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  大地测量与地球动力学  2018, Vol. 38 Issue (7): 754-759  DOI: 10.14075/j.jgg.2018.07.019

引用本文  

周青云. 宾川地震信号发射台气枪震源能量激发方向性初步研究[J]. 大地测量与地球动力学, 2018, 38(7): 754-759.
ZHOU Qingyun. Preliminary Study on directivity of Binchuan Air-Gun Source Energy Radiation[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2018, 38(7): 754-759.

项目来源

中国地震局地震科技星火计划(XH18042Y);国家自然科学基金(41474048)。

Foundation support

The Spark Program of Earthquake Technology of CEA, No. XH18042Y;National Natural Science Foundation, No.41474048.

第一作者简介

周青云,工程师,主要从事地震学、活动构造学和地震保险等方面研究,E-mail:zhouqingyun@pku.edu.cn

About the first author

ZHOU Qingyun, engineer, majors in seismology, active tectonics, and earthquake insurance, E-mail:zhouqingyun@pku.edu.cn.

文章历史

收稿日期:2017-09-13
宾川地震信号发射台气枪震源能量激发方向性初步研究
周青云1     
1. 云南省地震局,昆明市北辰大道148号,650224
摘要:为研究气枪震源特征,2017-02云南省地震局在宾川地震信号发射台附近沿半径0.5 km和1.7 km架设了两条环形地震仪测线,开展不同工况下气枪的密集激发实验,利用环形测线上接收到的气枪信号,研究信号的持续时间、能量、时频谱面积随台站方位角的变化特征。结果表明:1)不同方位角上气枪信号差异明显,肉眼可见;2)4支气枪组成的气枪阵列发射的地震波的辐射花样优势方位为NE、SE、SW和NW,沿方位角具有约90°的周期,单支气枪的优势方位为NE、SW和NW;3)辐射花样具有优势方位的成因是高压气体喷射具有方向性、气泡与井壁之间的耦合等;4)水域台站接收到的信号能量损失更小,时频谱更光滑。
关键词气枪震源方向性时频谱气枪周期

地震前后地壳介质所受应力的变化会导致介质波速发生变化,因此越来越多的学者通过地震学的方法来研究地震前后地壳介质的波速变化情况[1]。常见的波速变化研究的方法包括重复地震[2]、背景噪声[3-4]以及人工震源[5-7]等。人工震源可以主动发射波形重复度极高的地震信号,在一定程度上弥补了天然地震的不足。常见的人工震源可分为爆破震源、连续震源和气枪震源等[8-9]

台站接收到的气枪信号是震源时间函数、传播路径和仪器响应共同作用的结果[10]。气枪数据处理中一般用震源附近台站(一般称为参考台)的记录作为震源时间函数,用台站记录反卷积震源时间函数得到的台站间格林函数,即认为是传播路径地壳介质的响应[11]。特定方位角上单个参考台的数据未必能准确地代表震源时间函数,因此气枪震源方向性的分析对利用气枪震源研究地壳介质变化来说较为重要。

为进一步研究气枪震源特性,2017-02云南省地震局在宾川主动源基地附近开展了大容量气枪密集激发实验,使用36台便携式地震仪,结合不同工况进行震源方向性和沉放深度、工作压力对气枪震源子波特性的影响等方面的研究。

1 气枪震源发射台简介及本次实验概况 1.1 宾川气枪发射台

宾川气枪发射台建于2011年,现拥有4支容量为0.016 4 m3的Bolt Longlife型气枪,常规运行期间,隔天激发一组[12]。4支气枪组成阵列可在大银甸水库中激发; 枯水期可利用容量更小的0.004 1m3气枪进行井中激发。已有研究表明,水库气枪阵列单枪信号传播距离超过35 km[13]

1.2 实验概况

实验使用36套便携式地震仪,仪器型号为QS-05A,频带宽度5 s~1 000 Hz,采样间隔设置为0.002 s。地震仪均匀布设在以气枪震源为圆心、半径为0.5 km(称为“内圈”)和1.7 km(称为“外圈”)的圆周上,台间距约为25°(图 1, 大五角星为水库中激发的4支气枪组成的气枪阵列; 小五角星为井中激发的单支气枪)。井中激发时,内圈台站拆除后重新布设到北东向的测线上。

图 1 台站分布 Fig. 1 The distribution of stations

气枪震源方面,水库气枪阵列(0.066 6 m3)激发和井中单支气枪(0.004 1m3)激发,气枪压力15 MPa、12 MPa和9 MPa,气枪沉放深度(气枪距离水面的深度)12 m、10 m和8 m,水库中浮台水平移动±7 m。实验期间,水库及井中分别激发161枪和167枪。

1.3 仪器一致性检测

在进行正式实验之前,将所有地震仪集中置于气枪以西约70 m的水泥地面上,仪器正常工作后激发气枪,利用仪器记录到的气枪信号进行一致性检测。图 2是全部地震仪记录的波形图像,将所有波形叠加后与每一条波形互相关,计算得到的相关系数均大于0.994,据此认为仪器的一致性较好,能满足本研究的需要。

图 2 一致性检测实验中各地震仪的记录波形 Fig. 2 Waveforms of all seismographs in consistency-checking experiment
2 研究方法与数据处理结果 2.1 持续时间

将波形震幅首次达到最大震幅10%的时刻认为是波形开始时间,最后一次达到最大震幅10%的时刻认为是波形结束的时间,二者之差为气枪信号的持续时间。图 3为计算得到的外圈台站、内圈台站和井中台站接收到气枪信号的持续时间,横纵轴等比例显示台站的方位角,填充图案的内边界为信号的起始时间,外边界为结束时间,横纵坐标的交点为0时刻。对于4支气枪组成的阵列,图 3(a)中方位角0°~180°之间台站波形持续时间的极大值分别在台站ST03和ST06,周期约为85°,而180°~360°之间持续时间周期性稍弱,但可以看出极大值位于各象限角平分线附近; 图 3(b)中第一、二、三象限的极大值分别在台站ST02、ST10和ST06,周期约为95°。对于测井中的单支气枪,图 3(c)显示井中激发的信号持续时间的周期性不明显,辐射花样图近似呈葫芦状,对称轴约为60°。将持续时间阈值由10%换成5%、15%、20%或30%,计算得到的持续时间形态也与图 3相似。

图 3 外圈台站、内圈台站和井中台站接收到的气枪信号持续时间 Fig. 3 The duration of air-gun signals of outer ring, inner ring and well ring

图 4 外圈台站、内圈台站和井中台站接收到的气枪信号能量 Fig. 4 The energy of air-gun signal of outer ring, inner ring and well ring
2.2 波形能量

实验使用的便携式地震仪记录的是地面的运动速度,因此将地震波震幅平方后积分即可看作是波形能量。图 4为波形能量的计算结果,横纵轴等比例显示台站的方位角,横纵坐标的交点为0能量点,填充图案的边界为能量相对大小,黑色虚线为大银甸水库边界。图 4(a)显示,0°~270°范围内能量极大值台站(ST02-ST03、ST06、ST10)之间的方位相差约90°; 图 4(b)中,180°~360°范围内能量极大值台站(ST04、ST07-ST08、ST11)之间的方位相差约85°。井中信号能量的极大值台站位于走向60°的对称轴上,同时在北西方向也存在一个能量极大值。

以气枪旁水库边界走向(160°)为界,将340°~160°范围内的台站称为水域台站,160°~340°范围内的台站称为陆域台站。可以看出,图 4(a)图 4(c)中水域台站能量极大值均远大于陆域台站,表明穿过水体的气枪信号能量损失较小。即使同为水域台站,能量差异也很大,反映了能量辐射沿方位角差异极大的特征。

2.3 频率谱

利用S变换得到气枪信号的时频谱[14],这些时频谱具有一定的规律性。图 5为3种工况下各台站波形的时频图(图幅编号a开头的为内圈台站,b开头的为外圈台站,c开头的为井中台站。红色字体表示陆域台站,蓝色为水域台站。内圈台站和外圈台站时频图的横轴为时间0~4 s(向右为增大),纵轴为频率0~10 Hz(向上为增加); 井中台站时频图的横轴为时间0~3 s(向右为增大),纵轴为频率0~30 Hz(向上为增加)),可以定性地分析出这些时频图具有至少以下几个特征:1)气枪阵列主频更低,时频谱更光滑; 水域台站时频图主频附近更加简单光滑; 2)气枪阵列激发的地震波和测井中单枪激发的地震波都含有4 Hz左右的低频成分,单枪激发的波形还有10 Hz左右中频和20 Hz左右的高频成分; 3)单枪激发的波形,有的台站高频能量更弱(如c11、c12),有的低频能量更弱(如c05、c15)。

图 5 内圈台站、外圈台站和井中台站的归一化S变换时频图 Fig. 5 S transform of all waveforms

利用时频谱面积来定量分析时频谱的特征。时频谱面积反映了波形能量的主要分布范围,面积越小则波形能量越集中。以时频图最大值的10%作为阈值,搜索得到各台站波形时频图的面积(图 6(a)~(c))。图 6(a)的0°~270°范围内,时频谱面积极大值台站(ST02-ST03、ST06、ST10-ST11)大致位于3个象限的角平分线上,所在的方位角相差97°左右; 图 6(b)中270°~360°范围内的极大值也大致位于象限的角平分线上。从图 6(a)图 6(b)还可以看出,外圈台站和内圈水域台站具有更小的时频谱面积,表明能量集中在一个较窄的频率和时间窗口中。

图 6 3种工况下时频图的面积 Fig. 6 The aera of S transform

井中单枪激发波形时频谱面积(图 6(c))的规律与能量辐射花样结果接近:北东-南西向轴对称,北西向也有一个极大值。从图 5(c03)可以看出,井中波形的时频图具有3个明显的能量团:15~30 Hz(0~0.8 s内)的高频成分、7~15 Hz的中频成分和0~7 Hz的低频成分。高频成分来自于气枪脉冲,低频成分来自于气泡振荡。分别求得3个能量团的时频图面积(图 6(d)~(f)),可以看出,高频段北西方向峰值较低、中频略小,因此推测西北方向出现峰值的原因是气泡不均匀振荡。直接成因可能是气枪没有位于井的几何中心,气泡振荡非各向同性。

3 讨论 3.1 气枪信号方向性的原因

假设小范围内地壳介质变化对气枪信号影响不太大,则可以认为气枪信号的各向异性主要来源于气枪震源处。图 7是本实验使用的气枪的工作原理图。充气阶段,高压气体从注气口注入启爆室和主气室(图 7(a)); 激发阶段,主气室内的气体加速释放到水体中,完成一次激发(图 7(b))。气枪在水下水平放置,高压气体排出方向垂直于气枪轴向,因此垂直于气枪轴向的台站接收到的气枪信号的能量最大。

图 7 Bolt气枪的充气及激发示意图[16] Fig. 7 Pumping and exciting of air-gun

大银甸水库中的气枪阵列由4支气枪组成,排列方式如图 8。气枪阵列激发时高压气体排出方向垂直于矩形的4条边,激发的地震波辐射花样应呈四叶草状,具有近似90°的周期。根据气枪摆设方向(图 8),波形能量的4个峰值应在62°、152°、242°和332°左右。图 4(a)图 4(b)中,外圈台站4个能量峰值方位角大致为45°、135°、225°、327°,与理论值吻合得较好。

图 8 用于在水库中激发的气枪阵列排布示意图[13] Fig. 8 Sketch map of air-gun array in Dayindian reservoir

大银甸水库水体对气枪信号也会产生影响。持续时间方面,水域台站之间差异明显,陆域台站之间差异更小,其原因是地壳介质拥有更多的折射界面、衍射体等。对于水域台站接收到的信号能量方面,部分水域台站具有极高的能量,其可能原因是地震波在水体中衰减更慢,并且水体边界能让信号能量更多地透射入地壳而不是被反射掉。因此我们在新疆修建气枪激发的水池时重点关注了池底边界的问题[15-16]。时频图面积方面,水域台站的时频图具有更小的面积,表明穿过一定距离水体后再进入地壳的气枪信号具有更窄的频带和更短的能量释放时窗。

3.2 气枪震源的规律性

气枪信号沿方位角具有规律性。从计算结果中周期性特征显著的方位角区间段提取变化周期,对提取出来的变化周期取平均值,得到气枪震源沿方位角的变化周期。各工况选取及计算情况如表 1所示,对这些结果求算术平均,得到气枪阵列激发的地震波沿方位角的周期约为90°。

理论上4支气枪组成的阵列应具有90°的周期,但实际观测中发现并不是恰好90°,产生这个现象的原因可能是气枪信号在地壳介质传播过程中遇到散射体或一些较强的折射界面,导致波的传播路径发生弯曲。

表 1 气枪震源特征一览表 Tab. 1 Features of air-gun source

测井中单支气枪新激发信号的持续时间、能量等沿方位角没有呈现明显的周期性,而是呈北东向轴对称和三极辐射状,其成因除可能与气枪有关外,也可能与极有限的水体有关:当有限水体分布不均时,气体脉冲及气泡振荡与水体及井壁之间的耦合产生方向性差异; 若气枪未位于井的几何中心,则有可能产生前文中的近似轴对称的三极辐射花样。具体成因因本次实验未设置对照组,在此不进行深入讨论和研究。

4 结语

单支气枪及气枪阵列激发的地震波沿方位角存在明显的差异,波形之间的差异肉眼可见。因此要保证气枪信号的高度重复性,气枪(阵列)的方位角保持不变很重要。

从持续时间、能量和时频谱等方面对单支气枪及4支气枪组成的阵列激发的地震波信号进行分析。结果表明,气枪阵列激发的地震波具有约90°的周期,与理论分析结果相近; 单支气枪激发的地震波沿方位角无明显的周期规律。

研究还发现,穿过水库水体的气枪信号能量损失更小,并且时频谱上主频附近更加圆润光滑,这也许可以帮助我们找到更适合的气枪架设及激发环境。

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Preliminary Study on directivity of Binchuan Air-Gun Source Energy Radiation
ZHOU Qingyun1     
1. Yunnan Earthquake Agency, 148 Beichen Road, Kunming 650224, China
Abstract: In order to explore the characteristics of air-gun source, we deploy two circular arrays with portable seismographs around Binchuan Air-Gun Source Transmitting Seismic Station in February 2017. To get the radiation pattern of air-gun's signals, we use the data received by circular arrays to get the signal's duration, energy, and the area of S transform image. We get a preliminary result: 1) Differences can be seen obviously between signals from different azimuth. 2) Air-gun array formed by four air-guns shows a period of 90° and its main directions are NE, SE, SW and NW; single air-gun shows no clear periodicity and its main directions are NE, SW and NW. 3) The main cause of the radiation pattern is high-pressure-gas injection, which has strong directionality, and there is coupling between bubble and borehole wall. 4) If the air-gun signal ray path goes through a certain scale of water, its energy attenuation is smaller and time-frequency spectrum is smooth.
Key words: air-gun source; directionality; time-frequency spectrum; air-gun's periodicity