0 引言

气枪震源不仅在海洋石油勘探中得到广泛应用，在深部地壳上地幔结构探测中的应用也越来越广泛(陈颙等，2007)。大容量气枪震源具有丰富的低频成分，利用其信号重复性好的特点，通过重复激发和信号叠加可提高信噪比。气枪震源信号能在地下介质中传播较远的距离(林建民等，2008)，且作业过程绿色环保。目前，国内外有许多成功利用气枪震源进行陆海联合勘探的实例，这些研究均证明了气枪震源应用于深部地壳上地幔结构探测的可行性(Murphy et al，1996；Okaya et al，2002；丘学林等，2003；罗桂纯等，2006)。2015年10月国内多家单位参与的地学长江计划安徽段实验采用气枪震源船作为移动式震源，在长江马鞍山-安庆段进行水上悬停固定点激发和走航式激发，实现了大容量气枪震源在长江的首次激发，扩大了气枪震源的应用范围。本文对大容量气枪震源在实验段复杂环境下激发的时频特性进行了分析，获得了深部地震探测所关心的震源频带范围、优势频率及其随距离变化的特点；通过检测不同固定激发点的信号，分析了不同环境因素对信号传播距离的影响。

1 实验简介

2015年10月，长江地学计划安徽实验沿长江马鞍山-安庆段(310km)共进行20次定点激发(图 1)、19段走航式激发。定点激发每90s一炮，10月9~18日共激发2973炮。走航式每90s一炮，平均间距为170m，共激发1872炮。各定点及走航式激发次数如表 1所示。

“延平2号”震源船为实验的物探平台，船上装有福建省地震局自主设计组装的震源系统。该系统主要包括：气枪震源系统；空压机、高压气瓶供气系统；高压气汇和调节系统；气枪阵列收放系统；导航、信号接收系统。采用4支工作压力为2000psi的1500LL型BOLT枪组成6×8气枪阵列进行激发(图 2)，气枪沉放深度8m。

近岸20个流动台采用英国GURALP公司CMG-40TDE一体化地震计，频带范围40s/100Hz，灵敏度2×1000V/(m · s^-1)，采样频率100Hz。流动台架设在20个固定激发点附近300~900m的范围内，对定点激发与走航式激发进行观测(表 1)。固定台站选取距实验范围500km以内的安徽、福建、湖北、湖南、江苏、江西、山东、上海、浙江等测震台网的共220个台站。

2 信号时频分析 2.1 首台信号分析

气枪子波由压力脉冲和气泡脉冲2部分组成(林建民，2008)。压力脉冲主要包括气枪内高压气体瞬时释放到水中形成的压力波及由此引起的水面、水底面反射而产生的脉冲，具有较高频率，通常应用于浅层石油勘探。气泡脉冲则由高压气体释放到水中后形成的气泡在水中振荡引起，频率较低(一般为5Hz左右)，适用于长炮检距的深部结构探测。

将近岸流动台垂向分量记录进行去直流分量、基线校正、去除仪器响应等预处理后进行S变换，图 3、4分别为D18、D20激发点岸边台接收到单次激发并进行预处理后的垂向分量记录及其经S变换得到的时频特性，为此次实验远场子波的2种典型特性表征。由图 3、4可见，信号主要由A1、A2、A3等3部分组成，A1、A2分别为压力脉冲和气泡脉冲受水面、水底及浅层介质的综合影响而产生的子波，其中A1为以高频为主的压力脉冲，A2为优势频率5Hz左右的气泡脉冲，A3为子波产生的面波，呈2.5~4.5Hz低频特性。比较图 3、4可发现，2个激发点压力脉冲(A1) 信号能量均较强，气泡脉冲(A2) 信号D18激发点较强，D20激发点较弱；反之，D20激发点面波较D18激发点发育。初步判断，上述差异与激发点所在水体的深度、江底地形和地质环境等有关。

2.2 近场信号时频分析

对距D18、D20激发点20km附近的台站150次激发记录的线性叠加按照2.1节的方法同样进行时频分析(图 5、6)，与2.1节的首台信号进行比较发现，信号的优势频率为5Hz左右，高频主脉冲在地震波传播过程中很快衰减，台站记录到的主要是气泡脉冲。

2.3 远场信号时频分析

分别对距D18、D20激发点150km附近的2个地震台站150次激发记录线性叠加并与2.1节的首台和2.2节的近场作同样的时频分析并进行对比(图 7、8)，可以看到随着震中距的增加，高频成分衰减，主频频带变窄。综合2.1节的首台和2.2节的近场分析可以发现，实验记录到的大容量气枪震源信号具有丰富的低频成分，垂直穿透深，水平传播远，经过叠加后台站可以接收到明显的信号。主脉冲频带很宽，幅值衰减很快，近场、远场台站接收不到主脉冲信号。气泡脉冲主频为5Hz，幅值衰减慢，能够被近场、远场台站接收到，主频频带随传播距离的增加而变窄。

3 固定点激发信号检测与分析 3.1 固定激发点信号检测

此次实验完成20个固定激发点的作业，由于实验计划和现场作业条件的不同，故每个激发点的激发次数各异(表 1)，对各个固定激发点流动台站和固定台站接收的所有地震信号进行去直流分量、基线校正、去除仪器响应等预处理后线性叠加(图 9)，参考之前的时频分析，将叠加后的记录做3~8Hz的带通滤波。

对叠加后的信号进行P震相的连续追踪识别，可清晰地追踪到P震相作为信号传播的距离。D14激发点因仅激发了45次，叠加次数较少，因而信号传播距离较近，为180km；其它固定激发点信号传播距离至少为200km，其中3个固定激发点的传播距离最远，达到260km(表 2)。

3.2 固定激发点信号分析

因长江河道环境复杂，实验中气枪震源信号会受许多环境因素的影响，所以除水深、激发时间等明确以外，本次实验的其它环境因素较难获取。鉴于此，我们对D01~D20固定激发点信号线性叠加100次后再进行检测(图 10)，以探索水深、激发时间等对信号传播距离的影响。由于工况安排的原因，D07、D14号激发点激发不足100次。因此，我们仅对18个激发点的流动台站和固定台站的地震记录线性叠加后进行检测，统计能够连续追踪P波震相的距离(表 3)。

18个固定激发点中D01传播距离最近，为140km，有3个激发点能够传播到250km处。除D01激发点水深不到20m、D08水深接近40m以外，其他大部分激发点的水深都为30m左右(图 10)，故难以对水深与传播距离间的关系作全面的分析。但是D01激发点的传播距离明显小于其它激发点，据此推断，激发点位置太浅可能会影响气泡波的发育，使得气泡脉冲能量较弱，因此，激发点位置较深可能有助于气枪信号的传播。而关于水深与气枪信号传播距离间的关系，有待于通过在同一个激发点进行不同深度激发进行比较后作进一步的研究。

对比此次实验不同时段的激发记录可以发现(表 3)，夜晚时段P波可以连续追踪的距离明显大于白天。这是由于人类的各种活动会对接收点的环境背景噪声产生影响，远距离传播的微弱气枪信号会被淹没在接收点较高的背景噪声中，一般而言，大部分接收台站白天环境背景噪声较高，夜晚背景噪声较低，因此，夜晚激发的气枪信号应该比白天传播得更远。

4 总结

通过上述的时频分析和信号检测发现，地学长江计划安徽段实验大容量气枪震源激发的信号频率丰富，近岸首台可以接收到清晰的压力脉冲和气泡脉冲经水面、水底及浅层介质综合影响而产生的子波以及子波沿自由表面产生的面波，气枪信号垂直穿透深，水平传播远，经过叠加后台站可以接收到明显的信号。信号主脉冲频带很宽，幅值衰减很快，震中距20km的近场台站未接收主脉冲信号；气泡脉冲主频为5Hz，幅值衰减慢，能够被近场、远场台站接收到，主频频带随传播距离的增加而变窄。

此次实验共完成20个固定激发点的作业，对信号传播距离进行初步检测后发现，有1个激发点信号传播距离最短，为180km；有3个激发点传播距离最长，达到260km。在总的作业时间和资源有限的情况下，对白天作业的固定激发点相对夜晚作业的固定激发点尽可能多地安排激发次数，以期通过较多次的叠加提高信噪比。

固定激发点的信号在线性叠加100次以后，P波震相最近传播140km，最远传播250km。初步分析认为，若激发点太浅，则气泡不发育，气泡脉冲较弱，不利于气枪信号的传播。受接收台站背景噪声的影响，夜晚激发的地震信号的传播距离更远，震相更清晰。