0 引言

传统的利用天然地震探测地下结构的方法是一种被动探测方法。采用人工震源主动激发探测深部地下结构，可将被动监测变为对地下状态和结构的主动探测(陈颙等，2005)。有关学者很早就开始使用炸药、重锤等工具进行陆地地下结构的勘探研究，而95%以上的海上地震勘探中使用了气枪震源(何汉漪，2001)。由于气枪震源(唐杰等，2009；林建民等，2010)性能卓越(如绿色环保、可重复性好、可控性强、子波可测等)，近几年地球物理学家开始利用气枪震源进行陆地深至地下几十千米的地壳及上地幔顶部的区域尺度深部探测。

2011年云南省地震局和中国地震局地球物理研究所在云南宾川县大银甸水库进行了大容量气枪震源实验，以探测周围地下结构，监测地震的孕育发生过程，这是在云南首次开展的气枪实验，对其激发波形特征进行研究，特别是进行与天然地震的对比研究很有必要。鉴于此，本文从不同距离台站记录的气枪单次激发信号的频谱特征、气枪信号与相近震级天然地震频谱特征的对比分析以及气枪震源能量特征等方面开展了相关研究。所得结果不仅可为接收台站的参数设置提供借鉴，而且可促进大容量气枪震源的广泛普及，为今后利用气枪信号研究地下结构、介质状态及其变化提供依据。

1 气枪震源激发地震波的频谱特征 1.1 快速傅里叶变换

信号f(t)傅里叶变换定义为(程佩青，2001)

$ F\left(\omega \right)=\int_{-\infty }^{+\infty }{{{\text{e}}^{-i\omega t}}f\left(t \right)\text{d}t} $

(1)

f(t)为原始信号，F(ω)为经过傅里叶变换后的频率域内信号。从物理意义上讲，傅里叶变换的实质是把原信号f(t)的波形分解成许多不同频率的正弦波的叠加。信号函数f(t)与其傅里叶变换F(ω)是同一信号的2种不同表现形式，前者显示了时间信息，后者显示了频率信息，经过傅里叶变换即实现了信号的时域和频域之间的互相转换。

1.2 数据选取及处理

2011年，我们开始在云南省宾川县大银甸水库(25°48′33″N，100°30′2″E)进行大容量气枪激发实验(陈颙，2007；赵明辉等，2008；王彬等，2015)。日常激发水深18m，气枪沉放深度10m，并在激发点周围布置了密集的台阵。我们选取了不同距离的4个台站，于2014年10月27日10：00：00单次激发(4只气枪同时激发)，对每个台站记录到的波形的垂直分量经傅里叶变换后得到的频谱图进行分析。图 1给出了4个不同距离台站的位置。由图 1可见，其中有近场台站也有远场台站。台站编码分别为53277、53260、53281和53259，距气枪震源的距离分别为0.7、4.7、21.1、47.5km。4个台站均使用英国GUALP公司的CMG-3ESPC宽频带地震计，频带范围0.02~60.00s，数据采集器为Reftek 130B型。

图 2给出了4个台站记录的单次激发波形垂直分量和经傅里叶变换后得到的频谱。由图 2可见，53277台的主频率域为2~6Hz，53260台的为2.6~4.5Hz，53281台的为2.7~4.0Hz，53259台的为1.5~3.8Hz。可以看出，随着与激发源距离的增加，气枪震源激发波形频率域稳定，主频多数集中在2~5Hz，整个频率域范围小于15Hz，在短周期地震仪能够记录的地震信号范围内(1~20Hz)；而且随着距离的增加，气枪信号的高频成份迅速衰减，低频成份则相对稳定，这说明气枪震源是一种非常稳定且频率集中在2~5Hz的低频震源。

2 气枪激发地震波与天然地震波对比分析

宾川彩凤台(图 1中CFT)距激发点4.7km，此台使用FSS-3M型短周期地震计，工作周期为2s，频响2~60Hz；数据采集器为EDAS-24型，采样率为100Hz。该台清楚地记录到了宾川气枪震源激发的信号(图 3(a))，振幅达±0.13μm·s^-1，根据里氏近震震级定义(国家质量技术监督局，2009)

$ {{M}_{\text{L}}}=\lg {{A}_{\text{}\mu\text{}}}+R\left(\Delta \right) $

(2)

其中，M_L为近震体波震级；A_μ为水平向最大地动位移振幅的平均值，即A_μ=(A_μN+A_μE)/2(单位μm)；R(Δ)为起算函数。由式(2) 可得，1次气枪激发相当于M_L0.7天然地震。我们选择彩凤台记录的2015年9月25日03：10：00发生在100.6°E、25.8°N的M_L0.7天然地震(图 1中实心圆)，该地震震源深度5km，震中距彩凤台约10km，气枪震源信号选择2015年9月25日10：00：00单次激发的波形，对同一台站2种不同震源信号的频谱特征进行分析。图 3为气枪激发、天然地震的信号及相应的频谱特征。由图 3可见，气枪震源激发的地震波波形光滑，正弦和低频特征明显；而天然地震高频成份丰富，震相复杂且有多个主频；气枪激发信号的频率为0~15Hz，主频域为2~5Hz，而天然地震的波形信号频谱范围则很宽，达0~45Hz，主频域高达5~25Hz。由此可见，气枪震源与相近震级的天然小地震相比，能激发更多低频信号，且波形光滑。由于地震波中的低频成分比高频成分更能真实地反映地下介质的状况(何汉漪，1999)，故气枪震源激发的波形对研究地下结构更为有效。

3 气枪激发震源能量分析

大银甸水库大容量气枪激发实验(陈颙等，2007；赵明辉等，2008)使用的气枪源为4条单枪容量为2000 in³的气枪组成的、总容量为8000 in³的气枪阵，工作压力15MPa。气枪震源的动力来源于高压气体，枪阵释放的总能量可由高压气体的容量和压力计算得到(陈颙，2007)，具体如下

$ E=P\cdot V\cdot \text{ln}\left(\frac{P}{{{P}_{0}}} \right) $

(3)

其中，E为释放的能量；V为高压气体的容量；P为压力；P₀是环境压力，一般为1个大气压。如果枪阵的容量为8000 in³，工作压力为2000 psi(pound per square inch，1psi=6.8927×10⁷Pa)，1个大气压相当于14.5psi，则由式(3)计算得到气枪枪阵释放的能量为7.88×10⁷lb·in(磅·英寸)，即8.90×10⁶J。TNT炸药的爆热为4.2×10⁶J/kg，宾川气枪枪阵释放的能量相当于2.1 kgTNT炸药当量(约2.4kg硝铵炸药当量)，而张尉等(2009)根据硝铵爆破实验得出1次25kg炸药的井下爆破才相当于M_L0.69的天然地震释放的能量，而宾川气枪激发相当于0.7级天然地震，可见气枪震源比爆破震源可利用的能量更高。

4 结论

(1) 通过对不同震中距台站接收到的气枪震源激发的地震波进行分析后发现，大容量气枪震源激发的地震波具有丰富的10Hz以下的低频信号(主频2~5Hz)，这种信号的传播距离远，穿透深度大(林建民等，2008)。

(2) 在宾川开展的大容量气枪激发实验中，1次激发可以产生与0.7级天然地震能量相同的地震波，且气枪激发地震波更光滑，正弦和低频特征明显。频谱上，天然地震波形主频很宽，为5~25Hz；而气枪震源波形则频域更低，能量主要集中在2~5Hz。由于地震波中的低频成分比高频成分更能真实地反映地下介质的状况(何汉漪，1999)，故气枪震源是研究地下结构更为有效的震源。

(3) 宾川气枪枪阵释放的能量相当于2.1 kgTNT炸药当量(约2.4kg硝铵炸药当量)，若换算为炸药爆破，则需要25kg炸药才能达到宾川大容量气枪激发的效果。所以，气枪震源比爆破震源更经济、更有效。

气枪震源是一种绿色环保、经济实用、高度可重复、精确可控的人工震源(张尉等，2009)。这种释放能量强、重复性好、探测精度高、绿色环保的枪阵组合震源可对地下介质结构和介质物性变化进行有效的探测(罗桂纯等，2006、2007；王彬等，2015)。

致谢: 谨向在云南宾川大容量气枪实验中作出贡献的所有单位和个人表示衷心的感谢。感谢两位审稿专家的辛勤付出。