岩石电磁辐射信号观测系统构建及检验

针对岩石电磁实验研究需要,构建专用岩石电磁辐射信号观测系统。铜板电容传感器的采用,将观测的频率带宽由固定点频拓宽至2.5 kHz—800 kHz的宽频带范围;PXIe-6368数据采集卡的应用,消除了PAC声发射仪的带通滤波和波形前端滤波功能对信号的影响,使观测系统可以记录到原始的EME信号。通过人工信号和岩石加载实验,对观测系统进行检验,发现:该观测系统可以采集2.5 kHz—800 kHz频带范围内0.1 mV以上EME信号,具有每通道最大2 M采样率、最多16通道同步采集功能。本套电磁辐射信号观测系统可以用来检测岩石加载过程中产生的EME信号,也可用于多种岩石物性参数的多通道同步采集。     

江苏东海深井观测地震波形及其信噪比研究

为了探索在高噪声干扰地区获取高信噪比地震信息的有效途径,本文分析了我国第一个超深井地震观测站江苏东海地壳活动国家野外科学观测研究站设置在地面与井下三个不同深度处的地震仪所记录的波形及其信噪比特征。结果显示：由于观测研究站周围强烈的噪声扰动,地面地震仪记录中无法识别M_L0.8地方震波形,而深井地震仪可清晰地记录到该小震波形,且深井地震仪可观测到较地面地震仪更多的零级或负震级地震;井下三组不同深度地震仪所记录波形的信噪比均远高于地面地震仪,且不同深度地震波形信噪比的平均值随仪器深度的增大而增加。井下1 559.5 m处的地震仪的波形平均信噪比为69.20 dB,2 545.5 m处的信噪比达到74.15 dB,均达到高保真波形的信噪比值,这说明1 500 m深处地震仪所观测到的波形可以有效地避免地面干扰,因此深井地震观测能够提供高信噪比的波形资料,为研究震源过程和场地效应等提供真实可靠的基础资料,这也预示着深井观测将促进深井地震学的研究与发展。     

秦岭中段及其相邻区域S波速度结构研究

利用纯S波波形拟合方法,输入纯S波波形,使用传递矩阵计算了层状介质自底面传到地表约100 km厚度、32 s的理论地震波形;引进快速模拟退火法进行反演搜索理想模型,用理论波形与观测波形的相关系数作为约束函数,选择同一台站几个震例的理论波形与实际波形吻合最好的模型作为该台站下方的可接受速度结构模型.收集深源远震的清晰S波记录波形,我们共得到了陕西省境内秦岭造山带中段及其邻近区域13个地震台站下方的S波速度结构.结果显示,秦岭造山地带、渭河盆地及鄂尔多斯块体的地壳结构之间存在很大的差异,各个块体有其各自的构造特点;不过三个块体的地壳厚度都显示了由东向西逐渐增加的变化趋势.     

蓟县地震台VP型宽频带倾斜仪和DSQ型水管倾斜仪同震响应对比分析

选取2019年蓟县地震台VP型宽频带倾斜仪和DSQ型水管倾斜仪记录的10个地震事件,基于前兆台网观测数据跟踪分析平台,对比分析2套观测系统的同震响应参数。在分析过程中,以2019年12月15日菲律宾棉兰老岛MS6.8地震为例,进行震相识别和快速傅里叶变换分析,并以2017—2019年日本岛弧地区地震记录为例,对比分析同震形变波振幅与震级的关系。分析结果表明：(1) 2套观测系统记录的最大响应幅度、响应延迟时间、响应持续时间具有一定规律和差异性;(2)在频率响应上,VP型宽频带倾斜仪记录波谱信息丰富,可识别P波、S波、面波,而DSQ型水管倾斜仪记录波形频率集中分布在2—32 min;(3)对于日本岛弧地区5—7级地震,VP型宽频带倾斜仪记录的波形振幅A与震级M的指数关系明显,而DSQ型水管倾斜仪对5级地震映震能力不强。     

利用最小平方基准面延拓压制自由表面多次波II:海洋拖缆观测数据

压制自由表面多次波一直是海洋拖缆地震数据处理中非常关键的环节.浅水等复杂条件下的多次波压制给现有方法构成了严峻的挑战.本文姊妹篇基于卷积型互易定理建立了地下基准面上的虚拟观测信号与实际观测地震数据之间的转化方程,进而借助约束优化反演理论提出最小平方基准面延拓(LSR)方法,用于消除海底观测地震数据中的表面多次波.本文遵循相同的原理,分别针对双检波器同时记录声压场和质点垂直速度信号、单检波器仅记录声压场信号两种拖缆采集方式,探讨基于LSR的表面多次波压制方法及其影响因素.理论模型合成数据实验展示了方法特点与有效性,南黄海浅水拖缆双检地震数据处理结果表明方法具有良好的应用前景.     

基于可视性分析与能量补偿的金属矿弹性波全波形反演

采用弹性波全波形反演方法精确重建深部金属矿多参数模型,建模过程采用基于地震照明的反演策略.首先给出基于照明理论的观测系统可视性定义,利用可视性分析构建新的目标函数,对反演目标可视性较高的炮检对接收到的地震记录在波场匹配时占有更高的权重,确保了参与反演计算中的地震数据的有效性;其次将给定观测系统对地下介质的弹性波场照明强度作为优化因子,根据地震波在波阻抗界面处的能量分配特点,自适应补偿波场能量分布和优化速度梯度,以提高弹性波全波形反演过程的稳定性和反演结果的精度.理论模型和金属矿模型反演试验结果表明,基于可视性分析和能量补偿的反演策略可以使弹性波全波形反演更快地收敛到目标函数的全局极小值,获得适用于金属矿高分辨率地震偏移成像的多参数模型.     

基于S变换的太原地震监测站洞体应变大风干扰时频特征分析

因太原地震监测中心站洞体应变观测分钟值数据记录的风扰信号与同震波形相似,为进行两者的特征识别,特选取2020年6月24日该台洞体应变仪与地震计记录的地震及大风波形数据,采用S变换法进行时频特征分析.结果表明,洞体应变仪记录的风扰信号与地震信号时频图像形态相似,频率接近,归一化频率范围均在0.1～0.5之间,不易辨识;在...     

波形反演方法及其在新疆地区转换波测深中的应用

利用天然地震记录直达P波后续20s内的波形信息,研究了地壳、土地慢速度结构反演的方法、唯一性、精度及应注意的问题,并将求解有条件极值的惩罚数法和求解无条件极值的单纯形法引入到波形反演.数值计算证明,波形反演方法对记录的误差有压制作用,在深源、远震、各向同性水平层状近似合理的前提下,可用一个地震事件在射线平面内的二分量记录反演台站区地壳、上地幔P、S波速度结构.在新疆天山地区转换波流动台站观测中,选择出较好的记录进行波形反演,给出了该转换被测深剖面上6个台站下方的地壳、上地慢P、S波速度结构.通过塔里木盆地内一测点上波形反演和地震勘探结果的对比证明,波形反演方法具有满意的精度.     

云南漾濞MS6.4地震信号的旋转和平动分量面波记录分析研究

旋转分量是地震波场的重要组成部分,可以为地球内部结构成像和震源参数测定等研究提供基础信息,然而缺少高精度的观测仪器,其应用受限.新发展的高精度光纤陀螺为测量旋转分量提供了一个较为可行的方案,其性能需要进一步验证.为此,武汉大地测量国家野外科学观测研究站利用两个光纤陀螺和一个宽频带地震仪组成了多分量观测系统,并开展了观测工作,记录到了云南漾濞地震的Love波信号.基于Love波信号的垂向旋转速度记录和切向加速度记录,开展了Love波视速度和到达方位角度测算分析.结果表明视速度存在明显频散特性,测算值与其他方法测算值相当,到达方位角接近大圆路径预测值,尾波部分到达角偏离较大.由此表明高精度的光纤陀螺可以用于区域震监测,结合地震仪可形成多分量观测系统,为地震学研究提供有效数据.     

声电效应在隧道地震波场物理模拟实验中的应用

介绍了声电效应的物理基础和利用声电效应进行隧道地震波场物理模拟的可行性研究.基于制作的人工冻砂半空间隧道物理模型和虚拟仪器技术的同一观测平台的声声观测方法与声电观测方法,采用不同的观测排列分别采集了声声直达信号、声声反射信号、声电直达信号、声电反射信号.应用时域分析和频域分析技术对所采集信号进行处理,分离出来自反射界面的纵横波直达声信号、纵横波反射声信号和纵横波直达声电转换信号、纵横渡声电转换反射信号.研究结果表明,相对于声声信号,声电信号采集受固有频率限制小,频谱明显拓宽,时间波列大为缩短,信号分辨率提高,有效的克服了窄带声传感器对隧道地震波场信号采集的影响.此外,由于声电观测中的采用电极接受,电极直径一般为2～3 mm,尺度远远小于声传感器,极大改善了声声观测中由于大尺度换能器带来的模型尺度、耦合性能等诸多方面的困难,增强了隧道地震波场物理模型观测精度.     

分频段排干扰方法的建立与应用

在处理连续观测数据过程中,有时信号呈现出周期变化,如固体潮观测值中的潮汐信号等.直接对信号进行处理,如拟合、回归、调和分析等,是最常用的方法.当低频噪声背景和高频噪声均较强时,信号频率域(可称之为有用频段)内的信号被淹没了.直接提取信号较为困难.在这种情况下,本文试图利用分频段排干扰的方法,先将低频噪声和高频噪声分别排除掉,以便于进一步分析处理.本文实例计算表明,通过这样处理的应变固体潮观测资料,突出地显示了固体潮曲线的变化特征,而处理前的资料所对应的观测曲线,其固体潮汐的变化特征被噪声淹没了.     

普洱大寨深井噪声压制效果及井孔附近波场特征研究

基于2011年建立的云南普洱大寨深井台站,开展了噪声压制及附近波场特征研究.通过计算该台站的噪声功率谱概率密度函数,显示该井下台站对1 Hz以上的高频噪声具有明显的压制效果, 最高能降低40 dB,其降噪能力优于其它井下台阵,推断与该台站附近的场地条件有关.基于地表与井下地震记录的差异,应用正则化反卷积干涉方法进一步研究该台站附近的波场特征.以地表记录为参考,对井下记录进行反卷积,获取两台站之间的格林函数,直接识别出了原始记录上无法区分的上行入射波与下行地表反射波,然后利用两震相的到时差建立了一个浅层地震波速度模型,与理论模拟的结果一致.研究结果表明,相对于地表观测,井下台站在压制噪声和近地表地震波传播特征研究等方面具有很大的优势,同时该研究对其它地区开展深井观测具有参考意义.      

含有倾斜薄裂缝孔隙地层中的井孔声场

应用三维交错网格应力-速度有限差分方法,数值模拟了含有倾斜裂缝孔隙介质地层中点声源所激发的井孔声场问题.为满足薄裂缝计算需求,开发了不均匀网格有限差分算法,提高了计算精度及计算速度.利用将孔隙介质方程参数取为流体极限的办法来处理裂缝中的流体,实现了流体-孔隙介质界面处的差分方程统一,使界面处的计算更加灵活方便.在验证了方法正确性的基础上,分别考察了单裂缝宽度、裂缝带宽度、裂缝倾斜角度以及孔隙介质渗透率等参数的变化对井轴上阵列波形的影响并进行了分析.结果表明,声波经过裂缝时可能产生反射横波及斯通利波,后者随裂缝宽度的减小而减小,而前者随裂缝宽度的改变,变化不大,在裂缝很小(20μm)时依然存在;裂缝带的宽度、密度越大,反射斯通利波越强;当裂缝(裂缝带)倾斜时,反射横波消失,但反射斯通利波受裂缝倾斜角度的影响较小;渗透率的改变对斯通利波的衰减影响较为明显.     

双层套管井中单极子声波测井的响应特征

目前,在深井中采用多层套管实现层间封隔的方法已非常普遍,对多层套管井固井质量评价的需求越来越迫切,目前还未有针对外层套管与地层之间水泥胶结评价的有效手段.本文利用三维有限差分仿真了单极声波测井在双层套管井中的响应特征,探讨了利用套管波幅度和斯通利波频散特征识别外层套管与地层之间环空是否胶结水泥的可行性.数值计算结果显示在两层套管之间胶结水泥时,套管波的幅度或衰减对外层套管和地层之间是否胶结水泥非常敏感,外层环空若充填水泥则全波中的套管波幅度降低明显;在两层套管之间充填泥浆时,全波波形中首先到达的套管波幅度较大,其对外层套管的胶结状况不再敏感,通过对接收的阵列波形做频率-慢度相关分析发现,在外层套管和地层之间胶结水泥后,井孔内接收到的低于10 kHz的外斯通利波慢度明显增大,仿真波形的处理结果与解析计算的斯通利波的频散曲线吻合较好,进一步验证了可尝试利用内层环空激发的外斯通利波判断外层套管与地层之间是否胶结水泥.     

水平应力作用下套管井不同胶结状况导波的声弹效应

油田的套管完井常伴有异常地应力的作用,对于套管井,井孔-套管-水泥环-地层组合的系统使井周的应力集中更为复杂.为认识地应力作用下不同胶结状态的套管井导波声弹效应,本文基于非线性声学理论,实现了受应力作用不同胶结状态套管井井周应力和径向横波速度计算与分析;采用摄动求解推导了套管井导波的声弹性方程,模拟并分析由应力引起不同胶结状态套管井斯通利波、伪瑞利波、弯曲波相速度的变化.研究结果表明:不同胶结状态会改变井周的应力分布,当界面出现滑移时井周地层中的应力集中有所增强,从而影响导波的声弹效应.本文的研究结果为地应力作用的套管井的声场特性提供认识和理论依据.     

BOREHOLE STONELEY WAVE PROPAGATION ACROSS PERMEABLE STRUCTURES1

This study investigates the propagation of borehole Stoneley waves across permeable structures. By modelling the structure as a zone intersecting the borehole, a simple 1D theory is formulated to treat the interaction of the Stoneley wave with the structure. This is possible because the Stoneley wave is a guided wave, with no geometric spreading as it propagates along the borehole. The interaction occurs because the zone and the surrounding formation possess different Stoneley wavenumbers. Given appropriate representations of the wavenum-ber, the theory can be applied to treat a variety of structures, including a fluid-filled fracture. Of special interest are the cases of permeable porous zones and fracture zones. The results show that, while Stoneley wave reflections are generated, strong Stoneley wave attenuation is produced across a very permeable zone. This result is particularly important in explaining the observed strong Stoneley wave attenuation at major fractures where it has been difficult to explain the attenuation in terms of the single planar fracture theory. In addition, by using a simple and sufficiently accurate theory to model the effects of the permeable zone, a fast and efficient method is developed to characterize the fluid transport properties of a permeable fracture zone.     

S变换在面波去噪中的应用r

S变换是一种用于分析非平稳信号的时频变换方法, 可以很好地刻画地震信号的时频特性. 本文将S变换用于地震面波数据的噪声去除中, 首先介绍了S变换的理论基础, 然后设计了时频滤波和阈值滤波两种方法, 分别对天然地震面波数据和背景噪声数据进行去噪处理, 并与相位匹配滤波进行了比较． 结果表明, 面波数据经S变换去噪后, 群速度频散曲线的短周期部分得到改善, 能够连续追踪至6 s左右, 但长周期部分出现了缺失; S变换去噪的效果优于相位匹配滤波, 两者相结合会得到更加理想的结果．      

利用小波包变换时频谱识别宁夏及邻区的地震和爆破

采用dmey小波基函数分别对地震和爆破事件的垂直向记录信号进行小波包变换,计算各事件信号的归一化时频谱值以及P波和S波时频谱值达到最大时的频率fmp和fms,比较地震信号和爆破信号P波段(0～6.25Hz)和S波段(0～6.25Hz)在各相同分解频带内的瞬时谱最大值差异,寻找合适的单项定量识别指标,并综合各单项识别指标形成综合识别判据。运用综合识别判据对银川台记录到的宁夏及邻区14个地震事件和19个爆破事件进行判别,结果表明,各单项定量识别指标的识别率均在80%以上,综合判别结果均与事件的真实类型一致。     

A new direction for shallow refraction seismology: integrating amplitudes and traveltimes with the refraction convolution section

The refraction convolution section (RCS) is a new method for imaging shallow seismic refraction data. It is a simple and efficient approach to full‐trace processing which generates a time cross‐section similar to the familiar reflection cross‐section. The RCS advances the interpretation of shallow seismic refraction data through the inclusion of time structure and amplitudes within a single presentation. The RCS is generated by the convolution of forward and reverse shot records. The convolution operation effectively adds the first‐arrival traveltimes of each pair of forward and reverse traces and produces a measure of the depth to the refracting interface in units of time which is equivalent to the time‐depth function of the generalized reciprocal method (GRM). Convolution also multiplies the amplitudes of first‐arrival signals. To a good approximation, this operation compensates for the large effects of geometrical spreading, with the result that the convolved amplitude is essentially proportional to the square of the head coefficient. The signal‐to‐noise (S/N) ratios of the RCS show much less variation than those on the original shot records. The head coefficient is approximately proportional to the ratio of the specific acoustic impedances in the upper layer and in the refractor. The convolved amplitudes or the equivalent shot amplitude products can be useful in resolving ambiguities in the determination of wave speeds. The RCS can also include a separation between each pair of forward and reverse traces in order to accommodate the offset distance in a manner similar to the XY spacing of the GRM. The use of finite XY values improves the resolution of lateral variations in both amplitudes and time‐depths. The use of amplitudes with 3D data effectively improves the spatial resolution of wave speeds by almost an order of magnitude. Amplitudes provide a measure of refractor wave speeds at each detector, whereas the analysis of traveltimes provides a measure over several detectors, commonly a minimum of six. The ratio of amplitudes obtained with different shot azimuths provides a detailed qualitative measure of azimuthal anisotropy and, in turn, of rock fabric. The RCS facilitates the stacking of refraction data in a manner similar to the common‐midpoint methods of reflection seismology. It can significantly improve S/N ratios.Most of the data processing with the RCS, as with the GRM, is carried out in the time domain, rather than in the depth domain. This is a significant advantage because the realities of undetected layers, incomplete sampling of the detected layers and inappropriate sampling in the horizontal rather than the vertical direction result in traveltime data that are neither a complete, an accurate nor a representative portrayal of the wave‐speed stratification. The RCS facilitates the advancement of shallow refraction seismology through the application of current seismic reflection acquisition, processing and interpretation technology.     

近震S波震相实时自动识别方法研究

提出了一种用于地震早期预警的S波震相实时自动识别方法. 该方法不对原始信号进行任何滤波处理, 直接对三分向记录进行计算分析. 首先根据P波前0.5 s数据的卓越频率计算适用于该三分向记录的窗长, 采用由偏斜角和水平能量与总能量比值的平方积作为确定S波识别区间的特征函数, 将特征函数已有数据的5倍均值和5倍方差之和作为识别区间的触发阈值; 然后采用VAR-AIC方法对两个水平分向识别区间的数据分别计算分析, 对两个识别结果进行判断, 最终确定S波初动时刻. 经过对118个三分向记录的实际应用验证, 通过自动识别结果与人机交互震相识别结果相比, 本文方法对于S波相对P波尾波信噪比大于5 dB的地震记录, 其识别误差小于0.1 s的概率高达89.39%.