向涯+王彬+楊潤海+王偉濤+楊海燕

摘要：應用S變換對比分析云南賓川地震信號發(fā)射臺單次氣槍激發(fā)信號與同當量天然地震信號在傳播過程中的波形和頻率特征，并基于參考臺聚類分析結果，對其他接收臺站的地震信號進行線性疊加和相位加權疊加，研究結果表明：（1）氣槍信號傳播過程中主頻為3～6 Hz，可以在距離為151 km的臺站檢測到信號，傳播過程中能量衰減較慢。天然地震信號主頻較高，在傳播7.7 km時的主頻為10～20 Hz，傳播距離約為60 km，傳播過程中能量衰減較快；（2）經(jīng)過2 000余次的線性疊加和相位加權疊加，可以分別在距離為225 km和350 km的臺站檢測到氣槍信號。與天然地震信號相比，氣槍信號數(shù)據(jù)豐富、衰減慢、傳播距離遠，利用氣槍數(shù)據(jù)可以研究更大范圍的地殼介質(zhì)結構。

關鍵詞：賓川主動源；氣槍激發(fā)；地震信號；聚類分析；信號疊加；波形特征；S變換

中圖分類號：P315.31文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2017）04-0605-08

0引言

地震波攜帶豐富的地下介質(zhì)結構和物性的信息，是我們研究地球內(nèi)部構造的重要基礎（王彬等，2012）。地下介質(zhì)的變化引起穿過的地震波發(fā)生改變，通過檢測地震波這種細微的差別來研究地震的孕育和發(fā)震過程（王彬，2009；楊微等，2010；Chen et al，2014），是當今地球物理學研究的一個重要方面。這種方法需借助能產(chǎn)生相似波形的重復震源，常用的重復震源有天然重復地震和人工震源。天然重復地震受限于時間和空間測量精度的影響，難以達到研究的要求（王寶善等，2016）；不同人工震源也都有各自的缺點和不足，例如人工爆破對環(huán)境破壞較大且難以恢復，壓電陶瓷震源、精密控制震源、錘擊震源等產(chǎn)生的地震信號傳播距離短，測量尺度較?。ㄍ鯇毶频龋?011）。大容量氣槍震源是近幾年由海洋移植到陸地水域激發(fā)的人工可控震源（羅桂純等，2006；丘學林等，2007），這種震源具有綠色環(huán)保無害、激發(fā)信號頻率低和傳播距離遠等優(yōu)點（陳颙等，2007），成為近年來地震學研究領域的熱點。目前，氣槍震源在國內(nèi)已經(jīng)有很好的發(fā)展和應用（王彬等，2015；張元生等，2016；夏季等，2016；魏斌等，2016；張云鵬等，2016）。

2011年4月建成的云南賓川地震信號發(fā)射臺，是世界上第一個陸地氣槍震源固定發(fā)射臺（王彬等，2015）。云南賓川氣槍信號發(fā)射臺激發(fā)系統(tǒng)配備了4×2 000 in3 Bolt氣槍陣列，每支氣槍工作壓力為15 MPa，沉放深度為10 m左右（王彬等，2016）。地震信號的接收除云南省現(xiàn)有的測震臺網(wǎng)外，以賓川地震信號發(fā)射臺為中心，周圍又布設了40個流動觀測臺站，其中在距離氣槍50 m左右處布設了參考臺（CKT0）作為震源函數(shù)。流動觀測臺站由英國GURALP公司生產(chǎn)的頻帶范圍為2 s～100 Hz的CMG-40T短周期地震計和美國REFTEK公司生產(chǎn)的REFTEK-130B地震數(shù)據(jù)采集器組成（Wang et al，2012；李孝賓等，2016），采樣率CKT0為100 Hz和200 Hz雙采樣率，其他觀測臺站均為100 Hz。受水位的影響，自2011年信號發(fā)射臺建成以來，除2016全年連續(xù)激發(fā)外，2011—2015年激發(fā)時間均為第一年9月初到第二年5月初。

從觀測研究結果看，賓川氣槍發(fā)射臺氣槍陣列單次激發(fā)地震動較小，楊微等（2013）和陳佳等（2016）通過計算得出，氣槍源在沉放深度為10 m、工作氣壓為15 MPa條件下，單次激發(fā)能量相當于ML0.7地震，但關于氣槍和天然地震信號傳播特征對比的研究則相對較少。

受氣槍浮臺移動、水位變化等因素影響，氣槍激發(fā)信號會出現(xiàn)一些細微的變化，王偉濤和王寶善（2012）提出了將層次聚類方法用于重復地震檢測。基于互相關運算的層次聚類可以將波形特征不同的信號自動歸類，分別得到相位、振幅和頻率等高度相似的信號。氣槍一次激發(fā)信號傳播距離較短，且隨著震中距增大信噪比越來越低，通過疊加可提高較遠臺站記錄的信噪比，從而提取出微弱的氣槍信號。

本文選擇了發(fā)生在賓川地區(qū)的一次ML0.7地震與氣槍震源進行對比研究，運用S變換方法得到地震信號的時頻譜，對比分析單次氣槍激發(fā)信號和同當量天然地震信號在傳播距離相近時的波形和時頻特征。基于氣槍源重復性高的優(yōu)點，將2012年至2016年4月底CKT0臺所有數(shù)據(jù)的垂直分量進行聚類分析，并用得到的結果進行線性疊加和相位加權疊加，對比分析兩種疊加方法在疊加相同次數(shù)下能夠檢測氣槍信號的最遠距離。

1氣槍信號與天然地震信號的振幅頻率特征對比

1.1時頻分析方法傅里葉變換是一種常用的信號頻率的分析方

法，但傅里葉變換只能反映給定信號的整體頻率特征。S變換是由Stockwell等（1996）提出來的一種無損可逆的加時窗傅里葉變換，變換過程中時窗寬度與頻率呈反向變化，改善了傅里葉變換不能反映頻率隨時間變化的不足，能夠很好的進行信號時頻局部分析（李玲莉等，2012；鄭成龍，王寶善，2015）。信號h（t）的S變換表示為：S（τ，f）=∫+∞∫-∞h（t）f2πexp-（τ-t）2 f22 exp（-i2πft）dt（1）式中：h（t）是臺站記錄到的時域信號，S（τ，f）是經(jīng)S變換后的結果，f為瞬時頻率，τ為時間窗在信號上的中點，i為虛數(shù)單位。高斯窗函數(shù)定義為：gf（t）=f2πexp-t2 f22（2）基本小波定義為：

1.2氣槍信號與天然地震信號對比

為對比研究氣槍主動源地震波信號與同當量的天然地震波信號，我們選取北京時間2013年11月22日10時37分13.6秒發(fā)生在云南省賓川縣（100.42°E，25.73°N）的一次ML0.7地震作為對比研究對象。此次地震震源深度5 km，距氣槍主動源發(fā)射臺11 km。53274臺距氣槍源8.8 km、距天然地震的震中距7.7 km，我們用53274臺記錄的地震信號和氣槍信號進行對比研究。在53274臺的記錄數(shù)據(jù)中，分別截取此次地震的記錄和一次氣槍激發(fā)（激發(fā)時間：2016年2月22日7時14分59秒；沉放深度：10 m；工作壓力：15 MPa）信號（圖1），應用S變換分析2種地震信號的時頻特征。endprint

將53274臺接收到的氣槍激發(fā)信號和天然地震信號的東西（SHE）、南北（SHN）和垂直（SHZ）三分量分別進行S變換，得到2種地震信號三分量的時頻特征。如圖2所示，通過S變換，可以很清楚地分析各地震信號頻率隨時間的變化情況。頻率特征上，天然地震信號在傳播7.7 km時三分量的頻率范圍為1～40 Hz，主要頻率為10～20 Hz；氣槍信號在傳播8.8 km時三分量的頻率范圍為1～10 Hz，主要頻率為3～6 Hz。在信號震動時間上，天然地震持續(xù)了約6 s，而氣槍震源持續(xù)了約9 s。在信號振幅上，天然地震信號SHE、SHN、SHZ三分量最大振幅分別為2.098 5×104 count、3.328 0×104 count、3.318 6×104 count，氣槍信號三分量最大振幅分別為2.061 0×103 count、1.632 3×103 count、2.216 2×104 count，天然地震波的振幅比氣槍震源地震波的振幅大了一個數(shù)量級。綜合對比分析可知，天然地震信號相對氣槍信號振幅大、頻帶寬，震動時間短，能量主要集中在高頻部分。

為了得到天然地震信號和氣槍激發(fā)信號的衰減特性，我們對比了2種地震信號不同震中距Z分量的最大振幅值。圖3展示了2種地震信號的最大振幅衰減特征，其中實心圓和正方形分別表示天然地震信號和氣槍激發(fā)信號幅值，實線和虛線分別是根據(jù)各振幅散點擬合的曲線?？梢姡烊坏卣鹦盘柕恼穹p速度快于氣槍激發(fā)信號。

分別對不同臺站記錄到的氣槍信號進行2～7 Hz濾波，天然地震信號進行1～40 Hz濾波，得到2種震源激發(fā)的地震波在不同距離上的記錄（圖4）。圖4a為氣槍單次激發(fā)歸一化信號，圖4b為ML0.7天然地震信號歸一化信號。在已有的流動觀測臺中，距離氣槍源151 km的臺站可以接收到氣槍單次激發(fā)信號，而同當量的天然地震信號僅能傳播約60 km。由此可見低頻的氣槍信號可以傳播得更遠，同當量天然地震信號則在傳播過程中衰減較快，傳播距離要短得多，且由于氣槍信號傳播距離較遠，震相發(fā)育也更豐富。

2氣槍信號聚類分析與疊加

受氣槍浮臺移動、水位變化等因素影響，氣槍激發(fā)信號會出現(xiàn)一些細微的變化。基于互相關運算的聚類分析方法可進一步提升信號的相似性，從而提升后續(xù)數(shù)據(jù)處理的精確性。較遠臺站的氣槍信號信噪比低，通過疊加可提高信號的信噪比從而提取出微弱的氣槍信號。

2.1聚類分析

聚類分析在天然地震方面已經(jīng)有很多的應用（刁桂苓等，1992；高朝軍等，2016），本文選用了層次聚類分析方法進行研究（王偉濤，王寶善，2012）。聚類過程中首先選取合適長度的信號窗口，然后計算N個樣本中任意兩次信號j和k的相關系數(shù)cjk。定義這兩次信號的相似度距離為：djk=1-cjk（j，k≤N）（4）式中：djk越小，兩次信號越相似。所有信號都與其自身以及其他信號進行互相關運算，互相關運算結果構建一個N×N的相似度矩陣M，矩陣中有Mjk=Mkj和Mj=k=1，所以聚類過程中只取上三角或者下三角矩陣即可。聚類分析之前，數(shù)據(jù)類別為N，要分為多少種類別是未知的，聚類時首先將相似度距離最小的1類信號聚為1類，此時數(shù)據(jù)類別減少為N-1，如此循環(huán)直到所有信號歸為一類。兩類信號Gp和Gq計算相似度距離時采用最長距離法，即是兩類信號中信號的最大距離為兩類信號的距離：Dpq=max（dpq，p∈Gp，q∈Gq）（5）之后根據(jù)需要，給定閾值α，就可以將相似度距離小于或者等于α的信號聚成一類。給定的閾值不同，聚成的類別就有可能不同。聚類分析得到的結果，提高了疊加信號的相關性，使用疊加方法提高信號的信噪比更為有效。

取參考臺記錄的賓川主動源發(fā)射臺2012年9月至2016年4月底激發(fā)的共5 311次信號的Z分量進行分析。由前述可知，氣槍信號主頻約為3～6 Hz，聚類前先將參考臺信號進行去均值、去線性趨勢、2～7 Hz濾波處理。經(jīng)過互相關運算得到相似度矩陣M后，給定閾值α= 0.1，得到聚類結果如圖5所示，其中縱坐標表示聚成類別數(shù)量，橫坐標表示信號的時間，信號上方的數(shù)字表示該類信號的數(shù)量。從圖中可以看出，5311次信號被分成18類，信號數(shù)量最多的是第4類，共有2 125次。

2.2線性疊加與相位加權疊加

線性疊加就是將需要疊加的數(shù)據(jù)先進行算術相加，然后求其平均值，方法如下：s（t）=1N∑Nj=1sj（t）（6）式中：s（t）表示線性疊加后的結果，N表示需要疊加的信號數(shù)量，sj（t）表示第j道信號。經(jīng)n次疊加后，地震信號強度增強n倍，隨機噪聲信號強度增強n倍，因此地震信號強度增長速度是隨機噪音的n倍（熊章強等，2010）。

相位加權疊加（Schimmel，Paulssen，1997；陸一鋒等，2011）是一種非線性疊加方法，其中心思想是在線性疊加結果的基礎上，信號的每一個采樣點乘以一個對應的權重值，從而得到相位加權疊加結果。相位加權疊加的實現(xiàn)，首先用氣槍信號與其希爾伯特變換結果構造復數(shù)序列以得到瞬時相位，再將線性疊加結果與相位計算的權重值對應相乘，方法如下：X（t）=x（t）+iH[x（t）]=A（t）exp[iΦ（t）]（7）s（t）=1N ∑Nj=1xj（t）1N∑Nj=1exp（iΦj（t））v（8）其中：（7）式是處理單道信號得到瞬時相位的理論公式，x（t）是臺站記錄到的單次信號，H[x（t）]是單次信號的希爾伯特變換，A（t）是X（t）的瞬時振幅，i為虛數(shù)單位，Φ（t）是瞬時相位；（8）式是處理所有信號得到疊加結果的理論公式，其中s（t）是相位加權疊加的結果，xj（t）是臺站記錄到的第j次信號，Φj（t）是第j次信號經(jīng)過（7）式處理過的瞬時相位，v是指數(shù)，v=0時是線性疊加，本文中v=2。噪聲的瞬時相位隨機不定，而氣槍信號的瞬時相位基本一致，因此相位加權疊加是一種削弱噪聲、增強氣槍信號的方法。endprint

選聚類結果中信號最多的第4類數(shù)據(jù)進行后續(xù)的疊加。其他臺站選取相同激發(fā)時刻的數(shù)據(jù)，由于并不是所有臺站都記錄到了全部的激發(fā)數(shù)據(jù)，因此各個臺站用于疊加的數(shù)據(jù)也不盡相同，疊加次數(shù)在1 900～2 125之間。在疊加前各臺站也要進行去均值、去線性趨勢、濾波處理，疊加后再將結果進行濾波、波形滅尖等處理。疊加結果如圖6所示，圖6a為線性疊加的信號，圖6b為相位加權疊加的信號。經(jīng)過約2 000次疊加后，線性疊加的結果在225 km處信號的震相還比較清晰，更遠距離信號的震相已經(jīng)不大清晰；相位加權疊加后，在更遠的350 km處臺站信號的震相清晰可見。

3結論與討論

在研究天然地震信號特征時，通常沒有像賓川氣槍信號觀測系統(tǒng)中的參考臺那樣記錄信號作為震源函數(shù)的臺站，使得不能具體研究同當量天然地震的震源波形，我們只有選取距天然地震和氣槍震源距離相近的一個臺的記錄進行分析研究。應用S變換，對比了單次氣槍激發(fā)信號與同當量天然地震信號在傳播過程中的振幅、時頻特性。參考臺信號聚類分析后，對各臺站同一類型的信號用不同的方法進行疊加，這對有效提取微弱的介質(zhì)變化信息具有重要意義。通過這些工作，得到如下認識：

（1）單次氣槍激發(fā)信號與同當量天然地震信號在分別傳播8.8 km和7.7 km時，天然地震信號的頻帶為1～40 Hz，優(yōu)勢頻率在10～20 Hz之間，信號持續(xù)時間相對較短，能量集中在高頻部分，在傳播過程中能量衰減較快，傳播距離約60 km；氣槍信號的頻帶為1～10 Hz，優(yōu)勢頻率在3～6 Hz之間，信號持續(xù)時間相對較長，能量集中在利于地震波傳播的低頻段，在賓川氣槍主動源信號接收系統(tǒng)中，距離氣槍源151 km的臺站可以接收到信號。

氣槍信號與天然地震信號在特征上的區(qū)別可能是由氣槍特殊的震源信號引起的：氣槍震源信號由主脈沖和氣泡脈沖組成（林建民等，2010；夏季等，2016），主脈沖是指高壓氣槍在水中激發(fā)產(chǎn)生的第一個正壓力脈沖，具有能量大、頻帶寬、頻率高的特點，主要與氣槍陣列能量的大小有關；氣泡脈沖是高壓氣體形成的氣泡震蕩引起的，頻率低，主要與氣槍容量、工作壓力以及沉放深度等有關。主脈沖頻率高，持續(xù)時間短，傳播過程中頻率急劇下降，傳播距離短。氣泡脈沖頻率低，持續(xù)時間相對主脈沖較長，傳播距離較遠，53274臺記錄的氣槍信號以氣泡脈沖為主，主脈沖頻率已經(jīng)衰減到與氣泡脈沖一致的頻率上，整體頻率較低，低頻信號傳播過程中有較強的能力來抵抗吸收和散射等因素的影響（管振清等，2009）。而天然地震通常被認為是由一個雙力偶力系突然的應力釋放引起的（許忠淮，李世愚，2013；萬永革，2016），信號持續(xù)時間短，整體頻率高，高頻信號受低速層的吸收和高速層的強反射影響而衰減較快（管振清等，2009）。

（2）賓川氣槍信號發(fā)射臺的位置相對固定，激發(fā)信號具有高度相似性，我們在聚類分析的基礎上通過疊加來提高信號的信噪比，從而提取氣槍激發(fā)的地震信號。本文應用線性疊加方法和相位加權疊加方法進行2 000次左右疊加處理后，分別在225 km和350 km處檢測到了氣槍信號。

350 km的觀測距離小于國內(nèi)類似實驗的結果（魏斌等，2016）。主要因為賓川主動源信號發(fā)射臺配備的4×2 000 in3陣列單次激發(fā)能量相當于ML0.7地震（楊微等，2013；陳佳等，2016），魏斌等（2016）實驗所用的6×2 000 in3氣槍陣列單次激發(fā)能量相當于ML0.9地震（楊微等，2013）。根據(jù)氣槍激發(fā)能量計算公式（Ronen，2002）：E=PVln（P/P0），其中E為氣槍釋放能量，V為高壓氣體的容積，P為工作壓力，P0為環(huán)境氣壓，也即1個大氣壓，魏斌等（2016）實驗激發(fā)條件為P1=15 MPa，V1=12 000 in3，賓川主動源激發(fā)實驗激發(fā)條件為P2=15 MPa，V2=8 000 in3，實驗沉放深度都為10 m，可以得出魏斌等（2016）的實驗激發(fā)能量E1為賓川實驗激發(fā)能量E2的1.5倍。且云南位于青藏高原東南部，受造山運動的影響，地形復雜，構造活動劇烈，地殼內(nèi)斷層發(fā)育，介質(zhì)破碎，因此，云南地區(qū)整體Q值較低（胡家富等，2003），地震波的衰減快于其它地區(qū)。且云南地區(qū)地震波衰減以吸收為主，而吸收衰減相比于世界其他地區(qū)處于中等偏高的水平（王勤彩等，2010）。

與同當量天然地震相比，氣槍信號主頻低，雖然振幅小，但傳播距離遠，可用氣槍信號精細地研究更大范圍的地殼介質(zhì)結構。由于氣槍震源位置已知，震源定位、反演等方法有了精確的檢驗標準，氣槍信號的高度相似性也為通過長期觀測實驗以及利用波速變化來監(jiān)測地下介質(zhì)的變化乃至地震孕育過程提供了可能。

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