噪声对气枪信号叠加效果的影响及自动数据筛选方法

为剔除小地震信号和强噪声对气枪信号叠加效果的影响,提出了一种利用信号记录中噪声特征的主动源数据筛选方法——RMS筛选法,服务于气枪数据的自动化处理。实际气枪数据筛选结果表明,RMS筛选法采用信号噪声水平作为信号选择标准,可以有效去除高噪声信号,其线性和相位加权叠加结果优于常规线性叠加和常规相位加权结果,噪声得到压制,远距离台站微弱信号检测效果得以增强。     

台网噪声评估及其对气枪震源激发效果影响的研究

为了研究背景噪声对长江地学气枪主动源实验激发效果的影响,收集了240个台站激发前72小时的背景噪声数据及20个定点激发的叠加结果进行实验分析.先剔除异常台站,按照国标将台网噪声水平划分为高、中、低3个等级进行评估,从而研究气枪波形信噪比与台站背景噪声的关系.结果表明:① 台站接收能力与背景噪声水平密切相关;② 气枪信号的信噪比在一定范围内受背景噪声的影响大于距离衰减的影响;③ 长江马鞍山—安庆流域段不同定点激发的场地条件基本一致;④ 随气枪信号叠加次数的增加,低噪台站的信噪比增长速度快于中、高噪台站,若想获得同样的叠加效果,高噪台站需要的叠加次数远大于低噪台站.      

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。     

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。     

基于气枪源信号的数据处理与传播特性研究

区域尺度地球浅部结构、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,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,对地下介质进行动态变化测量的适用的主要震源包括相似地震、背景噪声、人工震源和其他非常规震源。而在天然源方面,大地震时空分布不均,相似地震数量有限,地震背景噪声源需长时间叠加才能获取稳定信号且源存在季节性变化,三者对于变速变化测量时空分辨率与精度较低。在人工震源方面,传统炸药震源适用受限,连续震源等因释放能量低,不适宜进行区域尺度大陆浅部探测与监测研究。为寻找适合的理想震源,我们通过一系列野外实验探索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,并成功移植到陆上有限水体激发。本文结合区域尺度大陆浅部结构探测和监测这一核心目的,以历次非调谐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:(1)全面回顾、认识陆上大容量气枪震源。在全面回顾总结海洋气枪震源的发展历史、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地气枪震源的差异。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-固界面的物质耦合、水体边界条件、地震波传播等复杂机制,受多种因素影响,是气体-流体-固体三相耦合的物理系统。其次详述了多年来陆上水体大容量气枪震源激发实验,总结了气枪源在研究区域尺度介质变化测量和探测中的独特优势。陆上不同水体中气枪信号模拟和实际激发效果的对比表明,影响气枪激发效果的主要因素包括气枪枪体(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)。对不同相关激发条件影响的探讨总结,有利于加深对陆上气枪震源的震源特性的认识,改进激发环境的设计与评价,获得更好的激发条件。(2)主动源数据自动筛选方法。介绍了噪声对于主动源信号叠加处理的影响,并提出了一种利用信号记录中噪声特征的主动源数据自动筛选方法——RMS筛选法。在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,决定了对叠加技术的需求;地震信号发射台的大规模激发和台阵的发展积累的海量气枪信号数据,催生了对于气枪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筛选后叠加效果明显优于传统叠加方法,更能压制强背景噪声的干扰,可有效提高信噪比。RMS筛选叠加数据剖面显示,宾川台信号传播距离由250 km增至350 km,呼图壁台由500 km左右增加至1000 km,张掖台信号探测距离由300 km提高到了近500 km。(3)气枪震源波场信息传播特性研究。利用已建立并在持续运行的3个以大容量非调制气枪阵列为震源的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。研究内容包括发射台信号特征、气枪信号能量空间分布、利用主动源信号中Pn波震相研究气枪信号的衰减与几何传播、发射台配套台网的噪声水平分析等内容。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。发射台周边台站速度记录分析显示,气枪源激发在近源参考台记录均在106 nm/s量级,其中呼图壁台产生的信号振幅最强。各发射台信号强度在40 km左右及已降低至100 nm/s左右,接近背景噪声水平。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。信号能量空间分布显示各发射台气枪震源辐射图样基本满足几何扩散分布,但呼图壁台南部台站接收台站信号较弱。台站背景噪声水平分析显示,在气枪优势频带2~10 Hz范围内宾川台周边台站噪声水平普遍在–130 d B左右,仅部分台站背景噪声值较高。宾川台周边台站动态环境噪声水平明显低于呼图壁流动台20 d B左右。     

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。     

数值模拟激发条件对宾川水库气枪信号振幅的影响

利用有限差分方法,对宾川气枪试验中激发条件对气枪信号振幅的影响进行数值模拟。结果显示:水库水位对信号振幅的影响呈非线性关系,34 m为气枪激发试验的优势激发水位,能产生最强波形振幅能量,而水位变化的影响随距离缓慢减小。通过拟合给出了不同水位变化幅度与其产生的平均振幅变化率之间的幂函数关系,可为实际波形运用中去除水位变化的影响提供理论参考。波形振幅与激发能量及震源沉放深度呈近线性关系,即激发能量越大,震源沉放深度越深,气枪激发效果越好,越有利于进行远距离深穿透地下结构的探测。     

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。     

利用功率谱检测气枪信号

使用北京台网记录的数据,利用功率谱方法对中海油渤海勘探部在渤海湾进行的气枪试验进行了分析。通过北京台网部分台站噪声功率谱与含有气枪信号信息的噪声功率谱进行的比较,发现频率0．2Hz左右含气枪信号信息的噪声功率谱明显高于不含气枪信号信息噪声功率谱。     

气枪主动源与天然地震信号的传播特征对比研究

应用S变换对比分析云南宾川地震信号发射台单次气枪激发信号与同当量天然地震信号在传播过程中的波形和频率特征,并基于参考台聚类分析结果,对其他接收台站的地震信号进行线性叠加和相位加权叠加,研究结果表明:(1)气枪信号传播过程中主频为3~6 Hz,可以在距离为151 km的台站检测到信号,传播过程中能量衰减较慢。天然地震信号主频较高,在传播7.7 km时的主频为10~20 Hz,传播距离约为60 km,传播过程中能量衰减较快;(2)经过2 000余次的线性叠加和相位加权叠加,可以分别在距离为225 km和350 km的台站检测到气枪信号。与天然地震信号相比,气枪信号数据丰富、衰减慢、传播距离远,利用气枪数据可以研究更大范围的地壳介质结构。     

Probability Data Screening Method in Airgun Signal Processing Application

The signal excited by the airgun source is weak, and is easily affected by human motion noise, instrument failure, and earthquake and blasting events, resulting in insufficient utilization of the amplitude information of the airgun signal. The effective removal of interference and the preservation of true amplitude information of the signal is difficult in airgun signal processing. Based on the randomness of noise and the highly repetitive characteristics of airgun signals, we propose probability data screening method. The airgun data from experiments conducted in the Ansha Reservoir and Shanmei Reservoir in Fujian Province in June, 2017 are taken as the research object to assess the effect in practical applications. The results show that the probability data screening method can automatically reject multiple interferences and effectively preserve the amplitude information of the signal by screening out large amplitude records in appropriate proportions. Compared with direct linear superposition, the probability-related linear superposition method can effectively reduce the impact of abnormal interference, and significantly improve the quality of the observed data.     

Reliability Evaluation on Weak Signal Extraction for Airgun Source Surveys

Based on the data synthesis simulation and the actual processing of the airgun seismic source signal, three quantitative indicators of signal-to-noise ratio, waveform correlation coefficient and phase offset, are superimposed. We systematically evaluate the functions of the following three stack methods including linearity, phase weighting and S-transform in the extraction of weak signals under strong background noise and quantitatively estimate the reliability of the stack results. Through the comprehensive discussion of the above three methods of stack results, the preliminary comparative analysis believes that the linear stack signal-to-noise ratio is low, but the waveform distortion is minimal; the phase-weighted superimposed signal-to-noise ratio is high and the phase offset is small, but the results of the waveform quality and linear stack are larger than the deviation; the S-transform stack has a relatively higher signal-to-noise ratio and a small loss of waveform amplitude, but there is a certain phase shift phenomenon. It is therefore suggested that linear stack technology should be used when the requirements of both waveform quality and time precision are high. However, the selection of the stack method when the airgun source excitation is limited should be emphasized. If high fidelity is required, the S-transform stack method should be selected; if the required time is high, accuracy can be selected by phase-weighted stack method to achieve reasonable extraction of weak signals.     

气枪震源波形走时变化分析的反褶积处理

利用云南省宾川主动源基地周边10km范围内7个流动台站2017年2月气枪震源集中激发时段记录的气枪信号,使用干涉法计算了直接使用波形和将波形与参考台反褶积后的格林函数两种处理方法下气枪信号的走时变化。使用了气枪震源附近不同方位角的两个参考台的数据,以分析不同参考台对走时变化结果的影响。结果表明:反褶积能较为有效的压制气枪震源的时间、空间和频谱轻微不重复性导致的走时变化;反褶积能降低一些来源不明的伪走时变化;使用CKT2的数据反褶积的结果略优于CKT0,其可能原因是气枪阵列沿方位角的非均匀辐射。     

Analysis of the Frequency Domain Water-level Deconvolution Method Based on Reservoir Airgun Source Data

Based on the 2016 airgun experimental data of the Fujian Nanyi reservoir, we adopted the frequency domain water-level deconvolution method and cross-correlation time delay detection technique to study the influence of level scaling factor and the background noise level of the station on deconvolution calculation results, and analyze the effect of deconvolution on eliminating the influence of the source caused by different air-gun pressures. The results show that:(1) When the level scaling factor is smaller, the signal to noise ratio of the waveform after the deconvolution is smaller, and when the level scaling factor is over smaller, the identification error of travel time is greater. (2) When the SNR of the station record is higher, the recognition accuracy of travel time is higher, the influence of SNR on the reference station record is far greater than the far station, when the SNR of the far station record is more than 10, the error of travel time is within 6ms, but when the SNR of the reference station record is 30, the travel time error may reach to 20ms. (3) When the airgun source difference is big, the frequency domain water-level deconvolution method has better effect on eliminating the source influence, but the method error may be introduced when the source difference is small.     

Improving Airgun Signal Detection with Small-Aperture Seismic Array in Yunnan

Repeating airgun sources are eco-friendly sources for monitoring the changes in the physical properties of subsurface mediums, but their signals decay quickly and are buried in the noises soon after traveling short distances. Stacking waveforms from different airgun shots recorded by a single seismic station (shot stacking) is the most popular technique to detect weak signals from noisy backgrounds, and has been widely used to process the data of Fixed Airgun Signal Transmission Stations (FASTS) in China. However, shot stacking sacrifices the time resolution in monitoring to recover a qualified airgun signal by stacking many shots at distance stations, and also suffers from persistent local noises. In this paper, we carried out several small-aperture seismic array experiments around the Binchuan FAST Station (BCFASTS) in Yunnan Province,China, and applied the array technique to improve airgun signal detection. The results show that seismic array processing combining with shot stacking can suppress seismic noises more efficiently, and provide better signal-to-noise ratio (SNR) and coherent airgun signals with less airgun shots. This work suggests that the array technique is a feasible and promising tool in FAST to increase the time resolution and reduce noise interference on routine monitoring.     

气枪震源资料反褶积方法及处理流程研究

气枪震源具有极高的可重复性,可用于地下介质变化的监测。但不同工作条件下气枪震源产生的信号会存在细微差异,反褶积方法能在一定程度上消除由震源变化引起的记录信号变化。为了去除气枪震源子波信号,获取气枪源到台站之间的格林函数,通常需要选取一种恰当的方法对地震波形数据进行反褶积处理。频率域水准反褶积和时间域迭代反褶积是在接收函数等领域已被广泛使用的2种反褶积方法。本文以云南宾川主动源资料为例,对比了利用这2种方法处理气枪震源资料的效果,结果表明：在计算效率方面,频率域水准反褶积方法更具优势;在处理结果的信噪比方面,时间域迭代反褶积方法表现更好,P波初至也更清晰。此外,进一步讨论了在多炮资料的处理过程中反褶积和叠加等操作的顺序问题,最后提出了从气枪震源资料中提取气枪源到台站之间的格林函数的一般流程。     

非纵弯线气枪震源陆地反射资料叠加成像

为探索大容量气枪震源在深部地震探测中的应用,2015年10月在安徽铜陵段开展气枪流动激发试验。该试验采用沿长江航道激发、岸边固定排列接收的工作方式,因受长江航道及江岸地形的影响,加上原始记录中干扰波发育、静校正问题突出等,基于常规的共中心点叠加的数据处理方法已不再适用。为此,开展了针对性的数据处理方法研究。本文采用初至波层析静校正、叠前多域多道集去噪以及非纵弯线共反射面元叠加等一系列处理技术,结果显示所获测线经过区域的深部构造叠加剖面较清晰。      

Study on the Influence of Airgun Excitation Conditions on Airgun Signals and Travel Time Variation Measurements

Because of the different excitation conditions of the airgun source, there will be subtle differences in airgun signals. Travel time variation of airgun signals often mix into source information which can''t fully reflect the evolution of the medium. This article uses the airgun signals from the Binchuan Transmitting Seismic Station to analyze the airgun signal''s characteristics of phase and correlation. We conducted a comparative analysis of the effects of the pair difference method and the deconvolution method on eliminating the influence of the excitation conditions in travel time variation. The results show that:(1) The pressure pulse and its subsequent wave of airgun source wavelet are less affected by excitation conditions that we can use it to obtain high-precision excitation moments. (2) Deconvolution can improve the correlation of the airgun signal. (3) The pair difference method can''t eliminate the influence of excitation conditions in travel time variation. Deconvolution can reduce excitation condition interference and the influence of the excitation condition in the travel time variation after deconvolution of the vertical signal is significantly reduced.