王偉濤+王寶善+蔣生淼+胡久鵬+張元生

摘要：氣槍震源在大陸淺部探測中的應(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)實現(xiàn)的激發(fā)模式、激發(fā)環(huán)境和探測方法的轉(zhuǎn)變；然后介紹了氣槍震源在探測大陸淺部速度結(jié)構(gòu)及監(jiān)測彈性波速隨時間變化當(dāng)中的應(yīng)用；最后簡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，其激發(fā)的高度重復(fù)的信號可用于彈性波速隨時間變化的監(jiān)測，測量精度可達(dá)到10-4。氣槍震源是一種新型的、發(fā)展中的震源，仍需要對其震源特性和信號處理技術(shù)開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；波速變化

中圖分類號：P315.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-0666（2017）04-0514-11

0引言

自地震學(xué)誕生以來，研究人員通過對地震波的產(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。我們對于地球內(nèi)部的了解，大部分來源于地震波，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，利用專業(yè)地震臺站構(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）對地下介質(zhì)進(jìn)行研究。勘探地震學(xué)則主要以人工震源主動發(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，二者相互借鑒又獨立發(fā)展。近年來，在很多領(lǐng)域，尤其是針對地球淺部的研究中，二者有逐漸融合的趨勢。

地球的淺部，是相對于地球半徑而言，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非常規(guī)油氣（如頁巖氣）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，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)的密集臺站，加強(qiáng)對近地表構(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象，其融合的關(guān)鍵，在于尋找到一種合適的震源，既能滿足勘探地震學(xué)中對震源位置和時間可控的要求，又能實現(xiàn)較大范圍的探測用于天然地震學(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，隨著整個社會對環(huán)境保護(hù)的日益重視，爆破震源的使用受到越來越多的限制。同時，爆破震源本質(zhì)上是一種瞬間強(qiáng)脈沖型震源，爆破往往會給周邊造成難以恢復(fù)的破壞，很難用于重復(fù)探測。地震學(xué)家轉(zhuǎn)而探索利用連續(xù)震動作為震源，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，可通過互相關(guān)、卷積等后續(xù)處理來獲取地下結(jié)構(gòu)對脈沖沖擊的響應(yīng)。然而，這樣的震源能量轉(zhuǎn)化成地震波的效率較低，并且長期的連續(xù)觀測也會對震源激發(fā)場地造成破壞，進(jìn)而影響信號的重復(fù)性。

近年來，我們通過實驗研究的方式，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）。實驗研究表明，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。在多次激發(fā)的時間尺度內(nèi)，氣槍震源等效為一種連續(xù)脈沖震源。這種特征，使得可以通過簡單疊加提升信號的傳播距離，同時使得氣槍震源在重復(fù)探測上具有得天獨厚的優(yōu)勢。

地震研究40卷第4期王偉濤等：利用氣槍震源探測大陸淺部的地震學(xué)研究回顧與展望自2011年在云南賓川建成第一個氣槍震源發(fā)射臺后，至今在全國范圍內(nèi)已經(jīng)建立了多個氣槍震源發(fā)射臺，實現(xiàn)了地震波在陸地水體中的主動發(fā)射，對幾十到幾百千米范圍內(nèi)的地下介質(zhì)進(jìn)行主動的、重復(fù)的探測（王寶善等，2016）。通過實驗研究，我們分析了氣槍震源在陸地水體內(nèi)激發(fā)的特征，并在探測地殼淺部結(jié)構(gòu)和波速變化方面開展了應(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可以對較小區(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)的實驗研究中，氣槍震源信號的高度重復(fù)、綠色環(huán)保及平均激發(fā)成本低等優(yōu)勢得以保持，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)，實現(xiàn)了激發(fā)模式的轉(zhuǎn)變。氣槍震源是一種瞬時沖擊型震源，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。這些沖擊信號的特征由氣槍的充氣壓力、觸發(fā)時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，通過控制氣槍的容量組合和激發(fā)時間來突出高頻沖擊，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，高頻信號衰減過快、傳播距離有限，不利于進(jìn)行區(qū)域尺度的大陸淺部探測研究。因此在將氣槍震源引入陸地水體激發(fā)時，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)其低頻沖擊信號以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的探測，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)信號的傳播距離。多次的實驗結(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)生的地震波的信號主頻為2～8 Hz。在進(jìn)行100次線性疊加之后，其信號在多個地區(qū)均可傳播至300～500 km（王寶善等，2016）。大容量氣槍震源信號的主頻范圍，使其在保證傳播距離的基礎(chǔ)上保留了對地下介質(zhì)相對較高的分辨率，且其主頻在專業(yè)地震臺的通帶頻率范圍內(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震源特征下，將其探測范圍擴(kuò)展到了百千米量級，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)，實現(xiàn)了激發(fā)環(huán)境從無限水體到有限水體的轉(zhuǎn)變。其激發(fā)過程涉及到高壓氣體、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)射臺在激發(fā)點附近200 m的地震臺記錄到的不同沉放深度下單次氣槍記錄的相對振幅變化。實驗結(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臺站增加，其損耗能量減小，地震波能量的轉(zhuǎn)化效率增加?？紤]到實際場地限制，一般建議氣槍的沉放深度在水下15 m或者更深為佳。

在海洋無限水體中，相對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限的邊界。而在陸地的有限水體中，這兩個邊界都是有限的，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，震源附近記錄到的地震波波形和能量的時頻分布。從圖中可見，總量較小的水體（如水井等）往往對應(yīng)有限的底部和側(cè)面邊界，過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過近的側(cè)面邊界會產(chǎn)生較強(qiáng)的反射作用，甚至可能破壞高壓氣泡的振蕩過程，從而不利于較低頻信號的產(chǎn)生，在增加波形復(fù)雜性的同時造成過多的能量損耗（Chen et al，2014；楊微等，2016）。在總量較多的水體（如水庫）中，其底面邊界相對較大，可以吸收大部分向下傳播的能量。但由于實際實驗中，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，會同側(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，我們在新疆呼圖壁建設(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。實驗結(jié)果表明，對于單次氣槍激發(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)下賓川天然水庫中的ML0.7地震（魏斌等，2016）。

1.3探測方法的轉(zhuǎn)變

氣槍震源在陸地水體激發(fā)，實現(xiàn)了強(qiáng)震動震源到弱震動震源探測方法的轉(zhuǎn)變。震源所釋放出來的信號的強(qiáng)度決定著它能探測的地下介質(zhì)的范圍。一個8級天然地震釋放的地震波可以震撼整個地球，提供地球極深部的信息。在人工地震測深研究中，為了獲取更清晰的地震波信號，往往使用大當(dāng)量的爆破作為強(qiáng)震動震源來提升信號強(qiáng)度，其爆破劑量從幾百公斤到幾噸不等。然而，通過簡單提升單次震源強(qiáng)度以提高探測能力的方式越來越受到制約。大當(dāng)量化學(xué)爆破會嚴(yán)重破壞環(huán)境，同時大當(dāng)量爆破震源往往會對爆破點造成強(qiáng)烈破壞，無法進(jìn)行高重復(fù)度的原地測量。以相對較弱的單次激發(fā)，通過累加獲取較大探測距離的無損探測模式成為新的發(fā)展趨勢。

氣槍具有間隔脈沖源的特征，可以在同一地點產(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，對近場場地的影響很小。實驗表明，在距離激發(fā)震源600 m的位置，氣槍單次震動所產(chǎn)生的峰值加速度已經(jīng)接近背景振動水平，對激發(fā)環(huán)境而言屬于無損激發(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、建筑物無損探測等對無損激發(fā)具有嚴(yán)格要求的環(huán)境中。同時，得益于氣槍的高度重復(fù)特征，通過對多次激發(fā)進(jìn)行疊加，在探測范圍上可以等效于一次強(qiáng)震動激發(fā)。我們在距離賓川氣槍震源300 m的陸地進(jìn)行了一次900 kg炸藥爆破，并對比了同一測線上110次氣槍信號疊加波形（圖4）。結(jié)果顯示，在同樣的測線上，110余次氣槍疊加的信號傳播距離優(yōu)于900 kg炸藥的激發(fā)。就震源而言，通過疊加多次高度重復(fù)的激發(fā)，提高了震源的等效強(qiáng)度。同時，在多次疊加，也可以壓制不相干的噪聲信號，突出由氣槍震源發(fā)射的相干信號，從而進(jìn)一步提升了信噪比。圖4同一測線上氣槍震源100次信號疊加（a）以弱震動震源通過累加的方式去等效強(qiáng)震動震源，是現(xiàn)代地震學(xué)發(fā)展的一個重要方向。最近10年來發(fā)展的背景噪聲互相關(guān)方法（Shapiro et al，2005）就是通過相干累加獲取高信噪比信號的經(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)均為類脈沖沖擊，通過簡單疊加即可實現(xiàn)震源能量的增強(qiáng)，有利于簡化后續(xù)分析。同時，氣槍激發(fā)的信號以體波信號為主，相比噪聲互相關(guān)方法得到的面波信號，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)，為實現(xiàn)強(qiáng)震動震源到弱震動震源探測方法的轉(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)的信號經(jīng)過疊加后可以傳播幾百千米，同時，其發(fā)射的地震波還具有信號重復(fù)、震相豐富等特征，在一定程度上可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)爆破震源對大陸淺部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。圖5上關(guān)湖實驗中200次激發(fā)信號疊加信號在200 km測線上傳統(tǒng)的爆破震源主要產(chǎn)生P波信號，而氣槍震源信號中除含有P波信號之外，還含有豐富的S波信號，震相相對豐富。因此，在分析反射和折射剖面中，可以對P波和S波信號進(jìn)行聯(lián)合分析。利用在燕山隆起南部布設(shè)的200 km測線所記錄到的氣槍信號，我們分析了其震相特征，并對該地區(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

氣槍震源在固定點激發(fā)時，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線上通過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)多個測線以實現(xiàn)更大范圍和更高密度的觀測。2015年底，我們在賓川地區(qū)1 km×0.5 km的區(qū)域內(nèi)，利用86臺地震計布設(shè)了觀測系統(tǒng)以記錄氣槍信號。得益于氣槍震源的重復(fù)性，實驗采用了分期移動布設(shè)的方法，最終利用86臺三分量數(shù)字地震儀獲取了543個觀測點的數(shù)據(jù)，觀測點平均間距30 m，如圖6所示。

在福建開展的棉花灘水庫氣槍激發(fā)實驗中，利用50臺地震計，通過類似方法，獲取了臺間距為1 km的250 km長度的測線（陳惠芳等，2016）。超密集觀測系統(tǒng)一直以來被勘探地震學(xué)使用，近年來也被天然地震學(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）。利用氣槍震源定點激發(fā)的重復(fù)性，可以利用有限的觀測儀器，構(gòu)建超密集觀測系統(tǒng)，這對于獲取精細(xì)的大陸地殼淺部結(jié)構(gòu)特征大有裨益。

定點激發(fā)的氣槍震源在測線上的記錄可以用于廣角反射和折射剖面的研究。而利用多點激發(fā)的氣槍震源，輔以密集觀測，則可為三維體波成像提供必要的數(shù)據(jù)支持。氣槍震源的多點激發(fā)，可以通過在多個陸地水體內(nèi)同時或分期進(jìn)行定點激發(fā)實現(xiàn)，也可以使用船載氣槍震源在陸內(nèi)河流內(nèi)進(jìn)行流動激發(fā)獲得。2015年10月，我們使用船載氣槍震源沿著長江蕪湖—安慶段進(jìn)行了氣槍震源的流動激發(fā)試驗。實驗期間，氣槍震源在長江中20個固定激發(fā)點共激發(fā)了4 000多次，其激發(fā)點位以圖7a中紅色五角星表示。實驗接收系統(tǒng)采用固定地震臺與流動地震儀相結(jié)合的方式。圖7a中黃色和綠色三角顯示了在觀測區(qū)域內(nèi)由1 000個流動地震臺組成的11條測線，每條測線長約200 km；為更好的對微弱信號進(jìn)行監(jiān)測，我們利用100個流動臺站組成的2個小型觀測臺陣接收氣槍信號，用藍(lán)色和紅色倒三角表示；同時，該區(qū)域內(nèi)還包含160個連續(xù)觀測的固定臺站，以黑色倒三角表示。實驗觀測系統(tǒng)記錄到了豐富的氣槍震源信號，可用于對該區(qū)域波速結(jié)構(gòu)的探測研究。張云鵬等（2016）利用固定臺站記錄到的氣槍信號對該區(qū)域進(jìn)行了層析成像，展示了流動氣槍源在三維體波成像中的應(yīng)用，如圖7b所示。船載氣槍震源在長江流域的激發(fā)和觀測實驗，為研究長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資料。同時，這種實驗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激發(fā)和流動激發(fā)，獲取豐富的體波走時數(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)行流動激發(fā)，陸地臺站和海底地震儀聯(lián)合接收的方法，可以對海陸過渡帶的地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)的研究（丘學(xué)林等，2007；徐輝龍（a）氣槍長江實驗中的激發(fā)點位和觀測系統(tǒng)分布（b）利用固定臺記錄到的氣槍P波獲得的層析成像結(jié)果（張云鵬等，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：陽新—常州斷裂；XGF：襄樊—廣濟(jì)斷裂；XLF：信陽—六安斷裂；長江中下游礦集區(qū)：JR：九瑞；AQ：安慶；LZ：廬樅；TL：銅陵；NW：寧蕪；NZ：寧鎮(zhèn)圖7氣槍長江實驗中的激發(fā)和觀測系統(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)位置和時間都是人為可控的，因此可以事先規(guī)劃觀測系統(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、地震位置和時間不可控對成像研究的限制，對于研究中國海陸構(gòu)造帶結(jié)構(gòu)，解釋其構(gòu)造歷史具有重大的意義。

當(dāng)對大陸淺部的速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時，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，相比天然地震，氣槍震源的激發(fā)時刻和位置均可精確測量，可以減小震源因素在成像結(jié)果中引入的誤差，易于實現(xiàn)對地下介質(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)測地下介質(zhì)的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)隨時間的變化，開展包含時變信息的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，會導(dǎo)致穿過該區(qū)域的地震波特征發(fā)生變化。利用相同的震源和觀測系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)測量，就可以通過分析地震波的變化來實現(xiàn)對地下介質(zhì)的4D監(jiān)測，繪制“地下云圖”。

地震波的波速/走時是易于測量的物理量，利用測量地震波波速變化來探索地震在孕育和發(fā)生過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)生的整個物理過程中，會引起介質(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)測量得到的地震波走時發(fā)生變化。研究表明，地震孕育過程所引起的波速變化非常小，其波速/走時的相對變化量在10-4量級（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)脷鈽屨鹪粗鲃酉虻叵掳l(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監(jiān)測與地震過程相關(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展實驗，發(fā)現(xiàn)2次小地震之前波速有明顯變化。Yamaoka等（2001）利用ACROSS震源對地下介質(zhì)波速變化進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。楊微等（2010）利用ACROSS震源開展了汶川地震斷裂帶波速變化的監(jiān)測研究。Brenguier 等（2008）用背景噪聲測量了Parkfield地區(qū)斷裂帶地震波波速的長期變化，發(fā)現(xiàn)其同大地震的孕育和釋放過程緊密聯(lián)系。

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

對地下介質(zhì)微弱波速變化的高精度監(jiān)測，得益于觀測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理方法共同的進(jìn)步。地震記錄儀器的時間服務(wù)精度是影響走時變化測量精度的重要因素。早期的波速變化研究，受觀測系統(tǒng)精度限制很大。隨著地震觀測儀器的發(fā)展，目前地震儀器的時間服務(wù)精度可達(dá)到微秒量級。圖8顯示了云南賓川氣槍參考臺站使用的REFTEK-130數(shù)采1 600次鐘差記錄的統(tǒng)計特征。REFTEK-130每小時生成一次鐘差記錄，從圖中可以看出，在1 600 h的時長內(nèi)，多數(shù)時間內(nèi)鐘差保持在1 μs（10-6s）以內(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)過多重散射的波形，對介質(zhì)波速的微小變化更為敏感，因此被廣泛的應(yīng)用于監(jiān)測地下介質(zhì)波速變化中（Wang et al，2008）。然而，利用尾波監(jiān)測走時變化反應(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。雖然在實驗室尺度可以利用尾波對波速變化區(qū)域進(jìn)行定位，但在實際野外觀測中仍較難實現(xiàn)（Xie et al，2016）。得益于氣槍震源的高度重復(fù)特征和現(xiàn)代儀器精確的時間服務(wù)，地震波不同震相的絕對走時差也可用于波速變化測量。通過選取不同的地震波震相，同長時間疊加所得的相應(yīng)震相進(jìn)行互相關(guān)，可以獲取該震相走時隨時間的變化。利用這種方法，可以根據(jù)震相對應(yīng)路徑分析波速變化的可能區(qū)域，并分析不同的震相對波速變化的敏感程度。圖8REFTEK-130數(shù)據(jù)采集器波速變化測量的精度是利用走時變化進(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)象會引起地下介質(zhì)微弱的應(yīng)力變化，對比波速變化測量和固體潮變化的周期性，是對震源-接收系統(tǒng)和測量方法總體精度的一種評估方法。2015年10—11月，我們在祁連山甘肅氣槍發(fā)射臺進(jìn)行了每小時激發(fā)一次的連續(xù)激發(fā)試驗，利用距離發(fā)射臺20 km的地震臺站的直達(dá)P波震相測量了其走時變化，如圖9中紅線所示，灰線顯示了距離該地震臺42.7 km的肅南洞體應(yīng)變臺記錄到的應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，地震波走時變化與應(yīng)變變化存在很好的相關(guān)性，這揭示了利用高度重復(fù)的氣槍震源信號探測地球內(nèi)部微弱應(yīng)力變化的可能性和有效性。圖9利用氣槍震源信號測量的地震波一周內(nèi)的地震波波速或者走時的變化是進(jìn)行4D地震學(xué)研究中最常用的觀測量。地下介質(zhì)的變化不僅反映在地震波走時的變化，也會引起地震波波形的改變。利用氣槍激發(fā)信號中的S波信號，趙雯佳（2013）研究了橫波分裂隨時間的變化。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，都被用來監(jiān)測地震、火山等自然現(xiàn)象相關(guān)的波速變化。這些震源特征各異，研究對象也各有側(cè)重。相比其它重復(fù)震源，氣槍震源的信號重復(fù)性高，傳播距離遠(yuǎn)，可以對較深部地下介質(zhì)的波速變化進(jìn)行監(jiān)測。同時，氣槍震源的激發(fā)時間和地點是人為可控的，這使得我們可以就關(guān)注的問題，在特定時間和地點進(jìn)行密集的觀測，改善波速變化監(jiān)測的時間分辨率。綜合利用多種重復(fù)震源，可以形成多尺度的，有重點的4D監(jiān)測，其結(jié)果對于了解大陸淺部地下介質(zhì)的動態(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)過多年的實驗探索，我們實現(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。

氣槍震源可主動發(fā)射地震波，實現(xiàn)百千米尺度的探測距離，可用于深層礦產(chǎn)的探測。把氣槍震源用于大尺度的勘探探測，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。這對于研究深層礦產(chǎn)分布，認(rèn)識礦產(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，對環(huán)境友好，而疊加能量大，可適用于城市等對無損探測要求較高的地區(qū)。對城市這一特定區(qū)域進(jìn)行地震災(zāi)害的防范，在中國飛速發(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，但已有對城市的數(shù)字化地學(xué)信息絕大部分集中在地表以上，對城市下方地質(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)境無損的特征，在無法使用爆破震源的城市地區(qū)進(jìn)行小區(qū)域的主動探測，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。氣槍震源對環(huán)境無損的特點，對于城市中高層建筑物的無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)測的人工震源，可以對地下介質(zhì)狀態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測。隨著人類改造自然能力的增加，人類大規(guī)模的工業(yè)活動，如大型儲氣庫的建設(shè)，二氧化碳的地下存儲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。利用主動震源，動態(tài)的對這些改變進(jìn)行監(jiān)測，對于確保能源儲存安全，研究人類工業(yè)活動對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，配合觀測技術(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，作為一種新型的人工震源，自2011年云南賓川氣槍發(fā)射臺建成，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)問題亟待解決。

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

從信號處理方面，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)的信號往往會淹沒于噪聲之中。如何借鑒GPS、通訊學(xué)科中的信號處理技術(shù)，更有效地實現(xiàn)弱信號的檢測和提取十分重要。弱信號提取和檢測技術(shù)的進(jìn)步，對于擴(kuò)展氣槍信號的探測范圍，提升4D監(jiān)測的時間分辨率具有切實的意義。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)的物理過程，實現(xiàn)對復(fù)雜耦合過程的模擬，對于進(jìn)一步提高氣槍激發(fā)效率和后續(xù)信號分析意義重大。對震源激發(fā)機(jī)理的深入認(rèn)識，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波形信息開展精細(xì)化研究。

從研究思路上，地震學(xué)對震源和地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解總是交替進(jìn)行的。通過布設(shè)密集的臺陣觀測，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，也是未來發(fā)展的重要方向。

5結(jié)語

大陸是人類居住與活動的基本場所，如果說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)家面臨的問題就是利用人工激發(fā)的地震波來精細(xì)的刻畫我們腳下大陸的結(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。過去十年來，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題。利用地震學(xué)的方法更好的探測大陸淺部結(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，實現(xiàn)新時期地震學(xué)對大陸淺部進(jìn)行精細(xì)描述的宏大夢想。

在本文的撰寫過程中，參考了陳颙院士及多位專家的演講材料，主動源ET11小隊的翟秋實、張云鵬等多位同學(xué)為圖件準(zhǔn)備提供了幫助，在此一并感謝。

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