王偉濤+王寶善+蔣生淼+胡久鵬+張?jiān)?/p>

摘要：氣槍震源在大陸淺部探測(cè)中的應(yīng)用日益廣泛。首先描述了大容量氣槍震源在陸地水體內(nèi)的激發(fā)特征，分析了其由海洋轉(zhuǎn)入陸內(nèi)水體激發(fā)實(shí)現(xiàn)的激發(fā)模式、激發(fā)環(huán)境和探測(cè)方法的轉(zhuǎn)變；然后介紹了氣槍震源在探測(cè)大陸淺部速度結(jié)構(gòu)及監(jiān)測(cè)彈性波速隨時(shí)間變化當(dāng)中的應(yīng)用；最后簡(jiǎn)述了氣槍震源在地震學(xué)研究中的潛在應(yīng)用及面臨的挑戰(zhàn)。實(shí)踐證明，陸地水體內(nèi)激發(fā)的氣槍震源是一種綠色、環(huán)保、高效的人工重復(fù)震源，其激發(fā)的信號(hào)可用于區(qū)域尺度的地殼結(jié)構(gòu)成像，在一定程度上可替代傳統(tǒng)炸藥震源。同時(shí)，其激發(fā)的高度重復(fù)的信號(hào)可用于彈性波速隨時(shí)間變化的監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度可達(dá)到10-4。氣槍震源是一種新型的、發(fā)展中的震源，仍需要對(duì)其震源特性和信號(hào)處理技術(shù)開(kāi)展深入的研究以拓展其在地震學(xué)研究中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：氣槍震源；淺部探測(cè)；波速變化

中圖分類(lèi)號(hào)：P315.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2017）04-0514-11

0引言

自地震學(xué)誕生以來(lái)，研究人員通過(guò)對(duì)地震波的產(chǎn)生和傳播規(guī)律的研究，獲取了地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、組成和狀態(tài)變化的信息。我們對(duì)于地球內(nèi)部的了解，大部分來(lái)源于地震波，地震波是“照亮地球的一盞明燈”（陳颙，朱日祥，2005）。根據(jù)產(chǎn)生地震波的震源及研究目標(biāo)的不同，地震學(xué)逐漸分化為兩大主要分支：天然地震學(xué)和勘探地震學(xué)。天然地震學(xué)以天然地震為主要震源，利用專(zhuān)業(yè)地震臺(tái)站構(gòu)成接收系統(tǒng)，在全球尺度至區(qū)域尺度（幾十到幾百千米）對(duì)地下介質(zhì)進(jìn)行研究?？碧降卣饘W(xué)則主要以人工震源主動(dòng)發(fā)射地震波，以密集布設(shè)的檢波器為接收設(shè)備，研究局部尺度（幾百米至十幾千米）精細(xì)的淺層礦產(chǎn)資源分布。在遵循地震波傳播規(guī)律的基礎(chǔ)上，二者相互借鑒又獨(dú)立發(fā)展。近年來(lái)，在很多領(lǐng)域，尤其是針對(duì)地球淺部的研究中，二者有逐漸融合的趨勢(shì)。

地球的淺部，是相對(duì)于地球半徑而言，包含極淺部的近地表沉積層直至地殼和上地幔頂部。地球淺部，尤其是人類(lèi)生活的大陸的淺部結(jié)構(gòu)、狀態(tài)及其變化，是天然地震學(xué)和勘探地震學(xué)共同關(guān)心的問(wèn)題。以資源探查為主要目標(biāo)的勘探地震學(xué)主要研究數(shù)米至數(shù)千米深度的地下介質(zhì)。然而，隨著淺層能源日益減少及近年來(lái)非常規(guī)油氣（如頁(yè)巖氣）的發(fā)展，勘探地震學(xué)也逐漸關(guān)注更加深部的信息。同時(shí)，天然地震學(xué)也借鑒勘探地震學(xué)的接收系統(tǒng)，利用大量布設(shè)的密集臺(tái)站，加強(qiáng)對(duì)近地表構(gòu)造和狀態(tài)的研究（Schmandt，Clayton，2013）。兩者在大陸淺部具有共同的研究對(duì)象，其融合的關(guān)鍵，在于尋找到一種合適的震源，既能滿(mǎn)足勘探地震學(xué)中對(duì)震源位置和時(shí)間可控的要求，又能實(shí)現(xiàn)較大范圍的探測(cè)用于天然地震學(xué)的研究。

人工震源是勘探地震學(xué)使用的主要震源，也是天然地震學(xué)所利用的震源之一。在傳統(tǒng)研究中，人工震源使用最多的是利用化學(xué)爆炸產(chǎn)生地震波的爆破震源。爆破震源可實(shí)現(xiàn)幾十克到幾千千克劑量的爆破，其激發(fā)的地震波可傳播幾百米至幾百千米，在人工震源發(fā)展歷史上扮演了重要的角色。然而，隨著整個(gè)社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，爆破震源的使用受到越來(lái)越多的限制。同時(shí)，爆破震源本質(zhì)上是一種瞬間強(qiáng)脈沖型震源，爆破往往會(huì)給周邊造成難以恢復(fù)的破壞，很難用于重復(fù)探測(cè)。地震學(xué)家轉(zhuǎn)而探索利用連續(xù)震動(dòng)作為震源，促使了Minisose、Vibroseis及ACROSS等震源的產(chǎn)生和發(fā)展（Yamaoka et al，2001；常旭等，2008；王洪體等，2009）。這些震源為持續(xù)非脈沖型震源，可通過(guò)互相關(guān)、卷積等后續(xù)處理來(lái)獲取地下結(jié)構(gòu)對(duì)脈沖沖擊的響應(yīng)。然而，這樣的震源能量轉(zhuǎn)化成地震波的效率較低，并且長(zhǎng)期的連續(xù)觀測(cè)也會(huì)對(duì)震源激發(fā)場(chǎng)地造成破壞，進(jìn)而影響信號(hào)的重復(fù)性。

近年來(lái)，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究的方式，探索人工震源在研究大陸淺部的應(yīng)用（Wang et al，2010，2012；王寶善等，2016）。實(shí)驗(yàn)研究表明，將海洋中的氣槍震源在陸地水體內(nèi)激發(fā)，是研究大陸淺部結(jié)構(gòu)和變化的有效手段。氣槍震源是一種在水中激發(fā)的震源，它通過(guò)水下瞬間釋放高壓空氣而激發(fā)地震波，在一定程度上可視為脈沖型震源。由于水體的自恢復(fù)性，氣槍震源在多次激發(fā)中可以產(chǎn)生重復(fù)性很高的信號(hào)。在多次激發(fā)的時(shí)間尺度內(nèi)，氣槍震源等效為一種連續(xù)脈沖震源。這種特征，使得可以通過(guò)簡(jiǎn)單疊加提升信號(hào)的傳播距離，同時(shí)使得氣槍震源在重復(fù)探測(cè)上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

地震研究40卷第4期王偉濤等：利用氣槍震源探測(cè)大陸淺部的地震學(xué)研究回顧與展望自2011年在云南賓川建成第一個(gè)氣槍震源發(fā)射臺(tái)后，至今在全國(guó)范圍內(nèi)已經(jīng)建立了多個(gè)氣槍震源發(fā)射臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了地震波在陸地水體中的主動(dòng)發(fā)射，對(duì)幾十到幾百千米范圍內(nèi)的地下介質(zhì)進(jìn)行主動(dòng)的、重復(fù)的探測(cè)（王寶善等，2016）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，我們分析了氣槍震源在陸地水體內(nèi)激發(fā)的特征，并在探測(cè)地殼淺部結(jié)構(gòu)和波速變化方面開(kāi)展了應(yīng)用探索。

1陸地水體內(nèi)激發(fā)的大容量氣槍震源特征

氣槍震源是海洋勘探中廣泛使用的震源，利用其高頻沖擊信號(hào)可以對(duì)較小區(qū)域的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。然而船載激發(fā)模式及高頻信號(hào)的有限傳播距離，限制了其在大陸淺部介質(zhì)上的應(yīng)用研究。為克服這種限制，我們使用了大容量氣槍震源在陸地水體進(jìn)行激發(fā)以提升氣槍震源的探測(cè)范圍（陳颙等，2007）。在探索將氣槍震源從海洋激發(fā)轉(zhuǎn)為陸地水體激發(fā)的實(shí)驗(yàn)研究中，氣槍震源信號(hào)的高度重復(fù)、綠色環(huán)保及平均激發(fā)成本低等優(yōu)勢(shì)得以保持，并呈現(xiàn)了新的特征，更適用于作為一種進(jìn)行大陸淺部探測(cè)的優(yōu)良震源。

1.1激發(fā)模式的轉(zhuǎn)變

氣槍震源在陸地水體激發(fā)，實(shí)現(xiàn)了激發(fā)模式的轉(zhuǎn)變。氣槍震源是一種瞬時(shí)沖擊型震源，其釋放的沖擊包含高壓空氣瞬間釋放產(chǎn)生的高頻沖擊，以及沖擊形成的氣泡振蕩所形成的低頻沖擊。這些沖擊信號(hào)的特征由氣槍的充氣壓力、觸發(fā)時(shí)間和氣槍容量共同控制。海洋勘探成像主要關(guān)注小尺度的精細(xì)結(jié)構(gòu)，因此往往采用不同容量的氣槍組成調(diào)諧氣槍陣列，通過(guò)控制氣槍的容量組合和激發(fā)時(shí)間來(lái)突出高頻沖擊，壓制低頻沖擊。由此形成的較為高頻的地震波有助于高精度的成像結(jié)果。在陸地水體激發(fā)時(shí)，高頻信號(hào)衰減過(guò)快、傳播距離有限，不利于進(jìn)行區(qū)域尺度的大陸淺部探測(cè)研究。因此在將氣槍震源引入陸地水體激發(fā)時(shí)，我們采用了大容量（單槍氣室容量0.13 m3）的氣槍震源，并采用多條氣槍使用非調(diào)諧模式進(jìn)行激發(fā)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)其低頻沖擊信號(hào)以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的探測(cè)，其激發(fā)模式的差異如圖1所示。這一激發(fā)模式的轉(zhuǎn)變，這大大增加了陸地水體內(nèi)大容量氣槍震源激發(fā)信號(hào)的傳播距離。多次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用4條0.13 m3大容量氣槍在15 MPa圖1海洋勘探中的氣槍陣列（a）及陸地水體壓力下激發(fā)，其產(chǎn)生的地震波的信號(hào)主頻為2～8 Hz。在進(jìn)行100次線性疊加之后，其信號(hào)在多個(gè)地區(qū)均可傳播至300～500 km（王寶善等，2016）。大容量氣槍震源信號(hào)的主頻范圍，使其在保證傳播距離的基礎(chǔ)上保留了對(duì)地下介質(zhì)相對(duì)較高的分辨率，且其主頻在專(zhuān)業(yè)地震臺(tái)的通帶頻率范圍內(nèi)，易于被接收系統(tǒng)記錄。這種激發(fā)模式的轉(zhuǎn)變，使得氣槍在保持其人為可控的主動(dòng)震源特征下，將其探測(cè)范圍擴(kuò)展到了百千米量級(jí)，從一種工業(yè)勘探設(shè)備轉(zhuǎn)化為優(yōu)良的地震學(xué)研究工具。endprint

1.2激發(fā)環(huán)境的轉(zhuǎn)變

氣槍震源在陸地水體內(nèi)激發(fā)，實(shí)現(xiàn)了激發(fā)環(huán)境從無(wú)限水體到有限水體的轉(zhuǎn)變。其激發(fā)過(guò)程涉及到高壓氣體、水體和固體地球3種相態(tài)物質(zhì)的耦合，由其產(chǎn)生的地震波特征也受到這種復(fù)雜耦合過(guò)程的影響。由于氣槍總是在水面以下特定深度激發(fā)，其高壓空氣沖擊所釋放的能量主要為3個(gè)邊界所控制：①水面可視為自由邊界，傳播至水面的能量被完全損耗；②水體底部是主要的能量吸收和轉(zhuǎn)換邊界，吸收傳播至此的能量并轉(zhuǎn)化為地震波向外傳播；③水體的側(cè)面邊界也控制著沖擊能量到地震波的轉(zhuǎn)化。氣槍從海洋中無(wú)限水體內(nèi)的激發(fā)轉(zhuǎn)化為陸地有限水體內(nèi)激發(fā)，使得這3種邊界呈現(xiàn)了不同的特征，從而進(jìn)一步影響氣槍所激發(fā)的地震波的特性。

氣槍釋放能量在水面自由邊界會(huì)產(chǎn)生損耗，因此氣槍的沉放深度影響地震波轉(zhuǎn)化效率。圖2顯示了祁連山氣槍發(fā)射臺(tái)在激發(fā)點(diǎn)附近200 m的地震臺(tái)記錄到的不同沉放深度下單次氣槍記錄的相對(duì)振幅變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著氣槍沉放深度的圖2氣槍震源在不同沉放深度下近場(chǎng)臺(tái)站增加，其損耗能量減小，地震波能量的轉(zhuǎn)化效率增加?？紤]到實(shí)際場(chǎng)地限制，一般建議氣槍的沉放深度在水下15 m或者更深為佳。

在海洋無(wú)限水體中，相對(duì)于高壓氣泡沖擊的影響范圍，其側(cè)邊界和底面邊界均可視為無(wú)限的邊界。而在陸地的有限水體中，這兩個(gè)邊界都是有限的，并且跟水體的總量相關(guān)聯(lián)。圖3顯示了氣槍震源在不同容量的水體中激發(fā)時(shí)，震源附近記錄到的地震波波形和能量的時(shí)頻分布。從圖中可見(jiàn)，總量較小的水體（如水井等）往往對(duì)應(yīng)有限的底部和側(cè)面邊界，過(guò)小的底面邊界不利于充分吸收氣泡沖擊向下的傳播能量。而距離高壓氣體釋放點(diǎn)過(guò)近的側(cè)面邊界會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的反射作用，甚至可能破壞高壓氣泡的振蕩過(guò)程，從而不利于較低頻信號(hào)的產(chǎn)生，在增加波形復(fù)雜性的同時(shí)造成過(guò)多的能量損耗（Chen et al，2014；楊微等，2016）。在總量較多的水體（如水庫(kù)）中，其底面邊界相對(duì)較大，可以吸收大部分向下傳播的能量。但由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，氣槍激發(fā)裝置往往需要固定圖3在不同容量水體內(nèi)激發(fā)的氣槍信號(hào)波形在距離水體固體邊界幾百米處以利于工作。當(dāng)較強(qiáng)的沖擊能量傳播至固體邊界時(shí)，會(huì)同側(cè)面邊界相互作用產(chǎn)生較強(qiáng)的反射和折射作用，從而影響地震波的最終形態(tài)。

在分析研究了氣槍在有限水體內(nèi)激發(fā)的影響因素后，我們?cè)谛陆魣D壁建設(shè)了水體總量較大的人工規(guī)則水體激發(fā)環(huán)境，使其底面及側(cè)面邊界更易于吸收沖擊能量轉(zhuǎn)化為地震波。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于單次氣槍激發(fā)，其產(chǎn)生地震波的能量等效于一次ML0.9地震，略大于相同激發(fā)參數(shù)下賓川天然水庫(kù)中的ML0.7地震（魏斌等，2016）。

1.3探測(cè)方法的轉(zhuǎn)變

氣槍震源在陸地水體激發(fā)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)震動(dòng)震源到弱震動(dòng)震源探測(cè)方法的轉(zhuǎn)變。震源所釋放出來(lái)的信號(hào)的強(qiáng)度決定著它能探測(cè)的地下介質(zhì)的范圍。一個(gè)8級(jí)天然地震釋放的地震波可以震撼整個(gè)地球，提供地球極深部的信息。在人工地震測(cè)深研究中，為了獲取更清晰的地震波信號(hào)，往往使用大當(dāng)量的爆破作為強(qiáng)震動(dòng)震源來(lái)提升信號(hào)強(qiáng)度，其爆破劑量從幾百公斤到幾噸不等。然而，通過(guò)簡(jiǎn)單提升單次震源強(qiáng)度以提高探測(cè)能力的方式越來(lái)越受到制約。大當(dāng)量化學(xué)爆破會(huì)嚴(yán)重破壞環(huán)境，同時(shí)大當(dāng)量爆破震源往往會(huì)對(duì)爆破點(diǎn)造成強(qiáng)烈破壞，無(wú)法進(jìn)行高重復(fù)度的原地測(cè)量。以相對(duì)較弱的單次激發(fā)，通過(guò)累加獲取較大探測(cè)距離的無(wú)損探測(cè)模式成為新的發(fā)展趨勢(shì)。

氣槍具有間隔脈沖源的特征，可以在同一地點(diǎn)產(chǎn)生高度重復(fù)的脈沖沖擊，從而可以利用單次較弱的能量通過(guò)累加獲取較強(qiáng)能量。氣槍單次激發(fā)所釋放的能量較弱，對(duì)近場(chǎng)場(chǎng)地的影響很小。實(shí)驗(yàn)表明，在距離激發(fā)震源600 m的位置，氣槍單次震動(dòng)所產(chǎn)生的峰值加速度已經(jīng)接近背景振動(dòng)水平，對(duì)激發(fā)環(huán)境而言屬于無(wú)損激發(fā)（劉必?zé)舻龋?011）。這使得氣槍震源可以用于城市地下結(jié)構(gòu)探測(cè)、建筑物無(wú)損探測(cè)等對(duì)無(wú)損激發(fā)具有嚴(yán)格要求的環(huán)境中。同時(shí)，得益于氣槍的高度重復(fù)特征，通過(guò)對(duì)多次激發(fā)進(jìn)行疊加，在探測(cè)范圍上可以等效于一次強(qiáng)震動(dòng)激發(fā)。我們?cè)诰嚯x賓川氣槍震源300 m的陸地進(jìn)行了一次900 kg炸藥爆破，并對(duì)比了同一測(cè)線上110次氣槍信號(hào)疊加波形（圖4）。結(jié)果顯示，在同樣的測(cè)線上，110余次氣槍疊加的信號(hào)傳播距離優(yōu)于900 kg炸藥的激發(fā)。就震源而言，通過(guò)疊加多次高度重復(fù)的激發(fā)，提高了震源的等效強(qiáng)度。同時(shí)，在多次疊加，也可以壓制不相干的噪聲信號(hào)，突出由氣槍震源發(fā)射的相干信號(hào)，從而進(jìn)一步提升了信噪比。圖4同一測(cè)線上氣槍震源100次信號(hào)疊加（a）以弱震動(dòng)震源通過(guò)累加的方式去等效強(qiáng)震動(dòng)震源，是現(xiàn)代地震學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要方向。最近10年來(lái)發(fā)展的背景噪聲互相關(guān)方法（Shapiro et al，2005）就是通過(guò)相干累加獲取高信噪比信號(hào)的經(jīng)典案例，連續(xù)激發(fā)的Virbroseis、ACROSS震源也屬于此范疇。相比于這些震源，氣槍的單次激發(fā)均為類(lèi)脈沖沖擊，通過(guò)簡(jiǎn)單疊加即可實(shí)現(xiàn)震源能量的增強(qiáng)，有利于簡(jiǎn)化后續(xù)分析。同時(shí)，氣槍激發(fā)的信號(hào)以體波信號(hào)為主，相比噪聲互相關(guān)方法得到的面波信號(hào)，可以提供更深部的地下介質(zhì)的信息。

氣槍震源在陸地水體的激發(fā)，為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)震動(dòng)震源到弱震動(dòng)震源探測(cè)方法的轉(zhuǎn)變提供了重要的參考。這使得氣槍震源在合適的條件下可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)爆破震源，同時(shí)又克服了爆破震源使用環(huán)境的限制，拓展了氣槍震源的應(yīng)用范圍，即可應(yīng)用于淺部結(jié)構(gòu)的勘探，也可以用于區(qū)域尺度大陸淺部的成像研究。

2氣槍震源在探測(cè)大陸淺部結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

在陸地水體內(nèi)激發(fā)的大容量氣槍震源的激發(fā)時(shí)間和激發(fā)條件都人為可控，具有勘探地震學(xué)震源的特征。而其所探測(cè)的距離和深度又可延伸至天然地震學(xué)所關(guān)注的區(qū)域尺度研究，這使得氣槍震源在探測(cè)大陸淺部結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。

大容量氣槍在陸地水體內(nèi)激發(fā)的信號(hào)經(jīng)過(guò)疊加后可以傳播幾百千米，同時(shí)，其發(fā)射的地震波還具有信號(hào)重復(fù)、震相豐富等特征，在一定程度上可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)爆破震源對(duì)大陸淺部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。圖5上關(guān)湖實(shí)驗(yàn)中200次激發(fā)信號(hào)疊加信號(hào)在200 km測(cè)線上傳統(tǒng)的爆破震源主要產(chǎn)生P波信號(hào)，而氣槍震源信號(hào)中除含有P波信號(hào)之外，還含有豐富的S波信號(hào)，震相相對(duì)豐富。因此，在分析反射和折射剖面中，可以對(duì)P波和S波信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合分析。利用在燕山隆起南部布設(shè)的200 km測(cè)線所記錄到的氣槍信號(hào)，我們分析了其震相特征，并對(duì)該地區(qū)的P波、S波速度結(jié)構(gòu)及地殼泊松比進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該地區(qū)上、下地殼中各存在一個(gè)明顯的低速層，且其成因不同（林建民等，2008；陳劍雄等，2011；陳蒙等，2013）。endprint

氣槍震源在固定點(diǎn)激發(fā)時(shí)，其震源位置固定，波形高度重復(fù)。這種特性使得我們不僅可以在單一測(cè)線上通過(guò)疊加獲取高信噪比數(shù)據(jù)，而且可以將震源視為恒定，分期布設(shè)多個(gè)測(cè)線以實(shí)現(xiàn)更大范圍和更高密度的觀測(cè)。2015年底，我們?cè)谫e川地區(qū)1 km×0.5 km的區(qū)域內(nèi)，利用86臺(tái)地震計(jì)布設(shè)了觀測(cè)系統(tǒng)以記錄氣槍信號(hào)。得益于氣槍震源的重復(fù)性，實(shí)驗(yàn)采用了分期移動(dòng)布設(shè)的方法，最終利用86臺(tái)三分量數(shù)字地震儀獲取了543個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，觀測(cè)點(diǎn)平均間距30 m，如圖6所示。

在福建開(kāi)展的棉花灘水庫(kù)氣槍激發(fā)實(shí)驗(yàn)中，利用50臺(tái)地震計(jì)，通過(guò)類(lèi)似方法，獲取了臺(tái)間距為1 km的250 km長(zhǎng)度的測(cè)線（陳惠芳等，2016）。超密集觀測(cè)系統(tǒng)一直以來(lái)被勘探地震學(xué)使用，近年來(lái)也被天然地震學(xué)研究所采用并催生了一些新的研究方法，獲得了較好的結(jié)果（Schmandt et al，2013）。利用氣槍震源定點(diǎn)激發(fā)的重復(fù)性，可以利用有限的觀測(cè)儀器，構(gòu)建超密集觀測(cè)系統(tǒng)，這對(duì)于獲取精細(xì)的大陸地殼淺部結(jié)構(gòu)特征大有裨益。

定點(diǎn)激發(fā)的氣槍震源在測(cè)線上的記錄可以用于廣角反射和折射剖面的研究。而利用多點(diǎn)激發(fā)的氣槍震源，輔以密集觀測(cè)，則可為三維體波成像提供必要的數(shù)據(jù)支持。氣槍震源的多點(diǎn)激發(fā)，可以通過(guò)在多個(gè)陸地水體內(nèi)同時(shí)或分期進(jìn)行定點(diǎn)激發(fā)實(shí)現(xiàn)，也可以使用船載氣槍震源在陸內(nèi)河流內(nèi)進(jìn)行流動(dòng)激發(fā)獲得。2015年10月，我們使用船載氣槍震源沿著長(zhǎng)江蕪湖—安慶段進(jìn)行了氣槍震源的流動(dòng)激發(fā)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)期間，氣槍震源在長(zhǎng)江中20個(gè)固定激發(fā)點(diǎn)共激發(fā)了4 000多次，其激發(fā)點(diǎn)位以圖7a中紅色五角星表示。實(shí)驗(yàn)接收系統(tǒng)采用固定地震臺(tái)與流動(dòng)地震儀相結(jié)合的方式。圖7a中黃色和綠色三角顯示了在觀測(cè)區(qū)域內(nèi)由1 000個(gè)流動(dòng)地震臺(tái)組成的11條測(cè)線，每條測(cè)線長(zhǎng)約200 km；為更好的對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，我們利用100個(gè)流動(dòng)臺(tái)站組成的2個(gè)小型觀測(cè)臺(tái)陣接收氣槍信號(hào)，用藍(lán)色和紅色倒三角表示；同時(shí)，該區(qū)域內(nèi)還包含160個(gè)連續(xù)觀測(cè)的固定臺(tái)站，以黑色倒三角表示。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)系統(tǒng)記錄到了豐富的氣槍震源信號(hào)，可用于對(duì)該區(qū)域波速結(jié)構(gòu)的探測(cè)研究。張?jiān)迄i等（2016）利用固定臺(tái)站記錄到的氣槍信號(hào)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了層析成像，展示了流動(dòng)氣槍源在三維體波成像中的應(yīng)用，如圖7b所示。船載氣槍震源在長(zhǎng)江流域的激發(fā)和觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，為研究長(zhǎng)江中下游大陸淺部結(jié)構(gòu)、礦產(chǎn)分布及成因等提供了豐富的觀測(cè)資料。同時(shí)，這種實(shí)驗(yàn)探索使得我們可以在一些構(gòu)造穩(wěn)定、發(fā)生天然地震較少的區(qū)域，利用氣槍震源的多點(diǎn)激發(fā)和流動(dòng)激發(fā)，獲取豐富的體波走時(shí)數(shù)據(jù)，分析大陸淺部的三維波速結(jié)構(gòu)。

除在陸地水體激發(fā)外，利用船載的大容量氣槍震源在近海進(jìn)行流動(dòng)激發(fā)，陸地臺(tái)站和海底地震儀聯(lián)合接收的方法，可以對(duì)海陸過(guò)渡帶的地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)的研究（丘學(xué)林等，2007；徐輝龍（a）氣槍長(zhǎng)江實(shí)驗(yàn)中的激發(fā)點(diǎn)位和觀測(cè)系統(tǒng)分布（b）利用固定臺(tái)記錄到的氣槍P波獲得的層析成像結(jié)果（張?jiān)迄i等，2016）TLF：郯廬斷裂；SDF：壽縣—定遠(yuǎn)斷裂；CHF：滁河斷裂；MSF：茅山東斷裂；JNF：江南斷裂；YCF：陽(yáng)新—常州斷裂；XGF：襄樊—廣濟(jì)斷裂；XLF：信陽(yáng)—六安斷裂；長(zhǎng)江中下游礦集區(qū)：JR：九瑞；AQ：安慶；LZ：廬樅；TL：銅陵；NW：寧蕪；NZ：寧鎮(zhèn)圖7氣槍長(zhǎng)江實(shí)驗(yàn)中的激發(fā)和觀測(cè)系統(tǒng)及在P波層析成像結(jié)果等，2012）。作為一種人工震源，船載氣槍源的激發(fā)位置和時(shí)間都是人為可控的，因此可以事先規(guī)劃觀測(cè)系統(tǒng)和激發(fā)位置，根據(jù)研究目的獲取最優(yōu)化的震源和接收點(diǎn)組合。海域激發(fā)的大容量氣槍震源可在一定程度上改善海域地震不足、地震位置和時(shí)間不可控對(duì)成像研究的限制，對(duì)于研究中國(guó)海陸構(gòu)造帶結(jié)構(gòu)，解釋其構(gòu)造歷史具有重大的意義。

當(dāng)對(duì)大陸淺部的速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)，氣槍震源可被視為傳統(tǒng)的爆破震源。因此，在勘探地震學(xué)和天然地震學(xué)發(fā)展起來(lái)的多種成熟的成像方法均可移植到基于氣槍震源的結(jié)構(gòu)成像研究中。同時(shí)，相比天然地震，氣槍震源的激發(fā)時(shí)刻和位置均可精確測(cè)量，可以減小震源因素在成像結(jié)果中引入的誤差，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的精細(xì)化研究。

3氣槍震源在研究大陸淺部物質(zhì)狀態(tài)變化中的應(yīng)用

利用地震學(xué)的方法，監(jiān)測(cè)地下介質(zhì)的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)隨時(shí)間的變化，開(kāi)展包含時(shí)變信息的4D地震學(xué)研究，是現(xiàn)代地震學(xué)發(fā)展的重要方向。從地震學(xué)的視角，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)某一區(qū)域的物理性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致穿過(guò)該區(qū)域的地震波特征發(fā)生變化。利用相同的震源和觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，就可以通過(guò)分析地震波的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地下介質(zhì)的4D監(jiān)測(cè)，繪制“地下云圖”。

地震波的波速/走時(shí)是易于測(cè)量的物理量，利用測(cè)量地震波波速變化來(lái)探索地震在孕育和發(fā)生過(guò)程中伴隨的地下介質(zhì)的狀態(tài)變化，一直是地震學(xué)研究的重要方向。地震在孕育和發(fā)生的整個(gè)物理過(guò)程中，會(huì)引起介質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，改變其彈性性質(zhì)，進(jìn)而影響其彈性波速，從而導(dǎo)致多次重復(fù)測(cè)量得到的地震波走時(shí)發(fā)生變化。研究表明，地震孕育過(guò)程所引起的波速變化非常小，其波速/走時(shí)的相對(duì)變化量在10-4量級(jí)（Wang et al，2008）。早在20世紀(jì)70年代初，地震學(xué)家已經(jīng)嘗試?yán)脷鈽屨鹪粗鲃?dòng)向地下發(fā)射地震波，研究地殼淺部10～20 km波速變化（Reasenberg，Aki，1974）。隨著觀測(cè)儀器記錄精度的提升和數(shù)據(jù)處理方法的發(fā)展，眾多研究人員嘗試用多種震源來(lái)監(jiān)測(cè)與地震過(guò)程相關(guān)的波速變化。Niu等（2008）利用壓電陶瓷震源在圣安德烈斯斷層的鉆井中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2次小地震之前波速有明顯變化。Yamaoka等（2001）利用ACROSS震源對(duì)地下介質(zhì)波速變化進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。楊微等（2010）利用ACROSS震源開(kāi)展了汶川地震斷裂帶波速變化的監(jiān)測(cè)研究。Brenguier 等（2008）用背景噪聲測(cè)量了Parkfield地區(qū)斷裂帶地震波波速的長(zhǎng)期變化，發(fā)現(xiàn)其同大地震的孕育和釋放過(guò)程緊密聯(lián)系。

以上研究表明，通過(guò)測(cè)量地震波波速/走時(shí)的變化可以對(duì)地下介質(zhì)的狀態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但由于同地震物理過(guò)程相關(guān)的波速變化往往很小，因此高度重復(fù)的震源信號(hào)是實(shí)現(xiàn)精確的4D監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。氣槍震源對(duì)激發(fā)環(huán)境無(wú)損，激發(fā)波形高度重復(fù)的特征，使得它在監(jiān)測(cè)地下介質(zhì)物質(zhì)狀態(tài)變化方面具有先天的優(yōu)勢(shì)。endprint

對(duì)地下介質(zhì)微弱波速變化的高精度監(jiān)測(cè)，得益于觀測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理方法共同的進(jìn)步。地震記錄儀器的時(shí)間服務(wù)精度是影響走時(shí)變化測(cè)量精度的重要因素。早期的波速變化研究，受觀測(cè)系統(tǒng)精度限制很大。隨著地震觀測(cè)儀器的發(fā)展，目前地震儀器的時(shí)間服務(wù)精度可達(dá)到微秒量級(jí)。圖8顯示了云南賓川氣槍參考臺(tái)站使用的REFTEK-130數(shù)采1 600次鐘差記錄的統(tǒng)計(jì)特征。REFTEK-130每小時(shí)生成一次鐘差記錄，從圖中可以看出，在1 600 h的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，多數(shù)時(shí)間內(nèi)鐘差保持在1 μs（10-6s）以?xún)?nèi)，這為后續(xù)處理提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

地震波形中的尾波部分是在介質(zhì)中經(jīng)過(guò)多重散射的波形，對(duì)介質(zhì)波速的微小變化更為敏感，因此被廣泛的應(yīng)用于監(jiān)測(cè)地下介質(zhì)波速變化中（Wang et al，2008）。然而，利用尾波監(jiān)測(cè)走時(shí)變化反應(yīng)的是地下介質(zhì)波速變化的平均效應(yīng)，較難反映波速變化發(fā)生的區(qū)域。雖然在實(shí)驗(yàn)室尺度可以利用尾波對(duì)波速變化區(qū)域進(jìn)行定位，但在實(shí)際野外觀測(cè)中仍較難實(shí)現(xiàn)（Xie et al，2016）。得益于氣槍震源的高度重復(fù)特征和現(xiàn)代儀器精確的時(shí)間服務(wù)，地震波不同震相的絕對(duì)走時(shí)差也可用于波速變化測(cè)量。通過(guò)選取不同的地震波震相，同長(zhǎng)時(shí)間疊加所得的相應(yīng)震相進(jìn)行互相關(guān)，可以獲取該震相走時(shí)隨時(shí)間的變化。利用這種方法，可以根據(jù)震相對(duì)應(yīng)路徑分析波速變化的可能區(qū)域，并分析不同的震相對(duì)波速變化的敏感程度。圖8REFTEK-130數(shù)據(jù)采集器波速變化測(cè)量的精度是利用走時(shí)變化進(jìn)行4D地震學(xué)研究的關(guān)鍵。在地球上周期發(fā)生的固體潮現(xiàn)象會(huì)引起地下介質(zhì)微弱的應(yīng)力變化，對(duì)比波速變化測(cè)量和固體潮變化的周期性，是對(duì)震源-接收系統(tǒng)和測(cè)量方法總體精度的一種評(píng)估方法。2015年10—11月，我們?cè)谄钸B山甘肅氣槍發(fā)射臺(tái)進(jìn)行了每小時(shí)激發(fā)一次的連續(xù)激發(fā)試驗(yàn)，利用距離發(fā)射臺(tái)20 km的地震臺(tái)站的直達(dá)P波震相測(cè)量了其走時(shí)變化，如圖9中紅線所示，灰線顯示了距離該地震臺(tái)42.7 km的肅南洞體應(yīng)變臺(tái)記錄到的應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，地震波走時(shí)變化與應(yīng)變變化存在很好的相關(guān)性，這揭示了利用高度重復(fù)的氣槍震源信號(hào)探測(cè)地球內(nèi)部微弱應(yīng)力變化的可能性和有效性。圖9利用氣槍震源信號(hào)測(cè)量的地震波一周內(nèi)的地震波波速或者走時(shí)的變化是進(jìn)行4D地震學(xué)研究中最常用的觀測(cè)量。地下介質(zhì)的變化不僅反映在地震波走時(shí)的變化，也會(huì)引起地震波波形的改變。利用氣槍激發(fā)信號(hào)中的S波信號(hào)，趙雯佳（2013）研究了橫波分裂隨時(shí)間的變化。結(jié)果表明S波的快波偏振方向存在明顯的日變化，這可能同周期性的固體潮加載有關(guān)。

隨著4D地震學(xué)的發(fā)展，多種重復(fù)震源，如ACROSS震源、氣槍震源及背景噪聲，都被用來(lái)監(jiān)測(cè)地震、火山等自然現(xiàn)象相關(guān)的波速變化。這些震源特征各異，研究對(duì)象也各有側(cè)重。相比其它重復(fù)震源，氣槍震源的信號(hào)重復(fù)性高，傳播距離遠(yuǎn)，可以對(duì)較深部地下介質(zhì)的波速變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)，氣槍震源的激發(fā)時(shí)間和地點(diǎn)是人為可控的，這使得我們可以就關(guān)注的問(wèn)題，在特定時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行密集的觀測(cè)，改善波速變化監(jiān)測(cè)的時(shí)間分辨率。綜合利用多種重復(fù)震源，可以形成多尺度的，有重點(diǎn)的4D監(jiān)測(cè)，其結(jié)果對(duì)于了解大陸淺部地下介質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化具有重要的意義。

4利用氣槍震源研究大陸淺部的潛在應(yīng)用與挑戰(zhàn)

經(jīng)過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)探索，我們實(shí)現(xiàn)了大容量氣槍震源在陸地水體內(nèi)的激發(fā)向外主動(dòng)發(fā)射地震波，并在研究大陸淺部結(jié)構(gòu)和介質(zhì)變化方面開(kāi)展了應(yīng)用研究。作為一種新型的人工震源，氣槍震源的激發(fā)能量適中，傳播距離較遠(yuǎn)，成為溝通天然地震學(xué)和勘探地震學(xué)的一種優(yōu)良震源，在二者的交叉領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展空間。

氣槍震源可主動(dòng)發(fā)射地震波，實(shí)現(xiàn)百千米尺度的探測(cè)距離，可用于深層礦產(chǎn)的探測(cè)。把氣槍震源用于大尺度的勘探探測(cè)，可以在傳統(tǒng)高精度淺層勘探成像的結(jié)果上，探查更大范圍，更深深度上礦產(chǎn)的分布。這對(duì)于研究深層礦產(chǎn)分布，認(rèn)識(shí)礦產(chǎn)資源的成礦環(huán)境和成礦機(jī)理具有重要意義。

氣槍震源是一種連續(xù)脈沖震源，單次激發(fā)能量小，對(duì)環(huán)境友好，而疊加能量大，可適用于城市等對(duì)無(wú)損探測(cè)要求較高的地區(qū)。對(duì)城市這一特定區(qū)域進(jìn)行地震災(zāi)害的防范，在中國(guó)飛速發(fā)展的城市化進(jìn)程的背景下十分重要（陳颙等，2003）。雖然數(shù)字城市的概念已深入人心，但已有對(duì)城市的數(shù)字化地學(xué)信息絕大部分集中在地表以上，對(duì)城市下方地質(zhì)結(jié)構(gòu)的數(shù)字化研究依然很少。充分利用氣槍震源環(huán)境無(wú)損的特征，在無(wú)法使用爆破震源的城市地區(qū)進(jìn)行小區(qū)域的主動(dòng)探測(cè)，構(gòu)建城市地下三維地圖，是完善數(shù)字城市，減輕城市在自然災(zāi)害中損失的有效手段。氣槍震源對(duì)環(huán)境無(wú)損的特點(diǎn)，對(duì)于城市中高層建筑物的無(wú)損探傷也具有潛在的應(yīng)用前景。

氣槍震源是適用于4D監(jiān)測(cè)的人工震源，可以對(duì)地下介質(zhì)狀態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。隨著人類(lèi)改造自然能力的增加，人類(lèi)大規(guī)模的工業(yè)活動(dòng)，如大型儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)，二氧化碳的地下存儲(chǔ)等都可以引起地下介質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)、物理性質(zhì)等發(fā)生改變。利用主動(dòng)震源，動(dòng)態(tài)的對(duì)這些改變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于確保能源儲(chǔ)存安全，研究人類(lèi)工業(yè)活動(dòng)對(duì)自然界的改造作用都具有重要意義。

充分發(fā)揮氣槍震源的特點(diǎn)，配合觀測(cè)技術(shù)和處理技術(shù)的進(jìn)步，可以拓展氣槍震源在很多研究領(lǐng)域的應(yīng)用空間。

同時(shí)，作為一種新型的人工震源，自2011年云南賓川氣槍發(fā)射臺(tái)建成，氣槍震源僅經(jīng)歷了5年的發(fā)展，在激發(fā)技術(shù)、原理和應(yīng)用方面還有很多技術(shù)和科學(xué)問(wèn)題亟待解決。

從激發(fā)技術(shù)層面來(lái)看，現(xiàn)有氣槍激發(fā)技術(shù)系統(tǒng)均為大型系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)百千米尺度的探測(cè)距離，但其便攜性和移動(dòng)性不足，需要較深的水體才能激發(fā)。開(kāi)發(fā)小型的流動(dòng)氣槍激發(fā)系統(tǒng)，減小對(duì)水體的依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)幾千米到幾十千米的探測(cè)距離，對(duì)拓展氣槍的應(yīng)用范圍具有重要意義。小型氣槍激發(fā)系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)氣槍震源的流動(dòng)激發(fā)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)氣槍低成本多點(diǎn)激發(fā)，構(gòu)建城市地下三維地圖具有重要意義。

從信號(hào)處理方面，氣槍震源遵循的是小能量激發(fā)，累加增強(qiáng)的模式。在較遠(yuǎn)接收距離上，單次激發(fā)的信號(hào)往往會(huì)淹沒(méi)于噪聲之中。如何借鑒GPS、通訊學(xué)科中的信號(hào)處理技術(shù)，更有效地實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)的檢測(cè)和提取十分重要。弱信號(hào)提取和檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于擴(kuò)展氣槍信號(hào)的探測(cè)范圍，提升4D監(jiān)測(cè)的時(shí)間分辨率具有切實(shí)的意義。endprint

氣槍震源的激發(fā)涉及到氣體、液體和固體三種相態(tài)物質(zhì)的耦合，結(jié)合氣泡震蕩理論和地震波傳播，研究氣槍震源產(chǎn)生地震波的詳細(xì)機(jī)制，需要更深入的工作。了解氣槍震源激發(fā)的物理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜耦合過(guò)程的模擬，對(duì)于進(jìn)一步提高氣槍激發(fā)效率和后續(xù)信號(hào)分析意義重大。對(duì)震源激發(fā)機(jī)理的深入認(rèn)識(shí)，較好的模擬其產(chǎn)生的彈性波，有助于更好的利用氣槍信號(hào)波形信息開(kāi)展精細(xì)化研究。

從研究思路上，地震學(xué)對(duì)震源和地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解總是交替進(jìn)行的。通過(guò)布設(shè)密集的臺(tái)陣觀測(cè)，獲取震源激發(fā)區(qū)的精細(xì)速度結(jié)構(gòu)，可以促進(jìn)對(duì)于氣槍震源激發(fā)地震波的機(jī)理研究。此外，如何聯(lián)合地震學(xué)中的其它震源，如背景噪聲、天然地震等對(duì)大陸淺部的地殼結(jié)構(gòu)和狀態(tài)變化進(jìn)行綜合的、多尺度的研究，也是未來(lái)發(fā)展的重要方向。

5結(jié)語(yǔ)

大陸是人類(lèi)居住與活動(dòng)的基本場(chǎng)所，如果說(shuō)20世紀(jì)地震學(xué)家利用天然地震勾勒了地球內(nèi)部的整體結(jié)構(gòu)，那么21世紀(jì)地震學(xué)家面臨的問(wèn)題就是利用人工激發(fā)的地震波來(lái)精細(xì)的刻畫(huà)我們腳下大陸的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)變化。在陸地水體內(nèi)激發(fā)的大容量氣槍震源，是探測(cè)大陸淺部結(jié)構(gòu)和狀態(tài)變化的重要工具，也是聯(lián)系勘探地震學(xué)和天然地震學(xué)的震源媒介。過(guò)去十年來(lái)，氣槍震源研究取得的發(fā)展，顯示了其多樣應(yīng)用前景，也彰顯了亟待解決的問(wèn)題。利用地震學(xué)的方法更好的探測(cè)大陸淺部結(jié)構(gòu)，更精確的描述地下介質(zhì)變化，需要地震學(xué)家投身其中，加強(qiáng)學(xué)科交叉，促進(jìn)創(chuàng)新和融合，實(shí)現(xiàn)新時(shí)期地震學(xué)對(duì)大陸淺部進(jìn)行精細(xì)描述的宏大夢(mèng)想。

在本文的撰寫(xiě)過(guò)程中，參考了陳颙院士及多位專(zhuān)家的演講材料，主動(dòng)源ET11小隊(duì)的翟秋實(shí)、張?jiān)迄i等多位同學(xué)為圖件準(zhǔn)備提供了幫助，在此一并感謝。

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