基金项目:国家自然科学基金资助项目(41474048)、云南省陈颙院士工作站(2014IC007)专项经费、云南省地震局青年基金资助项目(201307)和云南省地震局“传帮带”项目联合资助.
(1.中国地震局滇西地震预报实验场, 云南 大理 671000; 2. 中国地震局地球物理研究所(地震观测与地球 物理成像重点实验室), 北京 100081; 3. 南洋理工大学, 新加坡 639798)
(1.Western Yunnan Earthquake Prediction Study Area, CEA, Dali 671000, Yunnan, China)(2.Seismic Observation and Geophysical Imaging Laboratory, Institute of Geophysics, CEA, Beijing 100081, China)(3.Nanyang Technological University, Singapore 639798)
air gun exciting; seismic signal; excitation efficiency; SNR; signal stacking
备注
基金项目:国家自然科学基金资助项目(41474048)、云南省陈颙院士工作站(2014IC007)专项经费、云南省地震局青年基金资助项目(201307)和云南省地震局“传帮带”项目联合资助.
为研究气枪的激发特性,并为气枪发射台的堪选、建设提供参考依据,在宾川地震信号发射台进行了不同气枪组合的激发试验,并对试验数据进行了分析。结果 表明:(1)单支气枪激发100多次的叠加信号可以被在150 km外的地震台记录到;(2)单支气枪激发与4支气枪同时激发的信号频率基本相同,且衰减基本一致,但4支气枪同时激发信号的均方根振幅约为单支气枪的4倍;(3)当气枪组合激发的信号的信噪比达到10 dB时,相关系数可以达到0.99以上;(4)4支气枪同时激发的激发效率是单支气枪的4倍。从分析结果可看出,宾川地震信号发射台在牺牲一定效率的情况下,单支气枪激发信号可以替代4支气枪组合的激发信号。
In order to study the excitation characteristic of the air gun, and provide the reference for the chosen site and construction of the air gun transmitting seismic station, we take the excitation test of air guns with various combinations at the Binchuan Transmitting Seismic Station(TSS). Analyzing the selected test data,we found the following results:(1)The stacked air gun signals excited by the single gun for more than 100 times can be clearly recorded at the seismic station with an epicentral distance of 150 km.(2)The frequencies of signals excited by single and four air guns are basically same,and their corresponding attenuations are basically similar, however the RMS amplitude of the signal excited by four air guns is about 4 time as much as that of single air gun.(3)When the SNR of signal exited by single gun reaches 10 dB, the correlation coefficient of it could reach above 0.99.(4)The excitation efficiency ratio of signals excited by single gun and four guns is 1:4. The analysis result shows that the signal excited by single gun can be replaced by the combination signal excited by four guns in case of losing some efficiency.
引言
大容量气枪震源具有绿色环保、重复性好、激发能量大、能量转换效率高等优点(陈颙等,2007a,b)。作为一种高效经济的主动震源,近些年一些地球科学家将其从海洋搬到陆地,用于内陆地球深部结构的探测。2006、2007年,在陈颙院士的带领下,在河北遵义上关湖水库进行了2次大容量气枪的激发试验(陈颙等,2007b; 林建民等,2008,2010; Chen et al,2008),用4支容量分别为1 500 in3和4支容量分别为2 000 in3的气枪组进行了试验,试验表明了小水体中大容量气枪依然保持了较好的能量转换效率(Wang et al,2010),单次激发分别在距离为110 km和185 km的台站可以清晰的记录到信号(林建民等,2008,2010; Chen et al,2008),这2次试验不但得出了一些可喜的研究成果,更证明陆地水库大容量气枪进行地下深部结构探测的可行性。
由于气枪激发受到水库水体、形状以及水位等因素的影响,激发产生的信号除了主脉冲、气泡脉冲、气泡震荡和水面虚反射外,还存在很多近源固液界面的反射、折射和绕射等干扰与信号叠加在一起,若水库形状不规则且界面不平滑,气枪信号会变的比较复杂,激发质量也会受到一定影响。由于水库大容量气枪激发的影响因素较多,前人在海洋中进行气枪激发试验得到的理论基础不能完全适用,林建民等(2010)对水库中近场的水听器接收到的气枪信号进行了分析,得出了气枪沉放深度、工作压力等激发条件与近场信号的关系。Chen等(2014)于2011年在宾川地震信号发射台做了类似的试验,不但分析了水中近场OBS水听器的信号,还分析了远场陆地地震仪记录的信号,总结了气枪沉放深度、工作压力、水库水位变化对激发的影响。但他们并未对不同气枪组合的激发效率进行详细研究。
宾川地震信号发射台自2011年开始试验至今,产出了大量的试验数据,得到了很好的试验效果。同时,也发现了一些问题,最突出的是气枪震源的稳定性,水库水位的季节性变化会影响气枪震源的激发稳定性(Chen et al,2014)。其次,要实现“地下云图”的构建需要在一定探测区域尺度内建设多个气枪发射台,让气枪信号多角度的扫描整个探测区域。而在一个较小的区域内勘选多个适合建设气枪发射台的水体较为困难,如果能够精简气枪激发系统,使其具备更好的流动性,能在更小的水体中进行气枪激发,那么这些问题就能得到解决。为此,研究气枪数量与激发效率关系,讨论使用更少数量气枪组合在更小的水体中激发达到现有激发效果具有重要的现实意义。
2013年,在宾川地震信号发射台开展了单支气枪激发(以下简称单枪激发)与4支气枪同时激发(以下简称4枪激发)激发效率的对比研究试验。本文对这些试验数据进行对比分析,讨论气枪源的激发效率与气枪数量的经验关系,为在较小水体中建设气枪发射台提供一些参考依据。
1 试验情况
宾川地震信号发射台处于由红河断裂、剑川—丽江断裂和程海断裂围成的三角形块体内(王彬等,2015)(图1),其激发系统由4支Btolt 1 500LL型气枪组列构成,单支容量2 000 in3,总容量达8 000 in3(图2),震源系统常规激发时由4枪激发; 接收系统由激发台周围150 km范围内分布的40多个流动测震台构成,每个流动测震台都是由Reftek 130B数据采集器和频带范围2 s~100 Hz的短周期Guralp CMG—40T地震计组成(Wang et al,2012)。
图1 宾川地震信号发射台及周边流动台分布情况
Fig.1 Location of Binchuan Transmitting Seismic Stations(TSS)and distribution of flow seismic stations in its surrounding area2 对比分析
2.1 单枪和4枪激发震源信号对比要了解一个震源的特性,需要从“源”入手。水库大容量气枪震源,对于陆地上的地震仪来说,气枪产生的水泡与水库的液、壁相互作用耦合共同构成了一个特殊的震源系统,距离激发浮台水平距离50 m的参考台刚好处于这个震源系统的外沿(图2),本文近似地将参考台接收到的激发信号看作源信号。讨论单枪与4枪激发信号的效率,首先要对比气枪源信号。试验中所计算的振幅如无注明均表示均方根振幅。
在第1组试验中,将参考台记录到的同一支气枪同一天晚上激发的49次信号进行两两相关得到1 176个相关系数,将相关系数作成点图,如图
3所示。从图3a,b中可以看出,1号和3号气枪的激发信号的相关系数都在0.90以上,且集中在0.98。为了与4枪的激发信号进行对比,本文筛选了第2组试验中激发条件比较接近的2天的试验数据进行对比,其中2013年12月19日和26日,4号气枪共激发33次,4枪激发共32次,分别用这2天单枪和4枪激发的参考台信号进行互相关分析,从图3c、d中可以看出,4号气枪和4枪的参考台信号相关性分别在0.90以上和0.96以上。在相关性上,4号枪的激发信号较为离散,这可能因为试验分别在2天进行,激发条件有了细微的变化(水位和浮台位置的变化),而单枪较4枪激发对这些变化更敏感。
第2组试验为在相同激发条件下,对4号枪和
图3 1号(a)、3号(b)、4号(c)气枪激发及4枪(d)激发时参考台信号相关系数分布
Fig.3 Distribution of correlation coefficient of signals recorded by the reference station when the No.1 airgun (a), the No.3 airgun(b),the No.4 airgun(c)excited, and four airguns excited at the same time(d)在第3组试验中,2号气枪激发信号的最大振幅略高于1号和3号气枪,且高频成分更多,初步估计是由2号气枪距离岸边参考台较近所致。1号和3号气枪的激发条件较为相似,且相关系数和振幅也很接近。
图4 单枪激发与4枪激发参考台信号波形(a)及功率谱(b); 4枪(c)、单枪(d)激发
参考台信号时频分析
Fig.4 Waveforms(a)and power spectrums(b)of the signal recorded by reference station when the single airgun excited and four airguns excited at the same time; time frequency analysis of the signal recorded by reference station when four airguns excited at the same time(c)and the single airgun excited(d)2.2 单枪和4枪激发信号信噪比与相关性对比由于信号的衰减,炮检距较远的台站接收到的激发信号振幅已经淹没在背景噪声之中,无法正确的计算信号振幅和信噪比。但相关信号的叠加能够突显信号(Niu et al,2008; Silver et al,2007),气枪激发信号的高重复性(林建民等,2008)为气枪信号的叠加提供了有力支持(王宝善等,2011)。本文将挑选出的台站波形信号叠加,经过数次叠加后,气枪信号被突显出来,如图5所示,将图中深灰色框截选的信号作为气枪信号,并计算其均方根振幅,再取很长的一段没有气枪信号的部分作为背景噪声,并求出噪声振幅,研究地震信号在传播过程中的变化。从图6a可以看出,单枪和4枪激发信号的振幅随着炮检距的增加而降低,且变化趋势基本一致,炮检距小于20 km时衰减剧烈,变化趋势明显,炮检距大于20 km的台站观测到的信号振幅变化趋于平缓。从图6b可以看出,所挑选的台站的背景噪声基本处于0~0.05-7 m/s的稳定区间,此时,台站的信噪比和振幅的变化趋势一致,并且单枪和4枪激发信号的变化趋势也是一致的(图6c); 从图6c、d中可以看出,单枪和4枪激发信号的相关系数在信噪比大于10 dB时变化不大,平均相关系数可达到0.99,当信噪比小于10 dB时,二者相关系数骤减,且稳定性也很差。相关系数随炮检距的增大而降低,主要是由信号随炮检距增大导致的信噪比降低引起的,所以台站接收到信号的相关性主要取决于信号的信噪比。
从图6综合看出,单枪和4枪的激发信号的变化规律基本一致,其区别主要体现在这2种激发方式产生信号的振幅导致信噪比的不同。
2.3 单枪与4枪激发效率的对比信号的振幅代表了信号的能量,频率可以反应出信号的抗衰减能力,相关系数体现了信号的相似程度,信噪比体现了信号的优劣。从以上试验分析中可以看出几种激发方式,信号的频率和
图6 单枪激发与4枪激发信号随距离变化的对比分析
(a)单枪激发与4枪激发信号振幅随距离的变化情况;(b)单枪和4枪激发时段各台站背景噪声振幅; 单枪激发与4
枪激发信号的信噪比(c)和相关系数(d)随距离的变化情况
Fig.6 Comparison analysis of the signal varies with distance when the single airgun and four airguns excited (a)amplitude of signal varies with distance when the single airgun and four airguns excited;(b)amplitude of background noise of each station in the period of single airgun and four airguns excited; singnal noise相关性都基本一致,只有信号的振幅有所不同,在噪声较为稳定的情况下,我们以信噪比作为激发效率比较的标尺,单枪激发信号叠加多少次相当于一次4枪激发信号的信噪比。Silver(2007)的研究表明,当信噪比定义为
SNR=((A2signal)1/2)/((A2noise)1/2).(1)
其中,Asignal为信号振幅,Anoise为噪声振幅,信噪比与叠加次数的关系为
SNR=N1/2×SNR0.(2)
其中,SNR0是原始信号的信噪比,N为叠加次数,SNR为叠加后的信噪比。若将信噪比以dB形式表示时,信噪比的定义为
SNRdB=20×log10(Asignal)/(Anoise).(3)
由式(2)和式(3)可以得到叠加次数与信噪比的关系为
SNRdB=SNRdB0+10×log10N.(4)
其中,SNRdB0为原始信号的信噪比。图7为炮检距依次递增的8个流动台记录到波形的信噪比和叠加次数的关系,图中,“○”符号组成的曲线表示实际计算得到的叠加次数和信噪比的关系,黑实线表示由式(4)得到的理论曲线。从图中可以看出每个台的2条曲线还是比较接近的,形成差别的主要原因是现实生活中噪声信号来源复杂,不可能完全符合理想状态。
图7 不同距离台站的信噪比与叠加次数的关系
(a)ckt2;(b)53272;(c)53280;(d)53282;(e)53259;
(f)53285;(g)53253;(h)53252
Fig.7 Relationship between SNR of each station in different distance and stacking numberN=((SNR4)/(SNR1))2.(5)
其中,SNR4为4枪激发信号的信噪比,SNR1为单枪激发信号的信噪比,N为叠加次数。理论上,若台站的背景噪声为振幅恒定的白噪声时,信噪比只与信号振幅有关。由图8a可知,单枪与4枪激发信号的振幅比不随炮检距的增大而有规律变化,其范围大概为3.6~4.4倍,于是可得:
k×A1=A4,(3.6≤k≤4.4).(6)
将信号振幅和噪声振幅信息带入式(4),取k为平均值4,可以得到
n=((A4)/(Anoise)÷(A1)/(Anoise))2=((A4)/(A1))2=((4×A1)/(A1))2=16.(7)
图8 单枪和4枪激发信号在不同距离激发效率
的对比分析
(a)单枪和4枪激发信号在不同距离台站的振幅比;(b)单
枪激发信号不同叠加次数与4枪激发信号的信噪比对比
Fig.8 Comparison analysis of the excitation efficiency of the signal in different distance when the single airgun and four airguns excited (a)amplitude ratio of signal recorded by stations in different distance when the single airgun and four airguns signals excited; (b)comparison of SNR between the single airgun in different stacking number and four airguns excited从图8b可以看出,单枪激发信号经过16次叠加的信噪比已经基本高于单次4枪激发的信号,随着炮检距的增大两者的变化趋势基本一致。在单枪信号经过100次叠加后,其信号可以在炮检距为150 km的台站识别出来(图5)。
3 讨论与结论
从以上的分析研究可以发现,宾川地震信号发射台单枪和4枪激发信号的周期基本一致,这点可以从4枪激发的相干性来考虑,当气枪组相邻枪之间的距离为气泡半径2倍左右时,气枪组可以形成相干枪阵(陈浩林等,2003)。Johnson(1994)和Ziolkowski(1970)的经验公式为
a^-=(3/(4π))1/3((P0V0)/(Pa+ρwgh))1/(3γ).(8)
其中,a^-为平衡气泡半径,γ=1.13为热容比,P0为气枪压力,V0为气枪容量2 000 in3,Pa为大气压强,ρw=1 000 kg/m3为水的密度,g=9.8 N/kg,h为气枪的深度。由式(8)可以计算出平衡气泡半径。当气枪压力为15 MPa,枪深为10 m时,计算得到气泡的平衡半径a^-≈0.809 6 m,其2倍为1.619 2 m。从图2可以看出,4支气枪悬挂于边长为7 m的正方形浮台,相邻枪之间枪口的距离约为5.12 m,这个距离远远大于相干枪1.619 2 m的距离,所以此枪阵为不相干枪阵,这也就说明了4枪和单枪激发信号的频率只存在微小差别的原因。
从振幅随炮检距的增大的衰减看,单枪与4枪激发信号的衰减速度相当,4枪与单枪激发信号的振幅比保持在3.6~4.4之间,说明单枪与4枪激发信号的频率的微小差异,并不是影响信号传播的主要原因。而4枪和单枪激发所产生的信号4倍左右的振幅差异才是影响单枪激发能力的主要原因。
从2种激发信号的相关系数看,相关系数与信号的信噪比高度相关,单枪信号可以通过信号叠加,有效地提高信噪比。
水库单枪和4枪激发对比试验是研究陆地单枪气枪震源可行性的第一步,单枪的激发效率虽然低于4枪,但其具备150 km的信号覆盖半径,具有更好的流动性,占用的空间更小,在今后气枪台网的建设、气枪流动台的建设都具有实际的应用价值,特别是今后单枪在更小的人工水体中发射台的建立,可以降低水库选址的困难,并且能很好地控制气枪震源的激发条件,使得气枪震源系统更加稳定、高效,但在此之前,人工水体的设计还需要更多的试验研究。
中国地震局地球物理研究所王宝善研究员对本论文进行了耐心细致的指导,陈蒙博士在试验数据的处理方面给予很多的帮助,中国地震局滇西地震预报实验场金明培高级工程师、杨军高级工程师、叶泵工程师等,对本次试验能够顺利开展做了很多工作,给予很大的支持,在此表示由衷的感谢。
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