本發(fā)明屬于地層結(jié)構(gòu)反演，具體涉及一種基于單臺(tái)站六分量地震儀的地層結(jié)構(gòu)掃描方法。

背景技術(shù)：

1、地層結(jié)構(gòu)反演技術(shù)是一種在地質(zhì)勘探領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，能夠基于地面或井下觀測(cè)的數(shù)據(jù)，分析地震波在地下介質(zhì)中的傳播特性，推斷地下結(jié)構(gòu)的分布情況、物理性質(zhì)和幾何結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)技術(shù)不僅有助于研究地震活動(dòng)和地殼運(yùn)動(dòng)，理解地球內(nèi)部的構(gòu)造，還能輔助尋找地下水、礦產(chǎn)資源以及油氣藏。此外，在監(jiān)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害如滑坡、塌陷等方面也有著重要的應(yīng)用。

2、當(dāng)前地層結(jié)構(gòu)反演技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛，目前的最常見的方法是利用地震波在地下介質(zhì)中的反射、折射和散射等現(xiàn)象。通過對(duì)這些地震波的詳細(xì)分析，可以推斷出地下介質(zhì)的速度結(jié)構(gòu)、密度分布和彈性參數(shù)等信息。其中，速度結(jié)構(gòu)是反演過程中最為關(guān)鍵的參數(shù)，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到地震波的傳播速度，從而影響到地震波形的記錄。

3、地層結(jié)構(gòu)反演技術(shù)的方法多種多樣，包括到達(dá)時(shí)間反演、波形反演、全波形反演等。到達(dá)時(shí)間反演主要是利用地震波從震源到接收點(diǎn)的傳播時(shí)間來推斷地下速度結(jié)構(gòu)。波形反演則更加注重地震波形的細(xì)節(jié)，它通過匹配實(shí)際觀測(cè)到的地震波形與理論計(jì)算的地震波形，來反演地下介質(zhì)的物理參數(shù)。全波形反演是目前較為先進(jìn)的方法之一，它不僅考慮地震波的到達(dá)時(shí)間，還綜合考慮了地震波的振幅、頻率和相位等信息，從而能夠提供更為精確的地下結(jié)構(gòu)信息。

4、為了實(shí)現(xiàn)地層結(jié)構(gòu)反演，通常需要布設(shè)大量的地震儀臺(tái)站陣列。這些臺(tái)站可以是地面臺(tái)站，也可以是海底臺(tái)站或者井下臺(tái)站。臺(tái)站的數(shù)量和分布對(duì)反演結(jié)果的精度有著直接的影響。一般來說，臺(tái)站越多，覆蓋范圍越廣，反演得到的地下結(jié)構(gòu)信息就越詳細(xì)。然而，臺(tái)站的布設(shè)也受到地理環(huán)境和經(jīng)濟(jì)成本的限制，因此在實(shí)際操作中需要在臺(tái)站數(shù)量和反演精度之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。

5、此外，由于布設(shè)大量地震儀臺(tái)站，相應(yīng)地，數(shù)據(jù)量也迅速增長，在后期進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理過程中，往往意味著更高的算力要求和更長的處理時(shí)間?？紤]到布放大量臺(tái)站陣列所需較高成本，且實(shí)驗(yàn)場地往往也會(huì)有不同程度的限制，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定程度的限制和不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)傳統(tǒng)地層結(jié)構(gòu)反演方法對(duì)信號(hào)各分量特征及各分量間關(guān)系特征利用不夠充分，無論是理論上還是實(shí)際應(yīng)用中都至少需要兩個(gè)以上地震儀臺(tái)站才能進(jìn)行定位的現(xiàn)狀，本發(fā)明提供一種充分利用六分量數(shù)據(jù)各分量間關(guān)系特征實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)點(diǎn)垂直方向上的地層結(jié)構(gòu)反演方法。本發(fā)明有效利用采集到的信號(hào)各分量之間的關(guān)系，對(duì)數(shù)據(jù)所攜帶的信息進(jìn)行更深入的分析，可以實(shí)現(xiàn)利用單個(gè)地震儀臺(tái)站即實(shí)現(xiàn)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)地下結(jié)構(gòu)的反演。在使用單臺(tái)站六分量地震儀的前提下，通過聯(lián)合給定測(cè)線上多個(gè)測(cè)點(diǎn)獲得的地下結(jié)構(gòu)信息，能夠獲得測(cè)線下對(duì)應(yīng)地層結(jié)構(gòu)剖面信息。通過聯(lián)合多條測(cè)線信息，可以進(jìn)而獲得的地下三維結(jié)構(gòu)信息。

2、采用本發(fā)明的地層結(jié)構(gòu)反演方法僅使用單臺(tái)站六分量地震儀，相比于基于傳感器陣列的反演方法，本發(fā)明只需要單臺(tái)站六分量地震儀對(duì)各測(cè)點(diǎn)時(shí)序上先后測(cè)量，即可實(shí)現(xiàn)在相應(yīng)測(cè)線上獲得地層結(jié)構(gòu)剖面信息，或綜合多條測(cè)線的數(shù)據(jù)結(jié)果獲得地下三維結(jié)構(gòu)信息，實(shí)現(xiàn)地層結(jié)構(gòu)掃描效果。且本發(fā)明僅利用單個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)，進(jìn)行后期處理時(shí)速度更快，算法復(fù)雜度顯著降低。傳統(tǒng)方法在單個(gè)測(cè)點(diǎn)需要布置大量傳感器組成陣列來實(shí)現(xiàn)單個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，陣列方法要求聲源必須統(tǒng)一(比如同一時(shí)刻的主動(dòng)震源)，本方法無這方面要求。

3、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

4、地層結(jié)構(gòu)反演技術(shù)中傳統(tǒng)的依據(jù)到時(shí)等方法進(jìn)行地層結(jié)構(gòu)反演的儀器布放方法如圖1所示，本發(fā)明對(duì)該方法進(jìn)行改進(jìn)，通過使用單臺(tái)站六分量地震儀，時(shí)序上逐個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)單臺(tái)站六分量地震儀的地層結(jié)構(gòu)反演。技術(shù)方案主要基于巖石破裂等原因產(chǎn)生的地震波同時(shí)包含體波和面波，在傳播過程中會(huì)受到不同深度的地層結(jié)構(gòu)的影響，當(dāng)不同類型的波到達(dá)測(cè)點(diǎn)時(shí)發(fā)生干涉，將不同深度的地層信息反映在測(cè)點(diǎn)處的六分量數(shù)據(jù)上，因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行反演。由于無論是地震、板塊運(yùn)動(dòng)、火山活動(dòng)或人為的地下爆破、礦產(chǎn)挖掘都會(huì)產(chǎn)生一定的地震波，且不同的地震波雜合可以整體作為被動(dòng)源信號(hào)，因此本技術(shù)方案也可以應(yīng)用于礦產(chǎn)開采等領(lǐng)域。

5、本發(fā)明基于單臺(tái)站六分量地震儀的地層結(jié)構(gòu)反演技術(shù)的流程圖如圖2所示，在安裝前去除地表浮土，將單個(gè)臺(tái)站緊耦合在地面上，以有效采集被動(dòng)源信號(hào)并進(jìn)行處理，具體包括以下步驟：

6、s1：將六分量地震儀的六個(gè)分量和現(xiàn)實(shí)中相應(yīng)對(duì)齊，在安裝過程中確保六分量地震儀的z分量正方向指向測(cè)點(diǎn)處與重力加速度相反的方向，緊耦合在地面上的單個(gè)地震儀按固定的采樣率采集被動(dòng)源信號(hào)，完成一定時(shí)間采樣后保存數(shù)據(jù)；

7、s2：對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)齊數(shù)據(jù)時(shí)步，去除奇異值點(diǎn)以及測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中的明顯人為因素，去除數(shù)據(jù)趨勢(shì)，獲得該測(cè)點(diǎn)的被動(dòng)源信號(hào)六分量數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步根據(jù)六分量數(shù)據(jù)計(jì)算平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的水平分量，同時(shí)保存測(cè)點(diǎn)的位置信息；

8、s3：綜合分析預(yù)處理后的每個(gè)分量數(shù)據(jù)特征及各分量數(shù)據(jù)間的關(guān)系特征，提取該測(cè)點(diǎn)處相速度頻散曲線，獲得相速度和頻率的定量關(guān)系；

9、s4：在獲得相速度頻散曲線的基礎(chǔ)上，根據(jù)相速度和頻率的定量關(guān)系，計(jì)算不同頻點(diǎn)處的相對(duì)速度，并保存相對(duì)速度和相應(yīng)的頻點(diǎn)信息；

10、s5：利用地震波傳播過程中在地表單點(diǎn)發(fā)生干涉的基本原理，結(jié)合前述相對(duì)速度與頻率的定量關(guān)系，進(jìn)而建立相對(duì)速度與深度之間的映射關(guān)系，獲得該測(cè)點(diǎn)處地層不同深度的結(jié)構(gòu)信息，完成單測(cè)點(diǎn)的地下結(jié)構(gòu)探測(cè)；

11、s6：在單測(cè)點(diǎn)的地下結(jié)構(gòu)探測(cè)基礎(chǔ)上，通過合理規(guī)劃測(cè)點(diǎn)組合成測(cè)線或測(cè)點(diǎn)陣，在各個(gè)點(diǎn)位重復(fù)前述步驟，能夠?qū)崿F(xiàn)地層剖面信息繪制或地下三維結(jié)構(gòu)反演。

12、優(yōu)選地，步驟s1中將六分量地震儀的六個(gè)分量和現(xiàn)實(shí)中相應(yīng)對(duì)齊，包括將平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的三個(gè)分量x分量，y分量，及z分量指向分別和南北向、東西向及上下方向，其中z分量正方向指向與重力加速度相反的方向。

13、優(yōu)選地，步驟s3中對(duì)綜合分析預(yù)處理后的每個(gè)分量數(shù)據(jù)特征及各分量數(shù)據(jù)間的關(guān)系特征，提取該測(cè)點(diǎn)處相速度頻散曲線，主要利用同一被動(dòng)源信號(hào)不同類型的波在傳播過程中，在該測(cè)點(diǎn)處發(fā)生單點(diǎn)干涉導(dǎo)致的六分量數(shù)據(jù)間的關(guān)系特征，因此需要采用各分量在同一時(shí)窗內(nèi)的數(shù)據(jù)。

14、優(yōu)選地，步驟s6中的不同測(cè)點(diǎn)之間的被動(dòng)源信號(hào)不要求時(shí)間同步，因此既可以單臺(tái)站六分量地震儀逐測(cè)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，也可以采用多臺(tái)儀器同時(shí)采集數(shù)據(jù)。當(dāng)采用多臺(tái)儀器同時(shí)布放時(shí)，能夠在不增加算法復(fù)雜度的前提下，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)長，且后期數(shù)據(jù)處理不需要額外的算力需求。同時(shí)，當(dāng)采用多臺(tái)儀器同時(shí)布放時(shí)也結(jié)合傳感器陣列的方法，從兩個(gè)方面分別驗(yàn)證地層結(jié)構(gòu)反演的結(jié)果。

15、本發(fā)明利用同一被動(dòng)源信號(hào)不同類型的波在傳播過程中，在該測(cè)點(diǎn)處發(fā)生單點(diǎn)干涉導(dǎo)致的六分量數(shù)據(jù)間的關(guān)系特征，采用單臺(tái)站的六分量數(shù)據(jù)及各分量數(shù)據(jù)間的關(guān)系特征即可提取該測(cè)點(diǎn)處相速度頻散曲線，僅使用單一臺(tái)站采集信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)地層剖面信息反演或地下三維結(jié)構(gòu)反演。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果為：

17、本發(fā)明提出的基于單臺(tái)站六分量地震儀的地層結(jié)構(gòu)掃描技術(shù)，在實(shí)際的應(yīng)用過程中僅需要單臺(tái)站六分量地震儀，相對(duì)于多臺(tái)站陣列方法明顯降低實(shí)驗(yàn)中儀器布放和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求，所提出的數(shù)據(jù)處理方法顯著快于目前常見的臺(tái)站陣列反演方法。此外，相較于主動(dòng)源方法，本方法采用被動(dòng)源作為信號(hào)源，有效增加靈活性，能夠以更低的成本實(shí)現(xiàn)針對(duì)地層結(jié)構(gòu)掃描。