2017年3月27日漾濞5.1级地震前后气枪震源观测走时数据的变化

杨建文 何应文 张鹏映 叶泵 邓嘉美 赵家本

1)中国地震局滇西地震预报实验场办公室，云南大理 671000 2)云南省地震局云县地震台，云南临沧 675803 3)大理海东开发市政建设有限公司，云南大理 671006

0 引言

利用人工震源主动向地下发射地震波是进行地下介质变化监测的重要手段(王宝善等，2016；Wang et al，2018a、2019)。人工震源因具有激发位置已知、激发可控、可重复性好和探测精度高等特点(魏芸芸等，2016)，可克服天然震源在时间和空间分布上的不足，变被动监测为主动探测。大容量气枪具有绿色环保、重复性好、激发能量大、能量转换效率高等特点(陈颙等，2007a、2007b；王彬等，2015；Wang et al，2018b)，可拾取到高精度的震相到时，得到区域内高精度波速变化，在开展地下介质性质随时间变化的研究中具有重要的应用。近年来，在“地下明灯计划”(陈颙等，2005；Chen et al，2019)的推动下，相继于2011年4月、2013年5月和2015年5月在云南宾川(第1个固定地震信号发射台)、新疆呼图壁(第1个人工水体固定地震信号发射台)、甘肃张掖建成地震信号发射台(王宝善等，2016；Wei et al，2018)，并开展常规监测。

对中强地震前后气枪震源观测走时数据的变化开展研究，利用波形资料探索地下介质波速变化与地震发生的时空关系具有重要的意义(Yang et al，2018)。魏芸芸等(2016)以新疆沙湾2015年2月22日MS5.0和12月6日MS4.8地震为样本，选取距离震中约80km范围内的3个台站记录的新疆呼图壁气枪震源发射台2013年8月～2016年2月的数据，依据反射波震相，采用互相关检测技术等，研究地震前走时变化特征。结果表明，2次5级左右地震前，3个台站记录的PmP走时变化均出现4个月和2个月左右不同程度的低值异常过程，相对走时变化幅度约为0.1%～0.26%，震前走时异常变化时间和幅度均存在差异，且距震中较近台站的异常特征显著于较远台站。张元生等(2017)利用祁连山主动源连续激发2015年7月9日～2016年10月31日期间的台站记录资料，通过不同时间段的多次激发数据叠加处理，获取相关地震台的Pg和Sg震相走时变化数据，对震相走时变化数据分析发现，在2015年11月23日祁连5.3级和2016年1月21日门源6.4级地震发生前后，震源区附近台站Pg和Sg震相走时变化形态特征为“V”型或双“V”型，地震发生在第2个“V”的形成过程或结束时段。

2017年3月27日，在滇西地震预报实验场区发生了漾濞5.1级地震(25.89°N，99.80°E)，震源深度12km，云南地震应急保障中心调查结果显示有感范围约12845km2，震中距离宾川地震信号发射台约70km。漾濞5.1级地震位于接收台站覆盖范围内，且在时间域上位于连续激发时段，地震前后可获取相关台站气枪震源波形资料。本文基于2017年1月1日～6月6日漾濞5.1级地震震中附近6个接收台站记录的气枪震源信号，采用互相关检测技术提取各自稳定震相走时变化特征，并对地震前后的变化情况进行分析。

1 数据收集整理

图 1 所选台站、激发源和漾濞5.1级地震震中分布

宾川地震信号发射台由4支单枪容量为2000 in3的Bolt Longlife型气枪、1台大功率空气压缩机、储气瓶组和气源、气枪控制系统等组成(王宝善等，2011；王彬等，2016)。气枪沉放深度为浮台下10m左右，4支气枪激发1次约产生8.91×106J能量，相当于1次ML0.7天然地震(刘自凤等，2015)，日常激发压力和气枪沉放深度基本不变。由于地震信号发射台的激发水体为当地的大银甸水库，属灌溉水源，受季节影响较大，夏季为枯水期，不宜进行激发实验。2017年6月6日起受水位的影响，停止激发实验，9月底恢复激发。气枪激发信号的日常观测系统由滇西地震预报实验场区原有的5个地震台站、云南测震台网的相关台站(二者统称为固定台，地震计以BBVS- 60、KS2000为主，数采以北京港震公司的EDAS-24 IP为主)，以及40个主动源接收台站(主要使用Reftek130B和GuralpCMG- 40T，采样率100Hz)组成(王彬等，2016)。根据区域特性和信噪比要求，挑选出信噪比较高且数据较为完整的6个台站(其中固定台2个(云南测震台网)，主动源台站4个)，所选台站、激发源和漾濞5.1级地震震中分布情况见图1，

表1 台站与激发源、地震震中的距离

注：距离均为近似值，精确到1km。

各台站与激发源及地震震中的距离见表1。对2017年1月1日～6月6日期间的相关台站记录资料进行收集、整理(本文采用的数据集中在较短的时间内，GPS授时稳定)，发现由于气枪保养维护及故障、接收台站仪器故障等原因，存在数据缺失等现象，其中1月16日～2月10日、2月22日～3月13日2个时段的数据缺失情况较为严重，其它大部分时间日均激发次数保持在13枪左右。53036台由于仪器故障，3月25日以后数据缺失。

2 资料处理

2.1 记录波形处理

以激发源附近的CKT0(图1 中五角星的位置，距离气枪激发源约50m)为参考台，近似为源的信息，截取某次激发记录波形信号为原始信号模板，对参考台的每次激发记录波形进行互相关处理，获得相对的气枪激发时刻(张元生等，2017)。在此基础上，以获取的激发时刻为准，对挑选出的6个台站进行时长为100s的记录波形数据截取，对参考台CKT0进行时长为5s的波形截取。对截取的波形资料进行去均值、去倾、去直流量处理，并进行3～5Hz的Butterworth带通滤波，降低噪声干扰，对畸变记录波形进行人工删除。随后，分别将同一枪的各台站数据与参考台数据作反卷积处理，对齐到时并去除震源影响，得到台站到参考台的格林函数，进而采用压缩感知、多尺度几何分析、数据稀疏性处理等综合去噪方法对格林函数进行去噪处理，以提高信噪比。对每个台站的所有格林函数进行叠加，将叠加结果作为各自台站的参考波形模板，同时对每个台站的格林函数按天叠加。最后，将每天的叠加结果与参考模板作互相关计算，互相关系数最大时，所对应的时间延迟则为这2段相似波形窗口的走时，为了提高精度，对计算结果余弦插值后提取更高精度的走时变化(刘自凤等，2015)。

2.2 震相走时变化量提取

周青云(2018)利用2017年2月宾川地震信号发射台集中激发的数据，对不同激发压力、沉放深度和水平位移条件下气枪信号的走时变化特征进行了系统研究。结果表明，由于气枪信号不同时窗走时变化不尽相同，技术手段难以消除压力的影响，建议未来气枪激发时，固定激发条件，利用已有资料对走时变化进行研究时选用振幅相近的数据(周青云，2018)。因此，本文在激发压力及沉放深度固定的情况下，取相关系数最大且最大震幅处的相近震相提取走时(图2 虚线框所示)，时间窗长度以能完整表现1个震相为原则，取值在0.5～1s之间，不同台站取值存在较小差异(Yang et al,2019)。图2 为EYA台计算震相走时结果。

图 2 EYA台计算震相走时(a)参考波形模板；(b)单天13枪叠加波形；(c)单天叠加波形与参考模板进行互相关计算的相关系数

3 结果分析

采用上述方法对6个台站记录波形资料进行处理，分别提取各自稳定震相的相关系数变化、走时变化曲线，如图3、图4 所示。由图3 可知，6个台站不同时间的相关系数均在0.9以上。

图 3 各台站相关系数变化

图 4 各台站走时及水位变化曲线

表2 各台站第1个“V”型前端的走时下降情况

通过水位资料计算，得到2017年1月1日～2月20日水库水位下降1.68m。53266台(图4(a))、53274台(图4(b))和EY16台(图4(e))走时变化平稳，EYA台(图4(c))和YUL台(图4(f))走时波动较大，53036台(图4(d))存在较为明显的下降趋势，此时段内数据缺失较为严重，不做重点讨论。自3月13日起，除53036台外，其余台站数据较为完整，故本文主要对3月13日～6月6日的走时变化情况进行分析。

自3月17日左右起，6个台站的走时开始下降，于3月24日左右达到低值，随后开始回升，于3月28日左右达到高值(53036台自3月26日开始数据缺失)，在回升过程中，于3月27日发生了漾濞5.1级地震。此后走时平静至4月5日左右再次下降，并于4月8日左右达到低值后再次回升，于4月17日左右达到高值。整个过程中，6个台站的走时变化具有较好的同步性，相关台站异常幅度大小和异常出现时间存在细小差异。震相走时呈双“V”型变化结构，第1个“V”形成时长约为12天左右，第2个“V”形成时长约为13天左右，由于数据缺失，第2个“V”可信度不高。漾濞5.1级地震发生在第1个“V”型末端，该结果与张元生等(2017)利用祁连山主动源连续激发台站记录资料，研究2015年11月23日祁连5.3级和2016年1月21日门源6.4级地震发生前后震源区附近台站走时变化特征相似。有所不同的是，祁连5.3级和门源6.4级发生在第2个“V”的形成过程或结束时段，这可能与地震震级大小、震中位置、震源区大小、源区硬化程度以及台站的观测环境有关，具体原因有待更多震例进一步验证。值得注意的是，在漾濞5.1级地震发生前，6个台站的走时存在较为明显的低值异常过程(第1个“V”前端)，该时段内6个台站走时下降情况见表2，其中，YUL台走时下降最为明显，约0.0144s，这与张元生等(2017)的研究结果以及魏芸芸等(2016)研究的新疆2次5级左右地震前气枪震源PmP波走时变化低值异常过程相似。“震源硬化模型”指出岩石在受力过程中，在其失稳源区存在“硬化”现象，硬化过程中其介质的刚度会增加，而刚度增加可能导致速度增加，从而使走时缩短(张元生等，2017；陈立德等，2003)。自3月17日～4月17日，水库水位下降0.62m，1个月内不足1m的水位变化对各台站走时变化的影响不明显。

自4月17日左右开始，至6月6日，水库水位下降5.04m。位于震中东侧的53266台(图4(a))和53274台(图4(b))的走时变化较为平稳(2个台站距离激发源较近，距离漾濞5.1级地震震中达60km以上)，且4月17日～6月3日(水位下降3.71m)，2个台站的走时变化与水位变化呈现一定的负相关性，6月3日～6月6日，水位变化剧烈(下降1.33m)，负相关性被打破，且走时变化与水位变化呈现同步下降趋势。位于震中附近的EYA台(图4(c))和震中西侧的EY16(图4(e))、YUL台(图4(f))走时变化波动明显(3个台距离激发源60km以上，距离震中小于45km)，其中YUL台最为明显。这可能是漾濞地震发生后，受震源区应力调整过程的影响，气枪信号在传播过程中，从不同方位穿越了震源区，致使相关台站记录的波形资料走时变化发生不同程度的波动。YUL台、地震震中及激发源大致在1条直线上，气枪信号可能穿越了震中附近振动最剧烈、破坏比也最严重的极震区，导致YUL台走时波动最为明显。该时段内，3个台站的走时变化与水位变化的对应关系不明显，相比于水库水位变化，震后区域应力调整更易对相关台站的走时变化产生实质性的影响。

4 结论

通过对6个台站记录的漾濞5.1级地震前后气枪震源波形资料进行处理，获取了各自稳定震相的走时数据，并对走时数据变化情况进行分析。结果表明，漾濞5.1级地震前后，6个台站各自稳定震相存在较为明显的走时变化，且短期内走时变化具有较好的同步性，相关台站异常幅度大小和异常出现时间存在细小差异。地震发生前，6个台站走时低值异常过程明显，以YUL台最为显著。地震发生前后走时变化形态特征为双“V”型，漾濞5.1级地震发生在第1个“V”型末端。地震发生后，不同方位相关台站受地震的影响程度不同，走时波动大小存在差异。

致谢：互相关时延计算程序由中国科学技术大学王宝善教授提供，审稿专家提出了宝贵的修改意见，在此表示衷心感谢。