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研究院,江蘇南京211103;2.中國科學院地質(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)境噪聲的地震響應重建方法及應用[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)境噪聲的地震響應重建方法及應用

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研究院,江蘇南京211103;2.中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所,北京100029)

被動源地震干涉能夠從環(huán)境噪聲中重建有用的地震響應,如面波甚至體波,以用于建立地下速度模型。但由于環(huán)境噪聲源具有隨機分布的特征,記錄混沌而雜亂無序,如何進行資料預處理并從中重建地震響應是一件具有挑戰(zhàn)性的工作。為此,針對地表噪聲源記錄特點以及噪聲源分布不均勻而導致重建因果格林函數(shù)與逆時格林函數(shù)不相等等問題,提出了振幅規(guī)則化和求和虛源道集構建方法,顯著改善和增強了重構地震響應中的面波信號。利用高鐵線附近采集的環(huán)境噪聲數(shù)據(jù),進行了地震響應重建試驗,結果表明:振幅規(guī)則化和求和虛源道集構建方法能有效地從環(huán)境噪聲中恢復直達波和面波響應,可進一步用于走時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;被動源地震干涉;虛源道集構建;振幅規(guī)則化;面波記錄

環(huán)境噪聲通常被認為是干擾波,實際上它也蘊含有地下介質(zhì)的信息。地震干涉技術[1-2]的核心思想是虛源構建,即通過一對地震記錄的互相關運算,來重建該對記錄所在接收點位置之間的地震響應,就好像是在其中一個接收點處激發(fā)(虛源),而在另一個接收點處接收一樣[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]。

地震干涉技術得到了眾多學者重視和研究?；谙嚓P的重建方法[5-6],SNIEDER等[7]提出了基于反褶積的重建方法,并應用于建筑物彈性響應的重建,克服了相關方法依賴于震源子波的缺點。NAKATA等[8]進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,而且實現(xiàn)了地震道的振幅歸一化,顯著提高了重建地震響應的信噪比。上述方法實質(zhì)上都是格林函數(shù)的互相關,但其系數(shù)不同,互相關算法的系數(shù)是子波功率譜,與震源子波有關,反褶積和互相干算法的系數(shù)與震源子波無關。CURTIS等[9]通過反褶積重建方法實現(xiàn)了多維介質(zhì)干涉成像,且表明了重構結果不受震源特性的影響。

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

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

1 被動源地震響應重建原理

WAPENAAR等[3]提出的基于相關型互換方程的被動源格林函數(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個環(huán)境噪聲地震記錄;N表示地震記錄的個數(shù)。

方程(1)表明:在地表接收的一對記錄互相關函數(shù),并對接收時間求和,可被解釋為在其中一個接收點處激發(fā)(虛源)而在另一個接收點處接收的地震響應,互相關函數(shù)的正延遲對應于重建的因果格林函數(shù),負延遲對應于重建的逆時格林函數(shù)。這一關系式成立的前提條件是:假設介質(zhì)是無損的,且圍繞接收點的封閉面上不相關震源均勻分布。盡管該假設條件過于嚴格,但基于互相關的重建方法簡單穩(wěn)健,仍有很多重要的實際應用。

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

(2)

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

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

2 求和虛源道集構建方法及其實現(xiàn)流程

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

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

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

步驟一,讀取測線實際地震道數(shù)據(jù)。

步驟二,對實際資料預處理,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面波和直達波,因為環(huán)境噪聲源通常能量比較弱、頻率也較低(約3～5Hz),難于進行反射波的恢復。因此,在進行帶通濾波時,對于低截止頻率的選擇很重要,需在濾波效果與吉布斯效應之間作折中。其次,振幅規(guī)則化預處理對地震響應的重建質(zhì)量很重要,一般情況下,可直接利用常規(guī)的能量歸一化進行預處理,原因是要消除各地震道之間的巨大振幅差異。

步驟三,地震響應重建與虛源道集構建。

1) 選擇虛源位置。選擇某一個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) 選擇虛源接收點位置。選擇某一個接收器,該接收器位置將作為虛源激發(fā)的接收器位置。

3) 地震道互相關運算。將選擇的兩個接收器的記錄進行互相關,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。

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)的一個地震道數(shù)據(jù)。

5) 虛源道集構建。重復2)～4),即獲得該虛源的一個地震道集。

步驟四,終止:重復步驟三,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 互相關求和虛源道集方法流程

3 實際資料應用

我們利用在京津高鐵廊坊段伍清董家村河邊進行的關于“高鐵運營的交通噪聲監(jiān)測”的采集試驗獲得的大量的無源地震數(shù)據(jù),對本文方法進行驗證。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個接收點,每個接收點采用單個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)對圖2a所示的原始資料進行濾波,消除極低頻和甚高頻噪聲,盡最大可能保留面波信息,濾波結果如圖3a所示。然后,對其進行能量歸一化處理,如圖3b所示,此時,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,利用互相關方程(1)對圖3b所示預處理后的噪聲資料進行地震響應重建,但在構建虛源道集時,僅取因果格林函數(shù)即互相關的正延遲,恢復結果如圖4a(虛源位置在301接收點處)所示,從圖中可以看到,只重建了直達波信息。圖4b為利用本文提出的求和虛源道集構建方法得到的重建結果,由圖可見,該方法不僅重建了直達波,且重建了面波,但信噪比較低。可見,求和虛源道集構建方法,將丟棄的互相關負延遲中重建的地震響應信息重新加以利用,這顯著改善了地震響應的重建質(zhì)量。

最后,利用互相干方程(2)求和虛源道集構建方法,對圖3b所示預處理后的噪聲資料進行地震響應重建。同時,為了解噪聲觀測時長對地震響應重建的影響,我們分別進行了1,3,6h的噪聲記錄地震響應重建,結果如圖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恢復的直達波和面波清晰可辨,但未能重建出反射波;②隨著觀測時長的增加,重建地震響應的質(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噪聲記錄的重建結果與3h的基本一致。與基于互相關的求和虛源道集構建結果(圖4b)相比,基于互相干的虛源道集結果明顯好于基于互相關的結果,且分辨率顯著改善。這些重建的直達波和面波,可進一步用于走時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時之后的5s記錄; b 記錄二:24日0時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圖2a所示記錄進行濾波后的結果(a)及濾波后能量歸一化處理結果(b)

圖4 互相關地震響應重建的虛源道集構建結果 a 僅取互相關的正延遲; b 求和虛源道集構建方法

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

4 結論

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

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,需在濾波效果與吉布斯效應之間作折中;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,在重建之前仍需要進行能量歸一化處理,進一步提高重建地震響應的信噪比;③至于需要多長的噪聲觀測時間,目前沒有具體的判別標準,只能通過地震響應重建試驗來確定。因此,進行野外觀測時,應該盡可能地延長觀測時間,或是在觀測期間就進行地震響應的重建試驗,來確定是否終止觀測。

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(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,高級工程師,主要從事地震勘探新方法技術、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