CN114063159A - 一种地震面波速度确定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种地震面波速度确定方法及装置，属于油气物探工程领域。该方法包括：获取待处理的地震观测数据，从地震观测数据中提取出基阶面波数据，对基阶面波数据进行时频转换得到频率域面波数据；根据所述频率域面波数据中的频谱能量最大值对应的频率确定有效频带，在有效频带范围内对频率域面波数据进行波场重构，并在有效频带范围内求取波场重构后的频率域面波数据的振幅场和相位谱；利用相位解缠技术对所述相位谱进行处理得到走时场；利用所述振幅场、振幅场的梯度和走时场的梯度，得到有效频带范围内的地震面波速度。本发明能适用于任意复杂不规则观测系统，面波速度计算精度高，并能直接反演任意多震源的面波数据，面波速度计算效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种地震面波速度确定方法及装置，属于油气物探工程领域。
背景技术
地震面波是近地表的主要地球物理属性，能够反映出地震波在表层传播的特征。面波勘探广泛应用于近地表的速度结构探测，是工程物探的主要手段。此外，在石油物探领域，面波一般被当作强噪声，需要专门的去除方法去除面波，而几乎所有的去除面波方法都依赖于面波的速度。因此，地震面波速度的获取非常关键。目前，常用的面波速度估计方法主要有以下两种：
第一种方法是通过地震剖面上的斜率直接计算视速度，进而确定面波视速度的最大最小值，例如公告号为CN106569281B的发明专利文件中公开的方法，该方法采用交互速度拾取工具计算面波的视速度范围，对视速度范围进行分组处理得到多个视速度椎体，针对每个视速度椎体进行处理得到当前面波的开始位置，基于当前道面波的开始样点进行后续处理实现面波噪音的去除。但是这种方法只能反映工区的整体情况，所得的面波速度只是一个大概的范围，不够精确。
第二种方法是通过频谱计算提取面波的频散曲线，进而估计面波速度，例如公告号为CN102759749B的发明专利文件中公开的方法，该方法通过二维傅里叶变换获取瑞雷面波的f-k谱，依据瑞雷面波穿透深度、速度与频率、波数、波长、泊松比之间的关系，将f-k谱转换成深度-速度(h-v)谱，依据h-v谱实现瑞雷面波速度分析。但是这种方法对检波点的分布方式依赖性较大，要求观测系统尽量规则分布，但在地震观测数据的实际采集过程中由于村庄、河流、工业生产、生活设施等的存在，观测系统分布非常不规则，这种情况下利用这种方法获得的面波速度精度受限。此外，这种方法一次只能处理一个震源的数据，不能处理多震源的数据，计算效率低。
综上所述，利用目前的面波速度估计方法计算面波速度时，存在计算结果精度低、计算效率低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种地震面波速度确定方法及装置，用以解决利用目前的面波速度估计方法计算面波速度时，存在计算结果精度低、计算效率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种地震面波速度确定方法，该方法包括以下步骤：
(1)获取待处理的地震观测数据，从所述地震观测数据中提取出基阶面波数据，对所述基阶面波数据进行时频转换得到频率域面波数据；
(2)根据所述频率域面波数据中的频谱能量最大值对应的频率确定有效频带，在所述有效频带范围内对所述频率域面波数据进行波场重构，并在所述有效频带范围内求取波场重构后的频率域面波数据的振幅场和相位谱；
(3)利用相位解缠技术对所述相位谱进行处理得到走时场；
(4)利用所述振幅场、振幅场的梯度和走时场的梯度，得到有效频带范围内的地震面波速度。
本发明还提供了一种地震面波速度确定装置，该装置包括处理器和存储器，所述处理器执行由所述存储器存储的计算机程序，以实现上述的地震面波速度确定方法。
本发明的有益效果是：(1)首先，从对频率域面波数据进行波场重构入手，解决了不规则观测系统的难题，保证在观测系统分布不规则的情况下仍能获得较高的面波速度计算精度，方法适应性强，从而使得本发明不仅能适用于规则观测系统，还能适用于任意复杂不规则观测系统，更贴近实际应用，能够解决实际地球物理问题，可为后续的压制或利用提供更加精确的速度结构；(2)通过相位解缠技术获得了稳定的走时场，然后利用振幅场、振幅场的梯度和走时场的梯度得到有效频带范围内的地震面波速度，由于本发明计算地震面波速度时没有点震源假设，因此本发明可以处理线震源和面震源的数据，而线震源和面震源相当于多个点震源的组合，也就是说，本发明可以直接反演任意多震源的面波数据，避免了常规层析成像一次只能反演一个震源的数据，从而能极大地提高面波速度计算效率，利用本发明能提供快速准确的近地表速度结构。
进一步地，在上述方法及装置中，利用波场梯度公式求取所述有效频带范围内的地震面波速度，所述波场梯度公式如下：
式中，
是地震面波速度，
是走时场，
是走时场的梯度，
是振幅场，
是振幅场的梯度的平方，ω是频率，
是检波点坐标。
进一步地，在上述方法及装置中，所述波场重构后的频率域面波数据通过以下步骤得到：首先，通过公式
求取稀疏变换系数
然后，利用公式
得到所述波场重构后的频率域面波数据
式中，m是频率域面波数据的稀疏变换系数，Ψ是观测系统采样矩阵，有检波点的地方置为1，没有检波点的地方置为0，Φ是稀疏变换矩阵，
是频率域面波数据，λ是正则化参数。
进一步地，在上述方法及装置中，所述有效频带为[fmain-2/nt/dt，fmain+2/nt/dt]，fmain为频率域面波数据中的频谱能量最大值对应的频率，nt为检波点个数，dt为采样间隔。
进一步地，在上述方法及装置中，利用炮域拉东变换压制方法或者十字交叉域面波估算方法提取所述基阶面波数据。
附图说明
图1为本发明方法实施例中的地震面波速度确定方法流程图；
图2为本发明方法实施例中观测系统的布置示意图；
图3为本发明方法实施例中频率域面波数据的示意图；
图4为本发明方法实施例中恢复的规则网格下的频域面波数据示意图；
图5为本发明方法实施例中的相位谱示意图；
图6为本发明方法实施例中的走时场示意图；
图7-1为利用本实施例方法计算出的面波速度场示意图；
图7-2为利用本实施例方法计算出的面波速度的误差场示意图；
图8-1为利用常规算法计算出的面波速度场示意图；
图8-2为利用常规算法计算出的面波速度的误差场示意图；
图9为本发明装置实施例中的地震面波速度确定装置结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
方法实施例：
如图1所示，本实施例的地震面波速度确定方法包括以下步骤：
(1)获取待处理的地震观测数据；
本实施例中，地震观测数据由图2所示的观测系统采集，图2中的点代表检波点，可以看出，该观测系统中检波点的排列方式非常不规则，因此该观测系统属于不规则观测系统。
(2)从地震观测数据中提取出基阶面波数据
是检波点坐标，t是双程旅行时；
其中，采用常规的面波提取方法来提取基阶面波数据，例如炮域拉东变换压制方法或者十字交叉域面波估算方法，这两种方法均为现有技术，具体可参见以下文献：苏悦,杨振涛等在2020年北京大学学报(自然科学版)第56卷第3期发表的一篇名为《基于矢量波数变换法的主动源瑞雷波多模式提取方法在近地表地层结构探测中的应用研究》的文献；薛超在2019年内蒙古石油化工第45卷第7期发表的一篇名为《十字排列去噪方法研究与应用》的文献。
(3)对基阶面波数据
进行时频转换(例如傅里叶变换)得到频率域面波数据
ω是频率；
频率域面波数据
实部的波场示意图如图3所示，图3右侧色条代表振幅能量，图3中空白区表示该点没有检波器，即图2所示的不规则观测系统在该处没有接收数据。
(4)根据频率域面波数据
中的频谱能量最大值对应的频率fmain确定有效频带，有效频带为[fmain-2/nt/dt，fmain+2/nt/dt]，nt为采样点数(即检波点个数)，dt为采样间隔；
(5)在有效频带范围内对频率域面波数据
进行波场重构，得到波场重构后的频率域面波数据
(以下称规则网格下的频率域面波数据)；其中，波场重构的过程如下：
首先，采用SPGL1(即谱投影梯度方法)或者CVX(即凸优化工具箱方法)等方法，求解公式
得到稀疏变换系数
式中，m是频率域面波数据的稀疏变换系数；Ψ是观测系统采样矩阵，有检波点的地方置为1，没有检波点的地方置为0；Φ是稀疏变换矩阵，具体地可采用DCT离散余弦变换或者曲波变换中的稀疏变换矩阵；λ是正则化参数，可利用L曲线法获得；‖‖2表示L2范数，‖‖1表示L1范数；
然后，利用公式
得到规则网格下的频率域面波数据
本实施例中规则网格下的频率域面波数据
见图4，图4右侧色条代表振幅能量。
(6)在有效频带范围内求取规则网格下的频率域面波数据
的振幅场
和相位谱
其中，振幅场
相位谱
表示
的虚部，
表示
的实部。
本实施例中的相位谱
如图5所示，图中横坐标代表东(Km)，纵坐标代表北(Km)，图中颜色深浅代表相位值的大小，即起跳时间的大小。
(7)利用相位解缠技术对相位谱
进行处理得到走时场
具体过程如下：
首先令
然后从
的第二个点开始，计算当前点与前一点的差，若差大于pi/2，则
当前点及后续所有点都减pi，若差小于-pi/2，则
当前点及后续所有点都加pi，重复上述步骤，直至最后一个点。其中，pi表示π的弧度值。
本实施例中的走时场
如图6所示，图中横坐标代表东(Km)，纵坐标代表北(Km)，图中颜色深浅代表时间大小，即走时的长短。
(8)利用波场梯度公式得到有效频带范围内的地震面波速度。
其中，波场梯度公式如下：
式中，
是地震面波速度，
是走时场，
是走时场的梯度，
是振幅场，
是振幅场的梯度的平方，ω是频率，
是检波点坐标。
本实施例中，利用波场梯度公式求得的地震面波速度场以及面波速度的误差场，分别如图7-1和图7-2所示，利用常规算法计算出的地震面波速度场以及面波速度的误差场，分别如图8-1和图8-2所示，图7-1和图8-1中右侧的色条代表面波速度值，图7-2和图8-2中右侧的色条代表面波速度误差值，颜色越深表明误差越大。
通过对比图7-2和图8-2可看出，图8-2的颜色更深，即误差更大，从而说明本实施例方法求取的面波速度更准确，精度更高。
本实施例的波场梯度公式的推导过程具体如下：
波动方程公式为：
通过傅里叶变换，可得波动方程的频率域形式：
将
写成平面波的形式，可得U(r,w)＝A(r)eiw(t-τ(r))，代入上式，同时假设
是平滑的，可得
上式中，
是面波速度，
和
分别是面波的时间域和频率域形式。
本实施例的地震面波速度确定方法，一方面从频率域面波波场重构入手，解决了不规则观测系统的难题，保证在观测系统分布不规则的情况下仍能获得较高的面波速度计算精度，方法适应性强，从而使得本实施例方法不仅能适用于规则观测系统，还能适用于任意复杂不规则观测系统，更贴近实际应用，能够解决实际地球物理问题，可为后续的压制或利用提供更加精确的速度结构；另一方面，通过相位解缠技术获得了稳定的走时场，然后利用波场梯度公式得到有效频带范围内的地震面波速度，由于本实施例方法计算地震面波速度时没有点震源假设，因此本实施例方法可以处理线震源和面震源的数据，而线震源和面震源相当于多个点震源的组合，也就是说，本实施例方法可以直接反演任意多震源的面波数据，避免了常规层析成像一次只能反演一个震源的数据，从而能极大地提高面波速度计算效率。因此，利用本实施例的地震面波速度确定方法可提供快速准确的近地表速度结构。
本实施例中利用波场梯度公式得到有效频带范围内的地震面波速度，这仅是计算地震面波速度的一种具体实现方式，不构成对本发明保护范围的限制，在实际应用中只要有效频带范围内的地震面波速度是利用有效频带范围内频率域面波数据的振幅场、振幅场的梯度和走时场的梯度计算得到的，均在本发明的保护范围内，例如通过对本实施例的波场梯度公式进行简单变形(例如开根号等形式)得到新的波场梯度公式，进而利用该新的波场梯度公式得到地震面波速度的方式也在本发明的保护范围内。
装置实施例：
本实施例的地震面波速度确定装置，如图9所示，该装置包括处理器、存储器，存储器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现上述方法实施例中的方法。
也就是说，以上方法实施例中的方法应理解为可由计算机程序指令实现地震面波速度确定方法的流程。可提供这些计算机程序指令到处理器，使得通过处理器执行这些指令产生用于实现上述方法流程所指定的功能。
本实施例所指的处理器是指微处理器MCU或可编程逻辑器件FPGA等的处理装置。
本实施例所指的存储器包括用于存储信息的物理装置，通常是将信息数字化后再以利用电、磁或者光学等方式的媒体加以存储。例如：利用电能方式存储信息的各式存储器，RAM、ROM等；利用磁能方式存储信息的的各式存储器，硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、U盘；利用光学方式存储信息的各式存储器，CD或DVD。当然，还有其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等等。
通过上述存储器、处理器以及计算机程序构成的装置，在计算机中由处理器执行相应的程序指令来实现，处理器可以搭载各种操作系统，如windows操作系统、linux系统、android、iOS系统等。
Claims (6)
1.一种地震面波速度确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)获取待处理的地震观测数据，从所述地震观测数据中提取出基阶面波数据，对所述基阶面波数据进行时频转换得到频率域面波数据；
(2)根据所述频率域面波数据中的频谱能量最大值对应的频率确定有效频带，在所述有效频带范围内对所述频率域面波数据进行波场重构，并在所述有效频带范围内求取波场重构后的频率域面波数据的振幅场和相位谱；
(3)利用相位解缠技术对所述相位谱进行处理得到走时场；
(4)利用所述振幅场、振幅场的梯度和走时场的梯度，得到有效频带范围内的地震面波速度。
2.根据权利要求1所述的地震面波速度确定方法，其特征在于，利用波场梯度公式求取所述有效频带范围内的地震面波速度，所述波场梯度公式如下：
式中，
是地震面波速度，
是走时场，
是走时场的梯度，
是振幅场，
是振幅场的梯度的平方，ω是频率，
是检波点坐标。
3.根据权利要求1或2所述的地震面波速度确定方法，其特征在于，所述波场重构后的频率域面波数据通过以下步骤得到：首先，通过公式
求取稀疏变换系数
然后，利用公式
得到所述波场重构后的频率域面波数据
式中，m是频率域面波数据的稀疏变换系数，Ψ是观测系统采样矩阵，有检波点的地方置为1，没有检波点的地方置为0，Φ是稀疏变换矩阵，
是频率域面波数据，λ是正则化参数。
4.根据权利要求1或2所述的地震面波速度确定方法，其特征在于，所述有效频带为[fmain-2/nt/dt，fmain+2/nt/dt]，fmain为频率域面波数据中的频谱能量最大值对应的频率，nt为检波点个数，dt为采样间隔。
5.根据权利要求1或2所述的地震面波速度确定方法，其特征在于，利用炮域拉东变换压制方法或者十字交叉域面波估算方法提取所述基阶面波数据。
6.一种地震面波速度确定装置，其特征在于，该装置包括处理器和存储器，所述处理器执行由所述存储器存储的计算机程序，以实现如权利要求1-5任一项所述的地震面波速度确定方法。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116819605A (zh) * | 2023-07-03 | 2023-09-29 | 山东省煤田地质局第五勘探队 | 一种用于自动调平与寻北装置的控制系统及方法 |
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2020
- 2020-08-10 CN CN202010796931.2A patent/CN114063159A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116819605A (zh) * | 2023-07-03 | 2023-09-29 | 山东省煤田地质局第五勘探队 | 一种用于自动调平与寻北装置的控制系统及方法 |
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