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强噪声环境条件下的浅层地震勘探方法研究

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噪声 环境 条件下 地震 勘探 方法 研究
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© 1994   第 5 期 地   球   物   理   学   进   展 23   52008 年 10 月 (页 码 :1616~ 1620)   2008强 噪 声 环 境 条 件 下 的 浅 层 地 震 勘 探 方 法 研 究杜 兴 忠 1 ,2 ,   曹 俊 兴 1(1. 成 都 理 工 大 学 ,成 都 610059 ;   2. 中 国 水 电 顾 问 集 团 贵 阳 勘 测 设 计 研 究 院 ,贵 阳 550002)摘   要   常 规 方 法 产 生 的 地 震 记 录 难 以 在 提 高 记 录 频 率 成 分 的 同 时 提 高 记 录 的 信 噪 比 . 而 用 法 产 生 的地 震 记 录 具 有 较 宽 的 频 率 范 围 ;同 时 ,由 于 激 发 过 程 为 一 持 续 过 程 ,可 通 过 长 时 间 持 续 激 发 产 生 的 记 录 进 行 相 关 叠 加后 得 到 较 强 的 信 号 ,在 持 续 激 发 的 过 程 中 ,由 于 随 机 噪 声 在 随 地 震 波 传 播 的 过 程 相 互 干 涉 ,可 在 很 大 程 度 上 压 制 随 机噪 声 ,从 而 使 得 地 震 记 录 具 有 较 高 的 信 噪 比 ,这 可 在 一 定 程 度 上 解 决 常 规 地 震 勘 探 中 提 高 记 录 主 频 而 降 低 记 录 信 2噪比 之 间 的 矛 盾 词   地 震 勘 探 ,频 率 成 分 ,信 噪 比 ,随 机 噪 声中 图 分 类 号           文 献 标 识 码   A           文 章 编 号   100422903 (2008) 05216162052 ,   . y 10059 , . y y gn C H y 50002 , at a is to to In to in it to a to to a 日 期   2008202210 ;   修 回 日 期   项 目   国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (40574032)资 助 简 介   杜 兴 忠 ,男 ,就 职 于 中 国 水 电 顾 问 集 团 贵 阳 勘 测 设 计 研 究 院 工 程 物 探 测 试 分 院 。 现 于 成 都 理 工 大 学 攻 读 博 士 学 位 ,主 要 研 究 方向 为 工 程 地 球 物 理 勘 探 方 法 研 究 . ( 163.   引   言在 工 程 建 设 勘 查 过 程 中 ,经 常 会 遇 到 诸 如 岩 溶 、溶 洞 、 防 空 洞 、 采 空 区 等 不 良 地 质 体 的 探 测 问 题 . 为了 避 免 盲 目 布 置 工 勘 钻 孔 ,减 少 勘 探 成 本 ,一 般 先 采用 物 探 手 段 进 行 勘 查 ,浅 层 地 震 技 术 就 是 其 中 一 种有 效 的 勘 查 方 法 程 地 震 勘 探 而 言 ,高 分 辨 率 是 其 生 命 力 所在 . 在 高 分 辨 率 浅 层 地 震 勘 探 中 ,我 们 总 希 望 获 得 频带 宽 、 主 频 高 的 地 震 信 号 ,因 此 ,在 数 据 采 集 时 采 用既 可 压 制 低 频 干 扰 ,又 可 拓 宽 记 录 高 频 上 限 的 高 频地 震 检 波 器 是 获 得 宽 高 频 地 震 信 息 的 保 障 . 地 震 勘探 的 精 度 取 决 于 地 震 资 料 的 分 辨 率 ,无 论 是 纵 向 分辨 率 还 是 横 向 分 辨 率 都 与 地 震 信 号 的 频 率 和 地 震 资料 的 信 噪 比 有 关 ,在 信 噪 比 很 低 的 情 况 下 ,即 使 地 震资 料 的 主 频 再 高 、 频 带 再 宽 也 难 以 分 辨 地 下 构 造 . 因此 如 何 提 高 地 震 资 料 的 信 噪 比 和 分 辨 率 一 直 是 地 震勘 探 工 作 者 的 研 究 课 题 [1~ 6 ] . 在 浅 层 地 震 勘 探 中 ,为压 制 干 扰 、 提 高 地 震 资 料 的 信 噪 比 ,一 般 需 要 采 用 较高 的 覆 盖 次 数 . 高 覆 盖 次 数 对 提 高 资 料 的 信 噪 比 固然 有 利 ,但 由 于 多 次 覆 盖 的 低 通 滤 波 特 性 ,高 覆 盖 次数 将 会 降 低 地 震 资 料 的 分 辨 率 ,在 资 料 处 理 中 存 在© 1994 ,等 :强 噪 声 环 境 条 件 下 的 浅 层 地 震 勘 探 方 法 研 究速 度 误 差 时 更 是 如 此 . 特 别 是 在 界 面 起 伏 较 大 、 地 下构 造 复 杂 或 表 层 不 均 匀 性 变 化 较 大 的 地 区 ,因 在 资料 处 理 时 难 以 做 好 偏 移 和 静 校 正 等 处 理 ,过 高 的 覆盖 次 数 不 但 会 降 低 资 料 的 信 噪 比 ,同 时 也 会 降 低 地震 资 料 的 分 辨 率 27 ]法 是 20 世 纪 70 年 代 发 展 起 来的 一 种 浅 层 高 分 辨 率 地 震 勘 探 方 法 ,该 方 法 用 微 机处 理 机 控 制 震 源 与 记 录 仪 ,并 在 野 外 及 时 进 行 资 料处 理 . 因 此 ,这 是 把 震 源 、 记 录 仪 、 处 理 方 法 有 机 地 组合 在 一 起 的 一 种 地 震 勘 探 方 法 . 2 法采 用 震 源 是 一 个 很 长 的 伪 随 机 序 列 ,激 发 不 是 一 个短 脉 冲 ,而 是 一 个 长 时 间 、 频 率 不 断 变 化 的 振 动 . 这种 形 式 的 地 震 记 录 由 于 增 加 了 地 震 射 线 路 径 而 具 有很 宽 的 频 谱 ,另 外 一 个 好 处 就 是 记 录 具 有 很 大 的 弹性 . 其 这 样 做 的 目 的 一 方 面 是 可 以 弥 补 机 械 振 动 能量 较 弱 的 不 足 ,同 时 ,在 连 续 振 动 的 过 程 中 ,可 以 在很 大 程 度 上 压 制 随 机 噪 声 干 扰 ,从 而 提 高 地 震 记 录的 信 噪 比 2 主 要 用 于 浅 层 高 分 辨 率 地 震 勘探 ,该 方 法 对 于 浅 层 勘 探 、 薄 层 勘 探 、 划 分 小 断 层 、 确定 古 河 道 位 置 、 细 分 构 造 等 都 是 非 常 有 效 的 . 由 于2 的 采 样 间 隔 可 以 取 得 很 小 ,地 震 记 录具 有 很 宽 频 谱 ,因 而 记 录 分 辨 率 较 高 ,可 获 得 清 楚 、连 续 的 低 速 带 界 面 ,并 可 清 楚 地 看 出 浅 层 不 均 匀 体的 轮 廓 . 实 践 证 明 [8~ 15 ] ,2 是 一 种 低 成本 、 高 质 量 、 高 效 率 ,既 经 济 ,又 能 解 决 实 际 问 题 的 好方 法 M 2 法 原 理2 法 采 用 伪 随 机 可 控 震 源 作 为 激发 源 ,其 能 量 是 一 个 振 幅 相 同 的 很 长 的 伪 随 机 序 列 ,能 量 释 放 时 间 是 由 一 个 序 列 来 决 定 的 . 任 何 可 进 行重 复 进 行 夯 击 的 振 动 源 都 能 实 现 这 一 过 程 ,袁 明德 [16 ]介 绍 的 夯 击 震 源 由 于 在 夯 击 时 有 很 大 的 随 机性 ,用 于 实 现 这 一 过 程 较 为 理 想 . 激 发 能 量 以 离 散 脉冲 的 形 式 传 输 ,持 续 时 间 可 达 几 十 甚 至 几 百 秒 ,这 取决 于 记 录 设 备 或 处 理 设 备 的 处 理 能 力 规 的 勘 探 方 法 相 比 ,2 统 具有 如 下 特 点 :(1)以 可 控 震 源 为 激 发 源 ,与 常 规 方 法 的 不 同 之处 在 于 激 发 过 程 具 有 一 定 持 续 时 间 .(2)相 邻 两 次 激 发 之 间 的 间 隔 要 小 于 波 在 地 下探 测 目 的 层 中 传 播 的 最 大 一 次 反 射 时 间 .(3)除 敷 设 常 规 方 法 中 的 记 录 道 外 ,还 要 增 加 一个 震 源 信 号 接 收 道 (参 考 道 ) ,参 考 道 直 接 与 振 动 器相 连 ;记 录 输 入 脉 冲 信 号 和 其 振 幅 ,并 且 连 续 记 录 ,参 考 道 信 号 只 表 明 某 一 时 刻 上 是 否 有 声 波 信 号 输入 . 而 地 震 信 号 则 记 录 于 其 它 记 录 道 上 .(4)记 录 道 上 检 波 器 接 收 到 的 信 息 为 多 次 连 续振 动 所 产 生 的 振 动 脉 冲 在 所 有 深 度 上 进 行 扩 散 后 传播 到 地 表 检 波 器 上 的 信 息 总 和 ;因 此 ,从 记 录 上 无 法象 常 规 形 式 的 方 法 那 样 直 接 识 别 地 下 反 射 层 面 上 反射 波 ,需 对 记 录 进 行 相 关 处 理 后 才 能 恢 复 出 我 们 所熟 悉 的 地 震 记 录 . 而 且 ,用 包 含 环 境 噪 声 的 参 考 道 与各 地 震 记 录 道 作 相 关 运 算 ,可 有 效 地 消 除 各 记 录 道中 的 环 境 噪 声 .(5)最 终 记 录 长 度 根 据 勘 查 目 的 层 的 深 度 来 确定 . 对 于 勘 探 目 的 层 深 度 较 大 的 情 况 ,还 可 以 通 过 增加 夯 击 次 数 的 办 法 来 增 强 记 录 的 信 号 强 度 ,提 高 记录 的 质 量 说 来 ,由 于 2 法 采 用 的 震 源是 具 有 一 定 持 续 时 间 的 振 动 ,因 此 ,传 输 到 某 一 距 离上 的 脉 冲 数 很 多 ,而 这 正 使 得 振 动 信 号 在 地 下 形 成的 射 线 路 径 越 多 ,则 界 面 上 的 反 射 点 越 多 ,记 录 的 信号 强 度 越 强 . 因 此 ,该 系 统 优 于 所 有 的 传 统 方 法 [4 ] 数 值 实 验2. 1   记 录 合 成除 在 波 动 过 程 中 要 增 加 激 发 次 数 外 , 2 法 正 演 过 程 与 常 规 形 式 的 地 震 记 录 合 成一 样 . 前 人 对 地 震 波 传 播 正 演 方 法 进 行 很 多 研究 [17~ 20 ] ,我 们 采 用 有 限 差 分 法 进 行 正 演 模 拟 ,边 界条 件 采 用 . 出 的 传 输 边 界 条件 [17 ] . 振 动 源 采 用 如 下 形 式 的 震 源 函 数U ( x , z ,0) = e- ( x - 2 + ( z - 2 ] , (1)其 中 , 振 源 函 数 的 位 置 ; a 的 取 值 与 振 源 脉冲 的 宽 度 有 关 的 常 数 . 实 例 中 取 a = 0. 模 拟 模 型 如 图 1 所 示 . 网 格 大 小 为 96 ×60. 其 中 ,各 层 的 中 地 震 波 速 度 自 上 而 下 分 别 为1800 m/ s , 3000 m/ s , 4500 m/ s. 采 样 间 隔 1. 0 记 录 道 96 ,道 间 距 d x = 10. 0 m ;深 度采 样 率 为 d z = 10. 0m ;振 动 源 振 动 次 数 n = 10 ,经 相关 处 理 后 的 记 录 长 度 为 N T = 1024 相 关 处 理 过程 如 图 2 所 示 . 采 用 2 法 的 正 演 共 炮点 记 录 分 别 如 图 3、 图 4 所 示 ,叠 加 次 数 均 为 10 次 2 法 中 ,两 次 振 动 之 间 最 小 间 隔 为50 从 图 3 中 我 们 可 看 到 ,整 记 录 长 度 内 有 近 20个 反 射 界 面 同 相 轴 ,我 们 无 法 直 接 从 记 录 上 确 定 哪7161© 1994   球   物   理   学   进   展 23 卷图 1   模 型1   同 相 轴 是 真 正 的 反 射 界 面 ,这 就 需 要 根 据 参 考道 上 的 信 号 与 记 录 道 信 号 进 行 相 关 运 算 ,才 能 恢 复出 如 图 4 所 示 的 常 规 形 式 的 地 震 记 录 . 按 照 图 1 中的 办 法 ,对 图 3 中 的 合 成 记 录 与 参 考 道 记 录 进 行 相关 运 算 后 ,得 到 最 终 常 规 形 式 的 地 震 记 录 (如 图 5 所示 ) . 图 6 为 对 激 发 100 次 的 记 录 进 行 相 处 理 后 得 到的 记 录 . 从 图 5、 图 6 中 看 到 ,用 2 法所 获 得 的 地 震 记 录 的 信 2噪 比 要 明 显 高 于 常 规 形 式的 地 震 记 录 (如 图 4) . 这 正 是 2 法 的优 势 所 在 . 用 2 法 可 以 很 容 易 地 在 一个 炮 点 上 进 行 上 百 、 甚 至 数 千 次 激 发 ,而 采 用 其 它 方法 则 很 难 做 到 这 一 点 2   信 号 分 析对 两 种 方 法 产 生 的 合 成 地 震 记 录 进 行 频 谱 分 析发 现 ,用 2 法 得 到 的 地 震 记 录 的 频 率成 分 (如 图 7 所 示 )比 用 传 统 方 法 所 得 到 的 地 震 记 录的 频 率 成 分 (如 图 8 所 示 ) 丰 富 得 多 ;特 别 是 高 频 成分 ,2 法 得 到 的 地 震 记 录 比 用 传 统 方法 得 到 的 地 震 记 录 更 为 丰 富 , 这 表 明 用 2 法 的 分 辨 率 比 用 传 统 地 震 勘 探 方 法 的 分辨 率 要 高 得 多 结 果 表 明 :用 2 法 产 生 地 震信 号 的 频 带 范 围 也 宽 得 多 ;同 时 ,由 于 激 发 过 程 为 一持 续 过 程 ,可 通 过 长 时 间 激 发 产 生 的 记 录 进 行 相 关叠 加 后 得 到 较 强 的 信 号 ,并 且 ,在 持 续 激 发 的 过 程中 ,由 于 随 机 噪 声 在 随 地 震 波 传 播 的 过 程 相 互 干 涉 ,在 很 大 程 度 上 压 制 了 随 机 噪 声 ,从 而 使 得 到 的 地 震记 录 具 有 较 高 的 信 2噪 比 ,在 一 定 程 度 上 解 决 了 常 规地 震 勘 探 中 提 高 记 录 主 频 而 降 低 记 录 信 2噪 比 之 间的 矛 盾 讨 论 与 认 识我 们 通 过 对 2 法 和 传 统 方 法 所合 成 的 地 震 记 录 进 行 研 究 ,其 结 果 表 明 :用 图 2   实 时 地 震 记 录 形 成 过 程2   1) a of 2) a of in 1994 ,等 :强 噪 声 环 境 条 件 下 的 浅 层 地 震 勘 探 方 法 研 究 9161© 1994   球   物   理   学   进   展 23 卷2 生 的 合 成 记 录 频 率 成 分 丰 富 ,表 明 用 该 方法 进 行 浅 层 地 震 勘 探 具 有 较 高 的 分 辨 率 ;另 外 ,对 于噪 声 较 大 的 作 业 区 ,2 法 在 压 制 随 机噪 声 方 面 比 用 常 规 方 法 更 为 有 效 . 这 对 浅 层 地 震 勘探 野 外 资 料 采 集 具 有 一 定 的 指 导 意 义 考   文   献 ( :[ 1 ]   李 庆 忠 . 走 向 精 确 勘 探 的 道 路 〔 M〕 . 北 京 :石 油 工 业 出 版 社 , Z. h M ] . 1993.[ 2 ]   张 三 宗 , 徐 义 贤 . 地 震 记 录 小 波 域 高 阶 相 关 叠 加 技 术 [J ] . 地球 物 理 学 报 , 2006 , 49 (2) : 554~ Z , X. in t he J ] . . , 2006 , 49 (2) : 554~ 560.[ 3 ]   陈 赟 ,高 乐 ,赵 烽 帆 一 种 基 于 频 率 域 偏 振 分 析 提 高 三 分 量 地 震资 料 信 噪 比 的 方 法 [J ]. 地 球 物 理 学 进 展 ,2007 ,22 (1) : 255~ , , F. 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