基于長短時均值比法、偏振法和AIC法三種微地震初至拾取方法的對比

李洪麗，張晗

吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026

0 引言

微地震監(jiān)測技術(shù)是建立在地震學(xué)和聲發(fā)射原理的基礎(chǔ)上，以在壓裂過程中形成的小地震事件為目標(biāo)，通過展示裂縫空間立體形態(tài)達(dá)到裂縫監(jiān)測的目的[1]。在天然地震中通過對微地震的研究，可以反演火山區(qū)速度結(jié)構(gòu)，判斷震區(qū)斷裂走向和長度；在油氣礦藏規(guī)劃與開發(fā)中，微地震技術(shù)可以很好地確定油氣礦藏信息，判斷圍巖穩(wěn)定性。微地震監(jiān)測主要分為井中監(jiān)測和地面監(jiān)測兩種，監(jiān)測的目標(biāo)震源一般為油氣礦藏開采工程中地下的圍巖破裂所產(chǎn)生的微小擾動。由于微地震大多更近地表，其頻率較天然地震高，一般在50～200 Hz之間，微地震頻率隨傳播距離的增大而降低，當(dāng)傳播距離足夠大時，信號頻率基本不變[2]；微地震比一般的地震信號信噪比低，更容易受隨機(jī)噪聲的影響，數(shù)據(jù)處理過程較為復(fù)雜。微地震信號初至的拾取作為微地震數(shù)據(jù)處理中的一個重要步驟，對后續(xù)的震源定位及其他數(shù)據(jù)處理有較大的影響[3-5]。在自動拾取技術(shù)發(fā)展之前，一般采取人工拾取到時的方法，但人工拾取耗時費(fèi)力且效率低下，由于操作人員的技術(shù)水平、工作時長等主觀因素，也會給數(shù)據(jù)拾取帶來諸多不穩(wěn)定因素，進(jìn)而會導(dǎo)致最終分析結(jié)果出現(xiàn)一系列誤差，顯然地震信號初至的自動拾取方法更適應(yīng)科技的發(fā)展需求。自20世紀(jì)70年代以來，微地震信號初至的自動拾取方法得到了迅速發(fā)展，長短時均值比(STA/LTA)法[6-17]、偏振法[16-22]和AIC(Akaike Information Criterion) 法[23-27]3種方法逐漸被國內(nèi)外研究者采用并不斷改進(jìn)。但3種方法在實(shí)際運(yùn)用中效果均有不同的適用條件，在野外實(shí)際應(yīng)用中仍需要進(jìn)行深入研究。本研究將上述3種微地震拾取方法在實(shí)用中的優(yōu)缺點(diǎn)情況進(jìn)行比對，在此基礎(chǔ)上將3種微地震拾取方法進(jìn)行綜合運(yùn)用，獲得一種即便未經(jīng)過去噪聲處理的數(shù)據(jù)也可以用該方法準(zhǔn)確地拾取到時的新方法，能有效地對微地震信號弱、信噪比低且存在強(qiáng)噪聲的微地震信號進(jìn)行初至拾取。

1 微地震初至拾取方法

1.1 長短時均值比(STA/LTA)法

長短時均值比法，又稱能量比法，是利用噪聲信號與地震信號振幅差異來進(jìn)行初至拾取。是基于短時窗與長時窗的能量比，其比值函數(shù)公式為：

(1)

式中:Ri為比值函數(shù)值;STAi為短時窗平均值;LTAi為長時窗平均值;N1為長時窗、N2為短時窗;CFi為特征函數(shù)，表征某點(diǎn)地震信號的能量，即

(2)

Ambuter et al.[7]首次提出了一套簡易的能夠識別地震震相的系統(tǒng)，長短時均值比(STA/LTA)法是由Allen[8]在1978年提出(STA代表短時窗平均，LTA代表長時窗平均)，該方法由于運(yùn)算速度快且應(yīng)用簡單很快被國內(nèi)外研究者廣泛采用。為提高STA/LTA比率對幅度和頻率變化的靈敏度，1982年Allen[9]再次提出使用特征函數(shù)代替原始微震信號作為STA/LTA方法的輸入。張軍華等[10]結(jié)合小波變換和能量比法拾取地震信號初至?xí)r間。葉根喜等[11]提出用時窗能量特征法拾取微地震波初始到時。Baer[12]提出運(yùn)用時窗均值比進(jìn)行拾取。吳治濤等[13]研究拾取精度與不同時窗長度的影響關(guān)系。呂世超等[16]根據(jù)有效信號的空間與多通道探測器坐標(biāo)參數(shù)相關(guān)性，通過研究多通道之間和相鄰?fù)ǖ乐g有效微震信號的變化特征，獲得多級探測器微震有效事件的自動識別方法。譚玉陽等[6]提出了SLPEA方法(一種基于多通道相似系數(shù)的微震事件自動識別方法)。李啟成等[17]提出用“振幅變化”長短時均值比方法拾取P波到時，對長短時均值比方法進(jìn)行了拓展。

1.2 偏振分析法

微地震信號一般為三分量數(shù)據(jù)，分別為x，y，z。由于地震信號與隨機(jī)噪聲的運(yùn)動軌跡存在明顯的差別，這就使在三分量數(shù)據(jù)上拾取初至提供了可能。利用偏振分析法拾取初至的步驟為：選取一個滑動時窗，利用所選取時窗里的地震信號三分量數(shù)據(jù)構(gòu)造一個協(xié)方差矩陣[6]

(3)

(4)

式中:P代表偏振度。偏振分析法通常將P點(diǎn)極大值前曲線斜率最大的點(diǎn)作為地震波的初至點(diǎn)。

Flinn[18]1965年引入?yún)f(xié)方差矩陣，國外專家學(xué)者紛紛對時間域協(xié)方差偏振分析進(jìn)行了研究。Moriya et al.[19]提出了一種三分量地震數(shù)據(jù)傅里葉變換，通過閾值設(shè)置拾取到時。Du et al.[20]為解決信號時頻局部矛盾，引入多階窗函數(shù)。朱衛(wèi)星等[21]對該理論進(jìn)行改良，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)極化濾波,資料處理效果得到了明顯的改善。李健等[22]在原有偏振分析的基礎(chǔ)上增加信號檢測頻帶，提高了偏振分析質(zhì)量，有效改善了方位角估算的準(zhǔn)確性。譚玉陽等[6]在綜合地震信號與環(huán)境噪聲在振幅、偏振以及統(tǒng)計特征等方面存在的差異基礎(chǔ)上提出了SLPEA算法，提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.3 AIC方法

AIC(Akaike Information Criterion) 方法又稱統(tǒng)計學(xué)方法，在微地震數(shù)據(jù)中信號和噪聲統(tǒng)計特性差別較大，導(dǎo)致在微地震信號和噪聲交界點(diǎn)處，兩種信號的擬合度最差，此時求得的AIC值最小，即對應(yīng)微地震信號初至?xí)r刻[23]。AIC函數(shù)定義為：

AIC(k)=klogVar(x[1,k]))+

(N-k-1)log(Var(x[k+1,N]))

(5)

式中:{xi}，i=1,2,3,…,N為地震信號的離散波形序列;AIC值表示地震記錄中其余部分和信號噪聲模型的匹配程度，在時窗正好包含了地震信號前后一段波形的情況下，AIC函數(shù)在初至點(diǎn)峰值尖銳，準(zhǔn)確率較高。

Maeda[24]根據(jù)微地震信號與噪聲信號在數(shù)據(jù)統(tǒng)計上性質(zhì)的差別，提出不需要利用AR 模型就能得到AIC值的方法。Zhang et al.[25]用小波分解與 AIC方法相結(jié)合拾取初至?xí)r間的方法，使噪聲得到了有效壓制，從而提高了AIC方法對低信噪比數(shù)據(jù)拾取的準(zhǔn)確性。宋維琪等[26]對小波分解與AIC方法相結(jié)合的方法進(jìn)行了實(shí)際監(jiān)測驗(yàn)證，結(jié)果表明小波-AIC方法能夠在較低信噪比情況下較為準(zhǔn)確地識別出微地震信號。王洪超等[23]以原AIC方法為基礎(chǔ)，簡化其中的計算公式，提高了運(yùn)算速度。鞏佳琦等[27]通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 AIC-Shearlet算法在信噪比低至-13 dB情況下自動拾取的準(zhǔn)確性，證實(shí)該算法優(yōu)于傳統(tǒng)初至拾取算法。程一鳴等[3]為更為精確地估計強(qiáng)噪聲數(shù)據(jù)初至，提出一種基于小波多尺度分析( WMA) 和 AIC 算法的聯(lián)合拾取方法，能有效適用于強(qiáng)噪聲微地震數(shù)據(jù)初至拾取，并明顯提高其拾取精度。

由上面STA/LTA法、偏振法和AIC法3種方法原理及研究進(jìn)展情況，可以了解到，每種方法都有其適用條件，且每種方法均都存在繼續(xù)改進(jìn)與優(yōu)化的空間，國內(nèi)外研究者已經(jīng)做了大量相關(guān)研究工作。為能夠獲得在多種條件下都能夠較為準(zhǔn)確地拾取地震初至的有效方法，筆者綜合運(yùn)用上述3種微地震初至拾取方法，獲得一種能有效對微地震信號弱、信噪比低且存在強(qiáng)噪聲的微地震信號進(jìn)行初至拾取的新方法。

2 微地震實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為改進(jìn)微地震事件中P波的震相識別和到時拾取的算法，并比較不同算法各自的優(yōu)缺點(diǎn)。筆者綜合微震信號和環(huán)境噪聲在振幅、偏振、統(tǒng)計特征以及波形相關(guān)性等方面的差異與已有的算法，尋找能夠有效自動識別地震相的特征函數(shù)，依據(jù)特征函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)和信號的處理，最終實(shí)現(xiàn)微震初至的自動實(shí)時識取和震源定位。圖1～4分別為選取的野外實(shí)測地震臺站中4個不同位置臺站接收到的地震的三分量波形中的垂直分量(Z)，是經(jīng)過10 Hz高通濾波后的微地震信號，作為本研究采用的地震數(shù)據(jù)，通過這4組數(shù)據(jù)完成 STA/LTA法、偏振分析法和AIC方法的數(shù)據(jù)處理情況比對。上述4個臺站的數(shù)據(jù)是由布設(shè)在長白山火山附近的寬頻帶流動地震臺站接收到的天然地震的波形數(shù)據(jù)，由于該波形數(shù)據(jù)初動清晰，可以采用人工讀取的初至走時和上述3種方法自動讀取的走時進(jìn)行對比，以評估方法的可靠性。

圖1 數(shù)據(jù)1：臺站1接收到地震的三分量波形Fig.1 Data 1：three component waveform recorded by station 1

圖2 數(shù)據(jù)2: 臺站2接收地微震三分量波形Fig.2 Data 2：three component waveform recorded by station 2

圖3 數(shù)據(jù)3: 臺站3接收的地震三分量波形Fig.3 Data 3：three component waveform recorded by station 3

圖4 數(shù)據(jù)4: 臺站4接收的地震三分量波形Fig.4 Data 4：three component waveform recorded by station 4

其中，圖1～4中的Amp代表地震波振幅，R,T,Z分別代表三個不同波形分量，s代表時間秒。

3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果與討論

3.1 3種方法初至拾取結(jié)果對比分析

將圖1～4的地震三分量波形數(shù)據(jù)設(shè)定不同的參數(shù)，分別用STA/LTA法、偏振法和AIC法3種微地震信號的初至自動拾取方法進(jìn)行輸出，具體參數(shù)情況及數(shù)據(jù)輸出結(jié)果分析等見表1～3。由分析結(jié)果可知，單獨(dú)的一種方法有時并不能準(zhǔn)確地拾取初至?xí)r間，而且都有各自的適用條件。

表1 STA/LTA法的輸出結(jié)果優(yōu)缺點(diǎn)分析比較Table 1 Analysis of advantages and disadvantages for STA/LTA method

表2 偏振分析法的輸出結(jié)果優(yōu)缺點(diǎn)分析比較Table 2 Analysis of advantages and disadvantages for polarization method

表3 AIC法的輸出結(jié)果優(yōu)缺點(diǎn)分析比較Table 3 Analysis of advantages and disadvantages for AIC method

3.2 初至拾取方法改進(jìn)及拾取結(jié)果分析

由于STA/LTA法對低信噪比數(shù)據(jù)識別精度不高，而偏振分析法對噪聲的壓制較為有效，二者結(jié)合能有效地互補(bǔ)優(yōu)缺點(diǎn)。本文采用偏振分析法對能量比法進(jìn)行改良和優(yōu)化，即選取一個時窗，并列出關(guān)于該時窗內(nèi)數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，求取該矩陣的最大特征值，以該值代替時窗內(nèi)某點(diǎn)的數(shù)據(jù)，利用能量比法求取長短時窗平均比。兩者結(jié)合能有效地使優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，從而達(dá)到對低信噪比數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確拾取。

基于以上研究，本文提出綜合法(3種方法相結(jié)合)來對微震初至走時進(jìn)行拾取，該種方法用經(jīng)過偏振分析法改良的能量比法對震相進(jìn)行初步識別，確定初至所在范圍，根據(jù)該范圍選擇一個時窗，在該時窗內(nèi)對數(shù)據(jù)運(yùn)用統(tǒng)計學(xué)方法進(jìn)行初至拾取。該種新方法對噪聲抑制較強(qiáng)，即便是未經(jīng)過去噪聲處理的數(shù)據(jù)也可以用該方法準(zhǔn)確地進(jìn)行初至拾取。以圖1中展示的未經(jīng)過任何濾波處理原始波形數(shù)據(jù)(圖5)為例進(jìn)行綜合法方法測試。

圖5 數(shù)據(jù)5：臺站1接收到的未做濾波處理的三分量波形Fig.5 Data 5：three component raw waveform recorded by station 1

針對數(shù)據(jù)1的未經(jīng)濾波處理的原始微地震波形(圖5)運(yùn)用綜合法進(jìn)行初至拾取，利用經(jīng)偏振分析法改良的能量比法對震相進(jìn)行初步識別(紅線表示位置)(圖6a)，確定初至所在范圍，根據(jù)該范圍選擇一個時窗，在該時窗內(nèi)對數(shù)據(jù)運(yùn)用AIC統(tǒng)計學(xué)方法進(jìn)行初至拾取(圖6b)。獲取的初至結(jié)果顯示，原始微地震波形數(shù)據(jù)(圖5)采用綜合法獲得初至走時與濾波后的波形(圖1)獲得的初至走時基本一致。這表明即使微地震信號很弱、信噪比低、存在強(qiáng)噪聲，但綜合法仍然能夠準(zhǔn)確的拾取初至?xí)r間。

a. 采用偏振法確定初動所處大致位置；b.采用統(tǒng)計分析法進(jìn)行初至精確拾取。圖6 針對圖5數(shù)據(jù)采用綜合法處理結(jié)果(長時窗100，短時窗50，采樣頻率100，閾值20)Fig.6 Processing results aiming at Fig. 5 data by synthesis method

4 結(jié)論

(1)STA/LTA法，在閾值的選擇中存在的主觀因素對最后的拾取結(jié)果有很大影響，應(yīng)盡量量化閾值的選擇；偏振分析法，在拾取信噪比極低的信號時存在不穩(wěn)定情況；AIC方法，在確保時窗選取合適的前提下拾取結(jié)果最為準(zhǔn)確。3種微地震信號初至自動拾取方法，均有各自的適用條件，不能很好地適用于所有的實(shí)測地震數(shù)據(jù)。

(2)綜合法能夠?qū)哂形⒌卣鹦盘柡苋?、信噪比低、存在?qiáng)噪聲的原始微震信號拾取到準(zhǔn)確的微震初至走時，該新方法對噪聲抑制較強(qiáng)，即便是未經(jīng)過去噪聲處理的原始微地震數(shù)據(jù)也可以用該方法準(zhǔn)確地拾取到時。