王櫟,陳颙*,于大勇,胡久鵬,徐逸鶴,楊微,王濤

1 南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023 2 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，中國城市化進(jìn)程加速推進(jìn).根據(jù)第七次全國人口普查結(jié)果，中國城市化率達(dá)到63.89%，且過去20年的增幅超過30%.在城市高速發(fā)展的背景下，城市地下空間的利用是城市發(fā)展中至關(guān)重要的一環(huán)，其作為城市的載體奠定了城市快速發(fā)展的基礎(chǔ).同時，城市地下空間的安全保障也是城市安全發(fā)展的前提.目前，北京、上海等特大型城市的地下空間利用深度在50 m左右，一線城市達(dá)到30 m，其他城市在20 m以內(nèi)，相較于新加坡等發(fā)達(dá)國家對地下空間大于100 m的利用深度，我國目前對城市地下空間的利用水平還相對滯后；與此同時，城市地下空間容納了供水供電管線、燃?xì)怆娏艿赖然A(chǔ)公共設(shè)施，但近年來許多城市因地下空間利用不合理而造成了大雨內(nèi)澇、地面塌陷、地下管線泄露等諸多問題.隨著城市人口的不斷增長，城市地下空間的安全問題嚴(yán)重影響了人民的生命財產(chǎn)安全，給城市運(yùn)行和長期發(fā)展帶來了不利因素.因此，對城市地下空間的有效探明，是城市地下空間安全開發(fā)和高效利用的基礎(chǔ)，城市地下空間探測也成為了深地探測等國家戰(zhàn)略發(fā)展計劃的重要方向.

地球物理探測作為一種無損、高效的方法，是探測城市地下空間的有效手段.隨著城市的不斷發(fā)展，城市地球物理也得到了廣泛研究（Liu and Chan,2007;Miller,2013;Schreilechner and Eichkitz,2013），逐漸成為地球物理與城市發(fā)展科學(xué)的新興領(lǐng)域.我國自上個世紀(jì)60年代開始對城市地下空間進(jìn)行探查，進(jìn)入21世紀(jì)以來，逐步開展了對部分城市地下三維空間結(jié)構(gòu)的綜合探測（郝英紅等,2021;薛濤等,2021）.目前成都、武漢、雄安等城市已經(jīng)開展了較為全面的地球物理綜合探測與評價研究，對城市的地下空間結(jié)構(gòu)有了較為清晰的認(rèn)識（李華等,2020;馬巖等,2020;趙鐠等,2017）.

當(dāng)前，開展城市地下空間探測的地球物理方法主要包括：重力探測、探地雷達(dá)、高密度電阻率、瞬變電磁法、測井與淺層地震勘探等（王栩等,2020;趙鐠等,2017）.但城市中存在建筑分布密集、城市電纜產(chǎn)生游離電場、大量金屬構(gòu)件等因素的干擾，且城市地下空間探測對測深和分辨率有一定要求（武斌等,2019）.因此，抗干擾能力強(qiáng)、探測深、分辨率高的主動源地震勘探方法得到了廣泛應(yīng)用（高景華等,2007;楊吉武等,2021;周長江等,2019）.

1 新型人工主動源—?dú)鈽尩膽?yīng)用

在主動源地震勘探中，需要選擇激發(fā)能量大、頻帶寬的人工震源，以保證較好的數(shù)據(jù)質(zhì)量和探測效果.目前，在陸上勘探中，主動源勘探使用的震源包括炸藥震源、落錘震源、電火花震源、可控震源車等，其中炸藥震源當(dāng)量大、激發(fā)信號信噪比高，是使用最廣泛的人工震源（陳颙和李宜晉,2007）.然而，在人口密度大、影響因素復(fù)雜的城市中，人工震源面臨著環(huán)境污染小、施工周期短、破壞性低、對城市交通與社會活動影響弱等嚴(yán)格要求.同時，震源的可重復(fù)性對監(jiān)測城市地下結(jié)構(gòu)變化也尤為重要，因此炸藥不宜繼續(xù)作為城市主動源勘探的主要人工震源.其他主要使用的震源中，落錘震源和電火花震源激發(fā)的能量相對較低，可控震源車雖然激發(fā)能量較大，但由于車體龐大、對路況要求高且噪聲污染大，在施工中會阻礙城市交通、影響城市運(yùn)行與居民生活（陳颙和李宜晉,2007;陳颙等,2007a）.因此，傳統(tǒng)的地球物理手段已經(jīng)無法滿足城市地下空間探測的要求，地球物理領(lǐng)域急需新型人工震源來滿足我國日益增長的城市地下空間探測需求.

氣槍震源是一種放置于水體中的新型人工震源，由美國Bolt公司Stephen Chelminski于1966年發(fā)明（Chelminski,1966），從20世紀(jì)80年代開始，氣槍開始被廣泛應(yīng)用于海洋地震勘探.進(jìn)入21世紀(jì)，我國的地球物理學(xué)家開始嘗試將氣槍震源引入陸上探測（陳颙等,2017），目前已開展了多次大陸氣槍震源試驗(yàn)（楊微等,2021），并在云南賓川、新疆呼圖壁、甘肅張掖和永靖建立了四個固定氣槍信號發(fā)射臺（Tian et al.,2018;Wang et al.,2012;陳颙等,2007b;郭曉等,2020;魏斌等,2016;張?jiān)?2016）.試驗(yàn)結(jié)果表明，大陸氣槍震源作為一種新型的人工震源具有巨大的探測優(yōu)勢：

（1）綠色、無污染.氣槍激發(fā)無污染物產(chǎn)生，不會對水中生物造成影響.

（2）能量轉(zhuǎn)化效率高.131 L的氣槍陣列在2000 psi的工作壓力下產(chǎn)生的地震波能量可達(dá)一次ML0.7級地震產(chǎn)生的地震波能量，產(chǎn)生地震波能量的效率約為炸藥的10倍（陳颙等,2017）.

（3）可重復(fù)性高.氣槍陣列激發(fā)信號在一年內(nèi)的相關(guān)系數(shù)始終保持在95%以上，震源的可重復(fù)性極高（魏斌等,2016）.

（4）安全、施工影響小.氣槍激發(fā)時始終放置于水體中，噪聲水平低，不影響城市人群的日常生活，且不會破壞地表結(jié)構(gòu).

這些特點(diǎn)使得大陸氣槍震源具有成為城市地下空間探測主動源的巨大潛力.

2 大陸氣槍震源在城市中的首次應(yīng)用

大陸氣槍震源在城市中的應(yīng)用，具有一定的挑戰(zhàn).目前的大陸氣槍震源主要采用大容量氣槍（4條氣槍組合陣列，每槍33 L），并放置在水庫等大型水體中進(jìn)行激發(fā).然而人口密度大的城市環(huán)境對于大型設(shè)備場地、施工噪聲、施工時間和城市運(yùn)行影響的要求嚴(yán)苛，不具備在大規(guī)模水體中進(jìn)行大容量氣槍震源激發(fā)的試驗(yàn)條件.同時，大陸氣槍震源的激發(fā)效果主要受到氣槍在水體中沉放深度的影響，更深的氣槍沉放深度可得到更好的激發(fā)效果（Wei et al.,2018;黃艷丹等,2018）.當(dāng)前使用的大容量氣槍震源主要放置在大型水庫中，水深數(shù)十米，氣槍沉放深度主要在15～35 m范圍內(nèi).但大部分城市水體的深度在5～10 m以內(nèi)，難以滿足大容量氣槍沉放深度的要求，激發(fā)效果難以驗(yàn)證.因此，大陸氣槍震源尚未有過在城市中的應(yīng)用嘗試.

在此背景下，南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院與中國地震局地球物理研究所合作，于2017年12月14—15日在江蘇省南京市棲霞區(qū)的羊山公園中，開展了大陸氣槍震源在城市中的首次激發(fā)試驗(yàn).在本次試驗(yàn)中，我們布設(shè)了一條長約5 km、由16臺短周期地震儀組成的測線（圖1），激發(fā)源為美國Teledyne Bolt公司的1900LL型小容量氣槍（圖2a），放置于公園內(nèi)的羊山湖中，激發(fā)壓力15 MPa，氣槍容量4.1 L，僅為大容量氣槍震源總?cè)萘康?/32.氣槍震源控制系統(tǒng)位于岸邊，用以控制氣槍激發(fā)、接收GPS時間與位置信號等，激發(fā)時間精度可達(dá)微秒級.

羊山公園位于南京市棲霞區(qū)的仙林大學(xué)城東部 （圖2b），占地1.34 km2，處于仙林副城中心區(qū)，臨近南京大學(xué)、南京中醫(yī)藥大學(xué)等高校，周邊住宅眾多，人口密集，交通路網(wǎng)發(fā)達(dá)，滿足在城市人口密集區(qū)域試驗(yàn)大陸氣槍震源應(yīng)用效果的測試條件.公園內(nèi)的羊山湖為本次試驗(yàn)的激發(fā)水體，湖面面積約為0.6 km2，實(shí)測水深最深約2.5 m，是典型的小規(guī)模城市水體環(huán)境，為大陸氣槍震源在城市內(nèi)激發(fā)提供了理想的試驗(yàn)環(huán)境.

圖1 羊山湖氣槍激發(fā)試驗(yàn)觀測系統(tǒng)Fig.1 Observation system of Yangshanhu lake seismic airgun excitation experiment

圖2 （a） Teledyne Bolt 1900LL型氣槍震源;（b） 試驗(yàn)區(qū)域衛(wèi)星圖 （紅色標(biāo)記為臺站位置）Fig.2 （a） Teledyne Bolt 1900LL seismic airgun source;（b） Satellite image of experimental field （Red symbols are locations of seismic stations）

本試驗(yàn)的觀測系統(tǒng)于2017年12月14日安裝完畢，并在12月14—15日的日間持續(xù)工作.氣槍震源沉放處水深2.5 m，沉放深度2 m，為極淺水域激發(fā).在系統(tǒng)調(diào)試階段，采用手動激發(fā)方式，根據(jù)激發(fā)效果調(diào)整激發(fā)參數(shù)，待效果穩(wěn)定后，采用程序控制定時激發(fā)，每30 s激發(fā)一次，共激發(fā)373次.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本文對地震儀記錄到的氣槍數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，處理流程參考大容量氣槍震源的數(shù)據(jù)處理流程（翟秋實(shí)等,2016）.處理中首先根據(jù)氣槍震源激發(fā)時間表，對連續(xù)記錄進(jìn)行事件切分，得到了每次激發(fā)被各個地震臺站接收到的事件信號，對事件信號進(jìn)行預(yù)處理后進(jìn)行線性疊加，并濾波至1～50 Hz.對經(jīng)過處理得到的疊加信號，本文通過計算相關(guān)系數(shù)、計算信噪比、時頻分析、頻率-波數(shù)分析（F-K分析）等方法對小容量氣槍震源的激發(fā)信號特征進(jìn)行了分析.

3.1 相關(guān)系數(shù)

圖3 614臺氣槍震源激發(fā)信號相關(guān)系數(shù)Fig.3 Correlation coefficient of seismic airgun signals at station 614

本研究首先分析了該小容量氣槍震源激發(fā)信號的可重復(fù)性參數(shù).我們選取了布設(shè)在離震源最近的614地震臺（圖1，震中距450 m）在2017年12月15日上午記錄到的100次激發(fā)信號，對這100次激發(fā)信號進(jìn)行線性疊加和歸一化，并將該疊加波形作為參考波形，用614臺站在100次激發(fā)中每次激發(fā)信號的波形與參考波形進(jìn)行相關(guān)計算后，得到了每次氣槍震源激發(fā)信號的相關(guān)系數(shù)（圖3）.結(jié)果顯示，在100次激發(fā)中，相關(guān)系數(shù)幾乎都在95%以上，并在開始激發(fā)后隨著激發(fā)狀態(tài)的穩(wěn)定逐漸上升.在第50次激發(fā)前后，相關(guān)系數(shù)達(dá)到99%，之后相關(guān)系數(shù)緩慢下降，這可能與試驗(yàn)一段時間后氣槍未能滿氣激發(fā)有關(guān).由于30 s的氣槍激發(fā)間隔時間較短，在試驗(yàn)后段可能由于注氣不足，導(dǎo)致了氣槍信號的相關(guān)性逐漸下降，但整體的相關(guān)系數(shù)仍可保持在95%以上，表明了氣槍激發(fā)信號極高的可重復(fù)性.

氣槍信號在工作壓力穩(wěn)定的情況下，會受到沉放深度的影響（Chen et al.,2014;黃艷丹等,2018）.相比于放置于水庫等大規(guī)模水體中的大容量氣槍震源，羊山湖氣槍激發(fā)試驗(yàn)的水體規(guī)模很小，水深極淺，且試驗(yàn)當(dāng)天有一定降雨量，更易使氣槍激發(fā)信號受到影響.在此試驗(yàn)環(huán)境下，氣槍信號的相關(guān)系數(shù)依然保持在95%以上，處于重復(fù)地震的相關(guān)系數(shù)閾值之上.這表明小容量氣槍震源即使在易受影響的城市小規(guī)模水體中，仍然具有極高的可重復(fù)性，抗干擾能力強(qiáng).

3.2 信噪比計算

由于小容量氣槍震源激發(fā)信號具有高可重復(fù)性，本研究對記錄到的多次激發(fā)信號進(jìn)行線性疊加來提高信噪比，并分析了對氣槍震源信號進(jìn)行識別的可靠性.首先選取布設(shè)在南京大學(xué)天文臺處的636臺站（圖1，震中距2.06 km），將其在2017年12月15日中記錄到的單次激發(fā)和100次激發(fā)疊加后的三分量波形進(jìn)行了對比.結(jié)果顯示，單次激發(fā)事件的三分量波形中（圖4a），雖然隨機(jī)噪聲有一定干擾，但三個分量的P波初至相對明顯，能夠有效識別氣槍激發(fā)信號.經(jīng)過100次疊加后的三分量波形，隨機(jī)噪聲被大幅度壓制，震相清晰，信噪比極高（圖4b）.其中，E-W、N-S和Z（垂直）三個分量單次激發(fā)波形的均方根信噪比（信號窗均方根/噪聲窗均方根）分別為1.53、2.23和2.21，疊加后分別為13.87、18.92和17.55.三個分量的信號經(jīng)過100次疊加后，信噪比分別提升了9.06倍、8.48倍和7.94倍.

其次，本研究觀察了信號隨震中距的變化特征（圖5）.將各臺站Z分量接收到的信號經(jīng)過100次疊加后按震中距排列（圖5a），結(jié)果顯示在2.5 km范圍內(nèi)都具有較高的信噪比，初至信號明顯，視速度在3.8 km·s-1左右.同時，單次激發(fā)與100次疊加的信噪比水平對比結(jié)果（圖5b）顯示，100次疊加處理可使氣槍信號在2.5 km震中距內(nèi)提升一個數(shù)量級.該結(jié)果表明，4.1 L的小容量氣槍震源在小規(guī)模水體中的單次激發(fā)信號可被震中距至少在2.5 km內(nèi)的地震儀清晰記錄，多次疊加處理后，氣槍激發(fā)信號的信噪比將大幅度提升.

圖4 636臺站氣槍震源激發(fā)波形對比（5～30 Hz帶通濾波，0 s為激發(fā)零時）（a） 單次激發(fā)波形；（b） 100次疊加后波形.Fig.4 Comparison of seismic airgun signals at station 636 （5～30 Hz bandpass filtered,0 time is the excitation moment）（a） Single-shot waveform；（b） 100-time stacked waveform.

圖5 氣槍震源信號隨震中距變化的特征（a） Z分量100次疊加波形隨震中距的變化（直線為3.8 km·s-1視速度）；（b） （a）中波形信噪比隨震中距的變化.Fig.5 Characteristics of seismic airgun signal varied with epicenter distance（a） Z component 100-time stacked waveforms varied with epicenter distance.The line showed the 3.8 km·s-1 apparent velocity；（b） Signal-noise ratios of waveforms in （a） varied with epicenter distance.

3.3 時頻分析

本研究選取了614、654和647三個短周期地震臺（圖1，震中距分別為0.44 km、1.74 km和2.27 km）的100次疊加信號進(jìn)行時頻分析.在分析前，考慮到本次試驗(yàn)區(qū)域較小，觀測信號受到傳播路徑上幾何擴(kuò)散的影響相對較大，且觀測臺站布設(shè)在城市區(qū)域中，容易受到城市地表松散土層或沉積層的影響.因此，我們首先采用HVSR方法測算了每個臺站記錄信號的優(yōu)勢頻率，討論了臺站下方松散沉積層對接收信號的影響.之后對波形信號進(jìn)行了幾何擴(kuò)散校正，并將校正后的信號進(jìn)行了時頻分析.

HVSR方法（Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio）是一種利用單個地震臺站接收的隨機(jī)噪聲信號計算臺站下方松散沉積層層厚的方法（Nakamura,1989）.該方法計算三分量地震儀的水平分量信號和垂直分量信號在頻率域的比值，當(dāng)?shù)乇硭缮⒊练e層與基巖之間存在較大的波阻抗差異時，比值結(jié)果會呈現(xiàn)出明顯的峰值頻率，該頻率與松散沉積層的卓越頻率一致，可用于估計沉積層厚度和場地放大效應(yīng)（Nakamura,2019;Parolai et al.,2002）.本研究對所有臺站進(jìn)行了HVSR曲線計算（圖6），計算時選取未進(jìn)行氣槍震源激發(fā)的時段以避免氣槍震源的影響.HVSR結(jié)果表明，除615、616臺站外的所有臺站未出現(xiàn)明顯的峰值頻率，表明下方不存在明顯的沉積層.而615和616臺站的峰值頻率分別為1.55 Hz和2.95 Hz，參考后文的時頻分析結(jié)果（圖7）可知，其峰值頻率與氣槍信號所在主頻的頻段差異較大，并不會對氣槍信號主頻段內(nèi)的信號產(chǎn)生影響.因此，本次試驗(yàn)的觀測系統(tǒng)并未受到城市地表松散沉積層的明顯影響.

圖6 不同臺站HVSR曲線對比Fig.6 Comparison of HVSR curves between different seismic stations

確定城市地表沉積層不會對結(jié)果產(chǎn)生明顯影響后，筆者對接收信號振幅進(jìn)行了幾何擴(kuò)散校正.結(jié)合圖5中的視速度和圖7中得到的信號主頻，計算得到該小容量氣槍震源激發(fā)信號的波長約為100 m.本次試驗(yàn)布設(shè)的所有臺站震中距均在信號的三倍波長距離外，因此可將所有接收到的信號作為遠(yuǎn)場信號進(jìn)行處理.參考地震波在均勻各向同性介質(zhì)中的遠(yuǎn)場傳播公式（Aki and Richards,2002）可知，位移與震中距的關(guān)系為u∝γ-1.因此對每個臺站的接收信號乘上震中距γ，將不同震中距帶來的幾何擴(kuò)散影響校正后，計算得到的時頻特征見圖7.從中可見，氣槍信號存在兩個部分的主頻，分別集中于25～35 Hz頻段內(nèi)和4～7 Hz頻段內(nèi).其中處于25～35 Hz頻段內(nèi)的高頻信號在最近的614臺站能量極強(qiáng)，到時和弛豫時間短，但能量在稍遠(yuǎn)的兩個臺站中迅速衰減，因此該信號為氣槍震源激發(fā)的高頻脈沖信號；主頻在4～7 Hz頻段內(nèi)信號的能量在614臺相比25～35 Hz頻段內(nèi)信號能量較弱，有相對明顯的弛豫時間，為氣槍激發(fā)的振蕩信號.觀測系統(tǒng)內(nèi)其他臺站的時頻分析結(jié)果也進(jìn)一步表明，小容量氣槍震源的脈沖信號處于25～35 Hz頻段內(nèi)，振蕩信號處于4～7 Hz頻段內(nèi).由于該次試驗(yàn)為極淺水域激發(fā)，因此氣槍的振蕩信號可能發(fā)育較差，導(dǎo)致其能量較弱.此外，信號在15 Hz左右能量較強(qiáng)，結(jié)合試驗(yàn)場地條件推測，羊山湖的水底界面復(fù)雜，該部分信號是由水體形狀不規(guī)則所引起的.

由于氣槍激發(fā)信號會同時受到激發(fā)條件和水體環(huán)境（水體大小、形狀等）的影響，在恒定激發(fā)條件下，氣槍信號在不同水體中也會表現(xiàn)出不同波形和時頻特征（Chen et al.,2014;楊微等,2020）.圖7結(jié)果表明，小容量氣槍在羊山湖中激發(fā)信號波形和時頻特征較為復(fù)雜，其時頻特征與云南賓川氣槍發(fā)射臺激發(fā)信號的時頻特征較為相似（胡久鵬等,2017）.據(jù)此推斷，羊山湖水體底部結(jié)構(gòu)和形狀復(fù)雜，激發(fā)水深較淺，對氣槍激發(fā)信號存在一定影響，需要對此類試驗(yàn)條件進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)探究.

圖7 氣槍信號時頻分析（a） 614臺站；（b） 654臺站；（c） 647臺站.每圖上部為100次疊加Z分量波形 （1 s為激發(fā)零時），下部為波形時頻圖Fig.7 Time-frequency analysis of seismic airgun signals（a） Station 614；（b） Station 654；（c） Station 647.The top row of each plot is the 100-time stacked waveform of the vertical component （1 second is the excitation time）.The bottom row of each plot is the time-frequency representation of the stacked waveform.

3.4 F-K分析

F-K分析方法早期由Capon（1969）提出，后來被廣泛應(yīng)用在地震臺陣分析中（唐明帥等,2010）.該方法通過對臺陣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以獲得地震事件的反方位角和慢度.本次試驗(yàn)中，我們選取了布設(shè)在南京大學(xué)天文臺的小型臺陣（617、634-637、646-649共9個臺站）的100次疊加數(shù)據(jù)進(jìn)行了F-K分析，設(shè)置慢度網(wǎng)絡(luò)拐點(diǎn)為-2.0～2.0 s·km-1，步長為0.005 s·km-1，滑動窗口為0.4 s，滑動步長為0.05 s，最終計算得到了氣槍信號的F-K分析結(jié)果（圖8）.結(jié)果以極坐標(biāo)圖表示，極徑為慢度值，極角為反方位角值.結(jié)果顯示，反方位角范圍在205°到215°之間，慢度值在0.28～0.3 s·km-1之間.并且在該結(jié)果中，氣槍信號的能量明顯高于其他干擾信號，聚焦效果良好.進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，氣槍信號的反方位角約為213°，慢度值約為0.28 s·km-1，可得氣槍信號從水中激發(fā)到地震臺站接收路徑上的平均速度為3.57 km·s-1.該速度與氣槍信號的視速度大致相符（圖5），且反方位角與地震臺陣間的實(shí)際反方位角（～225°）基本吻合，驗(yàn)證了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性.

以上分析結(jié)果表明小容量氣槍震源在城市小規(guī)模水體中具有良好的激發(fā)效果，激發(fā)信號的相關(guān)系數(shù)和信噪比高，震相到時清晰，可對淺表地層速度進(jìn)行有效的探測，表明了小容量氣槍震源在城市應(yīng)用中的有效性.

4 結(jié)論

2017年12月在南京開展的羊山湖氣槍激發(fā)試驗(yàn)，為新型人工主動源—大陸氣槍震源在城市內(nèi)的首次應(yīng)用.本次試驗(yàn)使用了容量為4.1 L的大陸氣槍震源，放置在南京市棲霞區(qū)羊山公園內(nèi)面積不足1 km2的羊山湖中進(jìn)行激發(fā)，湖深2.5 m，氣槍震源沉放深度2 m.通過分析氣槍震源的激發(fā)信號，結(jié)果表明：沉放在小規(guī)模水體中的小容量氣槍震源可激發(fā)相關(guān)系數(shù)在95%以上的地震信號，具有很高的信號可重復(fù)性.在城市中激發(fā)信號經(jīng)過100次疊加后，信噪比可獲得極大提升；氣槍激發(fā)的脈沖信號處于25～35 Hz頻段內(nèi)，振蕩信號處于4～7 Hz頻段內(nèi).通過F-K分析，驗(yàn)證了氣槍信號對淺層速度探測的有效性，分析得到了氣槍激發(fā)信號沿北東方向（反方位角213°）的平均傳播速度約為3.57 km·s-1.表明了大陸氣槍震源在城市小規(guī)模水體中的良好應(yīng)用效果，滿足城市地下空間的探測需要.

5 應(yīng)用前景

本次羊山湖氣槍激發(fā)試驗(yàn)對大陸氣槍震源在城市中心區(qū)域小規(guī)模水體中的應(yīng)用效果進(jìn)行了初步研究.結(jié)果表明，沉放在小規(guī)模水體中的小容量氣槍震源信號具有很高的可重復(fù)性，在城市中激發(fā)同樣可以得到具有高信噪比的信號.同時，小容量氣槍震源的信號主頻具有與過往研究相似的特征（陳颙等,2017;胡久鵬等,2017），這表明小容量氣槍震源在城市中同樣可以完成對城市地下空間的探測任務(wù).此外，本文通過F-K分析方法對氣槍激發(fā)信號的反方位角與慢度進(jìn)行分析，得到了氣槍信號在羊山湖附近區(qū)域淺表的傳播速度，分析結(jié)果合理可靠，表明小容量氣槍震源具有對半徑2.5 km范圍內(nèi)城市地下空間進(jìn)行有效探測的能力，驗(yàn)證了大陸氣槍震源作為一種安全高效的城市地下空間探測主動源的有效性.

此外，氣槍的高可重復(fù)性使得氣槍信號可用于監(jiān)測地下應(yīng)力和波速的微弱變化（陳颙等,2017）.重復(fù)性和精度高的走時測量技術(shù)是觀測地下結(jié)構(gòu)應(yīng)力和波速變化的關(guān)鍵（Wang et al.,2008）.目前，背景噪聲技術(shù)是對地下結(jié)構(gòu)成像、地下波速和水位動態(tài)變化特征進(jìn)行監(jiān)測的重要技術(shù)手段（Li et al.,2016;Liang and Langston,2009;Shapiro and Campillo,2004），但背景噪聲源會隨著季節(jié)而改變，并需要疊加至少一個月的連續(xù)記錄數(shù)據(jù)來保證結(jié)果的穩(wěn)定性（Stehly et al.,2007;顧悅等,2021;楊建文等,2021;于雯等,2021），同時背景噪聲提取的面波相對低頻，使得城市內(nèi)的噪聲成像分辨率受限.相比之下，大陸氣槍震源實(shí)驗(yàn)獲得的信號主頻普遍較高（Wang et al.,2018;陳颙等,2017），在地下結(jié)構(gòu)探測過程中可具有較高的空間分辨率，同時大陸氣槍還可激發(fā)有效面波用于地下結(jié)構(gòu)探測與介質(zhì)變化監(jiān)測（于雯等,2021）.本次實(shí)驗(yàn)中使用的小容量氣槍震源所激發(fā)的信號可重復(fù)性在95%以上，可對淺表波速和應(yīng)力的動態(tài)變化特征進(jìn)行有效監(jiān)測（Wang et al.,2020）.采用本實(shí)驗(yàn)中30 s的激發(fā)間隔，可使得大陸氣槍震源在城市中，每不到一小時就可獲得具有極高信噪比的地震信號，極大程度地縮短了對城市淺表特征動態(tài)監(jiān)測所需時間，大幅提高了監(jiān)測效率.為城市淺表的動態(tài)監(jiān)測提供了良好的激發(fā)震源選擇.

本次試驗(yàn)是大陸氣槍震源在極淺水域激發(fā)的首次嘗試，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了大陸氣槍震源在城區(qū)水體中激發(fā)的有效性，突破了過往在水庫等大型水體中試驗(yàn)激發(fā)的水體規(guī)模限制.另一方面，試驗(yàn)過程中，氣槍震源的準(zhǔn)備與激發(fā)過程無需對城市運(yùn)行狀態(tài)提出較大要求，不會對所在水域和周邊環(huán)境產(chǎn)生較大影響.同時，氣槍震源激發(fā)不影響水域生物的生存環(huán)境和居民生活，突破了傳統(tǒng)地球物理勘探技術(shù)的限制.我國水域資源豐富、類型多樣，目前在全國28個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）范圍內(nèi)，共有2693座面積在1 km2以上的自然湖，總面積約占我國國土面積的0.9%（馬榮華等,2011）.本次試驗(yàn)所在的羊山湖為面積不足1 km2的城市人工湖，此類水域在全國數(shù)量更大、分布更為廣泛.這表明采用大陸氣槍震源作為城市中應(yīng)用的新型主動源，可對我國大部分城市進(jìn)行有效的地下空間探測.在我國城區(qū)水域面積遼闊、城市規(guī)模龐大、城市地下空間探測需求強(qiáng)烈的背景下，大陸氣槍震源具有十分廣闊的應(yīng)用前景，將成為未來城市地下空間探測的關(guān)鍵技術(shù).

致謝感謝三位審稿專家對本文的寶貴意見和建議，感謝中國地震局地球物理勘探中心對本次試驗(yàn)野外數(shù)據(jù)采集工作的支持.感謝阮友誼副教授對本文內(nèi)容的審閱和修改貢獻(xiàn).