巖溶地區(qū)地震數(shù)據(jù)的時(shí)頻分析與應(yīng)用

劉振明

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

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巖溶地區(qū)地震數(shù)據(jù)的時(shí)頻分析與應(yīng)用

劉振明

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

地震勘探方法是鐵路巖溶區(qū)等不良地質(zhì)勘察的重要技術(shù)手段，地震資料解釋中的時(shí)頻域綜合分析方法不僅綜合利用了時(shí)間域和頻率域的信息，可同時(shí)改善時(shí)域和頻域單獨(dú)分析方法的缺點(diǎn)和不足。介紹短時(shí)傅里葉變換、小波變換和S變換之間的關(guān)系，驗(yàn)證了地震波在經(jīng)過(guò)溶洞時(shí)的頻率響應(yīng)；將三種方法應(yīng)用于地震數(shù)據(jù)的時(shí)頻域解釋中，驗(yàn)證時(shí)頻分析方法在推斷巖溶分布位置、大小、埋藏深度等方面的應(yīng)用效果；實(shí)際應(yīng)用中可選用時(shí)頻綜合分析來(lái)達(dá)到更好的探測(cè)效果。

時(shí)頻分析 巖溶 地震數(shù)據(jù)

在鐵路勘探過(guò)程中，經(jīng)常遇到巖溶區(qū)、采空區(qū)、軟弱層等不良地質(zhì)因素，給鐵路的安全帶來(lái)隱患。對(duì)上述不良地質(zhì)現(xiàn)象，地震勘探是一種常用的物探方法；當(dāng)?shù)叵麓嬖谝欢ǚ秶目斩?溶洞)時(shí)，地震反射同相軸的特征一般表現(xiàn)為“眼球形”。由于各種地表因素的影響，加之實(shí)際存在地下異常體的形態(tài)一般也很復(fù)雜，實(shí)際采集到的地震波并非全都存在明顯的“眼球形”反射特征。因此，地質(zhì)異常體的探測(cè)與解釋存在許多不確定因素，尤其是在解釋的準(zhǔn)確度和精度上存在很多不足；如果能夠綜合利用時(shí)間域地震剖面反射同相軸的形態(tài)信息和頻率域的頻譜變化信息，就可以更好地判別溶洞的發(fā)育情況[1-5]。

目前常用的時(shí)頻解釋分析方法有小波變換、短時(shí)傅立葉變換以及S變換法等。短時(shí)傅里葉變換方法主要適用于分析具有固定不變帶寬的非平穩(wěn)信號(hào)，對(duì)于同時(shí)具有高頻和低頻的地震信號(hào)不太適用；小波變換克服采用改變時(shí)窗形狀的方法，具有多分辨分析的性質(zhì)，適用于時(shí)變、非平穩(wěn)信號(hào)，但是小波變換方法并不具備自適應(yīng)的特點(diǎn)，另外頻率在小波變換過(guò)程中沒(méi)有被明顯地表現(xiàn)出來(lái)；S變換繼承了小波變換多分辨率的優(yōu)勢(shì)，克服了短時(shí)傅立葉變換不能調(diào)節(jié)分析窗口頻率的弊端，對(duì)實(shí)際地震資料有很好的時(shí)頻分析能力[6，7]。時(shí)頻分析方法已廣泛地應(yīng)用在數(shù)據(jù)處理上，單娜琳等人將短時(shí)窗傅立葉變換方法應(yīng)用到地震映像數(shù)據(jù)處理中，武永勝等將小波變換方法應(yīng)用到地震映像資料的去噪，秦維明等將S變換用于地質(zhì)雷達(dá)資料處理中，均取得了很好的實(shí)用效果[8-10]。

1 時(shí)頻分析方法對(duì)比

圖1 多個(gè)子波模型道

為了對(duì)比各種時(shí)頻分析技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)性，特設(shè)計(jì)如下一個(gè)簡(jiǎn)單模型道數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖1)，該模型道數(shù)據(jù)從左往右雷克子波的主頻依次為50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz、250 Hz，對(duì)模型道數(shù)據(jù)分別進(jìn)行三種不同方式的時(shí)頻分析。

圖2選取Gauss窗作為窗函數(shù)，窗口長(zhǎng)度為40 ms，Gauss窗函數(shù)定義為：ω(n)=exp{[lg(0.005)·(n2)]}。從圖2中可以看出，短時(shí)傅立葉變換的帶寬始終保持不變，一旦窗口函數(shù)選定后，時(shí)頻窗口的形狀便保持不變，不能有機(jī)地聯(lián)系頻率與窗口寬度。短時(shí)傅立葉變換實(shí)質(zhì)是具有單一分辨率的分析，在τ-ω平面的不同位置處分析單元的形狀始終保持不變，不具備分析頻率變化時(shí)時(shí)窗長(zhǎng)度跟隨自動(dòng)變化的特性，并且對(duì)于不同的時(shí)窗長(zhǎng)度，所得的時(shí)頻分析結(jié)果差異也較大，因此在分析過(guò)程中需要較多的人為干預(yù)；由于短時(shí)傅立葉變換受窗寬度固定的影響，在子波頻率提高時(shí)分辨率不能得到提高。

圖2 短時(shí)窗傅立葉變換時(shí)頻表示

圖4為S變換時(shí)頻顯示，可以看出，S變換結(jié)合了小波變換和短時(shí)傅里葉變換的優(yōu)點(diǎn)，克服了短時(shí)傅立葉變換不能調(diào)節(jié)分析窗口頻率的問(wèn)題，同時(shí)引入了小波變換的多分辨率分析，且與傅立葉頻譜保持直接的聯(lián)系，頻率的倒數(shù)決定了高斯窗的尺度大小，故具有小波變換的多分辨率性。

圖3 小波變換時(shí)頻表示

圖4 S變換時(shí)頻表示

為了更好體現(xiàn)溶洞地震響應(yīng)的時(shí)頻特征，設(shè)計(jì)了1個(gè)高度和寬度均為10 m的溶洞模型，選取主頻為25 Hz的子波模擬地震記錄。選用S變換技術(shù)對(duì)溶洞對(duì)應(yīng)位置的單道數(shù)據(jù)進(jìn)行S變換時(shí)頻分析。圖5顯示出與溶洞對(duì)應(yīng)的單道地震記錄時(shí)頻分析。從圖5可以看出，溶洞對(duì)應(yīng)處記錄的時(shí)頻特征表現(xiàn)為能量極值，這說(shuō)明地震波經(jīng)過(guò)溶洞附近時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的頻率響應(yīng)異常，借助時(shí)頻特征可以識(shí)別溶洞。

圖5 模擬地震記錄與對(duì)應(yīng)溶洞處的單道記錄時(shí)頻分析

2 應(yīng)用實(shí)例分析

以某鐵路隧道隧底巖溶探測(cè)地震映像采集記錄及時(shí)頻分析為例。

圖6所示為其中的一段地震記錄時(shí)間剖面，圖6中可見(jiàn)，在第60～70道處僅同相軸向上微拱，第170道附近有同相軸不連續(xù)現(xiàn)象，此兩處均為通過(guò)鉆探驗(yàn)證存在的溶洞位置。地震波經(jīng)過(guò)以上兩處溶洞附近時(shí)振幅和同相軸與其它段落差別并不十分明顯，僅從時(shí)間剖面上難以準(zhǔn)確判斷是否存在溶洞，很容易在眾多的背景干擾中忽略解釋。

圖7所示為對(duì)地震記錄進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換后的時(shí)頻剖面顯示，在60～66道之間有一明顯異常顯示。對(duì)比時(shí)間剖面，發(fā)現(xiàn)兩者異常位置基本對(duì)應(yīng)。然而在時(shí)頻剖面上170道附近沒(méi)有與時(shí)間剖面對(duì)應(yīng)的異常顯示。

圖7 短時(shí)傅里葉變換時(shí)頻表示

圖8 小波變換時(shí)頻表示

圖8所示為對(duì)地震記錄進(jìn)行小波變換后的時(shí)頻剖面顯示，在66道和170道附近存在兩處能量異常，但此時(shí)頻異常不夠突出，容易與其它背景干擾混淆，不易辨別和提取。對(duì)于此結(jié)果，如前文分析指出，可能是由于小波變換參數(shù)的選取不當(dāng)造成的。

圖9所示為對(duì)地震記錄進(jìn)行S變換后的時(shí)頻剖面顯示，從剖面中可以看出，在第60～70道和第165～175道處能量較強(qiáng)，此兩處溶洞時(shí)頻異常均特別明顯。

圖9 S變換時(shí)頻表示

通過(guò)應(yīng)用實(shí)例可以看出，當(dāng)采用地震勘探方法對(duì)溶洞進(jìn)行探測(cè)時(shí)，地震反射波同相軸的形態(tài)理論上會(huì)有相應(yīng)變化，受各種因素的影響，不太顯著的異常很容易被忽視；通過(guò)選取合適的時(shí)頻分析方法和時(shí)頻參數(shù)，溶洞異常體在時(shí)頻分析切片上可能會(huì)有更加顯著的反應(yīng)，有助于地震資料的解釋分析。

3 結(jié)論

地震數(shù)據(jù)的時(shí)頻域聯(lián)合解釋分析綜合考慮了時(shí)間域和頻率域信息，克服了單獨(dú)利用時(shí)間域分析的缺點(diǎn)和不足。通過(guò)對(duì)實(shí)際資料進(jìn)行時(shí)頻域綜合分析可知，只要選取合適的時(shí)頻分析方法和參數(shù)，時(shí)頻域分析結(jié)果結(jié)合時(shí)間剖面中反射波形態(tài)特征可以有助于判定巖溶的分布位置、大小、埋藏深度等，從而提高溶洞探測(cè)水平，在實(shí)際應(yīng)用中可選用時(shí)頻綜合分析來(lái)達(dá)到更好的探測(cè)效果。

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Time-frequency Analysis and Application of Seismic Data in Karst Area

LIU Zhenming

2016-08-29

劉振明(1984—)，男，2010年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理學(xué)專業(yè)，碩士，工程師。

1672-7479(2016)06-0060-03

P631.4

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