游秀珍 李軍 林彬華 黃艷丹 巫立華 郭陽(yáng)
福建省地震局,福州市華鴻路7號(hào) 350003
自20世紀(jì)60年代以來(lái),氣槍震源在海洋石油勘探中得到廣泛應(yīng)用,積累了大量寶貴經(jīng)驗(yàn)。隨著氣槍震源技術(shù)的日益成熟,為使人工氣槍震源能在地球物理探測(cè)領(lǐng)域也發(fā)揮作用,研究人員發(fā)展了更低頻率的震源——大容量氣槍震源。大容量氣槍震源以激發(fā)能量大、低頻成分豐富、可操控、可重復(fù)、成本低、破壞性小、綠色無(wú)污染等特點(diǎn)受到越來(lái)越多的關(guān)注。近些年來(lái),國(guó)內(nèi)地震科學(xué)研究人員利用大容量氣槍震源開展了一系列深部結(jié)構(gòu)探測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn),如福建陸域及中國(guó)臺(tái)灣海峽西部地區(qū)陸海聯(lián)合探測(cè)實(shí)驗(yàn)和地學(xué)長(zhǎng)江計(jì)劃實(shí)驗(yàn)等,并在云南賓川、新疆呼圖壁和甘肅張掖建設(shè)了地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)用以監(jiān)測(cè)地下介質(zhì)性質(zhì)的變化(陳颙等,2016;王寶善等,2016)。
水庫(kù)氣槍實(shí)驗(yàn)中,由于水庫(kù)容積小,高壓氣泡在水庫(kù)中產(chǎn)生劇烈振動(dòng),同時(shí)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的振蕩子波,因而導(dǎo)致激發(fā)的氣槍震源信號(hào)不完全重復(fù),進(jìn)而影響地下介質(zhì)變化的監(jiān)測(cè)精度。因格林函數(shù)可反映研究區(qū)域地下介質(zhì)的信息,地震學(xué)家們提出利用反褶積方法獲取氣槍震源至接收臺(tái)站之間的近似格林函數(shù)以消除震源的影響(王寶善等,2012;欒奕等,2016)。劉自鳳等(2015)、魏蕓蕓等(2016)在利用氣槍震源識(shí)別地殼介質(zhì)波速變化之前都先進(jìn)行反褶積處理以排除震源變化的干擾。王寶善等(2012)通過比較交叉干涉與互相關(guān)方法認(rèn)為,反褶積的結(jié)果雖然信噪比較低,但是能較好地去除激發(fā)環(huán)境的影響。翟秋實(shí)等(2016)對(duì)比了頻率域和時(shí)間域反褶積的效果,指出頻率域反褶積計(jì)算效率有優(yōu)勢(shì),但信噪比不如時(shí)間域反褶積。
前人的相關(guān)工作側(cè)重利用反褶積直接處理數(shù)據(jù),或是與其它方法的效果進(jìn)行比較,而對(duì)頻率域水準(zhǔn)反褶積方法計(jì)算存在的問題鮮有研究。本文采用頻率域水準(zhǔn)比例因子反褶積方法和互相關(guān)時(shí)延檢測(cè)技術(shù),研究反褶積方法引入的水準(zhǔn)比例因子取不同值時(shí)對(duì)反褶積計(jì)算結(jié)果的影響,以及臺(tái)站的背景噪聲水平對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,并分析反褶積法消除震源影響的效果。
2016年12月,福建省地震局在漳州南靖南一水庫(kù)開展主動(dòng)源探測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用福建省地震局自主設(shè)計(jì)組裝的大容量氣槍震源系統(tǒng),選用4支Bolt-1500LL型氣槍組合陣列,其單支氣槍容量為2000 in3,槍陣總?cè)萘窟_(dá)8000 in3。槍陣尺寸為7m×7m,沉放深度為12m,每一工況實(shí)驗(yàn)定點(diǎn)激發(fā)9次。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)系統(tǒng)由陸海臺(tái)陣構(gòu)成:陸域臺(tái)陣包括88個(gè)福建測(cè)震臺(tái)、福建周邊(廣東、江西、浙江、湖南和中國(guó)臺(tái)灣)部分測(cè)震臺(tái)站、40個(gè)實(shí)時(shí)傳輸?shù)牧鲃?dòng)臺(tái)和100個(gè)PDS(非實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊巴饬鲃?dòng)臺(tái));海域臺(tái)陣由57套OBS形成的網(wǎng)格狀臺(tái)陣組成。本文選取資料時(shí)考慮到氣槍記錄信號(hào)的清晰度,選擇震中距為200m的岸邊測(cè)震臺(tái)L3583為近場(chǎng)參考臺(tái),震中距為18.53km的測(cè)震臺(tái)NJJS和震中距為19.05km的測(cè)震臺(tái)NJNK為遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)站(圖1)。

圖1 南一水庫(kù)氣槍激發(fā)位置及實(shí)驗(yàn)觀測(cè)臺(tái)站分布
地震波數(shù)據(jù)包含震源函數(shù)、震源與地震儀器之間的格林函數(shù)、儀器響應(yīng)和地面運(yùn)動(dòng)噪聲,可將其表示為

式中,u(t)為地震儀器記錄的數(shù)據(jù);s(t)為震源時(shí)間函數(shù);g(t)為格林函數(shù);i(t)為儀器響應(yīng);n(t)為噪聲。
我們把靠近氣槍震源的近場(chǎng)臺(tái)站信號(hào)當(dāng)作近似的震源時(shí)間函數(shù),由于實(shí)驗(yàn)期間觀測(cè)設(shè)備沒有發(fā)生變化,因此,不考慮儀器響應(yīng)的影響,同時(shí)忽略噪聲影響。將遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)站和近場(chǎng)臺(tái)站記錄分別進(jìn)行傅里葉變換,再相除即為頻率域反褶積

式中,G(ω)為近似格林函數(shù)的頻譜;U(ω)為遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)站氣槍記錄的頻譜;S(ω)為近場(chǎng)臺(tái)站氣槍記錄的頻譜。由于式(2)中分母可能出現(xiàn)為零或者趨于零的情況,以致頻率域的除法不穩(wěn)定。采用Helmberger等(1971)提出的頻率域因子反褶積方法,將式(2)改進(jìn)為

式中,S*(ω)為S(ω)的復(fù)共軛;max為求最大值運(yùn)算符;c為水準(zhǔn)比例因子。
互相關(guān)時(shí)延檢測(cè)方法是一項(xiàng)被廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù),其原理是以不同時(shí)延計(jì)算兩列相似波形的互相關(guān)系數(shù),互相關(guān)系數(shù)最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間延遲,即是兩列波形的延時(shí)。互相關(guān)時(shí)延測(cè)量是以一個(gè)采樣間隔作為步進(jìn)的,然而相關(guān)函數(shù)的最大峰值通常并不落在采樣點(diǎn)上而是偏離采樣點(diǎn),這可以通過擬合的方式解決以獲得更高的時(shí)間測(cè)量精度(Céspedes et al,1995)。為此,本文采用拋物線擬合方法重建相關(guān)函數(shù),得到新相關(guān)函數(shù)的峰值和其對(duì)應(yīng)的位置(圖2)。擬合前后相關(guān)函數(shù)峰值對(duì)應(yīng)位置的時(shí)間延遲計(jì)算公式為

圖2 拋物線擬合曲線

式中,y1為擬合前的最大相關(guān)系數(shù);y0和y2分別為擬合前相關(guān)函數(shù)峰值相鄰采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù);ΔT為采樣時(shí)間間隔。
以2016年12月南一水庫(kù)A09工況為例,先根據(jù)氣槍的激發(fā)時(shí)間將原始波形進(jìn)行分段截取,再將垂向分量記錄進(jìn)行去均值、2~8Hz濾波、歸一化等預(yù)處理,圖3是參考臺(tái)L3583和遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)NJNK預(yù)處理后的波形。由于工況實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間不足半小時(shí),其間未發(fā)生有影響的地震,且水庫(kù)水位基本穩(wěn)定,故可認(rèn)為地下介質(zhì)是不變的。在實(shí)驗(yàn)過程中裝載氣槍的浮臺(tái)會(huì)隨氣槍激發(fā)發(fā)生偏移,因此,福建省地震局的工作人員采用懸掛重物、繩索固定等方式對(duì)浮臺(tái)進(jìn)行固定,根據(jù)浮臺(tái)上安裝的GPS監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,激發(fā)位置的變化較小,基本控制在1m以內(nèi)。我們首先分析反褶積與疊加的先后順序?qū)Y(jié)果的影響。圖4為NJNK臺(tái)的計(jì)算結(jié)果,將不同順序計(jì)算的近似格林函數(shù)做互相關(guān),得到互相關(guān)系數(shù)峰值為0.999,可見反褶積與疊加的先后順序?qū)ψ罱K結(jié)果的影響較小,因此,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)先疊加再反褶積計(jì)算。

圖3 L3583、NJNK臺(tái)預(yù)處理后的波形

圖4 不同順序計(jì)算的近似格林函數(shù)對(duì)比
頻率域水準(zhǔn)反褶積方法引入水準(zhǔn)比例因子以獲得合理的水準(zhǔn)閾值,計(jì)算時(shí)使分母中頻譜振幅小于閾值的提升至閾值,從而提高反褶積計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性。為探究水準(zhǔn)因子對(duì)反褶積結(jié)果的影響,在相同情況下,設(shè)定水準(zhǔn)比例因子為 0.1、0.01、0.001、0.0001、0.00001和0.000001共6個(gè)不同值,對(duì)反褶積后格林函數(shù)的振幅信噪比、格林函數(shù)相對(duì)于反褶積前波形的走時(shí)差及兩者的互相關(guān)系數(shù)峰值進(jìn)行比較。振幅信噪比采用有效信號(hào)幅值絕對(duì)值的最大值與噪聲振幅的均方根之比。
表1為A09工況NJNK臺(tái)不同水準(zhǔn)比例因子得到的格林函數(shù)振幅信噪比、走時(shí)差和互相關(guān)系數(shù)峰值,表2為 A13工況 NJJS、NJNK臺(tái)的計(jì)算結(jié)果。由表1、2可見,隨著水準(zhǔn)因子值減小,格林函數(shù)的振幅信噪比呈減小趨勢(shì);格林函數(shù)相對(duì)于反褶積處理前波形的走時(shí)差有差別,不同的水準(zhǔn)比例因子可能引起數(shù)毫秒的走時(shí)變化;不同工況、不同臺(tái)站計(jì)算的互相關(guān)系數(shù)峰值變化情況也不同。圖5為A09工況NJNK臺(tái)不同水準(zhǔn)比例因子反褶積后的結(jié)果。由圖5可見,水準(zhǔn)比例因子越小,背景噪聲越大,小到一定值時(shí)有效信號(hào)則湮沒在背景噪聲中。因此,在使用頻率域水準(zhǔn)反褶積方法時(shí),需要根據(jù)實(shí)際情況選取合適的水準(zhǔn)比例因子。由圖5還可見,反褶積后的波形相對(duì)反褶積前有一個(gè)較為明顯的走時(shí)變化,約為0.3s,其原因可能是,氣槍激發(fā)信號(hào)主要由氣槍氣體釋放所產(chǎn)生的壓力脈沖和由于氣泡在水中的振蕩所產(chǎn)生的氣泡脈沖構(gòu)成,壓力脈沖屬于高頻信號(hào),主要頻率約為數(shù)十到數(shù)百赫茲,衰減較快,遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)震臺(tái)站幾乎無(wú)法記錄到壓力脈沖;而氣泡脈沖則屬于低頻信號(hào),主要頻率為3~8Hz,遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)震臺(tái)站記錄到的主要是氣泡脈沖傳播引起的地面振動(dòng),根據(jù)水庫(kù)氣槍浮臺(tái)下方庫(kù)底OBS的記錄以及氣槍上方2m處水聽器的記錄,氣泡脈沖約在壓力脈沖后0.2s左右產(chǎn)生,同時(shí),由于進(jìn)行本次氣槍實(shí)驗(yàn)時(shí),浮臺(tái)距岸邊的測(cè)震儀相對(duì)較遠(yuǎn),約200m,因此,測(cè)震儀的記錄并不能完全等效于震源時(shí)間函數(shù)。根據(jù)浮臺(tái)與岸邊測(cè)震儀的記錄,及波在水中的傳播速度(1.5km/s,由于氣槍與岸邊測(cè)震臺(tái)站間距離僅200m,因此,我們認(rèn)為波在水中或地表較淺的上層傳播)可知,氣槍激發(fā)產(chǎn)生的壓力脈沖傳播至岸邊測(cè)震臺(tái)約需0.1s,氣泡脈沖則需0.3s左右,即本文中利用震中距為200m的岸邊測(cè)震記錄作為近似震源時(shí)間函數(shù)時(shí),本身就引入了0.3s左右的時(shí)間誤差,這可能是本研究反褶積計(jì)算后波形走時(shí)出現(xiàn)0.3s變化的主要原因。這也說明,將距氣槍震源200m的臺(tái)站記錄作為震源時(shí)間函數(shù)可能并不完全適用。但由于本研究均使用同一臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù),因此,并不影響本文后續(xù)分析結(jié)論。

表1 A 09工況NJNK臺(tái)不同水準(zhǔn)比例因子格林函數(shù)振幅信噪比、走時(shí)差和互相關(guān)系數(shù)峰值比較

表2 A 13工況NJJS與NJNK臺(tái)不同水準(zhǔn)比例因子格林函數(shù)振幅信噪比、走時(shí)差和互相關(guān)系數(shù)峰值比較

圖5 A09工況NJNK臺(tái)不同水準(zhǔn)比例因子反褶積后的結(jié)果
在使用頻率域水準(zhǔn)反褶積方法監(jiān)測(cè)地殼介質(zhì)變化前,有必要了解反褶積計(jì)算結(jié)果的影響因素。本文采用仿真數(shù)值模擬方法,通過改變遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)或參考臺(tái)的背景噪聲水平以及不同水準(zhǔn)比例因子,探討背景噪聲對(duì)反褶積計(jì)算的影響。
以往研究中,多采用隨機(jī)白噪聲數(shù)值來(lái)模擬噪聲的變化,而實(shí)際上,地震儀記錄的天然噪聲并不是絕對(duì)的隨機(jī)白噪聲,而是隨時(shí)間、空間具有一定變化規(guī)律的噪聲,因此,本文選取氣槍未激發(fā)時(shí)段連續(xù)半個(gè)月測(cè)震臺(tái)站記錄的噪聲數(shù)據(jù),以仿真噪聲變化對(duì)分析結(jié)果的影響。對(duì)所選噪聲數(shù)據(jù)每隔10min抽取一段,并作基線校正、2~8Hz濾波和兩頭尖滅處理,再計(jì)算每段噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差,結(jié)果如圖6所示,由圖6可見,噪聲呈規(guī)律性日變化。

圖6 噪聲日變化
計(jì)算步驟如下:①把遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)記錄數(shù)據(jù)預(yù)處理后的噪聲部分置換為零,再將抽取的噪聲加到該臺(tái)的氣槍記錄上,將生成的新信號(hào)當(dāng)作遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)記錄;②把新的遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)記錄與參考臺(tái)記錄做反褶積得到近似格林函數(shù)(根據(jù)前文所述,水準(zhǔn)比例因子取0.001);③由于反褶積會(huì)引入高頻噪聲,因此需要再次濾波,頻帶范圍為2.5~6Hz;④采用互相關(guān)時(shí)延方法,計(jì)算根據(jù)不同水準(zhǔn)比例因子得到的近似格林函數(shù)P波段(0.5s窗長(zhǎng))走時(shí)誤差隨噪聲的日變化;⑤改變遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)記錄的信噪比,即改變抽取噪聲的幅值,計(jì)算格林函數(shù)走時(shí)誤差隨噪聲的日變化;⑥對(duì)參考臺(tái)按照同樣的流程進(jìn)行處理。
圖7、8分別為A09工況遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)NJNK和參考臺(tái)L3583加噪聲反褶積后格林函數(shù)P波段走時(shí)識(shí)別誤差隨噪聲的日變化。圖7(a)為遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)氣槍記錄的信噪比約為49時(shí)不同水準(zhǔn)比例因子的計(jì)算結(jié)果,圖8(a)為參考臺(tái)記錄的信噪比約為50時(shí)不同水準(zhǔn)比例因子的結(jié)果,由圖7(a)、8(a)可見,當(dāng)因子相同,且遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)、參考臺(tái)記錄的信噪比相差不多時(shí),前者計(jì)算的走時(shí)誤差只有數(shù)毫秒,而后者識(shí)別的走時(shí)誤差明顯大于前者,可見參考臺(tái)記錄的信噪比對(duì)結(jié)果的影響遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái);另外,水準(zhǔn)比例因子的不同對(duì)反褶積計(jì)算后波形的走時(shí)有影響,當(dāng)水準(zhǔn)比例因子取值過小時(shí),走時(shí)誤差較大。本研究只是改變臺(tái)站的背景噪聲水平,并未更改氣槍信號(hào),因此,不同信噪比的氣槍記錄反褶積計(jì)算后波形的走時(shí)變化理論上應(yīng)該相同,但結(jié)果顯示,由不同的信噪比計(jì)算得到的走時(shí)變化并不相同(圖7(b)、8(b)),這說明臺(tái)站的背景噪聲水平對(duì)結(jié)果有較大影響,氣槍記錄的信噪比越大,所得結(jié)果精度越高。遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)不同信噪比的氣槍記錄所得走時(shí)誤差變化趨勢(shì)一致,說明識(shí)別誤差均由噪聲引起,這就要求在正式的應(yīng)用中需要花費(fèi)較大精力去排除噪聲影響。當(dāng)遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)記錄的信噪比大于10時(shí),走時(shí)誤差一般小于6ms。對(duì)參考臺(tái)具有不同信噪比的記錄,由于信噪比不同會(huì)影響反褶積中的近似震源函數(shù),因此得到的走時(shí)誤差變化趨勢(shì)一致性較差。此外,參考臺(tái)記錄的信噪比對(duì)走時(shí)識(shí)別結(jié)果影響更大,信噪比為30左右的參考臺(tái)記錄,走時(shí)誤差可能達(dá)到20ms左右,即使對(duì)于信噪比100左右的參考臺(tái)記錄,走時(shí)誤差也可能達(dá)到幾毫秒。此外,不同水準(zhǔn)比例因子及臺(tái)站記錄的信噪比計(jì)算的走時(shí)誤差日變化與背景噪聲日變化間沒有明顯關(guān)聯(lián)。

圖7 遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)加噪聲反褶積后P波段走時(shí)誤差隨噪聲的日變化

圖8 參考臺(tái)加噪聲反褶積后P波段走時(shí)誤差隨噪聲的日變化
為了檢驗(yàn)利用頻率域水準(zhǔn)比例因子反褶積方法消除氣槍震源影響的效果,我們對(duì)工作壓力為1000、1200、1500、1800、2000psi時(shí)NJNK測(cè)震臺(tái)記錄進(jìn)行反褶積計(jì)算(水準(zhǔn)比例因子取0.001),以槍壓為1000psi的A09工況作為參考,比較不同槍壓激發(fā)的觀測(cè)記錄反褶積前后波形的時(shí)間延遲。
圖9(a)、9(b)分別為不同工作壓力的氣槍激發(fā)信號(hào)反褶積前后的波形。由于氣槍震源信號(hào)重復(fù)性較高,因此以豎線為參照,比較各波形初始震相波段內(nèi)峰值的到時(shí)位置。由圖9可見,隨著槍壓的增加,反褶積前波形峰值位置的到時(shí)存在一定差異,且槍壓為2000psi時(shí)較明顯,而經(jīng)反褶積計(jì)算后,波形峰值位置的到時(shí)差異變小。設(shè)時(shí)間窗長(zhǎng)為 0.3s,步長(zhǎng)為0.2s,

圖9 不同工作壓力的氣槍信號(hào)反褶積前后波形對(duì)比

圖10 NJNK臺(tái)不同槍壓氣槍信號(hào)相對(duì)A09反褶積前后波形的時(shí)間延遲
計(jì)算不同槍壓的激發(fā)信號(hào)在反褶積前后分別與A09工況不同波段間的互相關(guān)時(shí)間延遲(圖10)。A9、A10工況的槍壓差為200psi,反褶積前兩列波形不同波段的時(shí)間延遲較小,反褶積后時(shí)間延遲稍大,但都小于0.01s(即1個(gè)采樣點(diǎn));反褶積前后初始震相波段計(jì)算的應(yīng)為第2個(gè)時(shí)間窗,該波段算得的時(shí)間延遲為時(shí)間延遲圖中第2個(gè)圓點(diǎn),反褶積后的時(shí)間延遲基本比反褶積前小,特別是較A09工況而言,A13工況反褶積前時(shí)間延遲達(dá)2個(gè)采樣點(diǎn),經(jīng)反褶積后時(shí)間延遲顯著縮短。由此可見,利用頻率域水準(zhǔn)反褶積方法,可以有效消除震源差別較大的影響。
本文以2016年福建南一水庫(kù)氣槍實(shí)驗(yàn)資料為研究對(duì)象,通過分析水準(zhǔn)比例因子及臺(tái)站背景噪聲對(duì)反褶積結(jié)果的影響,研究利用反褶積法消除震源影響的效果,得出以下結(jié)論與認(rèn)識(shí)。
(1)水準(zhǔn)比例因子影響反褶積后波形的信噪比及走時(shí),水準(zhǔn)比例因子越小,反褶積后波形的信噪比越小,當(dāng)水準(zhǔn)比例因子取值過小時(shí),走時(shí)識(shí)別誤差較大。實(shí)際應(yīng)用時(shí),需進(jìn)行分析后選取合適的水準(zhǔn)比例因子。
(2)臺(tái)站的背景噪聲對(duì)反褶積計(jì)算結(jié)果有影響。氣槍記錄的信噪比越大,走時(shí)識(shí)別精度越高,參考臺(tái)記錄的信噪比對(duì)結(jié)果的影響遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái);當(dāng)遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)記錄的信噪比大于10時(shí),走時(shí)誤差一般小于6ms;當(dāng)參考臺(tái)記錄的信噪比為30左右時(shí),走時(shí)誤差可能達(dá)到20ms左右,即使對(duì)于信噪比100左右的參考臺(tái)數(shù)據(jù),走時(shí)誤差也可能達(dá)幾毫秒。
(3)利用頻域水準(zhǔn)比例因子反褶積方法,可以消除不同工作壓力引起的震源影響,驗(yàn)證了該方法去除震源效應(yīng)的有效性。該方法在震源差異較大時(shí)去除震源效應(yīng)的效果較好,在震源差異較小時(shí),反而可能引入方法誤差。
本文對(duì)頻域水準(zhǔn)反褶積計(jì)算結(jié)果的影響因素及反褶積法消除震源影響的效果進(jìn)行了初步分析,研究結(jié)果可為反褶積方法應(yīng)用于氣槍監(jiān)測(cè)地殼介質(zhì)變化中的應(yīng)用提供參考。