斷裂帶對(duì)氣槍震源信號(hào)傳播路徑及波速變化規(guī)律的影響

葉泵 陳佳 楊建文 霍遠(yuǎn)航 王軍 李孝賓

1)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，地球物理和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

2)云南省地震局滇西地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)辦公室，云南大理 671000

0 引言

利用重復(fù)地震研究地殼介質(zhì)變化一直是地球科學(xué)中一種重要的方法，此前的難點(diǎn)在于很難獲得一種廉價(jià)、高精度的重復(fù)震源，近年興起的氣槍主動(dòng)源則較好地解決了該問題。根據(jù)前人的研究，近點(diǎn)臺(tái)站記錄的氣槍震源事件相關(guān)系數(shù)在0.985以上，此外，氣槍震源還具有綠色環(huán)保、實(shí)驗(yàn)成本低、波形傳播范圍廣等優(yōu)點(diǎn)(楊微等，2013； 王彬等，2016； 周青云等，2018a)。因此，利用氣槍震源制造高重復(fù)性的信號(hào)，可以計(jì)算出穿過源與接收臺(tái)間區(qū)域的地震波的高精度速度變化，進(jìn)而利用波速變化來衡量地殼介質(zhì)的變化(徐薈等，2015)，進(jìn)行地震預(yù)測(cè)，這一思路在近年的研究中得到廣泛應(yīng)用。

通常測(cè)量得到的波速變化是多種因素造成的。氣槍震源是一個(gè)高壓氣體爆炸的過程，由于氣槍的懸掛方式、氣槍氣體出口朝向、槍陣組合形狀、槍陣所在的水底地形起伏、槍陣所在的水體形狀及處于的水下深度等環(huán)境因素的變化，使得每次激發(fā)均有一定程度的差異； 接收臺(tái)站射線傳播經(jīng)過區(qū)域的溫度、降雨、固體潮、應(yīng)力等變化也會(huì)將擾動(dòng)帶入測(cè)量中(周青云等，2018a)； 此外，震相射線經(jīng)過的區(qū)域介質(zhì)各向異性使得相鄰臺(tái)站的震相射線路徑并不一致，會(huì)影響氣槍信號(hào)的震相形狀及到時(shí)，從而使得波速變化更為復(fù)雜。因此，即使觀測(cè)到大震前后的波速變化異常，也難以確定該異常是否為孕震過程中介質(zhì)變化引起的，這在利用主動(dòng)源測(cè)得的2015年11月23日祁連5.2級(jí)、2016年1月21日門源6.4級(jí)地震前后的波速變化中得到了證明(張?jiān)龋?017)。

利用主動(dòng)源測(cè)量的波速變化找出地震前兆異常并進(jìn)行地震預(yù)測(cè)時(shí)，需先對(duì)波速變化的干擾因素進(jìn)行排除。從理論上分析，利用氣槍震源測(cè)量的波速變化主要包括4類可能的因素，即氣槍震源測(cè)量系統(tǒng)的微小變化、區(qū)域地表環(huán)境變化、淺地表介質(zhì)各向異性和區(qū)域介質(zhì)變化，其中區(qū)域介質(zhì)變化是最重要的因素，因?yàn)榈卣鸬脑杏^程與區(qū)域介質(zhì)變化密切相關(guān)(Crampin et al，2004)。前人對(duì)氣槍測(cè)速受區(qū)域環(huán)境的影響進(jìn)行了深入研究(向涯等，2020)，且氣槍源系統(tǒng)的變化對(duì)波速變化的影響較小(周青云等，2018b)，區(qū)域環(huán)境變化是不可控的，但在做預(yù)測(cè)分析時(shí)，可以先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，以避開區(qū)域環(huán)境變化的影響，從而解決上述問題。因此，本文主要分析不同方位、時(shí)間、地點(diǎn)的臺(tái)站波速變化測(cè)量結(jié)果，進(jìn)而研究小區(qū)域淺地表各向異性對(duì)氣槍震源波速變化的影響，并對(duì)相關(guān)影響原因進(jìn)行解釋。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 賓川氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)

賓川氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)于2011年建成，該臺(tái)位于云南省賓川縣城以西的大銀甸水庫(kù)區(qū)(圖1)。氣槍源系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、氣瓶組、配氣臺(tái)、4支容量為2000 in3的Bolt Longlife型氣槍、浮臺(tái)等，該系統(tǒng)主要利用電力轉(zhuǎn)化為震源信號(hào)，通過調(diào)整氣槍內(nèi)的氣體壓力、氣槍在水下的沉放深度等手段控制信號(hào)的一致性； 氣槍信號(hào)觀測(cè)系統(tǒng)由40個(gè)Reftek 130B數(shù)據(jù)采集器和Guralp CMG-40T短周期地震儀組成，頻帶響應(yīng)范圍為2s～100Hz。觀測(cè)系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)為連續(xù)波形，采樣率為100Hz(楊微等，2013； 王彬等，2016)。賓川氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)多年來運(yùn)行平穩(wěn)，積累了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 臺(tái)站、大銀甸水庫(kù)及云南賓川地區(qū)斷裂分布

1.2 賓川盆地

賓川盆地位于紅河斷裂帶與程海斷裂帶之間，該地區(qū)地震活動(dòng)頻繁，2010年以來多次發(fā)生M3.0以上地震，是理想的天然地震實(shí)驗(yàn)場(chǎng)。長(zhǎng)期以來，前人在該地區(qū)開展了大量的研究工作(陳思文等，2016； 孫楠等，2021)，進(jìn)行了較為深入的地質(zhì)、地震等地震孕育背景研究，為進(jìn)一步深入研究該地區(qū)的孕震機(jī)理提供了良好的條件，吸引了多學(xué)科的觀測(cè)項(xiàng)目在此展開，賓川主動(dòng)源項(xiàng)目便是其中之一。

1.3 氣槍震源實(shí)驗(yàn)

由于孕震過程中地下介質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，因此，通過監(jiān)測(cè)介質(zhì)的變化來預(yù)測(cè)地震是一種可行的思路。氣槍震源成本較其他主動(dòng)震源(如炸藥震源等)低很多，其為連續(xù)觀測(cè)賓川地區(qū)地下介質(zhì)提供了一種可行方法。除每年5月至9月水庫(kù)枯水期外，氣槍震源每3天激發(fā)數(shù)十次，以監(jiān)測(cè)賓川及鄰近地區(qū)的介質(zhì)變化。為保證信號(hào)的一致性和傳播距離要求，以及系統(tǒng)設(shè)備的保養(yǎng)需求，規(guī)定常規(guī)激發(fā)壓力為15MPa，4支氣槍呈正方形分布，首尾相連，氣槍距水面為10m。截至2020年，氣槍震源共激發(fā)10000余次。

2 資料選取及處理

2.1 數(shù)據(jù)的選取

氣槍震源主要在海上進(jìn)行應(yīng)用，在陸地上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是一種新的嘗試。在開展陸地實(shí)驗(yàn)以來，完成了多次新技術(shù)新方法的探索實(shí)驗(yàn)，積累了大量數(shù)據(jù)。本文對(duì)穩(wěn)定的臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，考慮計(jì)算要求，選擇大銀甸水庫(kù)水位穩(wěn)定、當(dāng)?shù)貧鉁貧鈮鹤兓^小時(shí)段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終選取了2015年12月、2019年4月氣槍連續(xù)激發(fā)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)整理時(shí)，去除授時(shí)有故障及背景噪聲干擾較大的臺(tái)站數(shù)據(jù)。為了保證檢測(cè)震相清晰穩(wěn)定可靠，進(jìn)一步選擇了激發(fā)場(chǎng)地為中心、20km以內(nèi)的15個(gè)臺(tái)站(圖1)。

2.2 計(jì)算原理

由于天然地震的發(fā)生有很大的不確定性，測(cè)量波速變化存在一些問題，如測(cè)量區(qū)域位置、測(cè)量精度等。近年來，利用重復(fù)性人工震源來測(cè)量波速變化成為了可能，其中以圣安德烈斯斷層深部探測(cè)計(jì)劃中的測(cè)量最為著名(鈕鳳林等，2009)。氣槍震源激發(fā)環(huán)境復(fù)雜，得到的震相也較為復(fù)雜，計(jì)算波速變化時(shí)，一般采用的是一種基于互相關(guān)的測(cè)量技術(shù)，即測(cè)量某一震相在多次經(jīng)過固定路徑的延遲時(shí)間，通過插值擬合，測(cè)量精度可以高于采樣精度(王寶善等，2011)，其原理如下。

對(duì)于同一個(gè)地點(diǎn)2次重復(fù)的主動(dòng)源激發(fā)信號(hào)，其波形信息相關(guān)函數(shù)表示為

(1)

(2)

其中，Rxy(τ)、Ryx(τ)表示2次主動(dòng)源激發(fā)信號(hào)的功率，2個(gè)實(shí)數(shù)x(t)和y(t)表示2次主動(dòng)源激發(fā)信號(hào)的波形，x*(t-τ)、y*(t-τ)為2次主動(dòng)源激發(fā)信號(hào)的時(shí)間函數(shù)。地震波形記錄往往是功率有限信號(hào)，他們之間相差1個(gè)時(shí)延τs，于是有

(3)

對(duì)于同一臺(tái)站2次接收到的氣槍主動(dòng)源信號(hào)，實(shí)數(shù)x(t)和y(t)所代表的波形高度相似，只是時(shí)間上存在延遲。即當(dāng)相關(guān)系數(shù)取得最大值時(shí)，對(duì)應(yīng)的τs即為2個(gè)信號(hào)的時(shí)延。x(t)和y(t)的相關(guān)系數(shù)可以定義為

(4)

在分析時(shí)，選取某一次實(shí)驗(yàn)信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)值，其余激發(fā)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的時(shí)延，即表示這2次激發(fā)事件中的相對(duì)走時(shí)差，對(duì)于同一震相而言，從源至臺(tái)的過程中路徑是固定的，走時(shí)差與波速變化呈負(fù)相關(guān)，下文中均以時(shí)延變化表示波速的相對(duì)變化。

3 淺地表各向異性對(duì)波速變化的影響

利用氣槍震源監(jiān)測(cè)地下介質(zhì)的波速變化并進(jìn)行地震預(yù)測(cè)時(shí)，一個(gè)難以解釋的現(xiàn)象是相鄰的臺(tái)站測(cè)量的波速變化趨勢(shì)并不一致(陳佳等，2017)。單個(gè)臺(tái)站測(cè)量的波速變化反映的是該臺(tái)站震相射線經(jīng)過區(qū)域的介質(zhì)變化，而孕震過程中介質(zhì)變化在空間上是不均勻的，因此，判斷一個(gè)波速變化異常是否為地震的前兆是一個(gè)難題。通過對(duì)相鄰臺(tái)站測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，找出淺地表各向異性對(duì)波速變化干擾的規(guī)律，可為前兆分析提供參考。

3.1 同臺(tái)數(shù)據(jù)的波速變化測(cè)量

2019年4月25日19時(shí)至2019年4月29日11時(shí)，對(duì)氣槍主動(dòng)源進(jìn)行了為期5天的實(shí)驗(yàn)，在此期間，氣槍主動(dòng)源以每小時(shí)1次的頻率進(jìn)行激發(fā)，共連續(xù)激發(fā)了88次。距氣槍震源4.6km處的CFT臺(tái)站擺放的2組地震儀記錄了這些事件，其中一組為Reftek-130B數(shù)據(jù)采集器配Guralp- 40T短周期地震儀，頻帶范圍2s～100Hz； 另一組地震儀采用的是北京港震公司的EDAS-24GN數(shù)據(jù)采集器和BBVS- 60寬頻帶地震儀，頻帶范圍60s～50Hz，記錄的事件波形見圖2。

從數(shù)據(jù)庫(kù)截取2組事件數(shù)據(jù)后，進(jìn)行去均值、去傾、濾波，采用上述計(jì)算原理，計(jì)算這一段時(shí)間內(nèi)波速變化，選取振幅最大且最清晰的震相(圖2 中填充紅色部分)作為窗口，窗口的到時(shí)為2.1～2.5s。2組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)模板為分組疊加后取平均值，計(jì)算結(jié)果如圖3。

圖2 同臺(tái)不同地震儀記錄的事件波形

圖3 同臺(tái)不同儀器記錄數(shù)據(jù)測(cè)量的波速變化

由圖3 可見，2組數(shù)據(jù)計(jì)算的波速變化的絕對(duì)值略有差異，在4月25日22時(shí)相差最大，但其波速相對(duì)變化趨勢(shì)完全一致，說明本文計(jì)算方法可靠。若處理方法合適，短周期與寬頻帶地震儀記錄的數(shù)據(jù)，其測(cè)量的波速變化趨勢(shì)完全一致。此外，若射線經(jīng)過的路徑完全一致，波速變化也是一致的。

3.2 相同震中距臺(tái)站測(cè)量的波速變化

2015年12月14日氣槍主動(dòng)源進(jìn)行了連續(xù)激發(fā)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，保持氣槍壓力等震源系統(tǒng)參數(shù)不變，且當(dāng)?shù)責(zé)o降雨、降溫等現(xiàn)象，氣壓變化較小。選取震中距相近4個(gè)臺(tái)站(53260、53262、53265、53273)記錄的事件進(jìn)行分析，4個(gè)臺(tái)站的具體位置如表1 所示。實(shí)驗(yàn)期間，氣槍主動(dòng)源每小時(shí)激發(fā)1次，共制造24個(gè)事件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查后，將每個(gè)臺(tái)站記錄的24個(gè)事件疊加后取平均，得到模板事件，然后計(jì)算每個(gè)臺(tái)站的其他事件對(duì)模板事件的到時(shí)延遲，其結(jié)果見圖4。

表1 源及臺(tái)站位置的相關(guān)參數(shù)

圖4 相同震中距臺(tái)站測(cè)量的波速變化

由圖4 可見，由于時(shí)間較短、地表環(huán)境變化較小及震源系統(tǒng)較穩(wěn)定，小區(qū)域震中距相似的臺(tái)站所測(cè)量的區(qū)域介質(zhì)速度變化絕對(duì)值有極大的不同，但其變化趨勢(shì)一致。由于震源所在的水庫(kù)是不規(guī)則的，53260臺(tái)射線經(jīng)過的水體路徑較大(圖1)，而計(jì)算結(jié)果中無明顯反映。53265臺(tái)在9時(shí)和11時(shí)測(cè)量的相對(duì)波速變化結(jié)果與其他三臺(tái)完全相反，在進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)2次事件中53265臺(tái)在該段時(shí)間無較強(qiáng)的背景噪聲干擾，推測(cè)53265臺(tái)的2次測(cè)量結(jié)果可能與其位于程海斷裂帶附近有關(guān)。為了驗(yàn)證程海斷裂對(duì)信號(hào)傳播的影響，對(duì)比了震中距幾乎相同的三臺(tái)記錄的氣槍信號(hào)首個(gè)波峰到達(dá)時(shí)間(圖5)，位于程海斷裂附近的53265臺(tái)首個(gè)波峰到達(dá)時(shí)間較53260、53262臺(tái)早，而如果忽略測(cè)量誤差，53265臺(tái)震中距比53262臺(tái)大，這種情況的發(fā)生極有可能是程海斷裂影響了53265臺(tái)射線傳播路徑，首個(gè)波峰極有可能是從震源傳至最近的程海斷裂，然后通過斷裂到達(dá)53265臺(tái)，而不在斷裂附近的臺(tái)站則未受到上述影響。然而，最新研究表明程海斷裂由地表至1.5km存在一個(gè)低速區(qū)，該低速度寬度達(dá)3.4km，其S波的波速相較于異常區(qū)外低40%～60%(Yang et al，2020)，如果這一研究結(jié)果可靠，53260臺(tái)未出現(xiàn)53265臺(tái)的上述現(xiàn)象，可能是由于53260臺(tái)離程海斷裂較53265臺(tái)遠(yuǎn)，導(dǎo)致其首個(gè)波峰穿越了整個(gè)低速區(qū)。由此可見，小區(qū)域內(nèi)震中距相同的臺(tái)站，如無其他干擾，其測(cè)量得到的波速變化應(yīng)當(dāng)一致。

圖5 相同震中距首個(gè)波峰到達(dá)時(shí)間差異

3.3 相鄰臺(tái)站測(cè)量的波速變化

2019年4月25日至29日氣槍震源連續(xù)激發(fā)88次，對(duì)氣槍震源所在水庫(kù)水位、當(dāng)?shù)貧鉁?、氣壓及降雨等進(jìn)行分析，從而排除區(qū)域環(huán)境變化對(duì)波速變化測(cè)量的干擾，波速變化測(cè)量結(jié)果如圖6 所示。

圖6 相鄰臺(tái)站測(cè)量的波速變化

其中，臺(tái)站R10、烏哨、R8相鄰，臺(tái)間距直線距離小于200m(表1、圖1)。在本次實(shí)驗(yàn)中，去除測(cè)量結(jié)果的長(zhǎng)基線變化趨勢(shì)，烏哨臺(tái)與鄰近R8、R10臺(tái)的測(cè)量結(jié)果變化趨勢(shì)相反，由表1 可知，這3個(gè)臺(tái)站的高程相差不超過60m，考慮到GPS垂直向定位的誤差，可以排除臺(tái)站高程的影響。如果將鄰近臺(tái)站的范圍放大，加入R13、R4、R1臺(tái)一起分析，可以發(fā)現(xiàn)烏哨臺(tái)測(cè)量的波速變化趨勢(shì)與R1、R4臺(tái)類似，而R13臺(tái)測(cè)量的波速變化趨勢(shì)類似R8、R10臺(tái)。從震中距來看，這2組分類并不與震中距完全相關(guān)，這種現(xiàn)象可能與地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均勻性和各向異性有關(guān)。

因此，相鄰臺(tái)站所計(jì)算的波速變化并不能視為該區(qū)域的介質(zhì)波速變化。在小區(qū)域波速變化分析中，尤其是在接收臺(tái)站高程相差較大的情況下，盡管處于同一片小區(qū)域，仍應(yīng)考慮臺(tái)站的氣槍信號(hào)傳入路徑，故其測(cè)量的波速變化并不能視為該區(qū)域大部分介質(zhì)的變化。

3.4 線性排列的臺(tái)站波速變化

2015年12月1日至19日水庫(kù)水位穩(wěn)定、震源所在區(qū)域環(huán)境變化較小，期間進(jìn)行了連續(xù)535次氣槍激發(fā)實(shí)驗(yàn)，每次氣槍激發(fā)間隔1h。選取了4個(gè)與源記錄臺(tái)近似為一條直線的臺(tái)站(53268、53262、53277、53263)作為分析對(duì)象，震中距由大到小依次為53277臺(tái)、53262臺(tái)、53268臺(tái)、53263臺(tái)，其中53268臺(tái)在斷層?xùn)|側(cè)，其余三臺(tái)在斷層西側(cè)，測(cè)量的波速變化如圖7 所示。

圖7 線性排列的臺(tái)站波速變化

由圖7 可見，53277臺(tái)測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)明顯的日變化，其可能為固體潮的作用(趙雯佳等，2013)，而對(duì)于震中距較遠(yuǎn)的3個(gè)臺(tái)站，固體潮對(duì)波速變化的影響逐漸消失。研究表明，淺層地殼中測(cè)量得到的波速變化與大氣壓及空氣溫度強(qiáng)相關(guān)，因而震中距越大，固體潮的影響應(yīng)該越明顯(Wang et al，2020)，該結(jié)論與本文的計(jì)算結(jié)果并不相符，可能與該地區(qū)復(fù)雜的地殼結(jié)構(gòu)有關(guān)。根據(jù)前人研究(翟秋實(shí)，2017)，氣槍信號(hào)在傳播過程中，由于受到地殼不均勻性的影響，其傳播方向有可能與直線傳播存在90°偏轉(zhuǎn)角。氣槍信號(hào)在傳播至53262、53268臺(tái)的過程中，有可能先抵達(dá)程海斷裂帶再傳播至臺(tái)站，其與直線傳播的部分在到達(dá)臺(tái)站時(shí)重合，導(dǎo)致接收到的P波成分復(fù)雜，從而干擾了波速測(cè)量結(jié)果。這可能是震中距最近的53227臺(tái)日變化清晰、最遠(yuǎn)的53263臺(tái)日變化不清晰但相對(duì)明顯、53262臺(tái)與53268臺(tái)日變化極不明顯但變化趨勢(shì)相似的原因。12月5日波速變化的測(cè)量出現(xiàn)較大的異常，53268、53262、52377臺(tái)較為明顯，而53263臺(tái)無明顯響應(yīng)，這可能與該臺(tái)震中距較大、信噪比較低有關(guān)。但53268、53262臺(tái)的異常與53277臺(tái)的異常相反，一種可能的解釋是53277臺(tái)測(cè)出的異常與另外兩臺(tái)并非同一個(gè)，53277臺(tái)震中距僅0.72km，并不足以造成該異常的出現(xiàn)。

4 討論與結(jié)論

本文討論了地表及地殼淺部介質(zhì)的各向異性對(duì)于使用氣槍震源測(cè)量的波速變化的影響。首先，采用同臺(tái)不同頻帶地震儀記錄的數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行檢驗(yàn)，在確認(rèn)計(jì)算方法可靠之后，選取2015年12月、2019年4月等多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)氣槍激發(fā)信號(hào)去均值、去趨勢(shì)、濾波并剔除質(zhì)量差、時(shí)間服務(wù)有誤的波形，利用參考臺(tái)作反卷積消除震源影響，采用互相關(guān)干涉法得到多臺(tái)的高精度走時(shí)變化。對(duì)各臺(tái)高精度走時(shí)變化進(jìn)行分組對(duì)照分析，得到以下認(rèn)識(shí)：

(1)水庫(kù)的形狀對(duì)近臺(tái)測(cè)量的短期波速變化表現(xiàn)出較小的影響。

(2)斷裂帶對(duì)于地震波傳播有明顯的干擾，相鄰臺(tái)站因斷裂干擾而導(dǎo)致射線的路徑不同，測(cè)量的波速變化趨勢(shì)受到了較大影響。

(3)高程的不同可能導(dǎo)致相鄰臺(tái)站的射線路徑不一致，但其對(duì)測(cè)量的波速變化影響較小。