基于時域分析法的微震波到時拾取研究

徐 科 峰

(新華水力發(fā)電有限公司，北京 100070)

0 引言

微震監(jiān)測作為工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警技術(shù)，在隧道(硐室)開拓、地下礦山巖爆、礦震及透水監(jiān)測，邊坡滑坡等領(lǐng)域有較多應(yīng)用，如錦屏二級水電站深埋長大隧洞巖爆監(jiān)測[1]以及大崗山右岸邊坡滑坡監(jiān)測[2]等。隨著工程實踐應(yīng)用的增多，成百上千的巖體破裂事件被采集、識別、分析與災(zāi)害預(yù)測與控制，大量的波形數(shù)據(jù)分析成為工作人員繁重的日常工作。微震波到時拾取作為信號分析的首要工作，對微震定位、波形頻譜分析、巖體破裂機理分析以及實時監(jiān)測預(yù)警起到重要的作用。但隧道、邊坡等工程的監(jiān)測環(huán)境復(fù)雜，巖石破裂信號易受到機械振動、爆破震動以及自然噪聲的干擾，致使微震信號的到時難以精確拾取。因此，準確、快速的確定微震信號的到時成為微震監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)實時災(zāi)害預(yù)防的關(guān)鍵問題。

本文通過分析微震波的波形特征，對比多種到時拾取方法優(yōu)缺點，探討微震波到時拾取方法的研究方向及發(fā)展趨勢，對提高微震定位的精確性與時效性以及保證微震監(jiān)測安全預(yù)警有重要的指導(dǎo)意義。

1 微震波到時拾取方法簡介

微震(Micro-seismic)，是指由巖體破裂或流體擾動產(chǎn)生的微小震動，具有震源淺、持續(xù)時間短、傳遞能量小、震動頻率比地震波大的特點。巖體內(nèi)部發(fā)生破裂時，微震波主要以壓力波(P-wave)與剪切波(S-wave)形式向外傳播能量。微震波在復(fù)雜多變的巖體介質(zhì)中傳播時，會受到巖體節(jié)理面、巖層交界面的折射與反射以及巖體內(nèi)部的能量吸收，并在機械振動、爆破震動與環(huán)境噪聲的干擾下，被消隱或復(fù)合成低信噪比信號，致使檢波器接受的微震波存在能量衰減與信號干擾等問題，微震波的頻譜存在較大的頻帶差異。

微震波到時拾取是微震監(jiān)測技術(shù)中最基本的環(huán)節(jié)，在微震事件識別、微震精確定位以及巖體破裂機制分析等方面具有重要的作用。在大量的地震信號處理中，到時拾取研究經(jīng)歷了由人工拾取到自動拾取、由經(jīng)驗判別到理論體系、由單一方法到綜合方法、由傳統(tǒng)理論和方法到新理論、新方法的發(fā)展過程，對微震監(jiān)測技術(shù)發(fā)展起到了巨大推動作用。微震到時拾取在單一理論上可分為時域分析、頻域分析等，本文重點討論時域分析法。

2 時域分析法

時域分析是到時拾取最為簡單的方法，主要是根據(jù)震動波與噪聲在振幅與頻率上的突變差異進行拾取，最常用的方法是STA/LTA閾值拾取法與AIC法(見圖1)。

2.1 STA/LTA閾值拾取法

Vanderkulk等[3]在處理微震數(shù)據(jù)時，首次以波形振幅絕對值作為特征函數(shù)，稱為STA/LTA閾值拾取法。該方法是通過建立能夠反映信號振幅或頻率變化的特征函數(shù)，計算時間序列的特征函數(shù)值，進而計算出前、后滑動時窗內(nèi)平均特征值的比值，根據(jù)經(jīng)驗性閾值判別，確定微震波震相初至到時。STA/LTA閾值拾取法計算簡單、快捷、操作性強，適用于早期的計算機處理能力，并得到廣泛的應(yīng)用。但由于該方法需要設(shè)定兩個時間窗口的長度以及判別閾值等經(jīng)驗參數(shù)，使拾取結(jié)果存在人工誤差。為此，有學(xué)者將高階統(tǒng)計分析與STA/LTA結(jié)合，分析地震波形數(shù)據(jù)中異常事件，提出適用性的STA/LTA閾值拾取法。特征函數(shù)選取的差異性使噪聲與信號初動間的微小震動難以顯現(xiàn)或顯示不明顯，致使該方法在同一閾值條件下處理信號時存在拾取誤差(見圖1b))，處理不同信噪比信號時會出現(xiàn)拾取錯誤。因此，眾多學(xué)者深入研究波形特征，構(gòu)建能反映波形能量變化的特征函數(shù)。

目前，最為常用的特征函數(shù)是由Allen提出的包絡(luò)層特征函數(shù)[4]，該函數(shù)通過信號的一階差分反映其頻率變化，通過能量與頻率的平方加強顯現(xiàn)信號與噪聲的差異。為加強顯現(xiàn)噪聲與信號的頻率變化，可采用變化時窗內(nèi)振幅與頻率的相對比值修正了Allen的特征函數(shù)，使其適用于信噪比稍低的信號。也可通過分析多層薄板信號的初震被高能量的主波峰消隱后，簡化Allen函數(shù)為一階函數(shù)。特征函數(shù)的建立均是為了適用不同信噪比的微震或地震信號，以反映其噪聲與震動信號間的差異，較為常用特征方程如表1所示。

表1 STA/LTA法的特征函數(shù)

2.2 AIC拾取法

AIC (Akaike Information Criterion)最小信息量準則是由日本統(tǒng)計學(xué)家Akaike于1976年提出，是分析衡量統(tǒng)計模型擬合優(yōu)良性的標準[5]。該方法是通過假設(shè)微震波是由高斯噪聲與震動信號組成的平穩(wěn)信號，將波形的時間序列的統(tǒng)計量作為似然參量，建立多元回歸模型，遍歷尋找背景噪聲與信號最佳的分界點，即AIC數(shù)據(jù)曲線的最小值點，作為波形到時拾取點。

AIC法是建立在信號擬合與數(shù)理統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，回歸模型的似然參量及模型階次的選擇成為AIC法到時拾取精度的關(guān)鍵。為此，眾多學(xué)者根據(jù)AIC法基本原理，從一階模型的絕對振幅值的似然參量，到高階統(tǒng)計量(偏斜度、峰度)等高階似然參量，做出了大量研究工作，如：AR-AIC，HOS-AIC等，并在處理非高斯、非最小相位、非線性信號中得到實踐應(yīng)用[6,7]。AIC法在微震到時拾取上具有快捷、精準、直觀的特點，適合信噪比較高的微震P波到時拾取。但該方法需要設(shè)定時間序列AIC數(shù)據(jù)窗口的位置及其寬度，不同時窗會有不同的AIC曲線，造成拾取上的誤差(圖1c))，并且該方法不適合連續(xù)微震記錄的滑動分析。

為此，可在分析多層介質(zhì)中聲發(fā)射定位震相到時拾取問題時，提出了二次AIC(two-step AIC)拾取方法。該方法是根據(jù)特征函數(shù)最大值點確定AIC時窗位置，并設(shè)定一次拾取的前、后時窗寬度(Nb,Na)，采用Medea的AIC公式進行拾取，得到到時t0；根據(jù)拾取點t0的位置縮小時窗寬度，重新設(shè)定前、后時窗寬度(ΔtFB,ΔtFA)進行二次拾取，獲得精確的到時t1。整個到時拾取過程如圖2所示。

3 結(jié)語

本文通過分析微震波頻率特征，對比現(xiàn)有各到時拾取算法的利弊，指出當前微震到時拾取過程中存在的問題，主要研究結(jié)論如下：1)特征函數(shù)的選取及拾取參數(shù)(拾取閾值與前、后時窗寬度)的經(jīng)驗性設(shè)定，是導(dǎo)致STA/LTA法在到時拾取上存在誤差的主要原因；而AIC時窗的位置及寬度是造成AIC法拾取誤差的原因。2)微震波特征函數(shù)的選取與拾取算法的建立均需要與現(xiàn)場微震定位不斷地循環(huán)驗證，為精確的微震波到時提供客觀的理論判據(jù)，促進理論與實踐有機的結(jié)合，以符合錯綜復(fù)雜地質(zhì)條件下的微震監(jiān)測工程需要。3)STA/LTA法與AIC法的結(jié)合，消除兩者之間不確定因素對到時拾取結(jié)果的影響，保持了簡單、快速、精準的優(yōu)點，提高微震數(shù)據(jù)處理速度，保證微震監(jiān)測的時效性，更適用于工程應(yīng)用。