一、研究背景
处青藏高原北部的祁连山-河西走廊地区，位于青藏块体与阿拉善块体挤压缝合地带，是个新构造运动十分强烈的地区，周围断裂带众多，主要有祁连山北缘断裂带、昌马-俄博断裂带、榆木山断裂带、龙首山断裂带等，区内分布着大型深断裂带，不仅是重要的大地构造区边界断裂，也是控制现今强震活动的活断层，该区构造活动强烈，地震活动十分频繁。1900年以来发生的5级以上地震就有20多次，最显著的是1927年古浪8级、1932年昌马7.6级和1954年山丹7¼强震。据1900年以来的强震资料统计，区内6级以上地震平均10年发生1次，1970年有仪器观测以来的资料统计（约46年）结果表明，平均每年发生 5级以上地震0.5次。
地震波在地球介质中传播时携带着介质丰富的参数信息，为探索地球内部结构、物质组成以及动态变化提供了研究手段，所以说地震是一盏照明地球内部的明灯。主动源重复探测简称主动源，是用大容量气枪作震源，进行连续激发，获取人工震源信号来研究走时和波形变化，对区域性地下介质进行定期“B超检测”。
甘肃祁连山主动源的激发源地处祁连山腹地，位于黑河二级电站水库，距张掖市53公里，激发点水深为45-65米（年平均水深约为55米），湖面宽约200米，是甘肃中西部进行主动源探测良好的激发场地。已建成的甘肃祁连山主动源主要包括气枪激发系统，供电系统、野外台站观测系统、数据传输与处理系统和辅助系统等。于2015年7月9日投入正式运行，截止2016年5月底，已获得近6000次的激发波形记录。甘肃祁连山主动源大容量气枪震源具有激发能量强（约ML0.7）、优势频率低（2-8Hz）、可重复性好（相关系数0.98-1.00）、绿色环保、容易控制等特点，可以通过多次叠加提高信噪比，探测距离大（约300km），探测技术系统精度高，能够观测到由固体潮引起的地下介质连续变化。通过多次叠加大容量气枪激发观测波形，可以有效的压制噪声干扰，提高信噪比，提取与气枪震源激发相关的有用信号，如，Pg、Pc、P2、PmP、Pn和Sg等多组激发信号。
甘肃祁连山主动源大容量气枪激发系统已按计划每周一晚至周二凌晨进行约50次连续激发实验，气枪激发观测数据还在不断增加。为便于观测数据结果的快速产出，并用于分析地下介质的波速变化信息，同时将波速变化等相关研究结果提供给相关部门作为预报工作的参考资料，为地方防震减灾提供技术支持。为此，本项目利用具有高度的可重复性大容量气枪开展祁连山-河西走廊区域地下介质速度变化的监测研究，应用滤波和叠加、波形相关等技术处理甘肃祁连山主动源气枪激发波形数据，获取祁连山-河西走廊地区地下介质波速动态变化的“云图”信息，并将研究结果应用于年中、年度、震后趋势、紧急会商、月会商和专题会商中，同时，开发一套主动源气枪震源数据整合与格式转换软件，要求实现流动野外台阵数据快速自动整合成通用的数据格式（如SAC、EVT和miniSEED），方便利用成熟的分析软件进行处理。本项目的开展对促进甘肃主动源台阵资料在地震预测预报中的应用实践和减轻区域灾害都具有重要意义。
二、主要技术方法
1、叠加
祁连山主动源气枪信号发射平台一次激发所产生的能量仅相当于0.7级的地震，震源信号到达距离较远的接收台站之后会变得非常微弱，性噪比很低，有效信号淹没在噪声中。但由于祁连山主动源震源重复性很高，持续激发会得到多个相似性和重复性很高的格林函数，所以最有效的手段和方法就是将台站接收到的多个重复激发的地震信号进行叠加以提高性噪比，在强背景随机噪声中提取出气枪激发信号。
目前，国内通常使用的叠加方法有两种：线性叠加与相位加权叠加。在实际计算过程中，我们对线性叠加与相位加权叠加这两种方法进行了对比分析，线性叠加方法的优点在于数据叠加过程中并不会改变波形形态，相位加权叠加方法可以更加有效地压制尖锐噪声、突出有效信号，但却使波形发生了畸变。选用相位加权叠加这种方法对各个震相的走时变化的测量将存在缺陷，因此我们选用了线性叠加方法来提取祁连山主动源气枪激发信号。
2、波速变化测量
早在上世纪六、七十年代，地球物理学家为测量波速变化作了大量的工作，发现地下介质的波速变化非常微弱，一般变化量级只有1%，在当时，这种量级的变化还无法精确获得。当前，随着观测技术的发展和地震台站的密集化，测量地下介质微小量级的波速变化有望实现。而利用祁连山主动源气枪激发信号的高度可重复性以及震源和接收台站的位置相对保持不变的特点，可对祁连山中段区域地下介质的波速变化进行重复测量。
传统的测量地下介质波速变化的方法就是直接测量P波、S波等直达波震相的到时。由于在上世纪，传统测量地震波到时的方法基本上都是人工拾取到时，误差较大。但随着数字化信息处理技术以及利用祁连山主动源气枪发射地震信号的高重复性，可利用互相关时延检测和尾波干涉等方法，得到精度较高的走时变化。
互相关时延检测主要是通过计算每个窗口最大相关系数所对应的走时延迟来得到走时差的。但祁连山主动源台站的采样率为100Hz，意味着获得的最小走时延迟为0.01s，有时相关函数的最高峰值并不在采样点上，在采样点的两边（或左或右），小于采样点所对应的时间精度，我们采用了余弦插值拟合的方法，先拟合出余弦函数，再在原始点附近进行插值。这样可将相关函数的峰值位置恢复，从而得到精度更高的时间位置。尾波干涉法大致可分为移动窗互相关、移动窗互谱、以及波形拉伸三种方法。
三、主要成果
1、软件著作权登记
ReftekData2Evt是地震波形数据格式转换软件，软件可以将REFTEK-130、REFTEK-130B、REFTEK-130S系列数据采集器记录到的数字地震波形数据快速、自动、批量转换为地震学者常用的EVT格式的地震波形数据。该软件已完成登记。
本软件在.NET Framework平台上用完全面向对象的C#语言实现。.NET Framework是用于Windows的新托管代码编程模型，其平台上的C#语言有更好的通用性和封装性。
2、资助发表的论文
（1）邹锐, 郭晓, 张元生,等.利用祁连山主动源资料研究2016年门源6.4级地震前后波速变化. 中国地震, 2018，34(2)：283-292。（第一标注）
（2）Zou Rui, Guo Xiao, Zhang Yuansheng , et al. A Study on the Seismic Velocity Changes before and after the 2016 MS6.4 Menyuan Earthquake Using the Active Source Data in the Qilian Mountain. Earthquake Research in China, 2018, 32(4):549-559。（第一标注）
（3）CHENG Guoliang, ZHANG Yuansheng, WEI Congxin. Effects of the Nepal MS8.1 Earthquake in 2015 on Seismic Activity in the Qinghai-Tibetan Plateau. Earthquake Research in China, 2019, 33(3):451-460。（第一标注）
（4）Wei C. , Qin M , Zhang Y , et al. Airgun Excitation Experiments at Different Placement Depths in the Qilian Mountain of Gansu Province, China. Seismological Research Letters, 2018，89(2)：974-982。（SCI检索 第三标注）
（5）郭晓等，2019，中国大陆几次强地震长波辐射异常分析，地震工程学报，41（5）：1221-1227。（第一标注）
3、祁连山-河西走廊地区地下介质走时变化云图信息
每周及时更新了主动源气枪激发资料并完成格式转换（数据截止到2019年12月）；完成了资料处理和分析, 获得了祁连山-河西走廊地区绝大部分台站地下介质波速动态变化的时序变化曲线。掌握了利用人工主动源分析地下介质动态变化的“云图”技术，成功获取了地下介质波速动态变化的“云图”信息(如图)。研究结果表明：在2016年青海门源6.4级地震、2015年青海祁连5.1级地震、2019年甘肃张掖5级地震发生前各自震源区内台站均出现了较明显的走时异常变化；同时，将监测研究结果应用于年中、年度地震会商中，对促进甘肃主动源台阵资料在地震预测预报中的应用实践和减轻区域灾害都具有重要意义。
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