区域尺度地球结构、状态和介质变化研究是天然地震学和勘探地震学共同关注的问题。探索适宜于大陆浅部区域尺度地下结构探测与介质物性变化监测的新型人工震源,据此构筑地震雷达平台,向地下主动发射地震波,将为深部油气资源利用、浅部地球动力学、城市地球物理学和防震减灾事业等提供重要工具。目前,地下介质动态变化测量研究使用的震源主要为相似地震、背景噪声、人工震源和部分非常规震源。在天然源方面,大地震时空分布不均,相似地震数量有限,背景噪声需经长时间叠加才能获取稳定信号且其存在季节性变化等不利因素使得三者对于波速变化测量的时空分辨率与精度较低。在人工源方面,传统炸药震源使用愈发受限,连续震源等因释放能量低,不适宜进行区域尺度探测与监测研究等因素限制了现有大陆人工源的监测应用。为寻找理想震源,我们通过一系列野外探索实验对多种人工震源进行了测试筛选,最终选定具有绿色环保、高效、重复性好等优点的海洋勘探气枪震源作为探测震源,并成功实现陆上有限水体中的移植激发。本文结合区域尺度大陆浅部结构探测和介质变化监测这一核心目的,以历次陆上大容量气枪阵列激发实验为基础,围绕探索发展新的探测与监测方法,对气枪主动源探测技术中的相关信号处理与波场传播问题进行了研究。本论文的主要工作包括以下几个方面:第一、全面回顾与对比了历次陆上大容量气枪震源实验。首先在总结海洋气枪震源发展历史、技术原理和气枪激发理论发展进程与研究成果的基础上,讨论了海洋气枪震源与陆上气枪震源的差异。陆上大容量气枪震源是气枪阵列与有限水体环境耦合的结果,固液界面的存在是陆上水体气枪震源的关键特征。陆上水体气枪震源涉及气泡振荡理论,气-液和液-固界面的耦合,水体边界条件,地震波传播等多种机制,是气体-流体-固体三相耦合的复杂物理系统。其次详述了多年来陆上水体大容量气枪震源激发实验,总结了气枪震源在研究区域尺度介质变化监测中的独特优势,对比了不同水体中的信号特征与影响因素。陆上不同水体中气枪信号模拟和实际激发效果对比表明,气枪激发的主要影响因素包括气枪枪体（类型,容量,同步性）、工作条件（激发压力,沉放深度）和水体条件（水位,水体形状,水体大小）。对不同影响因素的模拟总结,可加深对陆上气枪震源的震源特性的认识,有利于改进激发环境的设计与评价,获得更好的激发条件。第二、基于噪声特征的气枪震源数据自动筛选与处理方法。发射台噪声水平分析显示,在气枪优势频带2-10Hz范围内宾川台周边台站噪声水平普遍在-130dB左右,仅部分台站背景噪声值较高。台站环境噪声影响气枪信号的处理提取,据此提出了一种利用信号记录中噪声特征的气枪震源数据自动筛选方法——RMS筛选法。气枪震源信号处理过程中,多次小能量激发叠加等效于一次大能量激发和利用干涉获取走时变化来成像介质变化的处理方式,决定了其对叠加技术的需求;地震信号发射台的大规模激发和密集台阵积累的海量气枪信号数据,催生了对于信号自动化处理的要求。不同气枪发射台实际信号处理证实RMS筛选叠加效果明显优于传统叠加方法,更能压制强噪声的干扰,可有效提高信噪比。RMS筛选叠加结果显示,宾川台信号传播距离可由250km增加至350km,呼图壁台由500km左右增加至1000km,张掖台由300km增加至近500km。第三、气枪震源信号传播规律与差异。利用已建立并在持续运行的三个固定地震信号发射台数据对气枪震源信号传播过程中的一系列问题进行了研究。在分析气枪信号能量空间分布与传播方向差异的基础上,利用呼图壁台气枪信号中Pn波震相研究了中天山地区上地幔品质因子Q₀=388,与前人利用天然地震获得的结果一致,表明了利用气枪震源进行区域震相衰减研究的可行性。气枪源参考台速度记录均在10⁶nm/s量级,其中呼图壁台产生的信号振幅最强。宾川台信号的衰减最快,原因可能是由于云南地区地质结构复杂,几何传播衰减值较其他地区大,而品质因子Q值更小。而宾川台激发S波振幅空间分布研究表明S波可能由气枪对水底及岸边的冲击和耦合产生。研究气枪源信号波场传播影响对于深入理解陆上水体气枪源激发机理,探索不同区域的潜在应用有重要作用。