礦井槽波地震數(shù)據(jù)極化特征分析

馮 磊,周明奐,董 鄭,余為維

(河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,河南焦作 454000)

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礦井槽波地震數(shù)據(jù)極化特征分析

馮 磊,周明奐,董 鄭,余為維

(河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,河南焦作 454000)

摘 要:礦井槽波地震采集數(shù)據(jù)中,包含有多種類(lèi)型地震波,這些波常常疊合在一起,使得槽波信號(hào)提取困難。根據(jù)槽波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)極化特征差異,提出基于S變換的自適應(yīng)協(xié)方差矩陣槽波極化分析方法,構(gòu)建時(shí)頻域自適應(yīng)協(xié)方差矩陣,依據(jù)矩陣特征值和特征向量計(jì)算橢圓率和方位角極化參數(shù),通過(guò)極化參數(shù)分析信號(hào)振動(dòng)軌跡特征,設(shè)置極化濾波器,對(duì)槽波水平雙分量信號(hào)進(jìn)行波場(chǎng)分離。通過(guò)理論合成信號(hào)測(cè)試,利用信號(hào)在時(shí)頻域振動(dòng)極化特征可以分離在時(shí)間域和頻率域疊合的信號(hào);實(shí)際槽波數(shù)據(jù)極化分析發(fā)現(xiàn),線性極化的勒夫型槽波和橢圓極化的瑞利型槽波基本復(fù)合在一起,通過(guò)時(shí)頻域極化濾波可以有效分離。

關(guān)鍵詞:槽波;勒夫型;瑞利型;極化;分離

責(zé)任編輯:張曉寧

馮 磊,周明奐,董 鄭,等.礦井槽波地震數(shù)據(jù)極化特征分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(8):1886-1893.doi:10.13225/ j.cnki.jccs.2014.1534

自從2010年德國(guó)DMT公司防爆槽波地震儀引入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)以來(lái),槽波地震勘探技術(shù)重新引起各煤礦的廣泛關(guān)注。由于槽波在煤層傳播過(guò)程中,攜帶了大量煤層地質(zhì)信息,因此槽波在煤層厚度、瓦斯富集區(qū)、斷層構(gòu)造探測(cè)等方面取得較好的效果[1-2]。

槽波地震勘探方式包括透射波法和反射波法2種。在透射波法槽波勘探中,主要利用勒夫型槽波;在反射波法槽波勘探中,主要利用瑞利型槽波。實(shí)際采集的槽波數(shù)據(jù)中,由于頻散現(xiàn)象嚴(yán)重,勒夫型槽波和瑞利型槽波常常疊合在一起,區(qū)分困難。如不能準(zhǔn)確分離這2類(lèi)槽波,將為后期頻散分析及速度成像等處理帶來(lái)極大誤差。因此,在槽波地震勘探資料處理過(guò)程中,有效分離槽波是研究的重點(diǎn)。

1 煤層中地震波傳播類(lèi)型

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)槽波產(chǎn)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)基本相同,均認(rèn)為震源在煤層中激發(fā)后,產(chǎn)生縱波和橫波,橫波包括SH波和SV波。地震波傳播過(guò)程中,由于煤層中傳播速度明顯小于頂板和底板的速度,煤層頂、底板表現(xiàn)為強(qiáng)波阻抗反射界面,使得地震波傳播到煤層頂、底板后,又反射回煤層,導(dǎo)致地震波在煤層中相互干涉、疊加形成槽波。根據(jù)波振動(dòng)形式,槽波分為2種類(lèi)型:由SH波疊加干涉后形成的勒夫型槽波和P-SV波疊加干涉形成的瑞利型槽波。勒夫型槽波為線性極化波,質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與煤層面平行,與波傳播方向垂直,運(yùn)動(dòng)軌跡為線狀;瑞利型槽波屬于橢圓極化波,質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與煤層面垂直,與波傳播方向平行,運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓狀[3-5]。

此外,還有沿著煤層頂、底板界面?zhèn)鞑サ恼凵洳?以及直接從震源傳播到檢波器的直達(dá)縱波和直達(dá)橫波[6]。

由于槽波形成受煤層和圍巖速度的直接影響,采集的地震波信號(hào)中,槽波類(lèi)型有所區(qū)別。圖1反射波中垂直極化的SV波入射到煤層頂、底板反射界面時(shí),部分能量形成轉(zhuǎn)換縱波;如果轉(zhuǎn)換縱波不滿足全反射條件,即煤層縱波速度小于圍巖橫波速度時(shí),能量將主要以透射波形式傳播到圍巖,煤層內(nèi)部將不能形成瑞利型槽波。勒夫型槽波由反射波中SH波干涉形成,只要煤層橫波小于圍巖橫波就能滿足全反射條件,該條件一般都能滿足[2]。因此實(shí)際采集數(shù)據(jù)中,受煤礦地質(zhì)條件影響,在地震記錄上槽波表現(xiàn)特征并不相同,對(duì)槽波的判別多依賴信號(hào)波形特征。

以義安煤礦11061工作面透射法槽波數(shù)據(jù)為例,其中第16炮記錄如圖2所示,每炮共有44道地震數(shù)據(jù),其中1~22道數(shù)據(jù)為X分量,23~44道數(shù)據(jù)為對(duì)應(yīng)位置的Y分量。通常認(rèn)為地震記錄中,直達(dá)縱波最先接收到,跟隨其后的是直達(dá)橫波,最后振幅最強(qiáng)、頻率最高的是瑞利型槽波,而在直達(dá)橫波和瑞利型槽波之間振幅較弱的波為勒夫型槽波。這種認(rèn)識(shí)只是

從地震波傳播理論上進(jìn)行推斷,并沒(méi)有直接的判定證據(jù)。本研究從地震波的極化運(yùn)動(dòng)特征入手,分析不同類(lèi)型槽波極化特征。

圖1　槽波形成示意Fig.1 Channel wave schematic diagram

圖2　第16炮原始槽波數(shù)據(jù)Fig.2 Channel wave data of 16 shot

2 槽波地震極化分析技術(shù)

2.1 多分量地震波分離方法

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)天然地震三分量數(shù)據(jù)等進(jìn)行波場(chǎng)分離研究較多。其中,基于極化濾波的波場(chǎng)分離方法效果明顯[7]。極化濾波波場(chǎng)分離方法是根據(jù)波在空間運(yùn)動(dòng)軌跡的極化特征進(jìn)行分離的一種信號(hào)處理技術(shù),依據(jù)各類(lèi)波的極化屬性差異,構(gòu)建合理的濾波器,進(jìn)而提取各類(lèi)波信息。1965年,Flinn最早提出了極化分析方法[8],許多學(xué)者在其基礎(chǔ)之上不斷進(jìn)行改進(jìn),逐漸形成2類(lèi)極化濾波方法:①特征值法。該方法在時(shí)間域內(nèi)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)協(xié)方差矩陣,或者在頻率域中構(gòu)建譜密度矩陣,利用求解得到的特征值和特征矩陣進(jìn)行極化分析,該類(lèi)極化方法計(jì)算結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定,受噪音影響小,但其在計(jì)算過(guò)程中,需要在一定時(shí)間窗口內(nèi)進(jìn)行,不同的時(shí)窗長(zhǎng)度,計(jì)算結(jié)果相差較大[9-10];②直接計(jì)算法。通過(guò)Hilbert變換、小波變換或S變換等,直接計(jì)算瞬時(shí)屬性參數(shù)進(jìn)行極化分析,這類(lèi)方法計(jì)算簡(jiǎn)便,但由于使用瞬時(shí)屬性,使得噪音影響較大[11-15]。

Diallo等給出了一種新穎的極化濾波算法,該方法基于時(shí)間域的自適應(yīng)協(xié)方差矩陣,其優(yōu)點(diǎn)在于能夠依據(jù)瞬時(shí)頻率自適應(yīng)地調(diào)整時(shí)間窗口的長(zhǎng)度到時(shí)窗內(nèi)信號(hào)的最小周期,避免了常規(guī)協(xié)方差極化方法受時(shí)窗長(zhǎng)度影響大的難題[16]。同年,Diallo等又將該方法引入時(shí)頻域,利用小波變換,在時(shí)頻域內(nèi)進(jìn)行自適應(yīng)協(xié)方差極化分析[17]。礦井槽波地震數(shù)據(jù)中包含有多種類(lèi)型波,既有線性極化的縱波、橫波和勒夫型槽波,也有橢圓極化的瑞利型槽波。這些波有的在時(shí)間上重疊,有的在頻率上重疊。如果單純從時(shí)間域或頻率域進(jìn)行極化濾波,難以完全分離。因此,在時(shí)頻域進(jìn)行極化濾波,適用于含有多種類(lèi)型波的槽波地震數(shù)據(jù)。

本研究基于Diallo的自適應(yīng)協(xié)方差矩陣極化方法,在時(shí)頻域內(nèi)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于時(shí)頻變換算法,沒(méi)有采用Diallo提出的小波變換,因?yàn)樾〔ㄗ儞Q是在時(shí)間域和尺度域進(jìn)行計(jì)算,尺度和頻率并沒(méi)有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此,選擇同樣具有分辨率可隨頻率變化,且具有明確頻率意義的S變換[18]。

2.2 時(shí)頻域自適應(yīng)協(xié)方差矩陣

槽波地震勘探多使用雙分量水平檢波器采集信號(hào),獲取水平方向的雙分量數(shù)據(jù)。設(shè)定槽波地震信號(hào)為s(t),對(duì)其S正變換公式為

對(duì)應(yīng)S逆變換公式為

式中,t,f分別為時(shí)間和頻率;τ為位移。

設(shè)頻率f時(shí)的S變換頻譜為ST(t,f),通過(guò)Hilbert變換計(jì)算對(duì)應(yīng)虛部,獲得解析信號(hào),計(jì)算瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)相位3個(gè)參數(shù)。則該頻率f下的S變換時(shí)頻譜ST(t,f)在時(shí)間t附近的局部信號(hào)s(t+τ,f)可用解析信號(hào)的瞬時(shí)參數(shù)來(lái)近似表達(dá)[16]。

令STx(t,f)和STy(t,f)分別為槽波信號(hào)s(t)兩個(gè)水平分量sx(t)和sy(t)對(duì)應(yīng)的S變換時(shí)頻譜,則

式中, STx(t,f)和STy(t,f)為2個(gè)水平分量對(duì)應(yīng)解析信號(hào)的瞬時(shí)振幅;arg代表瞬時(shí)相位;Ωx(t,f) 和Ωy(t,f)為瞬時(shí)頻率,定義為

在瞬時(shí)頻率計(jì)算過(guò)程中,不能通過(guò)式(4)直接對(duì)瞬時(shí)相位進(jìn)行求導(dǎo),因?yàn)樗矔r(shí)相位是由反正切函數(shù)計(jì)算得出,其分布范圍在[-π,π],當(dāng)信號(hào)振動(dòng)變化時(shí),有可能造成正負(fù)相位角跳轉(zhuǎn)。因此,需要對(duì)瞬時(shí)相位進(jìn)行相位展開(kāi),避免相位角正負(fù)跳轉(zhuǎn)導(dǎo)致瞬時(shí)頻率計(jì)算錯(cuò)誤。

依據(jù)式(3)即可構(gòu)造時(shí)頻域自適應(yīng)協(xié)方差矩陣MST(t,f)為

矩陣中各元素定義為

其中, sin c(x)代表正弦基本函數(shù),定義見(jiàn)式(8); Real為復(fù)數(shù)的實(shí)部; Wkm(t,f)為對(duì)應(yīng)方程的自適應(yīng)窗大小,定義見(jiàn)式(9);Ω(t,f)為信號(hào)在時(shí)頻域的瞬時(shí)頻率。

式中,N取正整數(shù),為經(jīng)驗(yàn)參數(shù),一般為1或2。

通過(guò)時(shí)頻域自適應(yīng)協(xié)方差矩陣MST(t,f)即可計(jì)算槽波信號(hào)時(shí)頻域中每個(gè)時(shí)頻采樣點(diǎn)的極化參數(shù),避免了在時(shí)窗內(nèi)進(jìn)行計(jì)算,導(dǎo)致窗口長(zhǎng)度影響大的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)該矩陣進(jìn)行特征值分析,就能得到槽波地震信號(hào)的瞬時(shí)極化參數(shù)分布。

2.3 槽波極化特征分析參數(shù)

由于槽波數(shù)據(jù)接收水平方向雙分量信號(hào),即使地震波是在三維空間運(yùn)動(dòng),也只能分析其投影在水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。槽波地震信號(hào)振動(dòng)軌跡的大小和方向可通過(guò)極化特征參數(shù)來(lái)描述,這些參數(shù)可利用時(shí)頻域自適應(yīng)協(xié)方差矩陣MST(t,f)的特征值和特征向量計(jì)算獲得。當(dāng)槽波信號(hào)中地震波線性極化時(shí),矩陣只有一個(gè)特征值,對(duì)應(yīng)特征向量的矢量方向即為地震波的線性極化方向;當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ谄矫鎯?nèi)近似橢圓軌跡振動(dòng)時(shí),矩陣有2個(gè)特征值(λ1,λ2),對(duì)應(yīng)特征向量(V1,V2),地震波信號(hào)能量主要集中在最大特征值λ1上。利用矩陣的特征值定義橢圓半軸,令橢圓極化長(zhǎng)軸為λ1(t,f),極化短軸為λ2(t,f)。進(jìn)行槽波極化分析時(shí),有2個(gè)極化特征參數(shù)最重要,分別是橢圓率ρ(t,f)和方位角α(t,f)。橢圓率定義為橢圓極化長(zhǎng)軸與極化短軸之商,公式為

橢圓率ρ(t,f)的數(shù)值范圍在[0~1]。當(dāng)ρ= 0 時(shí),代表地震波為線性極化,如縱波、橫波和勒夫型槽波;當(dāng)ρ=1時(shí),表示地震波為圓極化;當(dāng)ρ∈(0~1) 時(shí),意味著地震波為橢圓極化,如瑞利型槽波。

方位角α(t,f)定義為波振動(dòng)軌跡的極化方向,通過(guò)橢圓極化長(zhǎng)軸方位角度來(lái)表示。用矩陣MST(t,f)的最大特征值λ1對(duì)應(yīng)的特征向量V1的方向來(lái)計(jì)算,具體公式如下:

方位角的數(shù)值范圍在[-π/2,π/2],為便于分析,可將其轉(zhuǎn)換為[0,π]。理論上,縱波振動(dòng)方向與傳播方向一致,橫波振動(dòng)方向與傳播方向垂直。煤層中安置檢波器難以完全和波傳播方向一致,且只有水平方向的2個(gè)檢波器,因此,記錄下來(lái)的地震波信號(hào)只是三維空間傳播的信號(hào)在水平方向上的投影,計(jì)算得到的方位角和地震波傳播的真實(shí)方位角有一定偏差,但不同類(lèi)型地震波對(duì)應(yīng)極化方位角不同,仍然可以作為重要的極化參數(shù)進(jìn)行波場(chǎng)分離。

2.4 槽波極化分離濾波器設(shè)計(jì)

槽波地震數(shù)據(jù)中包含有多種類(lèi)型地震波,這些波極化振動(dòng)軌跡不同,依靠橢圓率和方位角2個(gè)極化參數(shù)即可構(gòu)建時(shí)頻域極化濾波器,分離槽波數(shù)據(jù)中不同類(lèi)型地震波。構(gòu)建濾波器為

對(duì)于線性極化的縱波、橫波和勒夫型槽波,其橢圓率ρ(t,f)理論上應(yīng)該為0。實(shí)際數(shù)據(jù)中,由于噪音等干擾,一般認(rèn)為小于某一特定值(如0.2)即為線性極化;大于該數(shù)值時(shí),認(rèn)為信號(hào)為橢圓極化。不同類(lèi)型波的極化方位角不同,實(shí)際資料處理時(shí),可以根據(jù)信號(hào)振動(dòng)軌跡圖判斷各類(lèi)型地震波對(duì)應(yīng)的方位角范圍。經(jīng)過(guò)濾波器篩選后,保留橢圓率和方位角極化參數(shù)設(shè)定范圍內(nèi)的時(shí)頻域數(shù)據(jù)點(diǎn),然后依據(jù)式(2)進(jìn)行S逆變換,獲得分離后的槽波信號(hào)。

3 理論合成信號(hào)極化特征分析

3.1 理論測(cè)試信號(hào)合成

為驗(yàn)證該方法的合理性和有效性,采用Diallo提出的阻尼衰減正弦波合成理論信號(hào)進(jìn)行模擬測(cè)試[16]。

為模擬實(shí)際采集槽波地震數(shù)據(jù),合成水平雙分量信號(hào)(圖3),同時(shí)包括線性極化和橢圓極化信號(hào),具有不同的主頻和極化特征,合成信號(hào)分為A,B,C三部分,共有4個(gè)信號(hào)組成。其中,A部分從0~0.4 s,為單一橢圓極化波(信號(hào)1);B部分從0.4~0.8 s,是單一線性極化波(信號(hào)2);C部分從0.8~1.2 s,由線性極化波和橢圓極化波合成(信號(hào)3,4),各信號(hào)具體參數(shù)見(jiàn)表1。對(duì)該合成信號(hào)進(jìn)行分離來(lái)驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性。

圖3　測(cè)試信號(hào)的合成Fig.3 Synthetic test signal

表1　合成測(cè)試信號(hào)基本參數(shù)Table 1 Parameters of synthetic test signal

3.2 極化參數(shù)分布特征

如果對(duì)該合成信號(hào)從時(shí)間域進(jìn)行極化分離,那么由不同頻率合成同一時(shí)間段的信號(hào)3,4難以分離。如果從頻率域進(jìn)行極化分離,合成信號(hào)的1,3和2,4頻率相同,效果不明顯。因此,在時(shí)頻域進(jìn)行極化分離,充分利用信號(hào)在時(shí)間頻率空間的極化特征進(jìn)行分離。

采用時(shí)頻域自適應(yīng)協(xié)方差極化方法求取合成信號(hào)極化參數(shù)。經(jīng)式(10)和(11)計(jì)算后,獲得合成信號(hào)橢圓率和方位角極化參數(shù)時(shí)頻分布(圖4),橢圓率極化時(shí)頻圖4(a)中數(shù)據(jù)主要分布在2個(gè)紅色區(qū)域,其位置與信號(hào)1和3相吻合,橢圓率數(shù)值約為0.7,與表1中信號(hào)真實(shí)橢圓率基本一致。圖4中其余區(qū)域橢圓率為0,表示信號(hào)為線性極化。方位角極化分布(圖4(b))中出現(xiàn)4個(gè)區(qū)域,分別與合成采用的4個(gè)信號(hào)相對(duì)應(yīng),方位角數(shù)值大小與真實(shí)方位角數(shù)值基本一致。

3.3 合成信號(hào)波場(chǎng)分離

通過(guò)橢圓率和方位角極化參數(shù),建立極化濾波器對(duì)合成信號(hào)進(jìn)行波場(chǎng)分離。設(shè)置信號(hào)對(duì)應(yīng)極化參數(shù),依次分離出由線性極化波和橢圓極化波組成的4個(gè)信號(hào)(圖5)?？梢钥闯?采用該方法在時(shí)頻域進(jìn)行極化濾波,不但可以有效分離時(shí)間域疊合信號(hào)(信號(hào)3, 4),還可以有效分離頻率域復(fù)合在一起的信號(hào)(信號(hào)1,3和2,4);同時(shí),不會(huì)對(duì)原始信號(hào)造成破壞。在實(shí)際槽波信號(hào)波場(chǎng)分離過(guò)程中,還可以通過(guò)設(shè)定頻譜段進(jìn)行限制,以消除部分高頻噪音成分。

圖4　合成信號(hào)極化參數(shù)分布Fig.4 Polarization distribution of synthetic signal

圖5　分離出合成信號(hào)4個(gè)組成部分Fig.5 Four components separation of synthetic signal

4 實(shí)際槽波數(shù)據(jù)極化分析

4.1 采集槽波數(shù)據(jù)信號(hào)特征

以義安煤礦11061工作面實(shí)際透射法槽波勘探為例。數(shù)據(jù)采集使用雙分量水平檢波器,檢波器安置在煤層中心,但2個(gè)分量擺放方位不同,X分量檢波器軸線平行于煤層且平行于煤壁,Y分量檢波器軸線平行于煤層且垂直于煤壁。該工作面共采集36炮,以其中第16炮記錄進(jìn)行分析(圖2)。提取第16炮記錄中第20道X分量和對(duì)應(yīng)的第42道Y分量數(shù)據(jù)(圖6)。信號(hào)采樣率0.25 ms。其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡(圖6(a))雜亂無(wú)章,表明該信號(hào)中地震波類(lèi)型復(fù)雜,既包含線性極化波,也包含橢圓極化波。在信號(hào)135~190 ms,振幅最強(qiáng)、頻率最大的位置即為埃里震相。由于槽波頻散現(xiàn)象嚴(yán)重,從圖6中很難直接區(qū)分開(kāi)勒夫型槽波和瑞利型槽波。

圖6　實(shí)際采集槽波地震數(shù)據(jù)Fig.6 Actual in-seam seismic data

通過(guò)S變換分析X分量和Y分量在時(shí)頻域振幅譜分布特征(圖7),振幅能量最強(qiáng)的區(qū)域分布在160~180 ms,信號(hào)主頻在250 Hz左右;圖7(b)中, 在60~110 ms,由2個(gè)主頻分別為100 Hz和200 Hz的信號(hào)組合在一起。該位置通常認(rèn)為是直達(dá)縱波和橫波,從圖中現(xiàn)象可以認(rèn)為,該位置應(yīng)該包含2種頻率成分不同的地震波。

圖7　信號(hào)對(duì)應(yīng)S變換Fig.7 S transform of signal

4.2 槽波極化特征分析

采用本文提出的時(shí)頻域自適應(yīng)協(xié)方差極化分析方法對(duì)數(shù)據(jù)(圖6(b))進(jìn)行處理,計(jì)算橢圓率和方位角極化參數(shù)在時(shí)頻域分布(圖8)。

圖8　極化參數(shù)分布Fig.8 Polarization parameter distribution

由于實(shí)際地震波類(lèi)型復(fù)雜,且存在噪音干擾,得到的橢圓率和方位角圖中存在較大干擾。為減小噪音導(dǎo)致的瞬時(shí)頻率計(jì)算誤差,可舍去S變換后的時(shí)頻能量譜小于背景噪聲值的數(shù)據(jù)點(diǎn),或者進(jìn)行帶通濾波,去除高頻噪音。

為詳細(xì)分析圖8中極化參數(shù)分布特征,提取圖中250 Hz時(shí)的信息,得到橢圓率和方位角在250 Hz的變化曲線(圖9)。

圖9　250 Hz時(shí)極化參數(shù)曲線Fig.9 Polarization parameter curves in 250 Hz

圖9中,將曲線近似分成5個(gè)區(qū)域,區(qū)域A中橢圓率有波動(dòng),但數(shù)值基本大于0.2,可以認(rèn)為該區(qū)域?yàn)闄E圓極化振動(dòng),質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方位角變化幅度不大,約為80°;區(qū)域B中,橢圓率較低,數(shù)值變化不大,推斷該區(qū)域?yàn)榫€性極化振動(dòng),方位角幾乎沒(méi)有變化,同樣為80°;區(qū)域C中,橢圓率變化劇烈,但多數(shù)數(shù)值小于0.2,因此仍近似認(rèn)為該區(qū)域?yàn)榫€性極化震動(dòng),但方位角變化較大,在0°~160°;區(qū)域D中,橢圓率數(shù)值基本大于0.2,近似認(rèn)為是橢圓極化震動(dòng),方位角變換幅度較小,在80°~140°,但在180 ms處,數(shù)據(jù)有異常;同樣,區(qū)域E中依據(jù)橢圓率變化情況,認(rèn)為是橢圓極化振動(dòng),方位角保持穩(wěn)定,在80°左右。

4.3 分離勒夫型和瑞利型槽波

為提取勒夫型和瑞利型槽波信號(hào),依據(jù)槽波橢圓率、方位角極化參數(shù)分布特征和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡特征,設(shè)置極化濾波器參數(shù),提取橢圓率小于0.2,且方位角在120°~160°的數(shù)據(jù)(圖10)。分離后的數(shù)據(jù)即為勒夫型槽波信號(hào),主要分布在140~190 ms,頻散現(xiàn)象明顯。對(duì)應(yīng)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡(圖10(a))表現(xiàn)為線性極化振動(dòng)規(guī)律。

同樣,改變極化濾波器參數(shù),提取出橢圓率大于0.2,方位角120°~160°的數(shù)據(jù)(圖11),近似認(rèn)為提取的信號(hào)為瑞利型槽波信號(hào)。其分布區(qū)域與勒夫型槽波信號(hào)幾乎相同,瑞利型槽波信號(hào)只是稍微滯后勒夫型槽波,且其分布區(qū)域相對(duì)較窄。對(duì)應(yīng)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡(圖11(a))表現(xiàn)為橢圓極化振動(dòng)特征。

圖10　提取出的勒夫型槽波Fig.10 Extract Love channel wave

圖11　提取出的瑞利型槽波Fig.11 Extract Rayleigh channel wave

對(duì)比提取出的勒夫型和瑞利型槽波信號(hào),可以看出:這2種類(lèi)型槽波在時(shí)間域和頻率域基本疊合在一起,但其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡完全不同,采用時(shí)頻域極化分析方法,可以有效分離勒夫型和瑞利型槽波。

5 結(jié) 論

(1)在時(shí)頻域進(jìn)行極化分析可以克服只在時(shí)間域或頻率域進(jìn)行極化分析的缺陷,避免無(wú)法分離在時(shí)間或頻率上復(fù)合在一起的信號(hào)。

(2)采用自適應(yīng)協(xié)方差極化分析技術(shù),可以避免窗口長(zhǎng)度的影響,又能獲得每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的極化信息。

(3)通過(guò)橢圓率和方位角極化參數(shù),建立極化濾波器,可以有效分離水平雙分量槽波數(shù)據(jù)中各類(lèi)地震波。

(4)勒夫型槽波和瑞利型槽波信號(hào)在時(shí)間上基本復(fù)合在一起,瑞利型槽波只是稍微滯后,采用本文提出的極化濾波方法,能夠有效分離。

感謝河南義馬煤業(yè)集團(tuán)股分有限公司地質(zhì)研究所提供槽波數(shù)據(jù)和李松營(yíng)教授級(jí)高工的大力支持。

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Polarization characteristic analysis of in-seam seismic data

FENG Lei,ZHOU Ming-huan,DONG Zheng,YU Wei-wei

(School of Resources and Environments,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)

Abstract:There are several types of seismic waves in in-seam seismic exploration.These waves always compose together.It’s difficult to extract channel wave signal and causes interference to seismic data processing.According to the characteristic difference of channel wave particle vibration,this paper proposed a polarization analysis method based on adaptive covariance matrix in time-frequency domain for channel waves.Using the eigenvalues and eigenvectors of this matrix to compute ellipticity and azimuth polarization parameters,authors analyzed signal vibration trajectory characteristic.Horizontal dual component signal of channel wave field could be separated by setting up polarization filter with polarization parameters.Through theoretical synthetic signal test,polarization vibration characteristic was accurately described in time-frequency domain and the composition signal in time domain and frequency domain was separated completely.In practical in-seam seismic data polarization analysis,the results show that linear polarization love wave and elliptical polarization Rayleigh wave are nearly composited together.Using this method,channel wave can be clearly separated in time-frequency domain.

Key words:channel wave;love wave;rayleigh wave;polarization;separation

作者簡(jiǎn)介:馮 磊(1978—),男,河南焦作人,講師,博士。E-mail:feng.lei@126.com

基金項(xiàng)目:國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05040-005);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41202084);河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(14IRTSTHN002)

收稿日期:2014-11-13

中圖分類(lèi)號(hào):P631.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253-9993(2015)08-1886-08