楊微， 王寶善， 張?jiān)迄i， 王偉濤

1 中國(guó)地震局地球物理研究所， 北京 100081 2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院， 合肥 230026

0 引言

地震給人類社會(huì)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，同時(shí)產(chǎn)生的地震波攜帶了豐富的地球內(nèi)部信息，為人們利用地震波信息對(duì)地球靜態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描繪提供了重要的技術(shù)手段.地震是地下介質(zhì)應(yīng)力積累和釋放的物理過(guò)程，由于其發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)不可控，且發(fā)生過(guò)程復(fù)雜等特征，導(dǎo)致對(duì)地震孕育和發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)和理解有待提升.科學(xué)家們多通過(guò)探測(cè)地球內(nèi)部物理場(chǎng)的變化來(lái)分析和研究地震的物理過(guò)程，其中對(duì)地下介質(zhì)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)是一種可行的途徑(王寶善等，2011).但由于地球的不可入性，對(duì)孕震深度層介質(zhì)應(yīng)力變化的探測(cè)能力有限.在地球內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的各種探測(cè)手段中，地震波作為“照亮地球內(nèi)部的一盞明燈”，能夠穿透地球內(nèi)部(陳颙和朱日祥，2005).在地震波的信息參數(shù)中，地震波速度是測(cè)量精度最高、最可靠的參數(shù)，測(cè)量方法相對(duì)成熟，且大量的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)均表明巖石的波速會(huì)隨應(yīng)力變化而發(fā)生變化(如 Birch, 1960; Nur, 1971).因此，可將連續(xù)精確測(cè)量波速變化作為“應(yīng)力計(jì)”，來(lái)反應(yīng)地下介質(zhì)應(yīng)力場(chǎng)的狀態(tài)及變化.

在地表測(cè)量地下介質(zhì)的波速變化非常微弱，高精度的重復(fù)測(cè)量是實(shí)現(xiàn)介質(zhì)變化監(jiān)測(cè)研究的關(guān)鍵因素之一.目前，利用重復(fù)性震源開展地下介質(zhì)波速變化研究的方法主要有重復(fù)地震(Poupinet et al., 1984; Nadeau et al., 1994; Song and Richards, 1996; Schaff and Richards, 2004; Schaff and Beroza, 2004; Peng and Ben-Zion, 2006; Li et al., 2006, 2007)，背景噪聲(Brenguier et al., 2008; Cheng et al., 2010; Takagi et al., 2012; Liu et al., 2014; Mao et al., 2019; Pei et al., 2019)和人工震源(Leary et al., 1979; Karageorgi et al., 1992; Furumoto et al., 2001; Yamaoka et al., 2001; Yamamura et al., 2003; Ikuta et al., 2002; Ikuta and Yamaoka, 2004; Silver et al., 2007; Niu et al., 2008; 楊微等, 2010; Yang et al., 2018; 張?jiān)? 2017; Tsuji et al., 2018; Wang et al., 2008, 2020)等.與天然地震和背景噪聲等天然源相比，人工震源具有準(zhǔn)確的激發(fā)時(shí)間、地點(diǎn)和震源特性可測(cè)等優(yōu)點(diǎn)(陳颙等，2007a，2017；Wang et al., 2012)，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量地震波的速度變化來(lái)研究地球介質(zhì)的變化過(guò)程.因此，需要尋找一種高度可重復(fù)且具有綠色環(huán)保的人工震源來(lái)開展相關(guān)研究.

在20世紀(jì)70年代，Reasenberg和Aki(1974)就提出了利用人工重復(fù)震源來(lái)測(cè)量地下介質(zhì)的波速變化，由于當(dāng)時(shí)相關(guān)技術(shù)的限制導(dǎo)致探測(cè)精度不高(McEvilly et al., 1974; Kanamori and Fuis, 1976).但隨著電子科技和地震觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外科研人員在人工震源重復(fù)探測(cè)方面進(jìn)行了有益的嘗試，并取得了一些進(jìn)展及成果，分別利用氣槍(Reasenberg and Aki, 1974; Leary et al., 1979; 張?jiān)龋?017；Yang et al.，2018; Wang et al., 2020)，壓電陶瓷(Yukutake et al., 1988; Yamamura et al., 2003; Silver et al., 2007; Niu et al., 2008)，重復(fù)爆破(Furumoto et al., 2001; Li et al., 2007)，ACROSS(Yamaoka et al., 2001；Ikuta et al., 2002; Ikuta and Yamaoka, 2004；Saiga et al., 2006；楊微等，2010)，落錘(Wang et al., 2008；王偉濤等，2009)等人工震源觀測(cè)到了相關(guān)的波速變化，但大多數(shù)人工震源重復(fù)探測(cè)的距離小于1 km，監(jiān)測(cè)到的波速變化主要是淺地表介質(zhì)的變化.而大陸地震主要都發(fā)生在10～30 km的深度，觀測(cè)到的淺地表變化不能準(zhǔn)確地反應(yīng)孕震深度層介質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)及變化，需要進(jìn)一步尋找具有傳播距離遠(yuǎn)的高性能大功率人工震源.

2000年后，在陳颙院士的倡議下，中國(guó)地震局與中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)石油集團(tuán)和中國(guó)石油化工集團(tuán)等相關(guān)單位對(duì)系列人工震源進(jìn)行了大量的探索實(shí)驗(yàn)(王寶善等，2016；王偉濤等，2017；陳颙等, 2017).通過(guò)與其他類型的人工震源相比，大容量氣槍震源有能量大、頻率低、高度可重復(fù)、近場(chǎng)破壞小等優(yōu)點(diǎn)(陳颙等，2007a；Chen et al., 2008)，尤其氣槍震源信號(hào)的高度可重復(fù)是其區(qū)別于其他人工震源的重要特征，其可重復(fù)性可高達(dá)99.5%(林建民等，2008)，通過(guò)多次疊加后可在幾百公里外檢測(cè)到清晰的氣槍信號(hào)，為針對(duì)孕震深度上介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)及變化監(jiān)測(cè)研究提供了一條有效的技術(shù)路線(Wang et al., 2012).

1 氣槍震源的發(fā)展歷程

氣槍震源是由美國(guó)Bolt公司的Stephen Chelminski在1964年發(fā)明的(陳浩林等，2008).氣槍震源產(chǎn)生振動(dòng)的原理是高壓空氣在水里瞬間釋放的過(guò)程中，會(huì)激發(fā)兩組波(圖1).一組是高壓空氣對(duì)水體的瞬間沖擊產(chǎn)生的壓力脈沖波，信號(hào)頻帶較寬，優(yōu)勢(shì)頻率一般為幾十赫茲；另外一組是在后期高壓空氣形成氣泡及氣泡上升過(guò)程中，氣泡往復(fù)收縮和膨脹產(chǎn)生氣泡振蕩波，信號(hào)主頻表現(xiàn)為幾赫茲.根據(jù)氣槍信號(hào)產(chǎn)生的原理及特征，氣槍震源的發(fā)展到目前為止共經(jīng)歷了三個(gè)階段.

圖1 單支容量為2000 in3氣槍震源的近場(chǎng)記錄波形(1 in3=16.39 cm3)Fig.1 The waveform recorded at near field for airgun source with the capacity of 2000 in3

(1)20世紀(jì)60—70年代，氣槍震源的萌芽起步.

在該時(shí)期以Bolt公司的PAR(pneumatic acoustic repeater)氣槍為典型代表.氣槍震源均以單支氣槍為主，為了提升氣槍激發(fā)的能量，會(huì)同時(shí)增加氣槍的容量和激發(fā)壓力，其中激發(fā)壓力增加到高達(dá)5000 psi(pound per square inch，1 psi=6.8948 kPa，周寶華和劉威北，1998).但氣槍激發(fā)壓力越高，壓力脈沖波受氣泡震蕩的干擾也越強(qiáng)，不利于后期的數(shù)據(jù)處理.

另外，單支高壓氣槍也存在安全性和故障率高的問(wèn)題(陳浩林等，2008)，使得氣槍震源的應(yīng)用在早期受到一些限制.Ziolkowski(1970)和Schulze-Gattermann(1972)等在20世紀(jì)70年代初，提出了氣泡振蕩的衰減方式、振蕩周期和振蕩模型理論，為后期氣槍震源的快速發(fā)展和應(yīng)用奠定了重要的理論基礎(chǔ).

(2)20世紀(jì)80—90年代，氣槍震源產(chǎn)品工業(yè)化及在海洋中的應(yīng)用.

美國(guó)Bolt公司的氣槍專利在1983年失效后，美國(guó)西方地球物理公司設(shè)計(jì)出了LRS-6000型氣槍(陳浩林等，2008).為了提升激發(fā)的可靠性、能量和頻帶范圍等，且符合健康、安全與環(huán)境管理體系(Health Safety and Enviromen Management System，HSE)的要求，美國(guó)西方地球物理公司的E.R.Harrison研制出2000 psi的套筒(Sleeve)槍(Krail, 2010)，具有較好的同步性和可靠性等特點(diǎn)，成為20世紀(jì)80年代的主流氣槍(周寶華和劉威北，1998).

1989年，美國(guó)地震震源系統(tǒng)公司的Pascouet研制了G和GI槍(Krail, 2010)，隨后被法國(guó)CGG的Sercel公司收購(gòu).美國(guó)Bolt公司為了奪回氣槍的領(lǐng)先地位和市場(chǎng)，在1991年研制出了長(zhǎng)壽命氣槍(Long Life Airgun)，機(jī)械部件可達(dá)50萬(wàn)次激發(fā)，并占領(lǐng)全球70%的市場(chǎng)(周寶華和劉威北，1998)，成為20世紀(jì)90年代的主流氣槍.

1996年，美國(guó)西方地球物理公司的勘探產(chǎn)業(yè)事業(yè)部被美國(guó)ION地球物理公司收購(gòu)，隨后套筒槍因在能量和操作等方面的因素逐漸被市場(chǎng)所淘汰.1999年，美國(guó)Bolt公司研制出APG槍(Annular Port Airgun)，具有更長(zhǎng)的工作壽命和適合在水中拖拽等特點(diǎn)(陳浩林等，2008).2014年，美國(guó)Bolt公司被美國(guó)Teledyne公司收購(gòu)，更名為Teledyne Bolt公司.氣槍震源在生產(chǎn)和制造方面逐漸形成以美國(guó)Teledyne Bolt公司和法國(guó)CGG的Sercel公司瓜分全球市場(chǎng)的局面.

在海洋油氣和礦產(chǎn)資源探查中，為了突出氣槍震源壓力脈沖波的高頻特點(diǎn)，以氣泡衰減和振蕩模型為基礎(chǔ)，建立了無(wú)限水體中的氣槍陣列理論模型，通過(guò)多支不同容積的氣槍進(jìn)行組合激發(fā)，壓制氣泡振蕩波，同時(shí)能提高壓力脈沖波的能量和頻率.氣槍震源在海上油氣勘探方面取得了巨大的進(jìn)步(Lutter et al.，1999；Okaya et al.，2002；Fuis et al.，2003)，且隨著地震勘探精度的提高，在海洋勘探上氣槍震源陣列組合的頻帶范圍為幾十赫茲到150 Hz.

另外，地震波在地下介質(zhì)的傳播過(guò)程中高頻信號(hào)易衰減，低頻信號(hào)能量衰減相對(duì)較慢.Avedik等(1993)結(jié)合氣槍震源激發(fā)產(chǎn)生的氣泡振蕩波和地震波信號(hào)的傳播衰減特征，提出了利用氣泡振蕩波作為震源信號(hào)來(lái)開展海洋地殼結(jié)構(gòu)的深地震探測(cè)，結(jié)果表明通過(guò)壓制氣槍激發(fā)產(chǎn)生的壓力脈沖波，增強(qiáng)氣泡振蕩波的方式可以獲得足夠的低頻能量來(lái)探測(cè)海洋地殼結(jié)構(gòu)，傳播距離可達(dá)到幾百公里，為海域和海陸聯(lián)合探測(cè)地殼結(jié)構(gòu)提供了一條新的技術(shù)路線，氣槍震源的應(yīng)用得到了進(jìn)一步的拓展(Qiu et al.，2001；趙明輝等，2004；Calvert，2004；McIntosh et al.，2005；Melhuish et al.，2005).

(3)21世紀(jì)初—至今，氣槍震源在陸地有限水體中的發(fā)展和應(yīng)用.

2000年前，氣槍震源主要應(yīng)用于海上，而具有低頻優(yōu)勢(shì)的氣泡振蕩波在傳播過(guò)程中呈現(xiàn)出高度可重復(fù)和傳播距離遠(yuǎn)等特征未得到很好的利用.為了發(fā)揮大容量氣槍震源低頻振蕩波的優(yōu)點(diǎn)來(lái)探測(cè)在孕震深度層介質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)及變化，以分析和研究地震孕育和發(fā)生的物理過(guò)程，中國(guó)地震局嘗試將氣槍震源激發(fā)技術(shù)移植到陸地有限水體中(陳颙等，2007b)，其研究的對(duì)象主要是大陸，氣槍震源上陸遇到的第一個(gè)問(wèn)題就是現(xiàn)有的海洋探測(cè)系統(tǒng)不適用.另外，與海洋相比，陸地激發(fā)環(huán)境都是有限水體，且為了實(shí)現(xiàn)氣泡振蕩波的遠(yuǎn)距離探測(cè)，需要使用大容量氣槍陣列.2006年，在中國(guó)石油集團(tuán)公司和中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所等相關(guān)單位的幫助下，在河北上關(guān)湖水庫(kù)進(jìn)行了一次嘗試性的激發(fā)實(shí)驗(yàn)，氣槍震源的高度可重復(fù)性和遠(yuǎn)距離探測(cè)能力為實(shí)現(xiàn)地下介質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)帶來(lái)了可能(陳颙等，2007a).

氣槍震源在陸地水庫(kù)、人工水體、湖泊和公園水體等環(huán)境中經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和改進(jìn)(Wang et al., 2010；楊微等，2013；陳颙等, 2017)，探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)得到了優(yōu)化和完善，逐漸趨于成熟，形成了一整套陸地水體氣槍震源重復(fù)探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)，并開始探索利用氣槍震源圍繞板內(nèi)陸地和人類活動(dòng)開展地下介質(zhì)變化監(jiān)測(cè)研究.2011年，在云南省賓川縣大營(yíng)甸水庫(kù)建立了世界上第一個(gè)地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)(Wang et al., 2012).全球的地震臺(tái)是用來(lái)接收地震波的，而賓川地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)是主動(dòng)往外發(fā)射地震波.為了降低激發(fā)水位變化的影響，進(jìn)一步提升氣槍震源的重復(fù)性，2013年在新疆呼圖壁縣建立了第一個(gè)人工水體氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)(魏斌等，2016).隨后在甘肅省張掖市(張?jiān)龋?016)和永靖縣(郭曉等，2020)也分別建立地震信號(hào)發(fā)射臺(tái).近些年來(lái)，陸地水體氣槍震源探測(cè)技術(shù)逐漸被應(yīng)用于地下介質(zhì)變化監(jiān)測(cè)及其相關(guān)探測(cè)研究，并取得了系列成果(陳颙等, 2017；Wang et al., 2018；She et al., 2018；Tian et al., 2018；Yang et al., 2018；Wang et al., 2020；Zhang et al., 2020a, 2020b；Ji et al., 2021).

為了服務(wù)于地震危險(xiǎn)區(qū)和工業(yè)開采區(qū)等地下介質(zhì)變化監(jiān)測(cè)研究，在固定氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)技術(shù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上(楊微等，2013)，對(duì)硬件技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行了功能性分析和模塊化集成，研制了井中和移動(dòng)式氣槍震源系統(tǒng)，并在地震斷裂帶和礦產(chǎn)資源區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用(楊微等，2016；Yang et al., 2018；Zhang et al., 2020a).井中氣槍(BHS-2200LL)激發(fā)受水體大小的影響明顯，在直徑0.2 m的井中受井壁的約束氣泡無(wú)法形成振蕩，產(chǎn)生的信號(hào)主要是高頻的壓力脈沖波，與在直徑5.0 m的井中相比，激發(fā)幅值上相差1個(gè)數(shù)量級(jí)，但具有較好的可重復(fù)性(楊微等，2016).移動(dòng)系統(tǒng)采用容積為250 in3的氣槍，降低了對(duì)大水體的依賴，可以在公園水體、河流、湖泊等環(huán)境實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)激發(fā).針對(duì)多尺度的探測(cè)需求形成了不同的探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)，可在地震斷裂帶、工業(yè)開采區(qū)等地快速部署和開展監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步擴(kuò)展了陸地氣槍震源的應(yīng)用范圍.

2 陸地水體氣槍震源探測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

陸地水體氣槍震源探測(cè)系統(tǒng)由氣槍震源激發(fā)系統(tǒng)和氣槍信號(hào)接收系統(tǒng)兩部分組成，其中氣槍震源激發(fā)系統(tǒng)包含氣源系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、氣槍、激發(fā)平臺(tái)和激發(fā)水體(見表1).氣源系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣瓶和氣控系統(tǒng)組成，主要為氣槍震源提供高壓空氣，保證氣槍在正常工作壓力下激發(fā)，由于氣槍的工作壓力為200～2000 psi，考慮到氣槍震源的激發(fā)能效，氣源系統(tǒng)的供氣壓力不低于2000 psi.電控系統(tǒng)控制氣槍的激發(fā)模式、同步觸發(fā)信號(hào)的精度和監(jiān)控激發(fā)波形質(zhì)量等.為了保證氣槍震源的激發(fā)信號(hào)具有良好的可重復(fù)性，在氣源系統(tǒng)上要求控制精度為0.1 MPa，在電控系統(tǒng)上要求激發(fā)精度為0.1 ms.

陸地氣槍信號(hào)接收系統(tǒng)主要是采集、存儲(chǔ)和傳輸?shù)卣鹦盘?hào)記錄，由高性能的地震儀和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備等組成.為了保證探測(cè)系統(tǒng)的相對(duì)測(cè)量精度能達(dá)到10-4，一方面要求地震儀GPS的授時(shí)精度優(yōu)于10-5s，以確保在探測(cè)距離較近的射線路徑上也可到達(dá)測(cè)量精度要求.另一方面，地震儀的GPS對(duì)鐘周期一般為15 min左右，這就要求地震儀的守時(shí)精度優(yōu)于0.1 ppm.另外，表1給出了陸地水體氣槍震源探測(cè)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)施的主要作用和關(guān)鍵技術(shù)要求等.

表1 陸地水體氣槍震源探測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成及技術(shù)要求Table 1 The composition and technical requirements of the detection technology using airgun in continental water

與海洋探測(cè)系統(tǒng)相比，陸地水體氣槍震源激發(fā)系統(tǒng)采用的氣槍陣列不同，還在激發(fā)平臺(tái)和激發(fā)水體等存在差異.海洋探測(cè)系統(tǒng)的激發(fā)平臺(tái)是海上作業(yè)船，激發(fā)水體是可近似無(wú)限大的海洋，而陸地探測(cè)系統(tǒng)分別是浮臺(tái)和陸上有限水體.海洋和陸地探測(cè)系統(tǒng)在信號(hào)接收方面，由于接收介質(zhì)的差異分別采用水聽器和地震儀來(lái)記錄氣槍信號(hào).

3 陸地水體氣槍震源探測(cè)技術(shù)特點(diǎn)

3.1 綠色環(huán)保

氣槍震源產(chǎn)生地震波的能量來(lái)自于高壓壓縮空氣在水中的瞬間釋放，其綠色環(huán)保特征表現(xiàn)如下：

(1)高壓壓縮空氣在進(jìn)入氣槍前，對(duì)壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的油污進(jìn)行了過(guò)濾，不會(huì)對(duì)水體造成污染.

(2)高壓壓縮空氣在水中釋放，對(duì)水體和震源近場(chǎng)不會(huì)產(chǎn)生破壞.

(3)在多個(gè)陸地水體中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間激發(fā)，未發(fā)現(xiàn)氣槍激發(fā)對(duì)水中的魚類產(chǎn)生影響(表2).例如，在北京馬刨泉激發(fā)實(shí)驗(yàn)中，將20斤魚放進(jìn)漁網(wǎng)里也未見傷亡(Wang et al., 2010).

(4)在陸地水體不同激發(fā)環(huán)境中，多種不同組合容量的氣槍激發(fā)在100 m處的峰值加速度均小于0.5 m·s-2(表2)，對(duì)水庫(kù)大壩的結(jié)構(gòu)安全和周圍環(huán)境也不會(huì)產(chǎn)生影響(陳颙等，2007a；Wang et al., 2010；張?jiān)龋?016).

表2 陸地水體氣槍震源激發(fā)實(shí)驗(yàn)情況Table 2 Experiment of airgun source excited in continental water

3.2 良好可重復(fù)性

震源的高度可重復(fù)是開展地下介質(zhì)變化監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵，決定能否在同一探測(cè)基線上進(jìn)行重復(fù)多次探測(cè)，將探測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析以實(shí)現(xiàn)變化監(jiān)測(cè).這就要求探測(cè)基線上的激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)位置不變，且震源具有可重復(fù)性.首先，與其他人工震源相比，氣槍震源是在水里激發(fā)，不會(huì)對(duì)激發(fā)點(diǎn)近場(chǎng)環(huán)境產(chǎn)生破壞，每次激發(fā)后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間均可恢復(fù)到激發(fā)前的狀態(tài)，激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)位置均不變.其次，氣槍震源具有高度可重復(fù)特征(陳颙等，2007a；王彬等，2015；魏斌等，2016；張?jiān)龋?016；.陳颙等,2017；Yang et al., 2018；Wang et al., 2018, 2020).在多個(gè)陸地水體的氣槍激發(fā)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)同一地點(diǎn)激發(fā)的氣槍信號(hào)可進(jìn)行重復(fù)性分析(表2)，在不同水體里激發(fā)的氣槍信號(hào)的重復(fù)性存在著一些微弱的差別，但其相關(guān)系數(shù)均大于0.94.另外，氣槍震源通過(guò)優(yōu)化硬件技術(shù)系統(tǒng)和對(duì)震源信號(hào)采用反褶積處理可進(jìn)一步提高氣槍震源的重復(fù)性(楊微等，2020).

3.3 大尺度探測(cè)

陸地水體氣槍震源單次激發(fā)的能量不強(qiáng)，信號(hào)傳播到較遠(yuǎn)距離時(shí)常常淹沒在噪聲中，但由于其具有高度可重復(fù)的特征，當(dāng)氣槍激發(fā)點(diǎn)與信號(hào)接收點(diǎn)的位置不變時(shí)，可以對(duì)每次氣槍激發(fā)在同一信號(hào)接收點(diǎn)產(chǎn)生的記錄進(jìn)行疊加，以提高氣槍信號(hào)的信噪比，有效信號(hào)可追蹤到幾百公里，甚至上千公里(圖2).在信號(hào)接收條件較好和噪聲較為安靜的臺(tái)站，氣槍信號(hào)單次激發(fā)也可傳播上百公里，例如，云南賓川氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)單次激發(fā)信號(hào)可傳播到112 km的大栗樹臺(tái)站(Wang et al., 2012)，甘肅張掖氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)單次激發(fā)信號(hào)可傳播到304 km的古浪臺(tái)(秦滿忠等，2017).

圖2 新疆呼圖壁氣槍信號(hào)100次疊加(a)和5000次疊加(b)的走時(shí)剖面(改自陳颙等, 2017)Fig.2 The travel time profile of airgun signal with stack of 100 times (a) and 5000 times (b) in Hutubi, Xinjiang (Modified from Chen et al., 2017)

3.4 高測(cè)量精度

對(duì)于固定傳播路徑的地震波波速變化測(cè)量，通常采用波形互相關(guān)的方法獲得地震波走時(shí)變化信息，其互相關(guān)延時(shí)估計(jì)理論誤差通常用克拉美-羅下限(Cramer-Rao Lower Bound)來(lái)估算(Céspedes et al., 1995; Silver et al., 2007；Niu et al., 2008；Wang et al., 2012).走時(shí)變化誤差不受采樣率的影響，主要取決于信號(hào)特征，包括信號(hào)的重復(fù)性、優(yōu)勢(shì)頻率、信噪比和頻寬比等.根據(jù)大容量氣槍震源信號(hào)特征，在信噪比較高(SNR≥20)的情況下，相對(duì)走時(shí)變化測(cè)量精度約為10-4～10-3.在河北遵化上關(guān)湖水庫(kù)、云南賓川大營(yíng)甸水庫(kù)、新疆呼圖壁人工水體和甘肅張掖西流水水庫(kù)等水體中開展的大容量氣槍震源激發(fā)實(shí)驗(yàn)，均觀測(cè)到了由大氣壓或固體潮等引起的日變化和半日變化(表2).例如，在云南賓川氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)同時(shí)觀測(cè)到了氣槍信號(hào)直達(dá)P波和S波的走時(shí)變化(圖3)，具有較好的日變化和半日變化特征(Wang et al., 2020).

圖3 臺(tái)站53034(偏移距為4.7 km)觀測(cè)到的云南賓川氣槍信號(hào)P波(a)和S波(b)走時(shí)隨時(shí)間的變化關(guān)系及其頻譜特征(c)(改自Wang et al., 2020)Fig.3 The direct P wave (a) and S wave (b) of airgun signal change with time observed at station 53034 (offset is 4.7 km) in Binchuan, Yunnan Province, and their spectrum characteristics (c) (Modified from Wang et al., 2020)

4 應(yīng)用研究進(jìn)展

由于地下介質(zhì)變化非常微弱，且在地表觀測(cè)受信噪比、環(huán)境(地下水位、溫度、大氣壓)等因素的影響，導(dǎo)致在地表開展變化監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠性有待提升.而在地震孕育和發(fā)生區(qū)、斷裂帶區(qū)域和工業(yè)開采區(qū)等地下介質(zhì)的應(yīng)力變化較大，相對(duì)容易被觀測(cè)到(Ikuta and Yamaoka, 2004；Niu et al., 2008； 楊微等，2010；張?jiān)龋?017；Yang et al., 2018；Wang et al., 2020)，可用于波速變化機(jī)理的分析和研究.目前，陸地水體氣槍震源探測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于地震前后物理過(guò)程、斷裂帶介質(zhì)變化和儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)運(yùn)行等方面的監(jiān)測(cè)研究.

4.1 地震前后物理過(guò)程研究

在20世紀(jì)70年代，Reasenberg和Aki(1974)提出了可以用人工震源重復(fù)探測(cè)地下介質(zhì)的狀態(tài)變化以探索和實(shí)現(xiàn)地震預(yù)報(bào)的想法，但是需要尋找一種高性能的重復(fù)震源能持續(xù)向地下發(fā)射地震波.近來(lái)大量的研究表明，地下介質(zhì)的波速會(huì)在地震前后發(fā)生明顯的變化(Niu et al., 2008; Brenguier et al., 2008; 楊微等, 2010; Li et al., 2017; Pei et al., 2019)，這些波速變化能很好地反應(yīng)地下介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)的改變.

陸地氣槍震源的傳播距離通過(guò)疊加可達(dá)幾百公里，可對(duì)地下深部介質(zhì)進(jìn)行多次重復(fù)探測(cè)，分析孕震深度層介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)及其隨時(shí)間的變化，以促進(jìn)對(duì)地震孕育和發(fā)生的物理過(guò)程進(jìn)行研究，為分析和了解地下孕震區(qū)的介質(zhì)變化過(guò)程研究提供科學(xué)的物理信息.2010、2014和2015年分別在地震活動(dòng)性較強(qiáng)的云南賓川(Wang et al., 2012)、新疆呼圖壁(魏斌等，2016)和甘肅祁連山(張?jiān)龋?016)等地區(qū)建立了固定氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)，間隔激發(fā)向外發(fā)射地震波信號(hào).

在各個(gè)固定氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)運(yùn)行期間，氣槍信號(hào)的覆蓋區(qū)域內(nèi)都發(fā)生過(guò)MS5-6級(jí)的中強(qiáng)地震(魏蕓蕓等，2016；張?jiān)龋?017；陳佳等，2017；劉志國(guó)等，2019；楊建文等，2019)，均發(fā)現(xiàn)在地震前，震中附近臺(tái)站觀測(cè)到的走時(shí)變化比距離震中較遠(yuǎn)臺(tái)站的變化大，較遠(yuǎn)多個(gè)臺(tái)站的走時(shí)變化趨勢(shì)一致，且震中附近臺(tái)站觀測(cè)到的走時(shí)變化幅度明顯大于離震中較遠(yuǎn)的臺(tái)站.例如，張?jiān)?2017)對(duì)地震前后的Pg和Sg震相走時(shí)變化進(jìn)行分析，在震源區(qū)臺(tái)站觀測(cè)到明顯的變化，且變化具有一致性，明顯大于遠(yuǎn)震區(qū)臺(tái)站的變化量(圖4)，而在此期間其他地球物理技術(shù)手段未觀測(cè)到變化.隨著觀測(cè)資料的積累和震例的增加，對(duì)地震的孕育過(guò)程會(huì)逐步認(rèn)識(shí)和了解，陸地水體氣槍震源探測(cè)技術(shù)為地震物理預(yù)測(cè)提供了一種可能的技術(shù)途徑.

圖4 (a)甘肅張掖氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)、觀測(cè)臺(tái)站及地震震中分布圖； (b)和(c)分別為遠(yuǎn)離地震區(qū)臺(tái)站ZDY14和ZDY17觀測(cè)到的Pg(圓點(diǎn))和Sg(三角形)走時(shí)變化圖； (d)和(e)分別為近震區(qū)臺(tái)站63001和QIL觀測(cè)到的Pg(圓點(diǎn))和Sg(三角形)走時(shí)變化圖(改自張?jiān)龋?017)Fig.4 (a) Location of airgun signal transmitting seismic station in Zhangye Gansu, observation seismic station and the earthquake epicenter. (b) and (c) are the travel time variation with Pg (dot) and Sg (triangle) of airgun signal observed at stations ZDY14 and ZDY17 far away from the epicenter, respectively. (d) and (e) are the travel time variation with Pg (dot) and Sg (triangle) of airgun signal observed at stations 63001 and QIL near the epicenter, respectively (Modified from Zhang et al., 2017)

4.2 斷裂帶介質(zhì)變化研究

在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的作用下，地球介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力積累并發(fā)生變形.而斷裂帶是地球介質(zhì)中相對(duì)薄弱的地區(qū)，在這些地區(qū)更容易產(chǎn)生應(yīng)力積累而產(chǎn)生地震.斷裂帶應(yīng)力的變化在整個(gè)地震孕育和發(fā)生的過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用(如Scholz, 2002).因此研究斷裂帶應(yīng)力狀態(tài)及其變化對(duì)于認(rèn)識(shí)構(gòu)造演化，以及地震的孕育發(fā)生過(guò)程至關(guān)重要.

川滇地區(qū)為我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)的地震重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)之一，其中程海斷裂帶和小江斷裂帶等是主要的活動(dòng)斷裂帶，受青藏高原東向擠出作用的影響，該區(qū)域小震震群活動(dòng)頻繁.程海斷裂帶是賓川盆地的主控?cái)嗔褞?，發(fā)育于賓川盆地的東側(cè)，是一條正斷層，在歷史上曾發(fā)生過(guò)1515年73/4級(jí)永勝大地震，2001年在永勝段發(fā)生6.0級(jí)地震.小江斷裂帶位于川滇菱形地塊東南緣，北起云南省巧家縣，南至云南省建水縣，呈SN走向，在東川以南分為東、西兩支(錢曉東和秦嘉政，2008).現(xiàn)代活動(dòng)方式主要以左旋走滑為主，是一個(gè)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜的區(qū)域，曾發(fā)生過(guò)6.0級(jí)以上中強(qiáng)地震10多次，其中最大地震為1833年嵩明8.0級(jí)(劉翔等，2006).因此，針對(duì)潛在地震危險(xiǎn)區(qū)的斷裂帶，利用陸地水體氣槍震源探測(cè)技術(shù)開展介質(zhì)變化研究具有非常重要的意義.

基于賓川氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)，在2012年11月2日至2012年11月9日期間連續(xù)163 h進(jìn)行了氣槍震源激發(fā)，共激發(fā)138次.Wang等(2020)把氣槍震源激發(fā)產(chǎn)生的P波和S波的波速進(jìn)行了測(cè)量和分析，在多個(gè)臺(tái)站上發(fā)現(xiàn)兩者都具有日變化和半日變化特征(圖5).通過(guò)與常見的日變化因素(溫度、大氣壓和固體潮等)對(duì)比分析，解釋為溫度變化導(dǎo)致熱應(yīng)變引起的波速變化.同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)在斷裂帶附近或盆地里臺(tái)站觀測(cè)到的變化要比山區(qū)的大，P波都比S波要大(圖5).根據(jù)巖石物理的裂紋模型，巖石在受壓或受張之后，裂隙的孔隙度會(huì)發(fā)生變化，孔隙里會(huì)含水，孔隙度變了之后飽和度也會(huì)有變化.而山區(qū)相對(duì)盆地來(lái)說(shuō)比較干燥，只會(huì)受孔隙度的影響.因此，孔隙度和飽和度的共同作用導(dǎo)致在斷裂帶附近或盆地里臺(tái)站觀測(cè)到的變化大，且P波和S波的表現(xiàn)不一樣.

另外，在深度50 m和直徑0.2 m的井中，利用井中氣槍跨小江斷裂帶南段東支(云南省尋甸縣)建立了氣槍信號(hào)激發(fā)點(diǎn)，與地面近垂直跨斷裂帶的測(cè)線上布設(shè)了9套短周期地震儀，組成了跨斷裂帶的重復(fù)探測(cè)系統(tǒng)(圖6a).2014年4月23日至2014年4月28日期間，對(duì)井中氣槍震源進(jìn)行連續(xù)激發(fā)(每30 min激發(fā)1次).Yang等(2018)對(duì)直達(dá)初至波進(jìn)行了測(cè)量和分析，圖6b中顯示在多個(gè)臺(tái)站觀測(cè)到的地震波走時(shí)變化趨勢(shì)一致，且斷裂帶內(nèi)波速變化明顯高于斷裂帶外，發(fā)現(xiàn)與地下水位變化趨勢(shì)具有較好的相關(guān)性(圖6c和d)，推測(cè)觀測(cè)到的波速變化是源于水位變化引起的孔隙壓力、裂紋密度和飽和度變化的綜合效應(yīng).

圖5 (a) 云南賓川氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)及觀測(cè)臺(tái)站位置分布圖(三角形的大小表示觀測(cè)到的波速變化大小，紅色的是在盆地里的臺(tái)站，藍(lán)色的是在山區(qū)的臺(tái)站)； (b) 各臺(tái)站觀測(cè)到的氣槍信號(hào)P波(虛線)和S波(實(shí)線)的走時(shí)變化圖(垂直的黑色標(biāo)尺表示幅度范圍為±1 ms)； (c)為(b)中對(duì)應(yīng)各臺(tái)站走時(shí)變化的頻譜圖(改自Wang et al., 2020)Fig.5 (a) Location of airgun signal transmitting seismic station and observation seismic station in Binchuan Yunnan. The size of the triangle indicates the amplitude of the observed seismic wave velocity variation. The red is the station in the basin, and the blue is the station in the mountain area； (b) The direct P wave (dotted line) and S wave (solid line) of air gun signals observed at seismic station, and the vertical black scale indicates the amplitude range of ±1 ms； (c) The spectrum of travel time variation observed at each station in (b) (Modified from Wang et al., 2020)

圖6 (a) 跨小江斷裂帶井中氣槍激發(fā)位置與觀測(cè)臺(tái)站的分布； (b) 各臺(tái)站觀測(cè)到的地震波走時(shí)變化； (c)和(d) 分別為臺(tái)站XD2和XD6觀測(cè)到的走時(shí)變化與地下水位變化的關(guān)系圖(改自Yang et al., 2018)Fig.6 (a) Location of downhole airgun and observation seismic station across the Xiaojiang Fault; (b) The travel time variation of seismic wave observed at each station; (c) and (d) The diagrams of travel time variation observed at stations XD2 and XD6 with groundwater level change, respectively (Modified from Yang et al., 2018)

通過(guò)以上觀測(cè)和分析結(jié)果，提升了對(duì)地下介質(zhì)波速變化的機(jī)理認(rèn)識(shí)，且在斷裂帶附近和盆地里臺(tái)站觀測(cè)的波速變化幅度大，為今后的地下介質(zhì)變化監(jiān)測(cè)研究工作提供了一種可能性，若要開展長(zhǎng)期變化監(jiān)測(cè)研究，可以選擇在主要斷裂帶或者盆地里，會(huì)更容易被觀測(cè)到.

4.3 儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)研究

地下儲(chǔ)氣庫(kù)是將從天然氣田采出的天然氣重新注入地下可以保存氣體的空間而形成的一種人工氣田或氣藏，保障供氣的持續(xù)性和可靠性(Katz and Tek, 1981)，主要用于天然氣季節(jié)調(diào)峰和建立戰(zhàn)略儲(chǔ)備.在正常的生產(chǎn)過(guò)程中，儲(chǔ)氣庫(kù)的壓力差范圍在幾個(gè)到十幾個(gè)兆帕，頻繁往復(fù)的應(yīng)力加載與卸載過(guò)程有可能造成地下巖石的疲勞(葛修潤(rùn)等，2003)或增強(qiáng)地下斷層的活動(dòng)性(Goertz-Allmann et al., 2011)，為儲(chǔ)氣庫(kù)的正常生產(chǎn)留下安全隱患.因氣田開采或灌注誘發(fā)的地震活動(dòng)在世界范圍內(nèi)已被觀測(cè)到(Dahm et al., 2007; Lei et al., 2008，2013)，并得到了社會(huì)上的廣泛關(guān)注.

2013年投產(chǎn)的呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)是目前我國(guó)最大的儲(chǔ)氣庫(kù)，總庫(kù)容為107億m3，生產(chǎn)庫(kù)容為45.1億m3，日注氣總量大1123萬(wàn)m3，分布于氣庫(kù)區(qū)域幾千米范圍內(nèi)的十余口注氣井，注氣深度約3 km.儲(chǔ)氣田的日常運(yùn)營(yíng)會(huì)導(dǎo)致可觀的地下應(yīng)力變化，甚至誘發(fā)微地震.因此，監(jiān)測(cè)儲(chǔ)氣庫(kù)地下介質(zhì)變化，對(duì)保障氣庫(kù)安全生產(chǎn)和評(píng)估儲(chǔ)氣庫(kù)周邊地震危險(xiǎn)性具有重要的意義.

基于新疆呼圖壁氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)，從2016年6月14日開始，進(jìn)行了為期16天的連續(xù)激發(fā)實(shí)驗(yàn)，氣槍震源每間隔一小時(shí)激發(fā)一次.圖7a給出了氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)、觀測(cè)臺(tái)站及儲(chǔ)氣庫(kù)的點(diǎn)位分布，對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)周邊的各臺(tái)站記錄的氣槍信號(hào)進(jìn)行了波速變化測(cè)量和分析，發(fā)現(xiàn)在儲(chǔ)氣庫(kù)附近的臺(tái)站觀測(cè)到走時(shí)變化趨勢(shì)與儲(chǔ)氣庫(kù)井口壓力變化存在較好的正相關(guān)性，其中臺(tái)站6859位于儲(chǔ)氣庫(kù)北方的邊界，記錄到了較高信噪比的氣槍信號(hào)，在連續(xù)實(shí)驗(yàn)期間觀測(cè)到的走時(shí)變化與儲(chǔ)氣庫(kù)井口壓力變化趨勢(shì)完全一致(圖7b).呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)的走時(shí)變化可以很好地解釋為儲(chǔ)氣庫(kù)壓注引起的地下介質(zhì)變化，而目前頁(yè)巖氣的開采過(guò)程中采用的壓裂技術(shù)，其產(chǎn)生的應(yīng)力變化比儲(chǔ)氣庫(kù)的生產(chǎn)壓力大得多.因此，將陸地水體氣槍震源探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)開采區(qū)的變化監(jiān)測(cè)，有助于更好地認(rèn)識(shí)和解釋地下流體引起介質(zhì)應(yīng)力變化的物理機(jī)理，為今后工業(yè)開采區(qū)的生產(chǎn)策略奠定基礎(chǔ).

另外，陸地水體氣槍震源探測(cè)技術(shù)也可用于結(jié)構(gòu)探測(cè)，中國(guó)地震局聯(lián)合多家單位在長(zhǎng)江馬鞍山至安慶段，基于船載式氣槍震源系統(tǒng)進(jìn)行了氣槍流動(dòng)激發(fā)試驗(yàn)，共激發(fā)約5000次，由109個(gè)固定地震臺(tái)和2000多個(gè)流動(dòng)地震臺(tái)進(jìn)行接收.利用氣槍信號(hào)的初至P波和S波進(jìn)行成像獲得了長(zhǎng)江沿線的上地殼速度結(jié)構(gòu)(田曉峰等，2016)和郯廬斷裂帶南段的地殼三維速度結(jié)構(gòu)(Zhang et al., 2020b).同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)氣槍震源激發(fā)也能產(chǎn)生面波和高階面波(She et al., 2018; Ji et al., 2021).利用移動(dòng)式氣槍震源技術(shù)系統(tǒng)在陸地上進(jìn)行結(jié)構(gòu)探測(cè)嘗試時(shí)，會(huì)受到水體分布的影響，在此不展開詳細(xì)闡述.

圖7 (a) 新疆呼圖壁氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)、觀測(cè)臺(tái)站及儲(chǔ)氣庫(kù)的位置分布圖； (b) 臺(tái)站6859觀測(cè)到的氣槍信號(hào)走時(shí)變化與儲(chǔ)氣庫(kù)壓力的關(guān)系圖紅色五角星為氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)，黑色三角形為地震觀測(cè)臺(tái)站，深青色四邊形為儲(chǔ)氣庫(kù)的分布范圍.Fig.7 (a) Location of airgun signal transmitting seismic station, observation seismic station and gas storage in Hutubi, Xinjiang; (b) The relationship between the travel time variation of airgun signal observed at station 6859 and the well pressure of gas storageThe red star is the airgun signal transmitting seismic station, the black triangle is the observation seismic station, and the dark blue quadrilateral is the distribution range of gas storage.

5 面臨的問(wèn)題及發(fā)展方向

本文全面回顧了陸地水體氣槍震源探測(cè)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，近十幾年來(lái)，在多個(gè)水庫(kù)、人工水體和公園等環(huán)境下進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，分別在探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)、波速變化分析方法及變化機(jī)理認(rèn)識(shí)等方面取得了一些進(jìn)展.陸地水體氣槍震源探測(cè)技術(shù)已逐漸發(fā)展成熟，為多尺度的變化監(jiān)測(cè)與研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但仍然存在一些問(wèn)題限制了其推廣及應(yīng)用：

(1)陸地氣槍信號(hào)通過(guò)疊加在幾百公里外可檢測(cè)到，但幾十公里外的氣槍信號(hào)用于介質(zhì)變化監(jiān)測(cè)分析時(shí)，信噪比不高導(dǎo)致探測(cè)精度受限.

(2)前期觀測(cè)到了與地震、人類活動(dòng)、環(huán)境因素等相關(guān)的波速變化，但地下介質(zhì)變化機(jī)理分析和研究有待進(jìn)一步加強(qiáng).

(3)缺乏地下介質(zhì)狀態(tài)變化模型—4D模型，難以分析和解釋觀測(cè)到的波速變化的時(shí)空分布特征.

(4)氣槍震源探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)核心設(shè)備(氣槍)完全依賴于國(guó)外進(jìn)口，在國(guó)內(nèi)沒有工業(yè)化的產(chǎn)品.

為了促進(jìn)陸地水體氣槍震源探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，更好地解決以上這些問(wèn)題，我們針對(duì)地下介質(zhì)變化監(jiān)測(cè)研究方面提出了下一步的發(fā)展方向.

(1)提高技術(shù)系統(tǒng)測(cè)量精度

通過(guò)波形互相關(guān)獲得走時(shí)變化測(cè)量的精度主要取決信號(hào)的重復(fù)性、優(yōu)勢(shì)頻率、信噪比和頻寬比等(Céspedes et al., 1995; Silver et al., 2007；Niu et al., 2008；Wang et al., 2012).對(duì)于氣槍震源來(lái)講，重復(fù)性、優(yōu)勢(shì)頻率和頻寬比是固定的，要想提高測(cè)量精度就只能提高信噪比，而環(huán)境噪聲是一定的，只能增強(qiáng)氣槍震源能量，可以從三個(gè)方面出發(fā)：① 增加疊加次數(shù)，但疊加次數(shù)過(guò)多會(huì)損失時(shí)間分辨率；②增加激發(fā)氣槍震源的容積，例如，目前新疆呼圖壁氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)為6支2000 in3的氣槍；③發(fā)展非同步激發(fā)技術(shù)，針對(duì)傳播方向提高有效信號(hào)的能量進(jìn)行聚焦探測(cè)(姜弢和林君，2004；陳颙等，2006).綜合以上三方面的考慮，可以結(jié)合研究區(qū)域采用適合的組合方式來(lái)提高信噪比，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量精度的提高.

另外，地震波走時(shí)變化測(cè)量方法主要基于波形互相關(guān)，有效信號(hào)通過(guò)裸眼都可識(shí)別，但用于走時(shí)變化分析時(shí)就顯得信噪比不夠.能否借鑒相控雷達(dá)的信息處理技術(shù)，嘗試對(duì)氣槍震源進(jìn)行組合編碼激發(fā)，發(fā)展相應(yīng)配套的測(cè)量方法降低對(duì)信噪比的要求.另外，AI技術(shù)迅猛發(fā)展，大多數(shù)應(yīng)用都是基于尋找和識(shí)別相同之處，能否借鑒相關(guān)技術(shù)去嘗試發(fā)展新的測(cè)量方法，來(lái)識(shí)別和分析相關(guān)的變化.

(2)加強(qiáng)介質(zhì)變化機(jī)理研究

地震波速度變化測(cè)量是開展地下介質(zhì)動(dòng)態(tài)變化研究的基礎(chǔ)，而引起地下介質(zhì)波速變化的機(jī)制有很多.目前，大量的觀測(cè)研究也確實(shí)表明觀測(cè)到的波速變化與大氣壓(Silver et al., 2007; Wang et al., 2008)，溫度(Ben-Zion and Allam, 2013; Larose et al., 2015; Wang et al., 2020)，固體潮(Yamamura et al., 2003)，降雨(Wang et al., 2008)，地震(Ikuta and Yamaoka, 2004; Niu et al., 2008; 楊微等, 2010；Li et al., 2017; Pei et al., 2019)和地下水位(Yang et al., 2018)等因素有關(guān)，且在不同地方觀測(cè)的變化也存在差異，引起介質(zhì)波速變化的機(jī)理還有待進(jìn)一步分析.今后可考慮在波速變化較大的地震斷裂帶或工業(yè)開采區(qū)，尤其在頁(yè)巖氣開采或儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)過(guò)程中的地震活動(dòng)區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合光纖傳感技術(shù)進(jìn)行密集觀測(cè)(李孝賓等，2020；宋政宏等，2020)，開展深入分析和應(yīng)用研究.

(3)發(fā)展和建立區(qū)域4D模型

利用氣槍震源開展地下介質(zhì)變化研究都是觀測(cè)到由震源與接收點(diǎn)之間地震波性質(zhì)的變化.受單個(gè)震源的限制，測(cè)量結(jié)果很難約束介質(zhì)變化的空間范圍.通過(guò)建立多個(gè)震源組成的地震波發(fā)射網(wǎng)絡(luò)，就可以實(shí)現(xiàn)地震波射線路徑的交叉覆蓋，可以大大提升觀測(cè)效率，同時(shí)分析多個(gè)震源產(chǎn)生的地震波信號(hào)，還可以對(duì)地下介質(zhì)變化的空間分布進(jìn)行較好的約束.4D模型需要在高精度3D模型和波速變化機(jī)理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)，可以先集中力量，圍繞一個(gè)典型區(qū)域，開展多震源的連續(xù)變化監(jiān)測(cè)研究，發(fā)展和完善區(qū)域介質(zhì)地震波速度變化的機(jī)理，促進(jìn)4D模型的建立.若建立了區(qū)域4D模型，可用盡可能少的臺(tái)站(發(fā)射和接收臺(tái))，對(duì)該區(qū)域介質(zhì)狀態(tài)變化實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的時(shí)空分布特征分析，從而開展相關(guān)事件的預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào).

(4)探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)品化

氣槍震源起源于美國(guó)，在海洋油氣、礦產(chǎn)等資源探測(cè)方面發(fā)展較快.國(guó)內(nèi)在氣槍震源核心技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品等方面較為落后，主要是氣槍震源的穩(wěn)定性和同步性要求非常高，與高性能材料、精密加工等密不可分.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理公司和自然資源部地質(zhì)調(diào)查局等分別在震源研制和激發(fā)控制方面進(jìn)行了一些嘗試和探索，但核心產(chǎn)品都還是依賴于國(guó)外進(jìn)口.近年來(lái)，國(guó)家出臺(tái)了一系列推進(jìn)自主創(chuàng)新的政策，希望在不久的將來(lái)，陸地氣槍震源探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)能完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化和產(chǎn)品化.

6 結(jié)論

通過(guò)我國(guó)科技人員近20年的探索和發(fā)展，氣槍震源在陸地有限水體中的研究工作取得了較大的進(jìn)步，主要成果如下：

(1)陸地水體氣槍震源探測(cè)技術(shù)已逐步發(fā)展成熟，針對(duì)多尺度介質(zhì)變化監(jiān)測(cè)需求，研制并形成了固定式、移動(dòng)式和井中氣槍震源探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)，從完全依賴進(jìn)口發(fā)展為國(guó)產(chǎn)化率顯著提升，為開展變化監(jiān)測(cè)研究提供了有力工具.

(2)陸地水體氣槍震源探測(cè)技術(shù)具有綠色環(huán)保、高度可重復(fù)等特征，通過(guò)疊加可傳播幾百公里，相對(duì)走時(shí)變化測(cè)量精度為10-4～10-3，可觀測(cè)到由大氣壓或固體潮等引起的日變化和半日變化.

(3)在地震前，震源區(qū)附近臺(tái)站和距離震中較遠(yuǎn)臺(tái)站觀測(cè)到的走時(shí)變化分別都具有一致的趨勢(shì)，且震中附近臺(tái)站觀測(cè)到的走時(shí)變化幅度明顯大于距離震中較遠(yuǎn)的臺(tái)站，促進(jìn)了對(duì)地震孕育過(guò)程的了解和認(rèn)識(shí).

(4)在斷裂帶觀測(cè)到了與溫度和地下水位變化等相關(guān)的波速變化，揭示了溫度和流體在波速變化監(jiān)測(cè)中的重要作用，提升了波速變化的機(jī)理認(rèn)識(shí).斷裂帶附近和盆地里臺(tái)站觀測(cè)的波速變化幅度大，為今后地下介質(zhì)變化監(jiān)測(cè)研究工作的位置選擇提供了一種可能性.

(5)在工業(yè)開采區(qū)觀測(cè)到的走時(shí)變化與儲(chǔ)氣庫(kù)井口壓力變化趨勢(shì)具有較好的正相關(guān)性，主要是儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)過(guò)程中壓力變化引起的地下介質(zhì)變化，可以為儲(chǔ)氣庫(kù)和頁(yè)巖氣開采的安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)等提供一種新的技術(shù)途徑.

利用可重復(fù)性震源連續(xù)監(jiān)測(cè)地下介質(zhì)的時(shí)空演化特征，逐漸成為4D地震學(xué)的研究熱點(diǎn)和重要發(fā)展方向之一，為地震的物理過(guò)程研究和地下資源開采監(jiān)測(cè)等提供了重要的技術(shù)手段.若在全國(guó)強(qiáng)震危險(xiǎn)區(qū)、地震構(gòu)造主要斷裂帶和工業(yè)開采區(qū)等建立多個(gè)陸地氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)，對(duì)潛在地震危險(xiǎn)區(qū)和工業(yè)開采區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)期的連續(xù)監(jiān)測(cè)，可為我國(guó)防震減災(zāi)和工業(yè)開采區(qū)的安全生產(chǎn)等工作提供重要的科技支撐.

致謝謹(jǐn)此祝賀陳颙先生從事地球物理教學(xué)科研工作60周年.在陸地水體氣槍震源探測(cè)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，得到了中國(guó)地震局、中國(guó)科學(xué)院、教育部(大學(xué))、中國(guó)石油集團(tuán)公司、中國(guó)石油化工集團(tuán)公司等相關(guān)單位及下屬機(jī)構(gòu)的大力支持與幫助，在此表示衷心的感謝.另外，感謝甘肅省地震局的張?jiān)芯繂T和新疆維吾爾自治區(qū)地震局的蘇金波工程師提供了相關(guān)圖件.同時(shí)，感謝三位評(píng)審專家提出的寶貴建議.