（固体地球物理学专业论文）基于人工震源的长偏移距地震信号检测和探测研究.pdf

摘要 摘要 地震波是照亮地球内部的一盏明灯，迄今为止，关于地球内部的结构、组 成、过程和状态等知识几乎全部都来自地震波。地震学发展到现在，人们在利 用天然地震研究全球尺度的结构( 如地球的分层结构，板块俯冲等) 上取得了 巨大的成功。但是天然地震空间分布有限、发震时间无法预知且天然地震目 前定位精度不高，这些因素大大限制了利用天然地震进行区域( 几十到数百 公里) 尺度介质的精细结构及其变化的研究。人工震源主动探测由于震源位 置已知、激发容易控制、观测系统分布完整合理、可以进行密集观测等优点， 而成为研究区域结构的主要手段。但人工震源激发能量相对于天然地震太小， 射线覆盖范围有限，深度探测能力较低。同时社会的发展也进一步限制大当 量破坏性爆破的使用，因此寻找一种绿色环保的有效震源并发展相应的数据 处理方法，成为用地震波探测地球深部亟待解决的关键问题。本文主要研究 了人工震源的特性，并且根据震源特性在激发和数据处理方面探讨了提高地 震信号检测和探测能力的方法。 首先，为研究水库大容量气枪震源应用于长炮检距深穿透的深地壳结 构探测的可行性与有效性，在野外试验的基础上，本文研究了大容量气枪 的震源特性、激发子波的特征和规律及其探测效果。结果显示气枪震源具 有如下优点：( 1 ) 高效震源：6 0 0 0i n 3 的气枪源在水库激发所释放能量仅相 当于1 6 k g t n t 炸药释放的能量，利用短周期流动地震仪可以在近1 8 5 k m 处 获得气枪激发的清晰信号；( 2 ) 低频震源：富含l o h z 以下低频能量，优势 频率范围为4 6 h z ；( 3 ) 高度可重复震源：激发波形互相关系数大于0 9 4 的 占9 9 7 ( 4 ) 绿色环保震源：气枪震源对试验现场及环境没有产生破坏及噪 声污染。 气枪震源可以用于区域精细结构的探测以及动态变化的监测。我们 分析了气枪激发信号在长1 8 5 k m 测线上的记录，拾取包含的丰富震相信 息( 如p g ，p n ，p m p 等) ，并在此基础上反演了该地区的p 波速度模型，模型结 果显示该地区存在明显的低速层，这与在该地区进行的其他地球物理探测结 果一致。鉴于气枪震源的高度可重复性，我们将重复地震方法应用到人工震 摘要 源探测中，提出主动构建精确的人工重复地震，有效减小源位置的不确定性， 提高重复地震方法的可靠性与可行性，为进一步利用人工重复地震进行地下 物质状态动态监测与大尺度地震探测奠定了基础。 其次，为了探索在地震信号激发和处理中借鉴并利用雷达探测中编码原 理的可行性，我们提出编码地震探测技术，通过理论分析和数值模拟对该方 法提高人工震源地震探测能力的有效性进行了研究，并在此基础上进行了小 尺度的野外试验。编码地震探测技术可简要描述为，利用人工震源向地下发 送具有独特特征的编码脉冲序列作为一次等效激发，利用准确记录的编码震 源源函数与远台地震记录之间的互相关进行“解码”分析获取地下信息。试验 数据的处理结果表明该方法能够大幅度提高地震探测能力，利用小能量震源 获得远距离、高分辨率的探测效果，是一种具有重要发展前景的人工探测技 术。此外，为了尽可能地保持编码地震探测技术中的记录信号与源信号之间 的相关性，引入偏振滤波器。我们通过三分量合成地震记录和野外探测实验 的实际三分量记录进行验证，该滤波器不但具有很好的去噪功能，而且具有 很好的零相位特征。 传统人工地震探测受到探测深度、分辨率和环保要求等限制，探索利用小 能量震源进行深部地震探测具有重要意义。本文的研究为新型人工震源理论 和方法的发展提供了新的尝试和基础。 关键词：人工震源、主动探测、气枪震源、重复地震、编码地震探测技术、偏 振滤波 i i a b s t ra c t a b s t r a c t s e i s m i cw a v e sg i v et l st h el i g h tt oi l l u m i n a t et h ee a r t h si n t e r i o ns of a r , a l m o s t a l lt h ei n f o r m a t i o na b o u te a r t h si n t e r i o rs u c ha si t ss t r u c t u r e ，c o m p o s i t i o na n ds t a t u s h a sb e e ng a i n e db ys e i s m i cw a v e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e i s m o l o g y , p e o p l eh a v e a c h i e v e dg r e a ts u c c e s si ns t u d y i n gt h ee a r t h si n t e r i o ri ng l o b a ls c a l eb ye a r t h q u a k e ， s u e ha se a r t h ，sl a y e r e ds t r u c t u r ea n dp l a t es u b d u c t i o n h o w e v e r , t h el i m i t e ds p a t i a l d i s t r i b u t i o na n dt h eu n p r e d i c t a b l eo c c u r r e n c eo fe a r t h q u a k e s ，a sw e l la st h ee r r o r si nt h e l o c a t i o no ft h e i re p i c e n t e r s ，a l lt h e s eu n f a v o r a b l ef a c t o r sh e a v i l yr e s t r i c tt h ea p p l i c a t i o n o fe a r t h q u a k e si nu n d e r s t a n d i n gt h es u b s u r f a c es t r u c t u r ea n di t st e m p o r a lv a r i a t i o nm r e g i o n a ls c a l e i nc o n t r a s tw i t he a r t h q u a k e ，s e i s m i ce x p l o r a t i o nw i t ha c t i v es o u r c e s h a sg r a d u a l l yb e c o m et h ed o m i n a n tm e a n si ns t u d y i n gs u c hr e g i o n a ls c a l es t r u c t u r e f o ri t sw e l l 一k n o w ns o u r c el o c a t i o na n dw e l l c o n t r o l l e de x c i t a t i o nt h u st h ep o s s i b i l i t y o fr e a s o n a b l yd i s t r i b u t e do b s e r v a t i o ns y s t e m s h o w e v e r , t h ee n e r g yr e l e a s e db ya c t i v e s o u r c e si sr e l a t i v e l yw e a kc o m p a r e dw i t ht h a tf r o me a r t h q u a k e s ，t h u sr e a c h e ss h a l l o w e r i nd e p t ha n ds m a l l e ri nl a t e r a ld i s t a n c ew h i l ep r o p a g a t i n gi nt h ee a r t h i no r d e rt o i m p r o v et h ec a p a b i l i t yo fe x p l o r a t i o nw i t ha c t i v es o u r c e s ，o n ew a yp e o p l eu s e dt ot a k e i st ou s el a r g ev o l u m ed y n a m i t e ，t h eu s a g eo f w h i c hi sr e s t r i c t e dm o r ea n dm o r e o re v e l l f o r b i d d e nf o rt h er e q u i r e m e n to fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nn o w a d a y s i ti s t h e r e f o r e u r g e n tt of i n da na l t e r n a t i v ea n de f f e c t i v ew a y a sw e l la sr e l a t e dd a t ap r o c e s sm e t h o d s t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa c t i v es o u r c e s ，a n dp r o b e si n t ot h e m e t h o d si ni m p r o v i n gt h ec a p a b i l i t yo fs e i s m i cs i g n a ld e t e c t i o na n de x p l o r a t i o n i nb o t h t h ee x c i t a t i o no fs e i s m i cs o u r c ea n dt h ep r o c e s so fs e i s m i cd a t a f i r s t l y , i no r d e rt os t u d yt h ef e a s i b i l i t ya n de r i e ：c t i v e n e s so fd e e pc r u s t a l s t r u c t u r e e x p l o r a t i o nb yr e s e r v o i rb a s e da i rg u ns o u r c e ，w ea n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa i r g u ne x c i t e di nr e s e r v o i rt h r o u g hf i e l de x p e r i m e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e a i rg u n s o u r c eh a sa d v a n t a g e sa sf o l l o w s ：( 1 ) h i g he f f i c i e n c y t h ee n e r g yr e l e a s e db ya i rg u n a r r a yo f6 0 0 0c u b i ci n c h e si nr e s e r v o i r b u tt h es i g n a lc o u l db ed e t e c t e dc l e a r l y i se q u a lt ot h a tg e n e r a t e db y1 6 k gd y n a m i t e ， e v e nw i t ho f f s e tb i g g e rt h a n1 8 5 k m ( 2 ) l o w 1 1 1 a b s t r a c t d o m i n a n tf r e q u e n c y i ti sf u l lo fl o wf r e q u e n c ye n e r g y , a n di t sd o m i n a n tf r e q u e n c yi s a r o u n d4 6 h z ；( 3 ) h i g hr e p e a t a b i l i t y s e i s m i cw a v e s ( 9 9 7 ) f r o ma i rg u nh a v e b i gc r o s s c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t s ( 0 9 4 ) w i t he a c ho t h e r ；( 4 ) g r e e ns o u r c e i th a sn o d a m a g et ot h er e s e r v o i rd a ma n da q u a t i cl i v e s a i rg u ns o u r c ec o u l db eu s e df o re x p l o r i n gt h er e g i o n a lf i n es t r u c t u r ea n dm o n i t o r i n gt h et e m p o r a lv a r i a t i o n w ea n a l y z e dt h ea i rg u ns i g n a l si nt h e1 8 5 k i n - l o n g s e i s m i cl i n e a n dt h er e c o r d ss h o w e dt h a tt h ea i rg u ns i g n a li sf u l lo fs e i s m i cp h a s e i n f o r m a t i o n ( p g ，p n ，p n 屺e t c ) b a s e do nt h e s ep h a s e s ，w ed e v e l o p e dt h ep - w a v e v e l o c i t ym o d e lf o rt h i sa r e aa n df i n da no b v i o u sl o w - v e l o c i t yl a y e r , w h i c hi sc o h e r e n tt o w h a tp e o p l eo b t a i n e df r o mo t h e rg e o p h y s i c a lm e t h o d si nt h i sa r e a w i t hc o n s i d e r a t i o no fa i rg u ns o u r c e sh i g hr e p e a t a b i l i t y , w ep r o p o s e da 1 1i d e at oc o n s t r u c ta c t i v ea n d a c c u r a t ed o u b l e tb yc o m b i n a t i o no fd o u b l e tm e t h o da n da c t i v es o u r c e s t h i sm e t h o d c o u l de f f e c t i v e l ym i n i m i z et h eu n c e r t a i n t yo ft h es o u r c el o c a t i o n s ，t h u se n h a n c et h e f e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ed o u b l e tm e t h o d i tl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rc o n t i n u o u s m o n i t o r i n go nt h es t a t u so f t h eu n d e r g r o u n ds u b s t a n c e st h r o u g hr e p e a t e ds o u r c e s e c o n d l y , i no r d e rt oe x p l o r et h ef e a s i b i l i t ya n dp o t e n t i a lo fa p p l y i n gc o d ep r i n c i p l e st os e i s m i cs i g n a le x c i t a t i o n ，w h i c hc a nb el e a r n e df r o mr a d a rd e t e c t i o n ，w ed e v e l o p e dt i m ec o d e di m p u l s i v es e i s m i ct e c h n i q u e ( t c i s t ) w es t u d i e dt h ee f f i c i e n c y o f t h i sm e t h o dt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n df i e l de x p e r i m e n t t h ep r i n c i p l eo ft h i sm e t h o dc o u l db el o o s e l yd e s c r i b e da sf o l l o w s ，i n s t e a do fu s i n ga h i g hi m p a c tt h i sm e t h o da p p l i e sa s e r i e so f m o d e r a t ee n e r g ya c c o r d i n gt oat i m ec o d - i n gt h e m e ，a n do b t a i n st h es u b t e r r a n e a ni n f o r m a t i o nb yt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e a c c u r a t e l yr e c o r d e ds o u r c ef u n c t i o na n dl o n go f f s e ts e i s m i cr e c o r d f i e l de x p e r i m e n t s h o w e dt h a tt h i sm e t h o dc o u l dg r e a t l yi m p r o v es e i s m i cd e t e c t i o nb ym o d e r a t e e n e r g y s o u r c e i na d d i t i o n ，w ea p p l i e dp o l a r i z a t i o nf ii t e rt oi m p r o v es n ro fs e i s m i cr e c o r dt o c o n t r i b u t et oi t sc o r r e l a t i o nc o e 伍c i e n t sw i t hs o u r c ef u n c t i o ni nt c i st w et e s t e dm e f il t e rw i t ht h r e e - c o m p o n e n ts y n t h e t i cs e i s m i cd a t aa n da c t u a lr e c o r df r o mf i e l de x p e r i m e n t i ti sn o to n l yg o o df o rd e n o i s i n g ，b u ta l s oh a sg o o dz e r op h a s ec h a r a c t e r i s t i c s t r a d i t i o n a ls e i s m i ce x p l o r a t i o nw i t ha c t i v es o u r c e si sr e s t r i c t e db ys o u r c ee n e r g y , r e s o l u t i o n ，e n v i r o n m e n t a lr e q u i r e m e n ta n de t c ，t h e r e b yi ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et od e v e l o pm e t h o d st oc o n d u c ts e i s m i ce x p l o r a t i o ni nl a r g es c a l ew i t hs m a l le n e r g ys o u r c e i v a b s t ra c t t h i st h e s i sp r o v i d e san e wa t t e m p ta n dr e s e a r c hf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h et h e o r i e s a n dm e t h o d sw i t ha c t i v es o u r c e k e y w o r d s ：a c t i v es o u r c e ，a c t i v ee x p l o r a t i o n ，a i r g u n ，d o u b l e t ，t i m ec o d e di m p u l s i v e s e i s m i ct e c h n i q u e 、p o l a r i z a t i o nf il t e r v 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工 作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即： 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 第1 章绪论 第1 章绪论 地球物理探测是人们问接观察和测量地球内部各种信息的手段，它可以 帮助人们了解和研究地球内部的结构、物质组成、物质的物理和化学性质以 及热力学状态。地震波在地球内部传播时衰减很小( 浅层除外) ，尤其是在 地球深部，弹性波能量的耗散非常小，是唯一能穿透地球内部的波动( 电磁 波因受制于地球介质的导电性只能穿透地球表面很浅的地方，如当前探地雷 达g p r 的探测深度在几十米的量级) 。迄今为止，关于地球内部的结构、组成、 过程和状态等知识几乎全部来自地震波的信息，这使地震波成为“照亮地球 内部的一盏明灯一( 陈额，朱日祥，2 0 0 5 ；傅承义，陈运泰，祁贵仲，1 9 8 5 ) 。 震源是地震勘探的重要组成部分，是产生地震波的源头，震源所产生的地 震波信号质量将直接影响地震研究的效果( 林君，2 0 0 4 ) 。根据激发地震波激发 方式的不同，地下结构探测可以分成：天然源被动观测和人工源主动探测。 一、天然源被动观测 天然地震产生的地震信号能量很强，其释放的能量相当于万吨级炸 药，如一次5 级地震( 2 0 0 6 年河北文安地震) 所释放的能量大约相当于1 万 吨标准t n t 炸药爆炸所释放的能量，一次9 级地震( 2 0 0 4 年印尼苏门答腊地 震) 释放的能量大约相当于7 0 亿吨标准t n t 炸药爆炸释放的能量，激发的 地震波能够传播到地球的每个角落( 陈颤，张尉，陈汉林，齐诚，陈棋福， 2 0 0 6 ；n ie ta 1 ，2 0 0 5 ) 。通常，5 5 级的地震基本上可以被全球记录到( 彼得鲍曼， 2 0 0 6 ) 。2 0 0 8 年5 月1 2 日，中国四川发生的汶川m s 8 ，0 大地震产生的地震波绕地 球传播了好几圈( 图1 1 ) 。因此，天然地震可用于大尺度的深部介质研究，是 研究整个地球内部的有力工具： 1 9 0 6 年，奥尔德姆首先尝试利用地震波穿过地球的时间来推断整个地球 内部构造； 1 9 0 9 年，莫霍洛维奇根据近震初至波的走时，算出地下存在一个速度间断 面，通常称它为莫霍界面，其平均深度约为3 0 k m ，莫霍界面以上的部分称为 第1 章绪论 围1 12 0 0 8 年5 月i2 闩，泣川m s 8 ( 1 大地震激发的地震波围绕地球传播好几酬 2 第1 章绪论 地壳，以下的部分称为地幔； 1 9 1 4 年，古登堡根据地震体波( p 波) 的“影区”确认了地核的存在，并测 定了核幔间断面深度为2 9 0 0 k m 。根据地核不能传播横波( s 波不能在液体中 传播) 的特性，地震学家推断出地核是液态的； 1 9 3 6 年，莱曼通过对体波“影区”的进一步研究，发现了在液态的地核中 还有一个固态的地球内核； 1 9 4 0 年，地震波走时表问世，提出了地球内部分层模型，证实了上地幔低 速层的存在。2 0 世纪6 0 年代“上地幔计划”开展，全球数字地震台网的建立， 对地幔结构及横向不均匀性的认识取得了重大进步； 19 7 2 年，m o r g a n 提出地幔柱的概念( m o r g a n ，19 7 2 ) ； 1 9 8 4 年，a n d e r s o n 和d z i e w o n s k i 利用5 0 0 0 个远震约5 0 万条p 波走时残差首次 给出了全球不同深度地幔地震波速度横向变化的图像( a n d e r s o na n dd z i e w o n s k i ，1 9 8 4 ) ； 1 9 9 6 年，宋晓东等人通过长时问的天然地震波记录研究地球内核差异旋 转，得出内核每年自西向东比外核多旋转0 3 0 5 度( s o n ga n dr i c h a r d s ，1 9 9 6 ； z h a n ge ta 1 ，2 0 0 5 ) ； 此外，美国国家基金会经国会批准于2 0 0 4 年资助2 1 9 亿美元，启动为期五 年的以地震科学为核心的综合科学计划一“e a r t h s c o p e ”( 地球透镜计划) ( 美 国”地球透镜计划”项目组，2 0 0 4 ；邦秀芬，张春贺，孙振凯，2 0 0 4 ) 。该计划主要内 容是在美国大陆和阿拉斯加半岛建立密集的流动台阵，利用观测记录到的天 然地震资料，结合钻探项目，给出地球表面之下详尽的三维图像，为减灾、发 展自然资源，以及提高公众对动态地球的了解和认识服务。该计划的目标是 保持美国在地球内部研究方面的领先地位，其研究计划重点放在天然地震的 利用和研究上面。 但天然地震因其分布的地域性和地震事件的有限性，特别是大地震数量 有限，例如我国平均每年5 级以上地震约3 0 次左右( 中国地震学会普及工作委 员会，2 0 0 0 ) ，同时，天然地震存在着较大的震源定位误差( b o n d a r e ta 1 ，2 0 0 4 ) ， 严重制约了利用天然地震研究地球内部的精度和分辨率。2 0 世纪6 0 年代末，前 苏联地震学家经观察发现地震发生之前波速是变化的，接着在美国也发现一 些地震之前波速比的类似变化。这似乎在告诉人们：通过测量地下深部岩石 的波速、波速比等时间变化，利用这些意义明确的参数进行物理预报完全是 3 第l 章绪论 可能的( 陈颐，朱日祥，2 0 0 5 ) 。但这种靠连续监测地下岩石物性变化来预测地震 的方法在2 0 世纪7 0 年代没能走下去，其根本原因是天然地震发生频率低且震 源位置不易确定。因此，用天然地震探测地球内部主要用于研究大尺度乃至 全球尺度的问题，研究区域性问题时分辨率常常显得不足。 二、人工源主动探测 人工震源激发位置、深度以及激发时问都精确己知，并且可以根据研究需 要在空间域上和时间域上进行主动控制、激发，因此在区域性地下结构研究 中有望弥补天然地震在精度上的不足。利用人工震源主动地向地下发射地震 波，构筑研究地球内部的技术平台，是地震学在过去的半个世纪迅速发展的 一个领域，形成了勘探地震学的新兴分支学科。人工地震探测可获得局部地 区地壳上地幔( 主要是地壳) 的高分辨率结构成像，它是各种地球物理勘探手 段中应用最广的方法。最常用的方法是宽角反射与折射( w i d ea n g l er e f l e c t i o n a n dr e f r a c t i o n ) ，也有人称其为深地震测深( d e e ps e i s m i cs o u n d i n g ) ，主要用于获 得区域地壳结构构造图像和壳内速度分布图像。 2 0 世纪7 0 年代中期起，很多国家纷纷通过人工地震探测实施了本土境 内的地壳结构和构造的研究计划，例如美国大陆反射剖面计划c o c o r p 、前 苏联的一级骨干剖面系统、英国的辛迪加计划b i r p s 、加拿大的岩石圈探测 计划l i t h o p r o b e 、澳大利亚的大陆反射剖面计划a c o r p ( 又叫袋鼠计划) 、 德国的大陆反射地震计划d e k o r p 、法国的大陆和海洋地壳反射和折射计 划e c o r s 等，这些计划获得了岩石圈形成和演化、地球动力学过程以及地球 深部构造等方面的重要信息( 王海燕，高锐，卢占武等，2 0 0 6 ；o l i v e re ta 1 ，1 9 8 3 ) 。 在国内，2 0 0 4 年9 月，在中国国家自然科学基金会地球科学部、中国科学 院地学部、中国海洋石油集团公司和中国地震局的支持下，近5 0 位研究人员 建议启动以地震探测技术为基础的中国地下明灯科学研究计划( 陈颐，朱日祥， 2 0 0 5 ) 。与美国e a r t h s c o p e 计划( 研究重心在天然地震的观测记录) 不同的是， 该计划旨在研究和利用人工震源，通过陆地人工震源激发、地震台网( 台阵) 接收，研究区域尺度( 华北地区) 的地球内部结构。 此外，在地震预报方面，人们认为地震预报的关键是要找到一种能够精确 且连续向地下发射地震波的震源( 陈顷，朱日祥，2 0 0 5 ；r i c h a r d s ，1 9 7 4 ) 。天然地 4 第1 章绪论 震固然可以利用，但由于我们对地球内部结构认识的局限性，我们还不能完 全准确地确定一个地震的震源参数( 蔡明军，山秀明，徐彦等，2 0 0 4 ) 。而且，能 产生足够能量而可以被远距离接收到信号的地震数目也远远不够。因此，人 们把目光投向了人工震源。但是，人工震源当时主要以炸药爆破为主，其作为 震源不经济、破坏环境，而且重复性又差。所以，当时认为利用波速预报地震 是个好想法，但对于其可行性，不持乐观态度。近些年，随着各种新型人工震 源的出现和地震台阵理论的成熟，以及信息科学在地球科学领域的广泛应用， 这种想法似乎有了新的发展契机和广阔前景。 用新型环保的人工震源激发地震波作为载体来主动获得地球内部的信息， 可以为地震预报、生产生活、工程项目和各行各业提供丰富的基础资料。目 前，寻找更多的油气、煤炭、金属矿床和水资源满足日益增长的国民经济建设 需求，也对地球物理勘探技术提出了更高的要求。但人工震源激发的能量小， 无论是水中气枪激发、电火花震源、机械震动、锤击、伪随机震源( m i n i s o s i e ) 或可控震源等，其激发能量都无法与天然地震相比，因此，探测距离( 深度) 非常有限，多在百公里之内。人工震源激发能量小、探测范围有限，成为用人 工震源探测地球深部介质亟待解决的关键问题，这也是本论文研究的出发点。 本论文将针对人工震源能量小、探测范围有限的问题，围绕如何提高人工 震源的地震信号检测和探测能力展开研究。 首先，在震源的选择上结合海上工业气枪的特点，针对陆上大尺度区域性 地震探测对震源的要求，我们通过野外试验研究陆上水库环境下激发大容量 气枪震源所产生的地震波特征，并分析利用水库气枪震源进行陆上长炮检距 深穿透的地壳结构探测的可行性与有效性。并根据气枪震源的可重复性特征 以及地球物理学家在重复地震( d o u b l e t ) 研究方面取得的主要进展，提出构建 精确的人工重复地震，讨论了该方法的可行性、可靠性和潜在应用。 其次，在地震数据处理方法上，气枪信号的检测过程中主要采用了叠加的 方法来提高地震记录的信噪比，这是因为气枪震源具有很好的重复性。这里我 们又通过引入通信理论中的编码原理，形成了编码地震探测技术。该方法不 仅不要求震源具有可重复性，并且有效地提高了震源的抗干扰能力和探测能 力。同时，我们综合利用三分量信息，构建偏振滤波器提高记录的信噪比，在 去噪的同时有效保留真实的地震信号以配合编码地震探测技术的探测效果。 5 第1 章绪论 绪论部分首先针对论文内容相关的研究背景进行了简要介绍，给出了人 工震源的发展和应用状况、人工重复地震技术和编码地震探测技术提出的背 景，并且分析了偏振滤波技术在地震记录数据处理上的应用及相关研究。在 此基础上，提出了论文的研究思路、计划及创新内容。 1 1论文相关的研究背景简介 1 1 1 人工震源 利用人工震源主动向地下发射弹性波，是探测地下结构与状态的研究新 方向( 陈颐，朱日祥，2 0 0 5 ) 。目前的人工源探测主要用于石油勘探等领域，其方 法是利用炸药爆破作为震源，利用密集台站进行信号接收。以人工爆破震源 为主的地球物理勘探技术不仅带来了现代石油工业的繁荣，而且应用于地质 探测、工程项目如大坝和桥梁选址、震灾评估等领域。同时，利用各种人工震 源进行的深部地球物理勘探，也为深入认识地球内部结构、深层过程、力源机 制和研究地球动力学及强烈地震发生的深部结构环境提供了基础性工作。 到目前为止，常用的各种人工震源有炸药爆破、水中气枪激发、落重或锤 击、电火花、可控震源、伪随机震源( m i n i s o s i e ) ( b a r b i e r ，1 9 8 2 ) ，这些一度成 为地震勘探的重要手段。此外，还有一些不常用的人工震源如列车震源( 陈棋 福，李丽，李纲等，2 0 0 4 ；李丽，彭文涛，李纲等，2 0 0 4 ) 、阵列微动等。这些震源的 一个显著特征就是在同一地点( 或同- d , 区域) 进行激发，具有相似甚至相同 的震源机制与激发环境，因此具有一定的可重复性。同天然地震事件相比，人 工地震探测具有以下突出优点： 1 震源位置已知； 2 震源可随时激发，容易控制： 3 震源和各观测点呈直线分布，观测系统完整，测点分布密集，振幅衰减 曲线可靠； 这里我们首先给出几种常用人工震源的简要介绍及对比： ( 1 ) 炸药爆破震源 6 第1 章绪论 炸药爆破震源是人工激发地震波中使用时间最长、探测距离最大和用途 最广的人工震源。二十世纪2 0 年代，人们开始用地震勘探法寻找油气，在之后 的很长一段时间内( 1 9 5 3 年应用落重法之前) ，地震勘探使用的人工震源只有 炸药震源一种，至今它仍在陆地地震勘探作业中被大量使用( 潘纪顺，刘保金， 朱金芳等，2 0 0 2 ) 。 炸药震源的个主要优点是用很少的药量就可以激发很大能量( 常用硝 铵炸药的爆热大约为3 7 1 0 6 j k g ) ，并可以通过增加药量的方式增强激发能 量。如油气资源勘探中通常只使用2 4 k g 左右的药量，其探测距离( 偏移距) 为上百米至几公里。尽管如此，炸药震源在爆破过程中的能量转化率还是比较 低的，大概只有全部能量的0 1 一1 转化为实际地震波能量( 彼得鲍曼，2 0 0 6 ) 。 在实际操作中，爆破震源一般采取打井将炸药深埋( 通常为几十米) 的方式提 高能量的转化率，而且可以通过控制打井深度来控制空气波、低滚波和面波的 形成以压制震源本身所伴生的噪声( s o u r c e g e n e r a t e d n o i s e ) ，以及尽量避开地表 风化层的影响，因为风化的松软层会严重影响激发地震波的传播。通常，当炸 药激发点低于潜水面的某一个深度时，激发的效果更好。此外，炸药爆破为脉 冲源，它所激发的子波为一个尖锐脉冲，能更加准确地确定反射波形的时刻。 如上所述，井中爆破是炸药震源一种常用的激发方式，能达到较好的激发 效果。除此之外，炸药震源还有水中爆破、坑中爆破和空气中爆破等几种激发 方式。一般而言，爆破震源不宜在地表爆破，这样不仅会导致大部分炸药释放 能量的浪费( 能量转换率只有0 0 0 0 1 0 1 ) ，同时对周围的环境构成很大的 危险，并且会产生很强的面波。理论分析和前人的实践经验均表明，激发条件 对激发地震波的振幅和频率都具有很大影响。在致密介质中激发产生的波形 比在疏松介质中产生的波形频率高而振幅低；在深井中激发产生的波形比在 浅井中激发产生的波形频率高而振幅低；小药量炸药激发产生的波形比大药 量激发产生的波形频率高而振幅低。 炸药震源的应用还存在一些实际作业中的不足：首先需要打井。打井需要 专门的设备，以及大量相应的人力物力。而且在有些地区进行一定深度的钻 井难度很大，钻井进度很慢而导致代价很高，如有些地区岩层坚硬或者包含 鹅卵石层，有些地区则缺少打井用的水，有些地方打井容易塌落等；其次，炸 药震源很危险，需要采用专门的防护措施，以避免对地下管线、地下建筑和道 路等造成损害，尤其在城市和居民居住的村落难以使用。而且，如果遇到埋在 7 第1 章绪论 井中的炸药不爆炸，也非常危险。最后，要打井进行炸药爆破，需要得到当地 的许可，要选择地震勘探的路线，商讨损害的赔偿问题，还要在炸药震源爆破 之后填平地表以减少对农蓄的伤害( 林君，2 0 0 4 ) 。 o f f s e t ( k m ) 10 02 0 03 0 0 0 2 0 o 们 i 4 0 e 卜- 6 0 8 0 图1 22 0 0 5 年底地震波激发试验中北京顺义s p l 8 炮点在首都圈固定台网的记录截 面( 2 8 日z 带通滤波) ，1 3 4 5 k 9 炸药爆破激发地震波传播距离j 盘3 3 5 k m 之多 传统的地震勘探通常采用数十公斤级的炸药震源进行地球浅部结构的高 分辨率探测，探测距离不超过几十公里；进行数百公里的区域性深部地壳结 构探测时，则需要使用上百公斤甚至吨量级的炸药( 张先康，李松林，王夫运等， 2 0 0 3 ；g i e s ee ta 1 ，1 9 8 3 ) ，如图1 2 。在激发条件不好的地方，药量可能还要继续 增加。由于这种震源激发存在危险因素，破坏环境，对地下管线、地下建筑和 道路等会造成损害，尤其是在城市和居民居住的村落难以使用，因此，使用大 当量炸药进行地震探测变得越来越困难。 ( 2 ) 气枪震源 气枪震源是一种绿色环保经济实用的人工震源，自19 6 4 年由美国b o l t 公司 8 第1 章绪论 的卡尔米思克发明以来，在海洋石油勘探中得到了广泛的应用。气枪震源的首 要特点就是激发波形具有很好的重复性，可以通过多次激发信号的叠加来提 高地震记录的信噪比。由于气枪在水中激发，介质特性和激发环境保持不变， 其产生的冲击波和波后流场通常是确定的，克服了炸药爆破激发中药包附近 岩土体的构造复杂给爆炸后产生的荷载大小带来的很多不确定性，因此同一 气枪源和接收点得到的振动波形重复性非常好。而且与之配套使用的g p s 的 精确定位和计时功能使得气枪激发信号的重复性和叠加效果更加明显。此外， 气枪震源不会产生地表环境破坏和噪声污染，并且作业费用相对于爆破震源 较低，这也是气枪震源成为新一代人工震源的主要原因。 如今，国内外已开始利用气枪作为海上人工震源进行深部介质探测的研 究工作。与中小尺度的石油高分辨率勘探要求不同，地震深部探测要求震源具 有能量高、主频低、重复性好、绿色环保、性能可靠等特点，这就要求采用大 容量的气枪震源。近些年来，地震学家利用海上气枪震源与陆地地震台站进行 了联合实验，并取得了很好的成果。洛杉矶区域地震实验( l a r s e ：l o sa n g e l e s r e g i o ns e i s m i ce x p e r i m e n t ) ( f u i se ta 1 ，2 0 0 3 ) 和新西兰南岛地震探测计划( s i g h t ： s o u t hi s l a n dg e o p h y s i c a lt r a n s e c t ) ( o k a y ae ta 1 ，2 0 0 2 ) 就是利用气枪进行海陆联合 勘探的成功实例。这两个计划使用同一组气枪震源，由2 0 支b o l t 气枪组成，单 枪的容量为1 4 5 i n 3 8 7 5 i n 3 ，气枪阵列的总容积为8 4 7 0 i n 3 ( 1 3 7 7 l 1 。德、英、丹 麦、瑞典等联合开展的m o n al i s a 计划( m a r i n ea n do n s h o r en o r t hs e aa c q u i s i t i o n f o rl i t h o s p h e r i cs e i s m i ca n a l y s i s ) 采用的气枪阵列总容量为1 2 2 1 0i n 3 ( 1 9 6 l 1 。日 本海洋科学