精密控制機械震源特征及信號檢測方法

楊 微,王寶善,葛洪魁,宋麗莉,袁松湧,李鴿翼

(1.中國地震局地球物理研究所地震觀測與地球物理成像重點實驗室,北京 100081；

2.中國石油大學非常規(guī)天然氣研究院,北京 102249；3.云南省大理州賓川縣地震局,云南大理 671600)

精密控制機械震源特征及信號檢測方法

楊 微1,王寶善1,葛洪魁2,宋麗莉1,袁松湧1,李鴿翼3

(1.中國地震局地球物理研究所地震觀測與地球物理成像重點實驗室,北京 100081；

2.中國石油大學非常規(guī)天然氣研究院,北京 102249；3.云南省大理州賓川縣地震局,云南大理 671600)

基于精密控制機械震源(ACROSS)信號與石油工業(yè)上的常規(guī)可控震源的特征差異,對ACROSS信號進行互相關、短時相關、相干和反褶積等四種方法處理分析,并分別從重復性、走時剖面、頻譜特征以及信噪比等方面對處理結(jié)果進行對比分析研究。結(jié)果表明:互相關方法處理結(jié)果穩(wěn)定性好,能較好地突出高能量頻率成分,但不適用于在頻譜特征里能量相差較大的窄帶信號分析；ACROSS信號與環(huán)境背景噪聲在頻譜上有重疊,短時相關法會放大噪聲的作用,其效果較相干和反褶積法顯得略差一些；信噪比對相干和反褶積法處理結(jié)果的穩(wěn)定性影響較大,相干和反褶積法適合于具有一定信噪比的ACROSS信號檢測分析。

地球物理勘探；地震勘探；信號檢測；精密控制機械震源(ACROSS)；互相關；短時相關；相干；反褶積

精密控制機械震源(accurately controlled routinely operated signal system,以下簡稱ACROSS)是 20世紀90年代以來發(fā)展起來的一種新型可控震源[1-7],該震源是利用兩個相同的偏心輪,沿轉(zhuǎn)動軸作相反方向的不平衡圓周轉(zhuǎn)動,合成垂直或水平方向的振動力產(chǎn)生地震波。俄羅斯、日本、美國和中國等利用其重復性好和精密可控等優(yōu)點,應用于地殼結(jié)構(gòu)探測、石油與天然氣的開采、CO2氣體注入地層、地震斷裂帶等方面。目前ACROSS信號檢測方法有很多,例如Hasada等[1]采取“存否”倒譜技術(shù), Alekseev等[2-3]采用互相關法,Ikuta等[4-5]采用相干法,Saiga等[6-7]采用反褶積法,Li等[8]采用維格納-威利分布法(Wigner-Ville distribution,WVD)對ACROSS資料進行了處理和分析研究。上述方法各有其特點,其效果依賴于資料的頻譜特性、信噪比、頻帶寬度等,為利用ACROSS進行地殼結(jié)構(gòu)探測和地下介質(zhì)變化的監(jiān)測分析提供了技術(shù)手段。筆者簡要概述互相關、短時相關、相干和反褶積方法的基本原理,結(jié)合野外試驗觀測數(shù)據(jù),對四種方法的處理效果和適用性開展對比分析研究。

1 常規(guī)可控震源與ACROSS特征

機械式人工震源具有操作簡便、重復性好、可移動性強的優(yōu)點,是陸地勘探中常用的震源之一,近年來也被應用于研究地下介質(zhì)的變化[9-14]。石油工業(yè)上的常規(guī)可控震源信號是等振幅的調(diào)頻掃描信號,其顯著特點是頻帶寬、激發(fā)信號頻譜恒定。圖1(a)是中石油東方地球物理公司生產(chǎn)的KZ-20型可控震源激發(fā)的信號(掃描時間為8 s,掃描頻帶20～140 Hz)。

圖1 常規(guī)可控震源與ACROSS掃描信號波形及FFT分析Fig.1 Vertical records and amplitude spectrum analysis of vibroseis and ACROSS

從圖1(a)和(c)中可看出,掃描信號在時間域和頻率域內(nèi)的幅值基本不變。與常規(guī)可控震源相比(表1),ACROSS激發(fā)的能量在各掃描頻點并非恒值,而是振幅隨掃描頻率增加呈二次方上升(圖1 (b))。在產(chǎn)生沖擊作用力相當?shù)那闆r下,ACROSS具有激發(fā)頻率低、掃描頻帶范圍窄(圖1(d))、有效信號傳播距離遠等特點,Alekseev等[1]利用100 t的ACROSS在350 km的探測距離上檢測到了有效的深部信息。

表1 常規(guī)可控震源與ACROSS特征對比Table 1 Compararison of vibroseis and ACROSS characteristics

2 分析方法

常規(guī)可控震源掃描信號的自相關函數(shù)可近似為Klauder子波[15],在數(shù)據(jù)處理上主要采用互相關檢測技術(shù),將長時間窗口的記錄壓縮為一個類似于短時脈沖信號。但是,ACROSS與常規(guī)可控震源產(chǎn)生的掃描信號特征有差異,本文中給出連續(xù)掃描信號分析的其他方法,其中常用的有短時相關、相干和反褶積法等。

2.1 互相關法

合成地震記錄的褶積模型為

式中,x(t)為記錄道；r(t)為地層響應；*表示褶積； s(t)為掃描源信號。

其中?表示相關。當掃描信號s(t)的自相關函數(shù)近似為Klauder子波,根據(jù)式(2),地層響應函數(shù)可近似簡化為

2.2 短時相關法

短時相關法源于天然地震領域里利用地震背景噪聲來提取兩個觀測臺站之間的格林函數(shù)[16],將整個長記錄x(t)和掃描源信號s(t)分為相對應的多個相鄰重疊的數(shù)據(jù)段x1(n),x2(n),…,xm(n)和s1(n),s2(n),…,sm(n)；分別計算相對應各數(shù)據(jù)段的地層響應函數(shù)ri(n),其中i=1,2,…,m。

然后對各分段記錄的地層響應函數(shù)進行疊加得到

2.3 相干法

根據(jù)褶積模型和互相關原理,地震記錄x(t)與源信號s(t)之間的相干相關函數(shù)H(ω)在頻率域里可定義[17-18]為

再經(jīng)過IFFT變換可獲得時域相干函數(shù)h(t)。

2.4 反褶積法

反褶積法與互相關法一樣,基于同樣的褶積模型:

對式(7)進行傅氏變換,可得

則地層響應函數(shù)在頻率域里可表示為

再通過IFFT變換可獲得時域地層響應函數(shù)r(t)。

通過式(2)可得出,互相關處理方法等效于在頻率域里通過了一個掃描信號振幅譜二次方特征窗口的自適應濾波,若掃描信號能量在頻率域里相差較大,自相關函數(shù)波形的主峰值不突出,旁瓣值壓制得也不好,處理后的波形就會突出高能量部分的頻率特征。從式(6)和(9)中可知,相干和反褶積法均去除了震源信息,處理后的波形不會受到掃描信號特征的影響,且都保留了震源參考點到接收點之間的格林(傳遞)函數(shù)的相位信息。

在地震信號處理分析中,地震信號中的高頻成分能縮短子波的周期,而低頻成分可以降低子波的旁瓣值。在掃描信號設計上盡可能增加低頻信號的掃描時間和掃頻寬度,在數(shù)據(jù)處理方法上分別嘗試互相關、短時相關、相干和反褶積等方法,并開展對比分析研究。

3 野外試驗

采用北京港震機電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的ACROSS系統(tǒng)。該震源自重16 t,沿水平軸旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速為10 r/s時,垂直方向上的沖擊合力約10 t。流動地震儀來自中國地震局地震科學探測臺陣技術(shù)中心,地震計為GURALP-40T短周期地震計,靈敏度為2000 V/(m·s-1),頻帶范圍為0.5～100 Hz,數(shù)據(jù)采集器為REFTEK-130B,采樣率為200 Hz, ACROSS激發(fā)時間和數(shù)據(jù)采集器時鐘均采用GPS時間控制和連續(xù)授時。詳細的試驗描述見文獻[7]。

李慶忠等[19]對可控震源的零相位子波頻帶上、下限與分辨率之間的關系進行了研究,結(jié)果表明,掃頻信號的頻帶選擇應滿足起始頻率與終止率之比超過2倍頻程,以保證子波延續(xù)度在一個相位之內(nèi)。為此選擇的掃描頻帶為2～10 Hz,掃描周期為30 min/次,正常運轉(zhuǎn)26 min,前后均停轉(zhuǎn)2 min,并盡可能增加低頻信號的掃描時間以增強低頻信號能量,如圖1(b)。

2009年6月,在四川省綿竹市進行ACROSS激發(fā)試驗。為保證觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量,流動地震臺的臺基進行了嚴格的處理,震源和觀測臺站分布情況見圖2。為保證ACROSS激發(fā)信號的最大振幅值不超過觀測儀器的記錄范圍,通過現(xiàn)場距離測試,將參考臺站安放在離震源8 m的地方,觀測測線長度為9.7 km,最小偏移距為1.5 km,其中st01-st04臺站之間的臺間距大約為1 km。ACROSS震源和地震觀測設備均由中國地震局地震科學探測臺陣技術(shù)中心提供。

圖2 野外試驗儀器設備分布示意圖Fig.2 Location of ACROSS and layout of seismic equipment

4 數(shù)據(jù)分析

把安放在ACROSS旁邊的參考臺站的垂向記錄作為參考信號,并選擇震源正常運轉(zhuǎn)時間作為參考信號的時間窗口,將測線上的觀測臺站的垂向記錄分別與參考信號通過互相關、相關疊加、相干和反褶積處理后,再經(jīng)過2～12 Hz的帶通濾波和疊加處理等獲得走時剖面圖,并對處理獲得的波形開展重復性、走時剖面、頻譜特征以及信噪比等對比分析。

4.1 震源重復性

將震源運轉(zhuǎn)的時間作為參考信號的時間窗口,選擇其中1次激發(fā)的垂向記錄作為參考信號,對ACROSS激發(fā)的60次信號的垂直分量進行重復性分析(圖3),其相關系數(shù)均在0.985以上,且只有1次激發(fā)的相關系數(shù)小于0.99,表明ACROSS每次激發(fā)產(chǎn)生的振動信號具有很好的重復性,可通過對多次激發(fā)信號進行疊加來提高記錄的信噪比,并在走時變化觀測中能進一步降低震源變化的影響。

圖3 ACROSS激發(fā)60次產(chǎn)生的振動信號垂直分量重復性分析Fig.3 Repeatability analysis of vertical componentrecord after ACROSS working 60 times

4.2 走時剖面特征

圖4和5為四種方法處理的ACROSS單次激發(fā)和60次疊加的走時剖面。

圖4 ACROSS單次激發(fā)走時剖面Fig.4 Travel-time profile of ACROSS working once

圖5 ACROSS激發(fā)60次疊加走時剖面Fig.5 Stack travel-time profile of ACROSS working 60 times

通過對比分析,可以看出:①通過多次疊加,記錄信噪比明顯得到改善,即使在最遠的觀測臺站上也能檢測到有效信號；顯然,在對ACROSS資料處理前,采用多次疊加方法提高記錄信噪比是重要的；②互相關處理獲得的波形主峰不明顯,波形旁瓣收斂較差,震相識別及其走時精確拾取難度大；即使在外界干擾較小、信噪比相對較高的st02臺站(偏移距為2.4 km)記錄上(圖6),也難以可靠地進行震相識別和到時拾??；③在短時相關、相干和反褶積處理的記錄上,波形主峰較為明顯,波形旁瓣收斂較好,且能較可靠地分辨出有效波和波至到時,但三種方法所得到的記錄視覺信噪比不同,相干和反褶積方法效果較好,短時相關法次之,但都好于互相關方法。

圖6 st02臺四種方法處理結(jié)果對比分析(單次激發(fā))Fig.6 Comparative analysis of results by four methods at st02 station

4.3 臺站記錄的重復性

對各臺站記錄經(jīng)過處理后的結(jié)果也進行重復性分析。圖7和8分別給出了st02臺(2.4 km)和st03臺(3.5 km)的四種處理方法的重復性分析結(jié)果,可以看出:互相關法處理結(jié)果的重復性最好,受噪聲影響?。粚哂幸欢ㄐ旁氡鹊膕t02臺數(shù)據(jù)處理結(jié)果,短時相關法的重復性最差；隨著偏移距的增大(信噪比的降低),反褶積方法處理結(jié)果的穩(wěn)定性受噪聲影響較大。

圖7 st02臺四種方法處理結(jié)果重復性分析Fig.7 Repeatability analysis of results by four methods at st02 station

圖8 st03臺四種方法處理結(jié)果重復性分析Fig.8 Repeatability analysis of results by four methods at st03 station

4.4 頻 譜

在震源運轉(zhuǎn)期間,激發(fā)的10 Hz能量最強。對互相關、短時相關、相干和反褶積等四種方法處理的結(jié)果進行了頻譜分析,圖9給出了st02臺四種方法的頻譜分析。

從圖中可看出,互相關處理在頻譜上的主頻成分(8～10 Hz)較為突出,短時相關、相干和反褶積處理的結(jié)果在頻率成分上比互相關處理結(jié)果的頻帶寬,尤其是在低頻成分上有明顯的改善,能更好地解釋各種處理方法獲得的子波波形收斂和旁瓣壓制的結(jié)果。短時相關法在低頻成分上改善得最好,這可能與其算法有關。由于人類活動與環(huán)境自然噪聲的頻段一般為幾赫茲到十多赫茲,與震源信號頻段有重疊,在數(shù)據(jù)分段和處理過程中放大了噪聲的作用。

圖9 st02臺四種方法處理結(jié)果頻譜分析Fig.9 Power spectral density analysis of results by four methods at st02 station

4.5 信噪比

信噪比定義通常有功率信噪比和振幅信噪比兩種,本文中采用振幅信噪比的定義,即有效信號的振幅與背景噪聲振幅的均方根之比[20]。利用震源激發(fā)的掃描信號與相應的遠臺記錄進行互相關、短時相關、相干法和反褶積處理的信號檢測方法中,所獲得的波形對于信號的檢測亦可以看作為一種信號,在計算各種方法處理的波形信噪比過程中,所選取的有效信號窗口見圖10,噪聲窗口(15 s)選在震源停轉(zhuǎn)時間段。

圖10 st02臺計算信噪比選取有效信號窗口(疊加60次)Fig.10 Time window selecting for signal-to-noise ratio at st02 station

表2給出了st01臺～st04臺單次和60次疊加的信噪比情況,可以看出:①環(huán)境噪聲水平較高(st01臺),互相關處理單次激發(fā)的信噪比最高,說明在較強噪聲環(huán)境,互相關方法的檢測能力優(yōu)于其他方法,但通過多次疊加后,相干和反褶積處理的信噪比也得到了明顯的改善；②st02～st04臺環(huán)境噪聲較為安靜,互相關、相干和反褶積處理的信噪比均優(yōu)于短時相關法的處理結(jié)果。

表2 四種處理方法信噪比對比Table 2 Comparative analysis of signal-to-noise ratio by four methods

5 結(jié) 論

(1)ACROSS激發(fā)的掃描信號具有重復性好、頻率低、頻帶范圍窄、傳播距離遠等特點,為地殼結(jié)構(gòu)探測和地下介質(zhì)變化的監(jiān)測提供了一條新的技術(shù),可應用于地震斷裂帶應力變化,石油、天然氣的開采監(jiān)測等。

(2)互相關方法處理結(jié)果穩(wěn)定性好,能較好地突出高能量頻率成分,類似于進行了具有源信號特征窗口的濾波處理,但不適用于在頻譜特征里能量相差較大的窄帶信號分析。

(3)ACROSS信號與環(huán)境背景噪聲在頻譜上有重疊,短時相關法會放大噪聲的作用,在綜合分析效果較相干法和反褶積顯得略差一些。

(4)信噪比對相干和反褶積法處理結(jié)果的穩(wěn)定性影響較大,相干和反褶積法適合于具有一定信噪比的ACROSS信號檢測分析。

致謝KZ-20型可控震源產(chǎn)生的掃描信號由中國地震局地球物理研究所丁志峰研究員提供；在野外試驗過程中,得到中國地震局地球物理研究所、北京港震機電技術(shù)有限公司、四川省綿竹市防震減災局、九龍鎮(zhèn)政府和源發(fā)花園等單位和研究人員的大力幫助,在此表示衷心的感謝。

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(編輯 修榮榮)

Characteristics and signal detection method of accurately controlled routinely operated signal system

YANG Wei1,WANG Bao-shan1,GE Hong-kui2,SONG Li-li1,YUAN Song-yong1,LI Ge-yi3
(1.Key Laboratory of Seismic Observation and Geophysical Imaging,Institute of Geophysics,China Earthquake Administration,Beijing 100081,China；
2.Unconventional Natural Gas Institute,China University of Petroleum,Beijing 102249,China；
3.Binchuan Seismological Bureau,Dali Prefecture,Yunnan Province,Dali 671600,China)

Based on the different characteristics of the conventional vibroseis with accurately controlled routinely operated signal system(ACROSS),the ACROSS signal was processed by the cross-correlation,short-window correlation,cross-coherence and deconvolution.The comparative analysis on the processing results was carried out from repeatability,travel time profile,spectral characteristics,and signal-to-noise ratio(SNR).The results show that the cross-correlation method is characterized by good stability of processing results and can highlight the high-energy frequency components,but it is not applicable for analysis of the narrow frequency band signal with much difference in power spectral characteristics.There is an overlap in the spectrum of ACROSS signal and the ambient background noise.Short-window correlation can enlarge the role of the noise,and the effect of the processing is less than cross-coherence and deconvolution.The SNR has a great impact on the processing results of cross-coherence and deconvolution.The cross-coherence and deconvolution method are suitable for ACROSS signal detection with a certain SNR.

geophysical prospecting；seismic prospecting；signal detection；accurately controlled routinely operated signal system(ACROSS)；cross-correlation；short-window correlation；cross-coherence；deconvolution

P 315.0

A

1673-5005(2013)01-0050-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.01.008

2012-11-27

十一五國家科技支撐計劃“汶川地震斷裂帶科學鉆探”；國家自然科學基金項目(41204047)；中央級科研院所基本科研業(yè)務專項(DQJB11C04,DQJB12C09)

楊微(1982-),男,助理研究員,博士研究生,主要從事主動震源探測方面的研究。E-mail:weiyang05@163.com。