利用大容量氣槍震源資料研究北天山地區(qū)介質(zhì)衰減特征*

蘇金波，王寶善，王海濤，王　瓊，冀戰(zhàn)波1，

(1.中國(guó)地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；2.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011；

3.中國(guó)地震局地震觀測(cè)與地球物理成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

利用大容量氣槍震源資料研究北天山地區(qū)介質(zhì)衰減特征*

蘇金波1，2，王寶善3，王海濤2，王瓊2，冀戰(zhàn)波1，3

(1.中國(guó)地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；2.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011；

3.中國(guó)地震局地震觀測(cè)與地球物理成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

摘要：利用人工震源(大容量氣槍)數(shù)據(jù)資料對(duì)北天山地區(qū)的氣槍信號(hào)振幅隨距離衰減關(guān)系和介質(zhì)的衰減特征進(jìn)行了研究。選取北天山地區(qū)新疆?dāng)?shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的8個(gè)固定臺(tái)站記錄到的氣槍震源信號(hào)，計(jì)算氣槍主頻2～6 Hz之間的疊加后信號(hào)的振幅譜值的均方根，用均方根值代表氣槍信號(hào)傳播到該臺(tái)站處的振幅值，并對(duì)得到的均方根值進(jìn)行擬合，得出當(dāng)頻率為3.8 Hz時(shí)研究區(qū)域P波和S波品質(zhì)因子分別為QP=(464±70)，QS=(653±46)。用同樣方法計(jì)算氣槍震源附近發(fā)生的一個(gè)天然地震的信號(hào)，得出當(dāng)頻率為4.2 Hz時(shí)QP=(226±40)，QS=(484±34)。以上測(cè)量結(jié)果與前人利用不同范圍天然地震得到的結(jié)果類似，表明人工震源資料可以用于介質(zhì)衰減特征研究，相關(guān)研究為長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)地球介質(zhì)衰減特征隨時(shí)間變化提供了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：人工震源；北天山地區(qū)；振幅衰減；Q值

0引言

地震波在地球介質(zhì)中的衰減攜帶著地震震源性質(zhì)和地球深部構(gòu)造的物理信息(林懷存，李永紅，2001)。研究地震波在地球介質(zhì)中的衰減可以為研究地球內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、物理化學(xué)狀態(tài)等提供十分重要的依據(jù)，其結(jié)果可用于能源勘探、地震預(yù)報(bào)等方面。因此，對(duì)地震波衰減的研究一直受到地球物理工作者的高度重視(劉建華等，2004)。

地震的發(fā)生往往伴隨著地球介質(zhì)內(nèi)部應(yīng)力的積累和釋放，我們可以根據(jù)監(jiān)測(cè)地下介質(zhì)應(yīng)力的變化對(duì)地震孕育和發(fā)生進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。目前，被普遍認(rèn)可的方法是利用地震波測(cè)量地下介質(zhì)的波速隨時(shí)間的變化(如Niuetal.，2008)。但是，實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果表明，同地震波速相比，衰減對(duì)巖石物理狀態(tài)變化的反應(yīng)更為靈敏，我們可以通過(guò)監(jiān)測(cè)地震波在地下介質(zhì)中的衰減來(lái)對(duì)地震的孕育和發(fā)生進(jìn)行監(jiān)測(cè)和研究(劉斌等，1998)。

目前，對(duì)地震波衰減的研究主要局限在天然地震和小尺度的巖石物理實(shí)驗(yàn)，其中利用天然地震波研究地殼Q值的方法主要有單臺(tái)—單源，多臺(tái)—單源，多臺(tái)—多源等方法，利用的地震波資料包括自由震蕩、面波、體波、Lg波、尾波、地震烈度資料等(趙翠萍等，2004；周連慶等，2008)。利用地震等天然震源對(duì)地下介質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)受到震源時(shí)空分布不均勻的限制(王寶善等，2011)。利用人工震源對(duì)地球介質(zhì)Q值的研究較少，主要是因?yàn)橐话愕娜斯ふ鹪茨芰啃　㈩l率高，傳播距離短(徐薈等，2015)，無(wú)法對(duì)較大尺度的區(qū)域進(jìn)行Q值的研究。

最近發(fā)展起來(lái)的陸地水庫(kù)大容量氣槍震源具有頻率低，重復(fù)性好，信號(hào)傳播距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是進(jìn)行地下介質(zhì)連續(xù)監(jiān)測(cè)的理想震源(陳颙等，2007；Wangetal.，2012；羅桂純等，2007；楊微等，2013；王彬等，2015)。本文通過(guò)分析大容量氣槍震源激發(fā)的信號(hào)研究北天山地區(qū)介質(zhì)的衰減特性，以期為該地區(qū)的物性特征及其演化研究提供重要信息。

1試驗(yàn)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)

為連續(xù)監(jiān)測(cè)北天山地區(qū)地下介質(zhì)變化，2013年5月建成了一個(gè)以大容量氣槍為核心的“新疆主動(dòng)震源野外科學(xué)觀測(cè)研究站”，這是我國(guó)第一座人工水體的大容量氣槍發(fā)射臺(tái)站。氣槍發(fā)射臺(tái)定址于烏魯木齊西北約80 km、北天山北麓的呼圖壁縣境內(nèi)的古河灘荒地，激發(fā)池為上直徑100 m、下直徑20 m、深度18 m的圓臺(tái)形人工水體。發(fā)射臺(tái)配備6條單槍容量為2 000 in3的 Bolt 1500LL型氣槍。

圖1　氣槍震源位置及周邊臺(tái)站分布

新疆呼圖壁氣槍震源在2013年6～12月共進(jìn)行600次有效激發(fā)，激發(fā)的地震波信號(hào)被新疆?dāng)?shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄。激發(fā)期間氣槍沉放深度為10 m，工作壓力為15 MPa，6條槍同時(shí)一次激發(fā)釋放的能量與一次ML0.9天然地震釋放的能量相當(dāng)(楊微等，2013)。由于氣槍震源的重復(fù)性極高，可以對(duì)同一臺(tái)站接收到的不同次激發(fā)的氣槍信號(hào)進(jìn)行疊加來(lái)提高信噪比(王寶善等，2013)。圖2顯示600次激發(fā)信號(hào)的疊加結(jié)果，帶通濾波范圍2～6 Hz，圖中，紅色部分信號(hào)波形為北天山地區(qū)8個(gè)固定臺(tái)站記錄到的氣槍震源信號(hào)。從圖中可以看出最遠(yuǎn)的固定地震臺(tái)(380 km)依然可以記錄到很強(qiáng)的氣槍信號(hào)，且該地區(qū)P波和S波的平均視速度分別為6 km/s和3.5 km/s。

圖2　固定臺(tái)站記錄到的氣槍激發(fā)的

2氣槍信號(hào)衰減

為了研究氣槍信號(hào)在北天山地區(qū)振幅與傳播距離衰減關(guān)系，筆者對(duì)該地區(qū)新疆?dāng)?shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的固定臺(tái)站接收到的氣槍信號(hào)進(jìn)行疊加，并對(duì)疊加后信號(hào)的信噪比進(jìn)行篩選，最終選取了沿著北天山分布的8個(gè)信噪比較高的固定臺(tái)站的波形數(shù)據(jù)(圖1)。選取臺(tái)站都是基巖地基，采用速度記錄觀測(cè)所使用的EDAS-24型數(shù)字采集器，地震計(jì)為BBVS-60型。系統(tǒng)頻響特性在0.1～20 Hz之間，速度響應(yīng)基本平坦，采樣率為100 Hz。

首先，對(duì)選取的8個(gè)臺(tái)站記錄到的氣槍信號(hào)進(jìn)行了600次疊加，提高信噪比。通過(guò)疊加，氣槍信號(hào)可以被比較清楚地識(shí)別出來(lái)(圖2紅色部分)。然后去除地震信號(hào)中的儀器響應(yīng)，把地震儀記錄到的信號(hào)還原成代表地表運(yùn)動(dòng)速度的信息。為了更加清楚地觀察到氣槍信號(hào)，對(duì)疊加后信號(hào)進(jìn)行了一次1～20 Hz的寬頻帶濾波，去除高頻噪聲的影響，手動(dòng)拾取了P波和S波到時(shí)。

對(duì)于濾波后的波形，我們分別截取了P波到時(shí)前2 s和后8 s進(jìn)行深入分析。對(duì)于截取波形(圖3a)進(jìn)行傅里葉變換，將信號(hào)變換至頻率域中，得到氣槍信號(hào)的頻率—振幅譜(圖3b)。

圖3　固定臺(tái)站記錄到的研究區(qū)域氣槍震源激發(fā)信號(hào)疊加后的P波震相(a)和對(duì)應(yīng)的頻率振幅譜(b)

從圖3b可以看出，氣槍信號(hào)主要頻率集中在2～6 Hz，因此計(jì)算2～6 Hz之間所有譜值的均方根，用這個(gè)均方根值代表P波傳播到該臺(tái)站處時(shí)的振幅值(Yamaokaetal.，2014)，進(jìn)而可以得到氣槍震源激發(fā)的P波信號(hào)振幅隨距離的衰減關(guān)系(圖7)。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，呼圖壁氣槍震源激發(fā)的S波普遍不強(qiáng)，但還是可以從圖上比較清晰的分辨出來(lái)，使用上文同樣的方法，我們對(duì)S波也進(jìn)行了振幅譜的計(jì)算，分別截取了S波到時(shí)前0 s和后20 s進(jìn)行深入分析，結(jié)果如圖4所示。

從圖4b可以發(fā)現(xiàn)，氣槍震源激發(fā)的S波信號(hào)主要頻率依然在2～6 Hz，利用與上文同樣的方法，可以得到氣槍震源激發(fā)的S波信號(hào)振幅隨距離的衰減關(guān)系(圖8)。

2013年8月3日，在距離氣槍震源10 km左右的呼圖壁縣與昌吉市交界處(44.3°N，87.1°E)發(fā)生了一次MS3.0地震，震源深度為8 km(圖1)。我們選取此次地震波形研究計(jì)算介質(zhì)衰減，并與氣槍震源獲得的衰減特征進(jìn)行對(duì)比。圖5、6表明，天然地震信號(hào)的頻譜明顯比氣槍震源寬。為了與氣槍信號(hào)的衰減關(guān)系進(jìn)行對(duì)比，我們同樣計(jì)算出頻率振幅譜上2～6 Hz譜值的均方根，作為地震波傳播到該臺(tái)站時(shí)的振幅值(Yamaokaetal.，2014)，并得到天然地震P波和S波振幅隨距離衰減關(guān)系(圖7、8)。

通過(guò)對(duì)比天然地震和氣槍震源的P波和S波振幅隨距離衰減可以發(fā)現(xiàn)：(1)二者的衰減關(guān)系很類似，大體都呈現(xiàn)指數(shù)衰減；(2)從振幅歸一化后的結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，氣槍信號(hào)的P波和S波振幅隨距離的衰減都要比天然地震慢。

圖4　固定臺(tái)站記錄到的研究區(qū)域氣槍震源激發(fā)信號(hào)疊加后的S波震相(a)和對(duì)應(yīng)的頻率振幅譜(b)

圖5　固定臺(tái)站記錄到的研究區(qū)域天然地震信號(hào)P波震相圖(a)及對(duì)應(yīng)的頻率振幅譜(b)

圖6　固定臺(tái)站記錄到的研究區(qū)域天然地震信號(hào)S波震相(a)和對(duì)應(yīng)的頻率振幅譜(b)

3振幅隨距離衰減模型

地震信號(hào)振幅隨傳播距離的衰減跟很多種因素有關(guān)，除了和介質(zhì)的非完全彈性和不均勻性有關(guān)外，還和地震波的幾何擴(kuò)散有關(guān)。根據(jù)Richards和Aki(1980)對(duì)地震波衰減的研究，體波隨距離衰減的關(guān)系為

(1)

由于計(jì)算體波傳播至特定臺(tái)站引起的振幅值時(shí)(式(1)A值)，是用2～6Hz之間振幅譜值的均方根來(lái)代表的，所以這個(gè)振幅值對(duì)應(yīng)的頻率是一個(gè)中間頻率，可以利用加權(quán)平均的方法來(lái)得出這個(gè)振幅值對(duì)應(yīng)的頻率，以振幅譜值作為權(quán)重，對(duì)頻率進(jìn)行加權(quán)平均：

(2)

得出氣槍震源和天然地震的體波傳播至特定臺(tái)站引起的振幅值對(duì)應(yīng)的加權(quán)平均頻率分別為3.8 Hz和4.2 Hz。

圖7　氣槍震源與天然地震P波信號(hào)歸一化振幅衰減

圖8　氣槍震源與天然地震S波信號(hào)歸一化振幅衰減

用同樣的方法，根據(jù)式(1)，可以直接對(duì)圖8中的天然地震和氣槍震源S波信號(hào)的歸一化振幅隨傳播距離衰減關(guān)系進(jìn)行擬合，得到氣槍震源和天然地震擬合出的QS分別為(653±46)和(484±34)。

4討論與結(jié)論

姜慧等(2007)利用中小地震的觀測(cè)資料反演的北天山地區(qū)QS=278f0.346，這里取f=3.8Hz和f=4.2Hz，得到對(duì)應(yīng)的QS值分別為441和457，這個(gè)結(jié)果和本文得到的利用天然地震擬合的QS值比較一致，說(shuō)明本文提到的方法在該地區(qū)的Q值擬合的運(yùn)算中是可行的。

從上文得出的結(jié)論我們可以發(fā)現(xiàn)：(1)無(wú)論是氣槍震源還是天然地震，相同頻率P波振幅的衰減都要比S波的快；(2)相同頻率的氣槍震源擬合得出的QP和QS均比天然地震得出的值高，這可能是由于區(qū)域結(jié)構(gòu)(Cappenter，Stanford，1985)和二者震源特性造成的。

影響地震波振幅衰減計(jì)算結(jié)果的因素有很多種，主要有震源處輻射花樣，傳播過(guò)程中的散射、幾何擴(kuò)散、儀器的不穩(wěn)定性，介質(zhì)的橫向和徑向的不均勻性，地球的自傳和橢球率等(付昌洪，1985)。本文在擬合氣槍震源和天然地震體波信號(hào)衰減得出研究區(qū)域品質(zhì)因子時(shí)，考慮到幾何擴(kuò)散和儀器響應(yīng)對(duì)品質(zhì)因子造成的影響。所以造成氣槍震源和天然地震信號(hào)擬合得到的研究區(qū)域品質(zhì)因子存在差別的主要原因，很可能是震源輻射花樣不同造成的。氣槍震源可以看作是一個(gè)比較均勻的膨脹源，而天然地震是一個(gè)位錯(cuò)源，所以二者激發(fā)出來(lái)的體波性質(zhì)會(huì)有一些不同。呼圖壁氣槍震源激發(fā)出來(lái)的S波不強(qiáng)，但P波很強(qiáng)，這與天然地震的震源特性差別較大。

從圖7和圖8我們可以看出氣槍震源激發(fā)的體波在傳播100km以后，振幅出現(xiàn)了一個(gè)增大的現(xiàn)象，這可能是由于氣槍震源是一個(gè)表面源，在傳播至近場(chǎng)臺(tái)站時(shí)，體波射線路徑經(jīng)過(guò)淺表沉積層的部分較多，衰減較大，而傳播至遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)站時(shí)，射線路徑經(jīng)過(guò)淺表沉積層的部分相對(duì)變少，經(jīng)過(guò)深層基巖的部分較多，振幅的衰減可能比一些近場(chǎng)的臺(tái)小，可能造成一些振幅增大的現(xiàn)象。而天然地震有一定震源深度(上文的ML3.0天然地震震源深度為8 km)，體波的射線路徑相比氣槍震源存在著一定差別，從圖上未發(fā)現(xiàn)明顯的振幅變大現(xiàn)象。同時(shí)由于選取波列相對(duì)較長(zhǎng)，不同震中距上可能會(huì)出現(xiàn)不同的震相。以上情況對(duì)我們的擬合結(jié)果均可能造成了一定影響。

想要提高擬合精度，得出更精確的Q值，就必須要求研究區(qū)域有較為密集的臺(tái)站。而本文研究區(qū)域內(nèi)的臺(tái)站相對(duì)稀疏，這對(duì)擬合精度造成了很大的影響。希望以后該區(qū)域的臺(tái)網(wǎng)更加密集，不但有利于進(jìn)行對(duì)地震波衰減的研究，更有利于提高該地區(qū)對(duì)地震的監(jiān)測(cè)能力。

氣槍震源和天然地震一樣，都具有豐富的低頻成分，雖然二者在震源特性上有一些差別，但是，從根據(jù)二者振幅衰減情況擬合出的QP和QS上看，二者的傳播規(guī)律十分相似。所以，我們可以利用氣槍震源來(lái)進(jìn)行一些以前只能靠天然地震作為震源來(lái)研究的內(nèi)容。氣槍震源擁有精確的發(fā)震位置和發(fā)震時(shí)刻，而且環(huán)保高效，利用這些優(yōu)勢(shì)，我們還可以對(duì)一些天然地震研究方法進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)。

新疆維吾爾自治區(qū)地震局監(jiān)測(cè)中心的陳向軍高級(jí)工程師和唐明帥高級(jí)工程師為作者提供數(shù)據(jù)支持，中國(guó)地震局地震觀測(cè)與地球物理成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的王芳博士和胡久鵬博士在論文寫(xiě)作和程序中給了作者很大的幫助，在此一并表示感謝。

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Research on Characteristic of Seismic Attenuation in the Northern

Tianshan Area using Seismic Signal from Airgun Source

SU Jin-bo1，2，WANG Bao-shan3，WANG Hai-tao2，WANG Qiong2，JI Zhan-bo3

(1. Lanzhou Institute of Seismology，CEA，Lanzhou 730000，Gansu，China)

(2. Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011，Xinjiang，China)

(3. Key Laboratory of Seismic Observation and Geophysical Imaging，CEA，Beijing 100081，China)

Abstract

Using the artificial seismic source(airguns) data，we studied the attenuation relation of the amplitude of airguns signal with distance and estimated the attenuation characteristics of the medium in the northern Tianshan area. We chose the airguns signals which were recorded by 8 fixed stations in Xinjiang Digital Seismic Network in the northern Tianshan area，and calculated the RMS(root mean square) of amplitude spectrum of the signal after the stacking of the signals within the frequency 2～6 Hz of airguns. Taking the RMS value as the amplitude which was formed when the airgun signal propagated to each station，we fitted these RMS values with attenuation equation，and obtained that when the frequency is 3.8 Hz，the quality factors of P and S waves areQP=(464±70) andQS=(653±46) in the study area. By using the same method，we also calculated seismic attenuation by using an earthquake signal occurred near the airguns source，and obtained that when the frequency is 4.2 Hz，the quality factors of P and S waves areQP=(226±40) andQS=(484±34). The obtained results are similar to previous studies which were based on earthquake in different area. It shows that artificial seismic source can be used to study on attenuation characteristic of the medium，and the relative study could provide the foundation for monitoring the variation characteristics of geological medium attenuation with time in the long term.

Key words：artificial source；northern Tianshan area；amplitude attenuation；Qvalue

中圖分類號(hào)：P313.22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-0666(2015)04-0598-08

*收稿日期：2015-05-13.基金項(xiàng)目：2015年行業(yè)專項(xiàng)(地震行業(yè)專項(xiàng)20150800)、國(guó)家自然科學(xué)基金——呼圖壁儲(chǔ)氣田充放氣引起地下應(yīng)力變化的地震學(xué)觀測(cè)(41474051)和自治區(qū)科研機(jī)構(gòu)創(chuàng)新發(fā)展專項(xiàng)基金(2013016)聯(lián)合資助.