强噪声背景下极微弱信号的提取-低频可控震源核心科学问题之一

Vibroseis is the most widely used artificial source in the continent on the globe.With working frequency around 30-300Hz, vibroseis is usually suitable for seismic explorations in local scale with detection distance of several kilometers to tens of kilometers. Low-frequency vibroseis with the low-end frequency down to 5Hz and lower is a new focus in the research of seismic exploration. Low-frequency vibroseis could be used for seismic exploration in regional scale as tens to hundreds kilometers, which provides a solution for exploring some of the basic questions in geoscience, such asorogen, large earthquake preparation process and et al.There are two key problems in research of low-frequency vibroseis.One is related to how to achieve low-frequency excitation with the limitation of current mechanism and electricity.The other is how to extract and process the very weak signal from the background with strong noise. This application is based on participation in the first problem, but focused on the second issue. The main research contents include: (1)to test the latest innovated low-frequency vibroseis of BGP,and achieve stable excitation with the most optimal coupling method and scanning method;(2) to explore methods for extracting very weak signals from noisy background based on testing code and decode methods,low frequency sweep excitation mehtods, and station deploy of the seismic array.

可控震源是目前全球陆地使用最广泛的人工震源，工作频率多为30-300Hz，特别适合于尺度几公里至几十公里的局部地区地震勘探。低频可控震源是指低频端可达5Hz以下的可控震源。近年低频可控震源是地震勘探重点研究的前沿，它适于尺度为几十公里至几百公里的区域性地震勘探和地学问题研究，如造山带、大地震孕育过程等。 低频可控震源的核心难点有二，一是低频振动的机械与电气实现；二是强噪声背景下极微弱信号的提取和处理。本申请在参与研究第一个问题的基础上，重点研究第二个问题。研究内容主要包括：（1）测试中石油东方地球物理公司最新型的低频可控震源，以最佳耦合方式和最佳扫描方式，实现低频信号的稳定激发；（2）通过编码试验、扫频激发实验、地震波接收台阵实验，在常规信号处理方法的基础上，探索从强噪声背景下提取极微弱信号的数据处理与分析方法。

频率低于3Hz的低频可控震源，其激发的低频信号能增强透射信号能量，改善深部成像效果，可用于区域地壳结构和介质波速变化研究。本项目通过实验KZ28LF-V3和EV56低频可控震源，研究最佳的振动平板耦合、震源扫描及接收方式，实现低频信号的稳定激发和接收，同时研究低频震源数据处理技术，发展极微弱信号的识别技术。通过研究，我们取得以下认识：.（1）扫频和伪随机编码激发模式的谐波能量较弱，单频1.5Hz激发时谐波能量较强，近场信号能量集中在9~12Hz，1.5~9Hz的低频信号外传效果不好。实土层耦合条件比松散土层好。.（2）高频检波器能检测1.5Hz的低频信号，通过叠加，检测距离达40km。.（3）扫频激发模式获取的波形重复性和稳定性最佳，81%的互相关系数大于0.95，而针对编码模式，63%的互相关系数大于0.95，通过叠加能够显著提高信噪比，是探测介质波速变化的有效工具。.（4）相干法和反褶积法对单频、扫频和伪随机编码3种模式均适用，其中相干法的结果稳定性最好且信噪比最高。.（5）单次激发信号的有效传播距离为2km，通过叠加达50km，采用非线性叠加能识别到100km范围内的震相；采用零相位化处理，时间域相位加权叠加和相似性加权叠加能提高弱信号提取的准确度。.（6）井下台站对于压制1Hz以上的高频噪声具有较好的效果，相较于地表台站，最高能降低噪声达40dB，钻井小孔径台阵能记录并分析无法从千公里级别之外的普通台站上清楚识别到的事件。.（7）低频可控震源激发的面波信号，能探测200m内的浅层结构，能探测大于10-4介质波速变化。.项目研究结果对于低频可控震源在区域构造探测和介质波速变化中的应用研究具有重要的参考价值，叠加和钻井台阵分析技术有助于极微弱的爆破、核爆等信号的识别。