一种基于自相关噪音成像的地球内部结构探测方法

技术领域

本发明属于地震探测技术领域，具体涉及一种基于自相关噪音成像的地球内部结构探测方法。

背景技术

地球表层时刻存在的微弱振动被称为微动，在天然地震学研究中将其称为背景噪音。地脉动的震源复杂多样，通常被认为是多种震源经地下介质散射而被地震仪器记录到的一种信号。根据信号的周期成分范围地脉动一般分为两类：频率高于1Hz的脉动信号和频率低于1Hz的长周期信号。前者主要源于人类活动诸如交通工具、工厂机器运转等，由于高频信号在地球传播过程中衰减得较快，所以地脉动中的高频成分主要源于近距离源；后者主要源于自然因素诸如风、河水流动、海洋波浪等，由于其在传播过程中衰减得较慢，因此长周期记录中可能含有更大范围的介质信息。目前长周期微动信号主要应用于利用互相关技术提取经验格林函数进行地球深部结构的层析成像研究。

现有技术中，互相关噪音成像技术要求台站的布设时间相同，不便于后期其他新采集数据的加入。如果需要新数据的加入，那么需要重新进行大规模的数据采集，成本将会大幅度提高，且探测效率将会极大降低。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提出一种基于自相关噪音成像的地球内部结构探测方法，使得各个时段采集的不同数据可以同时使用，而无需进行数据的重采集。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于自相关噪音成像的地球内部结构探测方法，包括以下步骤：

S1、采用单一台站自相关处理背景噪音；

S2、基于地震波卷积模型获取源和接收仪器的近似耦合信号；

S3、获取其他位置接收器下方的反射率，将反射率以波形表示；

S4、基于反射率波形校准平均P波速度；

S5、估算其他接收器位置上的工程基岩深度。

进一步地：步骤S1的具体方法为：

根据公式：

获取信号；其中U(xi,t),w(xi,t),r(xi,t)和e(xi,t)分别代表原始背景噪音信号，背景噪音源特征，站台检波器特征以及在各站台处xi的地层反射模，‘*’符号代表互相关，

进一步地：步骤S2的具体方法包括以下子步骤：

S2-1、获取频域中两个参考钻孔任一位置处的环境噪音轨迹；

S2-2、获取频域中两个参考钻孔任一位置处的反射率；

S2-3、根据公式：

获取频域(ω)中源和接收仪器的近似耦合信号

进一步地：步骤S3的具体方法为：

根据公式：

获取在x

进一步地：步骤S4的具体方法包括以下子步骤：

S4-1、以波形的峰值代表时域中的基岩深度，获取工程基岩深度与两个参考钻孔之间的差和双向传播时间差；

S4-2、根据公式：

校准平均P波速度

进一步地：步骤S5的具体方法包括以下子步骤：

S5-1、获取工程基岩深度与任一参考钻孔之间的差和双向传播时间差。

S5-2、根据公式：

估算其他接收器位置上的工程基岩深度d

本发明的有益效果为：

本发明使用自相关噪音成像技术，该技术对各个台站的布设起止时间没有要求，因此特别便于加入后续采集数据，极大地提高了数据使用效率。同时，该方法结合工程数据，可以得到精度很高的浅层探测结果。

附图说明

图1为实施例1提出的探测方法流程图；

图2为实施例2地下室反演结果图；

图3为背景噪音成像合成试验示意图；其中(a)全尺寸真实模型；(b)全尺寸噪音成像结果；(c)浅层结构真实模型；(d)浅层噪音成像结果；(e)合成噪音数据；(f)5个不同台站的噪音频谱。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1：

参照图1，该基于自相关噪音成像的地球内部结构探测方法，包括以下步骤：

S1、采用单一台站自相关处理背景噪音；

S2、基于地震波卷积模型获取源和接收仪器的近似耦合信号；

S3、获取其他位置接收器下方的反射率，将反射率以波形表示；

S4、基于反射率波形校准平均P波速度；

S5、估算其他接收器位置上的工程基岩深度。

具体地说，步骤S1的具体方法为：

根据公式：

获取信号；其中U(xi,t),w(xi,t),r(xi,t)和e(xi,t)分别代表原始背景噪音信号，背景噪音源特征，站台检波器特征以及在各站台处xi的地层反射模，‘*’符号代表互相关，

具体地说，步骤S2的具体方法包括以下子步骤：

S2-1、获取频域中两个参考钻孔任一位置处的环境噪音轨迹；

S2-2、获取频域中两个参考钻孔任一位置处的反射率；

S2-3、根据公式：

获取频域(ω)中源和接收仪器的近似耦合信号

具体地说，步骤S3的具体方法为：

根据公式：

获取在x

具体地说，步骤S4的具体方法包括以下子步骤：

S4-1、以波形的峰值代表时域中的基岩深度，获取工程基岩深度与两个参考钻孔之间的差和双向传播时间差；

S4-2、根据公式：

校准平均P波速度

具体地说，步骤S5的具体方法包括以下子步骤：

S5-1、获取工程基岩深度与任一参考钻孔之间的差和双向传播时间差。

S5-2、根据公式：

估算其他接收器位置上的工程基岩深度d

实施例2：

实施例2是基于实施例1所记载的技术方案的实际效果分析。

将背景噪音记录数小时至数天之后，这些数据的自相关就可以近似地球的脉冲响应。等效地讲，利用自相关技术，将背景噪音数据转换成了具有随机震源子波的零偏移距主动源地震实验。因此，基于自相关的背景噪音成像技术可以极大地提高用于地下结构成像数据量的使用效率。

对于背景噪音信号的自相关是在互相关的基础理论上的一种延伸。对于台站间相同时间段的信号进行互相关处理，能够近似获取两台站间的格林函数。该格林函数相当于以其中一个台站作为主动信号源，在另外一个台站所得到的响应。自相关则是互相关的一种特殊形式。当两个台站无限靠近的时候，即用单一台站背景噪音信号做互相关处理，这便是自相关。当对于单一台站做自相关处理后所得到的信号，可以近似为自激自收的试验，对于背景噪音的自相关处理近似可看作是经典的地震波卷积模型。

自相关与互相关方法之间存在互补，也存在优势。由于自相关的信号获取和信号处理完全是基于单一台站，所以不要求同步和同长信号。从处理计算方面来讲，计算成本低。

在本发明的实施例中，通过两个现实的假设来简化问题。

1.源信号在特定区域内是相同的2.接收仪器的影响可以忽略不计

在校准平均P波速度

利用野外实际数据，我们可以得到清楚的地下结构，当浅层(<100米深度)存在地下室时，地下室处的速度明显低于周边介质，如图2所示，所得结果来自于实际数据。

为了进一步测试该探测方法在探测地球深部结构的有效性，利用图3f展示的模型模拟了台站背景噪音数据(实验室合成数据，非实际野外数据)，如图3e所示。台站间的空间距离是随机的，并假定各台站的数据来自不同观测周期(模拟实际条件下部分台站损坏的情况)，图3f中5个台站噪音频谱的差异验证了这一假设。同时，假定能被光纤地震台站观测到的数据的频率峰值是1Hz，观测时长是72小时。基于自相关的背景噪音成像结果如图3所示，可以看到浅层(50km以内，图3d)和深部(200km左右，图3b)的地下结构都具有较高分辨率。图3所得结果来自试验合成数据。

本发明使用自相关噪音成像技术，该技术对各个台站的布设起止时间没有要求，因此特别便于加入后续采集数据，极大地提高了数据使用效率。同时，该方法结合工程数据，得到了精度很高的浅层探测结果。

于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。