張云鵬+李孝賓+王偉濤+王寶善+葉泵+楊軍+王彬

摘要：對2011年以來云南賓川地震信號發(fā)射臺的實驗數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理，整理原始Reftek數(shù)據(jù)庫，構建為統(tǒng)一的G1數(shù)據(jù)庫（MiniSEED格式），并提供SAC等數(shù)據(jù)格式的截取服務。對臺站分布及數(shù)據(jù)連續(xù)性、各臺站儀器類型及經(jīng)緯度位置變更情況、氣槍激發(fā)時刻與集中加密實驗、臺站背景噪聲水平等進行數(shù)據(jù)質量評估，并對賓川附近天然地震分布進行了統(tǒng)計分析。結果表明：G1數(shù)據(jù)庫是對歷史數(shù)據(jù)的檢驗，格式與信息均可達到統(tǒng)一，也可作為新疆、甘肅等地主動源數(shù)據(jù)整理的模板。

關鍵詞：大容量氣槍；地震信號；G1數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)質量評估；云南賓川

中圖分類號：P315.63文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2017）04-0525-09

0引言

近年來利用地震學方法進行地下介質變化的研究得到了越來越多的關注。天然重復震源在時間、空間分辨率及精度上都受到了一定程度的限制，利用人工震源主動向地下發(fā)射地震波已成為新的手段（王寶善等，2016）。然而，目前常用的人工震源存在某些局限，如Vibroseis震源的激發(fā)信號頻率偏高，運行、維護成本較高，精密控制震源（ACROSS）探測距離也同樣受限，爆破震源會嚴重破壞地表并污染環(huán)境，故選擇合適的人工震源成為非常關鍵的問題。研究表明大容量氣槍震源具有重復性好、激發(fā)能量大、能量轉換效率高、綠色環(huán)保等優(yōu)點，是開展4D地震學的有效手段（陳颙等，2007a，b）。

近年來，中國地震局地球物理研究所聯(lián)合多家單位引入海中氣槍震源作為陸地震源，并開展了一系列的實驗。2006年在河北遵化市上關湖水庫測試了大容量氣槍的激發(fā)效果，并探索氣槍震源在陸地水體激發(fā)的可行性（陳颙等，2007a）。2007年利用同套激發(fā)裝置進行了更大容量的實驗，對技術系統(tǒng)進行了完善。2009年在北京市房山區(qū)馬刨泉又測試了大容量氣槍在相對較小的水體中的激發(fā)效果（Wang et al，2010）。以上3年多的積累實驗使在陸地水體中進行大容量氣槍激發(fā)實驗的各項技術趨于成熟（楊微等，2013）。為了選定一個固定地震信號發(fā)射臺，經(jīng)過多地區(qū)多次勘選，最終于2009年將云南省大理州賓川縣大銀甸水庫作為大容量氣槍震源實驗基地（王彬等，2015）。該發(fā)射臺在2011年經(jīng)短期試激發(fā)和后續(xù)不斷完善后，最終于2012年9月進入常規(guī)運行，近6年內(nèi)積累了大量的實驗數(shù)據(jù)。

在大數(shù)據(jù)管理服務方面，國內(nèi)已經(jīng)開展了很多探索。國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心可以準實時地接收并存儲全國1 000多個固定地震臺站的數(shù)據(jù)，具備海量數(shù)據(jù)校驗、數(shù)據(jù)格式轉換、以用戶定制方式截取地震事件波形數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡下載的功能（鄭秀芬等，2009）。何加勇等（2010）將中國地震科學探測臺陣數(shù)據(jù)構建成數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)，實現(xiàn)了Web、FTP及AutoDRM方式的數(shù)據(jù)服務功能，同時以SEED、MiniSEED、SAC等數(shù)據(jù)格式提供下載服務，方便用戶快速使用?？梢?，在大數(shù)據(jù)背景下，數(shù)據(jù)管理工作最為基礎，如何對數(shù)據(jù)進行規(guī)劃、備份、歸檔，并能實時進行質量評估尤為重要。

云南賓川地震信號發(fā)射臺自常規(guī)運行以來，已取得了多方面的研究成果（劉自鳳等，2015；王彬等，2015；李孝賓等，2016；欒奕等，2016；翟秋實等，2016），但以上研究在數(shù)據(jù)處理上都采用各自獨立的流程，缺乏一致性，未知因素較多。為提供便捷的數(shù)據(jù)支撐、開展更深入的研究，本文對2011年以來云南賓川地震信號發(fā)射臺所有的流動觀測數(shù)據(jù)進行整理，構建了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，對臺站分布及數(shù)據(jù)連續(xù)性、臺站儀器類型及經(jīng)緯度位置變更情況、氣槍激發(fā)時刻與集中加密實驗、臺站背景噪聲水平等進行數(shù)據(jù)質量評估，并對賓川附近天然地震分布進行了統(tǒng)計分析。

1賓川大容量氣槍震源激發(fā)與接收系統(tǒng)簡介

滇西地區(qū)處于歐亞板塊和印度洋板塊碰撞帶的東緣地帶，地質構造復雜，強震活動頻繁。云南賓川地震信號發(fā)射臺正好位于紅河斷裂、劍川—麗江斷裂和程海斷裂帶圍成的三角形塊體內(nèi)，坐落于賓川縣城以西約7 km的大銀甸水庫。該水庫為中型水庫，主壩高58 m，總庫容可達4 085萬m3，最大水深大于40 m（王彬等，2015）。

賓川大容量氣槍的激發(fā)系統(tǒng)由4支Bolt 1500LL型氣槍（單支容量2 000 in3，總容量為8 000 in3）、1套氣槍控制器、1臺空氣壓縮機、儲氣瓶組和氣源控制系統(tǒng)構成。激發(fā)一次大約相當于ML0.7地震，且震源優(yōu)勢頻率集中于3～5 Hz。陳蒙（2014）對氣槍震源的工作原理等作了詳細介紹，李孝賓等（2016）對不同氣槍組合激發(fā)試驗和數(shù)據(jù)進行了分析說明。

由于縣城供水、灌溉用水和降雨等，大銀甸水庫的水位季節(jié)性變化非常明顯，而氣槍沉放深度一直保持10 m不變（楊微等，2013）。自2012年9月常規(guī)運行開始，在水位條件許可的情況下，每周激發(fā)1組（每組20次左右）。從2014年9月開始每周激發(fā)3組，每年5—9月為枯水期而無法進行實驗（王寶善等，2016）。為積累更多的數(shù)據(jù)資料，根據(jù)不同的實驗目的，期間還進行了多次集中加密觀測實驗。

常規(guī)運行期間，接收系統(tǒng)由布設于發(fā)射臺周圍150 km范圍內(nèi)的40多個短周期流動測震臺構成，包括3個參考臺。這些儀器均由Reftek 130數(shù)據(jù)采集器和頻帶范圍2 s～100 Hz的短周期Guralp CMG-40T 地震計組成（Wang et al，2012）。加密實驗臨時布設的臺站，儀器類型更多一些，如2015年11—12月從發(fā)射臺到洱源布設的EY測線。5年來積累了大量的實驗數(shù)據(jù)，所使用的臺站總數(shù)量達60余個，其中個別臺的經(jīng)緯度、高程、位置存在變更，某些儀器還發(fā)生過故障。

為方便各種格式數(shù)據(jù)轉換，使存儲量達到最小，并可自動檢測信息變更等信息，我們開發(fā)了一套數(shù)據(jù)整理流程，并已將“中國地震科學臺陣探測——南北地震帶南段”（“喜馬拉雅”項目一期）數(shù)據(jù)整理完畢。本文選取其中適用于主動源數(shù)據(jù)整理的程序，對云南賓川發(fā)射臺現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)進行整理，如圖1所示（圖中灰色背景標識均為王偉濤提供的程序，其中msmod為開源，可自行下載）。endprint

根據(jù)已整理好的2011年第18天至2016年第140天的Reftek數(shù)據(jù)庫資料，利用mkrtstrmfilelist程序選定通道，mkmetabytbl4dailyrt可根據(jù)實際數(shù)據(jù)計算得到臺站每天的經(jīng)緯度平均值，對比提供的臺站經(jīng)緯度信息可將其分為best、check和bad三類，同時也可提取各臺站的GPS誤差值。利用rt2db僅將best數(shù)據(jù)轉換為MiniSEED，對于check的類別，核查更改后再進行轉化。因msarchive處理對象不能超過4 096個，需先根據(jù)splitfile 4 archive ARCHIVE.pl將MiniSEED按ENZ三分量進行劃分，再利用msarchive將數(shù)據(jù)進行拼接（斷的部分補零），并按照采樣率進行分類。因在rt2db轉換時誤將短周期數(shù)據(jù)標識為寬頻帶的，我們利用msmod程序將BH更改為SH，故此步并非必須的操作。最終可得到連續(xù)的各臺站每天的三分量MiniSEED格式數(shù)據(jù)，整理好的云南賓川主動源流動臺站MiniSEED數(shù)據(jù)庫可達1.6 T。

為方便地進行數(shù)據(jù)截取，我們利用mktraceiodb按數(shù)據(jù)庫生成索引文件db.temp，根據(jù)ctlg文件（激發(fā)時刻和氣槍位置）和meta文件（臺站經(jīng)緯度信息），再利用cutevent程序可直接截取得到SAC格式數(shù)據(jù)。

3.1數(shù)據(jù)庫基本情況云南賓川主動源流動臺站數(shù)據(jù)庫的臺網(wǎng)標識

為G1，起止時間為2011年第18天至2016年第140天，涵蓋的臺站數(shù)目共64個（圖2）。所有臺站的采樣率除CKT0臺（200 Hz）以外均為100 Hz，具體儀器元信息見表1。數(shù)據(jù)原始格式為Reftek，整理的數(shù)據(jù)庫（共1.6 T，以下統(tǒng)稱G1數(shù)據(jù)庫）為MiniSEED格式，利用cutevent截取得到的為SAC格式。

3.2臺站分布及數(shù)據(jù)連續(xù)性

因“喜馬拉雅”項目一期觀測時將臺站名稱設定為統(tǒng)一的數(shù)字編號，我們在處理時將原字母臺站名與數(shù)字編號名進行了統(tǒng)一，并將所有臺站名中的小寫字母更改為大寫（表2）。臺站大致可分為3類（圖2）：主動源長期觀測專有臺站（參考臺和以532開頭的臺站）、2015年11—12月布設的EY測線（EY01～EY15）和部分集中實驗時布設的臨時臺站（如1、2、3、SKGL等）。其中于2016年之后布設，并不屬于2015年的測線。而EY13是自EY測線觀測完成后在2016年之后又再次投入使用，采用不同的數(shù)據(jù)采集設備（UNIT不同）和地震計，位置也有稍許變化。另外需要說明的是，53065只有1 d數(shù)據(jù)，且地震計為CMG-3ESPC，而53286在水庫附近，一直無數(shù)據(jù)?？傮w來說，研究區(qū)內(nèi)共分布有2條測線（EY測線和1條近NW-SE向測線），臺站在氣槍震源附近分布最為密集。

另外，個別臺站在長期布設過程中稍有移動。結合眾數(shù)和時間信息，我們根據(jù)每天的經(jīng)緯度信息（由mkmetabytbl4dailyrt程序得到）對全部臺站位置進行了統(tǒng)計整理，精度可達7位數(shù)，誤差為0.000 1°，圖3以53258和53260臺站為例給出了統(tǒng)計結果，從圖中可以看出，53285臺經(jīng)緯度沒有變更；53260臺有2個經(jīng)度值，在2015年第286天變更位置。經(jīng)緯度變化較大的幾個臺站分別為：53257（片角東，2015年第209天變更位置）、53260（白塔，2015年第289天變更位置）、53261（定光，2015年第314天變更位置）、53269（平川，2015年第233天變更位置）、53276（河北村，2015年第231天變更位置）。表2臺站名稱字母與數(shù)字的統(tǒng)一及字母大小寫的統(tǒng)一為更好的評估數(shù)據(jù)質量，對各個臺站的數(shù)據(jù)連續(xù)性進行了統(tǒng)計，如圖4所示。因數(shù)據(jù)整理時原始數(shù)據(jù)均為Reftek格式，未對使用Nano設備的11個臺站2012年5月之前的數(shù)據(jù)（表3）進行轉換；53034、53036、53039、53041和53065臺2014年之前的數(shù)據(jù)已整理到“喜馬拉雅”項目一期數(shù)據(jù)庫（X1臺網(wǎng)）中；EY測線是2015年11—12月布設，故以上臺站的數(shù)據(jù)連續(xù)率較低。自2012年9月常規(guī)運行開始，參考臺及53251～53285臺站的數(shù)據(jù)均具有很好的連續(xù)性，可供使用者方便地進行數(shù)據(jù)選取。

3.3參考臺詳細信息及鐘差情況

在實際研究中，經(jīng)常將參考臺近似為震源，將其波形作為震源時間函數(shù)。欒奕等（2016）利用對參考臺波形聚類的方法來研究水位對震源的影響；而在地下介質波速變化研究中，需要先對參考臺反褶積以消除震源變化造成的影響，得到氣槍源到臺站之間的格林函數(shù)（翟秋實等，2016），對于走時變化這種高精度的研究需要了解儀器本身的鐘差等情況。因此，參考臺非常重要，我們對其進行了詳細整理（表4）。目前有3個參考臺在運行，共有4組數(shù)據(jù)（CKT1與CKT0為同一臺站接收的不同采樣率數(shù)據(jù)），鐘差均分布在很小的范圍內(nèi)（圖5），為幾十μs，遠小于走時變化的量級（幾十ms）（劉自鳳等，2015）。

3.4激發(fā)時刻與歷年集中實驗

通過對參考臺（CKT1）波形進行互相關掃描，得到了歷年氣槍震源的激發(fā)時刻，并對每天的氣槍激發(fā)次數(shù)做了統(tǒng)計，如圖6所示，圖中黑色曲線為水位信息（GMT時間）。從圖6可看到，在水位不小于10 m的情況下，自2012年9月常規(guī)激發(fā)以來，激發(fā)天數(shù)和次數(shù)都有明顯增加。

近年來，我們在賓川及其周邊地區(qū)進行了多次集中加密實驗，主要目的為：

（1）為分析氣槍地震信號發(fā)射臺站的性能，研究激發(fā)條件對賓川氣槍地震信號發(fā)射臺站激發(fā)地震信號的影響。2011年4、5月以及2013年4月進行了6次非調(diào)制氣槍陣列激發(fā)試驗。陳蒙（2014）對其進行研究發(fā)現(xiàn)隨著激發(fā)壓力的增加，氣泡震蕩周期越長，氣槍信號主頻越低，而振幅近似呈線性增加；與激發(fā)壓力相比，沉放深度對振幅的影響要小很多，但沉放深度越深，氣泡震蕩周期越短，氣槍信號主頻越高；水庫水位越高，氣槍信號的振幅越大，主頻也會有所增加。endprint

（2）為調(diào)查紅河斷裂的復雜結構。2012年6月18—19日在滇西北地區(qū)完成一條近SN向、長300 km的云縣—寧蒗寬角折/反射剖面。陳思文等（2016）結合初至波走時成像及正演建模方法，獲得了該地區(qū)沿測線的二維地殼速度結構模型。

（3）為研究單槍激發(fā)性能及不同激發(fā)位置的影響。2013年10—12月及2015年3月共進行了3組單槍與4槍對比實驗。李孝賓等（2016）對其研究發(fā)現(xiàn)單槍激發(fā)100多次的疊加信號可以在150 km外的地震臺被記錄到；單槍激發(fā)與4支槍同時激發(fā)的信號頻率基本相同，且衰減一致，但4支槍同時激發(fā)的信號的均方根振幅和激發(fā)效率均約為單支槍的4倍，故在犧牲一定效率的情況下，單槍激發(fā)信號可以替代4支氣槍組合的激發(fā)信號。

（4）為進行隱伏活動斷裂及城市活動斷裂探測。2015年11—12月中科院地質與地球物理研究所開展了賓川地區(qū)程海斷裂密集臺陣觀測。同期由中國地震局地震觀測與地球物理成像重點實驗室聯(lián)合中國地震局預測研究所、中國科學院、云南省地震局等單位沿發(fā)射臺至2013年3月3日洱源MS5.5地震震區(qū)附近建立了一條長約120 km、橫跨多條斷裂、由15個流動測震儀組成的EY測線，相關研究尚在進行中。

3.5臺站背景噪聲水平

王偉濤等（2011）根據(jù)云南境內(nèi)的43個寬頻帶固定臺站，利用平均能量流的方法對云南地區(qū)進行了地脈動噪聲能量空間分布和時間演化的評估分析。本文也對流動臺站進行了噪聲水平評價，圖7為2015年53256臺垂直分量的加速度功率譜概率密度函數(shù)，可看到在短周期范圍內(nèi)臺站的噪聲水平均在全球高低噪聲模型范圍內(nèi)。關于更多臺站和更長時間的結果，我們將在后續(xù)進行更詳細更深入的研究和分析。

4天然地震分布

劉自鳳等（2015）針對賓川附近的6個流動臺站，采用互相關時延方法檢測到臺站下方存在10-5～10-2的相對波速變化。Niu等（2008）在帕克菲爾德鉆孔中精巧的壓電陶瓷主動源試驗中也發(fā)現(xiàn)了震前的波速變化（M分別為2.6、3和1級）。因此，本文對賓川附近的天然地震及其與氣槍震源激發(fā)時刻的對應分布進行了統(tǒng)計分析，如圖8所示。地震目錄取自中國地震臺網(wǎng)統(tǒng)一地震目錄，2011-01-01—2016-05-19（GMT時間）研究區(qū)發(fā)生M≥1.8的地震共2 035個，M≥4的地震共28個，其中最大地震為5.5級。圖8a、b顯示自賓川氣槍發(fā)射臺建成以來，在其周圍地區(qū)發(fā)生了多次中強地震，圖8c、d給出了氣槍激發(fā)時刻與天然地震發(fā)震時刻的對應分布，這為我們深入地研究地震過程中介質的變化（包括震前、同震、震后）提供了豐富的數(shù)據(jù)。

5結論

云南賓川地震信號發(fā)射臺自2011年建成以來，積累了豐富的實驗數(shù)據(jù)。為提供便捷的數(shù)據(jù)支撐，本文將原始Reftek數(shù)據(jù)庫進行整理，構建為統(tǒng)一的G1數(shù)據(jù)庫（共1.6 T，MiniSEED格式，包括64個流動臺站，起止時間為2011年第18天至2016年第140天），并提供SAC等數(shù)據(jù)格式的截取服務。（1）臺站分布在氣槍震源附近分布最為密集；（2）參考臺及53251～53285臺站的數(shù)據(jù)均具有很好的連續(xù)性，且儀器均由Reftek 130數(shù)據(jù)采集器和頻帶范圍2 s～100 Hz的短周期Guralp CMG-40T 地震計組成；（3）個別臺站（53257、53260、53261、53269和53276）存在位置變更；（4）參考臺鐘差均分布在很小的范圍內(nèi)，為幾十μs；（5）2012年9月常規(guī)激發(fā)以來，激發(fā)天數(shù)和次數(shù)都有明顯增加；（6）自發(fā)射臺建成以來進行了多次集中加密實驗；（7）賓川及其周圍地區(qū)發(fā)生過多次中強地震，為我們深入研究地震過程中介質的變化提供了豐富的數(shù)據(jù)。

為方便后續(xù)更高效地進行數(shù)據(jù)整理，建議臺站名稱統(tǒng)一使用大寫字母，做好儀器類型、經(jīng)緯度、高程、位置變更及故障說明，并進行詳細的時間記錄。此次整理得到的G1數(shù)據(jù)庫既是對歷史數(shù)據(jù)的檢驗，又可很方便地進行數(shù)據(jù)截取，關鍵是格式與信息均可達到統(tǒng)一，為后續(xù)進一步深入開展各方面的研究奠定了基礎，同時也可作為新疆、甘肅等地主動源數(shù)據(jù)整理的模板。在下一步的工作中，我們將把鐘差信息添加到數(shù)據(jù)庫，并對各臺站進行更深入的噪聲水平分析。

感謝過去十年來大量工作者為開展實驗和采集數(shù)據(jù)所付出的艱辛努力，感謝楊微、冀戰(zhàn)波和主動源ET11小隊各隊員在數(shù)據(jù)整理方面給與的指導。

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