未来城市地下空间探测的关键技术——大陆气枪震源

王栎,陈颙*,于大勇,胡久鹏,徐逸鹤,杨微,王涛

1 南京大学地球科学与工程学院，南京 210023 2 中国地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

进入21世纪以来，中国城市化进程加速推进.根据第七次全国人口普查结果，中国城市化率达到63.89%，且过去20年的增幅超过30%.在城市高速发展的背景下，城市地下空间的利用是城市发展中至关重要的一环，其作为城市的载体奠定了城市快速发展的基础.同时，城市地下空间的安全保障也是城市安全发展的前提.目前，北京、上海等特大型城市的地下空间利用深度在50 m左右，一线城市达到30 m，其他城市在20 m以内，相较于新加坡等发达国家对地下空间大于100 m的利用深度，我国目前对城市地下空间的利用水平还相对滞后；与此同时，城市地下空间容纳了供水供电管线、燃气电力管道等基础公共设施，但近年来许多城市因地下空间利用不合理而造成了大雨内涝、地面塌陷、地下管线泄露等诸多问题.随着城市人口的不断增长，城市地下空间的安全问题严重影响了人民的生命财产安全，给城市运行和长期发展带来了不利因素.因此，对城市地下空间的有效探明，是城市地下空间安全开发和高效利用的基础，城市地下空间探测也成为了深地探测等国家战略发展计划的重要方向.

地球物理探测作为一种无损、高效的方法，是探测城市地下空间的有效手段.随着城市的不断发展，城市地球物理也得到了广泛研究（Liu and Chan,2007;Miller,2013;Schreilechner and Eichkitz,2013），逐渐成为地球物理与城市发展科学的新兴领域.我国自上个世纪60年代开始对城市地下空间进行探查，进入21世纪以来，逐步开展了对部分城市地下三维空间结构的综合探测（郝英红等,2021;薛涛等,2021）.目前成都、武汉、雄安等城市已经开展了较为全面的地球物理综合探测与评价研究，对城市的地下空间结构有了较为清晰的认识（李华等,2020;马岩等,2020;赵镨等,2017）.

当前，开展城市地下空间探测的地球物理方法主要包括：重力探测、探地雷达、高密度电阻率、瞬变电磁法、测井与浅层地震勘探等（王栩等,2020;赵镨等,2017）.但城市中存在建筑分布密集、城市电缆产生游离电场、大量金属构件等因素的干扰，且城市地下空间探测对测深和分辨率有一定要求（武斌等,2019）.因此，抗干扰能力强、探测深、分辨率高的主动源地震勘探方法得到了广泛应用（高景华等,2007;杨吉武等,2021;周长江等,2019）.

1 新型人工主动源—气枪的应用

在主动源地震勘探中，需要选择激发能量大、频带宽的人工震源，以保证较好的数据质量和探测效果.目前，在陆上勘探中，主动源勘探使用的震源包括炸药震源、落锤震源、电火花震源、可控震源车等，其中炸药震源当量大、激发信号信噪比高，是使用最广泛的人工震源（陈颙和李宜晋,2007）.然而，在人口密度大、影响因素复杂的城市中，人工震源面临着环境污染小、施工周期短、破坏性低、对城市交通与社会活动影响弱等严格要求.同时，震源的可重复性对监测城市地下结构变化也尤为重要，因此炸药不宜继续作为城市主动源勘探的主要人工震源.其他主要使用的震源中，落锤震源和电火花震源激发的能量相对较低，可控震源车虽然激发能量较大，但由于车体庞大、对路况要求高且噪声污染大，在施工中会阻碍城市交通、影响城市运行与居民生活（陈颙和李宜晋,2007;陈颙等,2007a）.因此，传统的地球物理手段已经无法满足城市地下空间探测的要求，地球物理领域急需新型人工震源来满足我国日益增长的城市地下空间探测需求.

气枪震源是一种放置于水体中的新型人工震源，由美国Bolt公司Stephen Chelminski于1966年发明（Chelminski,1966），从20世纪80年代开始，气枪开始被广泛应用于海洋地震勘探.进入21世纪，我国的地球物理学家开始尝试将气枪震源引入陆上探测（陈颙等,2017），目前已开展了多次大陆气枪震源试验（杨微等,2021），并在云南宾川、新疆呼图壁、甘肃张掖和永靖建立了四个固定气枪信号发射台（Tian et al.,2018;Wang et al.,2012;陈颙等,2007b;郭晓等,2020;魏斌等,2016;张元生等,2016）.试验结果表明，大陆气枪震源作为一种新型的人工震源具有巨大的探测优势：

（1）绿色、无污染.气枪激发无污染物产生，不会对水中生物造成影响.

（2）能量转化效率高.131 L的气枪阵列在2000 psi的工作压力下产生的地震波能量可达一次ML0.7级地震产生的地震波能量，产生地震波能量的效率约为炸药的10倍（陈颙等,2017）.

（3）可重复性高.气枪阵列激发信号在一年内的相关系数始终保持在95%以上，震源的可重复性极高（魏斌等,2016）.

（4）安全、施工影响小.气枪激发时始终放置于水体中，噪声水平低，不影响城市人群的日常生活，且不会破坏地表结构.

这些特点使得大陆气枪震源具有成为城市地下空间探测主动源的巨大潜力.

2 大陆气枪震源在城市中的首次应用

大陆气枪震源在城市中的应用，具有一定的挑战.目前的大陆气枪震源主要采用大容量气枪（4条气枪组合阵列，每枪33 L），并放置在水库等大型水体中进行激发.然而人口密度大的城市环境对于大型设备场地、施工噪声、施工时间和城市运行影响的要求严苛，不具备在大规模水体中进行大容量气枪震源激发的试验条件.同时，大陆气枪震源的激发效果主要受到气枪在水体中沉放深度的影响，更深的气枪沉放深度可得到更好的激发效果（Wei et al.,2018;黄艳丹等,2018）.当前使用的大容量气枪震源主要放置在大型水库中，水深数十米，气枪沉放深度主要在15～35 m范围内.但大部分城市水体的深度在5～10 m以内，难以满足大容量气枪沉放深度的要求，激发效果难以验证.因此，大陆气枪震源尚未有过在城市中的应用尝试.

在此背景下，南京大学地球科学与工程学院与中国地震局地球物理研究所合作，于2017年12月14—15日在江苏省南京市栖霞区的羊山公园中，开展了大陆气枪震源在城市中的首次激发试验.在本次试验中，我们布设了一条长约5 km、由16台短周期地震仪组成的测线（图1），激发源为美国Teledyne Bolt公司的1900LL型小容量气枪（图2a），放置于公园内的羊山湖中，激发压力15 MPa，气枪容量4.1 L，仅为大容量气枪震源总容量的1/32.气枪震源控制系统位于岸边，用以控制气枪激发、接收GPS时间与位置信号等，激发时间精度可达微秒级.

羊山公园位于南京市栖霞区的仙林大学城东部 （图2b），占地1.34 km2，处于仙林副城中心区，临近南京大学、南京中医药大学等高校，周边住宅众多，人口密集，交通路网发达，满足在城市人口密集区域试验大陆气枪震源应用效果的测试条件.公园内的羊山湖为本次试验的激发水体，湖面面积约为0.6 km2，实测水深最深约2.5 m，是典型的小规模城市水体环境，为大陆气枪震源在城市内激发提供了理想的试验环境.

图1 羊山湖气枪激发试验观测系统Fig.1 Observation system of Yangshanhu lake seismic airgun excitation experiment

图2 （a） Teledyne Bolt 1900LL型气枪震源;（b） 试验区域卫星图 （红色标记为台站位置）Fig.2 （a） Teledyne Bolt 1900LL seismic airgun source;（b） Satellite image of experimental field （Red symbols are locations of seismic stations）

本试验的观测系统于2017年12月14日安装完毕，并在12月14—15日的日间持续工作.气枪震源沉放处水深2.5 m，沉放深度2 m，为极浅水域激发.在系统调试阶段，采用手动激发方式，根据激发效果调整激发参数，待效果稳定后，采用程序控制定时激发，每30 s激发一次，共激发373次.

3 试验结果与分析

本文对地震仪记录到的气枪数据进行了处理，处理流程参考大容量气枪震源的数据处理流程（翟秋实等,2016）.处理中首先根据气枪震源激发时间表，对连续记录进行事件切分，得到了每次激发被各个地震台站接收到的事件信号，对事件信号进行预处理后进行线性叠加，并滤波至1～50 Hz.对经过处理得到的叠加信号，本文通过计算相关系数、计算信噪比、时频分析、频率-波数分析（F-K分析）等方法对小容量气枪震源的激发信号特征进行了分析.

3.1 相关系数

图3 614台气枪震源激发信号相关系数Fig.3 Correlation coefficient of seismic airgun signals at station 614

本研究首先分析了该小容量气枪震源激发信号的可重复性参数.我们选取了布设在离震源最近的614地震台（图1，震中距450 m）在2017年12月15日上午记录到的100次激发信号，对这100次激发信号进行线性叠加和归一化，并将该叠加波形作为参考波形，用614台站在100次激发中每次激发信号的波形与参考波形进行相关计算后，得到了每次气枪震源激发信号的相关系数（图3）.结果显示，在100次激发中，相关系数几乎都在95%以上，并在开始激发后随着激发状态的稳定逐渐上升.在第50次激发前后，相关系数达到99%，之后相关系数缓慢下降，这可能与试验一段时间后气枪未能满气激发有关.由于30 s的气枪激发间隔时间较短，在试验后段可能由于注气不足，导致了气枪信号的相关性逐渐下降，但整体的相关系数仍可保持在95%以上，表明了气枪激发信号极高的可重复性.

气枪信号在工作压力稳定的情况下，会受到沉放深度的影响（Chen et al.,2014;黄艳丹等,2018）.相比于放置于水库等大规模水体中的大容量气枪震源，羊山湖气枪激发试验的水体规模很小，水深极浅，且试验当天有一定降雨量，更易使气枪激发信号受到影响.在此试验环境下，气枪信号的相关系数依然保持在95%以上，处于重复地震的相关系数阈值之上.这表明小容量气枪震源即使在易受影响的城市小规模水体中，仍然具有极高的可重复性，抗干扰能力强.

3.2 信噪比计算

由于小容量气枪震源激发信号具有高可重复性，本研究对记录到的多次激发信号进行线性叠加来提高信噪比，并分析了对气枪震源信号进行识别的可靠性.首先选取布设在南京大学天文台处的636台站（图1，震中距2.06 km），将其在2017年12月15日中记录到的单次激发和100次激发叠加后的三分量波形进行了对比.结果显示，单次激发事件的三分量波形中（图4a），虽然随机噪声有一定干扰，但三个分量的P波初至相对明显，能够有效识别气枪激发信号.经过100次叠加后的三分量波形，随机噪声被大幅度压制，震相清晰，信噪比极高（图4b）.其中，E-W、N-S和Z（垂直）三个分量单次激发波形的均方根信噪比（信号窗均方根/噪声窗均方根）分别为1.53、2.23和2.21，叠加后分别为13.87、18.92和17.55.三个分量的信号经过100次叠加后，信噪比分别提升了9.06倍、8.48倍和7.94倍.

其次，本研究观察了信号随震中距的变化特征（图5）.将各台站Z分量接收到的信号经过100次叠加后按震中距排列（图5a），结果显示在2.5 km范围内都具有较高的信噪比，初至信号明显，视速度在3.8 km·s-1左右.同时，单次激发与100次叠加的信噪比水平对比结果（图5b）显示，100次叠加处理可使气枪信号在2.5 km震中距内提升一个数量级.该结果表明，4.1 L的小容量气枪震源在小规模水体中的单次激发信号可被震中距至少在2.5 km内的地震仪清晰记录，多次叠加处理后，气枪激发信号的信噪比将大幅度提升.

图4 636台站气枪震源激发波形对比（5～30 Hz带通滤波，0 s为激发零时）（a） 单次激发波形；（b） 100次叠加后波形.Fig.4 Comparison of seismic airgun signals at station 636 （5～30 Hz bandpass filtered,0 time is the excitation moment）（a） Single-shot waveform；（b） 100-time stacked waveform.

图5 气枪震源信号随震中距变化的特征（a） Z分量100次叠加波形随震中距的变化（直线为3.8 km·s-1视速度）；（b） （a）中波形信噪比随震中距的变化.Fig.5 Characteristics of seismic airgun signal varied with epicenter distance（a） Z component 100-time stacked waveforms varied with epicenter distance.The line showed the 3.8 km·s-1 apparent velocity；（b） Signal-noise ratios of waveforms in （a） varied with epicenter distance.

3.3 时频分析

本研究选取了614、654和647三个短周期地震台（图1，震中距分别为0.44 km、1.74 km和2.27 km）的100次叠加信号进行时频分析.在分析前，考虑到本次试验区域较小，观测信号受到传播路径上几何扩散的影响相对较大，且观测台站布设在城市区域中，容易受到城市地表松散土层或沉积层的影响.因此，我们首先采用HVSR方法测算了每个台站记录信号的优势频率，讨论了台站下方松散沉积层对接收信号的影响.之后对波形信号进行了几何扩散校正，并将校正后的信号进行了时频分析.

HVSR方法（Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio）是一种利用单个地震台站接收的随机噪声信号计算台站下方松散沉积层层厚的方法（Nakamura,1989）.该方法计算三分量地震仪的水平分量信号和垂直分量信号在频率域的比值，当地表松散沉积层与基岩之间存在较大的波阻抗差异时，比值结果会呈现出明显的峰值频率，该频率与松散沉积层的卓越频率一致，可用于估计沉积层厚度和场地放大效应（Nakamura,2019;Parolai et al.,2002）.本研究对所有台站进行了HVSR曲线计算（图6），计算时选取未进行气枪震源激发的时段以避免气枪震源的影响.HVSR结果表明，除615、616台站外的所有台站未出现明显的峰值频率，表明下方不存在明显的沉积层.而615和616台站的峰值频率分别为1.55 Hz和2.95 Hz，参考后文的时频分析结果（图7）可知，其峰值频率与气枪信号所在主频的频段差异较大，并不会对气枪信号主频段内的信号产生影响.因此，本次试验的观测系统并未受到城市地表松散沉积层的明显影响.

图6 不同台站HVSR曲线对比Fig.6 Comparison of HVSR curves between different seismic stations

确定城市地表沉积层不会对结果产生明显影响后，笔者对接收信号振幅进行了几何扩散校正.结合图5中的视速度和图7中得到的信号主频，计算得到该小容量气枪震源激发信号的波长约为100 m.本次试验布设的所有台站震中距均在信号的三倍波长距离外，因此可将所有接收到的信号作为远场信号进行处理.参考地震波在均匀各向同性介质中的远场传播公式（Aki and Richards,2002）可知，位移与震中距的关系为u∝γ-1.因此对每个台站的接收信号乘上震中距γ，将不同震中距带来的几何扩散影响校正后，计算得到的时频特征见图7.从中可见，气枪信号存在两个部分的主频，分别集中于25～35 Hz频段内和4～7 Hz频段内.其中处于25～35 Hz频段内的高频信号在最近的614台站能量极强，到时和弛豫时间短，但能量在稍远的两个台站中迅速衰减，因此该信号为气枪震源激发的高频脉冲信号；主频在4～7 Hz频段内信号的能量在614台相比25～35 Hz频段内信号能量较弱，有相对明显的弛豫时间，为气枪激发的振荡信号.观测系统内其他台站的时频分析结果也进一步表明，小容量气枪震源的脉冲信号处于25～35 Hz频段内，振荡信号处于4～7 Hz频段内.由于该次试验为极浅水域激发，因此气枪的振荡信号可能发育较差，导致其能量较弱.此外，信号在15 Hz左右能量较强，结合试验场地条件推测，羊山湖的水底界面复杂，该部分信号是由水体形状不规则所引起的.

由于气枪激发信号会同时受到激发条件和水体环境（水体大小、形状等）的影响，在恒定激发条件下，气枪信号在不同水体中也会表现出不同波形和时频特征（Chen et al.,2014;杨微等,2020）.图7结果表明，小容量气枪在羊山湖中激发信号波形和时频特征较为复杂，其时频特征与云南宾川气枪发射台激发信号的时频特征较为相似（胡久鹏等,2017）.据此推断，羊山湖水体底部结构和形状复杂，激发水深较浅，对气枪激发信号存在一定影响，需要对此类试验条件进行进一步的试验探究.

图7 气枪信号时频分析（a） 614台站；（b） 654台站；（c） 647台站.每图上部为100次叠加Z分量波形 （1 s为激发零时），下部为波形时频图Fig.7 Time-frequency analysis of seismic airgun signals（a） Station 614；（b） Station 654；（c） Station 647.The top row of each plot is the 100-time stacked waveform of the vertical component （1 second is the excitation time）.The bottom row of each plot is the time-frequency representation of the stacked waveform.

3.4 F-K分析

F-K分析方法早期由Capon（1969）提出，后来被广泛应用在地震台阵分析中（唐明帅等,2010）.该方法通过对台阵数据进行分析，可以获得地震事件的反方位角和慢度.本次试验中，我们选取了布设在南京大学天文台的小型台阵（617、634-637、646-649共9个台站）的100次叠加数据进行了F-K分析，设置慢度网络拐点为-2.0～2.0 s·km-1，步长为0.005 s·km-1，滑动窗口为0.4 s，滑动步长为0.05 s，最终计算得到了气枪信号的F-K分析结果（图8）.结果以极坐标图表示，极径为慢度值，极角为反方位角值.结果显示，反方位角范围在205°到215°之间，慢度值在0.28～0.3 s·km-1之间.并且在该结果中，气枪信号的能量明显高于其他干扰信号，聚焦效果良好.进一步分析发现，气枪信号的反方位角约为213°，慢度值约为0.28 s·km-1，可得气枪信号从水中激发到地震台站接收路径上的平均速度为3.57 km·s-1.该速度与气枪信号的视速度大致相符（图5），且反方位角与地震台阵间的实际反方位角（～225°）基本吻合，验证了分析结果的准确性.

以上分析结果表明小容量气枪震源在城市小规模水体中具有良好的激发效果，激发信号的相关系数和信噪比高，震相到时清晰，可对浅表地层速度进行有效的探测，表明了小容量气枪震源在城市应用中的有效性.

4 结论

2017年12月在南京开展的羊山湖气枪激发试验，为新型人工主动源—大陆气枪震源在城市内的首次应用.本次试验使用了容量为4.1 L的大陆气枪震源，放置在南京市栖霞区羊山公园内面积不足1 km2的羊山湖中进行激发，湖深2.5 m，气枪震源沉放深度2 m.通过分析气枪震源的激发信号，结果表明：沉放在小规模水体中的小容量气枪震源可激发相关系数在95%以上的地震信号，具有很高的信号可重复性.在城市中激发信号经过100次叠加后，信噪比可获得极大提升；气枪激发的脉冲信号处于25～35 Hz频段内，振荡信号处于4～7 Hz频段内.通过F-K分析，验证了气枪信号对浅层速度探测的有效性，分析得到了气枪激发信号沿北东方向（反方位角213°）的平均传播速度约为3.57 km·s-1.表明了大陆气枪震源在城市小规模水体中的良好应用效果，满足城市地下空间的探测需要.

5 应用前景

本次羊山湖气枪激发试验对大陆气枪震源在城市中心区域小规模水体中的应用效果进行了初步研究.结果表明，沉放在小规模水体中的小容量气枪震源信号具有很高的可重复性，在城市中激发同样可以得到具有高信噪比的信号.同时，小容量气枪震源的信号主频具有与过往研究相似的特征（陈颙等,2017;胡久鹏等,2017），这表明小容量气枪震源在城市中同样可以完成对城市地下空间的探测任务.此外，本文通过F-K分析方法对气枪激发信号的反方位角与慢度进行分析，得到了气枪信号在羊山湖附近区域浅表的传播速度，分析结果合理可靠，表明小容量气枪震源具有对半径2.5 km范围内城市地下空间进行有效探测的能力，验证了大陆气枪震源作为一种安全高效的城市地下空间探测主动源的有效性.

此外，气枪的高可重复性使得气枪信号可用于监测地下应力和波速的微弱变化（陈颙等,2017）.重复性和精度高的走时测量技术是观测地下结构应力和波速变化的关键（Wang et al.,2008）.目前，背景噪声技术是对地下结构成像、地下波速和水位动态变化特征进行监测的重要技术手段（Li et al.,2016;Liang and Langston,2009;Shapiro and Campillo,2004），但背景噪声源会随着季节而改变，并需要叠加至少一个月的连续记录数据来保证结果的稳定性（Stehly et al.,2007;顾悦等,2021;杨建文等,2021;于雯等,2021），同时背景噪声提取的面波相对低频，使得城市内的噪声成像分辨率受限.相比之下，大陆气枪震源实验获得的信号主频普遍较高（Wang et al.,2018;陈颙等,2017），在地下结构探测过程中可具有较高的空间分辨率，同时大陆气枪还可激发有效面波用于地下结构探测与介质变化监测（于雯等,2021）.本次实验中使用的小容量气枪震源所激发的信号可重复性在95%以上，可对浅表波速和应力的动态变化特征进行有效监测（Wang et al.,2020）.采用本实验中30 s的激发间隔，可使得大陆气枪震源在城市中，每不到一小时就可获得具有极高信噪比的地震信号，极大程度地缩短了对城市浅表特征动态监测所需时间，大幅提高了监测效率.为城市浅表的动态监测提供了良好的激发震源选择.

本次试验是大陆气枪震源在极浅水域激发的首次尝试，试验结果验证了大陆气枪震源在城区水体中激发的有效性，突破了过往在水库等大型水体中试验激发的水体规模限制.另一方面，试验过程中，气枪震源的准备与激发过程无需对城市运行状态提出较大要求，不会对所在水域和周边环境产生较大影响.同时，气枪震源激发不影响水域生物的生存环境和居民生活，突破了传统地球物理勘探技术的限制.我国水域资源丰富、类型多样，目前在全国28个省（自治区、直辖市）范围内，共有2693座面积在1 km2以上的自然湖，总面积约占我国国土面积的0.9%（马荣华等,2011）.本次试验所在的羊山湖为面积不足1 km2的城市人工湖，此类水域在全国数量更大、分布更为广泛.这表明采用大陆气枪震源作为城市中应用的新型主动源，可对我国大部分城市进行有效的地下空间探测.在我国城区水域面积辽阔、城市规模庞大、城市地下空间探测需求强烈的背景下，大陆气枪震源具有十分广阔的应用前景，将成为未来城市地下空间探测的关键技术.

致谢感谢三位审稿专家对本文的宝贵意见和建议，感谢中国地震局地球物理勘探中心对本次试验野外数据采集工作的支持.感谢阮友谊副教授对本文内容的审阅和修改贡献.