一种基于地震反射和车辆噪声的联合探测方法

1.本发明属于地震勘探技术领域，具体涉及一种基于地震反射和车辆噪声的联合探测方法。


背景技术：

2.基于经济、便捷、环保等方面的要求，通常采用可控震源激发地震波探测地下空间结构，现代交通网络因其四通八达的特点已成为地震勘探测线的优选。为了压制道路上车辆的干扰，保证地震资料的品质，一般勘探过程中尽量选用输出力较大的可控震源。但是，在覆盖层较厚的平原地区，由于纵波波长较长，浅层折射波易于与纵波反射波以及震源激发的干扰波之间相互干扰，导致纵波地震反射剖面上60m以内的地震成像效果较差，而横波波长较短，采用反射横波勘探方法有可能获取到60m以内浅地下速度信息，然而该方法受横波震源和激发条件的限制，难以适用于大规模的地震勘探。
3.因此，亟需充分利用地震反射勘探和交通噪声中的面波信息，提出一种基于地震反射和车辆噪声的联合探测方法，获取浅地表地下速度结构信息。


技术实现要素：

4.本发明为了弥补可控源低频成分缺失导致反演深度较浅的问题，提出了一种基于地震反射和车辆噪声的联合探测方法，充分利用地震反射波和交通噪声中的面波信息，实现了对浅层地表结构特征的有效获取，为郊区、无人区等噪声水平较低地区的联合勘探成像奠定了基础。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种基于地震反射和车辆噪声的联合探测方法，具体包括如下步骤：
7.步骤1，在研究区内设置震源和地震测线，获取研究区内的主动源地震记录和被动源地震记录；
8.步骤2，根据地震测线的测量距离，将被动源地震记录划分为多个长度相等的地震记录段，再根据测量时长将各地震记录段划分为多个时间片段，分别对各时间片段内的被动源地震数据进行预处理；
9.步骤3，基于地震干涉法，分别针对预处理后的各地震记录段，对各时间片段内的被动源地震数据进行互相干处理，通过对各时间片段内的被动源地震数据进行偏移距叠加和归一化处理后，得到各地震记录段的虚源炮集记录，确定被动源地震记录所对应的虚源炮集记录；
10.步骤4，根据被动源地震记录所对应的虚源炮集记录，获取各地震记录段中各时间片段内的虚源炮集数据，通过将各虚源炮集数据划分为因果部分虚源炮集数据和非因果部分虚源炮集数据，使得各时间片段划分为因果部分虚源炮集数据片段和非因果部分虚源炮集数据片段两个部分，基于双向虚源炮集记录信噪比筛选方法分别对各时间片段中的虚源炮集记录进行筛选，再分别对各地震记录段筛选后保留的因果部分虚源炮集记录片段和非
因果部分虚源炮集数据片段进行相位加权叠加，得到被动源地震记录所对应的因果部分虚源炮集记录和非因果部分虚源炮集记录；
11.步骤5，根据被动源地震记录所对应的因果部分虚源炮集记录和非因果部分虚源炮集记录，对比因果部分虚源炮集记录和非因果部分虚源炮集记录，选取信噪比高的虚源炮集记录作为被动源面波记录或者将因果部分虚源炮集记录和非因果部分虚源炮集记录叠加后作为被动源面波记录；
12.步骤6，对研究区的主动源地震记录和被动源面波记录进行频散分析，获取主动源频散能量图和被动源频散能量图，提取主动源频散曲线和被动源频散曲线，再对主动源频散曲线和被动源频散曲线进行整合，得到研究区的宽频带频散曲线。
13.优选地，所述步骤1中，研究区的地震测线上设置有多个检波器，获取地震测线测量的地震记录和震源产生的面波记录，将震源产生的面波记录作为主动源地震记录，在地震记录中扣除主动源地震记录，得到被动源地震记录。
14.优选地，所述步骤2中，预处理包括对被动源地震数据进行去趋势和去均值处理、时间域上的归一化处理和带通滤波处理。
15.优选地，所述步骤3中，分别针对各地震记录段进行如下处理：
16.步骤3.1，在地震记录段内任选一个时间片段；
17.步骤3.2，根据时间片段内各被动源地震数据的测量位置，获取时间片段内m个检波器的位置，在时间片段内任意选取两个检波器位置，共计得到个检波器组合，任选一种检波器组合进行被动源地震数据的互相干处理；
18.步骤3.2，根据所选的检波器组合获取两个检波器的位置，在其中一个检波器位置处设置接收点a，用于接收地震数据的接收点a，在另一个检波器位置处设置虚源点b，用于设置虚源震源；
19.步骤3.3，提取接收点a和虚源点b之间的经验格林函数，对接收点a和虚源点b之间的被动源地震数据进行互相干处理，得到如公式(1)所示：
[0020][0021]
式中，ch(xa,xb,ω)为接收点a和虚源点b的互相干记录，υ(xa,ω)为接收点a处的被动源地震数据，xa为接收点a的位置，υ(xb,ω)为虚源点b处的被动源地震数据，xb为虚源点b的位置，υ
*
(xb,ω)为υ(xb,ω)的复共轭，ω为被动源地震数据的频率，ε为正则化参数；
[0022]
步骤3.4，改变检波器组合，根据检波器组合中检波器的位置重新设置接收点a和虚源点b，返回步骤3.2中继续进行互相干处理，直至遍历完所选时间段内全部的检波器组合，得到所选时间片段的互相干记录，进入步骤3.5；
[0023]
步骤3.5，在地震记录段中重新选取时间片段，返回步骤3.2中继续进行互相干处理，直至遍历完地震记录段中的所有时间片段，得到地震记录段中各时间片段的互相干记录，进入步骤3.6；
[0024]
步骤3.6，分别针对各地震记录段，对各时间片段内的互相干记录进行偏移距叠加并进行归一化处理，得到地震记录段所对应的虚源炮集记录，获得被动源地震记录所对应
的虚源炮集记录。
[0025]
优选地，所述步骤4中，具体包括如下步骤：
[0026]
步骤4.1，分别针对各地震记录段执行步骤4.2～步骤4.3，对各地震记录段中所有时间片段内的虚源炮集记录进行筛选，重新构建各地震记录段的因果部分虚源炮集数据和非因果部分虚源炮集数据后，进入步骤4.5；
[0027]
步骤4.2，根据地震记录段所对应的虚源炮集记录，获取地震记录段的虚源炮集数据，将地震记录段中各时间片段内的虚源炮集数据划分为因果部分虚源炮集数据和非因果部分虚源炮集数据，形成因果部分虚源炮集记录片段和非因果部分虚源炮集记录片段；
[0028]
步骤4.3，分别针对各时间片段，在因果部分虚源炮集记录片段和非因果部分虚源炮集记录片段中选取信号窗口，计算时间片段中因果部分虚源炮集记录片段和非因果部分虚源炮集记录片段的信噪比，得到时间片段的虚源炮集记录信噪比值r，如公式(2)所示：
[0029][0030]
其中，
[0031][0032][0033]
式中，为时间片段中因果部分虚源炮集片段的信噪比，为时间片段中非因果部分虚源炮集片段的信噪比，n为信号窗口内虚源炮集数据的数量，wi为信号窗口内第i个虚源炮集数据的加权因子，xi为信号窗口内第i个虚源炮集数据的偏移距；
[0034]
基于双向虚源炮集记录信噪比r对时间片段中的虚源炮集记录进行筛选，当时间片段中双向虚源炮集记录信噪比r＞1时，筛除掉非因果部分虚源炮集记录片段，保留因果部分虚源炮集记录片段；当时间片段中双向虚源炮集记录信噪比r＜1时，筛除掉因果部分虚源炮集记录片段，保留非因果部分虚源炮集记录片段；当时间片段中双向虚源炮集记录信噪比r＝1时，同时筛除掉时间片段的因果部分虚源炮集记录片段和非因果部分虚源炮集记录片段；
[0035]
步骤4.4，分别针对各地震记录段，对同一地震记录段内各时间片段筛选后保留的因果部分虚源炮集记录片段进行相位加权叠加，重新构建地震记录段的因果部分虚源炮集数据，再对同一地震记录段内各时间片段筛选后保留的非因果部分虚源炮集记录片段进行相位加权叠加，重新构建地震记录段的非因果部分虚源炮集数据；
[0036]
步骤4.5，根据各地震记录段内重新构建的因果部分虚源炮集数据，得到被动源地震记录所对应的因果部分虚源炮集记录，再根据各地震记录段内重新构建的非因果部分虚源炮集数据，得到被动源地震记录所对应的非因果部分虚源炮集记录。
[0037]
优选地，所述步骤5中，通过对比因果部分虚源炮集记录和非因果部分虚源炮集记录的信噪比确定被动源面波记录时，若因果部分虚源炮集记录的信噪比高于非因果部分虚源炮集记录的信噪比时，则选取因果部分虚源炮集记录作为被动源面波记录，若因果部分虚源炮集记录的信噪比低于非因果部分虚源炮集记录的信噪比时，则选取非因果部分虚源
炮集记录作为被动源面波记录。
[0038]
优选地，所述步骤6中，基于相移法分别对研究区的主动源地震记录和被动源面波记录进行频散成像，得到研究区的主动源频散能量图和被动源频散能量图。
[0039]
本发明所带来的有益技术效果：
[0040]
本发明提出了一种基于地震反射和车辆噪声的联合探测方法，通过获取研究区的主动源地震记录和被动源地震记录，对被动源地震记录进行互相干处理获取虚源炮集记录，并基于双向虚源炮集记录信噪比筛选方法对虚源炮集记录进行筛选得到因果部分虚源炮集记录和非因果部分虚源炮集记录，获取被动源面波记录。本发明方法充分考虑了实际探测时因被动源地震记录采集时长有限存在时域叠加不充分，解决了被动源地震记录中因非稳态噪声源影响难以消除导致被动源面波频散成像模糊的问题，有效削弱了非稳态噪声源对被动源地震记录的影响。
[0041]
同时本发明基于双向虚源炮集记录信噪比对被动源地震记录所对应的虚源炮集数据进行筛选，不仅降低了非稳态噪声源影响，还提出了双方向噪声源相互干涉所产生的干扰，充分保留了单方向噪声源产生的有效信号，并将主动源面波分析与被动源面波分析相结合，利用地震反射波和交通噪声中的面波信息实现了对浅地表结构准确获取，为郊区、无人区等噪声水平较低地区的主动源和被动源面波联合成像提供了依据。
附图说明
[0042]
图1为本发明一种基于地震反射和车辆噪声的联合探测方法的流程图。
[0043]
图2为路边车辆噪声观测系统的示意图。
[0044]
图3为根据路边车辆噪声观测系统采集到的基阶频散曲线合成的噪声记录。
[0045]
图4为采用本发明方法对路边车辆噪声观测系统采集噪声记录的处理结果。图4中(a)为采用本发明方法处理路边车辆噪声观测系统采集噪声记录得到的虚源炮集记录，图4中(b)为采用本发明方法处理路边车辆噪声观测系统采集噪声记录得到的频散能量谱。
[0046]
图5为不同偏线距离条件下获取的频散曲线。
[0047]
图6为深度域反射剖面。图6中(a)为纵波地震反射剖面，图6中(b)为横波地震反射剖面。
[0048]
图7为河堤土路的噪声数据。图7中(a)为河堤土路的车辆噪声数据示意图，图7中(b)为河堤土路噪声数据的频谱图示意图。
[0049]
图8为采用本发明方法筛选的虚源炮集记录与未筛选虚源炮集记录的对比图，图8中(a)为未筛选的虚源炮集记录，图8中(b)为未筛选虚源炮集记录的频散能量图，图8中(c)为采用本发明方法筛选的虚源炮集记录，图8中(d)为筛选后虚源炮集记录的频散能量图。
[0050]
图9为采用本发明方法处理获取的主动源地震记录和被动源面波记录，图9中(a)为主动源地震记录，图9中(b)为被动源面波记录，图9中(c)为主动源频散能量图，图9中(d)为被动源频散能量图。
[0051]
图10为瑞雷波相速度剖面图。
[0052]
图11为测点反演结果，图11中(a)为实测频散曲线与反演模型频散曲线拟合图，图11中(b)为反演模型与横波反射模型对比图。
[0053]
图12为地震测线的横波速度剖面。
具体实施方式
[0054]
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
[0055]
本发明提出了一种基于地震反射和车辆噪声的联合探测方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
[0056]
步骤1，在研究区内设置震源和地震测线，地震测线上设置有多个检波器，利用震源和地震测线测量研究区的地震记录和震源产生的面波记录，将震源产生的面波记录作为主动源地震记录，在地震记录中扣除主动源地震记录，得到被动源地震记录，从而得到研究区的主动源地震记录和被动源地震记录。
[0057]
步骤2，根据地震测线的测量距离，将被动源地震记录划分为多个长度相等的地震记录段，再根据测量时长将各地震记录段划分为多个时间片段，本实施例中各时间片段的测量时长为10s，分别对各时间片段内的被动源地震数据进行预处理，本实施例中采用常规地震数据预处理方法对被动源地震数据进行预处理，预处理包括被动源地震数据进行去趋势和去均值处理、时间域上的归一化处理和带通滤波处理(带通滤波处理过程中设置频率范围宽度为1～25hz)，并且，由于本实施例地震测线上的检波器型号均相同，所以本实施例处理过程中无需去除地震记录中的仪器响应。
[0058]
步骤3，基于地震干涉法，分别针对预处理后的各地震记录段，对各时间片段内的被动源地震数据进行互相干处理，通过对各时间片段内的被动源地震数据进行偏移距叠加和归一化处理后，得到各地震记录段的虚源炮集记录，确定被动源地震记录所对应的虚源炮集记录。
[0059]
本实施例中为了确定各地震记录段的虚源炮集记录，获取被动源地震记录所对应的虚源炮集记录，分别针对各地震记录段进行如下处理：
[0060]
步骤3.1，在地震记录段内任选一个时间片段。
[0061]
步骤3.2，根据时间片段内各被动源地震数据的测量位置，获取时间片段内m个检波器的位置，在时间片段内任意选取两个检波器位置，共计得到个检波器组合，任选一种检波器组合进行被动源地震数据的互相干处理，利用互相干处理恢复交通噪声的经验格林函数。
[0062]
步骤3.2，根据所选的检波器组合获取两个检波器的位置，在其中一个检波器位置处设置接收点a，用于接收地震数据的接收点a，在另一个检波器位置处设置虚源点b，用于设置虚源震源。
[0063]
步骤3.3，提取接收点a和虚源点b之间的经验格林函数，对接收点a和虚源点b处被动源地震数据在频率域上的互相干处理如公式(1)所示：
[0064][0065]
式中，ch(xa,xb,ω)为接收点a和虚源点b的互相干记录，υ(xa,ω)为接收点a处的被动源地震数据，xa为接收点a的位置，υ(xb,ω)为虚源点b处的被动源地震数据，xb为虚源点b的位置，υ
*
(xb,ω)为υ(xb,ω)的复共轭，ω为被动源地震数据的频率，ε为正则化参数，用于防止因公式(1)中分母数值太小而导致互相干记录计算结果的不稳定，本实施例中正
则化参数ε取值为0.0001。
[0066]
步骤3.4，改变检波器组合，根据检波器组合中检波器的位置重新设置接收点a和虚源点b，返回步骤3.2中继续进行互相干处理，直至遍历完所选时间段内全部的检波器组合，得到所选时间片段的互相干记录，进入步骤3.5。
[0067]
步骤3.5，在地震记录段中重新选取时间片段，返回步骤3.2中继续进行互相干处理，直至遍历完地震记录段中的所有时间片段，得到地震记录段中各时间片段的互相干记录，进入步骤3.6。
[0068]
步骤3.6，分别针对各地震记录段，对各时间片段内的互相干记录进行偏移距叠加并进行归一化处理，得到地震记录段所对应的虚源炮集记录，获得被动源地震记录所对应的虚源炮集记录。
[0069]
由于利用互相干处理获取的虚源炮集记录包括因果部分(正时间轴)和非因果部分(负时间轴)两个部分，当噪声场源分布均匀时，虚源炮集记录的因果部分和非因果部分的振幅和到达时间均相同，然而，在大多数情况下噪声源的分布不均匀，特别是具有高度可变性和随机性强的交通噪声，这就使得虚源炮集记录的因果部分和非因果部分两者的振幅存在显著差异，而这种振幅差异能够用来进一步对噪声源能量的方向性进行描述。
[0070]
步骤4，根据被动源地震记录所对应的虚源炮集记录，获取各地震记录段中各时间片段内的虚源炮集数据，通过将各虚源炮集数据划分为因果部分虚源炮集数据和非因果部分虚源炮集数据，使得各时间片段划分为因果部分虚源炮集数据片段和非因果部分虚源炮集数据片段两个部分，基于双向虚源炮集记录信噪比筛选方法分别对各时间片段中的虚源炮集记录进行筛选，剔除来自相反方向噪声源的干扰，再分别对各地震记录段筛选后保留的因果部分虚源炮集记录片段和非因果部分虚源炮集数据片段进行相位加权叠加，得到被动源地震记录所对应的因果部分虚源炮集记录和非因果部分虚源炮集记录，具体包括如下步骤：
[0071]
步骤4.1，分别针对各地震记录段执行步骤4.2～步骤4.3，对各地震记录段中所有时间片段内的虚源炮集记录进行筛选，重新构建各地震记录段的因果部分虚源炮集数据和非因果部分虚源炮集数据后，进入步骤4.5。
[0072]
步骤4.2，根据地震记录段所对应的虚源炮集记录，获取地震记录段的虚源炮集数据，将地震记录段中各时间片段内的虚源炮集数据划分为因果部分虚源炮集数据和非因果部分虚源炮集数据，形成因果部分虚源炮集记录片段和非因果部分虚源炮集记录片段。
[0073]
步骤4.3，分别针对各时间片段，在因果部分虚源炮集记录片段和非因果部分虚源炮集记录片段中选取信号窗口，本实施例中信号窗口根据面波相速度范围确定，用于在虚源炮集记录片段中选取时间区间，计算时间片段中因果部分虚源炮集记录片段和非因果部分虚源炮集记录片段的信噪比，得到时间片段的虚源炮集记录信噪比值r，如公式(1)所示：
[0074][0075]
其中，
[0076]
[0077][0078]
式中，为时间片段中因果部分虚源炮集片段的信噪比，为时间片段中非因果部分虚源炮集片段的信噪比，n为信号窗口内虚源炮集数据的数量，wi为信号窗口内第i个虚源炮集数据的加权因子，xi为信号窗口内第i个虚源炮集数据的偏移距。
[0079]
基于双向虚源炮集记录信噪比r对时间片段中的虚源炮集记录进行筛选，当时间片段中双向虚源炮集记录信噪比r＞1时，表示因果部分虚源炮集记录片段的能量流较大，筛除掉非因果部分虚源炮集记录片段，保留因果部分虚源炮集记录片段；当时间片段中双向虚源炮集记录信噪比r＜1时，表示非因果部分虚源炮集记录片段的能量流较大，筛除掉因果部分虚源炮集记录片段，保留非因果部分虚源炮集记录片段；当时间片段中双向虚源炮集记录信噪比r＝1时，同时筛除掉时间片段的因果部分虚源炮集记录片段和非因果部分虚源炮集记录片段。
[0080]
由于地震测线沿道路铺设，使得噪声源主要集中在地震测线两端，本实施例中基于双向虚源炮集记录信噪比r筛选虚源炮集记录，不但能够减小非稳态噪声源的影响，还能有效剔除双方向噪声源相互干涉产生的干扰，保留单方向噪声源产生的有效信号。
[0081]
步骤4.4，分别针对各地震记录段，对同一地震记录段内各时间片段筛选后保留的因果部分虚源炮集记录片段进行相位加权叠加，重新构建地震记录段的因果部分虚源炮集数据，再对同一地震记录段内各时间片段筛选后保留的非因果部分虚源炮集记录片段进行相位加权叠加，重新构建地震记录段的非因果部分虚源炮集数据。
[0082]
步骤4.5，根据各地震记录段内重新构建的因果部分虚源炮集数据，得到被动源地震记录所对应的因果部分虚源炮集记录，再根据各地震记录段内重新构建的非因果部分虚源炮集数据，得到被动源地震记录所对应的非因果部分虚源炮集记录。
[0083]
步骤5，根据被动源地震记录所对应的因果部分虚源炮集记录和非因果部分虚源炮集记录，可采用两种方法获取被动源面波记录，一种方法是通过对比因果部分虚源炮集记录和非因果部分虚源炮集记录的信噪比确定被动源面波记录，对因果部分虚源炮集记录和非因果部分虚源炮集记录的信噪比进行对比，若因果部分虚源炮集记录的信噪比高于非因果部分虚源炮集记录的信噪比时，则选取因果部分虚源炮集记录作为被动源面波记录，若因果部分虚源炮集记录的信噪比低于非因果部分虚源炮集记录的信噪比时，则选取非因果部分虚源炮集记录作为被动源面波记录，另一种方法是将因果部分虚源炮集记录和非因果部分虚源炮集记录叠加后作为被动源面波记录。
[0084]
步骤6，对研究区的主动源地震记录和被动源面波记录进行频散分析，并基于相移法分别对研究区的主动源地震记录和被动源面波记录进行频散成像，获取主动源频散能量图和被动源频散能量图，提取主动源频散曲线和被动源频散曲线，再对主动源频散曲线和被动源频散曲线进行整合，得到研究区的宽频带频散曲线。
[0085]
实施例1
[0086]
本实施例从理论模型出发，验证本发明一种基于地震反射和车辆噪声的联合探测方法的有效性。本实施例中基于背景噪声数据模拟方法将噪声源设置为点震源或偶极子源，将多个噪声源在检波器处的响应叠加形成检波器记录的噪声数据。一般情况下，由噪声
源激发的高频面波抵达检波器时已经可近似为稳定的平面波，所以本实施例中采用频率域叠加的方法模拟被动源地震记录，虽然该方法没有考虑面波不同模式之间能量分配的不同，并且，仅能模拟稳定传播的面波，当噪声源离地震测线较近时，无法满足平面波假设，使得面波的低频成分和高阶成分传播不稳定，相速度偏离面波稳定传播时的理论相速度，但是该方法计算速度较快，所以本实施例采用频率域模式叠加的方法利用层状地层模型验证一种基于地震反射和车辆噪声的联合探测方法的有效性。
[0087]
本实施例中层状地层模型设置呈两层，各层位的地层参数如表1所示，仅考虑基阶模式，设置路边车辆噪声观测系统采集层状地层模型的地震数据，如图2所示，路边车辆噪声观测系统由51道地震测线接收(即本实施例中路边车辆噪声观测系统包括51个接收点和1000个平行排列的噪声源)，检波器设置在原点左右分布，地震测线的排列长度设置为200m、道间距设置为4m。噪声源随机分布在距离地震测线10m的平行线上(偏线距离为10m)，噪声源的分布范围为600m。噪声源激发的子波类型均是主频5hz的雷克子波、延迟时长为1s，模拟过程中采样率设置为200hz、模拟时长设置为1000s，噪声源在记录时间内随机激发，获取的模拟地震数据中不含有随机噪声，如图3所示。
[0088]
表1层状地层模型的参数
[0089][0090]
利用本发明方法对路边车辆噪声观测系统采集到噪声记录进行处理得到虚源炮集记录和频散能量谱，如图4所示，根据地震测线长度设置为200m排列长度能够分辨的频率降低至2hz，因此，将速度控制分析频率限制在2～12hz范围内，得到图4(b)中频散能量峰值与理论值相吻合，从而利用理论模型确定了利用被动源地震记录能够较为精确的获取面波频散曲线，即验证了本发明方法的有效性。
[0091]
考虑到偏线距离是影响面波频散测量的关键参数，当偏线距离超过一定长度时，将无法忽略噪声源主方向与排列夹角对频散测量的影响，所以为了测试噪声源偏线距离对面波频散测量的影响，根据实际道路宽度，分别模拟获得偏线距离设置为20m、40m、70m和100m时的频散能量图，通过对比不同偏线距离条件下获取的频散能量图，发现随着偏线距离的增加，实测频散曲线与理论频散曲线之间的偏差越来越大，进一步根据频散能量的峰值自动拾取频散曲线并在2～12hz范围内对各频散曲线进行归一化，如图5所示，分析图5可得，当偏线距离小于40m时，实测频散曲线与理论频散曲线之间的相对偏差小于5％，当偏线距离为70m时，实测频散曲线与理论频散曲线之间的相对偏差为5％～8％，当偏线距离为100m时，实测频散曲线与理论频散曲线之间的相对偏差超过了11％。虽然实际道路上车辆行驶所引起的真实噪声远比模拟数据复杂，但是模拟结果提供了一个近似参考，即当偏线距离小于40m时，实测频散曲线与理论频散曲线之间的相对偏差小于5％，验证了采用本发明方法能够满足实际面波勘探的误差要求。
[0092]
应用实验
[0093]
在华北平原高阳县沿河堤土路上应用本发明提出的一种基于地震反射和车辆噪
声的联合探测方法，在高阳县沿河堤土路上设置于常规反射地震观测系统相同的主动源和被动源面波联合勘探观测系统，采用滚动采集的方式获取地震数据。
[0094]
主动源和被动源面波联合勘探观测系统中排列有192道接收道、96道备用道，当滚动采集因备用道不足需要将排列尾端部分转移至排列前端时，重新布置排列时采集被动源地震记录，这样在不增加地震数据采集成本的前提下，同时对主动源地震记录和被动源地震记录进行采集。同时，为了保证对被动源地震记录的长时间观测和满覆盖要求，要求相邻两侧被动源观测排列需要存在一定的重合率，按照面波勘探排列不值得方式，将重合率设置为0.5(即相邻两次被动源观测排列间距为排列长度的一半)，利用可控震源进行主动源数据采集的便捷高效，而交通道路为被动源数据采集提供了高效可靠的噪声源。
[0095]
开展主动源和被动源联合成像试验，根据华北平原高阳县的地质资料得到该研究区第四系地层厚度约为430m，主要岩性成分为粘土、粉质粘土、粉质砂和细砂，粉砂层和细砂层之间分布有含水薄层。河堤土路的宽度为7.3m，沿河堤土路设置352个地震采集仪器(本实施例中采用sercel sn428地震采集仪器)采集获得了43炮单炮记录和80分钟连续记录的车辆噪声，采集过程中设置垂直检波器的主频为4hz、道间距为3m、采样率为1ms，震源采用bv260低频可控震源，炮间距设置为18m，bv260低频可控震源产生频带范围为5～260hz的有效地震激发信号，设置扫描频带为1～80hz，车辆噪声主要由bv260震源车(重量为14000kg)和越野车(重量为2200kg)沿河堤土路来回移动产生。
[0096]
为获取纵波反射剖面和横波反射剖面进行了两次地震反射勘测，一次采用可控震源震源和100h垂直分量检波器进行地震反射勘测，另一次采用锤击震源和4hz水平分量检波器，纵波和横波测线有1.0km公里的重叠，纵波和横波反射采集参数如表2所示。
[0097]
表2纵波和横波反射采集参数
[0098][0099]
利用地震数据处理软件分别对纵波和横波反射数据进行预处理，预处理步骤以及相关设置参数如表3所示。
[0100]
表3纵波和横波反射数据处理流程
[0101][0102]
由于本实施例中河堤土路地势较为平坦，省略掉静校正步骤，先利用带通滤波器抑制低频和超高频噪声，再利用f-k滤波方法去除面波干扰，考虑到地震记录中声波具有宽频带和强振幅等特点，对于声波去噪后的地震数据沿声波斜率创建滑动窗口，对滑动窗口内的振幅进行平均压制高振幅声波后，对去噪后的炮集数据进行地表一致性预测反褶积和拓频，提高地震事件的分辨率。结合剩余静校正，对相邻共中点道集形成的超道集进行高精度速度扫描分析。在实现动校正和叠加的常规步骤之后，利用构造约束滤波抑制叠加剖面中的随机噪声。鉴于研究区地下构造较为平坦，本次处理过程中并没有进行偏移成像以保持叠后剖面的分辨率。最后，根据叠加速度计算层速度，将双向走时转换为深度，得到了深度域反射剖面，如图6所示，对比图6(a)和图6(b)可得，由于浅地表物质泊松比较高，横波速度较低，使得波长比纵波短，结合研究区的地质资料可知，研究区深度100m以上的浅层沉积地层主要为第四纪松散砂岩与粘土互层。基于纵波地震反射剖面和横波地震反射剖面，识别出正断层f1(如图6中实线所示)和6个主要的地震相t1～t6(如图6中虚线所示)，地震相t1和t2是连续的，而其余地震相被3700m附近的f1断层轻微错断。相比之下，分析纵波地震反射剖面可得，地震相t1和t2地震相变得不连续和模糊，很难识别，即采用传统的纵波反射法对研究区浅层(深度30m以上地层)构造的识别能力较差。
[0103]
采用主动源和噪声数据测试本发明方法，噪声数据如图7所示，，分析得到噪声数据的能量主要集中于2～25hz的频带内，将本采用本发明方法筛选的虚源炮集记录与未进行筛选的虚源炮集记录进行对比，如图8所示，对比发现由于处理过程中设置信号窗口为100～600m/s，经本发明方法筛选后的虚源炮集记录大大削弱了速度大于600m/s的相干信号，对比图8(b)和图8(d)中的频散能量图可得，采用本发明方法筛选后，虚源炮集记录的成像质量有显著的改善，能够可靠识别的最大频率约为25hz，最低频率约为2hz，与频率分析结果一致。由于高频段频散曲线(》11hz)的相速度近似恒定且可能存在高阶模态频散曲线干扰，所以将提取基阶频散曲线的频率限定为2～11hz。对比主动源地震记录、主动源频散能量图以及被动源面波记录、被动源频散能量图，如图9所示，主动源地震记录对应的频散曲线频带为3.3～20hz，而被动源面波记录对应的频散曲线频带为2～20hz，两者在重合频带吻合较好，从而验证了本发明方法应用于被动源地震记录的有效性。
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分别主动源频散能量图和被动源频散能量图中提取了43条频散曲线，得到43条主动源频散曲线和43条被动源频散曲线，将主动源频散曲线和被动源频散曲线整合为一个频
带更宽的频散曲线，得到研究区的宽频带频散曲线，在重叠频段3.3～11hz，主动源频散曲线和被动源频散曲线具有较好的一致性，整合后的频散曲线能够反映出80m测点下方地下平均结构，将各测点下的一维频散曲线组合得到沿地震测线的瑞雷波相速度剖面，如图10所示，由图10可得，在2～11hz频段内，瑞雷波相速度范围为155～381m/s，采用本发明方法能够探测到低于4hz的两个速度界面。
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基于阻尼最小二乘法和奇异值分解方法反演横波速度。相比于纵波速度和密度，频散曲线对横波速度和层厚更为敏感，面波反演过程中设置泊松比恒定。由于存在地下含水层导致测区内纵波速度从700m/s急剧变化到1400m/s，此时泊松比恒定的条件不再成立。利用地震反射资料中的纵波信息约束横波反演，将走时层析成像与从纵波反射获得的层速度相结合，建立纵波速度结构。假定反演过程中纵波速度和层厚不变，将最大探测深度设为最大波长的一半，根据纵波速度结构，将反演模型设置为8层结构，反演模型中各层模型参数如表4所示。
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表4反演模型参数表
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根据经验公式计算确定反演模型的初始横波速度，初始横波速度的最小均方根误差约为2m/s，用于表征实测频散曲线和模型理论频散曲线的失配程度。第一个测点的反演结果如图11所示，经过三次迭代横波波速的最小均方根误差从40.2m/s下降到1.6m/s，从图11(b)中可以得到研究区的潜水面深度约为12米，潜水面对横波速度影响较小，波速从170m/s增高到230m/s。由图11(b)中可得t5层速度层略低于t4层速度且远低于t6层速度。将反演速度剖面与有横波反射得到的横波层间速度对比，两者的平均相对偏差为11.13％，再将所有测点的反演结果组合在一起，并通过插值得到地震测线的横波速度剖面，如图12所示，对比后发现采用本发明方法最大探测深度约为90m，而采用主动多道面波分析方法的最大探测深度仅为40m，即本发明方法具有较好的实际效果，有利于郊区、无人区等噪声水平较低地区的主动源和被动源面波联合成像。
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当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。