CN107703545A - 一种三分量地震槽波波场分离方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种槽波波场分离方法及系统，属于地震勘探技术领域，具体涉及一种三分量地震槽波波场分离方法及系统。本发明首先根据Rayleigh型和Love型槽波偏振特征构建三分量数据构成方程；然后对三分量槽波波场偏振特征方程开展数学推导，降低方程的欠定程度；随后依据在地下介质较小尺度范围内煤岩结构及物性变化稳定的物理假设，将欠定问题转化为超定问题；最后选择精度较高的最小二乘法求解超定问题，分别求取Rayleigh型和Love型槽波波场。本发明具有经验参数少、算法稳健的特点，通过波场分离，将提升后续速度分析和频散分析的精度，并有助于提高煤矿井下掘进巷道、工作面超前地质条件精细探测的精度。

Description

一种三分量地震槽波波场分离方法及系统

技术领域

本发明涉及一种槽波波场分离方法及系统，属于地震勘探技术领域，具体涉及一种三分量地震槽波波场分离方法及系统。

背景技术

目前用于地震槽波波场分离的文章鲜有见述，由于槽波中Rayleigh型和Love型槽波的物理构成及偏振特征不同，具体地，Rayleigh型槽波由P波和SV波干涉形成，它的质点在与波场传播方向平行、与煤层面垂直的平面内振动，质点振动轨迹呈椭圆状；Love型槽波仅由SH波干涉形成，质点振动方向与波场传播方向垂直、并且在与煤层面平行的平面内振动，振动轨迹为线状。槽波的上述差异性偏振特征与体波中纵、横波的极化特征相似，因此其波场分离一般借鉴用于纵横波分离的极化分析法。

在上述可借鉴的极化分析方法技术中，主要存在两种方法，具体如下。

现有技术1：

对地震数据的每一个检波器对应的地震信号逐道重复步骤(1)-(3)：

(1)根据采集到的三分量数据构建协方差矩阵；

(2)计算一段时窗内协方差矩阵的特征值及其对应的特征向量，并通过特征值和特征向量构建极化参数；

(3)构造不同的极化滤波器，保留具有某一组极化参数的地震波，即可达到波场分离的目的。

现有技术1的缺点：

(1)此类方法受时窗大小选择的限制较大，不同大小的时窗选择对应的波场分离结果差异较大；并且由于极化参数位于时窗的中心点位置，无法准确计算记录开始和结束数据对应的极化参数；

(2)此方法适用于体波分离，但体波和槽波的波场特征有很大区别，其中，纵横波波列较短，速度差异明显，并且都呈线性偏振；而Rayleigh型和Love型槽波波列长，具有明显的频散效应，速度差异不明显，分别呈椭圆偏振和线性偏振，因此不适合将上述方法直接应用于Rayleigh型和Love型槽波波场分离中。

现有技术2：

对地震数据的每一个检波器对应的地震信号逐道重复步骤(1)-(4)：

(1)对多分量数据开展时频变换；

(2)在时频域中，针对槽波多分量信号建立自适应协方差矩阵；

(3)计算协方差矩阵的特征值和对应的特征向量，并计算描述槽波极化振动特征的椭圆率和方位角参数；

(4)依据极化参数建立极化滤波函数，对槽波数据信号进行波场分离。

现有技术2的缺点：

(1)分离过程中利用的中间参数诸如椭圆率和方位角要依据经验选取，视煤岩特征不同各参数的选取也不尽相同，不利于广泛推广；

(2)分离质量会受到时频分辨率和环境噪音的影响。

综上所述，提供一种三分量地震槽波波场分离方法及系统，以解决上述问题，是地震勘探技术领域迫切需要解决的问题。

发明内容

为了解决上述现有技术所存在的问题，本发明公开了一种三分量地震槽波波场分离方法。本发明根据Rayleigh型和Love型槽波偏振特征构建三分量数据构成方程；然后对三分量槽波波场偏振特征方程开展数学推导，降低方程的欠定程度；随后依据在地下介质较小尺度范围内煤岩结构及物性变化稳定的物理假设，将欠定问题转化为超定问题；最后选择精度较高的最小二乘法求解超定问题，分别求取Rayleigh型和Love型槽波波场。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种三分量地震槽波波场分离方法，包括以下步骤：

步骤1，根据Rayleigh型和Love型槽波偏振特征构建三分量数据构成方程；

步骤2，利用数学推导降低所述三分量数据构成方程的欠定程度；

步骤3，采用小时窗光滑约束将所述三分量数据构成方程的欠定问题转化为超定问题；

步骤4，利用最小二乘法求解所述超定问题，分别得到Rayleigh型和Love型槽波波场。

优选的，上述的一种三分量地震槽波波场分离方法，所述步骤1中的三分量数据构成方程为：

式中，X，Y和Z分别表示三个观测分量，L和R分别表示Love型槽波和Rayleigh型槽波，α表示L型槽波与X分量的夹角，β表示R型槽波平面分量与X分量的夹角，θ表示R型槽波与Z分量的夹角。

优选的，上述的一种三分量地震槽波波场分离方法，所述步骤2具体包括以下子步骤：

步骤2.1，利用所述三分量数据构成方程组第三个等式求解将R的表达式代入所述三分量数据构成方程组前两个表达式消去未知数R，得出式2：

步骤2.2，在所述式2的基础上消去L，得到式3：

Y＝X tanα+Z tanθ(sinβ-tanαcosβ), 式3；

步骤2.3，将式3改为矩阵方程的形式：

式中，u＝tanα，v＝tanθ(sinβ-tanαcosβ)。

优选的，上述的一种三分量地震槽波波场分离方法，所述步骤3中，在某一小段时窗内对应的R型和L型槽波的偏振特征近似相同的物理假设基础上，将所述矩阵方程分时窗写为：

上式表示在窗口滑动过程中某一个时窗中元素的取值，其中n表示窗口的大小，其中，是移动过程中的所在时窗对应的X、Y、Z取值。

优选的，上述的一种三分量地震槽波波场分离方法，所述步骤4具体包括：

步骤4.1，利用最小二乘法计算得出u和v，构建方程组：

步骤4.2，将所述式6改写成矩阵相乘的形式：

步骤4.3，将式7分时窗写为：

步骤4.4，根据最小二乘法可求取L，即Love型槽波，最后将L代入式1求取R，即Rayleigh型槽波，至此即完成了Rayleigh型槽波和Love型槽波的波场分离。

优选的，上述的一种三分量地震槽波波场分离方法，所述步骤4中，采用的最小二乘法是兼具较高精度和速度的HouseholderLU分解法。

一种三分量地震槽波波场分离系统，包括以下模块：

方程构建模块，根据Rayleigh型和Love型槽波偏振特征构建三分量数据构成方程；

欠定处理模块，利用数学推导降低所述三分量数据构成方程的欠定程度；

超定转换模块，采用小时窗光滑约束将所述三分量数据构成方程的欠定问题转化为超定问题；

超定求解模块，利用最小二乘法求解所述超定问题，分别得到Rayleigh型和Love型槽波波场。

因此，本发明具有以下优点：具有经验参数少、算法稳健的特点，通过波场分离，将提升后续速度分析和频散分析的精度，并有助于提高煤矿井下掘进巷道、工作面超前地质条件精细探测的精度

附图说明：

图1为本发明的三分量槽波波场分离方法流程图；

图2为三分量槽波波场偏振特征图；

图3为模拟数据观测系统平面图；

图4a为模拟数据三分量槽波数据X分量数据；

图4b为模拟数据三分量槽波数据Y分量数据；

图4c为模拟数据三分量槽波数据Z分量数据；

图5a为模拟数据三分量槽波分离数据Love型槽波数据；

图5b为模拟数据三分量槽波分离数据Rayleigh型槽波数据；

图6a为实际采集数据三分量槽波数据X分量数据；

图6b为实际采集数据三分量槽波数据Y分量数据；

图6c为实际采集数据三分量槽波数据Z分量数据；

图7a为实际采集数据三分量槽波分离数据Love型槽波数据；

图7b为实际采集数据三分量槽波分离数据Rayleigh型槽波数据；

图8a为Love型槽波数据分离前频散分析图；

图8b为Love型槽波数据分离后频散分析图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，本发明三分量地震槽波波场分离，其基本步骤如下：

1)根据Rayleigh型和Love型槽波偏振特征构建三分量数据构成方程；

2)对三分量槽波波场偏振特征方程开展数学推导，降低方程的欠定程度；

3)依据地下介质较小尺度范围内煤岩结构及物性变化稳定的物理假设，将欠定问题转化为超定问题；

4)选择精度较高的最小二乘法求解超定问题，分别求取Rayleigh型和Love型槽波波场。

下文对上述步骤开展具体描述：

根据图2所示基于三分量观测系统的槽波波场偏振特征图，构建的三分量数据构成方程，如式(1)：

式中X，Y和Z分别表示三个观测分量。

如图2所示，

式(2)和式(3)中，L和R分别表示Love型槽波和Rayleigh型槽波，α表示L型槽波与X分量的夹角，β表示R型槽波平面分量与X分量的夹角，θ表示R型槽波与Z分量的夹角。

结合式(2)和式(3)，可将式(1)进一步写为式(4)，得出地震槽波三分量采集数据构成的最终表达式：

式(4)中，未知数包括L，R，α，β和θ共计5个，而偏振关系的方程式仅有3个，方程个数远小于未知数的个数，从式(4)中求解L和R的问题在数学上被视作典型的欠定问题。

步骤02所述的降低槽波偏振特征方程的欠定程度是一个消元的过程：

消元过程包括如下步骤：

(A).将式(4)中第三个等式写成R的表达式，

将式(5)代入式(4)中前两个表达式消去未知数R，得出式(6)：

(B).在式(6)的基础上消去L，得到式(7)

Y＝X tanα+Z tanθ(sinβ-tanαcosβ), (7)

将式(7)写成矩阵相乘的形式：

式中，u＝tanα，v＝tanθ(sinβ-tanαcosβ)。

通过步骤02的消元过程推导得出式(8)，相比式(4)其欠定程度已经得到大幅降低，方程个数为1，而未知数的个数降低为2。

步骤03所述的将欠定问题转化为超定问题的过程即是进行小时窗光滑约束的过程，假定在地下介质较小尺度范围内煤岩结构及物性的变化稳定。具体地，在接收到的三分量记录X，Y和Z中，某一小段时窗内对应的R型和L型槽波的偏振特征可近似相同，式(8)可分时窗写为式(9)

式(9)表示在窗口滑动过程中某一个时窗中元素的取值，其中n表示窗口的大小，由此可将式(8)所示的欠定问题转化为式(9)所示的正定或超定问题。

步骤04选取最小二乘法求解式(9)，本发明选择的方法是兼具较高精度和速度的HouseholderLU分解法。通过求解式(9)，计算得出u和v，然后通过将式(4)中第1个和第3个等式消元组成新的方程并与式(7)联立得出式(10)：

将式(10)写成矩阵相乘的形式，

式(11)的解法与式(8)相同，首先将其分时窗写为式(12)：

然后根据最小二乘法可求取式(12)中的L，即Love型槽波。最后将L代入式(4)，可求取R，即Rayleigh型槽波，至此即完成了Rayleigh型和Love型槽波的波场分离。

本发明具有如下有益效果：

1)本发明从Rayleigh型槽波和Love型槽波在煤层中的基本偏振方程出发，推导了一种适用于槽波偏振特性的时间域的直接分离方法，具有经验参数少，算法稳健的特点；

2)通过波场分离，槽波波场的频散分析精度得到提高，将有助于提高煤矿井下掘进巷道、工作面超前地质条件精细探测的精度。

下文分别通过模型和实际数据，对本发明进行验证。

一是开展数值模拟对本发明的方法开展验证：

图3为依托孔巷联合槽波探测方式构建的观测系统，图3中在L的两个分支(即孔中和巷道)布置两组三分量检波器，横向分支为在钻孔中布设的检波器，纵向分支为在巷道中布设的检波器，震源置于两个分支的交点处。三分量中X分量的方向与巷道平行(见图3标记)，Y分量与X分量垂直，Z分量与图3所示平面垂直。图中检波器共计34个，道间距10m，钻孔中最右端检波器序号1，向左以此类推至6，巷道中离钻孔近端的检波器序号为7，向远端类推至34。根据煤层中槽波的传播及偏振特征可知，Love型槽波的振动方向与波的传播方向垂直，因此Y分量接收到的直达Love型槽波的能量主要来自于放置在巷道的(沿纵向)检波器，而X分量接收到的直达Love型槽波的能量主要来自于放置在钻孔的(沿横向)检波器。

图4为通过模拟计算得出三分量正演结果。图4a为X分量数据，图4b为Y分量数据，图4c为Z分量数据。从图4中可以看出：正演结果与上述分析一致，通过上述分析可知X分量接收的Love型槽波的直达波的能量贡献主要来源于钻孔中布设的检波器，因此X分量记录的左支直达波的能量远大于右支，而Y分量接收的Love型槽波的直达波的能量贡献主要来源于巷道中布设的检波器，因此Y分量的能量分布特征与X分量相反。

图5为运用本发明对模拟数据开展分离的结果，将三分量数据分别代入式(9)，求解得到u和v，然后代入式(12)可得到Rayleigh型和Love型槽波的分离结果R和L，如图5所示，其中，图5a为分离后的Love型槽波数据，图5b为Rayleigh型槽波数据。对比图4和图5可以看出：图4中X分量和Y分量数据中的Love型槽波都被成功分离，即钻孔中(左支)直达波和巷道中(右支)直达波的能量达到一致，可以证实分离的有效性。

二是通过实际采集到的三分量槽波数据对本发明设计的方法开展验证：

图6为实际采集到的三分量数据，图6a、图6b和图6c依次为X、Y和Z分量数据。

图7为运用本方法的分离结果，其中图7a为Love型槽波数据，图7b为Rayleigh型槽波数据。

图8为频散分析结果，其中图8a为分离前数据，图8b为分离后Love型槽波数据，对比可以看出分离后数据的频散分析更接近Love型槽波的理论计算结果(图中黑色实线为理论频散曲线)，与上述分析一致，也进一步从侧面证明了本方法的有效性。

最后需要说明的是，以上数值模拟和实际采集资料的算例对本发明的目的、技术方案以及有益效果提供了进一步的验证，这仅属于本发明的具体实施算例，并不用于限定本发明的保护范围，在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，改进或等同替换等，均应在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种三分量地震槽波波场分离方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据Rayleigh型和Love型槽波偏振特征构建三分量数据构成方程；

步骤2，利用数学推导降低所述三分量数据构成方程的欠定程度；

步骤3，采用小时窗光滑约束将所述三分量数据构成方程的欠定问题转化为超定问题；

步骤4，利用最小二乘法求解所述超定问题，分别得到Rayleigh型和Love型槽波波场。

2.根据权利要求1所述的一种三分量地震槽波波场分离方法，其特征在于，所述步骤1中的三分量数据构成方程为：

式中，X，Y和Z分别表示三个观测分量，L和R分别表示Love型槽波和Rayleigh型槽波，α表示L型槽波与X分量的夹角，β表示R型槽波平面分量与X分量的夹角，θ表示R型槽波与Z分量的夹角。

3.根据权利要求2所述一种三分量地震槽波波场分离方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下子步骤：

步骤2.1，利用所述三分量数据构成方程组第三个等式求解将R的表达式代入所述三分量数据构成方程组前两个表达式消去未知数R，得出式2：

步骤2.2，在所述式2的基础上消去L，得到式3：

Y＝Xtanα+Z tanθ(sinβ-tanαcosβ),式3；

步骤2.3，将式3改为矩阵方程的形式：

式中，u＝tanα，v＝tanθ(sinβ-tanαcosβ)。

4.根据权利要求3所述一种三分量地震槽波波场分离方法，其特征在于，所述步骤3中，在某一小段时窗内对应的R型和L型槽波的偏振特征近似相同的物理假设基础上，将所述矩阵方程分时窗写为：

上式表示在窗口滑动过程中某一个时窗中元素的取值，其中n表示窗口的大小；其中，是移动过程中的所在时窗对应的X、Y、Z取值。

5.根据权利要求4所述一种三分量地震槽波波场分离方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

步骤4.1，利用最小二乘法计算得出u和v，构建方程组：

步骤4.2，将所述式6改写成矩阵相乘的形式：

步骤4.3，将式7分时窗写为：

步骤4.4，根据最小二乘法可求取L，即Love型槽波，最后将L代入式1求取R，即Rayleigh型槽波，至此即完成了Rayleigh型槽波和Love型槽波的波场分离。

6.根据权利要求1所述一种三分量地震槽波波场分离方法，其特征在于，所述步骤4中，采用的最小二乘法是兼具较高精度和速度的HouseholderLU分解法。

7.一种三分量地震槽波波场分离系统，其特征在于，包括以下模块：

方程构建模块，根据Rayleigh型和Love型槽波偏振特征构建三分量数据构成方程；

欠定处理模块，利用数学推导降低所述三分量数据构成方程的欠定程度；

超定转换模块，采用小时窗光滑约束将所述三分量数据构成方程的欠定问题转化为超定问题；

超定求解模块，利用最小二乘法求解所述超定问题，分别得到Rayleigh型和Love型槽波波场。