發(fā)布時間：2017-12-01 22:04

  本文關(guān)鍵詞：陸地地震勘探隨機噪聲建模與分析

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【摘要】：地震勘探是現(xiàn)代地球物理勘探方法的主要手段之一,通過炸藥或者可控震源得到的人工激發(fā)波在地層中傳播,依據(jù)地震波在不同地層的巖石中傳播的規(guī)律來推斷地下的地質(zhì)構(gòu)造情況。在地震勘探過程中會受到各種干擾,包括數(shù)據(jù)采集時的天氣狀況、周圍環(huán)境、人為作用、儀器等。因此地震勘探直接采集到的數(shù)據(jù)包含大量的噪聲,并且與有效信號疊加在一起,不能直接用作地質(zhì)解釋,需要先對其進(jìn)行數(shù)字信號處理。1960年開始,數(shù)字信號處理技術(shù)被引入到地震勘探中來,對地震資料進(jìn)行消噪的技術(shù)逐漸發(fā)展,并且對地震數(shù)據(jù)處理提出了“三高一準(zhǔn)”的要求。隨機噪聲作為影響地震資料信噪比的關(guān)鍵因素之一,隨機出現(xiàn)在地震記錄中的某一時間段或某些道記錄,覆蓋頻率范圍廣,沒有一定的視速度和傳播方向,其無規(guī)律性給隨機噪聲的壓制帶來很多困難。壓制隨機噪聲的方法有很多,已有的方法不斷被改進(jìn),新的方法也在不斷提出,但是對隨機噪聲的認(rèn)識依然是對其進(jìn)行壓制的首要條件。盡管隨機噪聲在頻率分布、傳播方向等方面是隨機的,但是在統(tǒng)計特征上遵循一定的規(guī)律性,近年來逐漸有專家學(xué)者通過對隨機噪聲進(jìn)行分析研究,尋找其規(guī)律性來選擇合適的噪聲壓制方法。目前對隨機噪聲的研究大多是定性研究,定量分析還比較少�；诖�,本文提出建立地震勘探隨機噪聲的理論模型,對其進(jìn)行定性定量的分析。按照噪聲源的種類進(jìn)行區(qū)分,研究由不同噪聲源引起的隨機噪聲在地震記錄中的基本特征;分析不同噪聲源的時空局部疊加效果;不同種類噪聲源的近地表響應(yīng)和動力學(xué)特征,從理論上分析不同因素對噪聲特性的影響和不同測區(qū)噪聲性質(zhì)發(fā)生變化的原因。通過對隨機噪聲建模選擇合適的濾波方法。具體工作如下:1.分別確定噪聲源函數(shù)模型和噪聲傳播模型,對隨機噪聲進(jìn)行建模。將隨機噪聲的產(chǎn)生原因作為噪聲分類的依據(jù),將其分為自然噪聲和人文噪聲兩大類。自然噪聲是由自然外力導(dǎo)致的噪聲,例如風(fēng)吹地表,植被等;人文噪聲是由人為作用造成的噪聲,例如機器運轉(zhuǎn),交通,人走動等。依據(jù)相應(yīng)的理論和實踐經(jīng)驗確定各類噪聲源的源函數(shù)。采用波動方程作為噪聲的傳播模型。由格林函數(shù)理論可知,連續(xù)分布的場源可以看成是點源的疊加,知道一個點源和它激發(fā)起的場,就可以利用疊加原理求出同樣邊值條件下任意場源激發(fā)起的場。據(jù)此假設(shè)各類噪聲源以點源的形式隨機均勻地分布在檢波器周圍地表,由于對檢波器而言,主要受噪聲源對地表的作用影響,假設(shè)地球是半無限大、均勻、各向同性、完全彈性的理想介質(zhì),因此噪聲源激發(fā)的彈性波以面波的形式傳播,則隨機噪聲是所有點源共同作用得到的綜合波場。通過解非齊次波動方程(驅(qū)動函數(shù)分別為各類噪聲源函數(shù))并疊加所有點源激發(fā)的波場,建立各類噪聲的理論模型。通過理論分析和實驗結(jié)果可以得出,風(fēng)速越大,地表越粗糙,山體越高越陡,引起的噪聲越大,噪聲能量分布的頻率越高;植被覆蓋越多,噪聲干擾越強,并且風(fēng)速越大,枝葉越細(xì)小,噪聲頻率越高。2.對實際測區(qū)隨機噪聲建模,并與實際噪聲對比以驗證建模方法的有效性。分別建立新疆塔里木沙漠地區(qū)和云南山地地區(qū)兩個測區(qū)隨機噪聲的理論模型,并將模擬噪聲與實際野外采集的數(shù)據(jù)相比較。由于隨機噪聲是時空域二維波場,因此分別將模擬噪聲和實際噪聲的振動圖和波剖面特征進(jìn)行對比,包括譜特征、相軌跡(僅在振動圖有)、均值、方差、峰度、偏度、均方根值、頻數(shù)分布和累積分布。沙漠地區(qū)隨機噪聲由風(fēng)吹地表所致的噪聲,以及近場人文噪聲和遠(yuǎn)場人文噪聲構(gòu)成。根據(jù)相應(yīng)的理論建立三種噪聲的理論模型,將其疊加后得到沙漠地區(qū)模擬噪聲記錄,并與實際噪聲進(jìn)行對比。結(jié)果顯示沙漠地區(qū)模擬噪聲和實際噪聲在時間域和空間域基本上是一致的。云南山地地區(qū)隨機噪聲由風(fēng)吹地表所致的噪聲,樹干搖動引起的地面微震,風(fēng)吹樹木枝葉發(fā)出的聲音,以及近場人文噪聲和遠(yuǎn)場人文噪聲組成。同沙漠地區(qū)一樣,分別對比云南山地地區(qū)實際噪聲的振動圖和波剖面的各項特性,可以看出模擬噪聲與實際噪聲幾乎是一致的。與沙漠地區(qū)相比,山地地區(qū)由于山體對風(fēng)速的加速效應(yīng)和植被覆蓋,噪聲頻率遠(yuǎn)高于沙漠地區(qū),而風(fēng)吹樹木引起的噪聲是導(dǎo)致山地噪聲高頻率的主要因素。通過對沙漠地區(qū)和山地地區(qū)的隨機噪聲建模,并將模擬噪聲與實際噪聲的各項特性進(jìn)行對比,兩個測區(qū)模擬噪聲與實際噪聲的特征基本是一致的,說明了隨機噪聲建模方法的有效性。實際隨機噪聲復(fù)雜多變,對隨機噪聲的建模結(jié)果是實際噪聲的近似結(jié)果,但是其主體部分。3.通過建立隨機噪聲的理論模型,選擇合適的濾波方法。濾波方法有很多,并且各有所長,同一種濾波方法對不同種類的噪聲有不同的壓制效果。對隨機噪聲建模,首先在進(jìn)行正演實驗時,可以選取所研究測區(qū)的模擬噪聲作為背景噪聲,為后續(xù)實際數(shù)據(jù)處理提供方便;其次,可以從理論上分析不同測區(qū)隨機噪聲的組成成分及其特性,從而選擇合適的濾波方法。本文通過建立塔里木沙漠地區(qū)和云南山地地區(qū)隨機噪聲的理論模型可以知道,沙漠地區(qū)隨機噪聲的主要組成部分為近場人文噪聲,其源函數(shù)為偽諧波(高斯包絡(luò)的余弦函數(shù))函數(shù),本文選擇復(fù)數(shù)域擴(kuò)散濾波法(Complex Diffusion Filtering,CDF),其原理是將薛定諤方程與線性擴(kuò)散方程結(jié)合后可以得到復(fù)數(shù)域擴(kuò)散方程,對其求解得到的實數(shù)解相當(dāng)于一個高斯窗函數(shù)和含噪信號進(jìn)行卷積的結(jié)果,但是比高斯濾波法更能保留信號自身的細(xì)節(jié)。分別對模擬記錄和野外資料進(jìn)行處理,均得到了較好的濾波結(jié)果。山地地區(qū)由于植被覆蓋,風(fēng)吹樹木枝葉發(fā)出的聲音幾乎覆蓋了其它種類的噪聲,頻率覆蓋范圍廣,在0Hz~225Hz左右,并且存在某幾個頻率較高的主頻率成分,因此選擇對此類噪聲壓制比較有效的濾波方法。文中選擇時頻峰值濾波(Time Frequency Peak Filtering,TFPF)對其進(jìn)行壓制,其濾波原理是求出含噪信號的解析信號后,估計該解析信號Wigner-Ville分布(Wigner-Ville Distribution,WVD)的最大值得到濾波后的信號,能在信噪比很低,約束條件比較少的情況下,較好地恢復(fù)出有效信號,相當(dāng)于一個時不變低通濾波器。分別采用TFPF對模擬記錄和實際數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,均得到比較理想的濾波結(jié)果。文章最后比較了CDF對山地地區(qū)隨機噪聲的壓制效果和TFPF對沙漠地區(qū)隨機噪聲的濾波效果,結(jié)果顯示CDF更適合沙漠地區(qū)而TFPF更適合山地地區(qū)。在選擇濾波方法的過程中,也比較了地震勘探信號處理中常用的中值濾波和小波變換的濾波結(jié)果,去噪的效果不是特別理想。CDF和TFPF只是兩個比較有效的例子,也有其他合適的濾波方法。對隨機噪聲進(jìn)行建�？梢詫﹄S機噪聲進(jìn)行定性、定量地分析,為選擇更適合的噪聲壓制方法提供理論指導(dǎo)作用,提高地震資料的信噪比、分辨率。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P631.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1242586