2021, Vol. 64
2. 中国科学技术大学地球和空间科学学院, 合肥 230026
2. School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
地震给人类社会带来了巨大的经济损失和人员伤亡，同时产生的地震波携带了丰富的地球内部信息，为人们利用地震波信息对地球静态结构进行描绘提供了重要的技术手段.地震是地下介质应力积累和释放的物理过程，由于其发生的时间和地点不可控，且发生过程复杂等特征，导致对地震孕育和发生机理的认识和理解有待提升.科学家们多通过探测地球内部物理场的变化来分析和研究地震的物理过程，其中对地下介质应力场进行连续监测是一种可行的途径(王宝善等，2011).但由于地球的不可入性，对孕震深度层介质应力变化的探测能力有限.在地球内部应力场的各种探测手段中，地震波作为“照亮地球内部的一盏明灯”，能够穿透地球内部(陈颙和朱日祥，2005).在地震波的信息参数中，地震波速度是测量精度最高、最可靠的参数，测量方法相对成熟，且大量的实验室实验均表明岩石的波速会随应力变化而发生变化(如Birch, 1960; Nur, 1971).因此，可将连续精确测量波速变化作为“应力计”，来反应地下介质应力场的状态及变化.
在地表测量地下介质的波速变化非常微弱，高精度的重复测量是实现介质变化监测研究的关键因素之一.目前，利用重复性震源开展地下介质波速变化研究的方法主要有重复地震(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)，背景噪声(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; 杨微等, 2010; Yang et al., 2018; 张元生等, 2017; Tsuji et al., 2018; Wang et al., 2008, 2020)等.与天然地震和背景噪声等天然源相比，人工震源具有准确的激发时间、地点和震源特性可测等优点(陈颙等, 2007a, 2017；Wang et al., 2012)，可实现高精度测量地震波的速度变化来研究地球介质的变化过程.因此，需要寻找一种高度可重复且具有绿色环保的人工震源来开展相关研究.
在20世纪70年代，Reasenberg和Aki(1974)就提出了利用人工重复震源来测量地下介质的波速变化，由于当时相关技术的限制导致探测精度不高(McEvilly et al., 1974; Kanamori and Fuis, 1976).但随着电子科技和地震观测技术的发展，近些年来国内外科研人员在人工震源重复探测方面进行了有益的尝试，并取得了一些进展及成果，分别利用气枪(Reasenberg and Aki, 1974; Leary et al., 1979; 张元生等，2017；Yang et al., 2018; Wang et al., 2020)，压电陶瓷(Yukutake et al., 1988; Yamamura et al., 2003; Silver et al., 2007; Niu et al., 2008)，重复爆破(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；杨微等，2010)，落锤(Wang et al., 2008；王伟涛等，2009)等人工震源观测到了相关的波速变化，但大多数人工震源重复探测的距离小于1 km，监测到的波速变化主要是浅地表介质的变化.而大陆地震主要都发生在10~30 km的深度，观测到的浅地表变化不能准确地反应孕震深度层介质的应力状态及变化，需要进一步寻找具有传播距离远的高性能大功率人工震源.
2000年后，在陈颙院士的倡议下，中国地震局与中国科学院、中国石油集团和中国石油化工集团等相关单位对系列人工震源进行了大量的探索实验(王宝善等，2016；王伟涛等，2017；陈颙等, 2017).通过与其他类型的人工震源相比，大容量气枪震源有能量大、频率低、高度可重复、近场破坏小等优点(陈颙等，2007a；Chen et al., 2008)，尤其气枪震源信号的高度可重复是其区别于其他人工震源的重要特征，其可重复性可高达99.5%(林建民等，2008)，通过多次叠加后可在几百公里外检测到清晰的气枪信号，为针对孕震深度上介质应力状态及变化监测研究提供了一条有效的技术路线(Wang et al., 2012).
1 气枪震源的发展历程气枪震源是由美国Bolt公司的Stephen Chelminski在1964年发明的(陈浩林等，2008).气枪震源产生振动的原理是高压空气在水里瞬间释放的过程中，会激发两组波(图 1).一组是高压空气对水体的瞬间冲击产生的压力脉冲波，信号频带较宽，优势频率一般为几十赫兹；另外一组是在后期高压空气形成气泡及气泡上升过程中，气泡往复收缩和膨胀产生气泡振荡波，信号主频表现为几赫兹.根据气枪信号产生的原理及特征，气枪震源的发展到目前为止共经历了三个阶段.
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图 1 单支容量为2000 in3气枪震源的近场记录波形(1 in3=16.39 cm3) Fig. 1 The waveform recorded at near field for airgun source with the capacity of 2000 in3 |
(1) 20世纪60—70年代，气枪震源的萌芽起步.
在该时期以Bolt公司的PAR(pneumatic acoustic repeater)气枪为典型代表.气枪震源均以单支气枪为主，为了提升气枪激发的能量，会同时增加气枪的容量和激发压力，其中激发压力增加到高达5000 psi(pound per square inch，1 psi=6.8948 kPa，周宝华和刘威北，1998).但气枪激发压力越高，压力脉冲波受气泡震荡的干扰也越强，不利于后期的数据处理.
另外，单支高压气枪也存在安全性和故障率高的问题(陈浩林等，2008)，使得气枪震源的应用在早期受到一些限制.Ziolkowski(1970)和Schulze-Gattermann(1972)等在20世纪70年代初，提出了气泡振荡的衰减方式、振荡周期和振荡模型理论，为后期气枪震源的快速发展和应用奠定了重要的理论基础.
(2) 20世纪80—90年代，气枪震源产品工业化及在海洋中的应用.
美国Bolt公司的气枪专利在1983年失效后，美国西方地球物理公司设计出了LRS-6000型气枪(陈浩林等，2008).为了提升激发的可靠性、能量和频带范围等，且符合健康、安全与环境管理体系(Health Safety and Enviromen Management System，HSE)的要求，美国西方地球物理公司的E.R.Harrison研制出2000 psi的套筒(Sleeve)枪(Krail, 2010)，具有较好的同步性和可靠性等特点，成为20世纪80年代的主流气枪(周宝华和刘威北，1998).
1989年，美国地震震源系统公司的Pascouet研制了G和GI枪(Krail, 2010)，随后被法国CGG的Sercel公司收购.美国Bolt公司为了夺回气枪的领先地位和市场，在1991年研制出了长寿命气枪(Long Life Airgun)，机械部件可达50万次激发，并占领全球70%的市场(周宝华和刘威北，1998)，成为20世纪90年代的主流气枪.
1996年，美国西方地球物理公司的勘探产业事业部被美国ION地球物理公司收购，随后套筒枪因在能量和操作等方面的因素逐渐被市场所淘汰.1999年，美国Bolt公司研制出APG枪(Annular Port Airgun)，具有更长的工作寿命和适合在水中拖拽等特点(陈浩林等，2008).2014年，美国Bolt公司被美国Teledyne公司收购，更名为Teledyne Bolt公司.气枪震源在生产和制造方面逐渐形成以美国Teledyne Bolt公司和法国CGG的Sercel公司瓜分全球市场的局面.
在海洋油气和矿产资源探查中，为了突出气枪震源压力脉冲波的高频特点，以气泡衰减和振荡模型为基础，建立了无限水体中的气枪阵列理论模型，通过多支不同容积的气枪进行组合激发，压制气泡振荡波，同时能提高压力脉冲波的能量和频率.气枪震源在海上油气勘探方面取得了巨大的进步(Lutter et al., 1999；Okaya et al., 2002；Fuis et al., 2003)，且随着地震勘探精度的提高，在海洋勘探上气枪震源阵列组合的频带范围为几十赫兹到150 Hz.
另外，地震波在地下介质的传播过程中高频信号易衰减，低频信号能量衰减相对较慢.Avedik等(1993)结合气枪震源激发产生的气泡振荡波和地震波信号的传播衰减特征，提出了利用气泡振荡波作为震源信号来开展海洋地壳结构的深地震探测，结果表明通过压制气枪激发产生的压力脉冲波，增强气泡振荡波的方式可以获得足够的低频能量来探测海洋地壳结构，传播距离可达到几百公里，为海域和海陆联合探测地壳结构提供了一条新的技术路线，气枪震源的应用得到了进一步的拓展(Qiu et al., 2001；赵明辉等，2004；Calvert，2004；McIntosh et al., 2005；Melhuish et al., 2005).
(3) 21世纪初—至今，气枪震源在陆地有限水体中的发展和应用.
2000年前，气枪震源主要应用于海上，而具有低频优势的气泡振荡波在传播过程中呈现出高度可重复和传播距离远等特征未得到很好的利用.为了发挥大容量气枪震源低频振荡波的优点来探测在孕震深度层介质的应力状态及变化，以分析和研究地震孕育和发生的物理过程，中国地震局尝试将气枪震源激发技术移植到陆地有限水体中(陈颙等，2007b)，其研究的对象主要是大陆，气枪震源上陆遇到的第一个问题就是现有的海洋探测系统不适用.另外，与海洋相比，陆地激发环境都是有限水体，且为了实现气泡振荡波的远距离探测，需要使用大容量气枪阵列.2006年，在中国石油集团公司和中国科学院南海海洋研究所等相关单位的帮助下，在河北上关湖水库进行了一次尝试性的激发实验，气枪震源的高度可重复性和远距离探测能力为实现地下介质动态监测带来了可能(陈颙等，2007a).
气枪震源在陆地水库、人工水体、湖泊和公园水体等环境中经过多次现场测试和改进(Wang et al., 2010；杨微等，2013；陈颙等, 2017)，探测技术系统得到了优化和完善，逐渐趋于成熟，形成了一整套陆地水体气枪震源重复探测技术系统，并开始探索利用气枪震源围绕板内陆地和人类活动开展地下介质变化监测研究.2011年，在云南省宾川县大营甸水库建立了世界上第一个地震信号发射台(Wang et al., 2012).全球的地震台是用来接收地震波的，而宾川地震信号发射台是主动往外发射地震波.为了降低激发水位变化的影响，进一步提升气枪震源的重复性，2013年在新疆呼图壁县建立了第一个人工水体气枪信号发射台(魏斌等，2016).随后在甘肃省张掖市(张元生等，2016)和永靖县(郭晓等，2020)也分别建立地震信号发射台.近些年来，陆地水体气枪震源探测技术逐渐被应用于地下介质变化监测及其相关探测研究，并取得了系列成果(陈颙等, 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).
为了服务于地震危险区和工业开采区等地下介质变化监测研究，在固定气枪信号发射台技术系统的基础上(杨微等，2013)，对硬件技术系统进行了功能性分析和模块化集成，研制了井中和移动式气枪震源系统，并在地震断裂带和矿产资源区进行了应用(杨微等，2016；Yang et al., 2018；Zhang et al., 2020a).井中气枪(BHS-2200LL)激发受水体大小的影响明显，在直径0.2 m的井中受井壁的约束气泡无法形成振荡，产生的信号主要是高频的压力脉冲波，与在直径5.0 m的井中相比，激发幅值上相差1个数量级，但具有较好的可重复性(杨微等，2016).移动系统采用容积为250 in3的气枪，降低了对大水体的依赖，可以在公园水体、河流、湖泊等环境实现快速移动激发.针对多尺度的探测需求形成了不同的探测技术系统，可在地震断裂带、工业开采区等地快速部署和开展监测，进一步扩展了陆地气枪震源的应用范围.
2 陆地水体气枪震源探测系统构成陆地水体气枪震源探测系统由气枪震源激发系统和气枪信号接收系统两部分组成，其中气枪震源激发系统包含气源系统、电控系统、气枪、激发平台和激发水体(见表 1).气源系统由空气压缩机、储气瓶和气控系统组成，主要为气枪震源提供高压空气，保证气枪在正常工作压力下激发，由于气枪的工作压力为200~2000 psi，考虑到气枪震源的激发能效，气源系统的供气压力不低于2000 psi.电控系统控制气枪的激发模式、同步触发信号的精度和监控激发波形质量等.为了保证气枪震源的激发信号具有良好的可重复性，在气源系统上要求控制精度为0.1 MPa，在电控系统上要求激发精度为0.1 ms.
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表 1 陆地水体气枪震源探测系统构成及技术要求 Table 1 The composition and technical requirements of the detection technology using airgun in continental water |
陆地气枪信号接收系统主要是采集、存储和传输地震信号记录，由高性能的地震仪和数据传输设备等组成.为了保证探测系统的相对测量精度能达到10-4，一方面要求地震仪GPS的授时精度优于10-5s，以确保在探测距离较近的射线路径上也可到达测量精度要求.另一方面，地震仪的GPS对钟周期一般为15 min左右，这就要求地震仪的守时精度优于0.1 ppm.另外，表 1给出了陆地水体气枪震源探测系统相关设施的主要作用和关键技术要求等.
与海洋探测系统相比，陆地水体气枪震源激发系统采用的气枪阵列不同，还在激发平台和激发水体等存在差异.海洋探测系统的激发平台是海上作业船，激发水体是可近似无限大的海洋，而陆地探测系统分别是浮台和陆上有限水体.海洋和陆地探测系统在信号接收方面，由于接收介质的差异分别采用水听器和地震仪来记录气枪信号.
3 陆地水体气枪震源探测技术特点 3.1 绿色环保气枪震源产生地震波的能量来自于高压压缩空气在水中的瞬间释放，其绿色环保特征表现如下：
(1) 高压压缩空气在进入气枪前，对压缩过程中产生的油污进行了过滤，不会对水体造成污染.
(2) 高压压缩空气在水中释放，对水体和震源近场不会产生破坏.
(3) 在多个陆地水体中进行长时间激发，未发现气枪激发对水中的鱼类产生影响(表 2).例如，在北京马刨泉激发实验中，将20斤鱼放进渔网里也未见伤亡(Wang et al., 2010).
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表 2 陆地水体气枪震源激发实验情况 Table 2 Experiment of airgun source excited in continental water |
(4) 在陆地水体不同激发环境中，多种不同组合容量的气枪激发在100 m处的峰值加速度均小于0.5 m·s-2(表 2)，对水库大坝的结构安全和周围环境也不会产生影响(陈颙等，2007a；Wang et al., 2010；张元生等，2016).
3.2 良好可重复性震源的高度可重复是开展地下介质变化监测的关键，决定能否在同一探测基线上进行重复多次探测，将探测结果进行对比分析以实现变化监测.这就要求探测基线上的激发点和接收点位置不变，且震源具有可重复性.首先，与其他人工震源相比，气枪震源是在水里激发，不会对激发点近场环境产生破坏，每次激发后经过一段时间均可恢复到激发前的状态，激发点和接收点位置均不变.其次，气枪震源具有高度可重复特征(陈颙等，2007a；王彬等，2015；魏斌等，2016；张元生等，2016；.陈颙等, 2017；Yang et al., 2018；Wang et al., 2018, 2020).在多个陆地水体的气枪激发实验中，对同一地点激发的气枪信号可进行重复性分析(表 2)，在不同水体里激发的气枪信号的重复性存在着一些微弱的差别，但其相关系数均大于0.94.另外，气枪震源通过优化硬件技术系统和对震源信号采用反褶积处理可进一步提高气枪震源的重复性(杨微等，2020).
3.3 大尺度探测陆地水体气枪震源单次激发的能量不强，信号传播到较远距离时常常淹没在噪声中，但由于其具有高度可重复的特征，当气枪激发点与信号接收点的位置不变时，可以对每次气枪激发在同一信号接收点产生的记录进行叠加，以提高气枪信号的信噪比，有效信号可追踪到几百公里，甚至上千公里(图 2).在信号接收条件较好和噪声较为安静的台站，气枪信号单次激发也可传播上百公里，例如，云南宾川气枪信号发射台单次激发信号可传播到112 km的大栗树台站(Wang et al., 2012)，甘肃张掖气枪信号发射台单次激发信号可传播到304 km的古浪台(秦满忠等，2017).
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图 2 新疆呼图壁气枪信号100次叠加(a)和5000次叠加(b)的走时剖面(改自陈颙等, 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) |
对于固定传播路径的地震波波速变化测量，通常采用波形互相关的方法获得地震波走时变化信息，其互相关延时估计理论误差通常用克拉美-罗下限(Cramer-Rao Lower Bound)来估算(Céspedes et al., 1995; Silver et al., 2007；Niu et al., 2008；Wang et al., 2012).走时变化误差不受采样率的影响，主要取决于信号特征，包括信号的重复性、优势频率、信噪比和频宽比等.根据大容量气枪震源信号特征，在信噪比较高(SNR≥20)的情况下，相对走时变化测量精度约为10-4~10-3.在河北遵化上关湖水库、云南宾川大营甸水库、新疆呼图壁人工水体和甘肃张掖西流水水库等水体中开展的大容量气枪震源激发实验，均观测到了由大气压或固体潮等引起的日变化和半日变化(表 2).例如，在云南宾川气枪信号发射台同时观测到了气枪信号直达P波和S波的走时变化(图 3)，具有较好的日变化和半日变化特征(Wang et al., 2020).
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图 3 台站53034(偏移距为4.7 km)观测到的云南宾川气枪信号P波(a)和S波(b)走时随时间的变化关系及其频谱特征(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) |
由于地下介质变化非常微弱，且在地表观测受信噪比、环境(地下水位、温度、大气压)等因素的影响，导致在地表开展变化监测结果可靠性有待提升.而在地震孕育和发生区、断裂带区域和工业开采区等地下介质的应力变化较大，相对容易被观测到(Ikuta and Yamaoka, 2004；Niu et al., 2008；杨微等，2010；张元生等，2017；Yang et al., 2018；Wang et al., 2020)，可用于波速变化机理的分析和研究.目前，陆地水体气枪震源探测技术主要应用于地震前后物理过程、断裂带介质变化和储气库生产运行等方面的监测研究.
4.1 地震前后物理过程研究在20世纪70年代，Reasenberg和Aki(1974)提出了可以用人工震源重复探测地下介质的状态变化以探索和实现地震预报的想法，但是需要寻找一种高性能的重复震源能持续向地下发射地震波.近来大量的研究表明，地下介质的波速会在地震前后发生明显的变化(Niu et al., 2008; Brenguier et al., 2008; 杨微等, 2010; Li et al., 2017; Pei et al., 2019)，这些波速变化能很好地反应地下介质应力状态的改变.
陆地气枪震源的传播距离通过叠加可达几百公里，可对地下深部介质进行多次重复探测，分析孕震深度层介质应力状态及其随时间的变化，以促进对地震孕育和发生的物理过程进行研究，为分析和了解地下孕震区的介质变化过程研究提供科学的物理信息.2010、2014和2015年分别在地震活动性较强的云南宾川(Wang et al., 2012)、新疆呼图壁(魏斌等，2016)和甘肃祁连山(张元生等，2016)等地区建立了固定气枪信号发射台，间隔激发向外发射地震波信号.
在各个固定气枪信号发射台运行期间，气枪信号的覆盖区域内都发生过MS5-6级的中强地震(魏芸芸等，2016；张元生等，2017；陈佳等，2017；刘志国等，2019；杨建文等，2019)，均发现在地震前，震中附近台站观测到的走时变化比距离震中较远台站的变化大，较远多个台站的走时变化趋势一致，且震中附近台站观测到的走时变化幅度明显大于离震中较远的台站.例如，张元生等(2017)对地震前后的Pg和Sg震相走时变化进行分析，在震源区台站观测到明显的变化，且变化具有一致性，明显大于远震区台站的变化量(图 4)，而在此期间其他地球物理技术手段未观测到变化.随着观测资料的积累和震例的增加，对地震的孕育过程会逐步认识和了解，陆地水体气枪震源探测技术为地震物理预测提供了一种可能的技术途径.
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图 4 (a) 甘肃张掖气枪信号发射台、观测台站及地震震中分布图；(b)和(c)分别为远离地震区台站ZDY14和ZDY17观测到的Pg(圆点)和Sg(三角形)走时变化图；(d)和(e)分别为近震区台站63001和QIL观测到的Pg(圆点)和Sg(三角形)走时变化图(改自张元生等，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) |
在区域构造应力的作用下，地球介质会产生应力积累并发生变形.而断裂带是地球介质中相对薄弱的地区，在这些地区更容易产生应力积累而产生地震.断裂带应力的变化在整个地震孕育和发生的过程中起着至关重要的作用(如Scholz, 2002).因此研究断裂带应力状态及其变化对于认识构造演化，以及地震的孕育发生过程至关重要.
川滇地区为我国长期以来的地震重点监视区之一，其中程海断裂带和小江断裂带等是主要的活动断裂带，受青藏高原东向挤出作用的影响，该区域小震震群活动频繁.程海断裂带是宾川盆地的主控断裂带，发育于宾川盆地的东侧，是一条正断层，在历史上曾发生过1515年73/4级永胜大地震，2001年在永胜段发生6.0级地震.小江断裂带位于川滇菱形地块东南缘，北起云南省巧家县，南至云南省建水县，呈SN走向，在东川以南分为东、西两支(钱晓东和秦嘉政，2008).现代活动方式主要以左旋走滑为主，是一个地质构造较为复杂的区域，曾发生过6.0级以上中强地震10多次，其中最大地震为1833年嵩明8.0级(刘翔等，2006).因此，针对潜在地震危险区的断裂带，利用陆地水体气枪震源探测技术开展介质变化研究具有非常重要的意义.
基于宾川气枪信号发射台，在2012年11月2日至2012年11月9日期间连续163 h进行了气枪震源激发，共激发138次.Wang等(2020)把气枪震源激发产生的P波和S波的波速进行了测量和分析，在多个台站上发现两者都具有日变化和半日变化特征(图 5).通过与常见的日变化因素(温度、大气压和固体潮等)对比分析，解释为温度变化导致热应变引起的波速变化.同时，还发现在断裂带附近或盆地里台站观测到的变化要比山区的大，P波都比S波要大(图 5).根据岩石物理的裂纹模型，岩石在受压或受张之后，裂隙的孔隙度会发生变化，孔隙里会含水，孔隙度变了之后饱和度也会有变化.而山区相对盆地来说比较干燥，只会受孔隙度的影响.因此，孔隙度和饱和度的共同作用导致在断裂带附近或盆地里台站观测到的变化大，且P波和S波的表现不一样.
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图 5 (a) 云南宾川气枪信号发射台及观测台站位置分布图(三角形的大小表示观测到的波速变化大小，红色的是在盆地里的台站，蓝色的是在山区的台站)；(b) 各台站观测到的气枪信号P波(虚线)和S波(实线)的走时变化图(垂直的黑色标尺表示幅度范围为±1 ms)；(c)为(b)中对应各台站走时变化的频谱图(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) |
另外，在深度50 m和直径0.2 m的井中，利用井中气枪跨小江断裂带南段东支(云南省寻甸县)建立了气枪信号激发点，与地面近垂直跨断裂带的测线上布设了9套短周期地震仪，组成了跨断裂带的重复探测系统(图 6a).2014年4月23日至2014年4月28日期间，对井中气枪震源进行连续激发(每30 min激发1次).Yang等(2018)对直达初至波进行了测量和分析，图 6b中显示在多个台站观测到的地震波走时变化趋势一致，且断裂带内波速变化明显高于断裂带外，发现与地下水位变化趋势具有较好的相关性(图 6c和d)，推测观测到的波速变化是源于水位变化引起的孔隙压力、裂纹密度和饱和度变化的综合效应.
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图 6 (a) 跨小江断裂带井中气枪激发位置与观测台站的分布；(b) 各台站观测到的地震波走时变化；(c)和(d) 分别为台站XD2和XD6观测到的走时变化与地下水位变化的关系图(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) |
通过以上观测和分析结果，提升了对地下介质波速变化的机理认识，且在断裂带附近和盆地里台站观测的波速变化幅度大，为今后的地下介质变化监测研究工作提供了一种可能性，若要开展长期变化监测研究，可以选择在主要断裂带或者盆地里，会更容易被观测到.
4.3 储气库生产监测研究地下储气库是将从天然气田采出的天然气重新注入地下可以保存气体的空间而形成的一种人工气田或气藏，保障供气的持续性和可靠性(Katz and Tek, 1981)，主要用于天然气季节调峰和建立战略储备.在正常的生产过程中，储气库的压力差范围在几个到十几个兆帕，频繁往复的应力加载与卸载过程有可能造成地下岩石的疲劳(葛修润等，2003)或增强地下断层的活动性(Goertz-Allmann et al., 2011)，为储气库的正常生产留下安全隐患.因气田开采或灌注诱发的地震活动在世界范围内已被观测到(Dahm et al., 2007; Lei et al., 2008, 2013)，并得到了社会上的广泛关注.
2013年投产的呼图壁储气库是目前我国最大的储气库，总库容为107亿m3，生产库容为45.1亿m3，日注气总量大1123万m3，分布于气库区域几千米范围内的十余口注气井，注气深度约3 km.储气田的日常运营会导致可观的地下应力变化，甚至诱发微地震.因此，监测储气库地下介质变化，对保障气库安全生产和评估储气库周边地震危险性具有重要的意义.
基于新疆呼图壁气枪信号发射台，从2016年6月14日开始，进行了为期16天的连续激发实验，气枪震源每间隔一小时激发一次.图 7a给出了气枪信号发射台、观测台站及储气库的点位分布，对储气库周边的各台站记录的气枪信号进行了波速变化测量和分析，发现在储气库附近的台站观测到走时变化趋势与储气库井口压力变化存在较好的正相关性，其中台站6859位于储气库北方的边界，记录到了较高信噪比的气枪信号，在连续实验期间观测到的走时变化与储气库井口压力变化趋势完全一致(图 7b).呼图壁储气库的走时变化可以很好地解释为储气库压注引起的地下介质变化，而目前页岩气的开采过程中采用的压裂技术，其产生的应力变化比储气库的生产压力大得多.因此，将陆地水体气枪震源探测技术应用于工业开采区的变化监测，有助于更好地认识和解释地下流体引起介质应力变化的物理机理，为今后工业开采区的生产策略奠定基础.
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图 7 (a) 新疆呼图壁气枪信号发射台、观测台站及储气库的位置分布图；(b) 台站6859观测到的气枪信号走时变化与储气库压力的关系图 红色五角星为气枪信号发射台，黑色三角形为地震观测台站，深青色四边形为储气库的分布范围. 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 storage The 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. |
另外，陆地水体气枪震源探测技术也可用于结构探测，中国地震局联合多家单位在长江马鞍山至安庆段，基于船载式气枪震源系统进行了气枪流动激发试验，共激发约5000次，由109个固定地震台和2000多个流动地震台进行接收.利用气枪信号的初至P波和S波进行成像获得了长江沿线的上地壳速度结构(田晓峰等，2016)和郯庐断裂带南段的地壳三维速度结构(Zhang et al., 2020b).同时，还发现气枪震源激发也能产生面波和高阶面波(She et al., 2018; Ji et al., 2021).利用移动式气枪震源技术系统在陆地上进行结构探测尝试时，会受到水体分布的影响，在此不展开详细阐述.
5 面临的问题及发展方向本文全面回顾了陆地水体气枪震源探测技术的发展及应用，近十几年来，在多个水库、人工水体和公园等环境下进行了大量的实验研究，分别在探测技术系统、波速变化分析方法及变化机理认识等方面取得了一些进展.陆地水体气枪震源探测技术已逐渐发展成熟，为多尺度的变化监测与研究奠定了坚实的基础，但仍然存在一些问题限制了其推广及应用：
(1) 陆地气枪信号通过叠加在几百公里外可检测到，但几十公里外的气枪信号用于介质变化监测分析时，信噪比不高导致探测精度受限.
(2) 前期观测到了与地震、人类活动、环境因素等相关的波速变化，但地下介质变化机理分析和研究有待进一步加强.
(3) 缺乏地下介质状态变化模型—4D模型，难以分析和解释观测到的波速变化的时空分布特征.
(4) 气枪震源探测技术系统核心设备(气枪)完全依赖于国外进口，在国内没有工业化的产品.
为了促进陆地水体气枪震源探测技术的应用，更好地解决以上这些问题，我们针对地下介质变化监测研究方面提出了下一步的发展方向.
(1) 提高技术系统测量精度
通过波形互相关获得走时变化测量的精度主要取决信号的重复性、优势频率、信噪比和频宽比等(Céspedes et al., 1995; Silver et al., 2007；Niu et al., 2008；Wang et al., 2012).对于气枪震源来讲，重复性、优势频率和频宽比是固定的，要想提高测量精度就只能提高信噪比，而环境噪声是一定的，只能增强气枪震源能量，可以从三个方面出发：①增加叠加次数，但叠加次数过多会损失时间分辨率；②增加激发气枪震源的容积，例如，目前新疆呼图壁气枪信号发射台为6支2000 in3的气枪；③发展非同步激发技术，针对传播方向提高有效信号的能量进行聚焦探测(姜弢和林君，2004；陈颙等，2006).综合以上三方面的考虑，可以结合研究区域采用适合的组合方式来提高信噪比，以实现测量精度的提高.
另外，地震波走时变化测量方法主要基于波形互相关，有效信号通过裸眼都可识别，但用于走时变化分析时就显得信噪比不够.能否借鉴相控雷达的信息处理技术，尝试对气枪震源进行组合编码激发，发展相应配套的测量方法降低对信噪比的要求.另外，AI技术迅猛发展，大多数应用都是基于寻找和识别相同之处，能否借鉴相关技术去尝试发展新的测量方法，来识别和分析相关的变化.
(2) 加强介质变化机理研究
地震波速度变化测量是开展地下介质动态变化研究的基础，而引起地下介质波速变化的机制有很多.目前，大量的观测研究也确实表明观测到的波速变化与大气压(Silver et al., 2007; Wang et al., 2008)，温度(Ben-Zion and Allam, 2013; Larose et al., 2015; Wang et al., 2020)，固体潮(Yamamura et al., 2003)，降雨(Wang et al., 2008)，地震(Ikuta and Yamaoka, 2004; Niu et al., 2008; 杨微等, 2010；Li et al., 2017; Pei et al., 2019)和地下水位(Yang et al., 2018)等因素有关，且在不同地方观测的变化也存在差异，引起介质波速变化的机理还有待进一步分析.今后可考虑在波速变化较大的地震断裂带或工业开采区，尤其在页岩气开采或储气库生产过程中的地震活动区进行监测，结合光纤传感技术进行密集观测(李孝宾等，2020；宋政宏等，2020)，开展深入分析和应用研究.
(3) 发展和建立区域4D模型
利用气枪震源开展地下介质变化研究都是观测到由震源与接收点之间地震波性质的变化.受单个震源的限制，测量结果很难约束介质变化的空间范围.通过建立多个震源组成的地震波发射网络，就可以实现地震波射线路径的交叉覆盖，可以大大提升观测效率，同时分析多个震源产生的地震波信号，还可以对地下介质变化的空间分布进行较好的约束.4D模型需要在高精度3D模型和波速变化机理的基础上发展起来，可以先集中力量，围绕一个典型区域，开展多震源的连续变化监测研究，发展和完善区域介质地震波速度变化的机理，促进4D模型的建立.若建立了区域4D模型，可用尽可能少的台站(发射和接收台)，对该区域介质状态变化实现快速准确的时空分布特征分析，从而开展相关事件的预测和预报.
(4) 探测技术系统产品化
气枪震源起源于美国，在海洋油气、矿产等资源探测方面发展较快.国内在气枪震源核心技术和相关产品等方面较为落后，主要是气枪震源的稳定性和同步性要求非常高，与高性能材料、精密加工等密不可分.中国石油集团东方地球物理公司和自然资源部地质调查局等分别在震源研制和激发控制方面进行了一些尝试和探索，但核心产品都还是依赖于国外进口.近年来，国家出台了一系列推进自主创新的政策，希望在不久的将来，陆地气枪震源探测技术系统能完全实现国产化和产品化.
6 结论通过我国科技人员近20年的探索和发展，气枪震源在陆地有限水体中的研究工作取得了较大的进步，主要成果如下：
(1) 陆地水体气枪震源探测技术已逐步发展成熟，针对多尺度介质变化监测需求，研制并形成了固定式、移动式和井中气枪震源探测技术系统，从完全依赖进口发展为国产化率显著提升，为开展变化监测研究提供了有力工具.
(2) 陆地水体气枪震源探测技术具有绿色环保、高度可重复等特征，通过叠加可传播几百公里，相对走时变化测量精度为10-4~10-3，可观测到由大气压或固体潮等引起的日变化和半日变化.
(3) 在地震前，震源区附近台站和距离震中较远台站观测到的走时变化分别都具有一致的趋势，且震中附近台站观测到的走时变化幅度明显大于距离震中较远的台站，促进了对地震孕育过程的了解和认识.
(4) 在断裂带观测到了与温度和地下水位变化等相关的波速变化，揭示了温度和流体在波速变化监测中的重要作用，提升了波速变化的机理认识.断裂带附近和盆地里台站观测的波速变化幅度大，为今后地下介质变化监测研究工作的位置选择提供了一种可能性.
(5) 在工业开采区观测到的走时变化与储气库井口压力变化趋势具有较好的正相关性，主要是储气库生产过程中压力变化引起的地下介质变化，可以为储气库和页岩气开采的安全生产监测等提供一种新的技术途径.
利用可重复性震源连续监测地下介质的时空演化特征，逐渐成为4D地震学的研究热点和重要发展方向之一，为地震的物理过程研究和地下资源开采监测等提供了重要的技术手段.若在全国强震危险区、地震构造主要断裂带和工业开采区等建立多个陆地气枪信号发射台，对潜在地震危险区和工业开采区进行长期的连续监测，可为我国防震减灾和工业开采区的安全生产等工作提供重要的科技支撑.
致谢 谨此祝贺陈颙先生从事地球物理教学科研工作60周年.在陆地水体气枪震源探测技术的发展过程中，得到了中国地震局、中国科学院、教育部(大学)、中国石油集团公司、中国石油化工集团公司等相关单位及下属机构的大力支持与帮助，在此表示衷心的感谢.另外，感谢甘肃省地震局的张元生研究员和新疆维吾尔自治区地震局的苏金波工程师提供了相关图件.同时，感谢三位评审专家提出的宝贵建议.
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