葉泵 陳佳 楊建文 霍遠航 王軍 李孝賓

1)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，地球物理和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

2)云南省地震局滇西地震預(yù)報實驗場辦公室，云南大理 671000

0 引言

利用重復(fù)地震研究地殼介質(zhì)變化一直是地球科學(xué)中一種重要的方法，此前的難點在于很難獲得一種廉價、高精度的重復(fù)震源，近年興起的氣槍主動源則較好地解決了該問題。根據(jù)前人的研究，近點臺站記錄的氣槍震源事件相關(guān)系數(shù)在0.985以上，此外，氣槍震源還具有綠色環(huán)保、實驗成本低、波形傳播范圍廣等優(yōu)點(楊微等，2013； 王彬等，2016； 周青云等，2018a)。因此，利用氣槍震源制造高重復(fù)性的信號，可以計算出穿過源與接收臺間區(qū)域的地震波的高精度速度變化，進而利用波速變化來衡量地殼介質(zhì)的變化(徐薈等，2015)，進行地震預(yù)測，這一思路在近年的研究中得到廣泛應(yīng)用。

通常測量得到的波速變化是多種因素造成的。氣槍震源是一個高壓氣體爆炸的過程，由于氣槍的懸掛方式、氣槍氣體出口朝向、槍陣組合形狀、槍陣所在的水底地形起伏、槍陣所在的水體形狀及處于的水下深度等環(huán)境因素的變化，使得每次激發(fā)均有一定程度的差異； 接收臺站射線傳播經(jīng)過區(qū)域的溫度、降雨、固體潮、應(yīng)力等變化也會將擾動帶入測量中(周青云等，2018a)； 此外，震相射線經(jīng)過的區(qū)域介質(zhì)各向異性使得相鄰臺站的震相射線路徑并不一致，會影響氣槍信號的震相形狀及到時，從而使得波速變化更為復(fù)雜。因此，即使觀測到大震前后的波速變化異常，也難以確定該異常是否為孕震過程中介質(zhì)變化引起的，這在利用主動源測得的2015年11月23日祁連5.2級、2016年1月21日門源6.4級地震前后的波速變化中得到了證明(張元生等，2017)。

利用主動源測量的波速變化找出地震前兆異常并進行地震預(yù)測時，需先對波速變化的干擾因素進行排除。從理論上分析，利用氣槍震源測量的波速變化主要包括4類可能的因素，即氣槍震源測量系統(tǒng)的微小變化、區(qū)域地表環(huán)境變化、淺地表介質(zhì)各向異性和區(qū)域介質(zhì)變化，其中區(qū)域介質(zhì)變化是最重要的因素，因為地震的孕育過程與區(qū)域介質(zhì)變化密切相關(guān)(Crampin et al，2004)。前人對氣槍測速受區(qū)域環(huán)境的影響進行了深入研究(向涯等，2020)，且氣槍源系統(tǒng)的變化對波速變化的影響較小(周青云等，2018b)，區(qū)域環(huán)境變化是不可控的，但在做預(yù)測分析時，可以先對數(shù)據(jù)進行選擇，以避開區(qū)域環(huán)境變化的影響，從而解決上述問題。因此，本文主要分析不同方位、時間、地點的臺站波速變化測量結(jié)果，進而研究小區(qū)域淺地表各向異性對氣槍震源波速變化的影響，并對相關(guān)影響原因進行解釋。

1 實驗概況

1.1 賓川氣槍信號發(fā)射臺

賓川氣槍信號發(fā)射臺于2011年建成，該臺位于云南省賓川縣城以西的大銀甸水庫區(qū)(圖1)。氣槍源系統(tǒng)包括空氣壓縮機、氣瓶組、配氣臺、4支容量為2000 in3的Bolt Longlife型氣槍、浮臺等，該系統(tǒng)主要利用電力轉(zhuǎn)化為震源信號，通過調(diào)整氣槍內(nèi)的氣體壓力、氣槍在水下的沉放深度等手段控制信號的一致性； 氣槍信號觀測系統(tǒng)由40個Reftek 130B數(shù)據(jù)采集器和Guralp CMG-40T短周期地震儀組成，頻帶響應(yīng)范圍為2s～100Hz。觀測系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)為連續(xù)波形，采樣率為100Hz(楊微等，2013； 王彬等，2016)。賓川氣槍信號發(fā)射臺多年來運行平穩(wěn)，積累了大量的實驗數(shù)據(jù)。

圖1 臺站、大銀甸水庫及云南賓川地區(qū)斷裂分布

1.2 賓川盆地

賓川盆地位于紅河斷裂帶與程海斷裂帶之間，該地區(qū)地震活動頻繁，2010年以來多次發(fā)生M3.0以上地震，是理想的天然地震實驗場。長期以來，前人在該地區(qū)開展了大量的研究工作(陳思文等，2016； 孫楠等，2021)，進行了較為深入的地質(zhì)、地震等地震孕育背景研究，為進一步深入研究該地區(qū)的孕震機理提供了良好的條件，吸引了多學(xué)科的觀測項目在此展開，賓川主動源項目便是其中之一。

1.3 氣槍震源實驗

由于孕震過程中地下介質(zhì)會發(fā)生變化，因此，通過監(jiān)測介質(zhì)的變化來預(yù)測地震是一種可行的思路。氣槍震源成本較其他主動震源(如炸藥震源等)低很多，其為連續(xù)觀測賓川地區(qū)地下介質(zhì)提供了一種可行方法。除每年5月至9月水庫枯水期外，氣槍震源每3天激發(fā)數(shù)十次，以監(jiān)測賓川及鄰近地區(qū)的介質(zhì)變化。為保證信號的一致性和傳播距離要求，以及系統(tǒng)設(shè)備的保養(yǎng)需求，規(guī)定常規(guī)激發(fā)壓力為15MPa，4支氣槍呈正方形分布，首尾相連，氣槍距水面為10m。截至2020年，氣槍震源共激發(fā)10000余次。

2 資料選取及處理

2.1 數(shù)據(jù)的選取

氣槍震源主要在海上進行應(yīng)用，在陸地上進行實驗是一種新的嘗試。在開展陸地實驗以來，完成了多次新技術(shù)新方法的探索實驗，積累了大量數(shù)據(jù)。本文對穩(wěn)定的臺站數(shù)據(jù)進行收集，考慮計算要求，選擇大銀甸水庫水位穩(wěn)定、當(dāng)?shù)貧鉁貧鈮鹤兓^小時段的實驗數(shù)據(jù)，最終選取了2015年12月、2019年4月氣槍連續(xù)激發(fā)實驗的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)整理時，去除授時有故障及背景噪聲干擾較大的臺站數(shù)據(jù)。為了保證檢測震相清晰穩(wěn)定可靠，進一步選擇了激發(fā)場地為中心、20km以內(nèi)的15個臺站(圖1)。

2.2 計算原理

由于天然地震的發(fā)生有很大的不確定性，測量波速變化存在一些問題，如測量區(qū)域位置、測量精度等。近年來，利用重復(fù)性人工震源來測量波速變化成為了可能，其中以圣安德烈斯斷層深部探測計劃中的測量最為著名(鈕鳳林等，2009)。氣槍震源激發(fā)環(huán)境復(fù)雜，得到的震相也較為復(fù)雜，計算波速變化時，一般采用的是一種基于互相關(guān)的測量技術(shù)，即測量某一震相在多次經(jīng)過固定路徑的延遲時間，通過插值擬合，測量精度可以高于采樣精度(王寶善等，2011)，其原理如下。

對于同一個地點2次重復(fù)的主動源激發(fā)信號，其波形信息相關(guān)函數(shù)表示為

(1)

(2)

其中，Rxy(τ)、Ryx(τ)表示2次主動源激發(fā)信號的功率，2個實數(shù)x(t)和y(t)表示2次主動源激發(fā)信號的波形，x*(t-τ)、y*(t-τ)為2次主動源激發(fā)信號的時間函數(shù)。地震波形記錄往往是功率有限信號，他們之間相差1個時延τs，于是有

(3)

對于同一臺站2次接收到的氣槍主動源信號，實數(shù)x(t)和y(t)所代表的波形高度相似，只是時間上存在延遲。即當(dāng)相關(guān)系數(shù)取得最大值時，對應(yīng)的τs即為2個信號的時延。x(t)和y(t)的相關(guān)系數(shù)可以定義為

(4)

在分析時，選取某一次實驗信號為標(biāo)準(zhǔn)值，其余激發(fā)信號與標(biāo)準(zhǔn)信號的時延，即表示這2次激發(fā)事件中的相對走時差，對于同一震相而言，從源至臺的過程中路徑是固定的，走時差與波速變化呈負相關(guān)，下文中均以時延變化表示波速的相對變化。

3 淺地表各向異性對波速變化的影響

利用氣槍震源監(jiān)測地下介質(zhì)的波速變化并進行地震預(yù)測時，一個難以解釋的現(xiàn)象是相鄰的臺站測量的波速變化趨勢并不一致(陳佳等，2017)。單個臺站測量的波速變化反映的是該臺站震相射線經(jīng)過區(qū)域的介質(zhì)變化，而孕震過程中介質(zhì)變化在空間上是不均勻的，因此，判斷一個波速變化異常是否為地震的前兆是一個難題。通過對相鄰臺站測量結(jié)果進行比較，找出淺地表各向異性對波速變化干擾的規(guī)律，可為前兆分析提供參考。

3.1 同臺數(shù)據(jù)的波速變化測量

2019年4月25日19時至2019年4月29日11時，對氣槍主動源進行了為期5天的實驗，在此期間，氣槍主動源以每小時1次的頻率進行激發(fā)，共連續(xù)激發(fā)了88次。距氣槍震源4.6km處的CFT臺站擺放的2組地震儀記錄了這些事件，其中一組為Reftek-130B數(shù)據(jù)采集器配Guralp- 40T短周期地震儀，頻帶范圍2s～100Hz； 另一組地震儀采用的是北京港震公司的EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器和BBVS- 60寬頻帶地震儀，頻帶范圍60s～50Hz，記錄的事件波形見圖2。

從數(shù)據(jù)庫截取2組事件數(shù)據(jù)后，進行去均值、去傾、濾波，采用上述計算原理，計算這一段時間內(nèi)波速變化，選取振幅最大且最清晰的震相(圖2 中填充紅色部分)作為窗口，窗口的到時為2.1～2.5s。2組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)模板為分組疊加后取平均值，計算結(jié)果如圖3。

圖2 同臺不同地震儀記錄的事件波形

圖3 同臺不同儀器記錄數(shù)據(jù)測量的波速變化

由圖3 可見，2組數(shù)據(jù)計算的波速變化的絕對值略有差異，在4月25日22時相差最大，但其波速相對變化趨勢完全一致，說明本文計算方法可靠。若處理方法合適，短周期與寬頻帶地震儀記錄的數(shù)據(jù)，其測量的波速變化趨勢完全一致。此外，若射線經(jīng)過的路徑完全一致，波速變化也是一致的。

3.2 相同震中距臺站測量的波速變化

2015年12月14日氣槍主動源進行了連續(xù)激發(fā)實驗。在實驗中，保持氣槍壓力等震源系統(tǒng)參數(shù)不變，且當(dāng)?shù)責(zé)o降雨、降溫等現(xiàn)象，氣壓變化較小。選取震中距相近4個臺站(53260、53262、53265、53273)記錄的事件進行分析，4個臺站的具體位置如表1 所示。實驗期間，氣槍主動源每小時激發(fā)1次，共制造24個事件，對數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查后，將每個臺站記錄的24個事件疊加后取平均，得到模板事件，然后計算每個臺站的其他事件對模板事件的到時延遲，其結(jié)果見圖4。

表1 源及臺站位置的相關(guān)參數(shù)

圖4 相同震中距臺站測量的波速變化

由圖4 可見，由于時間較短、地表環(huán)境變化較小及震源系統(tǒng)較穩(wěn)定，小區(qū)域震中距相似的臺站所測量的區(qū)域介質(zhì)速度變化絕對值有極大的不同，但其變化趨勢一致。由于震源所在的水庫是不規(guī)則的，53260臺射線經(jīng)過的水體路徑較大(圖1)，而計算結(jié)果中無明顯反映。53265臺在9時和11時測量的相對波速變化結(jié)果與其他三臺完全相反，在進行數(shù)據(jù)檢查時，發(fā)現(xiàn)2次事件中53265臺在該段時間無較強的背景噪聲干擾，推測53265臺的2次測量結(jié)果可能與其位于程海斷裂帶附近有關(guān)。為了驗證程海斷裂對信號傳播的影響，對比了震中距幾乎相同的三臺記錄的氣槍信號首個波峰到達時間(圖5)，位于程海斷裂附近的53265臺首個波峰到達時間較53260、53262臺早，而如果忽略測量誤差，53265臺震中距比53262臺大，這種情況的發(fā)生極有可能是程海斷裂影響了53265臺射線傳播路徑，首個波峰極有可能是從震源傳至最近的程海斷裂，然后通過斷裂到達53265臺，而不在斷裂附近的臺站則未受到上述影響。然而，最新研究表明程海斷裂由地表至1.5km存在一個低速區(qū)，該低速度寬度達3.4km，其S波的波速相較于異常區(qū)外低40%～60%(Yang et al，2020)，如果這一研究結(jié)果可靠，53260臺未出現(xiàn)53265臺的上述現(xiàn)象，可能是由于53260臺離程海斷裂較53265臺遠，導(dǎo)致其首個波峰穿越了整個低速區(qū)。由此可見，小區(qū)域內(nèi)震中距相同的臺站，如無其他干擾，其測量得到的波速變化應(yīng)當(dāng)一致。

圖5 相同震中距首個波峰到達時間差異

3.3 相鄰臺站測量的波速變化

2019年4月25日至29日氣槍震源連續(xù)激發(fā)88次，對氣槍震源所在水庫水位、當(dāng)?shù)貧鉁?、氣壓及降雨等進行分析，從而排除區(qū)域環(huán)境變化對波速變化測量的干擾，波速變化測量結(jié)果如圖6 所示。

圖6 相鄰臺站測量的波速變化

其中，臺站R10、烏哨、R8相鄰，臺間距直線距離小于200m(表1、圖1)。在本次實驗中，去除測量結(jié)果的長基線變化趨勢，烏哨臺與鄰近R8、R10臺的測量結(jié)果變化趨勢相反，由表1 可知，這3個臺站的高程相差不超過60m，考慮到GPS垂直向定位的誤差，可以排除臺站高程的影響。如果將鄰近臺站的范圍放大，加入R13、R4、R1臺一起分析，可以發(fā)現(xiàn)烏哨臺測量的波速變化趨勢與R1、R4臺類似，而R13臺測量的波速變化趨勢類似R8、R10臺。從震中距來看，這2組分類并不與震中距完全相關(guān)，這種現(xiàn)象可能與地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均勻性和各向異性有關(guān)。

因此，相鄰臺站所計算的波速變化并不能視為該區(qū)域的介質(zhì)波速變化。在小區(qū)域波速變化分析中，尤其是在接收臺站高程相差較大的情況下，盡管處于同一片小區(qū)域，仍應(yīng)考慮臺站的氣槍信號傳入路徑，故其測量的波速變化并不能視為該區(qū)域大部分介質(zhì)的變化。

3.4 線性排列的臺站波速變化

2015年12月1日至19日水庫水位穩(wěn)定、震源所在區(qū)域環(huán)境變化較小，期間進行了連續(xù)535次氣槍激發(fā)實驗，每次氣槍激發(fā)間隔1h。選取了4個與源記錄臺近似為一條直線的臺站(53268、53262、53277、53263)作為分析對象，震中距由大到小依次為53277臺、53262臺、53268臺、53263臺，其中53268臺在斷層?xùn)|側(cè)，其余三臺在斷層西側(cè)，測量的波速變化如圖7 所示。

圖7 線性排列的臺站波速變化

由圖7 可見，53277臺測量結(jié)果呈現(xiàn)明顯的日變化，其可能為固體潮的作用(趙雯佳等，2013)，而對于震中距較遠的3個臺站，固體潮對波速變化的影響逐漸消失。研究表明，淺層地殼中測量得到的波速變化與大氣壓及空氣溫度強相關(guān)，因而震中距越大，固體潮的影響應(yīng)該越明顯(Wang et al，2020)，該結(jié)論與本文的計算結(jié)果并不相符，可能與該地區(qū)復(fù)雜的地殼結(jié)構(gòu)有關(guān)。根據(jù)前人研究(翟秋實，2017)，氣槍信號在傳播過程中，由于受到地殼不均勻性的影響，其傳播方向有可能與直線傳播存在90°偏轉(zhuǎn)角。氣槍信號在傳播至53262、53268臺的過程中，有可能先抵達程海斷裂帶再傳播至臺站，其與直線傳播的部分在到達臺站時重合，導(dǎo)致接收到的P波成分復(fù)雜，從而干擾了波速測量結(jié)果。這可能是震中距最近的53227臺日變化清晰、最遠的53263臺日變化不清晰但相對明顯、53262臺與53268臺日變化極不明顯但變化趨勢相似的原因。12月5日波速變化的測量出現(xiàn)較大的異常，53268、53262、52377臺較為明顯，而53263臺無明顯響應(yīng)，這可能與該臺震中距較大、信噪比較低有關(guān)。但53268、53262臺的異常與53277臺的異常相反，一種可能的解釋是53277臺測出的異常與另外兩臺并非同一個，53277臺震中距僅0.72km，并不足以造成該異常的出現(xiàn)。

4 討論與結(jié)論

本文討論了地表及地殼淺部介質(zhì)的各向異性對于使用氣槍震源測量的波速變化的影響。首先，采用同臺不同頻帶地震儀記錄的數(shù)據(jù)對計算方法進行檢驗，在確認計算方法可靠之后，選取2015年12月、2019年4月等多組實驗數(shù)據(jù)，對氣槍激發(fā)信號去均值、去趨勢、濾波并剔除質(zhì)量差、時間服務(wù)有誤的波形，利用參考臺作反卷積消除震源影響，采用互相關(guān)干涉法得到多臺的高精度走時變化。對各臺高精度走時變化進行分組對照分析，得到以下認識：

(1)水庫的形狀對近臺測量的短期波速變化表現(xiàn)出較小的影響。

(2)斷裂帶對于地震波傳播有明顯的干擾，相鄰臺站因斷裂干擾而導(dǎo)致射線的路徑不同，測量的波速變化趨勢受到了較大影響。

(3)高程的不同可能導(dǎo)致相鄰臺站的射線路徑不一致，但其對測量的波速變化影響較小。