蘇金波+王海濤+王瓊+張文來(lái)+冀戰(zhàn)波+魏蕓蕓+陳昊+張文秀

摘要：為研究造成新疆呼圖壁大容量氣槍震源重復(fù)性波動(dòng)的原因，利用2015—2016年新疆呼圖壁氣槍震源激發(fā)池岸邊的一臺(tái)地震儀記錄的3 214次激發(fā)信號(hào)，采用聚類(lèi)分析中層次聚類(lèi)方法和波形信號(hào)互相關(guān)技術(shù)，以相關(guān)系數(shù)大于0.95、對(duì)應(yīng)相似度距離為0.05為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氣槍震源信號(hào)進(jìn)行聚類(lèi)分析，將信號(hào)分成了2類(lèi)。對(duì)可能造成氣槍信號(hào)重復(fù)性波動(dòng)的幾種原因進(jìn)行討論，結(jié)果表明這種信號(hào)的重復(fù)性波動(dòng)是氣槍激發(fā)時(shí)壓力不同造成的，建議通過(guò)控制激發(fā)壓力的方法來(lái)解決這一問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：氣槍震源；信號(hào)重復(fù)性；波形信號(hào)互相關(guān)；聚類(lèi)分析

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）04-0613-06

0引言

利用人工震源激發(fā)地震波是進(jìn)行介質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)和介質(zhì)變化監(jiān)測(cè)的一種手段，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油勘探、礦產(chǎn)資源調(diào)查以及地球動(dòng)力學(xué)研究等領(lǐng)域（王寶善等，2016）。對(duì)介質(zhì)變化進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)依賴于重復(fù)性震源，其中氣槍震源是通過(guò)在水下瞬間釋放高壓空氣進(jìn)而激發(fā)地震波的一種新型震源。研究表明，氣槍震源對(duì)近場(chǎng)破壞小、重復(fù)性高、低頻成分豐富，是進(jìn)行地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)和介質(zhì)變化監(jiān)測(cè)研究的理想震源（Wang et al，2013）。

新疆呼圖壁大容量氣槍震源信號(hào)發(fā)射臺(tái)于2013年8月正式運(yùn)行，是世界上首個(gè)基于人工激發(fā)池的大容量氣槍震源信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)（蘇金波等，2016）。該系統(tǒng)由一個(gè)上表面直徑100 m、下表面直徑15 m、深15 m的倒圓臺(tái)形激發(fā)池和6條單槍容量為2 000 in3的大容量氣槍組成，具有激發(fā)能量大、水位穩(wěn)定、震源重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。在3年多的運(yùn)行中，已經(jīng)完成了7 000次左右的有效激發(fā)，積累了大量的數(shù)據(jù)（魏斌等，2016）。

氣槍震源在水體中激發(fā)，其能量來(lái)源是高壓空氣的瞬間釋放，高壓空氣的釋放不會(huì)對(duì)近場(chǎng)產(chǎn)生破壞，也不會(huì)改變水體的性質(zhì)，每次激發(fā)時(shí)氣槍本身和周?chē)w的耦合條件完全一致，這是氣槍震源具有高度重復(fù)性的主要原因（楊微等，2016）。為了獲得地下介質(zhì)隨時(shí)間的變化情況，陳颙院士等提出建設(shè)地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)，開(kāi)展4D地震學(xué)方面的研究，而氣槍震源作為一種新型重復(fù)震源，在4D地震學(xué)的研究中的應(yīng)用已經(jīng)取得了比較大的進(jìn)展（張?jiān)迄i等，2016）。氣槍信號(hào)的高重復(fù)性，使其在地殼介質(zhì)結(jié)構(gòu)的精細(xì)探測(cè)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)（武安緒等，2016）。但是，通過(guò)對(duì)距離呼圖壁氣槍震源激發(fā)池20 m處的一個(gè)地震儀記錄到氣槍信號(hào)的分析發(fā)現(xiàn)，氣槍信號(hào)的穩(wěn)定性有一定的浮動(dòng)。本文將利用聚類(lèi)分析方法和波形互相關(guān)技術(shù)，對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行分析和討論。

1研究方法——聚類(lèi)分析

聚類(lèi)分析也稱(chēng)群分析或點(diǎn)群分析，是一種研究多要素事件分類(lèi)的方法，也是一種新興的多元統(tǒng)計(jì)方法。其基本原理是根據(jù)樣本自身屬性，使用數(shù)學(xué)方法，按照某種相似性或者差異性的指標(biāo)定量地確定樣本之間的親疏關(guān)系，并按照這種親疏關(guān)系的程度對(duì)樣本進(jìn)行聚類(lèi)。簡(jiǎn)而言之，聚類(lèi)分析就是按照事件彼此不同的屬性進(jìn)行辨認(rèn)，最終將相似屬性的事件劃為一類(lèi)。

許多研究人員將這種統(tǒng)計(jì)方法應(yīng)用在地震學(xué)中的相似地震研究上。Peng和Benzion（2005）利用聚類(lèi)分析中的等價(jià)聚類(lèi)方法對(duì)重復(fù)地震進(jìn)行識(shí)別；王偉濤和王寶善（2012）提出一種基于聚類(lèi)分析的多尺度相似地震快速識(shí)別方法，利用聚類(lèi)分析中的層次聚類(lèi)方法，對(duì)汶川地震東北端余震序列進(jìn)行研究。

地震研究40卷第4期蘇金波等：利用聚類(lèi)分析方法研究新疆呼圖壁大容量氣槍震源重復(fù)性等價(jià)聚類(lèi)分析方法的原理為：先設(shè)定一個(gè)相關(guān)系數(shù)閾值β，當(dāng)事件A和事件B的相關(guān)系數(shù)大于β，事件B和事件C的相關(guān)系數(shù)也大于β時(shí)，A、B、C被視為一個(gè)等價(jià)類(lèi)。得到這樣的兩兩事件的相關(guān)系數(shù)之后，可以據(jù)此對(duì)重復(fù)地震進(jìn)行快速識(shí)別和分析。但是，此種方法沒(méi)有對(duì)A和C的相關(guān)性做出限制，在進(jìn)行等價(jià)類(lèi)分析的時(shí)候，有可能將原本分別屬于兩個(gè)叢集的事件合并成為一個(gè)比較大的叢集，得出錯(cuò)誤結(jié)果（Maurer，Deichmann，2007）。

為了避免等價(jià)聚類(lèi)分析可能導(dǎo)致的上述問(wèn)題，我們選用層次聚類(lèi)分析的方法來(lái)對(duì)呼圖壁氣槍震源信號(hào)進(jìn)行聚類(lèi)。假設(shè)有N個(gè)氣槍信號(hào)，首先選取合適的相關(guān)窗口計(jì)算任意2個(gè)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)C，并定義2個(gè)信號(hào)的相似度距離為D（D=1-C），這樣可以構(gòu)建一個(gè)相似度距離的矩陣M。初始狀態(tài)下，每個(gè)信號(hào)自成一類(lèi)，共有N類(lèi)，之后將具有最小距離的2個(gè)信號(hào)合并成為一類(lèi)，這時(shí)有N-1個(gè)信號(hào)。如此循環(huán)計(jì)算類(lèi)之間的距離并執(zhí)行合并操作，最后所有信號(hào)被歸為一類(lèi)。

2個(gè)信號(hào)之間的距離由二者的相關(guān)系數(shù)來(lái)確定（矩陣M中對(duì)應(yīng)元素），2個(gè)類(lèi)之間的距離則定義為分別屬于2個(gè)類(lèi)中的信號(hào)相關(guān)系數(shù)距離的最大值，這種方法稱(chēng)為聚類(lèi)分析中的最大距離法（Lance，Williams，1967）。如圖1所示，選擇一個(gè)相似度距離的閾值為α，得到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下類(lèi)別數(shù)目和各類(lèi)中的信號(hào)。根據(jù)上述最大距離法，得到的每一類(lèi)中的事件的相似度距離都小于α，這樣就可以避免等價(jià)聚類(lèi)中的類(lèi)別合并問(wèn)題（王偉濤，王寶善，2012）。

2數(shù)據(jù)處理與結(jié)果

為了對(duì)呼圖壁大容量氣槍震源的特性進(jìn)行分析，我們?cè)诰嚯x激發(fā)池岸邊20 m處架設(shè)了一套寬頻帶地震儀（地震儀型號(hào)CMG-40T，數(shù)采型號(hào)Q330s+），利用這個(gè)地震儀記錄到的信號(hào)（圖2）可對(duì)震源的頻率特征、能量特征、重復(fù)性等進(jìn)行研究，本研究所用波形數(shù)據(jù)均為該儀器記錄。

本文應(yīng)用的聚類(lèi)分析的方法需要計(jì)算兩兩信號(hào)之間的互相關(guān)系數(shù)，2013年8月以來(lái)，呼圖壁氣槍震源已經(jīng)進(jìn)行了約7 000次的激發(fā)，如果對(duì)所有的波形信號(hào)進(jìn)行兩兩互相關(guān)計(jì)算，共需要進(jìn)行約2 500萬(wàn)次，計(jì)算量較大。選取2015年1月1日至2016年12月30日共3 214次激發(fā)的波形信號(hào)，這樣既可以將季節(jié)、水溫等不確定因素包括進(jìn)來(lái)，又降低了計(jì)算成本。氣槍震源的優(yōu)勢(shì)頻率主要集中在2～8 Hz，具有豐富的低頻有效能量，這是氣槍震源能夠進(jìn)行地殼結(jié)構(gòu)探測(cè)的原因之一（楊微等，2013），所以本文只討論在這一頻帶范圍內(nèi)的氣槍信號(hào)。具體數(shù)據(jù)處理流程如下：endprint

（1）根據(jù)氣槍激發(fā)時(shí)刻，截取激發(fā)后3 s的波形數(shù)據(jù)。

（2）對(duì)截取的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行2～8 Hz濾波。

（3）對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行兩兩互相關(guān)計(jì)算，求取兩兩信號(hào)之間相關(guān)系數(shù)的最大值，這些最大值組成相似度矩陣M。

（4）利用聚類(lèi)分析中的最大距離法，以相關(guān)系數(shù)大于0.95、對(duì)應(yīng)相似度距離為0.05為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所有信號(hào)進(jìn)行聚類(lèi)。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)處理方法，最終得到波形信號(hào)聚類(lèi)結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出，3 214條氣槍激發(fā)信號(hào)被分成了2類(lèi)，分別包括1 056條和2 158條。2類(lèi)中的氣槍信號(hào)波形均表現(xiàn)了很高的重復(fù)性。

將圖3中2個(gè)聚類(lèi)中的信號(hào)按照激發(fā)時(shí)間進(jìn)行分布，可以得出2個(gè)聚類(lèi)中信號(hào)的時(shí)間分布，如圖4所示，圖中每個(gè)黑點(diǎn)代表一次氣槍激發(fā)（圖中有2段2個(gè)聚類(lèi)都沒(méi)有數(shù)據(jù)的部分，是由于氣槍系統(tǒng)在這段時(shí)間發(fā)生故障無(wú)法進(jìn)行正常實(shí)驗(yàn)造成的）。為了進(jìn)一步對(duì)比2個(gè)聚類(lèi)中信號(hào)的差異，將2個(gè)聚類(lèi)中的所有信號(hào)分別進(jìn)行線性疊加（圖5），兩個(gè)疊加后信號(hào)的相關(guān)系數(shù)為0.988。

3分析與討論

氣槍震源重復(fù)性波動(dòng)可能由多種因素造成。結(jié)合氣槍震源系統(tǒng)工作原理和呼圖壁氣槍震源的具體情況，對(duì)影響呼圖壁氣槍震源重復(fù)性的因素進(jìn)行討論。

（1）激發(fā)池水位因素。氣槍信號(hào)中的低頻成分主要是氣槍中的高壓氣體瞬間釋放，形成的氣泡在水體中來(lái)回震蕩產(chǎn)生的脈沖信號(hào)。所以，水體的形狀和激發(fā)池中的水體容量對(duì)氣泡脈沖會(huì)造成較大影響（李孝賓等，2016）。不同于水庫(kù)氣槍震源，呼圖壁氣槍震源的水體是人工開(kāi)挖的激發(fā)池，配備有補(bǔ)水系統(tǒng)，在夏季蒸發(fā)量較大時(shí)可以對(duì)激發(fā)池進(jìn)行補(bǔ)水，使激發(fā)池中水位長(zhǎng)期保持穩(wěn)定狀態(tài)（蘇金波等，2015），且呼圖壁地區(qū)常年干旱少雨，所以降雨對(duì)水位造成的影響可以忽略。因此可以排除激發(fā)池水位對(duì)氣槍信號(hào)的影響。

（2）季節(jié)因素。呼圖壁氣槍震源所在地區(qū)氣候較為惡劣，冬季最低氣溫低至零下30 ℃左右，且全年有近4個(gè)月平均氣溫在0℃以下（蒲紅錚等，2015）。在這樣的溫度條件下，每年有4個(gè)月左右的時(shí)間激發(fā)池表面會(huì)覆蓋一層冰層，冰層最厚可達(dá)20 cm。冬季實(shí)驗(yàn)時(shí)，氣泡震蕩和上升會(huì)將吊裝氣槍的浮臺(tái)周?chē)谋嫫崎_(kāi)，但無(wú)法將激發(fā)池的上覆冰層整體破開(kāi)。當(dāng)氣泡震蕩上升至表面時(shí)，上覆冰層可能對(duì)其震蕩方式造成一定影響。但是，從圖4可以看出2個(gè)聚類(lèi)在時(shí)間上的分布跟季節(jié)變化沒(méi)有明顯的關(guān)系。如2015年7月至2016年7月，2個(gè)聚類(lèi)在這段時(shí)間分布較為均勻。據(jù)此，可以判斷季節(jié)因素對(duì)信號(hào)重復(fù)性的影響較小。

（3）激發(fā)壓力影響。可以將氣槍震源看成一種比較均勻的膨脹源，氣槍每次激發(fā)時(shí)內(nèi)部空氣壓力如果存在差異，其信號(hào)重復(fù)性也將受到影響。氣槍內(nèi)的高壓空氣是由活塞式空氣壓縮機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)空壓機(jī)）產(chǎn)生并輸送至儲(chǔ)氣鋼瓶，鋼瓶通過(guò)氣纜和配氣開(kāi)關(guān)與氣槍連接，依靠鋼瓶和氣槍之間的壓強(qiáng)差給氣槍配氣，當(dāng)氣槍內(nèi)的氣體壓強(qiáng)達(dá)到15 MPa時(shí)，進(jìn)行一次激發(fā)。在實(shí)際工作中可以根據(jù)空壓機(jī)的效率，計(jì)算每次激發(fā)后氣槍重新充氣至15 MPa的時(shí)間來(lái)設(shè)置氣槍控制系統(tǒng)，使其按照規(guī)定時(shí)間自動(dòng)激發(fā)。但是空壓機(jī)的效率是不穩(wěn)定的，當(dāng)每次激發(fā)的時(shí)間間隔確定后，有時(shí)無(wú)法保證在經(jīng)過(guò)這段時(shí)間后氣槍內(nèi)的壓力達(dá)到15 MPa，那么氣槍就會(huì)在壓強(qiáng)小于或大于15 MPa的情況下進(jìn)行激發(fā)，而且這種過(guò)程將逐漸累加，最后造成每次激發(fā)時(shí)槍內(nèi)壓力的差異。

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，將不同聚類(lèi)中的信號(hào)進(jìn)行疊加后，其信號(hào)的差異主要集中0.5～1.3 s之間的振幅上。這段信號(hào)主要是由氣槍激發(fā)產(chǎn)生氣泡在水體中的自由震蕩產(chǎn)生的，稱(chēng)為氣泡脈沖。類(lèi)似于炸藥震源，氣槍震源是一個(gè)均勻的膨脹源，氣槍內(nèi)的氣壓相當(dāng)于炸藥震源的炸藥當(dāng)量，不同當(dāng)量的炸藥爆破產(chǎn)生的信號(hào)存在振幅差異（林建民等，2008），同理，氣槍震源在不同氣壓下激發(fā)，其信號(hào)也將存在振幅差異。由此可以判斷，這段信號(hào)的振幅差異主要是氣槍激發(fā)時(shí)的氣體壓力不同造成的。

圖6為2015年2次氣槍實(shí)驗(yàn)情況，聚類(lèi)分析結(jié)果顯示2015年10月9日的實(shí)驗(yàn)被分成了1類(lèi)，如圖6a所示，圖中每個(gè)點(diǎn)代表一次激發(fā)，共37次激發(fā)；而2015年10月16日的實(shí)驗(yàn)卻被分成了2類(lèi)，如圖6b所示，共40次激發(fā)。兩次實(shí)驗(yàn)時(shí)間間隔很近，可以排除季節(jié)等因素的干擾，造成這種差異的原因只能是氣槍激發(fā)時(shí)的壓力不同。圖6a的激發(fā)壓力比較穩(wěn)定，而圖6b中的激發(fā)壓力不穩(wěn)定，造成了信號(hào)重復(fù)性的差異。

4結(jié)論與討論

本文利用2015—2016年新疆呼圖壁氣槍震源激發(fā)池岸邊的一臺(tái)地震儀記錄的3 214次激發(fā)信號(hào)，采用聚類(lèi)分析中層次聚類(lèi)方法和波形信號(hào)互相關(guān)技術(shù)，對(duì)新疆呼圖壁氣槍震源信號(hào)重復(fù)性波動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)可能造成信號(hào)重復(fù)性波動(dòng)的原因進(jìn)行分析與討論，初步得出結(jié)論：呼圖壁氣槍震源的重復(fù)性波動(dòng)主要是氣槍激發(fā)時(shí)氣槍內(nèi)空氣壓力差異造成的。

利用大容量氣槍震源進(jìn)行區(qū)域地下介質(zhì)的監(jiān)測(cè)是一種精度很高的地球物理監(jiān)測(cè)手段，該手段主要依賴氣槍震源的高度重復(fù)性（王寶善等，2011），減小信號(hào)重復(fù)性波動(dòng)對(duì)后續(xù)研究十分有利。通過(guò)以上結(jié)論，可以對(duì)氣槍實(shí)驗(yàn)提出建議：在氣槍激發(fā)實(shí)驗(yàn)時(shí)，盡量保證在同一壓力下激發(fā)，這樣可以在一定程度上提高信號(hào)的重復(fù)性。

參考文獻(xiàn)：

李孝賓，葉泵，楊軍，等.2016.水庫(kù)氣槍震源不同組合激發(fā)效率的對(duì)比研究[J].地震研究，39（3）：458-465.

林建民，王寶善，葛洪魁，等.2008.大容量氣槍震源特征及地震波傳播的震相分析[J].地球物理學(xué)報(bào)，51（1）：206-212.

蒲紅錚，韓添丁，成鵬，等.2015.天山南北坡流域氣溫時(shí)空變化特征[J].高原氣象，34（3）：753-761.

蘇金波，王寶善，王海濤，等.2015.利用大容量氣槍震源資料研究北天山地區(qū)介質(zhì)衰減特征[J].地震研究，38（4）：598-605.endprint

蘇金波，王瓊，王海濤，等.2016.新疆地震臺(tái)網(wǎng)對(duì)新疆呼圖壁大容量氣槍震源信號(hào)的接收能力及其影響因素分析[J].中國(guó)地震，32（2）：202-208.

王寶善，葛洪魁，王彬，等.2016.利用人工重復(fù)震源進(jìn)行地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)及其變化研究的探索和進(jìn)展[J].中國(guó)地震，32（2）：168-179.

王寶善，王偉濤，葛洪魁，等.2011.人工震源地下介質(zhì)變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[J].地球科學(xué)進(jìn)展，26（3）：249-256.

王偉濤，王寶善.2012.基于聚類(lèi)分析的多尺度相似地震快速識(shí)別方法及其在汶川地震東北端余震序列分析中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)報(bào)，55（6）：1952-1962.

魏斌，蘇金波，王海濤，等.2016.新疆呼圖壁人工水體大容量氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)性能研究[J].中國(guó)地震，32（2）：222-230.

武安緒，葉泵，李紅，等.2016.氣槍震源弱信號(hào)提取的可靠性初步分析[J].中國(guó)地震，32（2）：319-330.

楊微，王寶善，葛洪魁，等.2013.大容量氣槍震源主動(dòng)探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)及試驗(yàn)研究[J].中國(guó)地震，29（4）：399-410.

楊微，王寶善，劉政一，等.2016.不同激發(fā)環(huán)境下井中氣槍震源特征研究[J].中國(guó)地震，32（2）：231-240.

張?jiān)迄i，王寶善，王偉濤，等.2016.安徽氣槍實(shí)驗(yàn)固定臺(tái)層析成像初步結(jié)果[J].中國(guó)地震，32（2）：331-342.

LANCE G N，WILLIAMS W T.1967.A General Theory of Classificatory Sorting Strategies 1.Hierarchical Systems[J].Computer Journal，9（4）：373.

MAURER H，DEICHMANN N.2007.Microearthquake cluster detection based on waveform similarities，with an application to the western Swiss Alps[J].Geophysical Journal International，123（2）：588-600.

PENG Z，BENZION Y.2005.Spatiotemporal variations of crustal anisotropy from similar events in aftershocks of the 1999 M7.4 I·zmit and M7.1 Düzce，Turkey，earthquake sequences[J].Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society，160（3）：1027-1043.

WANG B，GE H K，WEI Y，et al.2013.Transmitting seismic station monitors fault zone at depth[J].Eos Transactions American Geophysical Union，93（5）：49-50.endprint