地球物理学报  2019, Vol. 62 Issue (6): 2321-2327   PDF    
高铁地震数据干涉成像技术初探
张唤兰1,2, 王保利3, 宁杰远4,6, 李幼铭5,6     
1. 西安科技大学地质与环境学院, 西安 710054;
2. 陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室, 西安 710054;
3. 中煤科工集团西安研究院有限公司, 西安 710049;
4. 北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871;
5. 中科院地质与地球物理研究所, 北京 100029;
6. 高铁地震学联合研究组, 北京 100029
摘要:高铁运行会引起铁轨的震动,从而产生地震波向地下介质中传播,通过研究该地震波可对高铁沿线的地质情况进行持续监测.与常规地震勘探中的震源相比,高铁地震中的震源较为复杂,为移动震源,而地震干涉技术可以通过地震记录间的相互干涉,消除震源的影响,因此可利用地震干涉技术对高铁地震信号进行处理并成像.本文通过分析研究,总结出地震干涉方法在处理高铁地震数据时的关键技术问题:不同于常规地震干涉中先干涉后叠加的干涉成像方式,高铁地震移动源的特点使得干涉顺序变为先叠加后干涉,由此带入了大量震源串扰噪声;初步提出两种解决高铁地震干涉成像的思路:通过对高铁地震信号的处理,使高铁变相"提速"或"降速",给出了"提速"或"降速"后各自的成像思路,并给出了数据处理的技术设想.
关键词: 地震干涉      高铁地震      格林函数      串扰噪声     
Interferometry imaging using high-speed-train induced seismic waves
ZHANG HuanLan1,2, WANG BaoLi3, NING JieYuan4,6, LI YouMing5,6     
1. College of Geology and Environment, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054, China;
2. Shaanxi Provincial Key Laboratory of Geological Support for Coal Green Exploitation, Xi'an 710054, China;
3. Xi'an Research Institute of China Coal Research Institute, Xi'an 710049, China;
4. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China;
5. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
6. The Joint Research Group of High-Speed Rail Seismology, Beijing 100029, China
Abstract: A running high-speed-train can cause vibration of rails, generating seismic waves to propagate in the subsurface. Geological conditions along a railroad can be continuously monitored by studying such seismic waves. Compared with conventional seismic exploration, the source of high-speed-train induced seismic waves, a moving one, is more complex. The seismic interferometry can eliminate the influence of the source through the interference between seismic records. Therefore, this method can be used to process high-speed-train seismic signals and image subsurface structure. This paper summarizes the key technical problems of seismic interferometry in this aspect. Unlike conventional seismic interferometry, the moving source of the high-speed-train makes the interference sequence superimposed first and then interfered, which brings in a lot of source crosstalk noise. Two solutions to this issue are put forward preliminarily:the high-speed-train can be "accelerated" or "decelerated" in a disguised form by processing the signal of high-speed-train seismic waves, and the ideas on imaging after "acceleration" or "deceleration" and the technical approach of data processing are proposed, respectively.
Keywords: Seismic interferometry    High-speed-train seismic    Green's function    Crosstalk noise    
0 引言

随着社会经济的高速发展,连接各个城市之间的交通网也在飞速的发展,目前中国已成为全世界拥有规模最大及运营速度最高的高速铁路网的国家.高速铁路因其快捷、舒适的优点,成为人们穿梭于各大城市间的首选旅行工具.根据铁路“十三五”发展规划(2017)(中华人民共和国国家发展和改革委员会, 2017),2020年我国铁路网布局将更加优化和完善,全国铁路营业里程将达到15万km,其中高铁3万km,高铁路网将覆盖80%以上的大城市.随着高速铁路建设步伐的加快以及既有铁路的全面提速,高速列车和重载列车引起的振动对周围环境的影响也愈加突出,尤其当列车速度接近地表的瑞利波速时,会引起振动放大现象(李志毅等,2007),对周围环境的影响会加剧.因此有必要在铁路沿线按一定间隔布设检波器记录高铁运行过程中振动引起的地震波,通过分析不同时期信号的变化研究路基的变化,从而实现对高铁沿线地质情况的持续监测及灾害预警.

与常规地质调查相比,以高铁作为震源的地质勘察具有以下优点:观测系统一次布设后,可开展长期、动态的路基勘察;避免了常规炸药震源所产生的施工效率低和次生灾害问题;高铁震源使用便捷,每条高铁线路平均间隔5 min便有一趟列车通过,日均100多趟,由于符合叠加性原理(局部时间内),因此有望提供成像质量较好的探测结果;高铁震源数据低频信息丰富,可用于地球深部探测.高铁地震由于是长期监测,因此数据存储量和处理工作量巨大,但随着计算机的快速发展,这一问题可被忽略.

高铁运行时激发地震波的震源复杂,而地震干涉法可以通过地震道的相关叠加,形成接收点激发、接收点接收的虚震源记录,从而能解决震源复杂的问题,为我们研究地下地质情况提供便利.地震干涉法通过地震记录的相关和求和得到虚拟事件,这些事件的射线路径较短并且其震源和接收点更靠近目标区域.斯坦福大学的Claerbout(1968)描述了如何通过地下震源生成的自相关道得到地球表面的格林函数,其中地下震源的位置和激发时间未知,所以该方法被认为是被动源地震方法.该理论在一维介质情况下分别利用合成数据(Claerbout,1968)、天然地震数据(Scherbaum, 1987a, b)和合成VSP数据(Katz,1990)得到了证实.后来,Claerbout和他的学生把这种相关扩展到了多维模型,并称这种方法为“日光成像”(daylight imaging),“日光”一词意味着激发非相干地震能量的点源是随机分布的.Schuster(2001)解除了震源随机分布的限制,把“日光成像”重新命名为地震波干涉.2014年,Vidal和Wapenaar(2014)把多维反褶积与多维去相关算法相结合,对复杂的地下构造进行被动源地震波干涉成像.2015年,Boullenger和Draganov(2015)通过多维反褶积地震干涉技术进行了震源重建.Weemstra等(2017)研究了多维反褶积干涉法反射边界条件.

国内,王保利(2007)研究了Walkaway VSP数据的相干成像,并对实际数据进行了处理,结果表明在不影响成像效果的基础上,成像范围得到了很大的拓宽.吴世萍等(2011)研究了上覆地层比较复杂时的基于虚源估计的地震相干成像.朱恒于2015年(朱恒,2015)在抛物Radon域中应用了地震干涉技术,压制了虚假信息的产生,程浩于2016(程浩,2016)提出了线性Radon域被动源数据地震波干涉技术.雷朝阳于2017年(雷朝阳和刘怀山, 2017)研究了被动源成像中的透射响应与反射响应的关系.

目前,尚未见到把运行中的高铁作为震源进行地震勘探的相关文献,本文将利用地震干涉技术对高铁地震数据进行初步成像研究,分析其中的关键问题,并给出初步思路.

1 高铁地震干涉法及存在的问题 1.1 地震干涉法

地震勘探中经常用地震干涉技术将一种观测系统变换成另一种观测系统,如将VSP数据转换为地面地震数据,或将多井VSP数据转换成井间地震数据,也可以将地面地震多次反射波波场转换为一次反射波波场.

以地面地震为例,假设有一个两层的水平介质模型,反射界面深度为100 m,反射界面上层的速度为2000 m·s-1,在地面沿直线等间隔布设若干个震源点,并在距该直线垂直距离100 m处A点和200 m处B点分别布设两个接收点(如图 1),则A、B两点的格林函数(图 2ab)可表示为

图 1 观测系统示意图 Fig. 1 Sketch of observational system
图 2 模拟记录图和干涉图 (a)和(b)分别为A点和B点接收到的模拟记录;(c)为干涉图. Fig. 2 Synthetic records and interferogram (a) and (b) are the synthetic records received at A and B, respectively; (c) The interferogram.

(1)

其中x表示某一震源点,dAdB分别表示波场从震源点x传播到A点和B点的空间距离,k为波数.A、B两点的格林函数作相关,得到两点之间的近似格林函数(图 2c):

(2)

将所有震源点进行叠加,可使得G(B|A)(图 3a)更加接近真实的格林函数(图 3b):

图 3 干涉得到的记录(a)与理论记录(b)对比 Fig. 3 Comparison between interferometric (a) and theoretical records (b)

(3)

图 3中可以看出,地震干涉法得到的结果(图 3a)与解析解(图 3b)时间相同,即地震数据经过干涉后可获得在运动学上与理论记录等价的信号.

1.2 高铁地震干涉及存在的问题

高铁在行进过程中,相当于一个移动震源,假设列车在记录的起始时刻从x0点开始匀速移动,那么振动的铁轨离散点对接收点A的格林函数为

(4)

其中,d(x)为铁轨各离散点作为震源时波场传播到A点的距离,C为列车行驶速度,V为地震波传播速度.移动列车对单点A的模拟数据如图 4a所示,此时的格林函数(图 4b)与真实格林函数(图 4c)吻合度较差.

图 4 移动列车模拟数据 (a)模拟记录;(b)模拟记录计算得到的格林函数;(c)真实格林函数. Fig. 4 Simulated data of moving train (a) Simulated record; (b) Computed Green′s function by (a); (c) Real Green′s function.

假设在高铁铁轨附近有两个点A和B分别接收铁轨振动产生的地震信号,那么列车匀速行驶时,铁轨各离散点对点A和点B的格林函数分别为

(5)

两点做互相关,结果为

(6)

与(3)式对比,可以看出高铁地震数据的地震干涉与常规地震干涉不同:常规地震干涉时,其顺序是先干涉再沿震源路径积分,因此不存在震源之间的相互串扰导致的噪声(但有不同波场之间的相互串扰问题);而高铁地震中,由于震源是移动的,因此各接收点接收到的数据本身已对震源路径积分,因而在进行干涉时会产生大量的不同震源点之间的相互串扰(公式(6)中不包含下划线的部分均为串扰项)问题,严重降低了干涉记录的信噪比,使得其与真实记录相差甚远而不能直接进行成像.

2 高铁地震干涉成像的解决思路

从高铁地震数据成像原理可以看出,由于高铁地震中移动震源的特点导致常规的先相关后叠加变为先叠加后相关,因而产生了大量震源串扰噪声,解决这一问题需要从压制或者避免震源串扰噪声着手.

2.1 高铁“加速”

根据以上分析,并从公式(4)可以看出,震源串扰的问题主要是因为接收记录中包含对震源路径x的积分造成的,因此避免积分是解决串扰问题的途径之一.

公式(5)中,若列车运行速度C趋于无穷大时,该式变为

(7)

式(7)为线源分别对A和B两点的格林函数,其积分项为振荡函数,根据稳相分析可得:

(8)

其中,xAxB分别为A和B各自对应的稳相点,当介质为横向各向同性时,则分别为A点和B点在震源路径上的投影点,此时公式(8)的意义是:xA(或xB)激发,A(或B)点接收的记录,因此可依据常规地震数据成像方法进行成像.

当列车运行速度达到无穷大,列车经过时,A点接收到的记录(图 5b)与理论计算得到的稳相点激发A点接收的记录(图 5c)吻合,此时,利用常规反射波成像方法即可将其中的反射波归位成像.

图 5 C→∞时A点接收到的记录(包含直达波和反射波) (a)铁轨离散点源激发,A点接收的记录;(b)沿铁轨路径积分后A点实际接收到的记录;(c)理论计算得到的A点对应的稳相点激发、A点接收到的记录. Fig. 5 Records received at A(C→∞) (a) Records reveived at A, and simulated at discrete point source of railway track; (b) Record obtained by stacking all the traces in (a); (c) Theoretical record received at A, and stimulated at stable-phase-point corresponding to point A.

因此,利用这一思路的重点在于如何通过数据处理,使得在已知列车运行速度的情况下,将接收点接收到的记录进行处理,获得C→∞时的等效记录.本文提出一种初步的处理思路:公式(4)中由于高铁震源移动项的作用,使得路径积分前先进行了时移(如图 4a); 那么借鉴地震数据中倾角时差校正方法,通过将接收点接收到的信号(如图 4b)复制扩展成二维,再按一定斜率(由列车速度决定)和权系数进行叠加,即可完成时差校正,进而能采用地震干涉技术成像.

2.2 高铁“降速”

另一种解决思路是采用分段近似方法将连续移动源等效为多个局部时窗内静止点源的组合,此时在任一局部时窗内,可以认为高铁震源是静止的,因而在干涉时也可以避免震源串扰问题.这种情况下,需要考虑的问题是多长时间内可认为列车是静止的.

高铁的正常运行速度通常为300 km·h-1(约合83 m·s-1),而地震波传播速度通常在1500 m·s-1以上,约20倍的高铁运行速度.为了进一步分析,我们假设在Δt时间段内,高铁移动的距离Δx与地震波波长λ满足Δx < < λ时,认为该Δt时间段内高铁是静止的.根据关系,得到则:

(1) 在常规的地震勘探频率范围内,很难满足该条件,因此需考虑通过信号处理使高铁“降速”以减小C

(2) 使用低频数据,以尽可能满足该条件.

按时间段划分后首先通过地震干涉获得虚拟炮集记录,然后通过震源定位技术获得震源点的位置,最后借用常规方法即可完成后续的高铁地震数据处理和成像.

“减速”同样也可以采用“加速”一致的处理思路,不同的是,通过调整斜率参数(比如负斜率),达

到增加时差变相降低高铁运行速度的效果.此外,如上面所述,使用低频数据时可满足条件,则可在该时间段内认为列车近似静止,从而可利用常规地震干涉方法进行高铁地震数据成像.但由于使用的是低频数据,因此适合于进行地球深部成像(高铁震源低频信号丰富,有利于进行深部探测),或者低频面波勘探.

3 实际数据试算

利用某地实际采集到的高铁地震数据进行测试,观测系统如图 6所示,在距离高铁轨道约75 m起,沿着垂直铁轨方向等间隔布设17个接收点,接收点排列长度为120 m,记录总时长为24 h,共计有87趟列车经过.

图 6 某地实际数据采集观测系统图 Fig. 6 Observational system of data acquisition at a place
图 7 高铁地震数据干涉虚拟炮集记录 Fig. 7 Virtual shot gather of high-speed-train seismic interferometry

依据地震干涉方法,选离铁轨最近的接收点接收到的记录作为参考信号,与其余所有道记录进行干涉,得到的虚拟炮集记录如图 7所示,从图中可以清楚看出速度为1600 m·s-1的直达纵波和600 m·s-1的直达横波,后续的波场视速度与直达波基本一致(如图中300 ms和600 ms处),考虑到高铁83 m·s-1的运行速度及约24 m的车轮间距,认为这些噪声主要是车轮之间的串扰引入的相干噪声(车轮之间的时差约24/83≈290 ms),且这些噪声以300 ms时差周期性出现在后续波场中,严重降低了虚拟炮集记录的信噪比,影响后续反射波成像.从虚拟干涉记录中也可以看出,有效波场主要分布在300 ms之内,且主频约为20 Hz(低频时串扰影响弱),而其中的高频部分以及300 ms之后的波场由于受到强串扰噪声的影响信噪比很低.

本次采集数据道数少,且采集时间较短,使得虚拟记录信噪比低,因此不足以进行常规的反射波成像.

4 结论与展望

文中讨论了地震干涉法的原理及其用于高铁地震数据成像的可行性,通过理论分析和实际高铁地震数据试验,认为常规地震的干涉技术是先相关后叠加,而高铁地震则是先叠加后相关,由此在利用地震干涉成像技术时引入了震源串扰项.为此,我们初步提出了两种思路来解决这一问题:一种是通过数据处理使高铁“提速”,将高铁移动源变为线源,从而避免干涉时的震源串扰问题;另一种方法是高铁“降速”或利用低频数据并在局部时间范围内认为列车是静止的,因此在该时间范围内进行地震干涉也可减弱串扰问题.

文中初步给出了“提速”或“降速”的数据处理技术设想,后续计划对该设想进行研究,以避免或压制高铁地震数据在进行地震干涉时产生的大量震源串扰问题,提高高铁地震数据干涉成像质量.

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