分布式光纤声波传感系统在近地表成像中的应用Ⅰ：主动源高频面波

近年来发展的新型地震观测系统--分布式光纤声波传感器(DAS,Distributed Acoustic Sensing)可以实现低成本高密度观测,有望提高浅层结构成像的精度以及分辨率.最近国内研发了一系列具有自主知识产权的DAS设备,为验证国产设备在浅层结构研究中的可行性以及应用效果,2018年7月我们开展了一次DAS观测实验.实验采集了50kg落锤震源激发的地震信号,并采用多道面波分析方法提取了8~20Hz频段的主动源Rayleigh波相速度频散曲线,得到了实验区浅层30m的S波速度结构.获得的主动源面波频散曲线与共址检波器的结果吻合,也与背景噪声提取的结果具有较好的一致性,表明国产设备的可靠性和DAS在浅层结构主动源面波成像研究中的可行性.     

基于MF-J变换的DAS观测高阶面波提取和浅地表结构成像

分布式声波传感(DAS)技术可以将现有城市通信光缆转化为密集宽频带地震观测系统,利用城市通信光缆进行主/被动源面波成像为城市浅地表结构成像和地下空间探测提供了新手段,具有广阔的应用前景.近年来大量研究表明,充分利用高阶面波信息能显著提升面波结构成像效果.为探索DAS记录中的高阶面波提取和利用的可行性,本文推导了适用于DAS系统地震记录提取多模式面波频散曲线的 MF-J变换公式,并成功应用于白家疃光纤实验的主动源观测数据,提取了多模式频散曲线并反演构建了研究区高分辨、高精度的横波速度结构剖面.研究结果表明,MF-J方法能有效地从DAS主动源记录中提取多模态频散曲线,并能去除传统 F-J方法中的交叉假频现象;基于多模式面波频散曲线反演的速度结构分辨率和置信度都明显优于只用基阶模态的反演.本文的研究结果揭示了利用城市通信光缆实现低成本高分辨率地下结构探测的可能性.     

地震背景噪声成像研究综述

地震背景噪声成像方法已成为21世纪地震学的伟大突破之一,其原理是,对2个台站记录的连续背景噪声信号进行互相关计算,得到台站间的格林函数,利用经验格林函数得到面波速度函数,获取面波频散特性,用地震层析成像方法对面波速度进行反演,得到地球内部的速度结构。其应用近年来日益广泛,涉及各向同性和各向异性的速度结构成像、大地震前后速度结构变化监测、体波联合成像、衰减结构成像、地震定位精度提高、噪声源分布和物理起源探究、强地面运动评估等。其优点是不需要等待天然地震或使用对环境构成威胁的人工爆破,所有台阵都可以当作源,拓宽了频带范围,可以获得较多短周期频散数据,提高反演分辨率。     

阵列式光纤地震仪在西藏易贡湖地区的浅层探测实验研究

随着野外观测数据的累积和地震成像技术的发展,对地球内部结构的探测范围越来越大,精度越来越高.利用新的技术手段获得更多的观测数据,不仅填补了研究区观测数据的空白,还有助于提高地下结构的探测精度.利用光纤地震仪耐极端环境和易于布设等优势,本研究使用自主研发的阵列式光纤地震仪在西藏易贡湖地区进行野外试验,首次获得了青藏高原地区主动源和背景噪声的光纤地震数据(包含一条水下测线的数据).利用背景噪声成像手段得到了易贡湖岸近地表S波速度结构,但未获得湖底的速度结构.经分析认为,湖水的流动对架设于湖底的探头造成了干扰.本次试验初步验证了阵列式光纤地震仪在极端野外环境中(尤其是水下)进行数据采集的可行性,为未来在极端环境下的数据采集提供了新思路.     

利用背景噪声研究壳幔结构发展综述

利用背景噪声研究地下结构即对两个台站长时间的地震噪声记录进行互相关计算提取台站间的格林函数,获取面波频散特征,并进一步层析成像或测量面波走时变化.通过该方法可获得壳幔速度结构和对地下介质监测.近些年,该方法在理论上和实践上都有长足进展.首先介绍地震背景噪声应用的发展历史,进而重点论述利用背景噪声对壳幔进行群速度和相速度结构成像、三维剪切波速度结构成像、与其他方法联合成像和对地下介质监测的应用.最后分析了目前背景噪声应用面临的问题,并展望了其发展前景.     

基于密集台阵地震背景噪声成像预测煤矿瓦斯分布

瓦斯突出是一种常见的煤矿动力灾害现象,随着煤矿矿井开采深度的增加,煤层瓦斯含量、压力都呈上升趋势,发生煤与瓦斯突出的危险性加大.传统的瓦斯测量方法只能测量局部离散点瓦斯含量,难以从矿井及采区尺度对瓦斯含量进行预测.因此需要寻求一种能够在采区及工作面布设前预测煤层瓦斯富集程度的高效地球物理方法.背景噪声成像方法已经在城市地下空间、矿产资源等近地表成像中得到广泛的运用.本文将该方法首次应用到阳泉寺家庄煤矿井田区域,采用96个台站记录的连续背景噪声数据,通过互相关方法获得了台站对之间的瑞利面波经验格林函数,并进一步提取了 5 Hz～1.4 s的基阶瑞利面波的群速度和相速度频散曲线.本研究首先通过区域的平均频散曲线获得该区域的平均一维横波速度结构作为三维反演的初始模型;其次,利用基于射线追踪的面波频散直接成像方法获得研究区1.0 km以浅的三维横波速度结构;最后,结合获得的三维速度结构,以及岩石物理实验获得的瓦斯含量与地震波速度的经验关系,预测了寺家庄井田15号煤的瓦斯含量,预测的瓦斯含量与实际巷道揭露的瓦斯含量具有较好的一致性.本研究成果表明,对于煤矿瓦斯分布预测来说,背景噪声成像方法是一种潜在有效的全新的技术形式.     

淮南深地实验室分布式光纤地震立体台阵观测数据分析

在淮南深地实验室布设了水泥固结的传感光缆,结合竖井中已有通信光缆,利用分布式光纤地震传感技术(DAS)构建了高密度的三分量立体台阵,开展了为期一年的连续观测.通过分析地下870 m的背景噪声记录,发现其日间变化幅度较小,这表明深地实验室受气压、温度和人类活动等的影响较小.然而,在低频段观测到明显增强的噪声,这给低频信号研究带来了一定困难.在连续记录中,识别出了多个地方震和区域震信号,尤其是获得了高质量的玛多地震P波信号.与共址地震仪数据的一致性表明DAS波形记录的可靠性.通过三分量DAS记录识别了Rayleigh面波信号,并利用多重滤波技术测量得到其群速度频散曲线;利用DAS应变率记录与共址宽频带地震仪的速度记录比值获得了相速度信息.两种方法测得的面波频散数据可用于研究速度结构.这些初步结果展现了深地实验室提供的超静环境以及三分量立体DAS台阵观测的优势,为后续进一步研究提供参考.     

超短时线性台阵背景噪声成像技术在浅层地质结构探测中的应用

背景噪声地震成像方法已被广泛应用于探测壳幔深部结构;近些年来,该方法在浅地表结构成像中的应用研究也在蓬勃发展,然而近地表场源不均匀等因素导致高频面波信号往往难以准确恢复,以牺牲时间来提高信噪比的观测方式会极大限制其在工程勘查中的应用.本文尝试讨论超短时背景噪声成像技术在浅层地质结构探测中的应用效果.笔者利用湖北应城地区超短时(1 h)线性台阵地震背景噪声记录,使用被动源面波多道分析法从虚拟炮集中提取相速度频散曲线,通过反演获取了浅地表二维横波速度结构.结果表明,利用本文方案可以恢复高信噪比面波信号、获取高信噪比的频散能量以及拾取高精度相速度;反演速度结构与实际测井数据吻合度好,成像结果有效揭示了测区150 m以浅的地层结构,证明了超短时背景噪声成像技术在浅层地质结构调查中具有很大的应用潜力．     

密集台阵背景噪声双聚束成像化龙断裂精细结构

双聚束成像法(Double beamforming,简称DBF)是利用地震背景噪声进行地下速度结构成像的新方法,该方法通过对环境噪声场中能量相干部分的叠加达到提高信号信噪比的目的,识别和提取不同类型的地震波信号及其入射方位角(微弱体波、反射面波等),从而进行地下速度结构成像研究等.特别是进行背景噪声面波成像时,DBF能...     

中国大陆背景噪声成像研究及应用前景

对长时间序列的背景地震噪声进行互相关计算可以得到台站间的经验格林函数,这种方法不依赖天然地震及人工震源,仅利用台站记录的背景噪声就能得到地下结构,该方法可以更为便捷地获得地震活动性较低地区的地下构造.随着背景噪声层析成像技术的发展应用,该方法会进一步提高地壳上地幔速度模型的分辨率.本文综述了背景噪声成像技术及其在中国大...     

分布式光纤地震传感技术在成像研究中的应用进展

分布式光纤地震传感技术是新一代密集台阵观测技术,其利用光纤在地震波场作用下产生的光时程变化,探测地下介质的动态应变信号.其具有空间采样率高、恶劣条件耐受性强、运维成本低等优势,适用于城市、海洋、深井、冰川等传统地震学观测手段较难开展工作的环境.本文围绕该技术在地球内部结构成像研究中的应用,调研了从浅表数米到莫霍面深度等不同尺度成像的研究进展,其利用信号为从地脉动到高频交通噪声等多频段被动源和不同级别的主动源.文章同时分析了该技术面临的一些挑战,包括信号质量和信号保真度、海量数据处理和波场信息挖掘、海量数据存储和共享分析等,由此建议,须开展主被动源高分辨率动态成像、仪器传递函数计算及其校正方法、大数据有效信息挖掘等研究,从而更好地服务于高密度、高精度的光纤传感地震成像研究.     

地脉动空间自相关方法反演 浅层S波速度结构

在近地表地球物理领域, 基于地脉动(或称背景噪声)提取的面波频散曲线反演地下S波速度结构是一种简单经济的工程勘察方法. 本文基于地脉动的空间自相关方法对一个微型台阵观测的背景噪声记录进行处理, 介绍了一种简单易行的提取频散曲线的数据处理方法, 获得了6.7—23 Hz频段的可靠频散曲线; 通过对该观测频散曲线与预测模型的频散曲线进行拟合, 反演得到S波速度结构. 结果表明, 该速度结构与钻孔直接测试的结果相吻合.      

基于互相关相移的主动源地震面波频散成像方法

以多道面波分析技术(MASW)为代表的主动源面波方法已经在地表勘探领域获得越来越多的应用.准确的面波相速度频散成像是利用主动源面波法进行近地表横波速度反演的必要条件.本文提出了一种新的主动源面波频散成像方法—CCPS(Cross-Correlation and Phase-Shifting)法.首先,将单炮面波记录由时空域变换到频率空间域并消去振幅谱的影响,得到归一化频谱.然后,依次将每道信号与整个记录进行互相关的同时进行相速度扫描叠加.最后经过一次求和过程即得到最终的频散图像.通过理论数据、实际工程地震面波资料和石油勘探面波资料比较了普通相移法和CCPS法的频散成像效果.研究表明:新方法相对于普通相移法而言,明显提高了频散图像的质量,相速度聚焦性能和背景噪声压制能力有显著改善.     

三维斜井XSP-CDP叠加成像

为了解决三维斜井井间地震数据成像问题,借鉴二维地面地震弯线及宽线处理思路,将三维井间地震成像问题转换成二维成像问题进行研究.利用三维逐段迭代方法对三维斜井井间地质模型进行正演模拟,计算上、下行反射波走时及反射点位置,通过对比正演记录与实际资料的特征,调整地质模型参数获取准确速度场.然后对波场分离后的共炮集数据进行反射波归位,得到共反射点道集数据.最后根据反射点的分布选择一条反射点分布最集中的剖面线,以一定的宽度将剖面线左右的反射点包裹起来;根据叠加宽度划分成大小相等的矩形面元,将面元内的共反射点数据投影到剖面线上进行二维叠加成像.通过模型测试,三维XSP-CDP叠加方法能有效反演地下结构特征,指导三维井间地震采集观测系统的设计并解决不共面斜井叠加成像问题.应用该方法对M地区实际资料进行成像研究,结果表明该方法可有效反演地下三维地质结构特征,为进一步数据处理提供依据.     

基于背景噪声成像方法的新疆呼图壁储气库地区近地表速度结构研究

近年来,背景噪声成像方法在恢复高频面波信号及获取近地表速度结构方面得到了广泛的应用,本文将该方法应用于准噶尔盆地南缘的呼图壁背斜地区的呼图壁储气库.采用储气库及其周边区域22个台站记录的连续背景噪声数据的垂直分量,通过噪声互相关方法获得了台站对之间的瑞利面波经验格林函数,并进一步提取了0.5~1.5 s的基阶瑞利面波群速度频散曲线.首先根据区域平均频散曲线得到了该地区地下数百米的平均一维横波速度结构,然后利用基于面波射线路径追踪的面波频散直接成像方法得到该地区深度为500 m以上的三维横波速度结构.反演结果显示该地区沉积层较厚,整体横波速度值较小（0.4~0.9 km·s^-1）.储气库在地表投影区域的横波速度值较小,这可能是由于抽注水、气引起的沉积岩石裂隙所导致.储气库东北和东南方向均有明显的相对高速区,推测是区域地下水位和地形起伏综合作用的结果.本研究获得的近地表三维速度结构为呼图壁储气库地区的上覆地层物性研究、区域微震精定位、场地效应的评估和去除浅层影响的深部介质成像等研究提供了重要基础.     

南海深水多次波成像

南海海域水深可达5 km,是我国未来油气勘探最有前景的区域.南海海域地震资料含有各种类型多次波,在地震成像前需将多次波去除.然而与传统的一次反射波偏移比较,多次波携带更多的地下结构信息,多次波偏移可提供更好的地下成像.本文提出了一种修改传统逆时偏移的方法,利用多次波进行成像.该方法用包含一次波和多次波的记录代替震源子波,用预测多次波代替一次反射波作为输入数据.在逆时偏移处理流程中,将地表多次波记录沿时间延拓到各个深度层,通过互相关成像条件将包含一次波和多次波的地震记录沿时间延拓到相同深度层.将多次波偏移结果与一次波偏移结果的差应用目标函数进行匹配,弥补一次波偏移的不足.对Sigsbee2B数据做数值测试的结果表明与传统一次反射波偏移相比,该方法可以得到范围更大、均衡性更好的地下照明度.将该方法应用到南海深水实际资料成像,获得了南海深水地震资料多次波成像剖面.偏移结果表明,多次波成像可以弥补反射波照明的不足,由此说明多次波偏移是未来的一个重要研究方向.     

地震背景噪声成像技术研究进展与展望

背景噪声成像技术是21世纪以来地震学研究最为重要的突破性进展之一.该方法不依赖于天然地震事件的发生,利用连续地震记录中普遍存在的"背景噪声",通过不同台站对间连续时间信号的互相关来提取经验格林函数并用以进行地下介质结构成像研究.与传统的天然源地震探测手段相比,背景噪声成像技术从随机场源信号中提取介质结构的信息,具有成像...     

背景噪声成像研究综述

背景噪声成像方法采用的是自然稳定的噪声源,具有可重复和时间上稳定等特点,回避了传统成像方法的地震分布不均和定位不准等缺点,因而成为当前地球物理研究的热点.从格林函数提取、噪声源特性和成像工作中取得的成果几个方面对背景噪声成像方法进行综述.     

微动探测方法研究进展与展望

微动探测方法是在背景噪声成像理论的基础上发展起来的一种新型地球物理探测手段,其根据获取野外数据的观测台站方式分为微动阵列方法和微动单台方法.本文综述了前人对微动探测方法的研究进展,并对目前该方法存在的问题及研究的发展趋势进行了展望.微动阵列方法采用频率波数法或空间自相关法从微动信号中提取频散曲线,进而反演获得地下横波速度结构.微动单台方法即H/V谱比法以三分量台站为观测基础,对水平分量信号与垂直分量信号进行傅里叶谱比,以此估算沉积层厚度、获得共振频率以及场地放大因子等.目前微动探测发展还有诸多问题需要进行深入研究,例如瑞雷波与勒夫波浅层探测理论方法、同时考虑基阶和高阶面波的影响进行多阶面波反演方法研究以及H/V谱比曲线与频散曲线联合反演方法研究等,从而提高微动探测方法浅层探测精度以满足城市地下空间精细探测的需求,加深探测深度为透明地壳、地下第三空间的精细探测提供一种新型地球物理手段.     

云南漾濞MS6.4地震信号的旋转和平动分量面波记录分析研究

旋转分量是地震波场的重要组成部分,可以为地球内部结构成像和震源参数测定等研究提供基础信息,然而缺少高精度的观测仪器,其应用受限.新发展的高精度光纤陀螺为测量旋转分量提供了一个较为可行的方案,其性能需要进一步验证.为此,武汉大地测量国家野外科学观测研究站利用两个光纤陀螺和一个宽频带地震仪组成了多分量观测系统,并开展了观测工作,记录到了云南漾濞地震的Love波信号.基于Love波信号的垂向旋转速度记录和切向加速度记录,开展了Love波视速度和到达方位角度测算分析.结果表明视速度存在明显频散特性,测算值与其他方法测算值相当,到达方位角接近大圆路径预测值,尾波部分到达角偏离较大.由此表明高精度的光纤陀螺可以用于区域震监测,结合地震仪可形成多分量观测系统,为地震学研究提供有效数据.