一种基于波速均匀的地震波定位方法

一种基于波速均匀的地震波定位方法

1炮点定位技术为了了解地质结构以及石油和天然气采矿业的服务，地震勘探通常通过人工方法激发地震波，并在该层上调查传播情况。一般炮点(即震源)和检波点(即地震波接收点)的空间方位关系都是已知的,若地震勘探中炮点位置未知,仅依据检波点阵列接收的地震波确定炮点位置,称作炮点定位。准确的地震波定位方法,可以更好地服务于地震勘探的工作。近年来,基于地球物理学发展起来的地震波监测与定位系统,已经广泛地应用于地质勘探、资源勘探、矿山安全、水电地下工程监测等方面2定位原理2.1震波的基本原理基于现有的条件,采用人工激发震源的方式产生地震波。炸药爆炸时所释放出的能量,会先转变为气体的压缩能,然后在气体的膨胀过程中转变成机械功,并产生高温高压的爆炸气体向外膨胀冲击岩体,使爆心附近(一般认为3~7倍装药半径R0范围内)的岩体被压碎、破裂接收到的地震波一般主要有纵向推进波(P波)、横向剪切波(S波)及瑞雷波(R波)3种,其中,R波是由纵波和横波在地表相遇后激发产生的混合波。由于P波在地震波中传播速度最快,且初至时间更易识别,因此通常情况下宜采用P波进行定位2.2定位收敛条件为了消除波速的影响,在波速均匀的模型中采用相关系数作为震源位置收敛条件。其中,相关系数又称作线性相关系数,它是衡量变量之间线性相关程度的指标。相关系数的计算方法为:2.3初至时间序列中检波点的位置计算如图2所示,在震源区域外围放置两条检波器带,两条检波器带呈一定角度排列,形成一个坐标系,震源位于坐标系内部。假设一个地震事件被N个检波器检测到。测得地震波的初至时间组合成序列M{Δt1,Δt2…ΔtN}。检波器的距离组成一个序列N{Δd1,Δd2…ΔdN}。那么根据式(1)计算出点A点与初至时间序列M的相关系数rAM,同理可以计算出B点与M的相关系数rBM。假设A点是实际的震源位置,那么rAM=1。同样,rBM=0.5,意味着B点是震源位置的可能性只有50%。实际中,由于存在各种干扰信号,相关系数的值是无法达到最大值1,只能接近于12.4参考点相关系数计算根据有限元分析法的原理,首先需要将场地粗略的剖分成若干个大小相等的区域,计算其参考点(区域的几何中心)相关系数。然后比较得出相关系数值最大的区域,对此区域进一步细化剖分,比较相关系数值大小。如此反复,直到计算结果满足预先设定的条件。最终得出相关系数值最大的点就是所求的震源位置。3现场评估和验证算法3.1炮点位置的标识为了验证算法的有效性以及算法的精度,在小范围内进行试验。具体实施方案如下:(1)在一块空地(100m*100m)选定某点作为坐标原点(记为O点),在距离坐标原点10米处取一点(记为A点),以OA为X轴,在OA的垂直方向取一点B,OB作为Y轴,标杆分别标识O点、A点和B点,定出一个直角坐标系。然后在X和Y轴上每隔5米定出一点用小彩旗标识出来,最后在标定的位置布置检波器以检测地震波信号,并将地震仪放置在O点,接收并存储数据。场地示意图如图3所示。(2)在靶场区域挖掘几个小坑,将这些点作为震源位置。从图3中可以看出,炮点1至10处于检波器阵列所形成的矩形范围之内,炮点11处于阵列范围之外。(3)场地布置完成后,在预定位置通过人工激发震源的方式(试验采用中型爆竹作为爆炸物)引发震动,通过地震仪采集地震波信号。3.2炮点或震源的位置判定如图4所示,是炮点6产生的地震波归一化后的波形图。从图中可以看出,是典型的地震波波形。图中有两条明显的弧线,其中前半部分是X方向的检波器波形,另一半是Y方向的检波器波形。其中每道上的红点表示地震波的初至,用振幅最大值所在的位置判定得出,所有的红点所形成的波形就是地震波到所有检波器的初至时间为了能够满足精度与快速的两个要求,需要对定位的参数进行确定,以达到较好的定位效果。这次实验中主要包含两个参数:噪声门限和定位点数。通过对所有数据进行分析计算与对比,发现在计算波阵面的时候,将噪声门限控制在N>=0.5的时候,可以很好的规避掉大部分的噪声并取得比较理想的波形,而且最终计算得出的误差值浮动很小由于是根据计算相关系数的大小来判定震源的位置。根据相关系数的特点,参与计算的波形要有一定的特征,因此参与定位的检波器应该呈现一定的曲线特性,所以至少应该有5个以上的点。通过对所有数据进行分析计算,最终得到所有炮点(震源)的位置。最后对比震源的准确位置和定位算法得出的位置,并计算出误差值,见表1。4基于有限元法的震源定位法提出了在速度均匀、信噪比较高的模型中,使用相关系数与有限元法结合,通过地震波对震源进行定位的方法。该方法无需预先知道地震波波速,从而可以节省大量的人力物力来