0 引言

地震波在地球介质中的传播携带了丰富的地下介质物性信息，是获取地球内部结构、物质组成及状态变化等最重要的研究手段。人工震源具有精准的激发时间和地点、震源特性可测、观测系统灵活方便、可进行密集观测等特点，随着人工主动震源探测技术的发展，利用重复性人工震源进行地下介质波速测量已成为重要的研究方向(陈颙等，2007b；王宝善等，2011)。

人工震源具有高度可重复性和稳定性等优点，这使其在波速精确测量中得到了广泛应用(Alekseev et al，2005；Silver et al，2007；Wang et al，2008；罗桂纯等，2008)。在利用地震波监测介质变化方面，国内外学者也进行了有益的尝试(Reasenberg et al，1974；Yamaoka et al，2001；Ikuta et al，2002、2004；陈颙等，2007b；Niu et al，2008；王伟涛等，2009；杨微等，2010；Yang et al，2014)。近10年来，国内在陈颙院士的倡导下，中国地震局、中国石油天然气集团公司、中国石油化工集团公司、中国科学院和多所高校等为推进人工地震探测研究开展了野外探索实验，在对现有的多种人工震源进行对比分析后认为，气枪震源是一种绿色环保的理想震源，具有激发效率高、可重复、近场破坏小等优点(陈颙等，2007a；Chen et al，2008)。

在国际上，气枪震源主要用于海上，关于其在陆地水域方面的应用国内外报道极少，可借鉴的经验亦非常少(罗桂纯等，2006、2007；陈浩林等，2008；杨微等，2013)。气枪震源是由美国Bolt公司的Stephen Chelminski在1964年发明的，在1983年Bolt公司的专利技术过期后，美国西方地球物理公司据此研制出套筒枪。随着气枪技术的逐步成熟，激发压力逐渐由5000psi(pound per square inch)降低到2000psi。20世纪90年代初，美国西方地球物理公司对套筒枪进一步改进，生产了Ⅱ型套筒枪。1989年，美国地震系统有限公司(SSI)研制了新型G枪和GI枪，后被法国地球物理总公司(CGG)收购。随后，Bolt公司拓展了气枪的应用范围，生产了适用于海滩、沼泽和陆地的泥枪和陆地枪，同时对老式Bolt气枪进行了改进，并于1991年生产出Bolt长命枪。该枪吸取了套筒枪和G枪的优点，这种枪目前约占全球70%的市场，已成为主流枪。

为了利用气枪震源监测地下介质的动态变化，我们将气枪震源移植到陆地水域进行激发，并自主设计和加工了一些关键设备，发展和完善了一套在陆地水体中利用气枪激发人工地震波探测地下结构和应力变化的技术，并在多次野外实验中得到了优化和完善(杨微等，2013)。在前期的气枪震源激发实验中我们发现，影响震源特征的因素很多，对于在同一地点开展的气枪震源激发实验，影响能量和频谱特征的主要因素有气枪容量、水体环境、激发条件(工作压力和激发深度)等。气枪容量越大，激发的能量越强；增加工作压力和激发深度会导致气泡周期延长，产生的信号频率降低，信号衰退减慢，有利于远距离传播(林建民等，2008、2010；Wang et al，2010、2012；Chen et al，2014)。

井中激发气枪震源主要应用在石油行业的井间地震或井中逆VSP(Vertical Seismic Profiling，垂直地震剖面)，但因其震源容量小，激发频率高，故传播距离较近(曹辉，2002；范晓文等，2012)。本文在陆地水体气枪震源激发技术的基础上，构建了一套井中气枪震源激发系统，并在不同激发井环境下，围绕频谱、能量和重复性等方面开展井中气枪震源特征的对比分析。

1 野外对比实验

云南境内的小江断裂带是川滇菱形块体及稳定的扬子地块边界，位于川滇菱形地块的东南边界。自1500年以来，该断裂带曾发生过6.0~6.9级地震11次、7.0~7.9级地震3次、8.0级地震1次，最大震级为1833年嵩明8.0级(刘翔等，2006)。新构造时期以来，小江断裂带表现为强烈的左旋走滑运动以及两侧断块垂直差异活动(宋方敏，1998)，尤其是小江断裂带宜良-嵩明段被认为是未来发生7级以上大震的潜在危险区(钱晓东等，2008；林向东，2009)。因此，我们选取云南省寻甸县小江断裂带附近作为实验场地，利用井中气枪震源开展实验研究。

井中气枪激发实验中井内径为0.2m，深度为50m，距寻甸县中心约8km，噪声主要为偶尔经过的车辆和行人。在气枪源点两侧沿EW向布设长1.5km的流动地震台测线，该测线横跨小江断裂带，仪器包含9套英国Guralp-40T短周期地震计(频带范围0.5~100.0Hz，灵敏度2000 V/(m·s^-1)，配备美国Reftek-130数采(采样率200Hz，GPS连续对钟模式)。

利用美国Bolt公司的BHS-2200LL井中气枪(单支容量为250 in³)，并结合我们设计和构建的井中气枪震源激发系统，于2014年4月22日13时至25日凌晨，连续进行了24hr单支气枪井中激发实验。实验期间水位保持在22m，气枪沉放于水下12m，进行了100多次激发，实验参数详见表 1。

此外，为了拓展大容量气枪震源的应用范围，探索大容量气枪在井中激发的可能性及特征，在云南大理宾川县大营甸水库旁边人工开挖了一口内径5m、深20m的直井，该井位于程海断裂带与红河断裂带北段的交汇处。程海断裂带从东到西由几条相互平行的近NS向断裂组成，构造活动复杂。我们于2015年5月7日22时至次日凌晨5点进行了气枪井中激发实验，实验期间水位保持在16m，使用单支气枪沉放于水下12m处，共进行了100多次激发(表 1)。

在我们实验期间未曾降雨，不同激发环境下及不同时间段内的地下水位变化很小，故大气压力、温度等因素的影响可忽略不计。

2 波形特征

图 1给出了在不同井中气枪激发产生的近场三分量记录，其中对0.2m井近场记录台站选取距井口3m的流动地震台，对5.0m井选取距井口30m的流动台。通过对比分析可得出：①在2种井中激发环境下，气枪产生的近场三分量波形持续时间均小于0.5s，在0.2m井中激发产生的信号波形复杂，且频率比5.0m井中的高；②井中气枪产生的近场波形在三分量记录上相差不大，图 1(a)中南、北分量最大，是由于激发井的位置几乎在地面近场台站的正南方向；③在0.2m井中激发产生的地面振动速度为10^-4m/s量级，而在5.0m井中为10^-3m/s量级，相差1个数量级。

3 频谱特征

在地震波传播过程中，高频成分随着传播距离的增加更容易衰减和散射，因而传播距离较近，这导致探测距离受限。气枪震源激发地震波信号的传播距离主要由其低频成分的能量决定，低频信号在传播过程中不易衰减，可以在地层介质中传播得更远。因此，我们对地面近场、远场台站的记录进行了时频分析，其中对在0.2m井中激发的远场记录选取跨小江断裂带的偏移距约为100m的台站波形，这基于断裂带的发育有利于高频能量的衰减。另外，在5.0m井中选取偏移距约为2.2km的台站。

图 2、3分别给出了近场、远场记录的2种不同激发环境下井中气枪震源产生信号的垂直分量及时频特征。由图 2、3分析可知，在0.2、5.0m井中气枪激发产生的近场信号的频谱都在10~80Hz，但在5.0m井中优势能量的频谱偏低，主要集中在10~40Hz。在0.2m井中气枪激发产生的远场信号的频谱都在5~30Hz，与近场的频谱相比，高频成分已衰减掉；在5.0m井中激发产生的信号在远场的优势频谱仍然在10~40Hz，与近场的优势频谱基本保持一致。

Wang等(2010)的研究认为，气枪震源的信号可以分为2部分，一部分是由于压力瞬间释放而产生的高频信号，另一部分是由气泡振荡膨胀产生的低频信号。在5.0m井中水体较大，气泡有足够的振荡空间；而在0.2m井中受井壁的约束，气泡无法形成振荡，因此产生的信号以高频信号为主。

4 能量特征

气枪震源的激发能量来源于高压气体的瞬间释放，理论上可由高压气体的容量和压力计算出来(杨微等，2013)。但为了检测相同激发条件下、不同激发井中环境激发时产生气枪信号的传播距离，我们首先将GPS激发时间作为爆破零时，然后按照爆破零时将周围流动台站的数据进行截取和排列。图 4给出了在0.2m井中气枪单次激发的走时剖面。对图 4进行分析可知，容量为250 in³的气枪激发1次产生的信号可在偏移距为900m的台站被清晰分辨出来，且信噪比较高。另外，走时剖面以气枪激发点为源点，在向东和向西的剖面上地震波传播速度存在差异，震源点东侧的地震波速度比西侧的大。分析认为，这可能是由气枪震源西侧的台站在断裂带内或跨过断裂带，而断裂带的地震波速度较小引起的。

按照上述流程，同样对在5.0m井中激发时周围流动台站记录的数据根据爆破零时进行截取，图 5分别给出了井中气枪单次激发和100次叠加的走时剖面。结果表明，容量为250 in³的气枪激发1次产生的信号可在偏移距约为9km的台站上被识别出来，经过100次叠加后则可在25km左右的台站检测到有效信号。

对比分析图 4、5后发现，在0.2m井中气枪激发信号的波形相对单一，且持续时间较短，而在5.0m井中激发信号振荡持续时间略长。结合前述的波形、频谱特征分析后认为，这可能是由于5.0m井中水体较大，为高压气泡提供了振荡的空间，有利于气枪震源能量的有效转化和传播，因而导致相同激发条件的气枪震源在不同的激发水体环境下产生明显不同的效果。

5 重复性分析

人工主动源动态监测的关键问题之一是震源特性的可重复性。震源特性的可重复性是指震源激发位置、激发波形的可重复性。首先，气枪震源是在介质水体中激发，能量的来源为压缩空气的瞬间释放，压缩空气不会改变水的性质，也不会对近场产生破坏，且每次激发时气枪与水体的耦合条件完全一样，这使得气枪在激发过程中的激发位置具有完全可重复的特性。

为探究气枪震源激发的波形是否具有可重复性，我们对井中气枪震源信号进行了重复性分析。首先，从近场记录波形中选取1次激发的波形作为参考信号，参考信号的时间窗口选取为1s。考虑到传播到远处的能量主要为低频部分，对参考信号和近场记录分别进行滤波处理，再利用波形互相关方法来检测波形之间的相似性。

选取地面近场记录的井下气枪信号的垂直分量，将其中1次激发波形作为参考波形，与激发的100次近场波形记录进行互相关检测分析，得到其重复性特征。图 6(a)给出了在0.2m井中气枪激发波形的重复性分析结果，由图 6(a)可见，相关系数集中在0.90~0.99之间，其中相关系数≥0.95的占64%(表 2)。同样，对在5.0m井中气枪震源激发的波形进行了重复性分析(图 6(b))，由图 6(b)可见，相关系数集中在0.90以上，其中相关系数≥0.95的占63%(表 2)。与0.2m井中气枪震源的重复性相比后发现，2个井中气枪激发波形均具有较好的重复性，5.0m井中相关系数大于0.99的比例略高于0.2m井。

6 结论

本文鉴于大容量气枪震源受陆地水体环境的限制，围绕监测地下介质变化的需要，将气枪震源激发拓展应用到井中，并在不同井中激发环境下开展了震源特征对比实验，取得了以下研究结果：

(1) 在激发频率上，0.2m井中受井壁的约束气泡无法形成振荡，产生的信号以高频信号为主；5.0m井中水体较大，气泡有足够的振荡空间，可产生低频信号，因而同样的气枪震源在不同的激发环境中会产生明显不同的效果。

(2) 在激发能量上，5.0m井中激发产生的能量要比0.2m井中的大，幅值甚至相差1个数量级；单次激发的最远传播距离为9km，通过100次叠加和滤波，在25km处可检测到非常清晰的气枪信号。

(3) 井中气枪震源具有激发效率高、可重复性好、绿色环保、易控制等特点，并可通过多次叠加提高信噪比，这为中小尺度范围存在潜在地震危险性的断裂带附近的动态监测、石油矿产资源的探查及现代城市地球物理环境探测等工作提供了新的技术路径。

致谢: 在开展野外对比实验过程中，得到了云南省地震局、云南省寻甸县防震减灾局和云南省宾川县地震局等的大力支持，在此表示衷心的感谢。