基于平面波模型重访地震背景噪声互相关及空间自相关(SPAC)

自Aki(1957)提出微震的空间自相关(SPatial AutoCorelation,SPAC)技术以来,SPAC技术一直独立发展,并在工程地震领域获得了广泛应用.近20年来,地震干涉(Seisimic Interferometry,SI)在多个领域引起人们的关注,该技术的核心思想是连续地震背景噪声的互相关函数(Noise Crosscorrelation Function,NCF)可以重建系统的格林函数(Green's Function,GF),对该技术的回溯性研究建立了SPAC和NCF的关系:它们是对同一物理现象的不同描述,SPAC在频率域中描述随机平稳噪声的空间相干,NCF在时间域中描述扩散场的互相关.理论上SAPC和NCF技术要求背景噪声源均匀分布,这样的噪声场可以用平面波叠加来模拟.本文基于平面波模型重访地震背景噪声的互相关和空间自相关技术,从单色平面波的互相关表示出发,对地震背景噪声互相关及空间自相关技术进行评述,试图使这些概念更易于理解.与之前众多研究地震干涉技术的理论相比,本文尤其关注以下几点:(1)基于简单的平面波模型,给出不同维度下,源或台站对方位均匀分布时,平面波互相关对入射波的方位平均和台阵对的方位平均结果,并对格林函数GF和时域互相关函数NCF的关系进行总结.(2)给出声源和(或)交叉台站方位分布不均匀时的互相关表示,指出这种非均匀性对方位的依赖关系,与弱各向异性介质中面波速度的方位依赖关系类似,因此,非均匀源的影响在反演时可能会映射到面波方位各向异性结果中.(3)互相关运算中,哪一个台站是虚拟源.NCF包含因果性和非因果性两部分,NCF的非对称性通常用于研究噪声源的方位分布,但由于源和接收的互易关系,及对互相关运算的不同定义和不同的傅里叶变换习惯,哪一个台站是虚拟源在目前的文献中并不明确.(4)方位平均和时间平均的关系.在SPAC处理中,需要对不同方位分布的台站对进行方位平均,本文从理论上说明,单个平面波入射时,交叉台站互相关系数对台站对的方位平均,等价于单个台站对互相关系数对入射波的时间平均.(5)几种特定分布非均匀噪声源的SPAC表示.包括单独的因果性噪声源和非因果性噪声源给出的互相关函数表示,及由此带来的相移问题.(6)利用SPAC、NCF和面波GF之间的关系,给出交叉分量的空间自相关系数表示.(7)衰减介质的空间相干表示.虽然利用地震干涉技术研究介质衰减在理论上仍然存在一些争议,但人们正试图研究从连续背景噪声记录中提取介质衰减的可能性.本文基于平面波模型,给出了不同坐标选择下,衰减介质的空间相干表示,这种表达的不同,指示了由地震干涉技术提取介质衰减的困难.与众多研究地震干涉的理论相比,比如稳相近似理论、互易定理、时间反转声学等,本文主要考虑均匀介质,不涉及非均匀介质的散射,从最简单的平面波模型,理解背景噪声重建系统格林函数这一地震干涉的核心思想和相应的基本概念.     

被动源体波信息提取技术及其质量监控

基于互相关的被动源地震干涉测量是一种潜在的、经济有效的地质与地球物理研究技术.然而,被动源地震记录常以面波能量为主,从被动源地震记录中提取体波仍然是一项具有挑战性的任务.首先,本文系统阐述和比较了互相关和反褶积以及互相干三种干涉方法的差异,并指出在进行体波成像时使用互相干方法效果更好;其次,为了有效增强体波信号,本文提...     

主动源与被动源地震数据插值及联合数据成像

本文提出了两种情况下主动源数据和被动源数据的插值方法,并研究了两种数据在偏移成像中的互补效果.基于互相关法被动源数据重构原理,本文提出了结合多域迭代去噪技术的重构方法.提出了两种时间域主动源和被动源数据的插值方法,分别是共炮点域能量匹配插值和共检波点域最小平方匹配插值.然后对获得的主动源和被动源联合地震数据进行叠前深度偏移成像.在被动源活跃度不是很高的地区进行被动源地震勘探时,少量的主动源地震数据可以有效控制和补充被动源数据的成像效果.在稀疏炮点的主动源勘探中,有效利用被动源的信息能够在成像中增加更多的细节信息,提高成像质量.     

伪随机震源面波法频谱特征及其勘探深度分析

多道面波分析勘探法在工程场地安全评价中应用广泛,主要有人工源和天然源两种方法,但人工源法具有勘探深度相对较小的缺陷;天然源法其数据采集周期长现场操作便捷性差.文章通过引入伪随机震源作为面波勘探震源,希望能够在较短的采样周期内获取质量较高的频散能量谱.对获得的面波数据记录分别使用适合主动源法的F-K法以及适用于被动源法的SPAC法获取相应频散谱,并将伪随机震源的频散谱与同场地、同排列条件下人工源和天然源面波数据结果对比,认为:(1)运用SPAC法进行伪随机震源面波法频散分析所得到的频散谱收敛性较高;(2)伪随机震源面波法能够弥补人工源面波法勘探深度较小的缺点,相对于天然源面波法能够兼顾浅层高频区域,且现场操作简单、工作效率更高,适宜于不同地质条件的场地应用评价.     

基于互相关相移的主动源地震面波频散成像方法

以多道面波分析技术(MASW)为代表的主动源面波方法已经在地表勘探领域获得越来越多的应用.准确的面波相速度频散成像是利用主动源面波法进行近地表横波速度反演的必要条件.本文提出了一种新的主动源面波频散成像方法—CCPS(Cross-Correlation and Phase-Shifting)法.首先,将单炮面波记录由时空域变换到频率空间域并消去振幅谱的影响,得到归一化频谱.然后,依次将每道信号与整个记录进行互相关的同时进行相速度扫描叠加.最后经过一次求和过程即得到最终的频散图像.通过理论数据、实际工程地震面波资料和石油勘探面波资料比较了普通相移法和CCPS法的频散成像效果.研究表明:新方法相对于普通相移法而言,明显提高了频散图像的质量,相速度聚焦性能和背景噪声压制能力有显著改善.     

结合混合源面波与三分量频率谐振的浅震勘探在城市地质结构精细划分中的应用

结合了混合源面波与三分量频率谐振的浅震勘探技术,综合了主动源面波探测精度高和被动源面波探测深度大的优点,同时增加了三分量频率谐振拟波阻抗比值这一参数进行综合推断解释,大大提高了探测的分辨率和准确性.采用该浅震勘探技术在成都天府国际生物城开展了浅层地质结构的精细化探测工作,快速获取了工作区60 m以浅地层结构的三维S波速度及三分量频率谐振拟波阻抗比值分布特征,利用波速与波阻抗的差异性,结合大量的工程钻孔资料标定,实现了对地层结构的精细划分,同时也证明了该浅震勘探技术在城市浅层地质结构精细化探测中的有效性.     

基于波场分离归一化成像条件的被动源数据多次波逆时偏移成像（英文）

随着地震勘探技术的进步,被动源数据越来越受到重视,噪声型被动源数据在自然界和工业生产中广泛存在,利用好被动源数据对随钻测井,大尺度构造勘探等领域有重要意义。本文针对噪声性被动源地震数据等特性,提出了基于波场分离归一化成像条件的被动源数据多次波逆时偏移成像方法。不同于地震干涉法,本方法不需要重构虚拟炮集,对噪声型被动源数据本身偏移成像。将逆时偏移结合多次波成像的边界条件应用于被动源地震数据,并采用波场分离的方法消除逆时偏移的低频噪声问题,同时采用能量归一化的成像条件,克服了被动源震源分布不均匀导致成像能量比例失调问题,同时增强了边缘和深部地层成像质量,且计算效率高。最后用Marmousi模型进行测试,证明了本方法的有效性。     

基于弹性波全波形反演的主被动源多分量混采地震数据速度建模

在常规地震采集中,被动源地震波场往往被视为噪声而去除,这就造成了部分有用信息的丢失.在目标区进行主动源和被动源弹性波地震数据的多分量混合采集,并对两种数据进行联合应用,使其在照明和频带上优势互补,能显著提高成像和反演的质量.本文针对两种不同类型的主被动源混采地震数据,分别提出了相应的联合全波形反演方法.首先,针对主动源与瞬态被动源弹性波混采地震数据,为充分利用被动源对深部照明的优势,同时有效压制被动震源点附近的成像异常值,提出了基于动态随机组合的弹性波被动源照明补偿反演策略.然后,针对低频缺失主动源与背景噪声型被动源弹性波混采地震数据,为充分利用被动源波场携带的低频信息,并避免对被动源的定位和子波估计,提出了基于地震干涉与不依赖子波算法的弹性波主被动源串联反演策略.最后,分别将两种方法在Marmousi模型上进行反演测试.结果说明,综合利用主动源和被动源弹性波混采地震数据,不仅能增强深部弹性参数反演效果,还能更好地构建弹性参数模型的宏观结构,并有助于缓解常规弹性波全波形反演的跳周问题.     

地震干涉测量法近地表散射波分离技术

针对山地地震勘探数据低信噪比问题,近地表散射波分离意义显得尤为突出,地震干涉测量法为此提供了一种技术手段.本文将地震干涉测量理论和散射理论结合起来,导出了近地表散射波地震干涉测量表达式,分为互相关型和褶积型表达式,它们由实际波场和背景波场干涉测量构成.根据近地表散射波分离理论,结合陆上地震勘探实际观测系统,采用褶积和反褶积混合型地震干涉测量配置,用实际地震资料展示了近地表散射波分离技术的应用效果.经过理论分析和砾石区实际资料试验,表明地震干涉测量不仅能分离测线上散射源产生的散射波,而且能分离部分侧面散射波.该技术的优点在于它适应于起伏地形和不均匀近地表结构,并且不需要起伏地形和近地表速度信息.为了从实际资料中消除近地表散射波,本文采用多道匹配滤波自适应减法,在砾石区见到较好效果.     

被动源反射地震数据起伏地表静校正问题分析

主动源地震中采用静校正技术将地震数据校正到平面上进行常规处理,被动源反射地震数据处理中同样面临该问题,其中涉及到了两种方法,一种是生成拟炮集记录后,采用主动源地震方法进行静校正处理;第二种方法是在背景噪声上,根据检波点高程将数据校正到平地表上再进行拟炮集记录计算.本文主要分析了第二种静校正计算方法的原理、以及实现步骤,并通过数值模拟起伏被动源地震数据,对两种静校正方法校方法进行了综合对比.实验结果表明：在被动源原始数据上静校正和在互相关生成的拟炮集上静校正都能实现起伏地表校正为平地表,但在被动源原始数据上静校正再相关会导致静校正量发生改变,需对反射记录非因果部分进行两倍炮点校正,因果部分进行两倍检波点校正才能叠加生成拟炮集.     

被动源面波和体波成像在内蒙古浅覆盖区勘探应用

地震勘探具有勘探深度和分辨率的优势,在矿产勘探中多被采用.但主动源反射地震具有成本高、在矿区采集困难等难题,限制了其广泛应用.无需主动源激发、利用天然噪声的被动源地震应用于勘探,可成为其低成本替代选项.本文在内蒙古浅覆盖区矿区进行了被动源勘探试验,采用相关计算获得拟炮集记录,并基于频率域信噪比计算,在生成拟炮集前实现了...     

面波频散谱多模式高分辨率成像的多道信号比较法

高分辨率的面波频散谱成像是浅层地震勘探领域基于频散性质反演横波速度结构中的一个关键步骤.在天然地震探测领域,仅利用两个台站记录的线性信号比较法(LSC),被广泛用来计算面波的频散谱,并用于大尺度的面波层析成像.然而互相关的成像方式会造成频散谱在低频端较低的分辨率.非线性信号比较法(NLSC)利用指数函数克服了这个问题,同时极大地提高了频散谱的成像分辨率.然而,在研究中我们发现,仅利用两个台站的地震记录,并不能将面波的频散特性完整地考虑在内,导致LSC和NLSC方法对高阶模式的成像存在较大的误差.由于主动源面波勘探多道采集的方式,基于信号比较理论的多道信号比较法(MSC)充分利用多道地震信号,可以获得准确的多模式成像,然而该方法需要计算任意两道的频散谱并叠加,存在冗余的计算,导致计算效率较低.因此,本研究对MSC方法进行了相应的改进,通过追踪炮集记录上的面波波组提高了原方法的计算效率,同时,利用理论频散曲线进行叠加分析,验证了改进的MSC方法的正确性和有效性.通过与相移法、LSC和NLSC方法的对比分析,展示了MSC方法是一种准确的、高分辨率的面波多模式频散谱成像方法.实际地震资料的应用,揭示了MSC方法在浅层地震勘探中用于提取面波多模式频散信息的巨大潜力.     

用H/V谱比法与折射微动法确定表土层参数

表土层参数对地震场地响应有重要影响,通过H/V谱比法和折射微动(REMI)方法确定场地表土层厚度和速度结构等有实际意义.REMI方法采用常规折射地震采集设备,利用自然震动作为源,通过地震波场τp变换和傅立叶变换,将地震记录从时空域变换到慢度-频率域提取频散曲线,不同于主动源面波勘探,被动源面波勘探能获得更大深度的土层结构.     

分布式光纤声波传感系统记录的交通噪声的干涉处理分析

分布式光纤声波传感系统(DAS)是近年来迅速发展的高密度、低成本的地震观测设备,已经在基于面波的速度层析反演、反射成像、微地震监测等多个领域显示巨大潜力.本文基于美国加利福尼亚州Garner Valley实验中DAS记录的交通噪声数据,分析交通噪声数据特点,并利用地震干涉方法从交通噪声记录提取出近地表传播的面波信息.结果显示,利用记录时长6 s的DAS记录的车辆噪声数据,可以提取与主动源数据信号信噪比略高、特征一致的面波记录.同时,分析比较了互相关干涉、反褶积干涉和互相干干涉三种方法.结果显示三种方法均能从Garner Valley实验中DAS系统记录的公路噪声中有效提取面波信息,其中的互相干干涉和互相关干涉结果具有较高的高信噪比,互相干干涉和反褶积干涉结果有更优的频带宽度.     

地震干涉技术被动源地震成像

被动源地震成像是基于地下反射波响应和透射波响应之间的关系,通过在地表接收由地下非人工震源发出的透射波响应,利用互相关运算来合成反射波响应的方法.合成的反射波响应,又称虚炮集记录等价于地表地震剖面记录.本文研究了由地下随机分布的被动源发出的透射波记录来合成虚炮集记录的基本原理,推导了反射波记录和透射波记录的关系公式;并通过数值模拟方法,分析了被动源成像的可行性.结果表明:利用被动源地震信息进行成像是可行的.     

分布式光纤声波传感系统在近地表成像中的应用Ⅰ：主动源高频面波

近年来发展的新型地震观测系统--分布式光纤声波传感器(DAS,Distributed Acoustic Sensing)可以实现低成本高密度观测,有望提高浅层结构成像的精度以及分辨率.最近国内研发了一系列具有自主知识产权的DAS设备,为验证国产设备在浅层结构研究中的可行性以及应用效果,2018年7月我们开展了一次DAS观测实验.实验采集了50kg落锤震源激发的地震信号,并采用多道面波分析方法提取了8~20Hz频段的主动源Rayleigh波相速度频散曲线,得到了实验区浅层30m的S波速度结构.获得的主动源面波频散曲线与共址检波器的结果吻合,也与背景噪声提取的结果具有较好的一致性,表明国产设备的可靠性和DAS在浅层结构主动源面波成像研究中的可行性.     

地震背景噪声互相关函数的面波理论表达形式

基于弹性动力学面波激发公式推导出地震背景噪声互相关函数(简称为NCF)的理论表达形式.证明了NCF等价于面波的震源激发公式,其中一个台站为等价震源的位置,另一个台站为接收点.本文提出的最重要的概念是等价震源相位,它直接影响群速度与相速度的测量误差.在噪声源均匀分布的条件下,等价震源相位等于-π/4.一般情况下,等价震源...     

利用基于密集台阵的面波成像方法研究南北地震带北段地壳上地幔速度结构

南北地震带北段位于青藏高原东北缘,包含阿拉善块体、鄂尔多斯块体、青藏块体和四川盆地等多个活动块体。这些块体,尤其是它们的交界部位,具有十分复杂的结构。本文首先利用在天水布设的较小型台阵,对数据做空间自相关来提取频散曲线,采用传统成像方法得到地下50 m内浅层速度结构;之后应用背景噪声面波成像方法,背景噪声面波周期较短,路径覆盖密集,获得10~22 s的群速度和相速度信息;近年来,随着越来越多密集台阵的布设,延伸出一些基于密集台阵的新方法,如程函方程成像和赫姆霍兹成像。利用这种方法,得到20~70 s面波相速度图及各向异性信息;地震中面波周期较长,此地区比较复杂,需要对浅层速度做约束,而对10 km以上更浅层信息,需要通过面波另外一个特性进行解释。通过计算得到相同周期下,振幅纵横比反映深度大小的信息,但密集台阵数据过多,九分量NCF计算量更大,利用云计算的方法,大大节省了计算的时间。本文主要包括以下几点:(1)为了对比天然源面波勘探不同台阵布局的探测效果,筛选出探测成果可靠、效率高和便于野外施工的天然源面波勘探台阵阵形,我们在天水市黄土覆盖区的同一场地分别用4种常见的阵形进行了数据采集试验,并对各种阵形数据用SPAC或ESPAC方法提取了相应的频散曲线,通过反演得到了试验点地下的浅层速度结构模型。分析对比试验结果表明:4种台阵提取的频散曲线数值很相近;频散谱能量集中度较高的是嵌套式等边三角形和圆形台阵,L形和直线形相对分散;L形低频段(4~8 Hz)比直线形差,高频段(8~40 Hz)比直线形好。针对直线形排列在高频段信噪比较低的情况,在确保探测成果可靠的前提下,为了提高探测效率,提出了在同一直线形排列上开展天然源和人工源面波联合勘探的数据采集方法。实验结果证实:这种联合方法不仅可弥补直线形高频段的不足,确保探测精度和结果的可靠性,而且还能做到"高低"频兼顾,即"深浅"兼顾。(2)南北地震带北段位于东昆仑断裂带东段以北的青藏高原东北隅构造区,是研究青藏高原东北缘同周边块体相互作用的重要区域,也是研究大陆块体强震孕育模式的重要试验场。本文利用2013年12月到2015年5月密集台阵记录的数据,通过互相关方法提取瑞利波的经验格林函数,利用相匹配滤波的时频分析技术测量瑞利波相速度频散曲线。采用背景噪声面波成像方法得到南北地震带北段地区10~22 s的瑞利波群速度和相速度分布图,结果较好地匹配了块体边界及断层走向。(3)目前面波层析成像是研究地壳上地幔结构的重要方法,并且随着密集台阵的布设,出现了一些基于密集台阵的面波层析成像新方法。本文利用南北地震带北段密集台阵数据,通过自动获取面波相速度方法(ASWMS),得到20~70 s的瑞利面波相速度分布图像及方位各项异性。通过将本文结果和前人研究成果相结合,对南北地震带北段区域的低速层分布、活动块体边界及变形信息有了更深的认识。联合两种基于台阵的成像方法,可以使我们获得较为完备的壳幔结构,从而可以对该区的活动地块分界及其相互作用有较为深入的认识。(4)随着背景噪声研究的发展,九分量背景噪声互相关函数得到越来越多的应用。然而,大规模密集台站往往产生海量的数据集合,利用这些数据计算九分量噪声互相关函数的计算量过大,难以在传统计算模式下快速完成。本文提出一种基于云计算的九分量噪声互相关函数的计算方法,可以利用弹性的云计算服务,实现海量噪声互相关函数计算的分解和加速。我们将此技术应用于"中国地震科学台阵探测–南北地震带北段"674个宽频带台站2014–2015年的三分量连续记录,获取了所有台站间的九分量噪声互相关函数。总体计算共完成了约22万条台站对路径上近14.9亿条单天互相关函数的计算,整体平均耗时约为10.2小时。完成等量计算,传统计算模式需要耗时近6个月,基于云计算的NCF计算技术实现了近400倍的增速,并可以弹性地扩充。我们分析了所得九分量噪声互相关函数中瑞利面波的ZH振幅比,并同天然地震中瑞利面波的振幅比进行了比较,验证了计算结果的可靠性。基于云计算的噪声互相关函数计算方法,为利用现代计算技术处理海量数据提供了重要参考。     

浅层地震反射资料的多阶振型面波反演

浅层地震反射波法和面波方法是两种相互独立发展的地震勘探方法,在各自的数据采集和处理中,对方都是作为干扰信号而存在. 本文利用浅层地震反射资料中被视为干扰的面波信号,通过成熟的多道面波勘探技术处理浅层地震反射资料,在频率-波数域中提取多阶振型面波的频散曲线,并基于该曲线反演浅地表S波速度结构. 这种方法充分开发利用了已有数据,无需单独的面波数据采集系统,同时为解释浅层地震反射资料提供了额外的信息约束. 结果表明:浅层地震反射资料中可提取出可靠的多阶振型面波频散曲线,并能给出稳定的反演结果,同时,面波反演的多解性可以通过高阶振型反演得以进一步约束;低速层的存在是观测频散曲线出现振型跳跃或呈“之”字形回折的必要条件而非充分条件.      

浅层弯线地震勘探采集与处理技术

在浅层地震勘探中,测线常常由于场地的限制而不能沿直线布设.而弯线地震勘探施工过程中炮检中点比较分散,影响共面元道集的叠加和最终剖面的真实性.加之浅层地震资料又有其自身的特殊性,所以选择合理有效的浅层弯线采集与处理技术非常必要.本文以甘肃陇南山区新文县一中测线为例,结合弯线共中心点面元叠加的时间、空间条件,在采集和处理两个环节分析控制炮检中点分散范围的具体方法,获得了真实且高品质的地震剖面.剖面有效波的能量较好,同向轴连续清晰,各种干扰波得到了压制,说明浅层弯线地震勘探的方法在理论上和技术上都是可行的.