基于天然地震波形的活跃断层结构成像方法与流程

本发明涉及活跃断层结构成像技术领域，尤其涉及一种基于天然地震波形的活跃断层结构成像方法。

背景技术：

活跃断层地区地震频发，面临很高的地震灾害风险。获得高分辨率、高精度的活跃断层三维结构，有助于建立活跃断裂几何结构与地震破裂分段之间的成因联系，为地震灾害评估提供可靠模型，推动地震科学发展。

目前，研究断层结构的地震类方法包括天然地震成像方法和主动震源地震勘探方法。利用天然地震数据研究地下介质的方法主要包括地震走时成像和背景噪声成像方法。然而，地震走时成像方法和背景噪声成像方法只能得到平滑的地下结构信息，缺乏对断层三维结构的精细刻画。

主动源地震勘探广泛运用于地下结构成像，基于地震偏移成像方法可以得到高精度高分辨率的人工地震剖面。主动源地震成像方法主要包括人工爆炸源偏移成像和气枪震源探测方法等。然而部署大规模的主动震源地震勘探的成本比被动源地震监测要昂贵许多，以及大剂量炸药震源在使用上存在较多限制，并且主动源地震勘探通常是以线状的形式进行布设，很难获得断层沿着走向上的变化，因此利用主动源地震成像方法研究地下断层结构具有一定的局限性。

artmanetal.(2010)提出了逆时成像方法。该方法根据天然地震的台站记录逆时传播地震波场，利用波场在震源处具有相干性，对波场施互相关成像条件来定位震源。

地下介质中的断层等不连续结构可以被视为二次震源，在地震波传播中激发散射波。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于天然地震波形的活跃断层结构成像方法，以有效地刻画活跃断层带的三维精细结构，研究地震孕震和地震破裂分布。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于天然地震波形的活跃断层结构成像方法，包括：对地震波弹性波场进行逆时重构；对地震波弹性波场进行纵波场和横波场解耦分离；以及对解耦的纵波场和横波场实施零延时互相关成像条件，将四维的反传波场转化成介质中不连续结构的成像。

上述方案中，所述对地震波弹性波场进行逆时重构包括：地震波场d为：d(xr，t)＝s(xs，t)g(xr，xs，t)

其中，t表示时间，s表示震源时间函数，g表示格林函数，xr表示地震台站在三维介质中的位置，xr＝(xr，yr，zr)，xr和yr表示地震台站在水平方向的坐标，单位为米，zr表示地震台站在深度方向的坐标，单位为米，xs表示地震事件在三维介质中的位置，xs＝(xs，ys，zs)，xs和ys表示地震事件在水平方向的坐标，单位为米，zs表示地震事件在深度方向的坐标，单位为米；

以地震波场d为初始条件，根据该地区的平滑速度模型沿着时间的反方向传播地震波场，即对波场进行逆时重构，得到逆推波场w：

其中，t表示时间，i表示第i个台站，g*为格林函数的共轭。

上述方案中，所述对地震波弹性波场进行纵波场和横波场解耦分离包括：采用取散度和取旋度的方法来解耦分离纵、横波场：

其中，λ和μ表示拉梅系数，表示求散度，×表示取旋度，u表示弹性波场，p表示解耦的纵波，s表示解耦的横波。

上述方案中，所述对解耦的纵波场和横波场实施零延时互相关成像条件，将四维的反传波场转化成介质中不连续结构的成像包括：采用取散度和取旋度的方法进行纵、横波场解耦后，对解耦的纵波p和横波s实施零延时互相关成像条件，将四维的反传波场转化成地下介质中不连续结构的成像ips：

ips(x)＝∑t(∑ipi(x，t)∑isi(x，t))

其中，∑ipi(x，t)和∑isi(x，t)是所有台站的反传弹性波场解耦得到的纵、横波场。

上述方案中，所述对解耦的纵波场和横波场实施零延时互相关成像条件，将四维的反传波场转化成介质中不连续结构的成像，包括：

分组成像条件将地震台站进行分组，以不同组的被动源地震记录为初始条件，得到多个反传波场，然后利用不同组的波场之间的相干性对介质结构进行成像，对应的公式如下：

其中，gi表示第i组台站，π表示相乘，和是第i组反传弹性波场解耦得到的纵、横波场，ips是地下介质中不连续结构的成像，t表示时间，x表示三维空间坐标。

(三)有益效果

1、本发明提供的基于天然地震波形的活跃断层结构成像方法，只需要根据波动方程逆时传播弹性波场，而不像主动源地震成像那样需要正传震源波场，因此无需震源函数、震源位置和发震时刻这些震源信息，减小了计算难度。

2、本发明提供的基于天然地震波形的活跃断层结构成像方法，将台站记录到的弹性波场沿着时间的反方向传播，那么纵波和转换横波也将同时回到发生波场转换的不连续体处，利用纵、横波场此时的相干性可以对转换波出现的转换点进行成像，可以经济有效地刻画活跃断层带的三维精细结构，研究地震孕震和地震破裂分布。

3、本发明提供的基于天然地震波形的活跃断层结构成像方法，采用分组成像条件来提高弹性波逆时成像的能量聚焦度以提高其空间分辨率，减小数据噪声和成像噪声，提高成像信噪比。

4、本发明提供的基于天然地震波形的活跃断层结构成像方法，较人工勘探方法成本更低，较天然地震走时成像和噪声面波成像的成像分辨率更高。本方法能够经济有效地得到活跃断层带的三维精细结构，有助于研究地震孕震和地震破裂分布，具有重要的理论与实际意义。

附图说明

图1是依照本发明实施例的基于天然地震波形的活跃断层结构成像原理示意图；

图2是依照本发明实施例的基于天然地震波形的活跃断层结构成像方法流程图；

图3是依照本发明实施例的二维井中微地震观测系统的示意图；

图4a至图4d是依照本发明实施例的二维弹性波逆时成像结果图；

图5是依照本发明实施例的美国加州parkfield地区台站和地震分布图；

图6是依照本发明实施例的parkfield地区双差地震走时成像得到的穿过safod垂直于断层的vp速度剖面图；

图7是依照本发明实施例的穿过加州sanandreas断层safod钻井剖面的主动源地震成像的示意图；

图8是依照本发明实施例的parkfield地区三维逆时成像结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种基于天然地震波形的活跃断层结构成像方法，该方法利用逆时传播的地震波场在介质中不连续结构处的相干性，对地下的断层结构进行成像。这种成像方法只需要根据波动方程逆时传播弹性波场，而不像主动源地震成像那样需要正传震源波场，因此无需震源函数、震源位置和发震时刻这些震源信息。

本发明提出的基于天然地震波形的活跃断层结构成像方法是一种利用弹性波信息进行成像的方法。地震波在地下介质的不连续处发生波场转换现象，纵波和转换横波(或横波和转换纵波)自不连续处出发并被地震台站记录到。将台站记录到的弹性波场沿着时间的反方向传播，那么纵波和转换横波(或横波和转换纵波)也将同时回到发生波场转换的不连续体处，利用纵、横波场此时的相干性可以对转换波出现的转换点(即地下介质的不连续处)进行成像。

成像原理如图1示意，图1是依照本发明实施例的基于天然地震波形的活跃断层结构成像原理示意图，五角星代表震源；圆代表介质中的不连续体；三角形代表是地震台站；实线表示本发明提出的成像方法中使用的地震波场的传播路径，即介质中不连续结构激发出的纵波和转换横波(或横波和转换纵波)；虚线表示未在成像方法中使用的地震波场的传播路径。

图2是依照本发明实施例的基于天然地震波形的活跃断层结构成像方法流程图，该方法包括以下步骤：

s11，对地震波弹性波场进行逆时重构；

在xs＝(xs，ys，zs)发生一个地震事件，其中，xs表示地震事件在三维介质中的位置，xs和ys表示地震事件在水平方向的坐标，单位为米，zs表示地震事件在深度方向的坐标，单位为米。地震波场d被置于xr＝(xr，yr，zr)的地震台站记录，其中，xr表示地震台站在三维介质中的位置，xr和yr表示地震台站在水平方向的坐标，单位为米，zr表示地震台站在深度方向的坐标，单位为米。地震波场zr可以表示为：

d(xr，t)＝s(xs，t)g(xr，xs，t)(1)

其中，t表示时间，s代表震源时间函数，g为格林函数。

以地震波场d为初始条件，根据该地区的平滑速度模型沿着时间的反方向传播地震波场，即对波场进行逆时重构，得到逆推波场w：

其中，t表示时间，i代表第i个台站，g*为格林函数的共轭。

多种数值计算方法可以用于求解格林函数的共轭，即从最大的时间开始向最小的时间方向计算弹性波场。对i的累加代表同时使用所有地震台站的波形记录进行地震波弹性波场逆时重构。

s12，对地震波弹性波场进行纵波场和横波场解耦分离；

具体的，根据天然地震的波形记录，从最大时刻开始向最小时刻，沿着时间的反方向计算地震波弹性波场，然后在每个时间步长上对纵、横波进行解耦分离。

在本实施例中，可以采用取散度和取旋度的方法来解耦分离纵、横波场：

其中，λ和μ表示拉梅系数，表示求散度，×表示取旋度，u表示弹性波场，p表示解耦的纵波，s表示解耦的横波。

s13，利用纵、横波场的相干性对解耦的纵波和横波实施零延时互相关成像条件，将四维的反传波场转化成介质中不连续结构的成像；

台站记录到的弹性波场沿着时间反方向传播，那么纵波和转换横波(或横波和转换纵波)也将同时回到发生波场转换的不连续体处，利用纵、横波场此时的相干性对转换波出现的转换点(即地下介质的不连续处)进行成像。采用取散度和取旋度的方法进行纵、横波解耦后，对解耦的纵波p和横波s实施零延时互相关成像条件，将四维的反传波场转化成介质中不连续结构的成像ips：

ips(x)＝∑t(∑ipi(x，t)∑isi(x，t))(4)

其中，∑ipi(x，t)和∑isi(x，t)是所有台站的反传弹性波场解耦得到的纵、横波场。

针对天然地震台站的稀疏性(相对于人工地震勘探)和不规则，本发明提出分组成像条件来提高弹性波逆时成像的能量聚焦度以提高其空间分辨率，并减少成像噪音。与传统的互相关成像题条件相比，分组成像条件将地震台站进行分组，以不同组的被动源地震记录为初始条件，得到多个反传波场，然后利用不同组的波场之间的相干性对介质结构进行成像，对应的公式如下：

其中，gi表示第i组台站，π表示相乘，和是第i组反传弹性波场解耦得到的纵、横波场，ips是地下介质中不连续结构的成像，t表示时间，x表示三维空间坐标。

对于公式(4)表示的互相关成像条件，所有台站的反传纵或横波波场是相加；而对于公式(5)表示的分组成像条件，不同台站组的反传纵或横波波场是相乘的。通过不同台站组波场的相乘，能够提高波场在转换波出现的转换点(即地下介质的不连续处)的能量，因此分组成像条件对稀疏地震台站的容忍度优于互相关成像条件。同时，台站相乘能够减小数据噪声和成像噪声，提高成像信噪比。

本发明提出的方法对美国加州圣安德烈斯断层(sanandreasfaultzone，简称safz)进行三维精细结构成像。图3是依照本发明实施例的二维井中微地震观测系统的示意图。利用6个正演模拟的地震事件波形记录，通过本发明提出的成像方法，采用零延时互相关成像条件(公式4)对事件东侧的裂缝区域进行了成像，如图4a所示。同样，通过本发明提出的成像方法，把15个台站分成了2、3和5组，采用分组成像条件进行成像，结果表明新的成像条件对裂缝区域的成像更清晰、信噪比更高，如图4b-d所示。

本发明使用的地震波形数据为parkfield地区以safod钻井为中心布设的68个临时地面台站记录到的560个地震，如图5所示，图5是依照本发明实施例的美国加州parkfield地区台站和地震分布图。其中三角形：地震台站；圆点：safod的钻井位置；实线：圣安德烈斯断层；沿着圣安德烈斯断层分布的灰色圆点：天然地震。

parkfield地区双差地震走时成像得到的穿过safod垂直于断层的速度剖面(zhangetal.，2009)，如图6所示，图6是依照本发明实施例的parkfield地区双差地震走时成像得到的穿过safod垂直于断层的vp速度剖面图。其中，粗实线表示safod钻井位置，黑点表示天然地震事件。

由此可见，速度成像的结果只能得到parkfield地区的平滑速度结构，缺乏对断层结构的精细刻画。为了研究safod钻井附近的精细断层构造，该地区采用成本昂贵的人工地震勘探，通过主动源勘探和波场逆散射的成像方法，成像结果探测到了断层内外近垂直的反射面(bleibinhausetal.2007)，如图7所示。sanandreas断层位于大约x＝2.0的位置，如图7所示。

本发明提出的一种基于天然地震波形的活跃断层结构成像方法，根据68个地震台站记录到的120个分布在3.6-6km深度上的地震事件的波形记录，对parkfield区域(图5)的圣安德烈斯断层结构进行了成像，120个地震事件的叠加成像结果如图8所示，白点表示天然地震事件。从图8中可以看到，x＝2km处近乎垂直的主断层，其结构清晰可辨。此外，x＝0km处可见一个近乎垂直的次级断层。对比该区域已有的人工地震偏移剖面的成像结果图7，x＝2km的主断层和x＝0km处的次级断层结构是真实可信的。可以推断，通过使用更多在不同深度分布的地震事件能够得到更清晰可靠的断层结构，将有利于研究发震构造。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。