CN102749646B - 一种瑞雷面波深度-频率分析方法 - Google Patents

一种瑞雷面波深度-频率分析方法 Download PDF

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Abstract

一种瑞雷面波深度-频率分析方法,步骤为:一,将含有m道,每道有n个采样点,时间采样率为的单炮瑞雷面波地震记录读取到二维数组g中;二,对g进行二维傅里叶变换,得到f-k谱;三,建立穿透深度(h)与速度(v)、频率(f)、波数(k)、波长(λ)、泊松比(σ)之间的关系;第四步,依据瑞雷面波穿透深度(h)与速度(v)、频率(f)、波数(k)、波长(λ)、泊松比(σ)之间的关系,将f-k谱中对应(k,f)坐标的能量映射到h-f谱中对应(f,h)坐标的位置,选定h-f谱输出的坐标范围并成图;第五步,基于h-f谱,从浅至深依次拾取h-f谱中的强能量团,提取对应的(f,h)坐标值,形成深度-频率(h-f)曲线,信息提取简单、方便。

Description

一种瑞雷面波深度-频率分析方法
技术领域
本发明属于地震瑞雷面波速度参数提取术领域,特别涉及一种瑞雷面波深度-频率分析方法。
背景技术
瑞雷面波在研究地球内部结构、近地表各种工程勘查问题中,尤其在近地表地层结构与属性特征获取方面,是一种非常有效的地震勘探方法。由于瑞雷面波存在频散特性,现有方法技术主要是基于f-k谱来提取瑞雷面波频散曲线,根据频散曲线特性进而可提取相应的地层结构、构造等信息。其实,瑞雷面波中隐含的信息是非常丰富的,由于该方法仅建立了瑞雷面波的传播速度与波长的关系,获取的信息有限,从而影响瑞雷面波解决实际地质问题的能力。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足,本发明的目的在于提出了一种瑞雷面波深度-频率分析方法,该方法具有深度-频率(h-f)关系信息提取简单、方便,频率衰减特性与穿透深度对应直观、明了,解决实际地质问题精度较高的优点。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种瑞雷面波深度-频率分析方法,包括有如下步骤:
第一步,将含有m道,每道有n个采样点,时间采样率为                                                
Figure 2012102318931100002DEST_PATH_IMAGE001
的单炮瑞雷面波地震记录读取到二维数组g中;
第二步,对g进行二维傅里叶变换,得到f-k谱,二维离散傅里叶正变换为:
Figure 634794DEST_PATH_IMAGE002
       
Figure 2012102318931100002DEST_PATH_IMAGE003
  
Figure 84230DEST_PATH_IMAGE004
Figure 2012102318931100002DEST_PATH_IMAGE005
Figure 253699DEST_PATH_IMAGE006
其中,k为波数,
Figure 2012102318931100002DEST_PATH_IMAGE007
为波数采样率,j 0=1,2,…,m,为波数采样序号;f为频率,为频率采样率,l 0=1,2,…,n,为频率采样序号;j=1,2,…,m,为道序号;l=1,2,…,n,为采样点序号;
Figure 2012102318931100002DEST_PATH_IMAGE009
为道间距,为最小偏移距,x为偏移距;
Figure 2715DEST_PATH_IMAGE001
为时间采样率,t为采样时间; 
Figure 2012102318931100002DEST_PATH_IMAGE011
为虚数单位;
第三步,建立穿透深度(h)与速度(v)、频率(f)、波数(k)、波长(λ)、泊松比(σ)之间的关系,具体如下:
Figure 238524DEST_PATH_IMAGE012
                                                
                                            
瑞雷面波的穿透深度(h)与波长(λ)和泊松比(σ)有关,其关系式为:
Figure 311523DEST_PATH_IMAGE014
          
则穿透深度(h)与频率(f)的关系为:
Figure 2012102318931100002DEST_PATH_IMAGE015
                           
其中,C为与泊松比有关的深度校正因子,通常,近地表地层的泊松比范围在0.20~0.35之间,因此,深度校正因子C取值范围一般为0.625~0.75;
第四步,依据瑞雷面波穿透深度(h)与速度(v)、频率(f)、波数(k)、波长(λ)、泊松比(σ)之间的关系,将f-k谱中对应(kf)坐标的能量映射到h-f谱中对应(fh)坐标的位置,同时选定h-f谱输出的坐标范围并成图;
第五步,基于h-f谱,从浅至深依次拾取h-f谱中的强能量团,并提取对应的(fh)坐标值,形成深度-频率(h-f)曲线,便实现了瑞雷面波的深度-频率(h-f)分析。
本发明的有益效果是:
通过二维傅立叶变换获取瑞雷面波的频率-波数(f-k)谱,依据瑞雷面波穿透深度(h)与速度(v)、频率(f)、波数(k)、波长(λ)、泊松比(σ)之间的关系,将f-k谱转换成深度-频率(h-f)谱,并进行瑞雷面波深度-频率(h-f)分析,建立瑞雷面波的频率衰减特性与穿透深度和地层属性之间的关系,并依据此关系获取地层结构、构造等信息,直接解决实际地质问题。
附图说明
图1为本发明实际瑞雷面波单炮地震记录及与之对应的f-k谱,其中图1(a)为瑞雷面波单炮地震记录,图1(b)为瑞雷面波的f-k谱。
图2为本发明泊松比σ与深度校正因子C之间的关系曲线图。
图3为本发明实际瑞雷面波地震记录的h-f谱及提取的深度-频率(h-f)曲线,其中图3(a)为瑞雷面波地震记录的h-f谱,图3(b)为提取的深度-频率(h-f)曲线。
具体实施方法
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。
一种瑞雷面波深度-频率分析方法,包括如下步骤:
第一步,将含有m道,每道有n个采样点,时间采样率为
Figure 341796DEST_PATH_IMAGE001
的单炮瑞雷面波地震记录读取到二维数组g中,参见表1、图1、图2、图3; 
第二步,对g进行二维傅里叶变换,得到f-k谱。二维离散傅里叶正变换为:
Figure 437928DEST_PATH_IMAGE002
       
Figure 946269DEST_PATH_IMAGE003
  
Figure 281140DEST_PATH_IMAGE005
Figure 864568DEST_PATH_IMAGE006
其中,k为波数,
Figure 176601DEST_PATH_IMAGE007
为波数采样率,j 0=1,2,…,m,为波数采样序号;f为频率,为频率采样率,l 0=1,2,…,n,为频率采样序号;j=1,2,…,m,为道序号;l=1,2,…,n,为采样点序号;
Figure 533950DEST_PATH_IMAGE009
为道间距,
Figure 666991DEST_PATH_IMAGE010
为最小偏移距,x为偏移距;
Figure 720398DEST_PATH_IMAGE001
为时间采样率,t为采样时间; 
Figure 622495DEST_PATH_IMAGE011
为虚数单位;
第三步,建立穿透深度(h)与速度(v)、频率(f)、波数(k)、波长(λ)、泊松比(σ)之间的关系,具体如下:
Figure 103155DEST_PATH_IMAGE012
                                                
Figure 457913DEST_PATH_IMAGE013
                                            
瑞雷面波的穿透深度(h)与波长(λ)和泊松比(σ)有关,其关系式为:
Figure 315010DEST_PATH_IMAGE014
          
则穿透深度(h)与频率(f)的关系为:
Figure 71613DEST_PATH_IMAGE015
                           
其中,C为与泊松比有关的深度校正因子。通常,近地表地层的泊松比范围在0.20~0.35之间,因此,深度校正因子C取值范围一般为0.625~0.75,参见表1、图2;
第四步,依据瑞雷面波穿透深度(h)与速度(v)、频率(f)、波数(k)、波长(λ)、泊松比(σ)之间的关系,将f-k谱中对应(kf)坐标的能量映射到h-f谱中对应(fh)坐标的位置,同时选定h-f谱输出的坐标范围并成图,参见图1、图3(a);
Figure 2012102318931100002DEST_PATH_IMAGE017
第五步,基于h-f谱,从浅至深依次拾取h-f谱中的强能量团,并提取对应的(fh)坐标值,形成深度-频率(h-f)曲线,便实现了瑞雷面波的深度-频率(h-f)分析,参见图3。
表1为本发明泊松比σ、波长λ与瑞雷面波穿透深度h之间的关系。当地层的泊松比σ为0.1时,瑞雷面波穿透深度h是其波长λ的0.55倍;当地层的泊松比σ为0.15时,瑞雷面波穿透深度h是其波长λ的0.575倍;当地层的泊松比σ为0.20时,瑞雷面波穿透深度h是其波长λ的0.625倍,等等。深度校正因子C的取值需根据实际情况而定,由于近地表地层的泊松比σ范围在0.20~0.35之间,因此,深度校正因子C取值范围一般为0.625~0.75,即穿透深度h是波长λ的0.625~0.75。
图1为本发明实际瑞雷面波单炮地震记录及与之对应的f-k谱。其中图1(a)为瑞雷面波单炮地震记录,横坐标为道号,纵坐标为瑞雷面波旅行时,也称为采样时间,图1(a)表明瑞雷面波的波场特征频散现象明显,能量较强、成扫把状分布;图1(b)为瑞雷面波的f-k谱,横坐标为波数k,纵坐标为频率f,图1(b)表明波谱特征明显,能量较强,且集中,频率f范围为4.2-9Hz,波数k范围为0.009-0.04 m-1,但是该谱与其它物性参数之间的关系表现不直接。
图2为本发明泊松比σ与深度校正因子C之间的关系曲线图,横坐标为泊松比σ,纵坐标为深度校正因子C,图中标号“+”为与泊松比σ值相对应的深度校正因子C值。
图3为本发明实际瑞雷面波地震记录的h-f谱及提取的深度-频率(h-f)曲线。其中图3(a)为瑞雷面波地震记录的h-f谱,横坐标为频率f,纵坐标为深度h,图3(a)建立了频率f与深度h的直接关系,波谱特征明显,能量集中,存在频率f随深度h增加而衰减的特征,且瑞雷面波穿透深度h范围为16-76m,在26-29m存在一物性相对均匀的地层;图3(b)为提取的深度-频率(h-f)曲线,横坐标为频率f,纵坐标为深度h,图中标号“○”为在h-f谱中拾取同一深度强能量团对应的(vf)坐标值,图3(b)表明了频率f随深度h的衰减趋势和瑞雷面波穿透深度h与频率f的对应关系。
实施实例
将一含有100道,每道1000个采样点,时间采样率为4ms的实际单炮面波地震记录为例说明本实例的实施步骤:
第一步,将含有100道,每道有1000个采样点,时间采样率为4ms的单炮瑞雷面波地震记录读取到二维数组g中;
第二步,对g进行二维傅里叶变换,得到f-k谱;二维离散傅里叶正变换为:
Figure 785492DEST_PATH_IMAGE018
       
Figure DEST_PATH_IMAGE019
  
Figure DEST_PATH_IMAGE021
Figure 341862DEST_PATH_IMAGE022
其中,k为波数,
Figure 890655DEST_PATH_IMAGE007
为波数采样率,j 0=1,2,…,100,为波数采样序号;f为频率,
Figure 41014DEST_PATH_IMAGE008
为频率采样率,l 0=1,2,…,1000,为频率采样序号;j=1,2,…,100,为道序号;l=1,2,…,1000,为采样点序号;
Figure 308047DEST_PATH_IMAGE009
为道间距,
Figure 303685DEST_PATH_IMAGE010
为最小偏移距,x为偏移距;
Figure 972563DEST_PATH_IMAGE001
为时间采样率,t为采样时间; 
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为虚数单位;
第三步,建立穿透深度(h)与速度(v)、频率(f)、波数(k)、波长(λ)、泊松比(σ)之间的关系,具体如下:
Figure 293823DEST_PATH_IMAGE024
                                                
Figure DEST_PATH_IMAGE025
                                            
取与泊松比有关的深度校正因子C为0.65,则其关系式为:
Figure 844890DEST_PATH_IMAGE026
          
则穿透深度(h)与频率(f)的关系为:
Figure DEST_PATH_IMAGE027
                           
第四步,依据瑞雷面波穿透深度(h)与速度(v)、频率(f)、波数(k)、波长(λ)、泊松比(σ)之间的关系,将f-k谱中对应(kf)坐标的能量映射到h-f谱中对应(fh)坐标的位置,并选定h-f谱输出的坐标范围并成图,其中穿透深度(h)的范围为:0~-100m(取地层沿地表向下为负),频率(f)范围为3~10Hz;
第五步,基于h-f谱,从浅至深依次拾取h-f谱中的强能量团,并提取对应的(fh)坐标值,形成深度-频率(h-f)曲线,便实现了瑞雷面波的深度-频率(h-f)分析。

Claims (2)

1.一种瑞雷面波深度-频率分析方法,其特征在于,包括如下步骤:
第一步,将含有m道,每道有n个采样点,时间采样率为                                                
Figure 2012102318931100001DEST_PATH_IMAGE001
的单炮瑞雷面波地震记录读取到二维数组g中;
第二步,对g进行二维傅里叶变换,得到f-k谱,二维离散傅里叶正变换为:
Figure 405542DEST_PATH_IMAGE002
       
  
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中,k为波数,
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为波数采样率,j 0=1,2,…,m,为波数采样序号;f为频率,
Figure 812755DEST_PATH_IMAGE008
为频率采样率,l 0=1,2,…,n,为频率采样序号;j=1,2,…,m,为道序号;l=1,2,…,n,为采样点序号;
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为道间距,
Figure 757577DEST_PATH_IMAGE010
为最小偏移距,x为偏移距;
Figure 172378DEST_PATH_IMAGE001
为时间采样率,t为采样时间; 
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为虚数单位;
第三步,建立穿透深度(h)与速度(v)、频率(f)、波数(k)、波长(λ)、泊松比(σ)之间的关系,具体如下:
Figure 177243DEST_PATH_IMAGE012
                                                
Figure DEST_PATH_IMAGE013
                                            
瑞雷面波的穿透深度(h)与波长(λ)和泊松比(σ)有关,其关系式为:
Figure 677495DEST_PATH_IMAGE014
          
则穿透深度(h)与频率(f)的关系为:
Figure DEST_PATH_IMAGE015
                           
其中,C为与泊松比有关的深度校正因子,通常,近地表地层的泊松比范围在0.20~0.35之间,因此,深度校正因子取值范围一般为0.625~0.75;
第四步,依据瑞雷面波穿透深度(h)与速度(v)、频率(f)、波数(k)、波长(λ)、泊松比(σ)之间的关系,将f-k谱中对应(kf)坐标的能量映射到h-f谱中对应(fh)坐标的位置,同时选定h-f谱输出的坐标范围并成图;
第五步,基于h-f谱,从浅至深依次拾取h-f谱中的强能量团,并提取对应的(fh)坐标值,形成深度-频率(h-f)曲线,便实现了瑞雷面波的深度-频率(h-f)分析。
2.根据权利要求1所述的一种瑞雷面波深度-频率分析方法,其特征在于,包括如下步骤:
第一步,将含有100道,每道有1000个采样点,时间采样率为4ms的单炮瑞雷面波地震记录读取到二维数组g中;
第二步,对g进行二维傅里叶变换,得到f-k谱,二维离散傅里叶正变换为:
Figure 163358DEST_PATH_IMAGE002
       
Figure 698245DEST_PATH_IMAGE003
  
Figure 533663DEST_PATH_IMAGE005
Figure 757971DEST_PATH_IMAGE006
其中,k为波数,
Figure 147364DEST_PATH_IMAGE007
为波数采样率,j 0=1,2,…,100,为波数采样序号;f为频率,
Figure 431715DEST_PATH_IMAGE008
为频率采样率,l 0=1,2,…,1000,为频率采样序号;j=1,2,…,100,为道序号;l=1,2,…,1000,为采样点序号;
Figure 906558DEST_PATH_IMAGE009
为道间距,为最小偏移距,x为偏移距;
Figure 912878DEST_PATH_IMAGE001
为时间采样率,t为采样时间; 
Figure 368130DEST_PATH_IMAGE011
为虚数单位;
第三步,建立穿透深度(h)与速度(v)、频率(f)、波数(k)、波长(λ)、泊松比(σ)之间的关系,具体如下:
                                                
Figure 958697DEST_PATH_IMAGE013
                                            
取与泊松比有关的深度校正因子C为0.65,则其关系式为:
Figure 994786DEST_PATH_IMAGE016
          
则穿透深度(h)与频率(f)的关系为:
Figure DEST_PATH_IMAGE017
                           
第四步,依据瑞雷面波穿透深度(h)与速度(v)、频率(f)、波数(k)、波长(λ)、泊松比(σ)之间的关系,将f-k谱中对应(kf)坐标的能量映射到h-f谱中对应(fh)坐标的位置,并选定h-f谱输出的坐标范围并成图,其中穿透深度(h)的范围为:0~-100m(取地层沿地表向下为负),频率(f)范围为3~10Hz;
第五步,基于h-f谱,从浅至深依次拾取h-f谱中的强能量团,并提取对应的(fh)坐标值,形成深度-频率(h-f)曲线,便实现了瑞雷面波的深度-频率(h-f)分析。
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