基于環(huán)境噪聲的地震響應(yīng)重建方法及應(yīng)用

陳國金,郭 建,張亞紅,吳永栓,徐善輝,曹 輝

(1.中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103;2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京100029)

陳國金,郭建,張亞紅,等.基于環(huán)境噪聲的地震響應(yīng)重建方法及應(yīng)用[J].石油物探,2017,56(6):-803

CHEN Guojin,GUO Jian,ZHANG Yahong,et al.Technique for seismic response retrieval from ambient noise and its application[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2017,56(6):-803

基于環(huán)境噪聲的地震響應(yīng)重建方法及應(yīng)用

陳國金1,郭 建2,張亞紅1,吳永栓1,徐善輝2,曹 輝1

(1.中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103;2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京100029)

被動(dòng)源地震干涉能夠從環(huán)境噪聲中重建有用的地震響應(yīng),如面波甚至體波,以用于建立地下速度模型。但由于環(huán)境噪聲源具有隨機(jī)分布的特征,記錄混沌而雜亂無序,如何進(jìn)行資料預(yù)處理并從中重建地震響應(yīng)是一件具有挑戰(zhàn)性的工作。為此,針對(duì)地表噪聲源記錄特點(diǎn)以及噪聲源分布不均勻而導(dǎo)致重建因果格林函數(shù)與逆時(shí)格林函數(shù)不相等等問題,提出了振幅規(guī)則化和求和虛源道集構(gòu)建方法,顯著改善和增強(qiáng)了重構(gòu)地震響應(yīng)中的面波信號(hào)。利用高鐵線附近采集的環(huán)境噪聲數(shù)據(jù),進(jìn)行了地震響應(yīng)重建試驗(yàn),結(jié)果表明:振幅規(guī)則化和求和虛源道集構(gòu)建方法能有效地從環(huán)境噪聲中恢復(fù)直達(dá)波和面波響應(yīng),可進(jìn)一步用于走時(shí)層析成像和面波反演以及近地表縱波和橫波速度模型的建立。

環(huán)境噪聲;被動(dòng)源地震干涉;虛源道集構(gòu)建;振幅規(guī)則化;面波記錄

環(huán)境噪聲通常被認(rèn)為是干擾波,實(shí)際上它也蘊(yùn)含有地下介質(zhì)的信息。地震干涉技術(shù)[1-2]的核心思想是虛源構(gòu)建,即通過一對(duì)地震記錄的互相關(guān)運(yùn)算,來重建該對(duì)記錄所在接收點(diǎn)位置之間的地震響應(yīng),就好像是在其中一個(gè)接收點(diǎn)處激發(fā)(虛源),而在另一個(gè)接收點(diǎn)處接收一樣[3-4]。這一重建過程無需介質(zhì)速度模型,也無需震源位置信息[4]。

地震干涉技術(shù)得到了眾多學(xué)者重視和研究。基于相關(guān)的重建方法[5-6],SNIEDER等[7]提出了基于反褶積的重建方法,并應(yīng)用于建筑物彈性響應(yīng)的重建,克服了相關(guān)方法依賴于震源子波的缺點(diǎn)。NAKATA等[8]進(jìn)一步提出基于互相干的重建算法,不僅具有基于反褶積重建的優(yōu)點(diǎn),而且實(shí)現(xiàn)了地震道的振幅歸一化,顯著提高了重建地震響應(yīng)的信噪比。上述方法實(shí)質(zhì)上都是格林函數(shù)的互相關(guān),但其系數(shù)不同,互相關(guān)算法的系數(shù)是子波功率譜,與震源子波有關(guān),反褶積和互相干算法的系數(shù)與震源子波無關(guān)。CURTIS等[9]通過反褶積重建方法實(shí)現(xiàn)了多維介質(zhì)干涉成像,且表明了重構(gòu)結(jié)果不受震源特性的影響。

地震干涉理論不僅可應(yīng)用于主動(dòng)源地震,如VSP地震干涉成像;也可應(yīng)用于被動(dòng)源地震,如從環(huán)境噪聲記錄中直接恢復(fù)格林函數(shù),從而推斷地下構(gòu)造和巖性[10-13],或應(yīng)用于油藏監(jiān)測。但至今,該理論僅實(shí)現(xiàn)了從被認(rèn)為是干擾波的環(huán)境噪聲記錄中重建面波。

由于環(huán)境噪聲源類型各異,能量強(qiáng)弱不一,其振幅、相位和激發(fā)時(shí)刻都具有隨機(jī)分布的特征,采集的實(shí)際資料常常不能滿足地震干涉法的理論假設(shè)。本文采用基于互相關(guān)和互相干的重建方法,參考低頻地震資料預(yù)處理文獻(xiàn)[14-16],提出了振幅規(guī)則化和求和虛源道集構(gòu)建方法,并利用在高鐵道路附近采集的環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行直達(dá)波和面波響應(yīng)的重建試驗(yàn),取得了較好的效果。

1 被動(dòng)源地震響應(yīng)重建原理

WAPENAAR等[3]提出的基于相關(guān)型互換方程的被動(dòng)源格林函數(shù)重建,可表示為:

(1)

式中:G(xB,xA,t)表示在位置A處激發(fā)(虛源)、位置B處接收的因果格林函數(shù);G(xB,xA,-t)表示非因果格林函數(shù);s(t)表示虛源子波;ui(xA,t)和ui(xB,t)分別表示在地表A和B位置處接收的第i個(gè)環(huán)境噪聲地震記錄;N表示地震記錄的個(gè)數(shù)。

方程(1)表明:在地表接收的一對(duì)記錄互相關(guān)函數(shù),并對(duì)接收時(shí)間求和,可被解釋為在其中一個(gè)接收點(diǎn)處激發(fā)(虛源)而在另一個(gè)接收點(diǎn)處接收的地震響應(yīng),互相關(guān)函數(shù)的正延遲對(duì)應(yīng)于重建的因果格林函數(shù),負(fù)延遲對(duì)應(yīng)于重建的逆時(shí)格林函數(shù)。這一關(guān)系式成立的前提條件是:假設(shè)介質(zhì)是無損的,且圍繞接收點(diǎn)的封閉面上不相關(guān)震源均勻分布。盡管該假設(shè)條件過于嚴(yán)格,但基于互相關(guān)的重建方法簡單穩(wěn)健,仍有很多重要的實(shí)際應(yīng)用。

由于方程(1)中重建的地震響應(yīng)中包含了虛源子波s(t),為了消除其對(duì)重建地震響應(yīng)的影響,并提高分辨率,NAKATA等[8]利用互相干算法,進(jìn)行被動(dòng)源地震響應(yīng)重建,頻率域的恢復(fù)表達(dá)式可表示為:

(2)

方程(1)和方程(2)實(shí)質(zhì)上都是格林函數(shù)的互相關(guān),但其系數(shù)不同。互相關(guān)算法的系數(shù)是子波功率譜,與震源子波有關(guān);互相干算法的系數(shù)相當(dāng)于是對(duì)地震道進(jìn)行振幅歸一化,與震源子波無關(guān),因此,能夠顯著改善地震響應(yīng)重建的分辨率。

由于波動(dòng)方程是二階的,因果格林函數(shù)和逆時(shí)格林函數(shù)都是波動(dòng)方程的解,因此,在構(gòu)建虛源道集時(shí),只需計(jì)算互相關(guān)函數(shù)的正延遲即可,節(jié)省了一半的計(jì)算時(shí)間,有關(guān)地震干涉的文獻(xiàn)中常常采用這種方法。

2 求和虛源道集構(gòu)建方法及其實(shí)現(xiàn)流程

在實(shí)際環(huán)境噪聲采集中,不可能滿足“環(huán)繞接收點(diǎn)的一個(gè)封閉面上震源規(guī)則分布”的假設(shè)。實(shí)際情況是被動(dòng)源隨機(jī)發(fā)生,且不規(guī)則分布,造成重建的因果格林函數(shù)部分位于互相關(guān)或互相干的正延遲中、部分位于負(fù)延遲中。因此,如果僅利用因果格林函數(shù)來構(gòu)建虛源道集,則會(huì)丟失位于負(fù)延遲中的地震響應(yīng),使得所構(gòu)建的虛源道集分辨率顯著降低,甚至失敗。

據(jù)此,我們提出一種改進(jìn)的虛源道集構(gòu)建方法,即:分別計(jì)算互相關(guān)或互相干函數(shù)的正延遲和負(fù)延遲部分,然后求和來構(gòu)建虛源道集,從而避免重建時(shí)丟失地震響應(yīng),但同時(shí)也增加了一些噪聲,這種方法我們稱之為“求和虛源道集構(gòu)建方法”。

基于方程(1)或方程(2)以及求和虛源道集構(gòu)建的地震響應(yīng)重建流程如圖1所示,具體步驟如下。

步驟一,讀取測線實(shí)際地震道數(shù)據(jù)。

步驟二,對(duì)實(shí)際資料預(yù)處理,如帶通濾波和振幅規(guī)則化處理等。值得注意的是,本文的目的是從噪聲資料中恢復(fù)面波和直達(dá)波,因?yàn)榄h(huán)境噪聲源通常能量比較弱、頻率也較低(約3～5Hz),難于進(jìn)行反射波的恢復(fù)。因此,在進(jìn)行帶通濾波時(shí),對(duì)于低截止頻率的選擇很重要,需在濾波效果與吉布斯效應(yīng)之間作折中。其次,振幅規(guī)則化預(yù)處理對(duì)地震響應(yīng)的重建質(zhì)量很重要,一般情況下,可直接利用常規(guī)的能量歸一化進(jìn)行預(yù)處理,原因是要消除各地震道之間的巨大振幅差異。

步驟三,地震響應(yīng)重建與虛源道集構(gòu)建。

1) 選擇虛源位置。選擇某一個(gè)接收器作為參考接收器,該參考接收器位置將作為虛源位置。

2) 選擇虛源接收點(diǎn)位置。選擇某一個(gè)接收器,該接收器位置將作為虛源激發(fā)的接收器位置。

3) 地震道互相關(guān)運(yùn)算。將選擇的兩個(gè)接收器的記錄進(jìn)行互相關(guān),獲得如公式(1)左邊所示的包含了因果和非因果格林函數(shù)的地震響應(yīng)。

4) 虛源地震道重建。將因果與非因果格林函數(shù)求和,即獲得虛源激發(fā)的一個(gè)地震道數(shù)據(jù)。

5) 虛源道集構(gòu)建。重復(fù)2)～4),即獲得該虛源的一個(gè)地震道集。

步驟四,終止:重復(fù)步驟三,直至將所有的接收器都作為虛源位置,即可獲得該測線類似于地面地震一樣的虛源地震資料。

圖1 互相關(guān)求和虛源道集方法流程

3 實(shí)際資料應(yīng)用

我們利用在京津高鐵廊坊段伍清董家村河邊進(jìn)行的關(guān)于“高鐵運(yùn)營的交通噪聲監(jiān)測”的采集試驗(yàn)獲得的大量的無源地震數(shù)據(jù),對(duì)本文方法進(jìn)行驗(yàn)證。采集測線沿河(離京津高鐵線2～4km)布置,長度6000m,道間距10m,共600個(gè)接收點(diǎn),每個(gè)接收點(diǎn)采用單個(gè)垂直分量檢波器而非檢波器組合,1ms采樣。原始環(huán)境噪聲記錄及其頻譜如圖2所示。由圖2c 和圖2d可見,記錄中以低頻噪聲(約3.5Hz)為主。

首先,利用多邊形帶通濾波(參數(shù)選取為1.5∶3.0～57.0∶60.0Hz)對(duì)圖2a所示的原始資料進(jìn)行濾波,消除極低頻和甚高頻噪聲,盡最大可能保留面波信息,濾波結(jié)果如圖3a所示。然后,對(duì)其進(jìn)行能量歸一化處理,如圖3b所示,此時(shí),消去了極低頻和甚高頻成分,且基本消除了地震道之間的巨大振幅差異。

其次,利用互相關(guān)方程(1)對(duì)圖3b所示預(yù)處理后的噪聲資料進(jìn)行地震響應(yīng)重建,但在構(gòu)建虛源道集時(shí),僅取因果格林函數(shù)即互相關(guān)的正延遲,恢復(fù)結(jié)果如圖4a(虛源位置在301接收點(diǎn)處)所示,從圖中可以看到,只重建了直達(dá)波信息。圖4b為利用本文提出的求和虛源道集構(gòu)建方法得到的重建結(jié)果,由圖可見,該方法不僅重建了直達(dá)波,且重建了面波,但信噪比較低。可見,求和虛源道集構(gòu)建方法,將丟棄的互相關(guān)負(fù)延遲中重建的地震響應(yīng)信息重新加以利用,這顯著改善了地震響應(yīng)的重建質(zhì)量。

最后,利用互相干方程(2)求和虛源道集構(gòu)建方法,對(duì)圖3b所示預(yù)處理后的噪聲資料進(jìn)行地震響應(yīng)重建。同時(shí),為了解噪聲觀測時(shí)長對(duì)地震響應(yīng)重建的影響,我們分別進(jìn)行了1,3,6h的噪聲記錄地震響應(yīng)重建,結(jié)果如圖5所示,注意:圖中僅給出虛源位于第301接收位置的共虛源道集。比較圖5a,圖5b和圖5c 可以看出:①恢復(fù)的直達(dá)波和面波清晰可辨,但未能重建出反射波;②隨著觀測時(shí)長的增加,重建地震響應(yīng)的質(zhì)量也隨之顯著改善,然后穩(wěn)定,如3h噪聲記錄所重建的面波比1h的明顯改善,而6h噪聲記錄的重建結(jié)果與3h的基本一致。與基于互相關(guān)的求和虛源道集構(gòu)建結(jié)果(圖4b)相比,基于互相干的虛源道集結(jié)果明顯好于基于互相關(guān)的結(jié)果,且分辨率顯著改善。這些重建的直達(dá)波和面波,可進(jìn)一步用于走時(shí)層析成像和面波反演,建立近地表縱波和橫波速度模型。

圖2 環(huán)境噪聲記錄示例及其頻譜分析 a 記錄一:24日0時(shí)之后的5s記錄; b 記錄二:24日0時(shí)31分之后的5s記錄; c 記錄一的頻譜分析; d 記錄二的頻譜分析

圖3 利用多邊形帶通濾波對(duì)圖2a所示記錄進(jìn)行濾波后的結(jié)果(a)及濾波后能量歸一化處理結(jié)果(b)

圖4 互相關(guān)地震響應(yīng)重建的虛源道集構(gòu)建結(jié)果 a 僅取互相關(guān)的正延遲; b 求和虛源道集構(gòu)建方法

圖5 不同觀測時(shí)長環(huán)境噪聲的相干求和虛源道集重建結(jié)果 a 1h; b 3h; c 6h

4 結(jié)論

本文基于互相關(guān)和互相干的重建方法,提出求和虛源道集構(gòu)建方法。利用在京津高鐵廊坊段伍清董家村河邊實(shí)際采集的環(huán)境噪聲數(shù)據(jù),進(jìn)行了方法測試,結(jié)果表明:利用本文提出的求和虛源道集構(gòu)建方法,能有效地從環(huán)境噪聲中重建直達(dá)波和面波。

值得注意的是:①根據(jù)環(huán)境噪聲資料的頻譜分析,其最強(qiáng)能量的頻率往往較低,如約在3.5Hz,因此,采用多邊形帶通濾波的帶通頻率,只要將這一頻率包含在內(nèi)即可,但選擇低截止頻率時(shí),需在濾波效果與吉布斯效應(yīng)之間作折中;②盡管互相干重建方法本身具有振幅歸一化的作用,但筆者經(jīng)驗(yàn),在重建之前仍需要進(jìn)行能量歸一化處理,進(jìn)一步提高重建地震響應(yīng)的信噪比;③至于需要多長的噪聲觀測時(shí)間,目前沒有具體的判別標(biāo)準(zhǔn),只能通過地震響應(yīng)重建試驗(yàn)來確定。因此,進(jìn)行野外觀測時(shí),應(yīng)該盡可能地延長觀測時(shí)間,或是在觀測期間就進(jìn)行地震響應(yīng)的重建試驗(yàn),來確定是否終止觀測。

[1] AKI K.Space and time spectra of stationary stochastic waves,with special reference to microtremors[J].Bulletin of the Earthquake Research Institute University Tokyo,1957,35(3):415-456

[2] WAPENAAR K,SNIEDER R.From order to disorder to order:a philosophical view on seismic interferometry[J].Expanded Abstracts of 77thAnnual Internat SEG Mtg,2007:2683-2687

[3] WAPENAAR K,FOKKEMA J.Green function representations for seismic interferometry[J].Geophysics,2006,71(4):SI33-SI46

[4] WAPENAAR K,DRAGANOV D,SNIEDER R,et al.Tutorial on seismic interferometry:part 1,basic principles and applications[J].Geophysics,2010,75(5):75A195-75A209

[5] DERODE A,LAROSE E,TANTER M,et al.Recovering the Green’s function from field-field correlations in an open scattering medium[J].Journal of Acoustical Society of America,2003,113(6):2973-2976

[6] ROUX P,SABRA K,GERSTOFT P,et al.P-waves from cross correlation of seismic noise[J].Geophysical Research Letters,2005,32:L19303

[7] SNIEDER R,SAFAK E.Extracting the building response using seismic interferometry:theory and application to the Millikan Library in Pasadena,California[J].Bulletin of the Seismological Society of America,2006,96(2):586-598

[8] NAKATA N,SNIEDER R,TSUJI T,et al.Shear-wave imaging from traffic noise using seismic interferometry by cross-coherence[J].Geophysics,2011,76(6):SA97-SA106

[9] CURTIS A P,GERSTOFT H,SATO R,et al.Seismic interferometry:turning noise into signal[J].The Leading Edge,2006,25(9):1082-1092

[10] 王偉濤,倪四道,王寶善.地球背景噪聲干涉應(yīng)用研究的新進(jìn)展[J].中國地震,2011,27(1):1-13

WANG W T,NI S D,WANG B S.New advances in application of ambient noise interferometry[J].Earthquake Research in China,2011,27(1):1-13

[11] SHAPIRO N M,CAMPILLO M,STEHLY L,et al.High-resolution surface wave tomography from ambient seismic noise[J].Science,2005,307:1615-1618

[12] GOERTZ A,SCHECHINGER B,KOERBE M,et al.A low-frequency passive seismic survey in an urban setting in Germany[J].Expanded Abstracts of 71stEAGE Annual Conference,2009:1-5

[13] 房立華,吳建平,呂作勇.華北地區(qū)基于噪聲的瑞利面波群速度層析成像[J].地球物理學(xué)報(bào),2009,52(3)：663-671

FANG L H,WU J P.LV Z Y.Rayleigh wave group velocity tomography from ambient seismic noise in North China[J].Chinese Journal of Geophysics,2009,52(3):663-671

[14] YANG W,RIAHI N,KELLY M.Signal-to-noise study in low-frequency passive seismic survey[J].Expanded Abstracts of 72ndEAGE Annual Conference,2010:9-13

[15] 趙殿棟,譚紹泉,徐錦璽,等.地震采集中低截濾波的試驗(yàn)分析[J].石油物探,2001,40(2):92-97

ZHAO D D,TAN S Q,XU J X,et al.Experimental analysis of low cut differ in seismic acquisition[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2001,40(2):92-97

[16] 董臣強(qiáng),尚新民,劉利平.地震資料的保真性分析與檢驗(yàn)[J].石油物探,2013,52(3):253-258

DONG C Q,SHANG X M,LIU L P.Seismic data processing fidelity analysis and verification[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2013,52(3):253-258

(編輯：朱文杰)

Techniqueforseismicresponseretrievalfromambientnoiseanditsapplication

CHEN Guojin1,GUO Jian2,ZHANG Yahong1,WU Yongshuan1,XU Shanhui2,CAO Hui1

(1.SinopecGeophysicalResearchInstitute,Nanjing211103,China;2.InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China)

Useful seismic responses such as direct arrivals and surface waves can be retrieved from ambient noise using passive interferometry,which can be further used for building near-surface velocity models.Unfortunately,ambient noise occurs randomly,and its record shows obvious chaos and disorder.Hence,it is challenging to preprocess the ambient noise and retrieve a valuable seismic response.In this study,to overcome the shortcoming of using only the causal Green function to retrieve virtual source gather,an improved method for virtual source gather retrieval by summation processing is proposed,which mainly includes amplitude regularization,seismic traces mutual coherence or cross-correlation,and summing the causal and non-causal Green functions.The surface wave signals in the retrieved seismic responses were improved and enhanced.Finally,the method is applied to ambient noise data acquired along a railway line to retrieve seismic responses.The results indicate that direct arrivals and surface waves can be effectively retrieved from ambient noise,which could be further used for travel-time tomography and surface wave inversion as well as building near-surface P-wave and S-wave velocity models.

ambient noise,passive interferometry,virtual source gather retrieve,amplitude regularization,surface wave record

2016-04-19;改回日期2017-04-06。

陳國金(1964—),男,博士,高級(jí)工程師,主要從事地震勘探新方法技術(shù)、地震層析成像和全波形反演等方面的研究工作。

中國石化科技部項(xiàng)目(P13030)資助。

This research is financially supported by Sinopec Corp.Project (Grant No.P13030).

P631

A

1000-1441(2017)06-0798-06

10.3969/j.issn.1000-1441.2017.06.004