流動式臺陣監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法研究

郭曉中　王飛　王達(dá)遠(yuǎn)

摘 要：本文主要介紹了流動式臺陣監(jiān)測的特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀，針對其觀測方式與應(yīng)用目的，選取適當(dāng)?shù)奶幚矸椒ń⒘送暾幚砹鞒蹋⒗玫V山爆破開采的應(yīng)用驗(yàn)證了處理流程與方法的有效性，同時對比了兩種定位算法在試驗(yàn)中的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：流動臺站;地震;微地震;數(shù)據(jù)處理;事件定位

中圖分類號：P631.4+43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）31-0029-03

Research on Data Processing Method of Monitoring by Portable Array

GUO Xiaozhong1，2 WANG Fei1，2 WANG Dayuan1，2

（1.National Joint Engineering Research Center for Shale Gas Exploration and Development （Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources）， Chongqing 400042;2.ChongqingHuadi Engineering Exploration and Design Institute，Chongqing 400042）

Abstract： This paper briefly introduced the feature and the application status of monitoring by portable array. According to the observation method and application purpose， the appropriate processing method was selected to establish a complete processing flow， and the application of mine blasting was used to verify the effectiveness of the processing flow and method. At the same time， the application effects of the two localization algorithms in the experiment were compared.

Keywords： portable array;earthquake;microseismic;data processing;event location

1 研究背景

監(jiān)測臺陣作為開展地球中深部結(jié)構(gòu)高分辨率觀測的重要手段，較為適用于區(qū)內(nèi)地震/微地震的精確定位、地球結(jié)構(gòu)的三維成像等綜合研究[1]。目前，隨著其處理解釋技術(shù)的發(fā)展，作為一種實(shí)時、連續(xù)的監(jiān)測手段，其在油氣開發(fā)監(jiān)測、地質(zhì)勘探、礦山巖爆監(jiān)測等方面也得到了廣泛應(yīng)用。

通過將一定數(shù)目的地震儀/檢波器布設(shè)在設(shè)計(jì)好的幾何形狀相應(yīng)位置上，并設(shè)置合理的臺陣孔徑和臺站間距，可以使臺陣的分辨率達(dá)到最佳。與固定式臺陣相比，流動式臺陣機(jī)動性較強(qiáng)、布設(shè)成本較低，可根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)變化進(jìn)行相應(yīng)的布設(shè)位置與布設(shè)密度調(diào)整。加密的流動監(jiān)測臺陣可以取得更好的監(jiān)測效果，既可單獨(dú)進(jìn)行監(jiān)測，也能輔助固定式臺陣對所關(guān)心區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)研究，具有廣闊的應(yīng)用前景與較高研究價(jià)值。

基于此，本文對流動式臺站在地震/微地震定位應(yīng)用中的處理方法進(jìn)行研究，并利用礦山放炮試驗(yàn)驗(yàn)證了處理定位方法的有效性與準(zhǔn)確性。

2 處理方法

流動式臺陣使用較少的地震儀/檢波器布設(shè)在一定的觀測范圍之內(nèi)，其觀測方式特點(diǎn)及應(yīng)用目的也決定了對應(yīng)的處理方法和處理流程。整個處理流程包括數(shù)據(jù)分析及去噪、初至拾取、偏振分析、速度校正、震源定位五個較為重要的處理環(huán)節(jié)。

2.1 數(shù)據(jù)分析及去噪

由于臺站多在野外布設(shè)，因此，其收到的干擾源影響較為復(fù)雜。采集完監(jiān)測數(shù)據(jù)后需要對其進(jìn)行頻率域、頻率-波數(shù)域、時頻分析等數(shù)據(jù)分析。根據(jù)噪聲與信號特點(diǎn)采取帶通/陷、fk等相應(yīng)濾波方法提高數(shù)據(jù)信噪比。

2.2 初至拾取

對濾波處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行事件縱橫波初至拾取可以得到縱橫波時差和用以計(jì)算縱橫波的偏振方向。準(zhǔn)確的初至拾取可以有效提高震源定位精度。目前，初至自動拾取算法有長短時（STA/LTA）、赤池信息準(zhǔn)則（AIC）、偏振分析、奇異值分解（SVD）、小波分析和人工神經(jīng)元等多種[2]，應(yīng)用較為成熟的技術(shù)為基于長短時窗能量比的初至自動拾取結(jié)合人為調(diào)整。

2.3 偏振分析

三分量檢波器的使用可以提供震源空間位置的更多信息。對于橫向變化不劇烈的速度模型，其所記錄資料縱波的偏振分析可以得到一個臺陣接收到的地震波入射方向。偏振分析中應(yīng)用較多的方法為構(gòu)建三分量記錄協(xié)方差矩陣進(jìn)行奇異值分解求取。

2.4 速度校正

已知位置的放炮記錄被用來做速度校正。通過初始速度模型和放炮記錄，就可以反演震源點(diǎn)坐標(biāo)。如果反演坐標(biāo)與已知的放炮坐標(biāo)空間距離小于可接受誤差，則認(rèn)為該速度模型可以接受;否則就要調(diào)整速度模型中縱橫波速度大小，直至兩者空間位置距離小于允許誤差。

速度校正的準(zhǔn)則為使兩個事件的方位、到時殘差綜合最小。將微地震事件發(fā)生時間、速度模型2個未知因素帶進(jìn)行反演。以理論初至走時與實(shí)際拾取初至走時相差最小為目標(biāo)函數(shù)。

[minfτ，v，x0，y0，z0=1ntc-tobs2]? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，[τ]代表事件發(fā)生時間，[v]代表所使用層狀速度模型，（[x0，y0，z0]）代表微地震事件發(fā)生位置，[tc]代表正演初至走時，[tobs]代表拾取初至走時，n代表檢波器數(shù)目。

2.5 震源定位

經(jīng)過對各種算法進(jìn)行了解研究后，本文研究了蓋格和利用偏振信息的網(wǎng)格搜索定位法兩種算法，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比處理。

蓋格定位為地震、微地震處理比較經(jīng)典的定位方法，以觀測走時與計(jì)算走時相差最小為目標(biāo)函數(shù)，通過構(gòu)建、求取多元方程組得到震源位置。

利用偏振信息的網(wǎng)格搜索定位法基本原理可簡單描述為通過利用接收到的微地震事件P波計(jì)算直達(dá)波入射角，從而確定微地震事件相對檢波器的方位，利用P、S波速度和P、S波初至?xí)r差確定微地震事件距檢波器的距離，最后綜合所有檢波器所得信息確定微地震事件點(diǎn)的精確位置。在求取目標(biāo)函數(shù)最小值所對應(yīng)震源位置時采用網(wǎng)格搜索的方法。首先建立初始網(wǎng)格，搜索最小誤差位置，然后在這個位置自動生成一個更小、更好的網(wǎng)格。不斷迭代搜索，直到得到滿意的定位結(jié)果。

3 應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用實(shí)例選取在西南山區(qū)正在開采的一個金屬礦的爆破監(jiān)測試驗(yàn)，通過反演定位爆破位置與實(shí)際爆破位置對比來評價(jià)流動式臺陣監(jiān)測效果。試驗(yàn)共監(jiān)測6次爆破，其位置使用GPS進(jìn)行測量。爆破深度為400～600m，藥量約為500g/次。觀測系統(tǒng)包含淺埋在1m深的土坑內(nèi)的9個靈敏度為200V/m/s的速度型三分量檢波器及配套數(shù)采。淺坑進(jìn)行土方回填以保證檢波器耦合。采樣率采用1ms，記錄格式采用標(biāo)準(zhǔn)segy。整個炮-檢空間分布如圖1所示。

對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，記錄波形顯示試驗(yàn)所用6炮均被完整記錄。通過對波形信息的頻譜進(jìn)行分析，確定濾波參數(shù)采用5～200Hz。濾波后數(shù)據(jù)P波初至起跳大多檢波器記錄較為明顯，S波初至起跳部分檢波器記錄較好。初至拾取后，在起跳后設(shè)定大約1/4的子波長度作為時窗大小進(jìn)行偏振分析。以第1炮事件作為標(biāo)定事件確定各個檢波器的三分量軸指向，將每個事件對應(yīng)各級檢波器的理論入射方向與實(shí)際計(jì)算方向進(jìn)行比對。

由于該試驗(yàn)沒有取得附近速度相關(guān)資料，根據(jù)近地表巖性建立均勻速度模型。為了保證校正的準(zhǔn)確性，使用比較強(qiáng)且位置較為分散的第3、5兩個爆破事件同時作為標(biāo)定事件，理論走時與實(shí)際走時的殘差作為簡化速度模型誤差對應(yīng)的時間校正量。最終P波速度取5 396m/s，S波速度取3 057m/s。

圖2和圖3分別為兩種方法的定位結(jié)果。定位結(jié)果圖中，圓點(diǎn)表示定位結(jié)果，顏色從綠到紅代表爆破時間從前到后。蓋格方法在使用P、S初至定位的情況下能得到大概的震源位置，但由于檢波器數(shù)量較少且沒有利用方位角信息約束，在水平方向上的定位誤差最大達(dá)到了178m，深度方向上最大誤差達(dá)到了68m。網(wǎng)格搜索方法在橫向及縱向定位精度上皆高于蓋格定位方法。在水平方向上的定位最大誤差為28m，垂向定位最大誤差為38m。所使用資料信噪比高的P波初至計(jì)算的方位角較好地對定位結(jié)果進(jìn)行了約束。對比兩種方法，采用網(wǎng)格搜索方法定位的該次試驗(yàn)取得了良好的監(jiān)測效果。

4 結(jié)論

本文通過對流動式監(jiān)測臺陣處理方法的研究，選用了合適的處理方法建立了監(jiān)測處理流程。對比使用蓋格定位和利用偏振信息的網(wǎng)格搜索定位法，選用后者在礦山爆破監(jiān)測試驗(yàn)中取得了較好的監(jiān)測效果，同時證明了處理方法的有效性。流動式臺陣布設(shè)簡易，加上合適、正確的處理定位方法和流程，將在更多方面得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳依伲.利用臺陣技術(shù)進(jìn)行微地震事件檢測和定位[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2018.

[2]蔣策.流動臺陣地震檢測與震相自動拾取研究[D].北京：中國地震局地球物理研究所，2017.