电磁驱动可控震源系统及其在工程勘察中的应用

在浅层地质工程应用中,缺乏一种可控、无损、高分辨率的探测工具,一种新型震源——电磁驱动式轻便高频可控震源．填补了空白,通过简单调制扫描频率．可控震源具有探测深度大、分辨率高,工作稳定、抗干扰、效率高等一系列优点。实际应用表明,该技术对应用采空区、溶洞探测等浅层工程勘察是可行的．探测效果良好,这拓宽了可控震源的应用领域。     

浅层地震探测的可控震源信号设计

在工程与环境物探中,浅层地震探测是一种常用的高分辨率物探方法,但是这种方法使用的炸药震源和枪击震源破坏力大,对人和建筑物都有危害,因而被禁止在人口稠密的地区使用．因此,无公害的电磁驱动可控震源技术得到了发展和应用．利用扫描信号压缩技术,小能量弹性波Chirp信号可持续向地下发送,不损害地面和建筑物,对人群也没有影响,是一种较理想的城市浅层地震震源．本文介绍了电磁驱动可控震源的信号设计方法,并简要介绍了具有波束定向能力的相控震源的设计思想．     

可控震源匹配扫描方法研究

常规的可控震源Chirp扫描信号的地震响应存在着相关信号旁瓣大、分辨率低的缺点;用二元伪随机编码信号作为可控震源的驱动信号,地震响应剖面中存在严重的相关噪声,降低了地震记录的信噪比.本文提出的可控震源匹配扫描方法,利用匹配伪随机序列偶调制正弦载波信号作为可控震源驱动信号进行扫描激发,得到两个匹配的原始地震记录,对两个匹配的原始地震记录分别解码后再进行叠加形成最终的综合解码地震剖面.地震数值模拟的结果表明,该方法基本不存在常规Chirp扫描情形的旁瓣效应,可有效避免m-序列编码扫描情形的相关噪声,其最后形成的综合解码地震剖面可以与脉冲震源的炮集记录相媲美.     

可控震源非线性扫描地震响应的数值模拟

讨论了几种非线性扫描信号自相关函数的旁瓣特性.对可控震源非线性扫描的地震响应进行了数值模拟.当震源扫描持续时间是检波器接收时间的一半时,相关运算把反射扫描信号压缩成脉冲信号的效果是显著的.有限度地增加震源扫描持续时间以及与之相适应的接收时间可以使反射扫描信号得到进一步的压缩,但在固定扫描与接收时间的条件下,增加采样点个数对反射扫描信号的压缩并不起作用.采用具有低频相关子波特性的非线性扫描震源信号,将有利于相关噪声的消除.模拟结果还证实了二次扫描在某些特定条件下会出现鞍点效应这样一个事实.     

基于频谱特征的可控震源非线性扫描信号设计

可控震源相较于炸药震源具有安全性、经济性、频率和能量可控等优点.针对可控震源线性扫描不能对高频衰减进行有效补偿问题,本文提出了一种非连续独立分频扫描技术,根据单炮记录目的层频谱响应特征,优选扫描信号整体频率范围及不同非连续独立频段成分,根据地质任务要求定量确定不同非连续独立频段最佳扫描时长,达到补偿地层衰减吸收,拓宽目...     

基于重构激发信号的电磁式可控震源相关检测参考信号方法研究

针对电磁式可控震源地震数据的相关检测,研究发现,在地下结构复杂、基板-大地耦合不佳时,常规方法——基于震源控制信号或基板附近信号作为参考信号检测得到的地震记录中,存在子波到时误差和虚假多次波问题.本文分析了上述问题的理论原因,并提出基于重构激发信号的相关检测参考信号方法(Correlation Detection Reference Signal Based on the Reconstructed Excitation Signal,CDRSBRES).首先,利用直达波与其他地震波到时不一致的特点,从震源基板附近信号中分离、提取直达波.然后,利用直达波重构震源激发信号并作为参考信号对地震数据进行相关检测.最后,应用谱白化技术提高检测结果质量.数值模拟研究表明,重构激发信号与理想激发信号的相关系数为0.9869,达到高度线性相关,CDRSBRES方法检测的地震记录在子波到时和波形特征上均与模型相符.随后,在某金属矿区开展了可控震源对比实验.与液压式可控震源MiniVib T15000检测结果相比,电磁式可控震源PHVS 500的检测结果中:基于震源控制信号的检测结果存在子波到时误差约0.012 s,对应垂向精度误差约11.16 m;基于基板附近信号的检测结果部分区域出现虚假多次波,信噪比降低;而CDRSBRES方法的检测结果子波到时误差约0.001 s,对应垂向精度误差约0.93 m,波形特征一致,相同区域无虚假多次波.综上,本方法适用于电磁式可控震源地震数据的高精度检测,尤其对于地下结构复杂区域的高分辨率地震勘探具有重要意义.     

力信号反褶积方法在可控震源单炮资料提取中的应用

随着油气勘探难度的加大,对资料保真度方面提出了更高的要求.针对可控震源资料提高保真度的问题,实现了可控震源力信号反褶积方法提取可控震源单炮记录.根据理论褶积模型,对比了可控震源参考信号互相关方法和力信号反褶积方法的优劣.得到以下结论:力信号反褶积资料子波能量更集中,无谐波干扰,子波相位更接近地下反射系数序列,是保真度更高的资料.在实际资料的对比中,力信号反褶积相比常规参考信号互相关数据,初至清晰,相位准确,波形保真度及剖面深层能量反射清晰度方面都有提升.该方法克服了参考信号互相关的固有缺陷,对于提高可控震源资料品质,特别是提高资料保真度起到了积极的作用,有较好的规模化应用前景.     

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。     

可控震源定向照明方法的仿真研究

当野外噪声很强,即使使用组合震源地震也无法获得满意信噪比的地震数据时,本文提出了一种基于可控震源阵列的定向照明控制方法,采用该方法可形成定向地震波.通过仿真研究合成了8激震器可控震源阵列分别采用简单组合及定向照明技术得到的单炮地震记录,可以看出采用合适的延时参数,定向照明单炮地震记录的反射波信噪比高于组合地震情况.定量的计算结果表明,实验条件下采用0.89 ms延时参数,各反射波信噪比分别提高了10.19 dB,3.23 dB和1.02 dB.由此可见,可控震源定向照明地震技术是一种提高原始地震资料信噪比的有效方法.     

起伏地表组合震源地震波场定向方法

多个震源组合激发通过改变激发延时,可以得到沿某方向传播的地震波场,即定向地震波场激发技术,它可用于特定目标体的照明与探测之中.本文以水平地表的组合震源定向激发原理为基础,推导了倾斜地表情况下的组合震源定向激发公式,并计算绘制了其理论方向图.另外本文将组合震源波场定向方法推广至任意起伏地表,根据惠更斯菲涅尔原理,提出了旋转坐标方法,即将水平坐标旋转至定向波场传播方向法向的倾斜坐标,可方便地计算震源传播至定向波场波前面的走时,作为组合震源的激发延时.根据本文提出的方法,我们分别计算了倾斜地表条件与复杂地表条件定向地震波场的组合震源延时参数,通过波动方程数值模拟技术得到的波场快照验证了本文方法的有效性.     

正演模拟技术在地震采集设计中的应用

随着地震勘探开发的不断深入和发展,地震勘探的主战场逐渐向复杂地区转移.复杂地区既指地表条件复杂的地区,也指地下地质构造和地层条件复杂的地区,这些都对地震勘探提出了新的挑战和更高的要求.地震正演模拟正是开展此类问题研究的一个重要手段和方法.目前市场上具有正演模拟功能的软件大多是根据射线理论采用射线追踪的方法来完成正演模拟的,这种方法不能很好地反映地震波的动力学特征,特别是在复杂地区难以得到正确的结果.本文利用高阶有限差分有效克服了常规有限差分算法求解波动方程的频散问题,并以高效的OpenMP并行计算模式进行了并行优化,较大程度上提高了正演计算的速度和精度;同时实现了二阶Higdon边界条件,改善了边界吸收效果;也在一定程度上提高了计算速度.塔中地区主要目的层埋藏深,逆断层发育,地震反射特征复杂,增加了地震勘探的难度.本文依据该地区的地质模型,利用波动方程正演技术论证了该地区的地震采集观测系统,为该区地震采集观测系统的设计提供了科学依据.     

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.     

Analysis of surface roughness in relation to soil loss and runoff at high rainfall intensities

The decay of roughness is an important factor governing surface processes such as infiltration and soil erosion. Thus the decay of surface roughness under different surface conditions was investigated and related to quantitative amounts of soil loss, runoff and sediment concentration in a laboratory experiment. Rainfall with an intensity of 128 mm/h was applied to a bare or mulched surfaces of a sandy loam soil with known surface roughness at specified time intervals. The decay of roughness as expressed by roughness ratio, in this experiment, was better predicted when related to an exponential function of the square root of cumulative kinetic energy of rainfall rather than with the cumulative rainfall. The roughness decay equations in literature did not predict breakdown under mulched surfaces accurately. Thus the exponent parameters of the roughness decay equations were adjusted to reflect the reduced decay occurring under mulched surfaces. In a bare soil, regression equations expressing the dependent variables as a function of initial roughness index were significant, but with low coefficients of determination, being 0·39 for soil loss, 0·12 for runoff and 0·36 for sediment concentration. In addition to initial roughness index, cumulative kinetic energy of rainfall was further included in the regressions. This led to an increase in coefficients of determination, which was 0·81 for soil loss, 0·74 for runoff and 0·49 for sediment concentration. The coefficients of determination (0·87 for soil loss, 0·85 for runoff and 0·51 for sediment concentration) were further increased when the final roughness index was included in addition to initial roughness index and cumulative kinetic energy in the regressions. This work shows that soil loss and runoff could be predicted from bare soil surface provided the initial roughness and the energy of rainfall is known. However, field verifications of these relationships are needed under different tillage tools and under natural rainfall. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于RRI反演的高频大地电磁测深在深边部矿产勘探中的试验研究

随着我国国民经济的快速发展,对各种矿产资源的需求量越来越大,经过多年对近地表的矿产开采之后,找矿的目标逐渐向矿区深边部发展,本文阐述采用EH-4电导率成像系统的高频大地电磁法,并且利用RRI反演,能够准确快速地探测大深度范围内的矿化异常,对矿区的深边部矿产的赋存状态进行超前地宏观预测,并将野外的成功实例进行分析.     

2013年芦山MS7.0地震前南北地震带数字化水位、 水温高频信息异常特征及效能分析

数字化观测资料中含有丰富的高频异常信息, 这些高频信息中可能隐含着与地震有关的异常信号。 引入概率密度分布法对2013年4月20日芦山M_S7.0地震发生前南北地震带水位、 水温分钟值观测数据高频成分进行分析, 结果表明, 芦山M_S7.0地震前南北地震带共有17个测点、 19组数据出现高频异常信息, 其中水位5组、 水温14组, 高频异常多集中在四川南部构造带, 且随着时间进程发展, 异常幅值逐渐减小且异常出现向震中区迁移的特征。 通过应用Molchan图表法对提取的高频信息进行统计检验, 结果显示, 概率密度分布法提取的高频异常对地震具有较好的预测效果。 通过对震源区及附近区域大地构造演化、 前兆异常发展及地壳运动速度场等特征分析, 结果发现, 计算得到的地下流体高频异常空间分布特征与南北地震带地壳运动场具有很好的一致性, 表明利用概率密度分布法提取的高频异常与区域构造活动存在一定相关性, 同时也为前人关于对异常形成机理的研究提供了旁证。     

Analysis of the contributions of topographic,soil, and vegetation features on the spatial distributions of surface soil moisture in a steep natural forested headwater catchment

Surface soil moisture has been extensively studied for various land uses and landforms. Although many studies have reported potential factors that control surface soil moisture over space or time, the findings have not always been consistent, indicating a need for identification of the main factors. This study focused on the static controls of topographic, soil, and vegetation features on surface soil moisture in a steep natural forested headwater catchment consisting of three hillslope units of a gully area, side slope, and valley‐head slope. Using a simple correlation analysis to investigate the effects of the static factors on surface soil moisture at depths of 0–20 cm at 470 points in 13 surveys, we addressed the characteristics of surface soil moisture and its main controlling factors. The results indicated that the mean of surface soil moisture was in the decreasing order of gully area > valley‐head slope > side slope. The relationship between the mean and standard deviation of surface soil moisture showed a convex‐upward shape in the headwater catchment, a negative curvilinear shape in the gully area, and positive curvilinear shapes at the side and valley‐head slopes. At the headwater catchment and valley‐head slope, positive contributions of soil porosity and negative contributions of slope gradient and saturated hydraulic conductivity were the main controlling factors of surface soil moisture under wetter conditions, whereas positive contributions of topographic wetness index and negative contributions of vegetation density were the main controlling factors of surface soil moisture under drier conditions. At the side slope underlain by fractured bedrocks, only saturated hydraulic conductivity and vegetation density were observed to be the controlling factors. Surface soil moisture in the gully area was mainly affected by runoff rather than were static features. Thus, using hillslope units is effective for approximately estimating the hydrological behaviours of surface moisture on a larger scale, whereas dependency between the main static factors and moisture conditions is helpful for estimating the spatial distributions of surface moisture on a smaller scale.