用于龙门山断裂南段深部介质探测的精密可控震源

汶川地震后在龙门山断裂带南段建立了精密可控震源发射台,结合布设的28套流动地震仪的信号记录,尝试监测地下介质的动态应力变化。为了提取记录中的主动源发射的信号,本文采用了匹配滤波方法来实现弱信噪比条件下的信号检测并进行了波形变换。在提取出每个周期的主动源信号后,利用信号叠加,分别获得了1、5、10天时间的波形,有效地提高了记录波形的信噪比。然后通过互相关检测精确得出地震波的走时变化,并分析了计算误差。最后,针对实验期间发生的绵竹M_S5.6地震进行分析,获得了地震前后的走时剖面和信号变化,结果表明,距离较远的龙门山断裂北段地震未能对南段实验区域的地下介质波速产生影响。     

气枪震源弱信号提取的可靠性初步分析

基于数据合成仿真、气枪震源激发信号的实际处理,由叠加信噪比、波形相关系数及相位偏移等3个定量指标,系统评价线性、相位加权和S变换等3种叠加方法提取强背景噪声下弱信号的实际性能,并定量估计叠加结果的可靠性。通过对以上3种方法叠加结果的综合探讨,初步对比分析后认为,线性叠加虽然信噪比较低,但波形畸变最小;相位加权叠加信噪比较高,相位偏移小,但波形质量与线性叠加的结果相比偏离较大;S变换叠加可获得相对较高的信噪比,波形幅度损失小,但存在一定的相位偏移现象。因此建议,当波形质量和时间精度均要求较高时宜用线性叠加。但气枪震源激发有限时选择叠加方法应有所偏重,若要求波形高保真,宜选择S变换叠加;若要求时间高精度,可选择相位加权叠加方法,以合理实现弱信号的有效提取。     

基于相邻虚拟道叠加的超虚折射干涉法及其在广角OBS折射波增强中的应用

广角地震的远偏移距折射初至含有地下深层的信息,提高远偏移距折射波信噪比能够有效提高初至拾取精度,对于深部结构的层析速度建模十分有利.超虚折射干涉法基于干涉原理对远道折射波进行增强,它在炮点和检波点都非常密集的情况下效果较好.然而,在应用于台站间距较大且环境噪声较强的广角海底地震仪(OBS)观测时,该方法对折射波的增强能力不足,而且容易产生虚假波形,造成增强后的折射波信噪比仍然较低.针对这种情况,本文提出基于相邻虚拟道叠加的超虚折射干涉法,通过叠加相邻虚拟道来提高远道与近道互相关的准确度,以达到稳定增强远道折射波信噪比的目的.理论实验和实际资料测试均显示,基于相邻虚拟道叠加的超虚折射干涉法在台站间距较大和信噪比较低的情况下能够准确构建虚拟道,且增强后的波形同相轴连续程度和信噪比均较高,有利于拾取高精度的折射初至到时.本文方法也可用于增强陆上炮间距较大的广角地震数据折射波.     

零相位化和非线性叠加对提取气枪震源地震信号波形的影响研究

使用零相位化处理和非线性叠加方法提取低信噪比记录中的有效信号,通过定量评估结果波形的走时和振幅等信息的精准程度,探究此处理流程是否可提高提取气枪震源有效信号波形的准确性。对合成波形和云南宾川主动源实验中实际资料数据进行零相位化处理,选用相似性加权、时间域相位加权、时频域相位加权、改进的时频域相位加权4种非线性叠加方法提取有效信号。结果表明,基于上述处理方法可有效提高提取波形的准确性:(1)零相位处理可以提高波形数据的分辨率,使有效信号到时点变为波形峰值点,有利于在非线性叠加后拾取出准确的到时位置;(2)零相位化数据的非线性叠加结果卷积震源子波可基本恢复地震信号波形记录,可降低非线性叠加对有效信息的损失;(3)使用时间域相位加权叠加和相似性加权叠加方法可获得较好结果,但可能会压制低信噪比小振幅信号;基于时频域的相位加权类叠加方法对有效波形成分影响较大,但对小振幅信号保幅较好。     

三种常用叠加方法提取气枪信号的效果分析

基于安砂水库气枪震源实验资料,采用线性叠加、频谱白化叠加和相位加权叠加三种常用叠加技术进行处理,从信噪比、波形相关性和震相走时差等方面,分析评估三种叠加方法的实际应用效果。结果表明:(1)相位加权叠加方法提高信噪比的能力最强,但是与线性叠加一样,两者都无法有效地消除强干扰,而频谱白化则可以削弱强干扰的影响,有利于信号准确识别;对低信噪比波形,频谱白化提高信噪比的效果优于线性叠加,反之亦然。(2)以线性叠加结果为参考,相位加权的相关性高,走时差基本为零,但波形中较小幅值的信号可能会被压制,影响小幅值波形信号的判别;频谱白化在台站信噪比高时,波形相关性较差,且存在一定走时差,可能出现震相到时前的波形被放大,使震相初至变得模糊,影响到时拾取精度。     

基于气枪震源信号的云南漾濞MS6.4地震前后波速变化

本文基于宾川气枪地震信号发射台激发的地震波信号,利用线性叠加和时频域相位加权叠加方法提高信噪比,通过反褶积、插值拟合和波形互相关等方法,获得2021年漾濞M;6.4地震前后气枪震源初至波信号走时变化特征.结果表明两种叠加方法得到的走时变化趋势基本一致,在沿发震断裂带附近的3个台站观测到的初至波走时延迟为7.3~14.4 ms,在射线路径上平均波速降低了0.08%~0.12%,距离震中位置较远的台站走时延迟为2~6 ms.分析认为,观测到的走时变化主要是漾濞M;6.4地震引起强地面运动造成浅层介质疏松、同震破裂导致震源区地下介质裂隙增加和地下流体侵入等共同作用造成,相关研究成果有助于加深和促进对此次地震震源物理过程的认识和了解.     

大容量气枪主动源波形资料处理(一):云南宾川

宾川气枪地震信号发射台以水库大容量非调制气枪阵列为震源,可以连续不断地激发重复性极高的地震信号。本文利用其2013年的数据,对地下介质进行了观测。由于水库水位的变化对震源波形及远处台站接收到的地震波形会产生影响,因此,为了区分介质变化与震源变化,研究了陆上水库环境下激发气枪震源所产生的地震波形的特征和合适的处理流程。结果表明:1水库水位变化较大时,同一台站记录的地震波形之间的互相关系数过小,不能直接进行叠加处理,需进行震源聚类分析,而震源聚类受水位变化量的控制;2为消除水位的影响,进行了反褶积处理,当震中距小于10km时,对不同水位激发的信号进行叠加再进行反褶积的效果优于直接进行叠加的效果;3通过互相关计算和信噪比分析发现,4个台站的波形变化可能是由地下介质变化引起的。     

相关辨识谱激电法及野外实验

与常规互相关法辨识系统脉冲响应的方法不同,本文提出了一种直接由循环互相关法辨识系统频率特性的方法,用于地球物理谱激电法勘探.具体方法是:采用编码源信号为激励波形,运用循环互相关法可恢复出系统的频率响应.仿真计算结果表明:本方法在强干扰条件下可高精度辨识出待辨识系统的频率响应,较高的采样率和叠加次数可有效提高测量精度.野外谱激电法实验中,采用编码源激发,中间梯度装置,最大供电极距5200 m,接收电极距20 m,阵列式同步采集,供电电流8 A条件下,在强干扰工作区获得了可靠的视电阻率、相对相位和金属因素剖面异常.通过实测数据分析:该方法有助于提高系统频率响应的辨识精度,且有很高的频率分辨率;增加采样周期数是在强干扰区获得高质量数据的有效途径.     

基于波形相似性的远震初至拾取方法进展与对比研究

远震初至拾取是地震学研究中的关键环节,它在地震定位、核爆炸检测以及远震层析成像中起着重要的作用.基于波形相似性的远震初至拾取方法利用互相关估计各地震道的相对时差,具有抗噪和拾取精度高的特点.目前流行的各种基于波形相似性的远震初至拾取方法的原理各不相同,在时窗参数设定、稳定性和计算效率等方面存在差异,有必要对不同方法进行总结,并对其精度和效率进行评价.本文针对多道互相关方法、迭代互相关叠加方法、自适应叠加方法、台网远震体波处理方法、改进多道互相关方法等五种基于波形相似性的初至拾取典型方法的特点,对比分析了各方法的精度、稳定性及其与时窗参数的关系.实际数据的应用结果显示:在相同数据条件下,改进多道互相关方法精度最高,台网远震体波处理方法次之,再次是多道互相关方法和迭代互相关叠加方法,自适应叠加方法最低.不同方法的稳定性对互相关时窗长度变化的敏感度不同,时窗过短或者过长均会造成拾取精度和稳定性的降低.当初至震相信号的时窗长度取主周期的1~2倍时,互相关时窗恰好覆盖初至震相起跳部分的波形,各种方法拾取初至的精度接近.在实际应用中,建议根据不同的震源子波类型、频率成分、噪声水平等采用不同的初至拾取策略以提高拾取的精度和稳定性.     

基于超级混合虚折射干涉法的阵列声波处理方法及其在套管井中的应用

在声学测井勘探时,复杂多变的测井条件(如胶结不好的套管井和随钻测井等)下的强直达干扰信号会导致地层信号的信噪比降低,使得地层有用信号的提取十分困难.本文在超级虚折射法的基础上,利用声源与接收器的互易原理,对原始波场信号进行互相关和褶积重建,并对所有可能的位形产生的信号进行叠加,将该叠加波场与超级虚折射波场进行叠加,重构出超级混合虚折射波场,使不同接收器上的折射波信噪比在超级虚折射的基础上进一步得到提高,显著提高了有用信号的信噪比,同时解决了超级虚折射近场能量不足的问题.套管井测井的理论模拟及实际处理表明,该方法可以很好地压制套管波信号、提高地层信号的信噪比.     

基于长江安徽段气枪主动源实验庐江台阵的台站对双差地震速度成像

针对气枪主动源监测中相位加权叠加数据绝对到时拾取可能存在较大误差的问题,提出基于台站之间叠加信号波形的相似性,利用台站对波形的互相关得到更准确到时差的策略。在此基础上,将台站对双差地震速度成像方法直接用于台站对到时差数据,以确定地下介质的速度异常。本文利用长江安徽段气枪实验在庐江临时地震台阵接收到的数据进行了测试,发现基于波形互相关得到的到时差数据比绝对到时数据更准确。最后,采用台站对双差地震成像的方法,得到了庐江台阵覆盖区域的地壳三维速度异常模型,继而确定了该地区较大尺度的地下结构分布。     

地学长江计划安徽实验中低频可控震源地震波信号提取方法评估

可控震源的激发过程精确可控、可重复性高。本文评估了重复激发形成的多道记录的信号增强方法,包括叠加方法和有效信号直接分离方法。相比线性叠加,加权叠加充分利用了有效信号的一致性,能进一步压制噪声,提高叠加记录的信噪比。相比时间域相位加权叠加,Semblance加权叠加更加稳定。时频域相位加权叠加能在时频域压制随机分散分布的噪声信号,叠加信号更加清晰。本文中,采用标准SVD分离获得的信号同线性叠加结果类似。本文利用密集分布的临时台阵评价地学长江计划安徽实验中低频可控震源在庐江第2激发点的激发效果。对比不同的处理流程发现,先互相关检测信号再进行时频域相位加权叠加能够取得最佳的处理效果,通过200多次重复激发,可以在50km范围内提取到较清晰的有效信号。     

利用双台站背景噪声分析2017年墨西哥MW7.1地震震源区的地震波速变化

背景噪声中包含有丰富的地球内部结构信息,可以用来监测地震波速度变化.基于墨西哥中部G.UNM和MX.TLIG两个地震台站2016年4月1日至2018年4月1日的连续波形资料,本文首先对其进行不同频带下的背景噪声互相关处理,然后采用小波变换对获取到的互相关函数进行滤波来解决台站间距过长所引起的互相关函数不稳定问题,最后分别通过Stretching方法和MWCS方法测量得到的走时偏移来提取地震波速度变化.结果表明：利用小波变换能有效提高互相关信噪比和结果精度;采用Stretching方法发现震源区浅部5~10 km的地震波速在地震中上升约0.07%,而在2~5 km的地震波速则有约0.05%的下降趋势;MWCS方法计算结果稳定性稍差,但变化趋势与Stretching结果相同.造成该地震波速变化的主要原因可能是2017年地震所引起的脆性岩层结构破裂.     

背景噪声提取体波方法研究进展

地球深部结构探测是地球物理学的核心领域,而地震体波可以深入地球内部且分辨率较高,是研究地球内部结构不可或缺的技术手段。基于背景噪声提取高信噪比体波信号技术的迅速发展,极大地促进了地震学的发展和应用范围,使其在地球深部结构成像、城市浅层空间探测等领域日益发挥出重要作用。本文详细综述了如何利用地震干涉法及台阵处理技术提取出用于研究不同探测尺度（局部、区域、全球）的各类体波信号。其中,地震干涉法通过对地震台站记录到的波形信号进行互相关,抵消掉重合的射线路径,最后得到台站对之间的地震记录;而台阵处理方法是基于接收器台阵发展起来的数据处理手段,该技术不仅能够进一步提高信噪比（SNR）,而且能够获得方位信息。一般来讲,背景噪声中包含的体波信号能量远低于面波信号能量,提取难度大。本文着重介绍了Bin-叠加法、双波束方法（DBF）以及相位加权叠加法（PWS）,并对3种方法的适用条件进行了总结。      

甘肃祁连山主动源不同枪组激发效果对比

大容量气枪震源激发探测因具绿色环保、传播距离远和高度重复性等特点成为地下介质探测的新方法,利用其进行地下介质物性变化高精度探测,则对不同激发条件下气枪传播信号的一致性提出要求。本文选取了祁连山主动源不同枪组（4支和3支气枪）在激发环境一致情况下分别激发时各远台波形记录,通过信号叠加、互相关及频谱分析等方法,对比分析了各台站记录的不同枪组激发信号,及其与震中距的关系,并讨论了不同枪组激发对地下介质走时变化观测的影响。结果表明：（1）不同枪组的激发信号波形相关度随震中距增大而降低,信号震相随激发能量有微弱的变化,震中距超过50 km后其变化几乎分辨不出;（2）远台接收信号的能量大小随主动源激发能量变化,各台站能量变化主要体现在优势频率范围内;（3）接收台站台基越坚固不同激发能量均方根振幅比越小;（4）叠加一定数量的波形可以有效提高远台记录信号的信噪比,增加气枪激发能量则相对更容易提高信号信噪比。     

小当量激发的远距离信号检测研究

为了研究利用小当量震源进行远距离探测的可能性,通过现场试验进行了研究.野外实验采用1次大当量激发和16次小当量激发,研究结果表明：①有可能利用数十公斤当量的炸药实现200km距离的探测;②在激发条件相同（或相近）时,不同当量的激发波形滤波后存在一定的相似性;③依据人工震源可重复性采用以下的激发组合方式和处理方法能够有效提高信噪比：针对大当量激发与小当量激发波形的相似性,利用大当量激发的波形作模板与小当量激发的波形作相关,可判断台站是否接受到小当量激发的信号并检测其震相到时信息.针对小当量激发波形的相似性,采用小当量多次激发的方式,通过N次根加权叠加方法,能有效提高记录的信噪比和震相识别精度.     

基于分组互相关成像条件的微震逆时成像定位方法

地面微地震记录的信噪比常常很低,微地震走时拾取困难,难以利用基于微震走时的方法进行震源定位,微震逆时成像作为有潜力的地面微震定位方法而成为研究热点.微震逆时成像的效果和效率与所使用的成像条件密切相关.本文通过对不同信噪比微地震记录的逆时成像实验,在分析现有的自相关和互相关成像条件优缺点的基础上,提出分组互相关成像条件,讨论了分组方式对成像结果的影响.结果表明:分组互相关成像兼顾了自相关和互相关成像的优势,避免了它们的缺点.通过采用合适的分组方式,可以在满足计算效率要求的情况下,获得空间分辨率很高的震源成像结果.分组互相关成像对低信噪比资料具有很强的适应性,是一种很有前景的地面微震定位方法.     

S变换时频域滤波方法在主动源资料处理中的应用研究

主动源探测中源检距较大的接收台站,由于信号能量较弱及各种干扰的存在,有效信号湮灭于干扰信号之中,导致信噪比降低。利用S变换时频域滤波方法分别对一维、二维加噪数据进行数值模拟计算,发现该方法可对随机信号进行有效识别,输出信号与原始信号互相关程度提高。再将此方法与频率滤波方法应用于宾川主动源高兴台数据处理中,结果表明:S变换时频域滤波方法能够在主动源资料处理中对噪声形成有效压制,提高地震信号信噪比,且效果优于频率域滤波方法。     

利用地震背景噪声互相关检测流动地震台波形时钟漂移

时钟精度是地震观测中最重要的参数之一, 需要通过卫星授时信号来保障。 当卫星信号被屏蔽或仪器守时部件出现问题时, 地震计内部时钟会逐渐漂移, 给后续数据处理带来极大困扰。 利用地震背景噪声台站对互相关提取的经验格林函数, 不仅可以用于结构成像, 也可以用于检测波形时钟是否存在漂移, 并获得时钟漂移幅度。 使用地震背景噪声互相关方法对2017—2019年云南永胜地区4个流动观测台站的连续波形进行了时钟漂移检测, 结果发现部分流动台站在不同时间段存在不同模式的时钟漂移, 最大幅度可达到1.75 s。 同时, 利用云南宾川气枪重复震源激发的信号进行互相关计算, 对上述结果进行了验证, 发现两种结果具有较好的一致性。 研究表明, 背景噪声互相关对波形的时钟漂移有较高的灵敏度, 能够有效检测出时钟问题, 防止波形被误用, 可为后续波形时钟校正提供参考信息。     

时频域相位滤波在远震接收函数噪声压制中的应用

宽频带地震观测数据中有效信号和干扰噪声经常发生混频效应,常规的频率域滤波方法很难将二者分离.地震波信号属于时变非平稳信号,时频分析方法能够同时得到地震波信号随着时间和频率变化的振幅和相位特征,S变换是其中较为高效的时频分析工具之一.本文以S变换为例,提出了基于相位叠加的时频域相位滤波方法.与传统叠加方法相比,相位叠加方法对强振幅不敏感,对波形一致性相当敏感,更加利于有效弱信号信息的检测.时频域相位滤波方法滤除与有效信号不相干的背景噪声,保留了相位一致的有效信号成分,显著提高了信噪比.运用理论合成的远震接收函数数据和实际的宽频带地震观测数据检验结果显示该方法较传统的带通滤波方法相比,即使在信噪较低且混频严重条件下,时频域相位滤波方法的滤波效果依然很明显,有助于识别能量较弱的有效信号.