一種基于波速均勻的地震波定位方法

一種基于波速均勻的地震波定位方法

1炮點(diǎn)定位技術(shù)為了了解地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及石油和天然氣采礦業(yè)的服務(wù)，地震勘探通常通過人工方法激發(fā)地震波，并在該層上調(diào)查傳播情況。一般炮點(diǎn)(即震源)和檢波點(diǎn)(即地震波接收點(diǎn))的空間方位關(guān)系都是已知的,若地震勘探中炮點(diǎn)位置未知,僅依據(jù)檢波點(diǎn)陣列接收的地震波確定炮點(diǎn)位置,稱作炮點(diǎn)定位。準(zhǔn)確的地震波定位方法,可以更好地服務(wù)于地震勘探的工作。近年來,基于地球物理學(xué)發(fā)展起來的地震波監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng),已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于地質(zhì)勘探、資源勘探、礦山安全、水電地下工程監(jiān)測(cè)等方面2定位原理2.1震波的基本原理基于現(xiàn)有的條件,采用人工激發(fā)震源的方式產(chǎn)生地震波。炸藥爆炸時(shí)所釋放出的能量,會(huì)先轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓縮能,然后在氣體的膨脹過程中轉(zhuǎn)變成機(jī)械功,并產(chǎn)生高溫高壓的爆炸氣體向外膨脹沖擊巖體,使爆心附近(一般認(rèn)為3~7倍裝藥半徑R0范圍內(nèi))的巖體被壓碎、破裂接收到的地震波一般主要有縱向推進(jìn)波(P波)、橫向剪切波(S波)及瑞雷波(R波)3種,其中,R波是由縱波和橫波在地表相遇后激發(fā)產(chǎn)生的混合波。由于P波在地震波中傳播速度最快,且初至?xí)r間更易識(shí)別,因此通常情況下宜采用P波進(jìn)行定位2.2定位收斂條件為了消除波速的影響,在波速均勻的模型中采用相關(guān)系數(shù)作為震源位置收斂條件。其中,相關(guān)系數(shù)又稱作線性相關(guān)系數(shù),它是衡量變量之間線性相關(guān)程度的指標(biāo)。相關(guān)系數(shù)的計(jì)算方法為:2.3初至?xí)r間序列中檢波點(diǎn)的位置計(jì)算如圖2所示,在震源區(qū)域外圍放置兩條檢波器帶,兩條檢波器帶呈一定角度排列,形成一個(gè)坐標(biāo)系,震源位于坐標(biāo)系內(nèi)部。假設(shè)一個(gè)地震事件被N個(gè)檢波器檢測(cè)到。測(cè)得地震波的初至?xí)r間組合成序列M{Δt1,Δt2…ΔtN}。檢波器的距離組成一個(gè)序列N{Δd1,Δd2…ΔdN}。那么根據(jù)式(1)計(jì)算出點(diǎn)A點(diǎn)與初至?xí)r間序列M的相關(guān)系數(shù)rAM,同理可以計(jì)算出B點(diǎn)與M的相關(guān)系數(shù)rBM。假設(shè)A點(diǎn)是實(shí)際的震源位置,那么rAM=1。同樣,rBM=0.5,意味著B點(diǎn)是震源位置的可能性只有50%。實(shí)際中,由于存在各種干擾信號(hào),相關(guān)系數(shù)的值是無法達(dá)到最大值1,只能接近于12.4參考點(diǎn)相關(guān)系數(shù)計(jì)算根據(jù)有限元分析法的原理,首先需要將場(chǎng)地粗略的剖分成若干個(gè)大小相等的區(qū)域,計(jì)算其參考點(diǎn)(區(qū)域的幾何中心)相關(guān)系數(shù)。然后比較得出相關(guān)系數(shù)值最大的區(qū)域,對(duì)此區(qū)域進(jìn)一步細(xì)化剖分,比較相關(guān)系數(shù)值大小。如此反復(fù),直到計(jì)算結(jié)果滿足預(yù)先設(shè)定的條件。最終得出相關(guān)系數(shù)值最大的點(diǎn)就是所求的震源位置。3現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估和驗(yàn)證算法3.1炮點(diǎn)位置的標(biāo)識(shí)為了驗(yàn)證算法的有效性以及算法的精度,在小范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。具體實(shí)施方案如下:(1)在一塊空地(100m*100m)選定某點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)(記為O點(diǎn)),在距離坐標(biāo)原點(diǎn)10米處取一點(diǎn)(記為A點(diǎn)),以O(shè)A為X軸,在OA的垂直方向取一點(diǎn)B,OB作為Y軸,標(biāo)桿分別標(biāo)識(shí)O點(diǎn)、A點(diǎn)和B點(diǎn),定出一個(gè)直角坐標(biāo)系。然后在X和Y軸上每隔5米定出一點(diǎn)用小彩旗標(biāo)識(shí)出來,最后在標(biāo)定的位置布置檢波器以檢測(cè)地震波信號(hào),并將地震儀放置在O點(diǎn),接收并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。場(chǎng)地示意圖如圖3所示。(2)在靶場(chǎng)區(qū)域挖掘幾個(gè)小坑,將這些點(diǎn)作為震源位置。從圖3中可以看出,炮點(diǎn)1至10處于檢波器陣列所形成的矩形范圍之內(nèi),炮點(diǎn)11處于陣列范圍之外。(3)場(chǎng)地布置完成后,在預(yù)定位置通過人工激發(fā)震源的方式(試驗(yàn)采用中型爆竹作為爆炸物)引發(fā)震動(dòng),通過地震儀采集地震波信號(hào)。3.2炮點(diǎn)或震源的位置判定如圖4所示,是炮點(diǎn)6產(chǎn)生的地震波歸一化后的波形圖。從圖中可以看出,是典型的地震波波形。圖中有兩條明顯的弧線,其中前半部分是X方向的檢波器波形,另一半是Y方向的檢波器波形。其中每道上的紅點(diǎn)表示地震波的初至,用振幅最大值所在的位置判定得出,所有的紅點(diǎn)所形成的波形就是地震波到所有檢波器的初至?xí)r間為了能夠滿足精度與快速的兩個(gè)要求,需要對(duì)定位的參數(shù)進(jìn)行確定,以達(dá)到較好的定位效果。這次實(shí)驗(yàn)中主要包含兩個(gè)參數(shù):噪聲門限和定位點(diǎn)數(shù)。通過對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算與對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在計(jì)算波陣面的時(shí)候,將噪聲門限控制在N>=0.5的時(shí)候,可以很好的規(guī)避掉大部分的噪聲并取得比較理想的波形,而且最終計(jì)算得出的誤差值浮動(dòng)很小由于是根據(jù)計(jì)算相關(guān)系數(shù)的大小來判定震源的位置。根據(jù)相關(guān)系數(shù)的特點(diǎn),參與計(jì)算的波形要有一定的特征,因此參與定位的檢波器應(yīng)該呈現(xiàn)一定的曲線特性,所以至少應(yīng)該有5個(gè)以上的點(diǎn)。通過對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算,最終得到所有炮點(diǎn)(震源)的位置。最后對(duì)比震源的準(zhǔn)確位置和定位算法得出的位置,并計(jì)算出誤差值,見表1。4基于有限元法的震源定位法提出了在速度均勻、信噪比較高的模型中,使用相關(guān)系數(shù)與有限元法結(jié)合,通過地震波對(duì)震源進(jìn)行定位的方法。該方法無需預(yù)先知道地震波波速,從而可以節(jié)省大量的人力物力來