的意義.

基于新疆呼圖壁氣槍信號發(fā)射臺，從2016年6月14日開始，進行了為期16天的連續(xù)激發(fā)實驗，氣槍震源每間隔一小時激發(fā)一次.圖7a給出了氣槍信號發(fā)射臺、觀測臺站及儲氣庫的點位分布，對儲氣庫周邊的各臺站記錄的氣槍信號進行了波速變化測量和分析，發(fā)現(xiàn)在儲氣庫附近的臺站觀測到走時變化趨勢與儲氣庫井口壓力變化存在較好的正相關(guān)性，其中臺站6859位于儲氣庫北方的邊界，記錄到了較高信噪比的氣槍信號，在連續(xù)實驗期間觀測到的走時變化與儲氣庫井口壓力變化趨勢完全一致(圖7b).呼圖壁儲氣庫的走時變化可以很好地解釋為儲氣庫壓注引起的地下介質(zhì)變化，而目前頁巖氣的開采過程中采用的壓裂技術(shù)，其產(chǎn)生的應(yīng)力變化比儲氣庫的生產(chǎn)壓力大得多.因此，將陸地水體氣槍震源探測技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)開采區(qū)的變化監(jiān)測，有助于更好地認(rèn)識和解釋地下流體引起介質(zhì)應(yīng)力變化的物理機理，為今后工業(yè)開采區(qū)的生產(chǎn)策略奠定基礎(chǔ).

另外，陸地水體氣槍震源探測技術(shù)也可用于結(jié)構(gòu)探測，中國地震局聯(lián)合多家單位在長江馬鞍山至安慶段，基于船載式氣槍震源系統(tǒng)進行了氣槍流動激發(fā)試驗，共激發(fā)約5000次，由109個固定地震臺和2000多個流動地震臺進行接收.利用氣槍信號的初至P波和S波進行成像獲得了長江沿線的上地殼速度結(jié)構(gòu)(田曉峰等，2016)和郯廬斷裂帶南段的地殼三維速度結(jié)構(gòu)(Zhang et al., 2020b).同時，還發(fā)現(xiàn)氣槍震源激發(fā)也能產(chǎn)生面波和高階面波(She et al., 2018; Ji et al., 2021).利用移動式氣槍震源技術(shù)系統(tǒng)在陸地上進行結(jié)構(gòu)探測嘗試時，會受到水體分布的影響，在此不展開詳細(xì)闡述.

圖7 (a) 新疆呼圖壁氣槍信號發(fā)射臺、觀測臺站及儲氣庫的位置分布圖； (b) 臺站6859觀測到的氣槍信號走時變化與儲氣庫壓力的關(guān)系圖紅色五角星為氣槍信號發(fā)射臺，黑色三角形為地震觀測臺站，深青色四邊形為儲氣庫的分布范圍.Fig.7 (a) Location of airgun signal transmitting seismic station, observation seismic station and gas storage in Hutubi, Xinjiang; (b) The relationship between the travel time variation of airgun signal observed at station 6859 and the well pressure of gas storageThe red star is the airgun signal transmitting seismic station, the black triangle is the observation seismic station, and the dark blue quadrilateral is the distribution range of gas storage.

5 面臨的問題及發(fā)展方向

本文全面回顧了陸地水體氣槍震源探測技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，近十幾年來，在多個水庫、人工水體和公園等環(huán)境下進行了大量的實驗研究，分別在探測技術(shù)系統(tǒng)、波速變化分析方法及變化機理認(rèn)識等方面取得了一些進展.陸地水體氣槍震源探測技術(shù)已逐漸發(fā)展成熟，為多尺度的變化監(jiān)測與研究奠定了堅實的基礎(chǔ)，但仍然存在一些問題限制了其推廣及應(yīng)用：

(1)陸地氣槍信號通過疊加在幾百公里外可檢測到，但幾十公里外的氣槍信號用于介質(zhì)變化監(jiān)測分析時，信噪比不高導(dǎo)致探測精度受限.

(2)前期觀測到了與地震、人類活動、環(huán)境因素等相關(guān)的波速變化，但地下介質(zhì)變化機理分析和研究有待進一步加強.

(3)缺乏地下介質(zhì)狀態(tài)變化模型—4D模型，難以分析和解釋觀測到的波速變化的時空分布特征.

(4)氣槍震源探測技術(shù)系統(tǒng)核心設(shè)備(氣槍)完全依賴于國外進口，在國內(nèi)沒有工業(yè)化的產(chǎn)品.

為了促進陸地水體氣槍震源探測技術(shù)的應(yīng)用，更好地解決以上這些問題，我們針對地下介質(zhì)變化監(jiān)測研究方面提出了下一步的發(fā)展方向.

(1)提高技術(shù)系統(tǒng)測量精度

通過波形互相關(guān)獲得走時變化測量的精度主要取決信號的重復(fù)性、優(yōu)勢頻率、信噪比和頻寬比等(Céspedes et al., 1995; Silver et al., 2007；Niu et al., 2008；Wang et al., 2012).對于氣槍震源來講，重復(fù)性、優(yōu)勢頻率和頻寬比是固定的，要想提高測量精度就只能提高信噪比，而環(huán)境噪聲是一定的，只能增強氣槍震源能量，可以從三個方面出發(fā)：① 增加疊加次數(shù)，但疊加次數(shù)過多會損失時間分辨率；②增加激發(fā)氣槍震源的容積，例如，目前新疆呼圖壁氣槍信號發(fā)射臺為6支2000 in3的氣槍；③發(fā)展非同步激發(fā)技術(shù)，針對傳播方向提高有效信號的能量進行聚焦探測(姜弢和林君，2004；陳颙等，2006).綜合以上三方面的考慮，可以結(jié)合研究區(qū)域采用適合的組合方式來提高信噪比，以實現(xiàn)測量精度的提高.

另外，地震波走時變化測量方法主要基于波形互相關(guān)，有效信號通過裸眼都可識別，但用于走時變化分析時就顯得信噪比不夠.能否借鑒相控雷達的信息處理技術(shù)，嘗試對氣槍震源進行組合編碼激發(fā)，發(fā)展相應(yīng)配套的測量方法降低對信噪比的要求.另外，AI技術(shù)迅猛發(fā)展，大多數(shù)應(yīng)用都是基于尋找和識別相同之處，能否借鑒相關(guān)技術(shù)去嘗試發(fā)展新的測量方法，來識別和分析相關(guān)的變化.

(2)加強介質(zhì)變化機理研究

地震波速度變化測量是開展地下介質(zhì)動態(tài)變化研究的基礎(chǔ)，而引起地下介質(zhì)波速變化的機制有很多.目前，大量的觀測研究也確實表明觀測到的波速變化與大氣壓(Silver et al., 2007; Wang et al., 2008)，溫度(Ben-Zion and Allam, 2013; Larose et al., 2015; Wang et al., 2020)，固體潮(Yamamura et al., 2003)，降雨(Wang et al., 2008)，地震(Ikuta and Yamaoka, 2004; Niu et al., 2008; 楊微等, 2010；Li et al., 2017; Pei et al., 2019)和地下水位(Yang et al., 2018)等因素有關(guān)，且在不同地方觀測的變化也存在差異，引起介質(zhì)波速變化的機理還有待進一步分析.今后可考慮在波速變化較大的地震斷裂帶或工業(yè)開采區(qū)，尤其在頁巖氣開采或儲氣庫生產(chǎn)過程中的地震活動區(qū)進行監(jiān)測，結(jié)合光纖傳感技術(shù)進行密集觀測(李孝賓等，2020；宋政宏等，2020)，開展深入分析和應(yīng)用研究.

(3)發(fā)展和建立區(qū)域4D模型

利用氣槍震源開展地下介質(zhì)變化研究都是觀測到由震源與接收點之間地震波性質(zhì)的變化.受單個震源的限制，測量結(jié)果很難約束介質(zhì)變化的空間范圍.通過建立多個震源組成的地震波發(fā)射網(wǎng)絡(luò)，就可以實現(xiàn)地震波射線路徑的交叉覆蓋，可以大大提升觀測效率，同時分析多個震源產(chǎn)生的地震波信號，還可以對地下介質(zhì)變化的空間分布進行較好的約束.4D模型需要在高精度3D模型和波速變化機理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，可以先集中力量，圍繞一個典型區(qū)域，開展多震源的連續(xù)變化監(jiān)測研究，發(fā)展和完善區(qū)域介質(zhì)地震波速度變化的機理，促進4D模型的建立.若建立了區(qū)域4D模型，可用盡可能少的臺站(發(fā)射和接收臺)，對該區(qū)域介質(zhì)狀態(tài)變化實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的時空分布特征分析，從而開展相關(guān)事件的預(yù)測和預(yù)報.

(4)探測技術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)品化

氣槍震源起源于美國，在海洋油氣、礦產(chǎn)等資源探測方面發(fā)展較快.國內(nèi)在氣槍震源核心技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品等方面較為落后，主要是氣槍震源的穩(wěn)定性和同步性要求非常高，與高性能材料、精密加工等密不可分.中國石油集團東方地球物理公司和自然資源部地質(zhì)調(diào)查局等分別在震源研制和激發(fā)控制方面進行了一些嘗試和探索，但核心產(chǎn)品都還是依賴于國外進口.近年來，國家出臺了一系列推進自主創(chuàng)新的政策，希望在不久的將來，陸地氣槍震源探測技術(shù)系統(tǒng)能完全實現(xiàn)國產(chǎn)化和產(chǎn)品化.

6 結(jié)論

通過我國科技人員近20年的探索和發(fā)展，氣槍震源在陸地有限水體中的研究工作取得了較大的進步，主要成果如下：

(1)陸地水體氣槍震源探測技術(shù)已逐步發(fā)展成熟，針對多尺度介質(zhì)變化監(jiān)測需求，研制并形成了固定式、移動式和井中氣槍震源探測技術(shù)系統(tǒng)，從完全依賴進口發(fā)展為國產(chǎn)化率顯著提升，為開展變化監(jiān)測研究提供了有力工具.

(2)陸地水體氣槍震源探測技術(shù)具有綠色環(huán)保、高度可重復(fù)等特征，通過疊加可傳播幾百公里，相對走時變化測量精度為10-4～10-3，可觀測到由大氣壓或固體潮等引起的日變化和半日變化.

(3)在地震前，震源區(qū)附近臺站和距離震中較遠(yuǎn)臺站觀測到的走時變化分別都具有一致的趨勢，且震中附近臺站觀測到的走時變化幅度明顯大于距離震中較遠(yuǎn)的臺站，促進了對地震孕育過程的了解和認(rèn)識.

(4)在斷裂帶觀測到了與溫度和地下水位變化等相關(guān)的波速變化，揭示了溫度和流體在波速變化監(jiān)測中的重要作用，提升了波速變化的機理認(rèn)識.斷裂帶附近和盆地里臺站觀測的波速變化幅度大，為今后地下介質(zhì)變化監(jiān)測研究工作的位置選擇提供了一種可能性.

(5)在工業(yè)開采區(qū)觀測到的走時變化與儲氣庫井口壓力變化趨勢具有較好的正相關(guān)性，主要是儲氣庫生產(chǎn)過程中壓力變化引起的地下介質(zhì)變化，可以為儲氣庫和頁巖氣開采的安全生產(chǎn)監(jiān)測等提供一種新的技術(shù)途徑.

利用可重復(fù)性震源連續(xù)監(jiān)測地下介質(zhì)的時空演化特征，逐漸成為4D地震學(xué)的研究熱點和重要發(fā)展方向之一，為地震的物理過程研究和地下資源開采監(jiān)測等提供了重要的技術(shù)手段.若在全國強震危險區(qū)、地震構(gòu)造主要斷裂帶和工業(yè)開采區(qū)等建立多個陸地氣槍信號發(fā)射臺，對潛在地震危險區(qū)和工業(yè)開采區(qū)進行長期的連續(xù)監(jiān)測，可為我國防震減災(zāi)和工業(yè)開采區(qū)的安全生產(chǎn)等工作提供重要的科技支撐.

致謝謹(jǐn)此祝賀陳颙先生從事地球物理教學(xué)科研工作60周年.在陸地水體氣槍震源探測技術(shù)的發(fā)展過程中，得到了中國地震局、中國科學(xué)院、教育部(大學(xué))、中國石油集團公司、中國石油化工集團公司等相關(guān)單位及下屬機構(gòu)的大力支持與幫助，在此表示衷心的感謝.另外，感謝甘肅省地震局的張元生研究員和新疆維吾爾自治區(qū)地震局的蘇金波工程師提供了相關(guān)圖件.同時，感謝三位評審專家提出的寶貴建議.