李洪麗，張晗

吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026

0 引言

微地震監(jiān)測技術(shù)是建立在地震學(xué)和聲發(fā)射原理的基礎(chǔ)上，以在壓裂過程中形成的小地震事件為目標(biāo)，通過展示裂縫空間立體形態(tài)達(dá)到裂縫監(jiān)測的目的[1]。在天然地震中通過對微地震的研究，可以反演火山區(qū)速度結(jié)構(gòu)，判斷震區(qū)斷裂走向和長度；在油氣礦藏規(guī)劃與開發(fā)中，微地震技術(shù)可以很好地確定油氣礦藏信息，判斷圍巖穩(wěn)定性。微地震監(jiān)測主要分為井中監(jiān)測和地面監(jiān)測兩種，監(jiān)測的目標(biāo)震源一般為油氣礦藏開采工程中地下的圍巖破裂所產(chǎn)生的微小擾動(dòng)。由于微地震大多更近地表，其頻率較天然地震高，一般在50～200 Hz之間，微地震頻率隨傳播距離的增大而降低，當(dāng)傳播距離足夠大時(shí)，信號頻率基本不變[2]；微地震比一般的地震信號信噪比低，更容易受隨機(jī)噪聲的影響，數(shù)據(jù)處理過程較為復(fù)雜。微地震信號初至的拾取作為微地震數(shù)據(jù)處理中的一個(gè)重要步驟，對后續(xù)的震源定位及其他數(shù)據(jù)處理有較大的影響[3-5]。在自動(dòng)拾取技術(shù)發(fā)展之前，一般采取人工拾取到時(shí)的方法，但人工拾取耗時(shí)費(fèi)力且效率低下，由于操作人員的技術(shù)水平、工作時(shí)長等主觀因素，也會給數(shù)據(jù)拾取帶來諸多不穩(wěn)定因素，進(jìn)而會導(dǎo)致最終分析結(jié)果出現(xiàn)一系列誤差，顯然地震信號初至的自動(dòng)拾取方法更適應(yīng)科技的發(fā)展需求。自20世紀(jì)70年代以來，微地震信號初至的自動(dòng)拾取方法得到了迅速發(fā)展，長短時(shí)均值比(STA/LTA)法[6-17]、偏振法[16-22]和AIC(Akaike Information Criterion) 法[23-27]3種方法逐漸被國內(nèi)外研究者采用并不斷改進(jìn)。但3種方法在實(shí)際運(yùn)用中效果均有不同的適用條件，在野外實(shí)際應(yīng)用中仍需要進(jìn)行深入研究。本研究將上述3種微地震拾取方法在實(shí)用中的優(yōu)缺點(diǎn)情況進(jìn)行比對，在此基礎(chǔ)上將3種微地震拾取方法進(jìn)行綜合運(yùn)用，獲得一種即便未經(jīng)過去噪聲處理的數(shù)據(jù)也可以用該方法準(zhǔn)確地拾取到時(shí)的新方法，能有效地對微地震信號弱、信噪比低且存在強(qiáng)噪聲的微地震信號進(jìn)行初至拾取。

1 微地震初至拾取方法

1.1 長短時(shí)均值比(STA/LTA)法

長短時(shí)均值比法，又稱能量比法，是利用噪聲信號與地震信號振幅差異來進(jìn)行初至拾取。是基于短時(shí)窗與長時(shí)窗的能量比，其比值函數(shù)公式為：

(1)

式中:Ri為比值函數(shù)值;STAi為短時(shí)窗平均值;LTAi為長時(shí)窗平均值;N1為長時(shí)窗、N2為短時(shí)窗;CFi為特征函數(shù)，表征某點(diǎn)地震信號的能量，即

(2)

Ambuter et al.[7]首次提出了一套簡易的能夠識別地震震相的系統(tǒng)，長短時(shí)均值比(STA/LTA)法是由Allen[8]在1978年提出(STA代表短時(shí)窗平均，LTA代表長時(shí)窗平均)，該方法由于運(yùn)算速度快且應(yīng)用簡單很快被國內(nèi)外研究者廣泛采用。為提高STA/LTA比率對幅度和頻率變化的靈敏度，1982年Allen[9]再次提出使用特征函數(shù)代替原始微震信號作為STA/LTA方法的輸入。張軍華等[10]結(jié)合小波變換和能量比法拾取地震信號初至?xí)r間。葉根喜等[11]提出用時(shí)窗能量特征法拾取微地震波初始到時(shí)。Baer[12]提出運(yùn)用時(shí)窗均值比進(jìn)行拾取。吳治濤等[13]研究拾取精度與不同時(shí)窗長度的影響關(guān)系。呂世超等[16]根據(jù)有效信號的空間與多通道探測器坐標(biāo)參數(shù)相關(guān)性，通過研究多通道之間和相鄰?fù)ǖ乐g有效微震信號的變化特征，獲得多級探測器微震有效事件的自動(dòng)識別方法。譚玉陽等[6]提出了SLPEA方法(一種基于多通道相似系數(shù)的微震事件自動(dòng)識別方法)。李啟成等[17]提出用“振幅變化”長短時(shí)均值比方法拾取P波到時(shí)，對長短時(shí)均值比方法進(jìn)行了拓展。

1.2 偏振分析法

微地震信號一般為三分量數(shù)據(jù)，分別為x，y，z。由于地震信號與隨機(jī)噪聲的運(yùn)動(dòng)軌跡存在明顯的差別，這就使在三分量數(shù)據(jù)上拾取初至提供了可能。利用偏振分析法拾取初至的步驟為：選取一個(gè)滑動(dòng)時(shí)窗，利用所選取時(shí)窗里的地震信號三分量數(shù)據(jù)構(gòu)造一個(gè)協(xié)方差矩陣[6]

(3)

(4)

式中:P代表偏振度。偏振分析法通常將P點(diǎn)極大值前曲線斜率最大的點(diǎn)作為地震波的初至點(diǎn)。

Flinn[18]1965年引入?yún)f(xié)方差矩陣，國外專家學(xué)者紛紛對時(shí)間域協(xié)方差偏振分析進(jìn)行了研究。Moriya et al.[19]提出了一種三分量地震數(shù)據(jù)傅里葉變換，通過閾值設(shè)置拾取到時(shí)。Du et al.[20]為解決信號時(shí)頻局部矛盾，引入多階窗函數(shù)。朱衛(wèi)星等[21]對該理論進(jìn)行改良，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)極化濾波,資料處理效果得到了明顯的改善。李健等[22]在原有偏振分析的基礎(chǔ)上增加信號檢測頻帶，提高了偏振分析質(zhì)量，有效改善了方位角估算的準(zhǔn)確性。譚玉陽等[6]在綜合地震信號與環(huán)境噪聲在振幅、偏振以及統(tǒng)計(jì)特征等方面存在的差異基礎(chǔ)上提出了SLPEA算法，提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.3 AIC方法

AIC(Akaike Information Criterion) 方法又稱統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，在微地震數(shù)據(jù)中信號和噪聲統(tǒng)計(jì)特性差別較大，導(dǎo)致在微地震信號和噪聲交界點(diǎn)處，兩種信號的擬合度最差，此時(shí)求得的AIC值最小，即對應(yīng)微地震信號初至?xí)r刻[23]。AIC函數(shù)定義為：

AIC(k)=klogVar(x[1,k]))+

(N-k-1)log(Var(x[k+1,N]))

(5)

式中:{xi}，i=1,2,3,…,N為地震信號的離散波形序列;AIC值表示地震記錄中其余部分和信號噪聲模型的匹配程度，在時(shí)窗正好包含了地震信號前后一段波形的情況下，AIC函數(shù)在初至點(diǎn)峰值尖銳，準(zhǔn)確率較高。

Maeda[24]根據(jù)微地震信號與噪聲信號在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)上性質(zhì)的差別，提出不需要利用AR 模型就能得到AIC值的方法。Zhang et al.[25]用小波分解與 AIC方法相結(jié)合拾取初至?xí)r間的方法，使噪聲得到了有效壓制，從而提高了AIC方法對低信噪比數(shù)據(jù)拾取的準(zhǔn)確性。宋維琪等[26]對小波分解與AIC方法相結(jié)合的方法進(jìn)行了實(shí)際監(jiān)測驗(yàn)證，結(jié)果表明小波-AIC方法能夠在較低信噪比情況下較為準(zhǔn)確地識別出微地震信號。王洪超等[23]以原AIC方法為基礎(chǔ)，簡化其中的計(jì)算公式，提高了運(yùn)算速度。鞏佳琦等[27]通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 AIC-Shearlet算法在信噪比低至-13 dB情況下自動(dòng)拾取的準(zhǔn)確性，證實(shí)該算法優(yōu)于傳統(tǒng)初至拾取算法。程一鳴等[3]為更為精確地估計(jì)強(qiáng)噪聲數(shù)據(jù)初至，提出一種基于小波多尺度分析( WMA) 和 AIC 算法的聯(lián)合拾取方法，能有效適用于強(qiáng)噪聲微地震數(shù)據(jù)初至拾取，并明顯提高其拾取精度。

由上面STA/LTA法、偏振法和AIC法3種方法原理及研究進(jìn)展情況，可以了解到，每種方法都有其適用條件，且每種方法均都存在繼續(xù)改進(jìn)與優(yōu)化的空間，國內(nèi)外研究者已經(jīng)做了大量相關(guān)研究工作。為能夠獲得在多種條件下都能夠較為準(zhǔn)確地拾取地震初至的有效方法，筆者綜合運(yùn)用上述3種微地震初至拾取方法，獲得一種能有效對微地震信號弱、信噪比低且存在強(qiáng)噪聲的微地震信號進(jìn)行初至拾取的新方法。

2 微地震實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為改進(jìn)微地震事件中P波的震相識別和到時(shí)拾取的算法，并比較不同算法各自的優(yōu)缺點(diǎn)。筆者綜合微震信號和環(huán)境噪聲在振幅、偏振、統(tǒng)計(jì)特征以及波形相關(guān)性等方面的差異與已有的算法，尋找能夠有效自動(dòng)識別地震相的特征函數(shù)，依據(jù)特征函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)和信號的處理，最終實(shí)現(xiàn)微震初至的自動(dòng)實(shí)時(shí)識取和震源定位。圖1～4分別為選取的野外實(shí)測地震臺站中4個(gè)不同位置臺站接收到的地震的三分量波形中的垂直分量(Z)，是經(jīng)過10 Hz高通濾波后的微地震信號，作為本研究采用的地震數(shù)據(jù)，通過這4組數(shù)據(jù)完成 STA/LTA法、偏振分析法和AIC方法的數(shù)據(jù)處理情況比對。上述4個(gè)臺站的數(shù)據(jù)是由布設(shè)在長白山火山附近的寬頻帶流動(dòng)地震臺站接收到的天然地震的波形數(shù)據(jù)，由于該波形數(shù)據(jù)初動(dòng)清晰，可以采用人工讀取的初至走時(shí)和上述3種方法自動(dòng)讀取的走時(shí)進(jìn)行對比，以評估方法的可靠性。

圖1 數(shù)據(jù)1：臺站1接收到地震的三分量波形Fig.1 Data 1：three component waveform recorded by station 1

圖2 數(shù)據(jù)2: 臺站2接收地微震三分量波形Fig.2 Data 2：three component waveform recorded by station 2

圖3 數(shù)據(jù)3: 臺站3接收的地震三分量波形Fig.3 Data 3：three component waveform recorded by station 3

圖4 數(shù)據(jù)4: 臺站4接收的地震三分量波形Fig.4 Data 4：three component waveform recorded by station 4

其中，圖1～4中的Amp代表地震波振幅，R,T,Z分別代表三個(gè)不同波形分量，s代表時(shí)間秒。

3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果與討論

3.1 3種方法初至拾取結(jié)果對比分析

將圖1～4的地震三分量波形數(shù)據(jù)設(shè)定不同的參數(shù)，分別用STA/LTA法、偏振法和AIC法3種微地震信號的初至自動(dòng)拾取方法進(jìn)行輸出，具體參數(shù)情況及數(shù)據(jù)輸出結(jié)果分析等見表1～3。由分析結(jié)果可知，單獨(dú)的一種方法有時(shí)并不能準(zhǔn)確地拾取初至?xí)r間，而且都有各自的適用條件。

表1 STA/LTA法的輸出結(jié)果優(yōu)缺點(diǎn)分析比較Table 1 Analysis of advantages and disadvantages for STA/LTA method

表2 偏振分析法的輸出結(jié)果優(yōu)缺點(diǎn)分析比較Table 2 Analysis of advantages and disadvantages for polarization method

表3 AIC法的輸出結(jié)果優(yōu)缺點(diǎn)分析比較Table 3 Analysis of advantages and disadvantages for AIC method

3.2 初至拾取方法改進(jìn)及拾取結(jié)果分析

由于STA/LTA法對低信噪比數(shù)據(jù)識別精度不高，而偏振分析法對噪聲的壓制較為有效，二者結(jié)合能有效地互補(bǔ)優(yōu)缺點(diǎn)。本文采用偏振分析法對能量比法進(jìn)行改良和優(yōu)化，即選取一個(gè)時(shí)窗，并列出關(guān)于該時(shí)窗內(nèi)數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，求取該矩陣的最大特征值，以該值代替時(shí)窗內(nèi)某點(diǎn)的數(shù)據(jù)，利用能量比法求取長短時(shí)窗平均比。兩者結(jié)合能有效地使優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，從而達(dá)到對低信噪比數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確拾取。

基于以上研究，本文提出綜合法(3種方法相結(jié)合)來對微震初至走時(shí)進(jìn)行拾取，該種方法用經(jīng)過偏振分析法改良的能量比法對震相進(jìn)行初步識別，確定初至所在范圍，根據(jù)該范圍選擇一個(gè)時(shí)窗，在該時(shí)窗內(nèi)對數(shù)據(jù)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行初至拾取。該種新方法對噪聲抑制較強(qiáng)，即便是未經(jīng)過去噪聲處理的數(shù)據(jù)也可以用該方法準(zhǔn)確地進(jìn)行初至拾取。以圖1中展示的未經(jīng)過任何濾波處理原始波形數(shù)據(jù)(圖5)為例進(jìn)行綜合法方法測試。

圖5 數(shù)據(jù)5：臺站1接收到的未做濾波處理的三分量波形Fig.5 Data 5：three component raw waveform recorded by station 1

針對數(shù)據(jù)1的未經(jīng)濾波處理的原始微地震波形(圖5)運(yùn)用綜合法進(jìn)行初至拾取，利用經(jīng)偏振分析法改良的能量比法對震相進(jìn)行初步識別(紅線表示位置)(圖6a)，確定初至所在范圍，根據(jù)該范圍選擇一個(gè)時(shí)窗，在該時(shí)窗內(nèi)對數(shù)據(jù)運(yùn)用AIC統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行初至拾取(圖6b)。獲取的初至結(jié)果顯示，原始微地震波形數(shù)據(jù)(圖5)采用綜合法獲得初至走時(shí)與濾波后的波形(圖1)獲得的初至走時(shí)基本一致。這表明即使微地震信號很弱、信噪比低、存在強(qiáng)噪聲，但綜合法仍然能夠準(zhǔn)確的拾取初至?xí)r間。

a. 采用偏振法確定初動(dòng)所處大致位置；b.采用統(tǒng)計(jì)分析法進(jìn)行初至精確拾取。圖6 針對圖5數(shù)據(jù)采用綜合法處理結(jié)果(長時(shí)窗100，短時(shí)窗50，采樣頻率100，閾值20)Fig.6 Processing results aiming at Fig. 5 data by synthesis method

4 結(jié)論

(1)STA/LTA法，在閾值的選擇中存在的主觀因素對最后的拾取結(jié)果有很大影響，應(yīng)盡量量化閾值的選擇；偏振分析法，在拾取信噪比極低的信號時(shí)存在不穩(wěn)定情況；AIC方法，在確保時(shí)窗選取合適的前提下拾取結(jié)果最為準(zhǔn)確。3種微地震信號初至自動(dòng)拾取方法，均有各自的適用條件，不能很好地適用于所有的實(shí)測地震數(shù)據(jù)。

(2)綜合法能夠?qū)哂形⒌卣鹦盘柡苋?、信噪比低、存在?qiáng)噪聲的原始微震信號拾取到準(zhǔn)確的微震初至走時(shí)，該新方法對噪聲抑制較強(qiáng)，即便是未經(jīng)過去噪聲處理的原始微地震數(shù)據(jù)也可以用該方法準(zhǔn)確地拾取到時(shí)。