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初至层析反演技术在城市地质活动断裂调查中的应用

2024-06-03 52 上传者：管理员

摘要：利用回折波法建立初始模型，通过菲涅耳带层析成像方法进行迭代。假设初至波在水平地表和垂向连续介质中以回折波的方式传播，使用勒让德多项式拟合初至曲线，利用Gauss-Legendre积分公式计算回折波的回折点深度和速度。初至层析反演成像处理在城市地质活动断裂调查中有两个主要目的：层析反演的静校正应用于叠加成像，清晰显示活动断裂的特征；提供准确的表层速度模型，确定活动断裂上下盘的速度异常带位置。只有同时实现这两个目的，初至层析反演技术才能被确认为适用的解决方案。利用城市地质地震勘探数据进行初至层析反演成像，获取0～200 m深度的地层结构，反演结果较清晰地反映了表层速度结构的横向变化和异常体的分布情况，叠加成像剖面能够准确识别断层位置，反演的结果明确揭示出多个断层的位置和走向，为城市规划和地下空间建设提供了参考依据。应用实例表明，初至层析反演技术是一种应用于城市地质活动断裂调查中的可靠技术手段，具有广阔的应用前景。

关键词：
初至波
叠加成像
层析反演
活动断裂
速度模型
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在地震勘探中，特别是在表层复杂区域，近地表速度结构反演是一个迫切但又难以解决的问题[1,2,3,4],虽然国内外学者进行了大量研究，但仍未取得良好的解决方案，这严重影响了城市地质活动断裂调差的精度。目前，初至波层析反演方法多采用走时反演，基于地震走时的射线层析成像方法是解决复杂近地表区表层建模和静校正问题最常见的静校正技术[5,6,7,8],该方法基于高频射线理论，将非线性反演问题转化为线性反演问题[9],针对高速区域优先采样射线路径。网格层析法通过多次射线覆盖模型空间中的每个网格单元增强了统计性并确保反演结果的可靠性，在城市地质浅层地震探测中观测道距较小、排列较短、初至波的主频较高，因此非常适合进行高分辨率的初至波层析反演，符合层析反演小网格的基本要求。

初至层析反演主要用于表层复杂区域的静校正成像和叠前深度偏移成像近地表速度建模，对地表条件的特殊性进行技术改进，以提高地震勘探的成像精度[10,11,12],对于最终的反演结果初始模型至关重要。为确保初始模型的准确性，本研究在常速法和梯度法的基础上采用回折波法，获得初步的反演结果，该方法能够提供更高精度的反演结果。模型的平滑因子在反演过程中扮演着重要角色[13],如果平滑过大将降低反演分辨率，若平滑过小将导致射线追踪失败，导致层析方程的求解不稳定。为确定最适宜的平滑因子，采用遗传算法对不同平滑因子下的反演结果进行优选，通过对比分析不同平滑因子下的反演精度和分辨率找到最佳平滑因子，以获得更准确的反演结果。结合实际情况提供了相关数据和案例分析，通过对某城市地质活动断裂的测量和实验收集了大量的实地数据，利用层析反演技术对这些数据进行处理和分析，得出了准确的地下速度模型，揭示了断裂的结构特征和活动状况，此结果为城市的地质灾害防治和建设规划提供了重要依据。

1、理论与方法

1.1 初至波处理及识别

在城市地质活动断裂调查中，可控震源单炮记录是常用的数据采集方法之一。但由于扫描信号与接收信号的不一致性及近偏移距的谐振干扰，互相关后可控震源单炮记录会呈现严重的近偏移距混合相位旁瓣噪声，与有效波混合在一起，给准确识别初始到达时间带来了挑战。在信噪比低且各种干扰严重的情况下，采取针对性的技术措施可提高初始到达波的信噪比和识别准确度。单频波噪声压制是一种常用的处理手段，通过选择适当的频率来抑制干扰信号可提高初始到达波的信噪比。此外，强能量噪声压制技术也能有效抑制高能量的干扰信号。另一种处理方法是宽频滤波，通过选择合适的滤波器来消除噪声，从而提高初始到达波的识别准确度。

1.2 回折波初始速度模型的建立

回折波是指初至波在水平地表和垂向连续介质中以回折波的方式传播。在地震勘探中，假设初至波在水平地表和垂向连续介质中以回折波的方式传播，图1为回折波的射线路径。

回折波射线走时关系可表示为：

其中，Xm代表炮检距，t表示回折波的射线走时，v为介质速度，p为射线参数，回折点位于炮检连线中点的正下方，深度为Zm。

图1 回折波的射线路径

应用该公式可计算出回折波的射线走时，从而推断回折点的深度及介质速度，即Herglotz-Wiechert公式：

式(3)中，变量q是一个反双曲余弦函数，为：

为了解析计算回折波参数Zm和v(Zm),需对实际观测到的初至曲线进行拟合。其中，勒让德(Legendre)多项式是一种常用的数学工具，可用来拟合初至曲线。可对拟合结果的误差进行最小二乘拟合，找到最优的勒让德多项式拟合系数。在实际应用中可采用Gauss-Legendre积分公式来计算回折波的回折点深度及其速度。该积分公式可在不同权重函数和节点下进行近似计算，获得精确的结果。

1.3 基于菲涅耳带层析反演表层结构模型

当炮集初至走时曲线呈现非线性变化时，表明表层速度横向不均匀、介质的成层性不好，这种情况下折射法不适应，而层析法却可根据初至走时的变化反演出近地表的异常。

在基于走时的射线理论中，地震波的传播过程可理解为慢度函数沿着射线路径的积分过程，即：

其中，τ为波从激发点到接收点的旅行时，这里指初至波走时，dl为积分步长，s为慢度。射线路径与介质的慢度函数及波的类型有关，用于在已知初至波的走时情况下反推出慢度函数。其基本原理是将射线的初至波走时表示为离散形式，通过求和计算所有射线在各个网格中的长度，得出该射线穿越网格的总长度。

若给定初始模型，假设第i条射线在第j个网格的长度为lij,则该射线的初至波走时可以表示为：

其中，n代表该射线穿越的面元数。图2为最短射线在变速地层介质模型中的路径。

图2 最短射线走时

地震波的能量不仅仅沿着最短路径传播，由于地震波具备一定的频带宽度，速度也存在差异，地震波是在一定宽度限定范围内传播的。在射线附近的介质特性同样会对地震波的传播产生影响。描述出空间中每一点对接收信息的影响程度，才有可能得到更加精确的反演结果。研究表明，第一菲涅耳带的宽度可通过波的主周期的一半来定义，对地震波传播产生影响的区域主要集中在第一菲涅尔体内的射线邻域，接收到的地震波是地层介质一定宽度限定范围内的综合效应。菲涅耳带的范围可由波的主周期的一半来定义，即：

其中，τsx是从炮点到共中心点的走时，τxr是从检波点到共中心点的走时，τsr是从炮点到检波点的最短路径时间，f是初至波的主频。

菲涅耳带走时方程可表示为：

Γ=∫PR(l)-1∫Rs(x)drdl (9)

其中，Γ代表初至波的菲涅耳射线走时，R是与射线P正交的菲涅耳椭圆，dr是积分面元，R(l)是菲涅耳椭圆面积总和，x代表共中心点的坐标。

简化菲涅耳带走时方程，可给出它的离散形式，即：

其中，Γi代表第i条菲涅耳射线走时路径，n为菲涅耳带内最短射线穿越的面元，q代表与射线正交截面上菲涅耳带范围，ωk是网格k上慢度对走时的影响因子，αk是菲涅耳带在网格k上的比例，A是所有αk之和，lij为第i条最小走时射线在第j个网格上的长度，sk为网格k上的慢度。

可以看出菲涅耳射线具有宽度和体积，其形态随着波传播距离和速度的变化而变化。图3表明一条菲涅耳射线穿过地层介质时的路径远大于一条最短走时射线所穿过的网格数。

如果考虑多次覆盖观测方式，即多个激发点与多个接收点，对同一个共反射面元来说，菲涅耳射线所形成的射线密度则是一条反射带，速度变化引起的最小走时射线阴影区在菲涅耳射线意义下可能不复存在。基于菲涅耳带的初至走时层析反演方法能够改善层析反演的质量，菲涅耳射线带可改善射线分布情况。

图3 一条菲涅耳射线带走时

由公式(10)可导出层析反演方程，即：

其中，Δti为正演初至与拾取初至之时间差，Δsk为慢度修正量。

基于上述过程，在炮集初至波上拾取FBT(First Break Time),进行走时层析反演，得到了近地表速度模型。

2、实例应用

2.1 初至的准确拾取

城市地质活动断裂调查应用层析反演技术时，准确识别初至波至关重要。经过线性校正(LMO)后，如图4所示，初至波能够消除炮检距变化所造成的不均匀现象，可参考邻近炮记录的走时情况，从而快速拾取初至波的走时FBT。

图4 LMO后的初至波显示

图5 FBT质量监控显示

2.2 反演结果的应用

初至层析反演处理要达到两个目的：初至层析反演的静校正应用于叠加成像，以便更清晰地显示出活动断裂的特征；提供较准确的表层速度模型，叠加剖面活动断裂上下盘位置有明显的速度异常带。只有达到这两个目的才能确认初至层析反演解决方案是合适的、适用的。

根据DP2-7测线进行层析反演静校正处理后的结果，图6展示了应用层析静校正后的叠加剖面(上)和初至波反演(下)获得的速度分布情况。应用反演精校正的叠加剖面可准确定位断层的位置及断裂上断点。而初至波反演速度模型则主要反映了表层的速度结构和地层特征，在断裂构造附近区域可观察到明显的波速异常带，这对于断层定位具有重要的参考价值。

图6 DP2-7叠加剖面与初至波层析反演

图7展示的DP2-8测线应用层析反演静校正的地震剖面能够基本展现浅地层的构造及断裂特征，近地表速度模型主要反映了表层的速度结构和地层特征，与地震成像特征高度吻合，可在断裂构造的上下两盘附近区域明显观察到波速异常带的存在。

3、结论

采用初至波层析反演方法在城市地质活动断裂调查中获得了较好的数据处理结果，初至的准确识别对于层析反演技术在城市地质活动断裂调查中的应用非常重要。通过线性校正和走时监控可获得高质量的初至波走时FBT,为后续的层析反演提供准确的基础信息。利用初至层析反演方法进行分析获取浅层地层及构造信息，可获取0～200 m深度地层结构，反演结果较清晰地反映了表层速度结构的横向变化和异常体的分布情况，能够较准确地识别断层位置。初至层析反演技术为城市地质活动断裂调查提供了一种可靠的技术手段，反演的结果明确揭示出多个断层的位置和走向，为城市规划和建设提供了重要参考。

图7 DP2-8地震剖面与初至波层析反演

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