重力固体潮信号独立成分的谱相关解调与地震前兆信息提取

重力固体潮信号是一种多谐波的混合信号,为了提取其中所包含的地震前兆异常信息.本文结合重力固体潮的产生机制,建立了一种重力固体潮正交分解模型.在此基础上,利用独立分量分析算法实现重力固体潮信号的加性分解,然后针对独立分量中的调制关系,利用谱相关方法对其进行乘性解调.从而,完整地提取出了重力固体潮信号中丰富的潮汐谐波信息.进一步,引入理论计算值作为实际测量值的参考背景,在独立分量中凸显出原重力固体潮信号中的异常变化特征.通过对云南地区的实际震例研究表明,重力固体潮独立分量的异常特征与地震事件的时序存在密切的相关性.在地震发生前的1~5个月内,对应于重力固体潮信号长周期谐波系的独立分量在时域波形和循环相关谱方面均有明显的异常变化,而且普遍存在,充分反映了这一异常变化与地震前地壳内部能量的变化有关,很有可能就是重力固体潮信号中隐含的地震前兆信息.     

地震场景下重力固体潮信号互相关谱分析与异常信息提取

重力固体潮信号包括能量相对强的日波、半日波分量,和能量相对弱的长周期波分量.为了在能量差异大的谐波分量中,有效提取地震场景下的异常信息,本文根据重力固体潮信号的产生机理,提出了一种重力固体潮信号正交分解模型,将强弱不同的潮汐谐波分量,分解到不同的正交方向.同时利用一种新型智能优化算法,改进独立成分分析方法,有效分离出重力固体潮信号中对应于不同正交方向的独立成分.对独立成分分量的谱相关分析,可以揭示各谐波分量的调制关系,地震场景下的谐波分量间存在异常的调制信息.但自相关运算会使强的分量更强,而弱的分量更弱,湮没弱的异常调制信息.因此,本文采用独立成分间的互相关谱,可以更完整地提取出潮汐谐波的异常信息,在此基础上,通过对云南的地震实例分析,提取出重力固体潮信号中异常的调制信息,并引入了理论计算值做参考,凸出了实际重力固体潮信号中存在明显的异常信息,发现长周期谐波分量的误差率远远大于日波、半日波的误差率,说明相比于日波、半日波,长周期波能更好的反映重力固体潮信号存在的异常信息.     

三分量地震记录的互相关分析

地震波场本质上是三维矢量波场, 单分量记录实际上是三维矢量震动在某一方向上的部分投影. 本文基于单分量地震记录互相关公式, 提出了一种新的适合三分量地震波形记录多元互相关运算的简易方法, 并以2008年汶川M_S8.0地震余震序列波形为例, 对其进行了效果验证. 结果表明, 相对单分量互相关, 该方法可以得到更为合理的全局最优结果, 解决波形识别匹配工作中不同分量间的差异问题. 该方法还可以利用不同分量间的“同源”信息, 有效压制随机噪声, 并从理论上说明其合理性. 其原理及计算过程均较为简单, 整体运算量较小, 适用于目前“大数据”时代的地震数据处理.      

基于带状混合矩阵ICA实现地震盲反褶积

基于对地震反褶积本质上是一个盲过程的认识，引入高阶统计学盲源分离技术——独立分量分析（ICA）实现地震盲反褶积.在无噪声假设条件下，利用地震记录时间延迟矩阵和地震子波带状褶积矩阵，将地震褶积模型转化为一般线性混合ICA模型，采用FastICA算法，将带状性质作为先验信息，实现所谓带状ICA算法（B\|ICA），得到个数与子波算子长度相等的多个估计反射系数序列和估计子波序列，最后利用褶积模型提供的附加信息从中优选出最佳的反射系数序列及相应的地震子波.模型数据和实际二维地震道数值算例表明：对于统计性反褶积，在不对反射系数作高斯白噪假设，不对子波作最小相位假设的所谓“全盲”条件下，基于ICA方法（反射系数非高斯分布，地震子波非最小相位）可以较好解决地震盲反褶积问题，是基于二阶统计特性的地震信号统计性反褶积方法的提升，具有可行性和应用前景.     

基于矩阵Toeplitz稀疏分解的相对波阻抗反演方法

针对利用地震道进行相对波阻抗反演中遇到的横向连续性难以保持、初始子波容错度差以及随机噪声干扰影响反演结果等问题,提出了一种基于矩阵Toeplitz稀疏分解的相对波阻抗反演方法.该方法将地震数据剖面的Toeplitz稀疏分解问题分解为两个子反演问题,其一以Toeplitz子波矩阵元素为待反演的参数,用Fused Lasso方法求解,可保证子波具有紧支集且是光滑的;其二以稀疏反射系数矩阵元素为待反演参数,用基于回溯的快速萎缩阈值迭代算法求解,大大降低了目标函数中参数选择的难度.通过交替迭代求解上述两个子反演问题可将地震数据剖面因式分解为一个Toeplitz子波矩阵和一个稀疏反射系数矩阵;然后由反射系数矩阵递推反演可以得到高分辨率的相对波阻抗剖面;利用测井资料加入低频分量后,也可得到高分辨率的绝对波阻抗剖面.Marmousi2模型生成的合成记录算例和实际地震资料算例均表明:本文方法可以从带限地震数据中有效地反演相对波阻抗,反演结果分辨率高并且能够很好地保持地震数据的横向连续性;即使在初始估计子波存在误差和地震数据被随机噪声污染的情况下也能取得较好的效果.     

分数阶S变换,第二部分:在储层预测及流体识别中的应用（英文）

分数阶S变换(FRST)具有较强的时频聚集性。利用FRST处理地震数据,通过合适的分数阶参数将频率轴旋转到适当位置,即可实现目标地质特征信息的最佳识别。由于不同的地震信号的最优分数阶参数可能不同,因而对整体的分数阶参数的最优估计不利于对多道地震数据的处理。本文首先利用FRST分离出共频率数据体,并利用共频率数据体进行了低频伴影分析,然后提出FRST和盲分离结合的方法,不需要对地震数据的最优分数阶参数进行估计,即可提取识别有效地质特征信息的独立频谱,提高对地震数据的解释效率。仿真实验表明在分数阶时频域内此方法能有效分离出独立的频率信息。将该方法用于实际的地震数据,并与已知井信息进行比对,验证了其有效性。     

基于遗传算法的重力固体潮信号独立元分析与地震前兆信息提取

在对重力固体潮信号的分析中,应用了一种将固体潮信号所含有的各谐波信息分解到3个正交分量上的三维正交分解模型;为了更好地提取各个分量谐波信号,克服传统独立分量分析(ICA)收敛速度慢、局部搜索等缺陷,使用了传统ICA与实数遗传算法(GA)相结合的方法,经验证此方法可行有效;实验中对实测信号与理论信号相结合的信号进行了谐波提取,并对提取出的谐波信号进行分析,捕捉地震前兆信息;分析发现地震前某不定时刻点,在长周期波中波形出现一定程度的奇异,充分反映了震前能量积蓄的变化.因其与地震发生时间之间的不确定性,所以还不能将其作为地震的预测方法.     

局部倾角滤波和预测反演联合分离绕射波

地震绕射波源于介质非连续性,从地震记录中将绕射波分离出来并进行成像,其结果对研究诸如碳酸盐岩缝洞储层这类复杂非均质储层具有重要意义.对炮集记录进行平面波分解,在地层倾角不大的假设下,反射波和绕射波同相轴在平面波分解剖面上存在较大的倾角差异.基于此,我们提出分步进行绕射波分离的方法:(1)利用局部倾角滤波方法将绕射波的较大倾角信息成分分离出来,此时,余下的部分包含有反射波和残留的低倾角绕射波信息;(2)利用频率-空间域预测反演方法从上述含有反射波和残留的低倾角绕射波信息中分离出残留绕射波成分;(3)将两次分离的绕射波信息相加得到最终的绕射波估计.用该方法能够得到相对完整的绕射波信息,有效地克服了靠单一的倾角差异进行绕射波分离时明显损失低倾角信息,从而影响绕射波成像结果横向分辨率这一问题.理论与实际资料试算验证了该方法的有效性.     

二进小波变换方法的地震信号分时分频去噪处理

应用二进小波变换理论，对地震记录剖面进行小波分解，在小波变换域，对各分量剖面进行分时分频相关分析，并依此进行加权处理，最后通过小波反交换算法恢复出地震记录剖面．经实验该方法对衰减地震信号的噪声具有比较好的效果．     

三维井间地震侧面波传播特征及其分离研究

井间地震与常规地震相比具有较高的分辨率,同时波场也更加复杂.利用视速度特征的差异很容易地分离井间上下行波场,根据纵横波偏振特征的不同可将纵横波完全分离,但是针对井间地震侧面波的研究并不多.本文构建高速透镜体和断层模型进行波场数值模拟,通过对三维地震波场的传播特征进行分析可知,井间地震接收的波场既有岩性分界面的响应,还会有侧向地质不均匀体产生的干扰,严重影响成像的质量和精度.经偏振旋转后的T分量记录对物性横向变化较为敏感,综合分析X、Y、Z分量和T分量上不同连井剖面的波场传播特征,可对侧向传播的干扰波进行有效识别,利用线性Radon变换可以在一定程度上将侧面波进行压制,为后续井间地震资料处理提供高信噪比的数据.本文通过理论模型进行试算研究,验证了该方法的有效性,并对理论记录取得了较好的分离效果.     

谱图重排的谱分解理论及其在储层探测中的应用

谱分解理论是把单道地震记录分解为连续的时频谱平面,是地震资料处理和解释的重要技术之一.由于谱分解方法的多解性,所以同一道地震记录因为分解方法不同,得到的时频谱是不一样的.短时傅里叶变换,小波变换,S变换和匹配追踪算法都是对信号开窗分析,这些方法都受到不确定性原理的限制.Wigner-Ville变换避开了不确定性原理的限制,但是交叉项的存在限制了本方法的使用.本文利用谱图重排的时频分析方法(RSPWV)对合成的单道地震记录和实际的地震资料进行了分析.与短时傅里叶变换和匹配追踪算法的比较得出:此方法具有较高的时频分辨率,能够很好地识别气层.     

井下地震计的P波接收函数正演计算及其稳定性研究——以首都圈地区为例

井下地震计波形记录的P波垂向分量存在频谱极小（spectrum null）现象,导致接收函数的结果不稳定.本文以首都圈地区为例,基于平面波入射的传播矩阵理论,发展了用于计算井下地震计的接收函数正演方法.在此基础上,分析了井下地震计波形垂向分量频谱极小现象,研究其对接收函数稳定性的影响.结果表明,井下地震计波形记录垂向分量的频谱极小开始出现的频率和地震计的埋深相关.该现象可造成反卷积提取的接收函数不稳定,且不稳定情况出现在频谱极小附近的频段,可通过选择合适的高斯因子压制其对接收函数的影响.     

基于独立分量分析的多次波盲分离方法研究

独立分量分析是一种以高阶统计量为基础的信号处理方法,它以分离非高斯混合信号为目标,建立起各个分量的统计独立性判据.在传统方法中,多次波压制技术是基于二阶统计量,求得最优解得基本前提是一次波和多次波正交.本文将ICA应用于多次波问题,在对地震数据基本构成作了分析的基础上,建立起多次波盲分离的ICA模型,并对其假设条件和固有不确定问题进行了详细的研究分析,然后给出了基于负熵的快速ICA算法并加以改进,最后进行仿真实验.试验结果表明,该方法能有效地压制地震资料中的多次波信息,较好的恢复一次波信息.     

线性化空间变换叠前与叠后地震记录去噪方法

本文提出了一种适应复杂构造地区地震资料叠前与叠后去噪新方法.该方法基于叠加剖面信息,利用正交多项式逼近技术,计算出描述地震同相轴走势的相关系数.并利用这些系数对叠加剖面或炮记录在横向作线性化变换,对变换后地震数据进行奇异值检测压制和F X域有效信号预测.通过理论数据检验表明：本方法能较好适应复杂构造,具有较强去随机干扰和野值能力,保真性较好等特点.该方法已经在实际资料处理生产中得到了应用,并取得了较好的应用效果.     

一种新的地层弹性参数直接反演方法

地震资料反演的目的是估计地层的物理参数（密度、弹性和粘弹性参数）的实际值．本文中将最佳估计值定义为一种参数集,由该参数集可以算出与地震实际资料最佳拟合的合成地震记录．本文提出一种新的地层弹性参数反演方法,主要适用于各向异性介质（横向各向同性介质）中地层弹性参数的反演．本方法不同于过去传统的反演方法,它是一种完全意义上的全波波动方程反演,利用地震勘探中的多波多分量记录（PP反射波记录和PSV转换波记录）联合进行地层弹性参数犆11和犆33反演,用以判断地层的属性．      

中小地震宽频带辐射能量的单台测定

辐射能量是独立于地震矩的另一个重要的震源参数，在地震危险性和地震危害的评估工作中具有重要的实际意义。通过辐射能量和地震矩的比较可以估计视应力，而视应力是震源物理研究中一个重要的物理量。考虑到我国地震台网分布不均匀的情况，本文尝试利用单台宽频带波形资料进行辐射能量的测定。选用CDSN昆明台(KMI)记录的中小地震宽频带波形资料，分析地震图横向分量上的SH波及其后续震相，采用哈佛大学的震源机制结果进行辐射花样因子的校正，通过采用Brune模型，用补偿谱的方法试错得到品质因子Q。所得结果与NEIC用远震体波测得的能量结果具有较好的一致性。用同样的方法，还对更小的地震进行了能量测定的尝试，结果表明小地震的视应力一地震矩标度关系似乎与中强震有所不同。     

求解反应谱的小波方法及汶川地震反应谱分析

采用四阶基数B-样条小波模拟地震动加速度时程,进而建立一种求地震反应的通用方法,解的误差仅来自于对地震动加速度时程的模拟。并用小波分解,将地震波分解为不同周期成分之和,以各分量最大加速度值的大小来衡量其在原波中的比重,可以清楚看到距震中不同远近地震波的性态,并做定量分析和观察各分量卓越周期的变化。求地震波及各分量的反应谱,从各分量的标准加速度反应谱中,可以看到地震波不同周期分量对体系固有周期的影响,这是以往做不到的。将上述方法应用于汶川8.0级地震加速度记录,研究不同地震记录的性态。     

基于非稳态多项式拟合的地震噪声衰减方法研究(英文)

基于非稳态多项式拟合理论,针对地震数据中同相轴振幅变化这一特征,我们提出了一种地震噪声衰减的新方法。非稳态多项式拟合系数是时变的,通过整形正则化约束多项式拟和系数的光滑性,自适应的估计地震数据的相干分量。基于动校正后的共中心点道集(CMP)中地震信号的相干性,利用非稳态多项式拟合估计有效信号,从而衰减随机噪声。对于线性相干噪声,如地滚波,首先利用径向道变换(RadialTraceTransform,RTT)将地震数据变换到时间一视速度域,在时间—视速度域利用非稳态多项式拟合估计出相干噪声,然后减去相干噪声。该方法可以有效的估计振幅变化的相干分量,不需要相干分量振幅为常量的假设。模拟和实际资料处理结果表明,与传统的稳态多项式拟合和低切滤波相比,该方法可以更为有效的衰减地震噪声,同时保真了地震有效信号。     

基于一种新智能优化算法与谱相关方法对重力固体潮的分析

根据月球与太阳相对于地球位置的关系,建立一个三维正交分解模型来揭示重力固体潮中包含的谐波成分。在此基础上,提出一种基于单形邻域与多角色进化策略智能优化算法的独立分量分析方法,用以提高算法效率和全局寻优能力;并结合谱相关方法,对重力固体潮观测数据进行处理和分析,观察其频域和时域的变化。最后引入理论信号和理论计算值作为参考背景,以凸显其异常变化特征。研究表明,利用该方法可以有效地反映出重力固体潮潮汐的日波、半日波、长周期波等特征。同时,发现重力固体潮潮汐的异常变化中隐含有地震前兆信息,通过对云南地区观测数据的分析,在排除测量误差和环境影响外,发现在地震前2~5个月内,重力固体潮的长周期波均呈现出规律性的异常变化。这反映出地震的前兆异常信息,可能对地震时间和地点的预测提供依据。     

基于希尔伯特-黄变换的汶川地震记录分析

利用HHT方法对6个台站的汶川8.0级地震加速度记录进行EMD分解,进而对地震波输入结构的总能量进行分解,得到地震动能量在IMF分量之间的分布关系。同时通过对各分量边际能量谱的分析,可以从另一方面得到地震波的频谱特性,边际能量谱峰值频率与地震波傅立叶谱的卓越频率相同,边际能量谱也可以作为一种估算震动卓越周期的方法。