CN115327620B - 微地震联合时差叠加定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种微地震联合时差叠加定位方法，包括：将研究区域速度模型离散化；计算得到各个台站的时间场；求取剩余时间场；将所有台站的剩余时间差场叠加，扫描所有发震时刻并记录最小叠加值；得到记录的最小叠加值中的最小值及其对应的发震时刻、震源位置；利用扫描得到的发震时刻和地震波初至到时以及初始速度模型计算各个台站的二次时间差场；对所有台站计算得得到的二次时间差场进行叠加运算，叠加最小值处即为二次时差叠加定位法定位震源位置；将两种方法求得的震源位置在空间上取平均值，即为联合时差叠加定位法的震源定位结果。该微地震联合时差叠加定位方法可较为准确地定位到震源真实深度，将速度对定位深度的影响大大降低。

Description

微地震联合时差叠加定位方法
技术领域
本发明涉及应用地球物理领域，特别是涉及到一种微地震联合时差叠加定位方法。
背景技术
震源定位是利用台站的接收到时来确定地下震源的经度、纬度、深度以及发震时刻的方法，是一种经典的、基础的地震学研究方向。准确的震源位置参数对地球内部构造反演，页岩气藏开发、防灾监震等有着重要的作用(赵博和高原，2010)，影响震源的定位的因素主要有地震波走时的拾取、速度模型的建立，台站的分布和数量等，不同的定位方法对定位的准确度和精度也有着不同程度的影响，因此，寻找更加可靠的定位方法，改进已有定位方法的效率和精度一直是学者们不断探索的方向。目前应用广泛的震源定位方法分为两大类：线性定位方法和非线性定位方法。线性定位方法大都源于德国物理学家Geiger上世纪初提出的经典定位方法(Geiger，1912)，其原理是将非线性问题线性化，利用台站的观测到时迭代求取目标函数的最小二乘解，使得所有台站理论走时和观测走时残差最小，该方法依赖于对初始值的估计，且计算量大，在后人对该方法的不断改进中，线性定位法可分为绝对定位法和相对定位法，绝对定位法是一种直接求取震源位置的方法，而相对定位法利用待定位震源点相对于已知震源点的差分时间来确定待定位震源点的位置。常见的相对定位方法有主事件定位法(Spense,1980),首先确定一个主事件位置，根据主事件周围一组待定事件与主事件的差分时间来计算这一组事件与主事件的相对位置，进而确定其绝对位置，其精度依赖于主事件的准确性。双差定位法(Wald hauser&Ellsworth，2000)利用事件对的观测走时与理论走时的残差来确定两事件的相对位置，这种方法的定位结果与参与定位的所有事件相关。震源定位的最终目标是向震源真实位置无限靠拢，相对震源位置的准确性依然由其绝对位置判定(许力生，2013)，非线性定位方法主要包括模拟退火法、网格搜索法、遗传算法等，网格搜索法首先对搜索空间进行离散化，再在整个离散模型搜索震源位置，是一种简单快速定位方法，也是最常用的震源定位方法之一，但是其真解的确定又易受速度模型等因素的影响。因此很多学者尝试在保持网格搜索法优势的基础上，对网格搜索法进行改进，如将网格搜索法与遗传法结合，提出一种解域约束下微地震事件联合反演方法(宋维琪，2011)，结合网格搜索法的全局收敛性和牛顿迭代法的快速准确性(姜天琪，2019)，提高了定位结果的精度。微地震震源定位的速度模型一般由声波测井曲线确定，由于测井曲线本身存在局限性，并且水力压裂前后地层速度也会发生变化，用于定位的速度模型往往与地下真实地层速度存在一定偏差，依靠速度模型进行震源定位不能很好的定位到震源的真实位置，针对这个问题，本发明提出的联合时差叠加法，由两种对等的网格搜索法结合，这两种网格搜索法在速度变化时，定位深度相对于真实震源深度一深一浅，综合来看，可以在一定速度误差范围内保持定位精度。
在申请号：CN201610382193.0的中国专利申请中，涉及到一种基于到时差数据库的微地震震源快速定位方法，属于震源定位技术领域。该方法对监测区域建立地质数值模型，并进行网格划分，每个网格点可看作特征震源点；结合特征震源点、传感器位置坐标及震源波波速可建立特征震源点到时差数据库；利用波形信息采集系统，对传感器接收到的波形信号提取震源波到达各个传感器的到时时间；计算任意两传感器的到时差，建立震源的到时差矩阵，并与特征震源点到时差数据库进行匹配搜索，可对震源进行实时快速定位。
在申请号：CN201910458434.9的中国专利申请中，涉及到一种基于初至时差和波形叠加的微地震震源定位方法，步骤如下：S1：输入速度模型；S2：拾取并输入实际初至时间，以及读取地震数据；S3：依据S1中速度模型，计算可行解区域内所有网格点到每一个检波器的理论初至时间表；S4：构造走时残差函数Tr；S5：构造波形叠加函数Ews；S6：输入权重系数β，依据S4中走时残差函数Tr和S5中波形叠加函数Ews，构造改进目标函数；S7：通过网格搜索法寻找改进目标函数的最小值，对应的最优解即震源位置。
在申请号：CN201510290773.2的中国专利申请中，涉及到一种微地震震源定位方法和装置，该方法包括：建立网格化速度模型，其中候选震源位置处于网格化速度模型的网格点上；利用所述网格化速度模型计算各个检波器上的旅行时时差，所述旅行时时差与候选震源位置和候选震源激发时间相关联；利用所述旅行时时差对相应的检波器上的地震信号进行动校正；对动校正后的各检波器上的地震信号进行叠加，得到叠加信号；以及找到使得所述叠加信号最大的候选震源位置和候选震源激发时间，作为震源位置和震源激发时间。
以上现有技术均与本发明有较大区别，未能解决我们想要解决的技术问题，为此我们发明了一种新的微地震联合时差叠加定位方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种将两种定位方法结合，可较为准确地定位到震源真实深度的微地震联合时差叠加定位方法。
本发明的目的可通过如下技术措施来实现：微地震联合时差叠加定位方法，该微地震联合时差叠加定位方法包括：
步骤1，将研究区域速度模型离散化；
步骤2，计算地震波从各个台站出发到达空间网格中每个节点的时间，得到各个台站的时间场；
步骤3，求取从台站出发的地震波的时间场与震源的初至波旅行时的剩余时间场；
步骤4，将所有台站的剩余时间差场叠加，扫描所有发震时刻并记录最小叠加值；
步骤5，更新速度模型，重复进行以上操作，得到记录的最小叠加值中的最小值及其对应的发震时刻、震源位置；
步骤6，利用扫描得到的发震时刻和地震波初至到时以及初始速度模型计算各个台站的二次时间差场；
步骤7，对所有台站计算得得到的二次时间差场进行叠加运算，叠加最小值处即为二次时差叠加定位法定位震源位置；
步骤8，将两种方法求得的震源位置在空间上取平均值，即为联合时差叠加定位法的震源定位结果。
本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：
在步骤1中，将研究区域范围内的地层划分为同样尺寸的多个立方体网格，所设定的速度模型包括匀速模型、层状介质模型。
在步骤2中，计算地震波从各个台站出发到达空间网格中每个节点的时间，采用的方法包括各种射线追踪类、波动方程类。
在步骤2中，以第1个台站的到时为原点，求取地震波从台站出发到达空间网格中每个节点的距离，得到从台站逆推的时间场；公式为:
其中Ri(x，y，z)为第i个台站的位置参数，X,Y,Z为每个节点在空间中的位置参数，Di为第i个台站的距离场，Ti为第i个台站的时间场。
在步骤3中，剩余时间由下式求取：
其中为第i个台站的求得的剩余时间差，t0为发震时刻，ti为拾取的地震波到达第i个台站的时间，Ti为第i个台站到达各网格的时间场。
在步骤4中，计算各个台站的剩余时间场，进行叠加，所有台站得到的震源轨迹在震源处交汇，得到的新的极小值，即为时差叠加法定位的震源位置，记为(x1,y1,z1)。
在步骤6中，二次时间差场采用以下公式计算：
TTi＝|(Ti-(ti-t0))-(Ti+1-(ti+1-t0))|
其中，TTi为二次时间差场，t0为发震时刻，ti为拾取的地震波到达第i个台站的时间，Ti为第i个台站到达各网格的时间场，二次时间差的极小值为二次时差叠加法计算的震源轨迹。
在步骤7中，二维平面坐标系下、三个台站的二次时差叠加法测定的震源位置由以下方程组求取：
公式中，(r，0)、(p，0)、(q，0)分别为台站的坐标，tr、tp、tq分别为微地震信号由震源出发，到达三个台站的旅行时，(x，y)为震源的坐标，V为地层的速度。
在当前微地震技术领域，速度模型的精度是影响定位结果的主要因素，特别是地面微地震监测，微地震信号传播的空间范围大，更难获取精确的速度模型，导致定位结果误差过大，在震源深度定位结果上表现更为突出，成为制约地面微地震监测这一经济性油藏监测技术未获得大范围应用的主要原因。
本发明中的微地震联合时差叠加定位方法，利用了时差叠加定位法和二次时差叠加定位法在模型速度与真实速度存在偏差时，定位结果在深度上有相反的偏差值这一现象，将两种定位方法结合，可较为准确地定位到震源真实深度，将速度对定位深度的影响大大降低，即使在复杂的地质情况下，本发明中的微地震联合时差叠加定位方法在速度模型误差-5％到5％之间时，仍然可以获取比常规方法更为准确的震源深度定位结果。
附图说明
图1为本发明的一具体实施例中均匀速度模型测试所采用的三维观测系统(左)及其俯视图(右)；
图2为本发明的一具体实施例中速度偏大5％时时差叠加定位法定位结果的示意图；
图3为本发明的一具体实施例中速度偏大5％时时差叠加定位法定位结果的示意图；
图4为本发明的一具体实施例中速度偏大5％时时差叠加定位法定位结果的示意图；
图5为本发明的一具体实施例中速度模型与真实速度相等时三种方法定位结果的示意图；
图6为本发明的一具体实施例中三种方法在各速度百分比的偏差下定位深度数值的示意图；
图7为本发明的一具体实施例中三种方法在各速度偏差值下定位深度的变化趋势的示意图；
图8为本发明的一具体实施例中V＝3.3km/s(偏大10％)三种方法定位结果的示意图；
图9为本发明的一具体实施例中V＝2.7km/s(偏小10％)三种方法定位结果的示意图；
图10为本发明的一具体实施例中复杂速度模型的示意图；
图11为本发明的一具体实施例中不均匀速度模型观测系统的示意图；
图12为本发明的一具体实施例中复杂速度模型速度无偏差时三种方法定位结果的示意图；
图13为本发明的一具体实施例中复杂速度模型速度偏大(3％)三种方法定位结果的示意图；
图14为本发明的一具体实施例中复杂速度模型速度偏小(3％)三种方法定位结果的示意图；
图15为本发明的一具体实施例中复杂速度模型三种方法定位深度随速度偏差百分比变化情况的示意图；
图16为本发明的微地震联合时差叠加定位方法的一具体实施例的流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。
本发明的微地震联合时差叠加定位方法包括了以下步骤：
步骤1，将研究区域速度模型离散化；
将研究区域速度模型离散化，是将研究区域范围内的地层划分为同样尺寸的多个立方体网格，所设定的速度模型包括但不限于匀速模型、层状介质模型等。
步骤2，计算地震波从各个台站出发到达空间网格中每个节点的时间，得到各个台站的时间场；
计算地震波从各个台站出发到达空间网格中每个节点的时间，不限于具体的方法，包括各种射线追踪类、波动方程类等。
步骤3，求取从台站出发的地震波的时间场与震源的初至波旅行时的剩余时间场；
剩余时间由下式求取：
其中为第i个台站的求得的剩余时间差，t0为发震时刻，ti为拾取的地震波到达第i个台站的时间，Ti为第i个台站到达各网格的时间场。
步骤4，将所有台站的剩余时间差场叠加，扫描所有发震时刻并记录最小叠加值；
步骤5，更新速度模型，重复进行以上操作，得到记录的最小叠加值中的最小值及其对应的发震时刻、震源位置；
步骤6，利用扫描得到的发震时刻和地震波初至到时以及初始速度模型计算各个台站的二次时间差场。二次时间差场采用以下公式计算：
TTi＝|(Ti-(ti-t0))-(Ti+1-(ti+1-t0))|
其中TTi为二次时间差场。
步骤7，对所有台站计算得得到的二次时间差场进行叠加运算，叠加最小值处即为二次时差叠加定位法定位震源位置；
二维平面坐标系下、三个台站的时，二次时差叠加法测定的震源位置由以下方程组求取：
公式中，(r，0)、(p，0)、(q，0)分别为台站的坐标，tr、tp、tq分别为微地震信号由震源出发，到达三个台站的旅行时，(x，y)为震源的坐标，V为地层的速度。
步骤8，将两种方法求得的震源位置在空间上取平均值，即为联合时差叠加定位法的震源定位结果。
实施例1：
如图16所示，图16为本发明的微地震联合时差叠加定位方法的流程图。
步骤101：将研究区域的速度模型离散化，并建立笛卡尔坐标系，坐标原点与第一个网格对齐，假设地层速度均匀，真实速度V＝3km/s，取实验速度为3.15km/s，即速度偏差5％。均匀网状观测系统如图1所示，地面均匀分布16个台站，真实震源位置如图中空心五角星所示，拾取地震波到时ti(i＝1,2,···16)。
步骤102：以第1个台站的到时为原点，求取地震波从台站出发到达空间网格中每个节点的距离，得到从台站逆推的时间场。公式为:
其中Ri(x,y,z)为第i个台站的位置参数，X,Y,Z为每个节点在空间中的位置参数，Di为第i个台站的距离场，Ti为第i个台站的时间场。
步骤103：由速度和时间扫描得到剩余时差叠加最小值处对应的时刻，取该时刻为发震时刻t0，则地震波的旅行时为(ti-t0)。
步骤104：求取从台站出发的地震波的时间场与震源的初至波旅行时的剩余时间场，即两场作差取绝对值。公式为：
其中为第1个台站的求得的剩余时间场，剩余时间的极小值为时差叠加法计算的震源轨迹。
步骤105：计算各个台站的剩余时间场，进行叠加，所有台站得到的震源轨迹在震源处交汇，得到的新的极小值，即为时差叠加法定位的震源位置，记为(x1,y1,z1)，定位结果如图2所示，实心圆即为观测震源位置。
步骤106：取相邻两个台站的时间场作差并再取绝对值，得到二次时间差场。公式为：
TTi＝|(Ti-(ti-t0))-(Ti+1-(ti+1-t0))|
其中TTi为二次时间差场，二次时间差的极小值为二次时差叠加法计算的震源轨迹。
步骤107：对所有的二次时间差场进行叠加运算，极小值处即为二次时差叠加定位法定位震源位置，记为(x2，y2,z2)，结果如图3所示，实心圆即为观测震源位置。
步骤108：将两种方法求得的震源位置参数在空间上取平均值，即
(x,y,z)即为时差联合定位法定位的震源位置，结果如图4所示，实心圆与空心五角星重合，即定位震源与真实震源位置重合。
下面通过具体的实施例对本发明的效果及可靠性作进一步说明。
实施例2：均匀速度模型偏差测试
建立一个长50m、宽50m、高50m的三维地震均匀速度模型，地震波传播真实速度V0＝3km/s，实际震源位置在模型的正中心处，图中用空心五角星标注，发震时刻t0＝0，采用图1所示的观测系统，地面分布有16个台站。首先在观测速度与真实速度相等的情况下进行测试，分别利用时差叠加定位法和二次时差叠加定位法对震源进行定位，可以看出，在速度无误差的情况下，两种方法观测震源位置与实际震源位置重合，如图5所示，左为时差叠加法定位结果，中为二次时差叠加法定位结果，右为时差联合法定位结果。
为测试两种方法对速度的敏感度，分别给速度施加真实速度1％、3％、5％、10％、15％、20％的干扰，每种方法定位深度的数值如图6所示，将其绘成曲线图以便更直观的观察和寻找规律，如图7所示。图8-9给出三种方法在速度偏大和偏小的情况下的定位结果。可以发现，时差叠加定位法在速度偏大的情况下，定位深度偏深，速度偏小时，定位深度偏浅，速度偏差程度越大，越偏离真实震源位置如图8-9左图所示。而二次时差叠加定位法的结果与时差叠加定位法在深度上恰恰相反，如图8-9中间图所示，且二者在同一速度偏差下的偏离程度相似，于是，我们将两个结果在深度上取平均值即运用时差叠加联合法，可以看出，在一定速度偏差范围内，时差联合定位法依然可以准确的定位到震源的真实位置，如图8-9右图所示。两种方法联合起到一种校正作用，随着速度偏差增大，这种校正效果越明显，但是偏差超过一定程度，如实验中速度偏差大于-15％，时差叠加法的定位深度偏差要大于二次时差定位法的定位深度，两种方法的距离偏差不再相近，联合法的定位结果更偏向于时差定位法，有明显的定位深度偏浅的趋势，相反当速度差大于+15％时，时差联合定位结果更偏向于二次时差定位法定位结果，效果不再明显。
实施例3：复杂速度模型偏差测试
复杂速度模型更加贴近实际情况，测试结果更加具有可靠性。速度模型如图10所示，模型大小为长2.5km、宽2.5km、高2.5km，观测系统如图11所示，震源实际位置在模型的正中心位置处，图中用空心五角星标注，地面有16个台站呈均匀网状分布，当测试速度等于真实速度时，时差叠加定位法和二次时差叠加定位法定位结果如图12左、中所示，两种方法测定的震源位置与真实震源位置重合，此时，两种方法联合毫无疑问可以定位到真实震源位置，如图12右所示。
接着利用该复杂模型进行速度敏感度测试，给速度模型整体分别施加±3％、±5％、±10％、±15％以及±20％的干扰偏差，图13-14分别给出了偏大3％和偏小3％的测试结果，左图为时差叠加定位法定位结果，中图为二次时差定位法定位结果，右图为时差联合法定位结果，图15直观的展示出随着速度偏差的增大，三种方法的定位深度变化趋势，可以看出，速度偏小时，时差叠加定位法的定位深度总是偏浅，二次时差定位法的定位深度偏深；速度偏大时，两种方法的变化趋势正好相反。
在此速度模型的情况下，速度偏差小于5％时，联合法的定位结果可以保证一定的精度，当速度偏差大于5％，时差叠加定位法在同一速度偏差时的深度偏差趋势较大，两种方法定位深度取平均后，受到时差叠加定位法的影响较大，联合的定位结果虽然受到二次时差叠加定位法的压制，但是其影响不及时差定位法，联合定位法的深度趋势更偏向于时差定位法，定位结果的准确度受到影响。
本发明提供一种微地震联合时差叠加定位方法，该方法包括：将研究区域速度模型离散化；计算地震波从各个台站出发到达空间网格中每个节点的时间，得到各个台站的时间场；求取从台站出发的地震波的时间场与震源的初至波旅行时的剩余时间场；将所有台站的剩余时间差场叠加，扫描所有发震时刻并记录最小叠加值；更新速度模型，重复进行以上操作，得到记录的最小叠加值中的最小值及其对应的发震时刻、震源位置；利用扫描得到的发震时刻和地震波初至到时以及初始速度模型计算各个台站的二次时间差场；对所有台站计算得得到的二次时间差场进行叠加运算，叠加最小值处即为二次时差叠加定位法定位震源位置；将两种方法求得的震源位置在空间上取平均值，即为联合时差叠加定位法的震源定位结果。该微地震联合时差叠加定位在速度模型不准确的情况下，时差叠加法和二次时差叠加定位法的定位深度误差趋势相反，抵消了由于速度不准确而引起的定位深度的偏差，有较高的定位精度。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对前述实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

Claims (7)

1.微地震联合时差叠加定位方法，其特征在于，该微地震联合时差叠加定位方法包括：
步骤1，将研究区域速度模型离散化；
步骤2，计算地震波从各个台站出发到达空间网格中每个节点的时间，得到各个台站的时间场；
步骤3，求取从台站出发的地震波的时间场与震源的初至波旅行时的剩余时间场；
步骤4，将所有台站的剩余时间场叠加，扫描所有发震时刻并记录最小叠加值；
步骤5，更新速度模型，重复进行以上操作，得到记录的最小叠加值中的最小值及其对应的发震时刻、震源位置；
步骤6，利用扫描得到的发震时刻和地震波初至到时以及初始速度模型计算各个台站的二次时间差场；
步骤7，对所有台站计算得到的二次时间差场进行叠加运算，叠加最小值处即为二次时差叠加定位法定位震源位置；
步骤8，将两种方法求得的震源位置在空间上取平均值，即为联合时差叠加定位法的震源定位结果。
2.根据权利要求1所述的微地震联合时差叠加定位方法，其特征在于，在步骤1中，将研究区域范围内的地层划分为同样尺寸的多个立方体网格，所设定的速度模型包括匀速模型、层状介质模型。
3.根据权利要求1所述的微地震联合时差叠加定位方法，其特征在于，在步骤2中，计算地震波从各个台站出发到达空间网格中每个节点的时间，采用的方法包括各种射线追踪类、波动方程类。
4.根据权利要求3所述的微地震联合时差叠加定位方法，其特征在于，在步骤2中，以第1个台站的到时为原点，求取地震波从台站出发到达空间网格中每个节点的距离，得到从台站逆推的时间场；公式为:
其中Ri,x、Ri,y、Ri,z，X,Y,Z为每个节点在空间中的位置参数，Di为第i个台站的距离场，Ti为第i个台站到达各网格的时间场，V为地层的速度。
5.根据权利要求4所述的微地震联合时差叠加定位方法，其特征在于，在步骤3中，剩余时间由下式求取：
其中为第i个台站的求得的剩余时间，t0为发震时刻，ti为拾取的地震波到达第i个台站的时间。
6.根据权利要求4所述的微地震联合时差叠加定位方法，其特征在于，在步骤6中，二次时间差场采用以下公式计算：
TTi＝|(Ti-(ti-t0))-(Ti+1-(ti+1-t0))|
其中，TTi为二次时间差场，t0为发震时刻，ti为拾取的地震波到达第i个台站的时间，二次时间差的极小值为二次时差叠加法计算的震源位置。
7.根据权利要求1所述的微地震联合时差叠加定位方法，其特征在于，在步骤7中，二维平面坐标系下、三个台站的二次时差叠加法测定的震源位置由以下方程组求取：
公式中，(r,0)、(p,0)、(q,0)分别为台站的坐标，tr、tp、tq分别为微地震信号由震源出发，到达三个台站的旅行时，(x,y)为震源的坐标,V为地层的速度。
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