黃華,李忠生,2,鄭革輝,3,吳大林,王中圣,2,袁子恒,5

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦產(chǎn)資源地質(zhì)工程重點實驗室，陜西 西安 710054；3.四川省冶金地質(zhì)勘查院，四川 成都 050031；4.陜西省煤田物探測繪有限公司，陜西 西安 710005；5.中國石油集團(tuán)測井有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)和國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市地球物理勘探近些年得到廣泛應(yīng)用，其中地震勘探因勘探深度范圍廣(從十幾米到數(shù)百米甚至逾千米)、受地表物質(zhì)干擾小、勘探精度高等優(yōu)點而備受青睞[1-2]。在城市地震勘探中，如何克服交通振動等城市噪聲一直是高品質(zhì)數(shù)據(jù)采集的一大難題[3]，油田、煤田勘探中廣泛使用的炸藥震源因安全性差、破壞性強(qiáng)、污染大而無法使用；落重等簡易機(jī)械震源激發(fā)能量偏弱、施工效率低下而較少采用；大錘震源雖效率高，但激發(fā)能量低，勘探深度淺而不適用較深的目的層[4-5]。

20世紀(jì)90年代末，中國地震局開展了城市活斷層探測項目，把油田中使用效果良好的震源車引進(jìn)到城市環(huán)境的地震勘探中，取得了非常不錯的效果，隨后該模式在多個城市的活斷層探測中得到推廣和應(yīng)用，并相繼取得了良好的結(jié)果[6-10]?？煽卣鹪淳哂姓駝幽芰看蟆⒅貜?fù)激發(fā)一致性好、安全且無破壞、不污染環(huán)境等優(yōu)點[11], 其被應(yīng)用到城市地震勘探的主要原因也正是這些優(yōu)點，當(dāng)然也包括具有良好的抗城市噪聲效果[12]。本文從震源車的工作原理出發(fā)，結(jié)合互相關(guān)濾波理論，模擬和探討震源車壓制噪聲效果，并對實際城市環(huán)境中使用震源車采集資料進(jìn)行分析。

1 互相關(guān)理論及震源車工作原理

互相關(guān)是地震資料數(shù)字處理中的一種數(shù)學(xué)運(yùn)算方法，用來衡量兩個波形之間的相似程度，具有線性濾波特性[13]。對于一維離散采樣信號x(t)和y(t)，其互相關(guān)數(shù)學(xué)表達(dá)式可寫為

(1)

式中,t是時間序列，τ是時移值。該式表示在相對時移為τ時，波形(信號)x(t)和y(t)的相關(guān)程度[14]。

可控震源的思想來源于脈沖壓縮回聲測距技術(shù)，目前使用的可控震源發(fā)出的多是正弦線性升頻掃頻信號，即從一個正弦起始頻率連續(xù)掃描(升頻)到終止頻率，其瞬時頻率設(shè)計為[15]:

(2)

式中：f1、f2分別為掃描起始頻率和終止頻率(Hz)，T為掃描時間長度(單位s)，t為時間變量，0≤t≤T。

如果地下存在多個地層界面，則每層界面都會產(chǎn)生反射信號(假設(shè)界面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗不一致)，圖1中的a、b、c分別代表3個不同地下界面的反射信號，地面檢波器接收到的地層反射信號如圖1d所示。

a、b、c—分別為地下三層界面的反射信號;d—三層界面反射信號混合后的原始波形;e—原始波形與掃描信號的互相關(guān)波形a、b、c—reflected waves of three different subsurface interfaces respectively;d—mixture wave signal of the figure a～figure c;e—reflected waveform after cross-correlation between the mixed wave signal and the vary-frequency sweep signal

可以看出，單純從檢波器記錄到的原始反射波(圖1d)中無法直觀分辨出地層反射信息。這時，需利用互相關(guān)運(yùn)算，將各個地層的反射波信息從原始信號中提取出來，圖1e為震源車掃描信號與原始地層反射信號(圖1d)互相關(guān)后的波形?？梢钥闯?，圖1e的3個峰值，對應(yīng)于地下3個界面的脈沖震源反射記錄。可控震源通過一個長時間的低能量振動，利用互相關(guān)算法實現(xiàn)能量累積，從而達(dá)到類似炸藥震源瞬間爆炸產(chǎn)生高能量的脈沖效果。

2 震源車壓制噪聲效果模擬分析

震源車除了可以產(chǎn)生類似脈沖震源的效果外，還具有高效壓制背景噪聲的優(yōu)點[16]。下面分別從理論模擬和真實噪聲環(huán)境對震源車壓制噪聲效果進(jìn)行分析。

2.1 震源車單次激發(fā)壓制隨機(jī)噪聲效果分析

參考野外采集現(xiàn)場常用的掃描參數(shù)[17-18]，這里設(shè)計了震源車掃描信號的參數(shù)如下：初始頻率20 Hz，終止頻率180 Hz，掃描時長12 s，瞬時頻率由式(2)計算可得，振幅設(shè)定為1，考慮到互相關(guān)的吉布斯(Gibbs)效應(yīng)，對掃描初始段和結(jié)尾段進(jìn)行錐化處理[19]，初始段錐化為5%，結(jié)尾段錐化為10%，錐化部分采用布萊克曼(Blackman)窗函數(shù)[20]，其數(shù)學(xué)表達(dá)為:

A(t)=

(3)

式中：t1、t2分別為初始段和結(jié)尾段錐化的時間長度(單位s)，T為全程掃描時間長度(單位s)。

實際的城市環(huán)境中普遍存在振動噪聲，特別在交通道路上施工時，交通振動干擾非常嚴(yán)重。下面將模擬的檢波器采集信號加入一定的背景噪聲，分析采集信號與震源車掃描信號的互相關(guān)情況。

考慮地下存在3個界面的地質(zhì)模型，如表1所示，它們的雙程反射時間分別是0.5、1.1和1.5 s，3個反射信號到達(dá)地表處的振幅分別為0.6、-0.4 和0.3(負(fù)號代表反射系數(shù)為負(fù))，模擬地面采集的信號如圖2a所示。為了對比背景噪聲強(qiáng)度與有效反射信號強(qiáng)度之間的關(guān)系，這里使用相同時長內(nèi)振動的平均振幅，即一個振動序列內(nèi)所有離散采樣點振幅絕對值的平均值進(jìn)行比較。按此計算，上面3個反射信號疊加組成振動的平均振幅為0.37。

表1 地質(zhì)模型

給出一系列高斯白噪聲，在14 s(掃描時間12 s加反射波雙程走時2 s)內(nèi)的振幅平均值由小到大，然后將圖2a中包含3個反射界面信息的振動信號分別與這些高斯噪聲混合，再使用震源車掃描信號與這些攜帶背景噪聲的采集信號利用式(1)進(jìn)行互相關(guān)，并分析壓制噪聲效果。這里選出3個比較有代表性的噪聲，振幅分別為5、10和15，圖2b為振幅平均值為10的高斯噪聲波形。從有效信息與噪聲信號的直觀大小對比可以看出，若兩信號混合后，反射信息完全淹沒在噪聲之中，根本無法直觀辨別。將選定的3組噪聲與有效反射信號混合后模擬3條外業(yè)采集的原始記錄，并將它們分別與震源的掃描信號做互相關(guān)計算，結(jié)果分別如圖2c、d和e所示。

可以看出，圖2d中的3個反射信號可清晰分辨出來，此時噪聲平均振幅大約是有效反射信號平均振幅的27(10/0.37)倍，也就是說，當(dāng)反射信號強(qiáng)度超過噪聲強(qiáng)度的3.7%時即可通過互相關(guān)技術(shù)將其識別出來。

a—反射波信號;b—平均振幅值為10的高斯噪聲信號;c、d、e—不同隨機(jī)噪聲強(qiáng)度(平均振幅值分別為5、10和15)的反射信號與掃描信號互相關(guān)效果a—reflected wave signal;b—Gaussian noise signal with an average amplitude value of 10;c、d、e—cross-correlation between reflected and scanned signals with different random noise intensities(average amplitude values of 5、10 and 15 respectively)

2.2 震源車重復(fù)激發(fā)壓制隨機(jī)噪聲效果分析

實際上震源車具有重復(fù)激發(fā)一致性良好的優(yōu)點，在一個激發(fā)點很容易實現(xiàn)能量的垂直疊加。另外，由于背景噪聲是隨機(jī)干擾，在進(jìn)行重復(fù)激發(fā)疊加時，隨機(jī)噪聲的多次疊加會使噪聲水平降低。因此，在環(huán)境干擾噪聲比較強(qiáng)的地區(qū)施工時，通常采用多次重復(fù)激發(fā)模式采集數(shù)據(jù)，重復(fù)次數(shù)一般從幾次到十幾次，甚至幾十次。

仍然使用表1的地質(zhì)模型及前面設(shè)定的掃描參數(shù)模擬反射信號(圖2a)，反射信號平均振幅為0.37。通過多次試算，選定平均振幅為30的高斯噪聲作為背景，模擬震源車重復(fù)激發(fā)次數(shù)分別為1、2、4、8、16和32進(jìn)行計算分析，結(jié)果如圖3a～f?？梢钥闯?，在激發(fā)次數(shù)小于4時，有效信號都不是太好；當(dāng)激發(fā)次數(shù)達(dá)到16時，完全可以辨別出反射信號，32次激發(fā)的信噪比已非常高。若以重復(fù)激發(fā)8次為識別有效信號的臨界狀態(tài)，此時噪聲平均振幅大約是有效反射信號平均振幅的81(30/0.37)倍。這意味著，當(dāng)反射信號強(qiáng)度超過噪聲強(qiáng)度1.2%時，就可使用大于8次的重復(fù)激發(fā)手段得到較高信噪比的原始記錄數(shù)據(jù)，可明顯辨別反射震相，在此基礎(chǔ)上，再利用通常使用的多次覆蓋反射波觀測方法，可取得質(zhì)量較高的反射剖面。

a～f—重復(fù)激發(fā)次數(shù)為1、2、4、8、16和32的互相關(guān)效果a～f—cross-correlation effect of repeated excitation times of 1、2、4、8、16 and 32

2.3 震源車壓制交通背景噪聲效果分析

為了分析震源車對實際施工環(huán)境下的噪聲壓制效果，專門在城市主干道路繁忙交通環(huán)境下采集了背景噪聲資料(圖4)，采集參數(shù)為：道間距為3 m，240道接收，記錄時長2 s。

圖4 測線布置環(huán)境為交通繁忙的城市主干道Fig.4 The survey line on the main road of the city with heavy traffic

采集數(shù)據(jù)不做任何處理，如圖5所示。為了給后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)源，共采集了10炮噪聲記錄?？梢钥闯觯烁鞣N隨機(jī)噪聲外，道路上行駛車輛引起的交通振動噪聲非常突出。

圖5 實際噪聲記錄Fig.5 The real noise record

為了分析互相關(guān)對交通噪聲的壓制效果，將上文計算中的高斯噪聲替換成在實際施工環(huán)境下采集的包含交通振動的背景噪聲信號。為了便于分析和震相識別，這里采用多道的單炮記錄進(jìn)行互相關(guān)計算，選用圖5中比較典型的131～160記錄道作為背景噪聲(圖6a)，同時為了下面與12 s時長的掃描信號做互相關(guān)計算，將單道記錄的2 s長度重復(fù)7次，形成記錄長度14 s的背景噪聲。

計算所用的反射波信號仍然使用表1的地質(zhì)模型產(chǎn)生的模擬信號，設(shè)激發(fā)源位于131道，將3個反射信號強(qiáng)度的平均振幅設(shè)定為0.37，30道交通噪聲信號的平均振幅設(shè)為3個強(qiáng)度，分別是1、2和3。然后將接收到的反射掃描信號與不同強(qiáng)度的背景噪聲混合，模擬真實情況下檢波器接收到的振動信號，再將混合后的振動信號與震源掃描信號做互相關(guān)計算，結(jié)果如圖6b～d所示。

a—30道(131#～160#)城市噪聲記錄; b～d—不同噪聲強(qiáng)度(平均振幅值分別為1、2和3)下的反射信號與掃描信號互相關(guān)效果a—30 channels (131#～160#) city noise record;b)～d—cross-correlation between reflected and scanned signals at different noise intensities (average amplitude values of 1、2 and 3, respectively)

可以看出，最強(qiáng)的反射，即第1層界面的反射信號，能夠很容易的在3個強(qiáng)度的背景噪聲中識別出來。但對于最弱的第3層界面反射信號，在平均幅值為3的背景噪聲中，交通噪聲最大的區(qū)域較難分辨。在平均振幅為2和1的噪聲記錄中，最弱的反射信號基本上可以識別出(見圖6右側(cè)放大的小圖)。這一結(jié)果說明，當(dāng)反射信號強(qiáng)度超過背景噪聲的18.5%(0.37/2)時，可以進(jìn)行互相關(guān)識別，也就是說當(dāng)震源車單次激發(fā)時，可壓制有效信號5倍的交通背景噪聲。

上面的計算僅僅考慮的是一次激發(fā)，若考慮多次重復(fù)激發(fā)、疊加記錄，則可清晰分辨更弱能量的反射信號。計算時，需每次更換不同的背景噪聲，即從前面采集的10炮記錄中(共2 400道)任意抽出相鄰的30道作為背景。然后對每次采集的14 s長度的數(shù)據(jù)直接疊加，最后與震源掃描信號做互相關(guān)運(yùn)算。經(jīng)試算，這里給出了反射信號平均振幅和背景噪聲平均振幅分別為0.37和10時的計算結(jié)果，激發(fā)次數(shù)分別為1、2、4、8和16次，相關(guān)后的結(jié)果見圖7a～e。

a～e—重復(fù)激發(fā)次數(shù)分別為1、2、4、8和16次的互相關(guān)效果a～e—cross-correlation effect of repeated excitation times of 1、2、4、8 and 16

可以看出，重復(fù)激發(fā)8次時可清晰辨認(rèn)有效反射信號(見圖7右側(cè)放大的小圖)，此時，反射信號平均振幅約為背景噪聲平均振幅的3.7%(0.37/10)，或者說當(dāng)震源車重復(fù)激發(fā)8次時，可壓制有效信號27倍的交通背景噪聲。

綜合上面的模擬計算分析可知，震源車通過激發(fā)掃描信號，然后對接收信號進(jìn)行互相關(guān)，從單次激發(fā)到8次的重復(fù)激發(fā)，可壓制相當(dāng)于有效信號強(qiáng)度27～81倍的隨機(jī)背景噪聲以及5～27倍的交通背景噪聲，說明震源車具有極高的壓制噪聲的特性。

3 工程勘探實例效果

在西安地鐵工程建設(shè)中，需要對隱伏的西安地裂縫進(jìn)行人工地震勘探，以確定其確切位置和性質(zhì)等未知信息。勘探測線布置在城市主干道路邊，大小車輛川流不息(圖4)，交通振動干擾大。課題組選用美國Metrz公司M18/612型(18T)震源車作為激發(fā)源，掃描參數(shù)為：線性升頻掃描20～180 Hz，掃描時長12 s，震源出力參數(shù)設(shè)置為75%；采用24次覆蓋反射波法，道間距3 m，240道接收的觀測系統(tǒng)[21]。

圖8為采用以上觀測系統(tǒng)并重復(fù)激發(fā)12次的野外單炮記錄，可以看出，各個地層的反射信號清晰連續(xù)，勘探深度可達(dá)雙層反射時間1 000 ms左右，對應(yīng)地層深度約900～1 000 m。

圖8 可控震源采集地震記錄(重復(fù)激發(fā)12次)[21]Fig.8 An original field record by vibroseis (12 times repeated excitation)

圖9是經(jīng)資料處理后得到的反射疊加剖面圖(局部)，圖中有效信號信噪比高，各反射波震相清晰連續(xù)，地質(zhì)構(gòu)造明顯。圖9中的F1～F3被解釋為斷層異常。隨后布置了工程鉆探進(jìn)行驗證，3個異常均得到確認(rèn)，并且地震勘探確定的位置與鉆孔驗證吻合良好。其中F3被認(rèn)定為西安地裂縫，其地質(zhì)鉆探剖面如圖10所示，十幾米深的古土壤地層底界斷距達(dá)2.8 m[21]。

圖10 地質(zhì)鉆探剖面(F3)[21]Fig.10 Geological drilling profile (F3)

圖9 實際工程反射疊加剖面(部分)[21]Fig.9 The actual stacked profile(partial)

本次勘探區(qū)域為西安西南郊的皂河灃河階地，近地表為河湖相地層，水位深度約15 m。雖然近地表松散的第四系對地震波高頻段有較強(qiáng)的吸收，使得接收到的地下界面反射信號形態(tài)與震源車發(fā)出的掃描信號形態(tài)之間存在一定程度的失真，從而削弱互相關(guān)壓制噪聲效果[22]，但無論是單炮記錄，還是最終疊加剖面，均顯示了非常高的信噪比，達(dá)到了良好的效果。說明震源車不僅具有非常好的壓制城市噪聲特性，也適用于常見的松散第四系探區(qū)。

4 結(jié)論

震源車通過連續(xù)變頻掃描方式激發(fā)振動信號，然后通過與檢波器接收到的信號進(jìn)行互相關(guān)，可極大壓制背景噪聲。通過本文的模擬計算可知，震源車從單次激發(fā)到8次重復(fù)激發(fā)，可壓制相當(dāng)于反射波信號強(qiáng)度27～81倍的隨機(jī)噪聲；對于實際城市交通噪聲，震源車從單次激發(fā)到8次重復(fù)激發(fā)可壓制相當(dāng)于反射波信號強(qiáng)度的5～27倍。

工程勘探實例也表明，在強(qiáng)烈交通干擾的城市環(huán)境背景中，使用震源車進(jìn)行地震勘探具有優(yōu)異的噪聲壓制特性，勘探精度和深度完全能夠滿足城市工程勘探需要。