CN116338779B - 用于密集线性台阵的交火式主被动源联合探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于密集线性台阵的交火式主被动源联合探测方法，包括：S1，等间距布置节点式地震仪，采集地震信号；S2，将S1采集的被动源地震信号和主动源地震信号作为输入，通过交火式互相关方法分别计算以探点位置为对称中心的台站对之间的主、被动源格林函数，并按照台站对的间距由小到大对格林函数进行排列，得到两个交火式互相关道集；S3，对两个交火式互相关道集进行归一化，叠加合成一个主被动源联合地震记录，通过多道面波分析方法计算其频散谱图；S4，按照频散能量的聚焦趋势从频散谱图中拾取面波频散曲线；S5，将频散曲线进行反演，获取地下横波速度构造，进行地质解释。该方法工作效率高、探测精度高。
Description
技术领域
本发明涉及地球物理勘探领域，尤其涉及一种用于密集线性台阵的交火式主被动源联合探测方法。
背景技术
铁路、公路、地铁等工程地质勘察中，浅地表横波波速对地质构造以及目标体特征的表征十分准确，是一个十分重要且稳定的物理参数。面波频散曲线反演是获取横波波速的首选技术手段，目前常用方法主要分为主动源（人工源）和被动源（天然源）两类：主动源方法以锤击为震源，探测深度一般均小于20m，当上覆盖层为软土时探测深度往往不足10m，除此之外主动源以高频为主，频散曲线反演过程极不稳定；被动源探测方法以背景噪声为有效信号，频带以低频为主，反演深度较深且相对稳定，但是在浅层精细结构刻画方面稍有不足。
主被动源联合探测技术兼顾探测深度与探测精度综合优势，能够有效解决上述矛盾。然而主被动源数据在野外采集（主动源：线性观测；被动源：2D台阵观测）、室内处理环节（主动源一般采用多道分析方法，被动源则利用空间自相关方法），均存在较多差异，致使联合探测技术的实施效率非常低。因此，寻求一种数据采集方式一致、室内处理流程融合、工作效率和探测精度兼具的主被动源面波联合勘察方法是非常有必要的。
发明内容
为了提高面波探测方法对小异常地质单元目标体的分辨精度及勘察施工效率，本发明提供一种用于密集线性台阵的交火式主被动源联合探测方法。
为此，本发明采用以下技术方案：
一种用于密集线性台阵的交火式主被动源联合探测方法，包括以下步骤：
S1，按照预先设计好的线性观测系统等间距布置节点式地震仪，开机自动采集地震信号：首先采集一段时间的被动源地震信号；保持观测系统不变，继续采集相同时间段的主动源地震信号；
S2，将S1得到的被动源地震信号和主动源地震信号作为输入，对每一个探点位置，通过交火式互相关方法分别计算以探点位置为对称中心的台站对之间的主、被动源格林函数，并按照台站对的间距由小到大对格林函数进行排列，从而得到两个交火式互相关道集；
S3，对上述两个交火式互相关道集进行归一化，通过叠加合成为一个主被动源联合地震记录，并通过多道面波分析方法计算其频散谱图；
S4，按照频散能量的聚焦趋势从S3得到的频散谱图中拾取面波频散曲线；
S5，将S4得到的频散曲线进行反演，获取地下横波速度构造，进行地质解释。
具体的，步骤S2包括以下分步骤：
S21，对步骤S1采集的被动源地震信号进行零飘校正、去噪以及分窗处理；
S22，对所有时窗的被动源地震信号进行交火式互相关并叠加，得到台站对之间的格林函数：
（1）
其中，、/>分别代表两个台站的位置，探点位置为/>、/>的中点；N为时窗个数，上标n表示第n个时窗，t表示时间；/>为第m1道与第m2道之间的互相关，/>为第m2道与第m1道之间的互相关；
S23，按照台站对间距由小到大对格林函数进行排列，到得第1个交火式互相关道集；
S24，按照与步骤S21-S23相同的处理方法对步骤S1采集的主动源地震信号进行处理，到得第2个交火式互相关道集。
优选的是，上述分窗处理的时窗大小为500ms。
优选的是，步骤S1中节点式地震仪的间距为 2-10 m；所述一段时间为15分钟；所述主动源地震信号的频率范围为5-50Hz。
本发明的联合探测方法主要用于高精度获取工程勘察区域的横波速度以及土石分界、活动断裂、岩溶、孤石等异常地质结构的精准定位。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
（1）工作效率高：本发明使用统一的线性观测系统进行数据采集，避免了传统勘察中需要在不同观测系统之间切换的情况，极大地提高了野外数据采集的工作效率。在数据处理方面，本发明统一使用交火式互相关策略提取主、被动源信号的格林函数，有机融合了主动源和被动源信号的频散曲线提取方式，使程序精炼、操作简洁，室内数据处理高效。
（2）探测精度高：本发明使用交火式互相关方法提取探点两侧对称位置之间的格林函数，并用以提取探点处的频散曲线，大大降低了利用共炮记录计算排列中心位置处频散曲线的平均效应，提高了联合反演方法的横向分辨率，从而提高了探测精度。
综上所述，本发明的工作效率与探测精度的综合优势突出，能够优化地质解译效果，保证设计、施工安全，具有很高的实用价值。
附图说明
图1为本发明的用于密集线性台阵的交火式主被动源联合探测方法的流程图；
图2为通过共炮点方法计算格林函数的示意图；
图3为通过交火式互相关方法计算格林函数的示意图；
图4为实施例1中通过共炮点方法测得的某测点的地震记录；
图5为实施例1通过本发明的方法得到的地震记录；
图6和图7分别为图4和图5中地震记录的频散谱；
图8和图9分别为实施例1中共炮点方法给出的横波速度剖面和本发明所述方法给出的横波速度剖面。
具体实施方式
在利用互相关获取两点之间的经验格林函数时，传统方法只通过虚拟检波点与虚拟炮点之间的互相关获取两点之间的格林函数。而本发明的方法中，源检对关于测点位置对称，形成互相交叉的观测方式，即“交火式”，该方法基于源检互易的原则，两点之间交互进行相关操作，进而叠加获取格林函数，在充分利用有效信息的同时，提高信噪比。
以下结合附图和实施例对本发明的方法进行详细说明。
参见图1，本发明的用于密集线性台阵的交火式主被动源联合探测方法包括以下步骤：
S1，按照预先设计好的线性观测系统等间距布置节点式地震仪，其中，节点式地震仪的间距dx越小，探测精度越高。但考虑到生产效率及成本，在设计观测系统时需根据事先掌握的探测目标体尺寸大小确定地震仪间距，确保检波器间距能够满足探测目标需求。
开机后，首先自动采集一段时间（例如15分钟）的被动源地震信号（即地震背景噪声），为保证信噪比，采集时间可适当延长。然后保持观测系统不变，继续采集一段时间（例如15分钟）的主动源地震信号。
本发明中需要保证所述主动源地震信号沿测线定向随机分布并激发，例如，可以通过人工可控震源或汽车震动来激发，频率范围保持在5-50Hz最佳。本发明的实施例中采用的是汽车震动，即利用汽车沿测线反复行驶，这种信号沿测线方向随机分布，与被动源信号性质类似，因此可以和被动源采用相同的处理方式。
S2，对每一个探点位置，通过交火式互相关方法分别计算以探点位置为对称中心的台站对之间的主、被动源格林函数，并按照台站对的间距由大到小对格林函数进行排列，从而得到两个交火式互相关道集。
假设采用7个台站对某探测点进行观测，现有方法和本发明的方法分别如下：
图2所示为现有的共炮点记录方法，排列中间的黑色位置为探点。该方法通过计算所有道与第1道信号（炮点）的互相关格林函数，进而计算频散谱，这种方法具有很大的平均效应，探测精度低。
如图3所示为本发明采用的交火式互相关方法，排列中间黑色位置为探点。该方法通过计算以探点为对称中心的台站对之间的格林函数，并以2倍台站间隔（2dx）为道间距，由小到大依次对格林函数进行排列从而得到交火式互相关道集。交火式互相关道集中的每一道均与探点位置的速度参数息息相关，能够大大提高勘察精度。具体步骤如下：
（1）首先对被动源观测记录进行零飘校正、去噪以及分窗处理，时窗大小为500ms；
（2）对所有时窗的地震信号进行交火式互相关并叠加，得到台站对之间的格林函数。以第1道和第7道信号为例（对应探点在第4道位置处），二者之间的格林函数表示为：
（1）
其中，N为总记录分割的时窗个数，上标n表示第n个时间窗口，t表示时间；为第1道与第7道之间的互相关，/>为第7道与第1道的互相关 ；
（3）按照台站对间距由小到大依次排列，到得第1个交火式互相关道集。
（4）按照步骤（1）-（3）的处理方式对主动源观测记录进行处理，到得第2个交火式互相关道集。
该步骤中，之所以对主动源观测记录和被动源观测记录分别实施交火式互相关过程，是由于主动源、被动源信号振幅能量上存在差异。
S3：对步骤S2得到的两个交火式互相关道集（记录）进行归一化，通过叠加合成为一个主被动源联合地震记录，并通过多道面波分析方法（t-p变换法等）计算其频散谱图。
S4：按照频散能量的聚焦趋势从步骤S3得到频散谱图中拾取面波频散曲线；
S5：对步骤S4得到的面波频散曲线反演，获取地下横波速度构造，进而进行地质解释。
实施例1
为了检验该方法的应用效果，在某工程勘察区域进行了应用测试。
区域工程概况：通过前期勘察已知该区域存在多处高速异常体，为此布设了一条总长度为240m的测线，以探测该区域高速异常体的深度及位置，验证本发明方法的正确性。具体如下：
S1，以2 m为间距采用30台（以滚动勘察的方式）节点式数字地震仪进行主、被动源地震数据观测，各个采集点连续采集时长30分钟，其中被动源地震信号采集15分钟，主动源地震信号采集15分钟。
S2，以7个台站为一组（如图2和图3），分别计算以探点位置（中间黑色位置）为对称中心的主、被动源格林函数，并按照台站对的间距由小到大对格林函数进行排列，得到两个交火式互相关道集。
S3，对步骤S2得到的两个交火式互相关道集进行归一化，通过叠加合成为一个主被动源联合地震记录。图4和图5分别为某测点位置计算得到的共炮点记录和本发明给出的交火式互相关地震记录。
利用t-p变换法计算图4和图5中两种记录的频散谱图，结果分别如图6、图7所示。通过对比可以发现，本发明的方法获取的频散曲线在高频处能量更为聚焦（图7中圈出的部分，12Hz-15Hz位置），说明本发明的方法对小构造的识别能力更强。
S4，按照频散能量的聚焦趋势分别从图6、图7的频散谱图中拾取面波频散曲线。
S5，对S4得到的共炮点和交火式频散曲线进行反演，获取地下横波速度构造，如图8、9所示。通过解释对比可以发现，本发明的方法对异常体的结构刻画更为具体。
Claims (5)
1.一种用于密集线性台阵的交火式主被动源联合探测方法，其特征在于包括以下步骤：
S1，按照预先设计好的线性观测系统等间距布置节点式地震仪，开机自动采集地震信号：首先采集一段时间的被动源地震信号；保持观测系统不变，继续采集相同时间段的主动源地震信号；
S2，将S1得到的被动源地震信号和主动源地震信号作为输入，对每一个探点位置，通过交火式互相关方法分别计算以探点位置为对称中心的台站对之间的主、被动源格林函数，并按照台站对的间距由小到大对格林函数进行排列，从而得到两个交火式互相关道集，包括以下分步骤：
S21，对步骤S1采集的被动源地震信号进行零飘校正、去噪以及分窗处理；
S22，对所有时窗的被动源地震信号进行交火式互相关并叠加，得到台站对之间的格林函数：
（1）
其中，m 1 、m 2 分别代表两个台站的位置，探点位置为m 1 、m 2 的中点；N为时窗个数，上标n表示第n个时窗，t表示时间；为第m 1 道与第m 2 道之间的互相关，/>为第m 2 道与第m 1 道之间的互相关；
S23，按照台站对间距由小到大对格林函数进行排列，到得第1个交火式互相关道集；
S24，按照与步骤S21-S23相同的处理方法对步骤S1采集的主动源地震信号进行处理，到得第2个交火式互相关道集；
S3，对上述两个交火式互相关道集进行归一化，通过叠加合成为一个主被动源联合地震记录，并通过多道面波分析方法计算其频散谱图；
S4，按照频散能量的聚焦趋势从S3得到的频散谱图中拾取面波频散曲线；
S5，将S4得到的频散曲线进行反演，获取地下横波速度构造，进行地质解释。
2.根据权利要求1所述的用于密集线性台阵的交火式主被动源联合探测方法，其特征在于：分窗处理的时窗大小为500ms。
3.根据权利要求1所述的用于密集线性台阵的交火式主被动源联合探测方法，其特征在于：步骤S1中节点式地震仪的间距为 2-10 m。
4.根据权利要求1所述的用于密集线性台阵的交火式主被动源联合探测方法，其特征在于：步骤S1中所述一段时间为15分钟。
5.根据权利要求1所述的用于密集线性台阵的交火式主被动源联合探测方法，其特征在于：步骤S1中，所述主动源地震信号的频率范围为5-50Hz。
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