大容量气枪具有绿色环保、重复性好、激发能量大、能量转换效率高等优点(陈颙等,2007a,b),故多被用来进行以地壳结构为研究对象的地震测深研究(Okaya et al,2002; 丘学林等,2007)。鉴于大容量气枪的众多优势,近年在陈颙院士“地下明灯计划”(陈颙,朱日祥,2005)的推动下,大容量气枪震源被移植到陆地水库中,进行地下介质变化的观测与研究。国内相继建立了云南宾川、新疆呼图壁、甘肃祁连山气枪主动震源发射台。

气枪震源的能量是由气枪容量和激发时的压力决定的,研究表明气枪震源的主频与气枪的容量、水体以及沉放深度有关(Chen et al,2008; 李孝宾等,2016; 杨微等,2016; 林建民等,2008,2010)。在激发条件不变的情况下气枪信号具有很高的重复性,当台站接收到气枪信号的信噪比达到10 dB以上时,其相关系数可以达到0.99以上(李孝宾等,2016)。当水深和气枪的沉放深度发生变化时,气枪信号会发生相应的改变(Chen et al,2014; 栾奕等,2016),而且栾奕等(2016)发现距离震源10 km以内的台站通过反褶积的方法可以很好地消除震源变化带来的影响,而10 km以外的台站反褶积后波形无法很好匹配。反褶积的效果会受到信号信噪比的影响,这可能同较远台站接收到的信号的信噪比较低有关。

信噪比是由信号的能量、传播的路径以及接收台站的背景噪声决定的,产生信号的震源能量越大、低频成分越多,传播介质的密度越大,信号就衰减越慢,传播也就越远,接收台站的背景噪声越低接收到的信号越清晰,信噪比越高。台站的噪声水平,是影响台站对气枪信号接收效能的重要因素。

由于气枪震源具有较好的重复性,可以通过多种叠加方法提高信噪比突显信号,但在实际处理过程中,叠加对信噪比的提高是有极限的(武安绪等,2016)。出于这个目的,我们研究主动源周边台站对气枪信号的接收效能,即单次激发记录的信噪比,这与气枪信号的能量、衰减特征以及台站的噪声水平有很大关系,决定着地震信号走时变化测量的精度。之前的研究大多是针对气枪震源的特性,为提高气枪震源的激发效能开展的,而本文从接收台站的气枪信号有效频带的噪声水平入手,评价台站对气枪信号的接收能力。

Peterson(1993)对全球75个地震台站噪声资料进行研究,得出了全球噪声模型,即NHNM(新高噪声模型)和NLNM(新低噪声模型),我们一般利用这个模型来评估一个台站的噪声水平。传统的台站噪声评估方法通常是选取比较平静的一段时间的噪声记录,通过计算功率谱密度来评价台站的噪声水平。该方法对台站勘选等观测数据时间较短,数据量较小,对台基评估具有一定的指导意义。然而这种方法在噪声选取方面比较主观,难以全面反映台站的噪声水平(吴建平等,2012)。为解决此问题,Mcnamara(2004)基于概率谱密度函数法(Probability Density Function,PDF)的噪声评估手段对美国大陆的噪声水平进行了评估。当台站具有长期观测数据时,该方法可以较好地反映台站的背景噪声的统计平均特征以及噪声趋势的变化。本文采用该方法对气枪震源有效信号频段1～10 Hz范围内的台站噪声水平进行了研究以分析不同台站对气枪信号的接收效能。

宾川主动源气枪信号发射台激发系统由4支Btolt 1500LL型气枪组列构成,单支容量0.13 m³,总容量达0.52 m³(Wang et al,2010)。 周边拥有大量的测震台站,其中主动源的40个流动台分布在气枪发射台周边152 km范围内,仪器多为Reftek 130B的数据采集器和频带范围2 s～100 Hz的短周期Guralp CMG-40T地震仪(Wang et al,2010)。自2011年发射台建成以来,这些台站记录了大量的观测资料,由于发射台单次激发的气枪信号,在距离较近的台站观测的信号较为明显,所以我们先从距离震源152 km范围内的流动台进行初步的分析研究信号和噪声的关系,并对部分观测环境经过改造的台站和周边噪声环境发生变化的台站进行重点分析,然后再进一步分析距离震源较远台站的叠加信号与台站噪声的关系。

从40个流动台中挑选出36个工作正常的台站的单次气枪激发信号的U-D分量记录,将这些记录去除趋势、去除均值、去除仪器响应并转换为位移量,再对其进行气枪信号的有效频率滤波(2～6 Hz),并根据震中距画出未滤波与滤波后的剖面图对比(图1),可以看出单次气枪激发在没有经过滤波时,50 km以外的台站信号已基本被噪声淹没了,而经过滤波后,151 km的台站可以模糊地看到气枪信号,而在距离震源50 km左右的几个台站,滤波前后的信噪比都不是很好,这可能和这些台站的噪声水平较高有关。

一个台站对气枪信号的接收能力体现在两个方面,一是气枪信号到达台站的衰减程度; 二是台站在气枪有效频率内的噪声水平。假设将气枪信号的有效频率拓展至1～10 Hz,对台站1～10 Hz的噪声水平进行评估,可以从另一个方面反映这个台站气枪信号的接收能力。

图1 单次气枪激发信号剖面图
Fig.1 Sectional view of single gun excitation

为了客观地对台站的噪声水平进行评估,我们采用概率谱密度的计算方法统计出每个台站一整年的整体噪声水平特征,具体操作步骤如下:

(1)将每个台站1年内的U-D分量连续记录分割为以小时为单位的数据段,每个台站每天有24条数据段。

(2)根据每个台站的仪器情况去除相应的仪器传递函数,得到真实的地振动速度值。

(3)利用平均周期图法计算数据的功率谱密度。

(4)将计算得到的速度功率谱密度转换成加速度功率谱密度,结果可以和NHNM、NLNM模型进行对比。

(5)将计算得到的加速度功率谱密度用1/8倍频程进行平滑计算,得到对数坐标上一条均匀分布的功率谱密度(PSD)曲线。

(6)重复步骤(2)～(5),计算出各小时的PSD,得到多条光滑的PSD曲线,然后以单位网格分割坐标系,统计每个网格中PSD曲线值出现的频次。

(7)将每个网格中对应出现频次的点数除以总的PSD曲线数,得到每个网格出现的概率,按照概率取对应色标的颜色进行的绘图,得到最终的PDF结果图就是每个台站整体噪声水平的特征体现。

(8)观察台站在气枪信号有效频带(1～10 Hz)的背景噪声的表现。

PQLX软件是一个按照以上步骤处理计算得到台站PSD、PDF等信息的图形化软件,IRIS已经开始利用PQLX软件对其数据管理中心(IRIS DMC)的部分台站数据以及USArray台阵数据进行数据质量的评估,本文也使用PQLX软件对宾川主动源气枪发射台周边的部分台站长期观测的历史数据进行概率谱密度统计分析,研究背景噪声对气枪信号接收能力的影响。与苏金波等(2016)对新疆地震台网的研究相比,我们针对同台观测环境发生改变进行了对比分析,并提出改造优化方案。

本文主要从气枪源的特征、单次气枪激发信号的信噪比和台站噪声水平关系等方面进行分析。研究主要分3个部分:(1)对气枪源信号特征进行初步分析;(2)对部分流动台观测环境改造前后噪声水平对比分析;(3)对台站周边环境改变前后噪声水平以及信噪比进行分析。对各台站的相应情况选取时间段进行概率谱密度以及台站接收到信号的信噪比进行对比分析。在计算概率谱密度的同时标识出概率谱密度10%、90%分布线以及众数线,10%和90%线包裹的范围可以很好地描述台站噪声出现频率最集中的条带,众数线为噪声出现概率的集中体现,可以很好地反映台站的噪声水平。

挑选符合以上分析步骤的4个台站的数据进行分析(表1),台站的分布情况如图2所示。将台站记录的时间全部转换为协调世界时(Universal Coordinated Time,UTC),整理2014—2016年4个台站的U-D分量的地震记录,发现其具有较好的连续性,其中,CKT0为距气枪激发点50 m的台站; 53269和53276台都在观测了一段时间后,对台站进行了一些改造; 53264台周边的观测环境发生了改变。

图2 4个流动台站的分布
Fig.2 Distribution of 4 mobile seismic stations

表1 4个流动台站的相关参数
Tab.1 Parameters of 4 mobile seismic stations

距离宾川主动源气枪激发点最远的流动台有151 km,此台站接收到的一次气枪激发信号,经过滤波后在25 s的位置隐约看到气枪信号(图1b),其信号位移峰峰值为3.2 nm左右,而滤波后的噪声峰值在1.2 nm以内,说明在气枪信号的滤波频率范围内,信号的能量在噪声之上。此台站在1～10 Hz区域内的年众数均值为-128 dB,可见1～10 Hz范围内背景噪声概率谱密度水平对台站气枪

图6 2014年53269台17376条、2016年17311条功率谱密度曲线统计的概率谱密度图(a)、(b)以及2014年、2016年分别挑选7天的时频分析图(c)、(d)
Fig.6 Seismic station G1.53276 probabilistic power spectral density of 17376 in 2014 and probabilistic power spectral density of 17311 in 2016(a)and(b); Selected time-frequency analysis of 7 days in 2014 and selected time-frequency analysis of 7 days in 2016(c)and(d)

图7 2016年第80天开始53264台2～10 Hz的噪声变化图(a)、周边噪声环境变化前的单次激发记录(b)、环境变化后的单次激发记录(c)以及相应的噪声部分放大对比图(d)、(e)
Fig.7 The noise change trend at station G1.53264 in 2016,(a)the noise in the range of 2-10Hz begin to increase from the 80th day on,(b)the single gun action record before surrounding noise environment change,(c)the single gun action record after environment change,(d)the comparison of corresponding magnified noise

信号的接收能力有直接的影响。由于我们频繁进行气枪激发试验,距离主动源气枪激发点30 km以内的大部分台站在计算概率谱密度时,气枪信号能量突出,所以在对这些台站进行长期的背景噪声概率谱密度分析时,在1～10 Hz范围内受气枪激发影响较大,得到的并非真正的台站背景噪声水平。对距离宾川主动源气枪激发点30 km以外的固定台站接收到的激发信号进行线性叠加,经过600次激发信号叠加滤波后,最远350 km以外的台站很难看到气枪信号(图8a),经过5 000次信号叠加滤波后(图8b),350 km以外的台站依然看不清信号,通过对350 km台站叠加后的信号分析发现,其峰峰值为0.0047 nm,而噪声峰峰值为0.002 nm,这是否已经是仪器的分辨极限还需要进一步研究。我们又对距离震源30 km以外的流动台以及全云南省固定台站长年观测记录进行概率谱密度分析,并截取1～10 Hz范围的众数线,对其取平均值,得到的结果作为该台1～10 Hz长期背景噪声的表征(图9)。可以看出固定台站绝大部分台站背景噪声水平低于-115 dB,而近半数低于-125 dB,为气枪信号的提取提供了保障。

图8 距离宾川主动源气枪激发点30 km以外的固定台站接收到的激发信号进行线性叠加后的剖面图
Fig.8 Sectional view of the triggering signals recorded by the permanent stations with the distance greater than 30km

图9 台站1～10 Hz背景噪声水平
Fig.9 The background noise level of station in the range of 1～10Hz

利用概率谱密度统计方法对宾川主动源接收台站背景噪声水平进行了分析,对影响气枪信号的1～10 Hz噪声水平进行了重点分析。分析结果表明:(1)经过改造后的台站能很好减少噪声影响,提升台站的气枪信号接收能力;(2)台站背景噪声环境的改变对气枪信号的接收能力有一定的影响;(3)高质量的观测台站,可以减少获取高信噪比的气枪信号的叠加次数,也可以在同等叠加次数下获取更远的传播距离。

感谢参与宾川主动源项目的工作者收集的大量试验数据,这些数据是本研究能够顺利开展的基础。