汶川地震断裂带科学深钻井孔附近微震观测问题及微震数据转换

为了配合汶川地震科学深钻,弄清楚钻孔附近浅层的断层面结构,中国地震局地球物理研究所分别在四川省绵竹市天池乡和四川省绵阳市南坝镇布设15套南非矿山地震研究所(IMS)生产的矿山地震仪.分析矿山地震仪天然微震监测中仪器布设、数据采集和数据处理等方面遇到的问题,介绍与该仪器对应的数据的文件格式,并实现该数据与通用地震数据格式SAC二进制格式的转换.     

单通道无线存储式地震仪关键技术

当前地震勘探装备多数价格昂贵、体积大、功耗高,导致大规模的地震勘探产生很大困难.新型的无缆存储式地震仪,省去了大线传输,解决了复杂环境下进行大道数地震数据采集的问题.但是由于缺乏有效的监测手段,无法对其进行现场实时质量监控,施工质量和效率难以保证,具有封闭性的技术缺陷.针对此问题,本文研制了一款基于无线网络通讯技术的低功耗、低成本、小体积、高精度的现场可实时质量监控型单通道无线存储式地震仪.地震仪以Cortex-M4型内核MCU为核心,构成系统的主控模块,负责管理系统运行.采用32位A/D采集模块、大容量SD卡存储模块、高效率DC-DC电源管理模块、低功耗无线WiFi模块以及有线以太网模块,完成地震数据的采集、存储、质量监控和回收.研制的基于无线通讯技术的单通道无线存储式地震仪以其便携性、低成本、可现场实时质量监控以及地震数据本地存储的特点,降低了勘探成本,提高了大规模勘探的可操作性,在大道数、高密度、宽方位的地震勘探中具有广泛的应用前景.     

针对海洋水层反射的处理方法研究

在海洋地震勘探过程中,逐步发展到可以利用反射地震法研究海洋水体运动现象及海水温盐结构,而处理好水体反射信号则是地震海洋学研究的关键.目前地震海洋学正处在起步阶段,鲜有专门针对水层反射的处理方法研究,本文根据水体反射特征,形成了专门针对水体反射的处理技术.首先,与海底地层反射不同,因水介质间差异较小,水层反射信号相对较弱,常规地震处理技术直接应用到水层反射难以取得预期处理效果.针对这一特点,本文提出了水层弱信号保护技术,通过有效分离水层反射信号达到保真效果;其次,常规海洋地震勘探中使用的空气枪震源位于水下一定深度,激发过程中产生强烈的气泡效应,对水层有效弱信号干扰极强,本文在单子波气泡效应压制的基础上,利用分段提取多子波的方式,对气泡效应进行分段压制,避免因子波发生变化影响处理结果;针对水层噪声强、信噪比低的特点,利用高精度LIFT技术去噪得到高品质道集;最后,利用鬼波压制技术消除鬼波调谐效应,提高地震资料的分辨率.在这些处理技术应用的基础上,本文总结了一套针对水层弱反射的处理流程,并且在海洋地震资料水体反射处理中取得了较好的应用效果.     

宽频带海底地震仪的研制

为填补我国海洋地震监测和海洋地震研究的空白,获得对海洋地震多发区域的监测能力,特此进行宽频带海底地震仪的研制.本文详细介绍了宽频带海底地震仪的设计目标、基本工作原理、组成结构及性能技术指标和研制过程.此外,还介绍了宽频带海底地震仪在中国南海东北部海域应用实例的实验结果,展示了宽频带海底地震仪在3000m海底所记录到的数据资料.     

透射法典型槽波数据波场分析

煤矿井下巷道煤层中采集的槽波地震数据中包含多种类型地震波,对这些波组认识存在争议.通过正演模拟获得的槽波波场过于理想化,与现场采集槽波数据存在一定偏差.针对煤矿实际采集的典型槽波数据,采用时频域极化滤波方法,利用槽波数据中的纵波在波传播方向能量最强、垂直方向能量最弱的特点,将目前国内煤矿常用的德国SUMMIT槽波地震仪水平双分量检波器接收到的信号,校正到平行波传播方向和垂直波传播方向,有利于判定地震波极化运动特征.经过槽波波场分离,得到三个特征明显的波组,按照时间到达先后顺序,认为分别是折射纵波、瑞利型槽波和勒夫型槽波.其中折射纵波传播速度最快,在共炮点道集上表现为双曲线特征;瑞利型槽波主频最低,水平平行分量和垂直分量都能接收到;勒夫型槽波振动方向垂直波传播方向,只在检波器水平垂直分量有显示.     

个旧地震台CTS-1E数字地震仪地震监测能力分析

根据个旧地震台地脉动干扰数据、1 930个地震的单台地震记录以及上述地震震相的识别分析结果,在分别设定纵波(P)、横波(S)、面波(Rm)最大幅度与地脉动干扰比值的基础上,计算并分析了该台CTS-1 E速度型甚宽频带数字地震仪仿真不同仪器的监测能力。     

宽频带海底地震仪的地震重定位对马尼拉俯冲板片形态的约束

将宽频带OBS用于海底天然地震长期观测,在国内尚处于实验阶段.2015年在马尼拉俯冲带北段开展了为期6个月的宽频带海底天然地震观测试验.根据回收的1台海底地震仪(OBS04)与国际地震台网的718台陆地地震台站,共记录到7562个P波走时和5002个S波走时数据,利用Hyposat地震定位方法,对马尼拉俯冲带北部(119°E—123°E,19°N—22°N)在2015年8月至2016年2月期间的264个地震进行了重定位.地震重定位的结果及定位误差分析表明,在海域布设的OBS04台站让地震观测的空间分布更为合理,提高了地震定位精度;重定位后的震中分布更为集中,与地质构造吻合良好;浅部的地震活动较为活跃,分布密集,与浅部断层发育有关;重定位后的4条震源深度投影剖面,从不同角度较好地约束了俯冲板片上边界的板片形态,板片倾角在浅部0～30km区间约为10°～22°,随着深度的增加,俯冲板片逐渐变陡,在深度120～180km处倾角约为41°～58°.该项研究为马尼拉俯冲带北段的板片形态提供了重要约束,而且为今后长期天然地震观测提供了重要而宝贵的经验与借鉴.     

时频方向谱分析在海洋电磁数据处理中的应用

海底采集到的电磁数据按照其主要包含的信息及研究目的大致可分为海洋可控源电磁场(CSEM)信号、天然场源大地电磁场(MT)信号、海洋环境电磁场信号以及其他随机干扰信号.常常通过计算功率谱密度、时频分析和极化分析的方法研究海洋电磁场特征.本文介绍一种新方法——时频方向谱分析法及其在实测海洋电磁数据处理中的应用,该方法能够在一定的时间-频率尺度上有效分辨场源信号的运动方向.对于海洋CSEM数据,利用该方法可以估算发射源的运动方向,进而在发射源或采集站方位信息缺失情况下,实现海洋CSEM数据的旋转电性轴处理.对于海洋电磁数据,利用该方法可以详细分析海水运动感应电磁场的信号特征.     

基于ADS1281的单通道无缆存储式地震仪的设计

针对高精度地震数据采集的需求,设计并实现了一种单通道无缆存储式地震仪.为了提升系统在噪声,动态范围,功耗等方面的性能,该地震仪采用了32位模数转换芯片——ADS1281,结合STM32、GPS模块、SD卡等单元,可以实现32位地震数据采集以及自存储.该仪器采用单站单道,独立存储,集中回收的工作方式,以提高地震数据采集系统的数据可靠性以及整个采集系统的道数扩展能力.最后,通过测试实验验证了仪器的功能.     

流动地震仪检测钻头振动信号的现场试验

钻井过程中钻头对井底的冲击振动为钻头前方地层的探测提供了震源，可用来消除钻井过程中的地质不确定性和降低钻井风险.本研究在分析井下钻头振动信号特点的基础上，根据现代地震观测技术的新发展，将多道勘探地震仪和流动数字地震仪的性能进行了对比分析，将天然地震的观测设备和分析方法应用到随钻地震检测中，提出了一套新的随钻地震检测方案，利用高灵敏度流动数字地震仪连续检测钻井过程中的钻头振动信号，初步现场试验表明该技术方案可行，获得的信号信噪比高，易于钻井工程师掌握，为随钻地震技术提供了新的技术路线.     

海底地震仪数据处理方法及其在海洋油气资源探测中的发展趋势

海底地震仪(Ocean Bottom Seismograph,OBS)技术是近年发展起来的主要用于海洋地震监测、海底结构调查和海洋油气资源勘探的地球物理技术,其发展前景与OBS仪器本身的发展及OBS数据处理技术的进展息息相关.目前,OBS数据处理主要采用广角地震测深数据处理方法,辅以天然地震层析成像技术,并最终反演深部速度结构.本文简要概括了OBS的发展历程;并以2010年和2011年渤海海陆联测中两条OBS测线的实际数据处理以及部分学者在OBS数据处理中所取得的进展为实例详细介绍了OBS数据处理流程中的频谱分析及其应用,环境噪音分析,增益、带通滤波和反褶积等常规处理,时间校正,震相拾取及反演处理;对OBS在海洋油气资源探测中的应用情况和发展趋势进行了讨论.通过频谱分析发现气枪信号优势频带范围为3～15Hz,OBS垂直分量近偏移距频谱能客观反映OBS与海底的耦合情况;通过噪音分析发现OBS记录的噪音强度与水深和偏移距成反比,并与海底沉积环境密切相关.OBS数据处理方法与平台建设任重道远,也是OBS技术更早进入油气资源探测领域的关键环节之一,应进行深入研究.     

可用于地震早期预警的家用地震仪

日本气象厅(JMA)已开始推出一项地震早期预警(EEW)的实际服务,预计在不久的未来,将非常密集地布设安装信号接收装置。地震早期预警的接收/预警装置配有中央处理器和内存,并通过互联网进行连接。再加上一个便宜的地震仪和模数(A/D)转换器,该装置就变成了一个实时的地震观测系统,我们称之为家用地震仪(Home Seismometer)。如果这种家用地震仪与地震早期预警的标准接收装置相连接,那么地震观测系统的数量就会极大地增多。在房间里,由人的活动所引起的背景噪声可能非常大,为此我们专门编写了软件,从而能够使用该家用地震仪进行现场预警。我们对软件做了检验,发现该软件能够准确地将噪声和地震分辨开来,并适用于几乎所有的地震事件。     

深井宽频钻孔应变地震仪与高频地震学——地震预测观测技术的发展方向,实现地震预报的希望

40年地震预报实践表明，测震学方法提供了当前地震预报工作最大部分的地震预测信息.发展“深井宽频钻孔应变地震仪”可将惯性摆地震仪的观测频宽提高数十倍，地动位移的放大倍率提高数十到数千倍.这种安装在数百米深基岩地层中与地层牢固连结的仪器既可以接收周期长达数万秒的固体潮波，也能以数亿倍的地动位移放大倍率接收地层微破裂发出的高频极微震和“地声”.深井宽频钻孔应变地震仪这种“超级地震仪”将为地震预报工作提供更多的预报信息而大步推进地震预测工作向前发展.     

基于卷积神经网络的天然地震与人工爆破识别研究

地震台网记录的人工爆破事件波形特征与天然地震有相似之处,如果不能及时的予以识别和筛选,会混淆依此记录所建立的地震目录,影响日后地震学的研究工作.因此连续地震信号中的天然地震和人工爆破的识别分离有助于破坏性构造地震的监测预警.同时,随着地震仪的大规模部署以及建设行业活动的持续增强,记录的爆破事件增多,增大了识别的难度和工作强度.为了解决人工识别天然地震与爆破存在的问题,本研究基于卷积神经网络,设计了一个具有13层深度的网络模型(CNN-Epq13),选用福建数字地震台网历史地震记录和人工爆破记录,利用TensorFlow深度学习框架,采用TFrecord文件形式作为训练集,训练得出事件类别识别模型.此模型在训练中识别准确率为98.438％,损失为0.0646.用新的数据进行测试,模型能准确识别事件类别,区分天然地震和人工爆破,可以进一步在日常工作中进行应用.     

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.     

基于时频分析与分数阶最优控制网络的地震数据噪声压制

在复杂的地表环境,地震勘探采集到的实际地震资料信噪比较低,分辨率较差,接收的噪声能量较强,与有效信号存在频谱的重叠.常规的消噪手段很难在保证有效信号幅值的同时,还兼顾噪声压制的效果.本文采用基于分数阶最优控制(Fractional Optimal Control)理论建立的深度学习神经网络——FOCNet来压制地震数据噪声,并恢复微弱同相轴.不同于传统深度学习网络(DCNN)算法大多为基于经验的网络设计,FOCNet具有坚实的数理基础,它从动态系统的最优控制角度阐述了网络的原理,并采用长期记忆的方式增强了网络的稳定性,提高了系统对噪声的消减能力.针对地震数据有效信号在低频带与噪声重叠严重,且FOCNet对数据中、高频信息保留更好这一情况,本文提出了一种基于理想时频分析与FOCNet相结合的算法(TF-FOCNet)来压制地震噪声,提取有效信号.该算法通过理想时频分析,针对性的提取信噪重叠的低频目标数据成分,并与数据的中、高频成分一起送入网络中进行处理并融合,完成噪声的压制,增强了低频信息的保留能力.模拟及实际的实验结果验证了算法在随机噪声、面波压制及微弱信号恢复上的有效性和优越性.     

SRME多次波衰减方法在海洋地震资料中的应用

多次波问题一直是海洋地震资料处理中的难题,基于波动方程的多次波压制方法SRME是近20年来发展起来的一种有效的多次波衰减方法.该方法的特点是基于波动理论,利用地震数据本身来预测多次波,而不需要地下介质的任何信息,即这种方法可以应对地下任何复杂的情况,因此应用范围较广.本文通过SRME方法在海洋地震资料LH油田的应用实例证明了该方法的有效性--SRME多次波衰减方法对海底有关的多次波的衰减非常有效,特别是对近道多次波模拟准确,未损伤有效波,一定程度上提高了地震数据的分辨率.     

一种地震预警监测传感器模块的设计及实现

目前世界上地震预警系统基本都是通过地震台网来确定地震的震级并对地震进行定位,其预警准确性的提高主要依靠台网密度的增加。基于地震预警原理以及传感器技术,本文首次探讨了仅用单台地震监测传感器快速测定地震基本参数的可能性。设计了一种用于地震预警的地震监测传感器模块,阐述了确定地震参数的算法。该传感器模块能自动捡拾P波的到时,然后利用P波的初动信息确定地震的方位角,最后利用P波到达后前3s加速度数据确定地震的震级、震源距,并发出警告,达到地震监测及预警的目的。     

二氧化碳相变技术应用于新型震源研发的可行性研究

为了研究二氧化碳物理相变技术应用于新型震源研发的可行性,在地下成层性较好的某煤田地震测区,开展了利用二氧化碳相变技术激发地震波的野外人工震源激发-接收实验．并与传统炸药震源进行了对比．地震数据利用Aries2.66型垂直分量反射地震仪和PDS-2型三分量地震仪接收．根据实测地震数据,从野外地震记录震相识别,初至波传播距离分析,震源近场地震信号时频分析,CO_2相变激发震源子波提取和基于CO_2震源子波的地震初至波波形反演实验等多个方面,进行了关于CO_2相变激发技术能否产生地震波信号以及能否将其应用于新型震源研发的可行性研究．研究结果表明CO_2物理相变膨胀能够产生能量集中的地震波信号;在实验区地质条件和激发参量下地震记录中初至波的可识别的传播距离约为1km;震源近场地震信号的主频集中在8～13Hz;利用震源近场数据提取了CO_2震源子波;通过地震初至波波形反演实验认为这种震源子波能够应用于波形反演等方面的研究．因为CO_2相变激发具有绿色、环保、安全等方面的优点,若能进一步在激发能量、激发—延迟时间一致性等方面加以改进,该技术有望在城市隐伏活动断层探测、城市地下空间探测、煤矿高瓦斯环境人工地震勘探等领域发挥重要的作用．     

基于深度学习技术的地震实时流数据自动处理辅助工具开发

以JOPENS系统实时流接收为基础,应用Redis共享内存技术和近年来发展较快的深度学习震相自动识别技术,设计一套可7×24小时不间断稳定接收并实时识别连续地震流数据中P、S震相的系统,为地震台网实时数据处理提供一套辅助工具,并在福建省地震局测震台网128个台站的实时数据流上进行测试。该工具由Redis实时数据流共享模块与深度学习震相到时自动拾取、MSDP震相格式转换3个模块组成,可以实时接收并自动识别台网地震连续波形,生成P、S震相报告,并可导入MSDP人机交互工具进一步处理,在一定程度上可以减轻人工处理工作量。