[科普中國]-地震波干涉法

地震波干涉法(Seismic Interferometry)是最近幾年地球物理特別是勘探地球物理研究的一個熱點。地震波干涉法與物理學(xué)中的干涉法類似，但研究對象為地震信號或聲信號，其廣義的定義是指與地震波有關(guān)的干涉現(xiàn)象的研究。通過對記錄到的地震信號進(jìn)行干涉，將得到新的地震信號，這種地震信號不僅包含了原始地震信號的特性，而且能反映出原始信號所不具有的某些重要的特征，如去除復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造對波傳播的影響、把噪聲變成有用的信號、提高信號的信噪比以及反映常規(guī)的地震處理方法所不能反映的某些復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的局部性特征等。

簡介地震波干涉法(Seismic Interferometry)是最近幾年地球物理特別是勘探地球物理研究的一個熱點。近幾年來“Geophyscis”等國際性的地球物理權(quán)威雜志上發(fā)表了大量關(guān)于地震波干涉法有關(guān)的文章。美國勘探地球物理學(xué)家協(xié)會(SEG)和歐洲地球科學(xué)和工程師學(xué)會(EAGE)分別在2005年和2006年舉行過關(guān)于地震波干涉法的研討班，體現(xiàn)出地球物理工作者對該方法的重視。

物理學(xué)中，干涉法(Interferometry)指的是對兩個不同的信號重疊而產(chǎn)生的新信號這一現(xiàn)象的研究，其對信號所穿過的介質(zhì)的物理特性的變化比較敏感。其中的一個例子是雷達(dá)干涉技術(shù)。這一技術(shù)在地球物理方面的應(yīng)用體現(xiàn)在監(jiān)測地殼形變，用于監(jiān)測火山、地震、滑坡、地面沉降、冰川活動等。地震波干涉法與物理學(xué)中的干涉法類似，但研究對象為地震信號或聲信號，其廣義的定義是指與地震波有關(guān)的干涉現(xiàn)象的研究。通過對記錄到的地震信號進(jìn)行干涉，將得到新的地震信號，這種地震信號不僅包含了原始地震信號的特性，而且能反映出原始信號所不具有的某些重要的特征，如去除復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造對波傳播的影響、把噪聲變成有用的信號、提高信號的信噪比以及反映常規(guī)的地震處理方法所不能反映的某些復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的局部性特征等。

地震波干涉法的研究最早見于1968年Clearbout發(fā)表于“Geophyscis”的一篇經(jīng)典論文，文中用水平層狀介質(zhì)證明了對自由地表接收到的從底部來的透射地震記錄進(jìn)行自相關(guān)等價于其自激自收模擬記錄(包含負(fù)時間記錄以及零時刻的脈沖響應(yīng))。該結(jié)論可以推廣到非自激自收的情況，若對自由地表兩個不同的檢波器記錄到的從透射波地震信號做互相關(guān)，可得到一個新的地震信號，其包含因果和非因果部分以及脈沖響應(yīng)。其因果部分與以一個檢波器所在的位置為震源(虛震源)而另一個檢波器為檢波器的觀測系統(tǒng)記錄到的地震波一樣。這種通過對地震波進(jìn)行相關(guān)而得到新的地震波并進(jìn)行成像的方法被命名為聲波日光法成像技術(shù)。Clearbout推斷這一結(jié)論可以推廣到三維各向異性的介質(zhì)中，但沒有給出證明。法國巴黎高等理工化工大學(xué)Fink領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在聲學(xué)領(lǐng)域從理論和實驗上證實了在各種不同的介質(zhì)中，包括強散射介質(zhì)，聲場存在時間反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。這一方法被用于超聲聚焦與檢測，同時也激發(fā)了地球物理工作者提出尾波干涉的方法來監(jiān)測介質(zhì)的微小變化。

Schusetr在2000年結(jié)束對斯坦福大學(xué)的訪問之后，2001年在其發(fā)表的會議文章中正式使用了地震波干涉法這個名詞，在后來發(fā)表的文章中進(jìn)一步地闡明了該方法的原理和應(yīng)用價值川。應(yīng)用地震波干涉法對多次波進(jìn)行偏移得到反射界面的構(gòu)造特征，所用的震源可以是人工源也可以是被動源。與Clearbout的層狀介質(zhì)、炮點和檢波點水平分布不同的是，其不受模型的限制，炮點和檢波點也可以任意布置，只要滿足地震波干涉法成立的條件即可。幾乎同時，許多地球物理工作者廣泛地開展了對地震波干涉法的研究。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)WaPeanar領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)表了一系列文章，用積分理論和互易定理論證了地震波干涉法對不同的非衰減的介質(zhì)和不同的震源均成立，并通過數(shù)值模擬的方法，用合成地震數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證，證明了Clearbout提出的關(guān)于三維介質(zhì)中地震波干涉法關(guān)系式成立的推斷。美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的Sineder等人對地震波干涉法作了許多創(chuàng)新性的工作，進(jìn)一步完善了地震波干涉法的理論，提出了尾波干涉的理論，通過不同的地震儀記錄到的尾波進(jìn)行相關(guān)來推斷介質(zhì)的參數(shù)隨時間的變化。該方法被應(yīng)用于實際的天然地震資料，用來推斷地震波速度、震源位置等參數(shù)的變化以及巖石應(yīng)力的變化、火山活動的監(jiān)測等。

國內(nèi)對震波干涉法在天然地震學(xué)中也有一系列的研究。王寶善等對在云南昆明采集到的一個月周期的地震數(shù)據(jù)，用尾波干涉的方法來估計地震波速度的變化并解釋了引起這種變化的可能原因。中國科學(xué)院聲學(xué)研究所汪承瀕院士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組做了大量的關(guān)于聲波時間反轉(zhuǎn)法的深人研究工作。汪承顴等用換元接收的時間反轉(zhuǎn)法，克服了以往的時間反轉(zhuǎn)法不能區(qū)分目標(biāo)和界面的缺點。陸明慧等把時間反轉(zhuǎn)法應(yīng)用于水下擴(kuò)頻編碼通信，帶來了信號的聚焦增益和提高了編碼信號的主副瓣比。吳昊等嘟二把時間反轉(zhuǎn)法應(yīng)用十固體板中的聲波傳播，表明時間反轉(zhuǎn)法能補償固體板中由多徑效應(yīng)造成的波形和相位畸變。但是，把地震波干涉法應(yīng)用到勘探地震領(lǐng)域是一個新的研究方向。1

地震波干涉法的分類在忽略儀器響應(yīng)的情況下，地震檢波器或地震儀記錄到的地震信號等效于格林函數(shù)和地震子波的卷積。地震波干涉法的核心思想就是對記錄的地震信號進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)處理，得到以其中一個檢波器為震源的新的地震記錄。如果對地震波場的格林函數(shù)進(jìn)行運算后，能產(chǎn)生一個虛震源記錄，那么在對地震子波做卷積之后，這種關(guān)系將仍然成立。因此，地震波干涉法的數(shù)學(xué)實現(xiàn)方式體現(xiàn)在虛震源格林函數(shù)的提取方法上。

相關(guān)型地震波干涉法相關(guān)型地震波干涉法是應(yīng)用最為廣泛的一種地震波干涉法。實際上，在反卷積型地震波干涉法出現(xiàn)之前，人們對地震波干涉法的定義就是指用相關(guān)的方法獲得虛震源的地震數(shù)據(jù)，其中，自相關(guān)生成自激自收的地震記錄，互相關(guān)生成共炮點道集。

卷積型地震波干涉法地震波干涉法也可以用卷積來實現(xiàn)。原因為對兩個不同檢波器記錄到的地震波進(jìn)行相關(guān)等價于以對一個檢波器的負(fù)時記錄和另一檢波器的因果的地震記錄進(jìn)行卷積。由于卷積和相關(guān)的等價關(guān)系，卷積型干涉法涉及的數(shù)學(xué)理論與相關(guān)型地震波干涉法類似。

反卷積型地震波干涉法地震波干涉法可在做完反卷積后實施。該方法需要對波場進(jìn)行分離，如分解為上行波與下行波或擾動場與非擾動場，邊界條件也要做相應(yīng)的修改。與相關(guān)型地震波干涉法不同的是，反卷積型地震波干涉法對散射波場只提取因果的地震信號。Vaseoneelos和Snieder用散射理論闡述了該方法。2

地震波干涉法成像對地震波干涉法得到的新的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行成像，是地震波干涉法的主要應(yīng)用之一除直接對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移外，地震波干涉法成像亦有其他實現(xiàn)方式。Sava等比3〕通過對波場外推后對成像點進(jìn)行空間和時間上的相關(guān)，形成新的時空域相關(guān)成像條件，提高了計算效率和使偏移算法更穩(wěn)定。地震波干涉法成像豐富了地震波成像的內(nèi)容，對準(zhǔn)確的獲得地下的地質(zhì)構(gòu)造有著重要意義。改進(jìn)地震波偏移算法一直是提高地震成像精度的主導(dǎo)方向，地震波干涉法成像在同樣的偏移算法下，由于其如下特點對精確成像有著很重要的意義。

多次波是有用的信號在地震勘探中，尤其是在復(fù)雜的近地表勘探和海洋勘探中，多次波一般被認(rèn)為是噪聲而在地震處理的過程中加以消除。但在地震波干涉法成像中，多次波對提高成像的精度非常重要。在對接收到的地震數(shù)據(jù)用干涉法進(jìn)行重新提取地震記錄的過程中，多次波也是組成地震波場的一個重要的組分，對準(zhǔn)確的獲得虛震源的地震記錄很重要。美國猶他大學(xué)Schusetr領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)表的利用多次波進(jìn)行多次波干涉法成像的文章或Vaseoneelos等人定義的模型間的多次散射波的例子哪〕。其結(jié)果表明，應(yīng)用多次波成像能提高成像的分辨率，并且對地質(zhì)體有更大的照明范圍。

消除近地表復(fù)雜地質(zhì)條件的影響在近地表，復(fù)雜的地質(zhì)條件如風(fēng)化帶、小斷塊、推覆體的存在將引起地震波阻抗復(fù)雜的變化，從而降低采集到的地震信號的信噪比，給地震資料的處理和解釋帶來很大困難。用地震波干涉法就可以不考慮這部分介質(zhì)中的波傳播，直接得到新的從虛震源出發(fā)的地震記錄，從而消除近地表復(fù)雜地質(zhì)條件的干擾，提高成像的精度。Bakulin等人在發(fā)表的關(guān)于這類問題的文章中，把這種方法稱為虛震源法(Virtual Souree Method)，而沒有采用地震波干涉法的名稱。

不需要對震源或地震子波的了解用地震波干涉法成像由于采用的是虛震源，因此不需要了解震源的特性。如前所述，其震源可以是確定性震源如人工源，也可以是隨機(jī)的震源如噪聲源。對理論數(shù)據(jù)以及實際數(shù)據(jù)進(jìn)行成像的結(jié)果表明，通過地震波干涉法，對隨機(jī)的震源產(chǎn)生的不相干時間序列引起的地震波場仍能很好地得到地下的速度結(jié)構(gòu)二。〕對采集到的噪聲信號進(jìn)行地震波干涉法成像，同樣得到信噪比較高的成像剖面。

面向目標(biāo)的地質(zhì)成像地震波干涉法通過對數(shù)據(jù)重建，能夠使新的地震波場集中在感興趣的地質(zhì)構(gòu)造范圍內(nèi)，從而間接地達(dá)到面向目標(biāo)的地質(zhì)成像的目的。對同樣的地質(zhì)體，可以通過不同的方式得到面向目標(biāo)的虛震源記錄，因而這里的觀測系統(tǒng)相對于常規(guī)的面向目標(biāo)的觀測系統(tǒng)有著更大的自由性。Schuset用干涉法描述的費曼原理闡述了動態(tài)提取虛震源的反射波走時的可行性，并把它應(yīng)用于面向目標(biāo)的層析成像的研究。對改善區(qū)域性以及全球性的層析成像的分辨率有很好的效果。在隨后發(fā)表的文章中，用探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了層析成像。事實上，所有的地震波干涉法成像方法都可以被認(rèn)為是一種面向目標(biāo)的成像方法。

被動源法成像地震波干涉法的對成像一個重大的貢獻(xiàn)是被動源法成像腳口。勘探地球物理的被動源技術(shù)一般指的是用微震來研究儲層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。由于地震波傳播的介質(zhì)的復(fù)雜性，采集到的微震的數(shù)據(jù)常比勘探中常用的人工源技術(shù)的信號弱，具有低信噪比等特點。直接對這種數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理有一定的技術(shù)困難，如干擾波的存在常使得成像的精度很低。而用地震波干涉法能得到新的地震數(shù)據(jù)，可避開對某些復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和復(fù)雜的震源特征的研究。數(shù)值實驗和實際地震資料的應(yīng)用表明，用地震波干涉法得到的新的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行成像能夠把噪聲變成有用的信號，能夠顯著提高成像的精度。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

張勇 - 副教授 - 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院