技术领域
[0001] 本
发明涉及
地震勘探领域，特别涉及一种被动源地震频率谐振勘探方法。
背景技术
[0002] 常规地震勘探技术是在时间域进行勘探的技术。除面波勘探利用近地表面波的速度频散特性对地下介质进行空间和属性成像以外，其它所有的地震勘探技术均由波场走时确定勘探目的物的空间
位置和属性特征。常规地震勘探和面波地震勘探技术已经发展的比较成熟，广泛应用于资源环境、工程地质等地学领域。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种被动源地震频率谐振勘探方法，可以利用
地震波谐振原理对地下介质进行空间和属性成像。
[0004] 为实现上述目的，本发明提供了一种被动源地震频率谐振勘探方法，包括如下步骤：步骤1，利用
检波器采集地下介质的响应
信号形成地震时间序列数据；步骤2，将步骤1采集的数据经过傅里叶变换成频率域数据；步骤3，对经过步骤2的在同一检波点位置的数据进行频率域
叠加，形成频率域振幅叠加数据Amp(f)；步骤4，将经过步骤3处理后的频率域数据经过速度和标准井参数校正转换到深度域数据：
[0005] 如果所述步骤1的检波器采集的是单一
水平分量数据，深度域
频谱振幅Γ(d)＝Amp(d)为单一分量谱振幅；如果所述步骤1的检波器采集的是多分量数据，将两个水平分量进行合成得到深度域频谱振幅 垂直分量单独形成振幅谱Γ(d)，经过标准井参数校正的振幅谱随后转换到深度域的数据属性为视波阻抗比率数据，经过积分变换成为视波阻抗数据；步骤5，对经过步骤4得到的数据进行图像
可视化处理后得到视波阻抗比率或视波阻抗成像数据Image(d)，或将数据直接输出文本型数据以便于应用其它可视化
软件进行
图像处理。
[0006] 优选地，对地震时间序列数据进行野值剔除、自动增益及几何位置加载处理。
[0007] 优选地，在步骤3之前，对所述频率域数据进行噪音压制和对不同频率的吸收衰减按需要进行或不进行补偿处理。
[0008] 优选地，对每个检波点处采集的数据重复步骤2至步骤5获得整个剖面的视波阻抗比率或视波阻抗成像数据。
[0009] 优选地，步骤1中，采集地下介质响应信号的最低频率应该小于Fmin＝0.5·V/Dmax，最大频率应该大于Fmax＝0.5·V/Dmin，其中Dmin为测量的最小深度，Dmax为测量的最大深度，V为待测地下介质平均速度。
[0010] 优选地，步骤1中，采集地下介质响应信号的时间长度应大于10/Fmin，
数据采集过程中的数据
采样时间间隔为ΔT，且
[0011]
[0012] 优选地，对数据进行自动增益
数据处理时，其窗口时长大于1/Fmin。
[0013] 优选地，步骤2中所需傅里叶变换的时间域数据的时间长度大于1/Fmin。
[0014] 优选地，步骤4中的标准井参数为实际的近测点处的地质参数或根据勘探
精度要求人为制作的标准井地质参数，根据公式
[0015] UI·Г＝UM
[0016] 获得标准井底下地震波振幅UI，其中UM为地面实测的地震波振幅，Г为谐振发生后波场放大系数，该井下波场振幅UI用来对近测点地震波场进行标定。
[0017] 与
现有技术相比，本发明具有如下有益效果：该方法依靠地下介质对环境振动产生的谐振效应获得弹性波传递函数，实现对地下地质体的波阻抗或其比率成像，由于其不依赖于界面反射系数大小而依赖于介质内部的波阻抗比率以及采用被动源方式，它具备对介质属性变化进行精细勘探的功能。因此，解决了常规地震勘探难以解决的对
密度变化进行探测的问题，解决了近地表因地震数据初至造成常规地震勘探技术的盲区问题，解决了垂直
断层等横向速度与密度快速变化造成的难以成像的问题，特别解决了复杂介质内部差异的精细区分问题，为复杂构造地区的地震勘探特别是浅层地震勘探提供了一种经济的和快速解决的技术方案。
附图说明
[0018] 图1是多层大地应用等效层概念等效成均匀半空间上方一层大地图示；
[0019] 图2是根据本发明的被动源地震频率谐振勘探方法的
流程图；
[0020] 图3是利用本发明的被动源地震频率谐振勘探方法与钻孔资料的对比图；
[0021] 图4利用是本发明的被动源地震频率谐振勘探方法探测1000米深度的实验图。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
[0023] 除非另有其它明确表示，否则在整个
说明书和
权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
[0024] 首先说明本发明的基本原理：
[0025] 任何物体都存在自身的固有频率，大到地球小到微
电子，由于物质成分几何形状以及结构大小不同，其固有频率不同。固有频率是自然界赋予物体的自然属性。当振动作用于物体，物体要做出相应的响应，振动的频率与物体的固有频率一致时，物体将产生谐振从而放大震动的幅度。弹性地震波含有丰富的频率成分，如果地震波在地面下方通过反射或者折射向地面传播，具有固有频率的
地层将被同一频率的地震波激励发生谐振，在地表接收到的地下振动U将是G和M的函数，有：
[0026] U(ω,C)∝G(ω,C)·M(ω,C) (A1)
[0027] M函数为从下向上传播时，波场的传递函数(transfer function)，G为表征几何特征的函数。在被动源地震勘探中，由于接收的信号大多来自远离
震源的环境噪声，在长期观测的统计学背景下，G函数可被视为常量。由此，长期观测的数据信号统计学意义上仅仅是地下介质传递函数M的函数。
[0028] 假设地球表面是层状介质，在均匀大地上方层状介质(C为复速度)情况下，
波动方程为：
[0029]
[0030] 解的振幅函数(几何函数G为1时)可表述为：
[0031]
[0032] 其中：
[0033] Rej＝Rej-1cosSj-1-Imj-1sinSj-1 (A4)
[0034] Imj＝αj-1(Imj-1cosSj-1+Rej-1sinSj-1) (A5)
[0035] Sj＝Kj·Hj
[0036]
[0037]
[0038] 其中ρ为密度。
[0039] 对于均匀大地上方
单层模型，当S＝90°时(发生谐振)，公式(A3)变成[0040]
[0041] 从(A7)式可见，当地层发生谐振，几何函数为1时，波场的振幅值是传递函数，其值是下层波阻抗与上覆岩层波阻抗的比值。也就是说，如果介质的 接近于 将仅仅存在介质波阻抗比率α与传递函数的单纯关系。这种频率谐振的规律是普遍的，对于不同厚度层的介质，只要调节kh，也即寻找到可匹配的达到谐振的频率f0，也就同时得到与谐振有关的仅仅代表物质属性的函数Amp(α)。
[0042] 本发明的等效层概念设定：
[0043] 如图1所示，对于多层介质的情况，地球物理中一般可将其等效成一层或少数几层以便简化处理。等效层厚度为多层介质的厚度之和，波阻抗ρsvs为各层介质波阻抗的均方根波阻抗，有
[0044]
[0045]
[0046] 多层介质情况下，由此可得n层情况的传递函数振幅表达式。
[0047]
[0048] 由此可见，测量得到的传递函数(transfer function)应该是频率域由高频向低频变化，深度域由浅向深变化的波阻抗比值，我们可称其为视波阻抗比率。按照常理分析，地面附近的波阻抗是可测的或已知的，进而可以通过积分比值函数得到视波阻抗值。
[0049] 基于以上，如图2所示，根据本发明具体实施方式的一种被动源地震频率谐振勘探方法，包括如下步骤：
[0050] 步骤1，数据采集，利用检波器采集地下介质的响应信号形成地震时间序列数据，该步骤中，一般应用单一水平分量或多分量地震数据采集方法，采集地下介质响应信号，形成振幅关于时间的地震时间序列数据。在待测地可以存在多只检波器，并在不同时间进行数据采集，所采集的数据可以是单分量的数据，也可以是多分量的数据，可以采集非人为主动性激发的振动波。
[0051] 步骤2，傅里叶变换，该步骤中，将经过步骤2后的数据经过傅里叶变换成频率域数据。
[0052] 优选地，在傅里叶变换处理前，可以对地震时间序列数据进行野值剔除、自动增益及几何位置加载处理。对数据进行以野值剔除、噪音压制以及自动增益控制和信号采集检波器的几何位置确认等数据处理是一种初步的数据处理过程，该过程在具体的数据处理中可以根据实际需要进行增减或全部实施。
[0053] 步骤3，对经过步骤2的在同一检波点位置的数据进行频率域叠加，形成频率域振幅叠加数据Amp(f)。在该叠加步骤中，包括对步骤1采集的时间域数据经过步骤2-步骤4处理后的各个相同频率长度的傅里叶谱的叠加处理。还包括在相同地点应用不同采集装置同时或不同时经过步骤①采集的时间域数据经过步骤2-步骤4处理后的傅里叶谱的叠加处理。最终，将在检波器所在位置最终形成一个频率域振幅叠加数据Amp(f)。
[0054] 步骤4，叠后波谱的时深转换。该步骤中，将经过步骤3处理后的频率域数据依据速度参数和标准井参数转换成深度域的视波阻抗或其比率。
[0055] 如果所述步骤1的检波器采集的是单一水平分量数据，深度域频谱振幅Γ(d)＝Amp(d)为单一分量谱振幅；如果所述步骤1的检波器采集的是多分量数据，将两个水平分量进行合成得到深度域频谱振幅 垂直分量单独形成振幅谱Γ(d)或根据需要与两个水平分量一起进行
能量合成。经过标准井参数校正的振幅谱随后转换到深度域的数据属性为视波阻抗比率数据，经过积分变换成为视波阻抗数据；
[0056] 上述步骤中，应用步骤1采集的地震数据转换成的视波阻抗比率，是随深度变化的下层波阻抗与上覆地层平均波阻抗比值，即
[0057]
[0058] 其中，Γn为第n层深度处的视波阻抗比率；ρi为第i层深度处的密度；vi为地层深度处的横
波速度；Δhi为第i层地层厚度。
[0059] 步骤5，对经过步骤4得到的数据进行图像可视化处理后得到成像数据Image(d)。成像数据Image(d)是随深度变化的视波阻抗比率或进一步对其积分处理得到的视波阻抗值。数据进行图像可视化处理后得到视波阻抗比率或视波阻抗成像数据Image(d)，也可或将数据不经过图像可视化处理直接输出文本型数据以便于应用其它可视化软件进行图像处理。
该步骤中，对经过步骤5处理的数据一般再进行滤波
整理等。最后根据成像数据Image(d)完成成像剖面。
[0060] 具体地，所述成像数据Image(d)是依据上述步骤1到步骤5应用速度和标准井模型参数对波场振幅进行校正以后得到的地下波阻抗数据和其比率数据，与真实地质参数比较仅仅是一种近似，所得成像结果故称为视波阻抗或其比率。
[0061] 作为一种优选的
实施例，在步骤4之前，对频率域数据进行噪音压制和介质对不同频率的吸收衰减进行补偿处理。本方案中，对数据进行以噪音压制和不同频率吸收衰减补偿为目的的地震数据处理是一种辅助性的数据处理，其在实际操作过程中可以根据数据采集
质量和对最终成果的期望要求进行取舍。步骤4中的数据处理方法为
选定的标准井参数，可以是实际的近测点处的地质参数，也可以根据勘探精度要求人为制作标准井地质参数。这些参数包括深度、波阻抗、地理坐标位置。根据已知标准井参数和标准井地面位置所实际测量的地震波振幅谱，应用公式
[0062] UI·Г＝UM
[0063] 获得标准井底下地震波振幅UI。UM为地面实测的地震波振幅，Г为谐振发生后波场放大系数。放大系数Г为井中实测上下层波阻抗比值。由此公式获得井下波场振幅UI，从而对附近实测地震波场进行标定，进而得到整个剖面的视波阻抗比率或视波阻抗值。
[0064] 作为一种优选的实施例，对每个检波点处采集的数据重复步骤2至步骤5获得整个剖面的视波阻抗比率成像数据。
[0065] 作为一种优选的实施例，步骤1中，采集地下介质响应信号的最低频率要求低于Fmin＝0.25·V/Dmax，最大频率要求高于Fmax＝0.5·V/Dmin，其中Dmin为测量的最小深度，Dmax为测量的最大深度，V为待测地下介质平均速度。
[0066] 作为一种优选的实施例，步骤1中，采集地下介质响应信号的时间长度应大于10/Fmin，数据采集过程中的数据采样时间间隔ΔT应有
[0067] 作为一种优选的实施例，步骤2中对数据进行自动增益数据处理时，其窗口时长大于1/Fmin，该步骤中，对数据进行自动增益控制数据处理时，其窗口时长应该大于1/Fmi,以保护所需频率的信号特征关系不发生畸变。
[0068] 作为一种优选的实施例，步骤3中所需傅里叶变换的时间域数据的时间长度大于1/Fmin。
[0069] 作为一种优选的实施例，步骤5中速度值是全区每个物理测点下方的地层速度，依勘探精度的要求，其也可以是代表性的某一个点位或数个点位的地下介质的速度。
[0070] 作为一种优选的实施例，步骤5中标准井参数模型的确立，依据勘探精度的要求，可以是实际测量的井中参数，也可以是人为建立的井参数模型。此标准井参数模型的建立旨在统一求取当地地球表面统计性的不同频率的标准波场振幅，如果条件具备，该标准井参数模型可以定义多个，从而获取多个地点的标准场振幅，以便提高校正精度。
[0071] 利用本实施例的被动源地震频率谐振勘探方法实地勘查，验证了其科学性。
[0072] 实例1
[0073] 2017年10月，济南中心城区应用混合源面波和地震频率谐振技术开展了地质调查，以便查明
风化壳深度，断层以及岩溶等地质现象。图3为其中应用地震频率谐振方法技术对风化壳勘查中的一段剖面。图3中可见，该技术清楚地揭示了不同风化程度的风化壳的地质特征和厚度。
[0074] 实例2
[0075] 2018年3月，在北京北部地区，对1000米深度的
沉积岩层进行了频率谐振勘探方法技术的实验工作，目的是考察该方法技术对深部勘探的能
力和
分辨率。应用0.2Hz检波器，每物理点采集时间3小时，点距20米。图4清晰的揭示了750米处的20米厚度的泥质
砂岩层。说明该发明的勘探方法技术对深部的勘探也具有良好的分辨率。
[0076] 综上，本实施例的被动源地震频率谐振勘探方法，可以从地面或井中采集到的环境噪声信号数据中获得勘探目的物的地质图像和地质属性，无需人工震源，不同于常规地震勘探成像依赖于波场走时，以及面波勘探成像依赖于频散曲线反演，而是应用信号的频率以及
波长和标准参考井参数换算出深度从而定义地下介质的赋存位置并成像，不同于常规地震勘探技术主要依靠波阻抗界面反射系数和反射时间等参数实现对地下介质勘探的目的，不同于面波勘探技术依靠面波速度参数实现对地下介质勘探的目的，本勘探技术依靠地下介质对环境振动产生的谐振效应获得弹性波传递函数，实现对地下地质体的波阻抗和其比率成像。由于其不依赖于界面反射系数大小而依赖于介质内部的波阻抗比率以及采用被动源方式，它具备对介质属性变化进行精细勘探的功能。因此，本发明解决了常规地震勘探难以解决的对密度变化进行探测的问题，解决了近地表因地震数据初至造成常规地震勘探技术的盲区问题，解决了垂直断层等横向速度与密度快速变化造成的难以成像的问题，特别解决了复杂介质内部差异的精细区分问题，为复杂构造地区的地震勘探特别是浅层地震勘探提供了一种快速解决的技术方案，是一种新的无源频率域的地震勘查技术方法，应用领域涉及工程地质与水文地质勘查、地质灾害评估、道路地下缺损探测、矿产资源勘探、环境保护以及地下文物探查等。
[0077] 前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
