0 引言

利用大容量气枪震源进行地下结构探测和介质变化监测是近些年来地震学研究的热点问题(Reasenberg et al，1974；Leary et al，1979、1982；陈颙等，2007；林建民等，2008、2010；王宝善等，2011、2016)。理解气枪震源激发波场的特征对于深入理解气枪震源特性、气枪激发效果与激发参数的关系以及探索气枪震源的应用前景等具有重要意义(张尉等，2009；Chen et al，2014；王宝善等，2012)。气枪震源在海上石油勘探中已有广泛的应用，有关气枪在海上激发效果的理论和实验也已得到了较为深入的研究(Ziolkowski，1970；丘学林等，2003)。将气枪震源应用到陆地区域的研究可以借鉴海上气枪的研究成果，但是陆上气枪也具有其自身的特点，其中最直接、最关键的一点就是激发水域尺度的极大减小。在海上气枪的研究中，由于海水深度远大于声波的波长，在气枪信号激发过程的研究中，可以忽略海底固-液边界的影响，采用半无限空间的假设研究气泡振荡理论；在研究远场波场时，也可以将气枪近似为各向同性的爆炸点源，这为后续分析研究带来了便利。而在陆上气枪的理论研究中，水体尺度通常与声波波长处于同一个数量级，这一事实决定了陆上气枪的波场特征与海上气枪具有本质的不同。首先，它意味着半无限空间的假设可能会受到挑战，这一点在井中气枪实验中体现得尤为明显，对比井中气枪和水库气枪附近的地震记录发现，井中气枪记录中与气泡振荡相关的低频成分欠发育，其原因可能是水井直径过小，气泡的自由振荡过程受到了井壁的限制；其次，对于尺度相对较大的水库，由于固-液边界在气枪波场的近场范围内，我们猜测这对于气枪波场可能也有一定的影响，但是由于观测系统覆盖度不足等问题，故一直无法找到可靠的野外实验证据，2015年10月开展的一次大型气枪实验为寻找这方面的证据提供了方便。

2015年10月多家单位合作在长江安徽段进行了气枪激发实验，实验中使用了原用于海上气枪作业的震源船，由其拖曳着由4条气枪组成的枪阵，从马鞍山附近逆流而上，沿途采用定点激发和流动激发交替的方式共激发4000多枪，直到上游的安庆附近停止。此次实验与以往的气枪激发实验间在激发水域、观测系统2个方面存在重要区别，而这2个方面的改变和提升都有利于更好地分析水体对气枪激发效果的影响。激发水域以往通常为水库和人工水池，水域大致为半圆形或半椭圆形，其几何形状的对称轴为垂直方向，这意味着波场在水平方向上为各向同性，因此沿地表布设的观测系统很难捕捉到较为明显的方位角变化。而长江为近似于平躺的半圆柱形，其对称轴为水平方向，如果气枪波场会受到水体边界的影响，那么其影响可能会在水平方向上有所体现。此次气枪实验的观测系统由固定台网、流动测线和台阵共同组成，覆盖的范围和密度较以往的实验都有明显的提高。因此，研究此次长江激发气枪信号的特征，不仅可以评估长江中气枪激发效果，而且对于理解陆上气枪激发的特性和机制也很有帮助。

本文将从气枪信号的传播距离、信号强度2个方面评估气枪激发效果。传播距离与气枪枪室容量、枪压大小、枪阵尺寸、激发坏境、传播路径和台站的背景噪声等有关。海上气枪震源激发效果较好，气枪信号可以连续追踪到60~220km处(丘学林等，2003、2007)。陆上气枪激发的地震信号受到地层影响而发生衰减，传播距离相对较短。林建民等(2008)在河北遵化上关湖水库进行了大容量气枪激发实验，实验中，最远可以在距震源130km处的台站记录中识别出气枪信号。但如果利用气枪震源的可重复性，通过叠加定点重复激发的200次记录，可以压制噪声，将气枪信号可识别的距离提升到180km。此后，随着气枪激发技术的进步(杨微等，2013)和激发环境的优选，气枪信号可识别距离得到进一步提升，达到300km(云南宾川大银甸水库)和380km(新疆呼图壁气枪信号发射台)(Wang et al，2012；杨微等，2013；王宝善等，2013)。较远的传播距离是提取多样性震相信息的前提，也是层析成像结果分辨率和可信度的重要支持。由于此次安微实验的目的之一是探测长江中下游的地壳结构，因此传播距离是影响后续研究结果的关键参数。而气枪信号强度的研究同样十分重要。单个台站记录的气枪信号的绝对强度可以帮助我们认识气枪激发地震信号的能力；而分析气枪信号强度的空间分布则是研究水体边界几何形状如何影响激发效果的很好的切入点。

气枪记录的信噪比对于上述2个方面研究的可靠性至关重要，并且直接影响着实际可识别气枪信号的传播距离，而接收台站的背景噪声水平则对信噪比有显著的影响。在本次实验中，固定台网的建台条件普遍比其他接收系统更好，应该具有较低的背景噪声水平。因此，本文中我们选用固定台数据分析长江激发气枪信号的特征。首先，通过叠加获得高信噪比的气枪信号记录；然后，移除记录中仪器响应的影响，获得气枪信号位移记录；随后，分析了单台记录、剖面以及气枪信号强度的二维空间分布；最后，讨论了所得位移记录的准确性、气枪信号强度空间分布的意义以及气枪信号的识别与台站背景噪声间的关系。

1 数据

本研究使用了中国地震局固定台网、各省局区域台网共计109个固定台的连续记录(图 1)。连续记录的时间从协调世界时(Coordinated Universal Time，简称UTC)2015年9月14日~10月21日，气枪激发时间从2015年10月10日正式开始(10月9日在第1个激发点进行了试枪)至同月17日结束，位于连续记录的时间段内。在此时间段内固定台记录的连续性较好(图 2)。选用的固定台站大多位于距气枪震源激发点300km的范围内，一般都布设了低噪声、大动态范围的三分量宽频带地震仪。频带范围多为60s/150Hz或120s/50Hz，采样率为100Hz。仪器具有较高的灵敏度(5.100×10⁸~1.678×10⁹ count/(m · s^-1))，这为有效提取微弱的气枪信号提供了保障。

2 方法 2.1 叠加

气枪震源的能量相对较小，因此在距震源较远的台站记录中，气枪信号往往被噪声淹没。为了提高气枪记录的信噪比，我们使用线性叠加方法对原始的连续记录进行了处理。由于气枪震源激发对附近介质环境没有破坏性影响，并且激发时气枪位置、枪压等参数都可以精确控制，因此气枪震源多次激发具有很高的重复性。考虑到气枪激发时在时间尺度上地下介质变化很小，所以同一台站接收到的定点多次激发气枪记录的信号应有较高的一致性，而叠加过程可以利用信号的一致性压制噪声，提高信噪比。在叠加之前，我们对数据进行了挑选。在109个固定台站中，删除了2个没有数据记录的台、9个没有宽频带仪器的台，共剩余98个台站。气枪信号预期最远传播距离为200~250km，因此，出于计算效率的考虑，对于某个固定激发点，我们只选择距该激发点300km范围内的台站进行处理，最后总共使用了87个台站的记录。根据气枪激发时间表，我们将这些台站的连续波形记录截取成长度为150s的时间段，其中时间段的起始时间与气枪激发时间一一对应。对于每段记录进行了去除均值、去除线性趋势、波形尖灭等处理及2~6Hz的带通滤波。最后，将台站的记录段按照起始时间对齐叠加起来。如果噪声是随机的，N次叠加后可将信噪比提高$ \sqrt N $倍。我们将每个台站分别对20个固定激发点进行叠加处理，得到了关于20个固定激发点的叠加记录(图 3)。由图 3可见，叠加后地震剖面中的P波、S波都更加清晰，可以连续追踪的距离由约70km提升到250km。

2.2 去仪器响应

地震时地震仪记录的是地面运动与仪器响应的卷积。为了研究气枪所产生的位移，要从地震记录中移除仪器响应，以得到位移记录，该过程即为去仪器响应。地震仪和数据采集器的仪器响应一般都记录在仪器响应文件里，正确地去仪器响应需要正确的仪器响应文件。在87个固定台站中，我们从中国地震台网中心获得了74个台站的仪器响应文件，还有13个台站缺少仪器响应文件。

我们尝试构建这13个台站的仪器响应文件。一个完整的地震采集系统由地震仪和数据采集器2个部分组成，与之对应，仪器响应文件也由地震仪和数据采集器2个部分的仪器响应共同组成。一般认为，同一型号的地震仪或数采具有相同的仪器响应，因此，如果可以从已有的仪器响应文件中找到这13个台站所对应的地震仪或数采的仪器响应，将二者拼接起来，就可以为这些台站构建仪器响应文件。我们利用AH.HSH、AH.HNA的仪器响应文件和IRIS提供的CMG-3ESP-60型地震仪的仪器响应文件构建了13个台站的仪器响应文件(表 1)。在构建过程中，未找到EDAS24GN-6、BBVS60DBH的官方仪器响应文件。根据如下假设：① EDAS24GN-6与EDAS24GN-3的仪器响应一致，因2种仪器其他参数一致，区别仅为通道数量，因此认为此假设是合理的；② BBVS60DBH与BBVS60的仪器响应一致，因前者为后者的井下版本，故认为两者仪器响应应该也是一致的；③ GMG-3ESP-60的灵敏度为2000。IRIS提供的CMG-3ESP-60仪器响应文件有3种灵敏度，分别为1500、2000、20000。由于该区域内其他地震仪的灵敏度都约为2000，故认为AH.CZO台配置的地震仪很大可能也为2000。

通过构建仪器响应文件，我们得到了所有台站的仪器响应文件，文件均以RESP格式存储。利用Seismic Analysis Code(SAC)软件包提供的transfer程序，将仪器响应的影响从叠加记录中移除，得到位移记录。在去仪器响应之前，叠加记录经过了0.5~14.0Hz的带通滤波。

2.3 功率谱密度概率密度函数

台站背景噪声的大小是能否从地震记录中准确提取气枪信号的关键影响因素之一。我们利用PQLX软件(http://earthquake.usgs.gov/research/software/pqlx.php，最后访问时间2016年3月25日上午11时40分)计算了本研究所用台站的功率谱密度概率密度函数(PSD PDF)。首先，将地震台的连续记录按照1hr长度，50%重叠分段计算速度功率谱密度。每1hr长度的记录进一步分成75%重叠的13个小段，其功率谱密度由13个小段的功率谱密度的平均计算得到。然后，根据台站的仪器响应，将速度功率谱密度转化为加速度功率谱密度，单位为m² · s^-4 · Hz^-1。最后，将得到的功率谱密度(PSD)全部绘在1张图上，以1/8倍频的频率间隔和1 dB的功率谱密度间隔对所有的PSD进行统计，即可得到功率谱密度概率密度函数(Mcnamara et al，2004)。

3 结果 3.1 单台记录

固定台建台条件较好，背景噪声通常较低，因此在叠加前对记录中的气枪信号一般可以追踪到70km左右，并且S波振幅大于P波。在这次气枪激发实验中也观测到了类似的现象。某些距气枪源150km的台站，由于背景噪声很低也可以在150km以外接收到比较清晰的气枪信号。

图 4为浙江省淳安台(ZJ.CHA)接收到的第16个固定激发点叠加前、后的记录结果对比。由图 4可见，与叠加前的滤波记录相比，叠加后记录的信噪比普遍得到了明显提高，使得原本淹没在噪声中的气枪信号显露出来。由于淳安台距激发点较远(175.7km)，单枪记录中的气枪信号即使在滤波后也无法识别出来。但是将定点重复激发的125枪的记录叠加起来后，噪声得到了压制，气枪信号得以突显。与理论走时的对比表明，该信号为淳安台接收到的S波。将125枪的记录绘在一起，也可以看到气枪信号的波形仍具有很好的一致性。这不仅体现了气枪震源的高重复性，也体现了叠加后信号的可信度。

3.2 剖面

将每个固定激发点所对应的固定台记录按震中距排列，共可得到20条剖面。图 5为第16个固定激发点对应的剖面。由图 5可见，气枪信号可以连续追踪到200km以外，甚至260km以外的台站也能观测到比较明显的信号。为了提高连续追踪的效果，在绘制剖面之前剔除了信噪比不高的台站和震中距小于5km的台站。在此剖面中，震相连续追踪的效果不太好，这可能与研究区域内的复杂地壳结构有关。

3.3 空间分布

为了研究气枪信号随距离的衰减和可能的辐射图样，我们计算了气枪信号强度的空间分布。对于每一个固定激发点，首先挑选信噪比较高的台站，计算该台站位移记录的峰峰值，并用其表示该台站气枪信号的强度，这样得到气枪信号的空间分布图。由于气枪记录中S波振幅比P波大，因此可以将叠加记录的峰峰值粗略地等价于S波信号的峰峰值。因信噪比高的台站空间分布较为稀疏，不能很好地识别出可靠的辐射图样。为了解决这一问题，我们将每个固定激发点的绝对空间分布转换为以激发点为参考点的相位空间分布，然后将20个固定激发点的相对空间分布绘制在1张图上，即可得到分布更为密集均匀的气枪信号强度分布图(图 6)。由图 6可见，本研究中气枪震源所引起的地面位移为0.1~50.0nm。气枪信号在传播50km后，从最初的50nm迅速降低到约10nm；传播到200km之后，信号强度又降低了1个数量级，基本上小于1nm。另外，我们发现气枪信号强度的空间分布为NE-SW走向，与研究区域内长江的走向相近。这种方位的各向异性是长江中激发气枪波场的特征还是处理方法导致的偏差，需要进一步的工作才可判断。

4 讨论 4.1 nm量级的气枪信号

气枪信号引起的位移为nm量级，不仅远小于一般固定台站的平均噪声水平，同时也接近宽频带地震仪的分辨极限。目前使用的数字地震仪最小单位为1 count，一般固定台站的背景噪声约为300 counts。如果已知该仪器的灵敏度，则可以计算对应的位移记录量级。本次实验所用固定台站仪器的灵敏度为5.100×10⁸~1.678×10⁹ count/(m · s^-1)。我们以平均灵敏度1.000×10⁹ count/(m · s^-1)为例，估算背景噪声和仪器的分辨能力。假设气枪信号主频为5Hz，原始速度记录中300 counts对应于300nm/s的速度和约10nm的位移，而1 count则对应于1nm/s的速度和0.03nm的位移。由前述可知，气枪信号在50km处的峰峰值为10nm，而位移的最大振幅约为5nm，说明气枪信号在传播不到50km时，就已经被背景噪声淹没。另外，实验中识别的气枪信号强度最弱为0.1nm，对应于0.05nm的位移，已经很接近宽频带地震仪的理论分辨极限。

我们可以在如此强的背景噪声下提取极微弱的气枪信号得益于滤波和叠加。图 7为实验中气枪信号处理过程。由图 7可见，原始记录的振幅为600 counts左右，具有长周期变化的特征，记录中完全无法看到气枪信号。经过滤波后，长周期信号被消除，噪声得到大幅压制，降到了约30 counts，为滤波前的5%。此时，气枪信号已隐约出现，但是噪声水平依旧较高。而经过叠加后，噪声得到进一步压制，降低到了3 counts，仅为叠加前的10%，此时就可以看到明显的气枪信号。实际处理中，台站距激发点的远近和台站本身背景噪声的特点对于气枪信号的识别有很大的影响，并非所有台站都可以在滤波和叠加后得到非常好的结果，但是此例体现的是本研究的普遍情况，在数量级上是可以参考的。

4.2 气枪信号提取与台站背景噪声

我们以2个台为例说明台站背景噪声的强弱对气枪信号提取的影响。2个台分别为安徽省的合肥台(AH.HEF)和广德台(AH.GDT)。图 8为这2个台的功率谱密度概率密度函数和相应的气枪信号记录。由于气枪信号的主频带为2~10Hz，因此仅比较该频带内(图 8(a)、8(b)红框所示)2个台噪声水平的高低。由图 8可见，合肥台在该频带内噪声水平明显高于广德台。其原因可能与合肥台位于城市附近，而广德台则位于远郊的山洞中有关。在1~10Hz频带内比较明显的噪声源为人为噪声，合肥台离市区较近，会受到更多交通和机械工程等人类活动噪声的影响；而此类噪声主要以高频面波的形式存在，对井下、山洞内的地震仪干扰较小，因此位于山洞内的广德台在该频带内受噪声的干扰较小(Mcnamara et al，2004)。因此，即使合肥台距气枪源更近(147km)，但是广德台(距气枪源218km)气枪记录的信噪比更高，这可能与广德台在2~10Hz频带内噪声水平更低有关。

为了对本研究中固定台站的背景噪声水平有一个整体的了解，我们计算了固定台站背景噪声水平的空间分布。对于每个台站，选取1个值代替整个功率谱密度概率密度函数来表征该台站的噪声水平，选取方法是：① 计算出功率谱密度概率密度函数的中位数线，将其视为该台的噪声功率谱；② 计算气枪信号主要频带(2~10Hz)内功率谱的平均值，将该平均值作为该台噪声水平的表征。最后，得到台站背景噪声水平的空间分布模型(图 9)，由图 9可见，实验中固定台站的噪声水平普遍较低(小于-125dB)，为提取微弱气枪信号提供了很好的保障。另外，存在一些背景噪声极低的台站(小于-130dB)，这些台站保证了对远距离微弱气枪信号的拾取。

5 结论

我们利用具有较高信噪比的固定台站的连续波形记录对长江激发气枪信号的传播距离和信号特征进行了研究。结果表明：① 长江中激发气枪信号的传播距离最远可达约300km；② 气枪信号的位移为nm量级；③ 气枪信号强度存在一定的方位各向异性，可能与长江的走向有关。但是，气枪信号强度的方位各向异性的原因未知，需要更详细的分析以及与理论模型的对比。总体而言，长江中气枪信号的激发效果与水库实验相当，这表明具有一定深度的河流也是潜在的气枪震源激发区域，因而大大拓展了气枪震源的应用范围和使用价值。另外，初步研究表明，能否有效提取气枪信号与台站本身的背景噪声大小存在一定的相关性，但是具体的关系有待进一步深入研究。

附录1

致谢: 感谢中国地震局地球物理研究所国家数字测震台网数据备份中心(郑秀芬等，2009)、中国地震局地球物理勘探中心、安徽省地震局、福建省地震局等单位的大力支持，感谢大量科研工作者为开展“地学长江计划”安徽实验和采集数据所付出的艰辛努力。感谢中国地震局地球物理研究所郑秀芬研究员提供部分台站的仪器响应文件。感谢两位匿名审稿人的建设性意见。本文图件采用GMT软件包(Wessel et al，2013)和Python的Matplotlib库(Hunter，2007)绘制。