τ-p变换在隧道反射地震超前预报波场分离中应用的数值模拟研究

本文基于二维有限元数值方法,模拟了复杂条件下隧道内的地震全波波场,分析了隧道地震超前预报中的反射记录中的多方向和多波反射波特征,证实了分离前方有效反射波和其它方向的干扰反射波,以及有效反射波的P波、S波分离在预报准确性中的重要性.基于多个数值模型,研究了τ-p变换进行波场分离的有效性和影响因素.研究结果表明:在隧道前方反射层倾向与隧道轴线交角变化较大范围内(90°～45°),τ-p变换都可以有效的分离多方向和多波反射事件,提取主要来自掌子面前方的有效反射波剖面.来自隧道项、底的缓倾界面的具有双曲时距曲线特征的干扰波和S波的高视速度会对P波的波场分离产生较大干扰;而由于S波的低速和强能量特征,其波场分离受具有双曲时距曲线特征的干扰波的视速度影响较小,且不受P波的影响.     

微地震信号的变速FK滤波-自适应极化滤波方法

针对微地震信号的特点,研究了变速FK滤波-自适应极化滤波方法.在设计FK滤波因子时,通过计算相邻道滑动时窗内信号的互相关系数,确定时窗内信号的视速度范围,实现变速FK滤波;对时窗内的信号进行二维FFT变换时,分别在时窗的纵横向上补零充位,消除信号在二维变换时造成的时空域的混跌和泄漏;在设计自适应极化滤波因子时,针对复杂波场中波的偏振方向的不确定性问题,本文通过计算相邻道信号偏振投影的最大互相关系数,确定波的跟踪分量;把波的跟踪分量作为极化滤波因子里的期望方向,改进常规滤波因子,实现自适应极化滤波.对理论模型和实际资料的处理结果表明,该方法理论正确,实际资料的处理效果也得到了明显的改善.     

隧道反射地震超前预报波场分离方法的数值模拟研究

本文以有限元数值模拟方法为依托,依次从波场快照、地震记录、波场分离、工程实例等四个角度论证了地震波传播规律和波场分离特点.模拟了单界面介质条件下地震波在隧道围岩中传播的全波波场.研究了反射波时距曲线的线性相关系数.比较了τ-p变换和F-K变换的滤波特点.结合工程实例,讨论了这两类线性波场分离方法在提取隧道前方反射波中的可行性和准确性,研究结果表明:当隧道前方地层倾角由直立变为缓倾时,反射纵波和横波的时距关系都能很好的视为线性.地层倾角的改变主要影响反射波走时和视速度.因此,应用τ-p变换和F-K变换进行波场分离,提取隧道前方单独的反射纵波和横波是可行和有效的.但对于缓倾地层,线性变换波场分离的结果存在较大的走时和视速度误差.易误滤除反射信号,需进行偏移处理.     

多分量地震的时频域瞬时极化分析和滤波

极化分析方法在多分量地震资料处理中起着举足轻重的作用,当波形初至很接近时,利用常规的时间域极化分析方法刻画不同波型的极化分布就变得比较困难了.基于此,在广义S变换时频方法的基础上,实现了一种时频域瞬时极化滤波方法.该方法根据多分量信号的时频谱及瞬时相位来计算瞬时极化参数(极化轴、极化率、平面化向量等).结合了时频分析方法的优势,在波形识别方面更加准确.通过极化率可以识别并分离线性极化波和椭圆及圆形极化波,通过平面化向量与各分量之间的夹角大小,定性识别平面波和非平面波.模型勘探数据及实际三分量台站地震数据处理结果表明,时频域瞬时极化滤波方法在波场分离及非平面波压制等方面具有一定的实用性.     

台站地震资料的时频域自适应极化分析和滤波

提出一种自适应协方差的时频域极化滤波方法。该方法在广义S变换时频方法的基础上,构造时频域自适应协方差矩阵,通过特征分析计算时频域瞬时极化参数,设计极化滤波器,实现多分量地震极化分析和滤波。其优势在于协方差矩阵的分析时窗的长度由多分量地震数据的瞬时频率确定,可以自适应于有效信号的周期,在每个时频点计算极化参数不需要进行插值处理;结合时间频率信息,解决在时间域或频率域波形或频率重叠的信号具有明显的直观性。模型数据及实际三分量台站地震数据处理结果表明,该极化滤波方法在台站地震资料分析和处理方面具有很好的直观性和较高的分辨率。     

提高台站地震资料信噪比的自适应极化滤波

基于标准协方差极化滤波方法（SCM）,由于其物理意义明确、易于实现、计算效率较高,在多分量地震处理中发挥着重要的作用。但该方法的时窗长度选择完全依赖于经验判断,不可避免地会出现解释上的人为影响。基于此,对协方差矩阵的分析时窗进行改进,时窗的长度自适应于三分量地震记录的瞬时频率,实现了自适应协方差极化滤波方法（ACM）。模型数据及实际三分量台站地震数据处理结果表明,ACM对局部变化比较剧烈的信号更加敏感,极大提高了滤波精度。     

反射地震零偏移距逆时偏移方法用于隧道超前预报

为了高效快速地采集到隧道开挖前方的反射地震数据并提供实时的隧道前方地质超前预报,本文提出一种基于波动方程逆时偏移原理的隧道地质超前预报方法.为了获得与该超前预报方法相适应的地震数据,本文还提出适用于隧道内有限空间环境下的PMZO（Plus Minus Zero Offset）反射地震采集方案.本研究根据理论地震记录分析了隧道中零偏移距地震记录反射波的时距关系和振幅特征,讨论了隧道中地震记录的解释方法,利用含多条断层破碎带的地质模型,模拟了基于逆时偏移算法的实时隧道地质超前预报.数值计算结果证明,PMZO数据采集方案以及逆时偏移算法可以获得隧道开挖前方地质构造的准确成像.     

隧道地质灾害超前预报的地震反射法

介绍了利用地震反射法进行隧道地质灾害超前探测的基本原理、观测方法,讨论了反射波时距曲线方程和特点以及实际应用中存在的主要问题和影响因素,指出采用地震反射法与工程地质调查法相结合可以提高超前探测的准确性和精度.     

共转换点道集S变换谱相似性的多波地震数据横波波场提取技术

横波速度动校正后的共转换点(CCP)道集内,同时刻的各道横波信号S变换(ST)谱与其叠加道ST谱具有相似关系.因此,可基于这种相似关系设计自适应滤波器来提取多波地震数据中的横波波场.首先对共中心点(CMP)道集应用纵波速度动校正并在各道减去叠加道来去除数据中的纵波波场;然后在CCP道集应用横波速度动校正,将地震道振幅水平调整至叠加道振幅水平并做S变换,以叠加道ST谱为参考对地震道ST谱进行自适应滤波,去除数据中的残余纵波和噪声;最后,将滤波结果的振幅水平恢复至滤波前振幅水平.理论和实际数据试算表明,本文方法可有效提取多波地震数据中的横波波场,为多波多分量横波数据处理提供新思路.     

基于自适应变步长波场延拓的可控层分阶层间多次波模拟

地下低速夹层的存在导致地震数据中包含较强能量的层间多次波,有效识别和预测深部储层上覆地层产生的层间多次波是提高深部储层解释精度的重要环节,而准确模拟层间多次波是辅助识别地震数据中层间多次波的一种非常有效的方法.本文提出了一种基于自适应变步长波场延拓的可控地层分阶层间多次波模拟方法,该方法基于自适应变步长波场延拓,以递归循环的方式实现分阶层间多次波的模拟.通过对模型添加双重层位约束,可以模拟指定地层产生的各阶层间多次波.利用二维反周期延拓方法压制波场延拓的边界反射优于传统方法,例如吸收边界法.提出自适应变步长波场延拓技术,大大提升了波场模拟的效率.理论和数值例子表明,本文方法模拟的一次波和各阶层间多次波与常用的有限差分方法模拟结果具有很好的一致性,且克服了有限差分方法无法分阶模拟波场的不足,显著提升了层间多次波识别的效率.     

地震转换波对叠前同时反演的影响研究

叠前同时反演是油气探测的一种有效工具.其理论基础是平面P波Zoeppritz方程计算的反射系数的近似,是入射角的函数.叠前同时反演可以利用三项或两项Fatti方程进行反演分析.本文针对实际油田的测井数据,利用反射率法模拟了仅包含P波一次反射记录,包含P波一次反射和P波层间多次波记录以及全波场地震记录,再利用叠前同时反演对合成地震记录进行反演研究.研究结果表明,在大偏移距处P波主要反射受到其它模式波的污染,从而影响了叠前同时反演结果的精度.对于薄互层介质当转换波影响严重时,使用小角度数据的两项AVO反演比使用大角度数据的三项AVO反演更合理可靠.     

人工地震反射法在超前地质预报中的应用

超前地质预报关系到隧道施工的安全和进度。实践表明,采用基于人工地震反射法的TSP203超前预报系统(以下简称TSP203系统),并结合其它探测手段的综合预报方案能较好的实现超前地质预报,并可兼顾隧道施工特点和成本。文中介绍了TSP203系统的基本工作原理,并通过该系统在大瑶山铁路隧道的应用实例,说明该系统在复杂地质条件下的具体应用情况。结合多年现场实际操作经验着重分析了预报误差产生的主要原因:客观上由于岩性和构造面本身的复杂性以及TSP203系统的局限性,该系统探测与隧道轴向大角度相交的近平面状的结构面较适合,小角度或者平行结构面则不适合,探测溶洞和地下水有较大难度;主观上与操作人员的运用水平密切相关。提出了提高数据采集精度以及结合实际地质情况和其它物探方法提高对反射体解释能力的建议     

基于匹配滤波的多次波压制方法研究

常规滤波方法对浅海多次波压制不能取得理想效果.通过改变模型表面边界条件,求解波动方程实现多情景地震数值模拟.利用自由边界条件模拟时获得含海平面强反射多次波地震记录,而利用吸收边界条件时得到理想条件下无多次波地震记录.对比分析多次波对有效地震信号的影响得到海平面强反射多次波改变了有效地震信号的振幅、频率和相位.利用归一化方法计算得到压制多次波滤波器算子,并作用于含海平面强反射多次波地震记录.叠加地震剖面对比分析表明,归一化滤波器算子较好的压制了地震记录中的多次波,提高地震资料分辨率.最后,根据多次波产生条件,给出了利用实际区域简化地质模型的地震数值模拟结果计算归一化滤波器算子的方法,从而利用该方法压制实际地震数据中多次波.     

单分量地面记录地震波场分离的非线性滤波方法研究

单分量反射地震勘探地面记录的垂直位移分量uz应表示为纵波位移分量uPz和横波位移分量uSz之和.对反射地震数据进行精确处理必须从垂直位移分量uz中分离出独立的纵波位移分量uPz和横波位移分量uSz或者其他的波场分量,例如瑞雷波.现有的地面记录的纵横波分离方法建立在多分量记录基础上,而分离瑞雷波是基于波传播视速度差异的特性,其中隐含了数据观测面是弹性自由边界的假设,这和实际的地面观测条件是有差别的.文中设地面为一非弹性自由边界,利用非弹性自由边界面上的应力条件,给出了从单分量垂直位移记录uz中分离纵波垂直位移分量uPz和横波垂直位移分量uSz的非线性滤波方法.当边界为自由弹性时,该非线性滤波退化为线性视速度滤波.最后讨论了该滤波方法用于反射纵波和频散瑞雷波场分离的可能性.     

煤巷小构造Rayleigh型槽波超前探测数值模拟

对煤巷小构造地震波场进行了数值模拟研究,分析了层状煤层中地震波的传播特征.研究表明:(1)在煤巷迎头前方煤层内以纵波震源激发的Rayleigh型槽波相对于体波能量较强,波列较长,波速较低.(2)沿煤层传播的Rayleigh型槽波在小构造面上产生Rayleigh型槽波反射波,反射Rayleigh型槽波垂直分量相对于水平分量能量较强.沿煤层反向传播的反射Rayleigh型槽波在煤巷迎头面上转换为沿煤巷底板传播的Rayleigh面波.沿煤巷底板可以接收到能量较强的反射Rayleigh型槽波产生的Rayleigh面波,其可以作为超前探测小构造面的特征波.在地震记录上反射Rayleigh型槽波产生的Rayleigh面波波至最迟,在时间域与其他波列时间间隔较大,其垂直分量能量相对于水平分量较强,在地震记录上容易识别.(3)在相同的地质条件下应用反射地震超前探测方法,标志煤巷迎头前方存在小构造面的反射地震波能量较弱,受煤巷顶、底板界面和采煤迎头面的强反射波干扰,在地震记录中难以识别.     

矿井瞬变电磁法超前探测合成孔径成像研究

在矿井瞬变电磁超前探测数据处理和解释中,为了更好地识别巷道前方含水体电性分界面,利用扩散场与波动场间的函数关系,将矿井瞬变电磁法超前探测中瞬变电磁波场转换为拟地震波场,实现波场转换.同时,为了解决波场转换后信号幅值偏弱,以增加信噪比利于解释,利用雷达的合成孔径方法对波场转换后的拟地震信号进行相关叠加处理.将矿井瞬变电磁法巷道超前探测的同一测点不同探测方向的数据作为孔径数据进行合成孔径成像,以突出弱异常而提高信噪比,结合应用实例验证了方法的效果.研究表明,矿井瞬变电磁法合成孔径成像方法能够提高电性界面信息的信噪比和界面几何分辨率,对矿井瞬变电磁法精细超前探测含水构造具有重要的理论意义和应用价值.     

煤巷三维槽波全波场数值模拟与波场特征分析（英文）

当前煤巷地震槽波超前探测数值模拟主要以二维波场研究为主,难以精确模拟三维全波场特征和全空间观测方式接收的地震记录。本文应用三维弹性波动方程的交错网格有限差分算法模拟了在巷道迎头前方煤层中以纵波震源激发的三维全波场。采用取平均值的办法实现了交错网格地震波场模拟的振动速度三分量同点记录。查明了三维顶底板对称煤巷模型和非对称模型中传播的波型及其传播特征。研究发现巷道迎头前方煤层内Rayleigh型槽波能量较强,Love型槽波能量较弱,煤层内巷道迎头反射Rayleigh型槽波在煤层顶、底板中泄露能量较小,在煤层中传播距离较远;在巷道周围存在巷道面波和折射头波;在煤巷两侧煤层内接收的地震记录中Rayleigh型槽波能量较强,受头波和面波的干扰较弱,而Love型槽波能量较弱,受到相对强能量头波和面波干扰,难以识别;增加接收点在煤层中的深度可以有效降低面波对Rayleigh型槽波的干扰,但不能有效减弱面波对Love型槽波的干扰。基于以上波场认识,发现传统的采煤工作面Love型槽波构造探测方法难以适用于掘进煤巷构造超前探测,Rayleigh型槽波可以用于掘进煤巷构造超前探测。     

地面多分量地震数据P/S波分离的深度学习方法

多分量地震记录P/S波分离是多波地震数据处理的关键技术环节.常规方法大多依据两种波模式视速度或偏振特征的差异,基于信号分析或偏振投影实现模式解耦.在许多实际的地震-地质条件下,这些基于信号特征假设或表层参数模型的P/S波分离方法往往不太有效.为此,本文将各向同性介质条件下的地面多分量地震数据P/S波分离视为非线性的逐点预测问题,借助深度神经网络强大的特征提取能力进行求解.以国际标准模型为基础,提出了创建弹性参数样本库和P/S波分离标签数据集的有效方法.实验表明,丰富的训练样本保证了深度神经网络的泛化性能,在测试数据体上取得了明显优于经典的偏振投影分离方法的处理效果,而且摆脱了对表层介质参数的依赖性,为多分量地震数据反射PP波和PS波成像提供了有效的技术支撑.     

利用数学形态学滤波方法压制多次波

传统的基于波动方程的多次波处理流程分为预测多次波模型和自适应匹配相减两步,但是在多次波能量和有效波能量交叉时难以取得很好的效果.本文引入数学形态学滤波的方法解决这个问题.在获取了较高精度的多次波预测模型后,通过取极值法和相关法获取多次波同向轴形态,并用数学形态学滤波方法在原始地震数据上提取并分离多次波.数学形态学滤波是一种非线性滤波方法,其计算在时域内完成,具有较快的运算速度和良好的并行性.同其他滤波方法相比,在多次波同向轴和有效波同向轴相交时,可以取得较好效果.本文介绍了形态学滤波的基本原理,并通过简单模型、Pluto数据和实际数据的测试,验证了方法的有效性.     

基于柱坐标系的隧道空间溶洞探测全波场数值模拟

溶洞作为碳酸盐岩地区常见的一类局部不良地质体,其波场特征常常与形态、填充物、空间方位等因素相关,而受此影响地震类方法对溶洞的探测效果往往不理想.因此,要想实现地震类方法对溶洞的准确探测,首先需要明确不同状态下溶洞的波场特征.针对上述问题,考虑到实际隧道空间形态,本文首次采用柱坐标系下的一阶速度-应力弹性波动方程对隧道空间进行数值模拟,通过通量矫正技术压制频散,同时对已开挖段隧道与围岩的边界采用自由边界条件处理.对不同半径、不同填充物、不同方位的溶洞以及复杂溶洞模型的数值模拟结果及波场特征分析表明:本文提出的方法可实现隧道空间全波场高精度数值模拟,波场特征符合波的运动学与动力学特征;不同情况下溶洞波场特征的差异可有效的指导溶洞的探测与识别.