CN113325467A - 一种基于槽波频散特征的微地震震源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种震源定位方法，属于地球物理勘探技术领域，具体是涉及一种基于槽波频散特征的微地震震源定位方法。本发明通过二维的频散谱的互相关对震源位置进行定位，相比常规震源扫描采用的一维时间域波形互相关，具有更好的抗噪能力；并且，本发明无需求取波速模型，仅依据正确的震源位置计算得到的各道f‑v谱具有一致性这一假设，来达到精确定位的目的。

Description

一种基于槽波频散特征的微地震震源定位方法

技术领域

本发明涉及一种震源定位方法，属于地球物理勘探技术领域，具体是涉及一种基于槽波频散特征的微地震震源定位方法。

背景技术

煤田中开采活动导致岩石压力产生变化，引起局部区域的岩石变形及破裂，与之伴随会释放瞬态弹性波，称为微地震。当地应力出现突变时，极易诱发冲击地压、瓦斯突出等动力灾害。为了减少此类动力灾害的发生、提高煤矿生产效率，提前对其进行预测预报显得尤为重要。微地震监测技术凭借施工简便、观测范围大、成本较低的优势，在动力灾害预测中有着较为广泛的应用。

微地震震源定位是微地震监测技术的核心部分，微震监测系统能否发挥作用取决于震源定位是否准确。目前常用的微震定位方法有很多种，经典的如Geiger提出的将非线性方程线性化，再通过最小二乘原理求解目标函数的最小值，得到震源点的位置。随着70年代计算机的兴起，Geiger的思想得到发展并广泛应用，由此发展起来了各种微震源定位方法。主事件定位法通过计算目标事件与选定的主事件之间的相对信息，对目标事件进行定位，然而这种方法难以定位空间跨度较大的微震事件。为此，Waldhauser提出了双差定位法，将两个观测时间之差与两个震源距离联系起来，通过高精度事件推算低精度事件，减少了介质干扰及噪声干扰引起的误差。Tian等又在双差定位法的基础上提出了交差双差定位法，分别利用两个事件的纵波和横波到时对二者之间的交叉旅行时差进行反演，得到微震事件的绝对位置及相对位置。为了解决非线性问题线性化后带来的局部极值问题，开始发展起来了非线性的定位方法，主要包含两类，一类是启发式反演定位法，如模拟退火法、粒子群优化算法等，另一类是非启发式反演定位法，如梯度下降法、Powell法等。同时，为了弥补不同方法的缺点并利用其优点，出现了将两种或两种以上的定位方法结合起来的混合优化算法，如线性定位与Geiger定位相结合的定位方法利用线性定位无需迭代、计算快速的特点，将其解作为Geiger定位非线性方程的初始解，从而加快了迭代法的收敛速度，并使定位精度得到了较大的提高。

上述基于走时的射线追踪定位方法多以走时作为反演基础，通过拾取P波和S波的初至，求取与初至时间对应的空间位置，对震源点进行定位。然而，煤矿井下工作环境复杂，得到的微震资料信噪比较低，初至时间的拾取较为困难，使得震源定位精度不足。此外，由基于走时的反演方法求解时，需已知波速模型或需对波速模型一起求解，而波速模型难以确定，由此影响定位算法的稳定性及精度。

此后，微震源定位在不断优化和改进下发展出了基于波形的偏移定位法，此类方法无需拾取初至，而是借鉴地震数据处理中的偏移成像思想，采用绕射叠加或Kirchoff叠加将理论走时对应的波形能量聚焦于空间网格，最终获得的能量最强的网格点即为震源位置。代表性的方法如震源扫描法(Kao，2004)，以及利用地震干涉成像的思想，通过多波场和多分量微地震数据对震源进行定位的加权干涉成像定位法(Li，2015)等。此外还有一些从计算波速模型出发，相比常规简化波速模型更符合微震信号在实际地层中传播的波速模型法，该方法以求解理论模型到时与实际到时残差最小为目标，计算过程采用具有全局寻优特性的遗传算法，不断降低震源定位误差(巩思园等，2012)。上述方法对于高信噪比微地震资料有着较好的应用效果，且具有较高的稳定性。然而，对于信噪比较低，同时对计算效率有较高要求的井下微震数据，应用现有微震源定位方法时存在局限性。震源扫描法在增强微震信号的同时，也会增强噪声，导致定位误差增大；而在震源扫描法的基础上，一些提高抗噪性的手段，如震源位置、激发时刻和震源机制联合扫描，干涉成像，计算波速模型等，又会增加运算时间，难以满足煤矿开采动力灾害实时预测预警的安全需求。

因此，对现有技术中的微地震震源定位方法进行改进，以提高定位的准确性并且减少运算时间及开销是当前迫切需要解决的技术问题。

因此，本文在前人研究工作的基础上，提出了基于槽波频散特征的微地震震源快速定位方法。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的技术问题，提供了一种基于槽波频散特征的微地震震源定位方法。该方法通过计算每个网格点对应的所有相对频散谱之间的相似系数，相似系数最大时的网格点即为震源位置，能够提高定位的准确性并且减少运算时间及开销。

为解决上述问题，本发明的方案是：

1)输入微地震数据，并建立观测系统；

2)对数据进行预处理，包括去野值、去工频干扰和道均衡；

3)计算微地震数据的互相关记录；

4)计算每道互相关记录的时频谱f-t；

5)对给定好的微震事件分布区域进行网格剖分，作为微震事件扫描区域；

6)扫描每个网格点，假设该点为可能的震源点，并利用该震源点位置将每个互相关记录道的时频谱f-t变换为互相关频散谱f-v；

7)求取所有互相关频散谱f-v的二维零延时互相关系数，作为对应网格点的输出值；

8)搜索出微震事件扫描区域内最大值对应的网格坐标，该坐标即为该微震事件对应的震源位置；

9)下一个事件的定位。

因此，本发明的优点是：本发明通过二维频散谱的互相关对震源位置进行定位，相比常规震源扫描采用的一维时间域波形互相关，具有更好的抗噪能力；并且，本发明无需求取波速模型，仅依据正确的震源位置计算得到的各道f-v谱具有一致性这一假设，来达到精确定位的目的。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。

图1为微地震数据原始记录；

图2为微地震数据互相关记录；

图3为微地震数据互相关记录的时频谱；

图4为微地震数据互相关记录的频散谱；

图5为定位结果图。

将参照附图描述本发明的实施例。

具体实施方式

实施例

本实施例的基于槽波频散特征的微地震震源定位原理是：对于输入数据，首先通过互相关得到不同接收点之间的互相关记录，以此去除发震时刻的影响。互相关后的记录进行多次滤波变换至f-t域，得到它对应的时频谱。对监测区域进行网格剖分，每个网格代表一个可能的震源点，并利用该震源点位置将互相关时频谱f-t变换得到互相关频散谱f-v。对于同一震源点，在不同接收点记录到的槽波具有一致的频散谱(f-v)，因此通过计算每个网格点对应的所有相对频散谱之间的相似系数，相似系数最大时的网格点即为震源位置。基于槽波频散特征的微地震震源定位系统，一方面通过二维的频散谱的互相关对震源位置进行定位，相比常规震源扫描采用的一维时间域波形互相关，具有更好的抗噪能力；另一方面，该方法无需求取波速模型，仅依据正确的震源位置计算得到的各道f-v谱具有一致性这一假设，来达到精确定位的目的。

本实施例的基于槽波频散特征的微地震震源定位方法的主要步骤包括：

1)输入微地震数据，并建立观测系统；

2)对数据进行预处理，包括去野值、去工频干扰和道均衡；

3)计算微地震数据的互相关记录；

4)计算每道互相关记录的时频谱f-t；

5)对给定好的微震事件分布区域进行网格剖分，作为微震事件扫描区域；

6)扫描每个网格点，假设该点为可能的震源点，并利用该震源点位置将每个互相关记录道的时频谱f-t变换为互相关频散谱f-v；

7)求取所有互相关频散谱f-v的二维零延时互相关系数，作为对应网格点的输出值；

8)搜索出微震事件扫描区域内互相关系数最大值对应的网格坐标，该坐标即为该微震事件对应的震源位置；

9)下一个事件的定位。

下面对本实施例的基于槽波频散特征的微地震震源定位方法进行具体说明。该方法包括：

1)读取一个微地震事件的数据x_i(t)，i＝1,2,…,Ng(Ng为接收点个数)、采样间隔dt及观测系统坐标；

2)对微地震数据进行预处理，包括去野值、去工频干扰和道均衡；

3)进行频谱扫描，确定槽波的有效频带范围[f_min:f_max]；

4)给出槽波的速度分布范围[v_min:v_max]，并确定速度离散值Δv(建议取值范围为5-20)，离散速度值总数为Nv；

5)计算微地震数据每两道之间的互相关记录X_ij(τ)，其中i和j表示计算X_ij(τ)的接收点号；

6)采用多次滤波计算每一道互相关记录X_ij(τ)的对应的二维时频谱

其中f_k取值为区间[f_min,f_max]上以Δf(建议取1～5)等间隔划分的第k个离散值(共计Nf个离散频率)。具体计算方法为：

a.将一道互相关记录X_ij(τ)利用FFT变换到频率域，得到频率域表示的互相关记录

b.对每个需要计算的离散频率值f_k，利用下式计算出滤波器函数H(f,f_k):

式中，D为滤波器的相对宽度,取值范围为(0，1)，α为高斯函数峰值的锐度参数，建议取值范围(1-10)；

c.对互相关记录进行如下式频域滤波，得到滤波后记录

d.对

执行FFT反变换，得到滤波后的记录X_ij′(f_k,τ)；

e.循环所有离散频率值f_k,即可得到二维时频谱

7)以(Δx,Δy,Δz)对微震事件可能的分布区域进行网格剖分，为提高定位精度，(Δx,Δy,Δz)取值应尽可能小，但越小意味着定位的效率越低，因此应折中考虑。建议根据槽波埃里相的波长对网格剖分大小进行约束，如槽波埃里相波长通常为5～20米，则按λ/4(λ为波长)建议取1～5米；

8)对计算网格，执行如下流程：

a.给定一个网格，计算其到每个接收点的距离L_i,i表示接收点序号；

b.将每个二维时频谱

通过

(其中m表示速度离散序号，v_m＝v_min+(m-1)×Δv)，变换得到对应的二维频散谱

其中‖表示模；

c.对所有的二维频散谱Y_ij(f_k,v_m)，计算它们的二维零延时互相关系数val，计算公式为：

其中，∑为求和运算符，Π为求积运算符。

d.循环网格，直至所有网格计算完毕。

9)搜索得到计算网格上互相关系数最大值对应的坐标(s_x,s_y,s_z),该坐标即为当前计算的微震事件的震源位置；

10)输出震源坐标(s_x,s_y,s_z)，并循环下一事件。

通过以上描述可知，本实施例的通过二维频散谱的互相关对震源位置进行定位，相比常规震源扫描采用的一维时间域波形互相关，具有更好的抗噪能力；并且，本发明无需求取波速模型，仅依据正确的震源位置计算得到的各道f-v谱具有一致性这一假设，来达到精确定位的目的。

本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (8)

1.一种基于槽波频散特征的微地震震源定位方法，其特征在于，包括：

计算微地震数据每两道之间的互相关记录，将所述互相关记录转换至时频域以得到时频谱；

将监测区域划分为若干个网格，基于各网格与各接收点的距离将各网格点与各接收点的时频谱变换为互相关频散谱；

计算各网格点对应的所有互相关频散谱之间的相似系数，依据所述相似系数确定震源位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于槽波频散特征的微地震震源定位方法，其特征在于，包括：

对输入微地震数据进行预处理，所述预处理包括对数据进行去野值、去工频干扰、道均衡处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于槽波频散特征的微地震震源定位方法，其特征在于，将所述互相关记录转换至时频域以得到时频谱包括：采用多次滤波计算每一道互相关记录X_ij(τ)的对应的二维时频谱

其中f_k取值为槽波的有效频带范围[f_min,f_max]上以Δf等间隔划分的第k个离散值，i和j表示计算X_ij(τ)的接收点号。

4.根据权利要求3所述的一种基于槽波频散特征的微地震震源定位方法，其特征在于，所述二维时频谱

基于下式计算得到：

将一道互相关记录X_ij(τ)利用FFT变换到频率域，得到频率域表示的互相关记录

对每个需要计算的离散频率值f_k，利用下式计算出滤波器函数H(f,f_k):

式中，D为滤波器的相对宽度,取值范围为(0，1)，α为高斯函数峰值的锐度参数，取值范围(1-10)；

基于下式对互相关记录进行频域滤波，得到滤波后记录

对

执行FFT反变换，得到滤波后的记录X′_ij(f_k,τ)；

计算所有离散频率值f_k即可得到二维时频谱

5.根据权利要求1所述的一种基于槽波频散特征的微地震震源定位方法，其特征在于，将监测区域划分为若干个网格，各网格的边长为λ/4，其中，λ为槽波埃里相的波长。

6.根据权利要求1所述的一种基于槽波频散特征的微地震震源定位方法，其特征在于，基于各网格与各接收点的距离将各网格点与各接收点的时频谱变换为互相关频散谱包括：

将每个二维时频谱

通过

变换得到对应的二维频散谱：

其中| |表示模；m表示速度离散序号，v_m＝v_min+(m-1)×Δv，槽波的速度分布范围[v_min:v_max]，速度离散值Δv，离散速度值总数为Nv。

7.根据权利要求6所述的一种基于槽波频散特征的微地震震源定位方法，其特征在于，计算各网格点对应的所有互相关频散谱之间的相似系数包括：对所有的二维频散谱Y_ij(f_k,v_m)，基于下式计算它们的零延时互相关系数val：

其中，∑为求和运算符，∏为求积运算符。

8.根据权利要求6所述的一种基于槽波频散特征的微地震震源定位方法，其特征在于，将零延时互相关系数val最大值对应的网格坐标作为微震事件对应的震源位置。

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