0 引言

地震波在地球介质中传播时携带着丰富的介质参数信息，这为探索地球内部结构、物质组成及其动态变化提供了研究手段，可以说地震是“一盏照亮地球内部的明灯”(陈颙等，2005)。主动源重复探测简称主动源，是用大容量气枪作震源进行连续激发，获取人工震源信号，进而研究其走时和波形变化，就好似对区域性地下介质进行定期“B超检测”。相对于天然震源，人工震源具有精确的激发地点和时间、高度可重复性、观测系统分布自由以及可以进行密集观测等优点，因此利用主动源可以得到更加精准的走时变化，亦可为区域性应力状态演化和地震危险性判定等提供新的思路与依据。

祁连山位于青藏高原东北缘，地处青藏地块与阿拉善地块挤压缝合带，周围断裂带众多(国家地震局地质研究所等，1993；楚全芝等，1995；朱子政等，1997)，主要有祁连山北缘断裂带、昌马-俄博断裂带、榆木山断裂带、龙首山断裂带等。祁连山地区历史上发生过多次强烈地震，是现今构造活动和地震活动最为强烈的地区之一。为研究祁连山地区断裂带区域深部介质的演化，甘肃省地震局在祁连山腹地建成了1个人工重复震源发射平台。该发射平台位于黑河二级电站水库内，是国内继河北遵化、云南宾川、新疆呼图壁等主动源平台之后建成的常规观测大容量气枪人工震源发射平台。各个发射平台大容量气枪震源实验有关参数如表 1所示。

甘肃主动源发射场地距张掖市中心53km，激发点水深45~65m(年平均水深约为55m)，浮台处湖面宽约200m，该场地是甘肃中西部进行主动源探测良好的激发场地(图 1)。主动源项目主要包括观测系统、激发系统、供电系统以及辅助系统等的建设。2014年12月进行了气枪初次实验，截至2015年6月，基本完成了项目的全部建设任务，7月6日完成仪器调试，7月9日投入正式运行，并在其周围布设了由40套短周期地震仪组成的密集观测台阵，形成了一套完整的人工主动源激发观测系统。

1 系统建设 1.1 观测系统

观测系统由一系列的观测台站组成，其中有40个主动源台站(2014年7月完成了台站建设和仪器架台任务)和14个固定台站(图 2)，主要分布于祁连山北缘断裂带和龙首山断裂带，沿NW向分布，其长度约为400km。54个台站都采取实时传输方式进行数据传输，数据汇集于中国地震局兰州地震研究所。少数主动源台站由于电信信号的不稳定性或信号覆盖强度不够，存在传输暂时中断的现象。主动源台站的地震仪器全部为三分向短周期摆(CMG-40T)，供电电源由2块60W的太阳能板和2块胶体式的60W蓄电池组成，分别为数采和通讯设备供电。观测房采用井式结构，即摆墩位于地面之下，井深一般为2m或位于基岩上，观测房的墙厚为240mm，房顶为一次性现浇水泥板。

1.2 供电系统

供电系统主要包括供电线路、变压器和接入接出控制设备等。供电线路长约1.1km，传输电压为10kV，属高压传输。因线路弯度较大，为了增加侧拉强度，线杆采用了钢杆和水泥杆相结合，弯度大的地方使用钢杆以抗侧拉，共使用了7根钢杆和7根水泥杆，杆长均为12m。变压器的输出功率为100kW。该系统于2014年12月建成并开始供电。

1.3 激发系统

人工气枪震源激发系统主要包括空气压缩机、储气瓶组、气枪组、气控系统、电控系统、激发平台及辅助设备等(图 3)。空气压缩机为气枪组提供高压空气，形成高能量震源。储气瓶组由8个容量为100L的耐高压立式气瓶组成，是空气压缩机与气枪组之间的缓冲环节，一方面可以快速给激发后的气枪补充高压气体，另一方面可以冷却从压缩机中喷出的高温高压气体。气枪组由4条Bolt公司生产的长命枪组成，单枪容量为2000 in³(约33L)，气枪激发压力约为2000psi(约14MPa)，目前实验运行时气枪沉放深度为15m。气控系统主要由配气台、渔人阀、耐高压高温气管线等组成，配气台控制气枪组的充放气以及实时显示整个激发系统的压力值；渔人阀又称为高压控制阀，当激发系统的压力值高于设定的某一安全气压值时自动放气，以使激发系统的气压限定在安全范围内。电控系统控制气枪的激发和对枪阵进行实时质量监控，具有自动激发和手动激发等2种模式。我们选用美国Real Time Systems公司生产的气枪控制器及配备的专用软件用于气枪激发控制。气枪激发的同步精度为0.1ms，可同时控制4~32条枪。在激发过程中，采用GPS时间自动激发方式，在GPS模式下气枪控制器间的精度为1μs。激发平台漂浮在水面上，提供气枪的吊升、沉放、工作人员的近场操作等。

1.4 辅助系统

辅助系统主要包含道路、护坡、房屋、便道、供水、生活必备设施和环境绿化等。目前各个部分已基本建设完成(图 4)。房屋分为办公用房和生活用房，激发系统主要设备置于办公用房内，生活区主要包括休息室、值班室、会议室、厨房与饭厅、卫生间与洗澡间，基本能满足工作需求。

2 系统评价 2.1 观测台网地震波形记录

2014年7月完成主动源观测台站的架设，主动源台站(40套短周期仪器观测台站)和固定台站的分布如图 2所示。每个主动源台站都加装有无线传输装置，具备实时无线传输数据功能。该台网运行以来大大提高了该地区地震监测能力，同时提高了地震定位精度，图 5为主动源台站接收到的小震波形记录，从图中可以清晰地识别出P波、S波震相。

2.2 峰值加速度测量

为了评估激发对水库大坝的影响，在正式激发之前测量了不同距离处的峰值加速度，震中距为0.1、0.38km处的峰值加速度分别为47.10、5.87gal，水库大坝(震中距为0.91km)处的峰值加速度为1.09gal。实测结果表明，地表峰值加速度与震中距呈x^-1.7(x为震中距)关系衰减，气枪震源激发对水库大坝无影响。

2.3 多次激发实验数据处理结果

2014年12月17日19时完成各项工作，成功进行了气枪震源的激发实验，对正式运行以来激发实验数据的垂向分量作了40次叠加，在叠加过程中进行2~8Hz带通滤波处理，叠加波形如图 6所示。结果表明，对主动源台站数据经过40次叠加后可以看出，绝大部分台站都可以清晰地识别出P波、S波震相，只有极个别台站可能因环境问题导致波形记录不清晰，不能识别出P波、S波震相。

2.4 气枪震源的一致性

气枪震源的一致性是气枪作为一种陆地人工震源所具有的最本质的特征，也是有别于天然地震震源和所有其他人工震源的特征。气枪震源良好的可重复性，可用来发展4D地震学研究(陈颙等，2007a、2007b)。本文选取2个夜间连续激发震源波形记录(共106次激发数据)进行一致性分析。首先对所有数据进行2~8Hz带通滤波处理(杨微等，2013)，再对其波形数据进行叠加处理(图 7(a))，并以第1次波形数据作为参考信号，其它波形与其做相关分析计算(图 7(b))。由叠加波形和相关系数可以清楚地看到该气枪震源具有良好的可重复性和一致性。

3 结论

以大容量气枪作为人工震源，可获得大量的高质量数据，从而解决了因天然地震的局限性而使数据覆盖不理想等问题，为岩石圈深部结构、物质组成和状态的探测研究提供了一条新的技术路径。气枪震源独特的高度可重复性是气枪区别于其他深部探测的人工震源的优势所在，以气枪作为人工震源是地球物理探测的新的发展方向(陈颙等，2007a、2007b)。

甘肃祁连山主动源重复探测项目自开展以来，各项工作进展顺利，依计划完成了观测系统、激发系统、供电系统以及辅助系统等的建设，于2015年7月9日正式开展主动源激发实验，并于8月份完成基础建设验收。对正式激发的数据经过40次叠加处理后，可以获得清晰的波形记录图，但也有个别台站可能存在环境等问题，使得波形记录不清晰，需调整台站位置。对激发源波形记录的分析结果说明，每次激发波形具有很强的一致性，这为远场台站波形数据的叠加处理提供了必要条件。

甘肃祁连山主动源重复探测系统为探测祁连山地区地壳介质的波速变化、应力状态及其演化提供了有力支撑，同时提高了该地区的地震监测能力。

致谢: 在项目的建设过程中，得到了中国地震局地球物理研究所、中国地震局地球物理勘探中心、新疆维吾尔自治区地震局、张掖市地震局等多家单位的大力支持与帮助，在此深表感谢。