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的干涉現象的研究。通過對記錄到的地震信號進行干涉，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徵，如去除複雜地質構造對波傳播的影響、把噪聲變成有用的信號、提高信號的信噪比以及反映常規的地震處理方法所不能反映的某些複雜地質構造的局部性特徵等。

基本介紹

• 中文名：地震波干涉法
• 外文名：Seismic Interferometry
• 類型1：相關型地震波干涉法
• 類型2：卷積型地震波干涉法
• 類型3：反卷積型地震波干涉法
• 學科：地質科學

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威雜誌上發表了大量關於地震波干涉法有關的文章。美國勘探地球物理學家協會(SEG)和歐洲地球科學和工程師學會(EAGE)分別在2005年和2006年舉行過關於地震波干涉法的研討班，體現出地球物理工作者對該方法的重視。

物理學中，干涉法(Interferometry)指的是對兩個不同的信號重疊而產生的新信號這一現象的研究，其對信號所穿過的介質的物理特性的變化比較敏感。其中的一個例子是雷達干涉技術。這一技術在地球物理方面的套用體現在監測地殼形變，用於監測火山、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的干涉現象的研究。通過對記錄到的地震信號進行干涉，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徵，如去除複雜地質構造對波傳播的影響、把噪聲變成有用的信號、提高信號的信噪比以及反映常規的地震處理方法所不能反映的某些複雜地質構造的局部性特徵等。

地震波干涉法的研究最早見於1968年Clearbout發表於“Geophyscis”的一篇經典論文，文中用水平層狀介質證明了對自由地表接收到的從底部來的透射地震記錄進行自相關等價於其自激自收模擬記錄(包含負時間記錄以及零時刻的脈衝回響)。該結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，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衝回響。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記錄到的地震波一樣。這種通過對地震波進行相關而得到新的地震波並進行成像的方法被命名為聲波日光法成像技術。Clearbout推斷這一結論可以推廣到三維各向異性的介質中，但沒有給出證明。法國巴黎高等理工化工大學Fink領導的研究小組在聲學領域從理論和實驗上證實了在各種不同的介質中，包括強散射介質，聲場存在時間反轉現象。這一方法被用於超聲聚焦與檢測，同時也激發了地球物理工作者提出尾波干涉的方法來監測介質的微小變化。

Schusetr在2000年結束對史丹福大學的訪問之後，2001年在其發表的會議文章中正式使用了地震波干涉法這個名詞，在後來發表的文章中進一步地闡明了該方法的原理和套用價值川。套用地震波干涉法對多次波進行偏移得到反射界面的構造特徵，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、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WaPeanar領導的研究小組發表了一系列文章，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和不同的震源均成立，並通過數值模擬的方法，用合成地震數據和實際數據進行了驗證，證明了Clearbout提出的關於三維介質中地震波干涉法關係式成立的推斷。美國科羅拉多礦業學院的Sineder等人對地震波干涉法作了許多創新性的工作，進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行相關來推斷介質的參數隨時間的變化。該方法被套用於實際的天然地震資料，用來推斷地震波速度、震源位置等參數的變化以及岩石應力的變化、火山活動的監測等。

國內對震波干涉法在天然地震學中也有一系列的研究。王寶善等對在雲南昆明採集到的一個月周期的地震數據，用尾波干涉的方法來估計地震波速度的變化並解釋了引起這種變化的可能原因。中國科學院聲學研究所汪承瀕院士領導的研究小組做了大量的關於聲波時間反轉法的深人研究工作。汪承顴等用換元接收的時間反轉法，克服了以往的時間反轉法不能區分目標和界面的缺點。陸明慧等把時間反轉法套用於水下擴頻編碼通信，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法套用十固體板中的聲波傳播，表明時間反轉法能補償固體板中由多徑效應造成的波形和相位畸變。但是，把地震波干涉法套用到勘探地震領域是一個新的研究方向。

地震波干涉法的分類

在忽略儀器回響的情況下，地震檢波器或地震儀記錄到的地震信號等效于格林函式和地震子波的卷積。地震波干涉法的核心思想就是對記錄的地震信號進行一定的數學處理，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式進行運算後，能產生一個虛震源記錄，那么在對地震子波做卷積之後，這種關係將仍然成立。因此，地震波干涉法的數學實現方式體現在虛震源格林函式的提取方法上。

相關型地震波干涉法

相關型地震波干涉法是套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之前，人們對地震波干涉法的定義就是指用相關的方法獲得虛震源的地震數據，其中，自相關生成自激自收的地震記錄，互相關生成共炮點道集。

卷積型地震波干涉法

地震波干涉法也可以用卷積來實現。原因為對兩個不同檢波器記錄到的地震波進行相關等價於以對一個檢波器的負時記錄和另一檢波器的因果的地震記錄進行卷積。由於卷積和相關的等價關係，卷積型干涉法涉及的數學理論與相關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後實施。該方法需要對波場進行分離，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的修改。與相關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。

地震波干涉法成像

對地震波干涉法得到的新的地震數據進行成像，是地震波干涉法的主要套用之一除直接對得到的數據進行偏移外，地震波干涉法成像亦有其他實現方式。Sava等比3〕通過對波場外推後對成像點進行空間和時間上的相關，形成新的時空域相關成像條件，提高了計算效率和使偏移算法更穩定。地震波干涉法成像豐富了地震波成像的內容，對準確的獲得地下的地質構造有著重要意義。改進地震波偏移算法一直是提高地震成像精度的主導方向，地震波干涉法成像在同樣的偏移算法下，由於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，尤其是在複雜的近地表勘探和海洋勘探中，多次波一般被認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據用干涉法進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，對準確的獲得虛震源的地震記錄很重要。美國猶他大學Schusetr領導的研究小組發表的利用多次波進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〕。其結果表明，套用多次波成像能提高成像的解析度，並且對地質體有更大的照明範圍。

消除近地表複雜地質條件的影響

在近地表，複雜的地質條件如風化帶、小斷塊、推覆體的存在將引起地震波阻抗複雜的變化，從而降低採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中的波傳播，直接得到新的從虛震源出發的地震記錄，從而消除近地表複雜地質條件的干擾，提高成像的精度。Bakulin等人在發表的關於這類問題的文章中，把這種方法稱為虛震源法(Virtual Souree Method)，而沒有採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於採用的是虛震源，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，也可以是隨機的震源如噪聲源。對理論數據以及實際數據進行成像的結果表明，通過地震波干涉法，對隨機的震源產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構二。〕對採集到的噪聲信號進行地震波干涉法成像，同樣得到信噪比較高的成像剖面。

面向目標的地質成像

地震波干涉法通過對數據重建，能夠使新的地震波場集中在感興趣的地質構造範圍內，從而間接地達到面向目標的地質成像的目的。對同樣的地質體，可以通過不同的方式得到面向目標的虛震源記錄，因而這裡的觀測系統相對於常規的面向目標的觀測系統有著更大的自由性。Schuset用干涉法描述的費曼原理闡述了動態提取虛震源的反射波走時的可行性，並把它套用於面向目標的層析成像的研究。對改善區域性以及全球性的層析成像的解析度有很好的效果。在隨後發表的文章中，用探地雷達的數據進行了層析成像。事實上，所有的地震波干涉法成像方法都可以被認為是一種面向目標的成像方法。

被動源法成像

地震波干涉法的對成像一個重大的貢獻是被動源法成像腳口。勘探地球物理的被動源技術一般指的是用微震來研究儲層的地質結構。由於地震波傳播的介質的複雜性，採集到的微震的數據常比勘探中常用的人工源技術的信號弱，具有低信噪比等特點。直接對這種數據進行成像處理有一定的技術困難，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據，可避開對某些複雜的地質構造和複雜的震源特徵的研究。數值實驗和實際地震資料的套用表明，用地震波干涉法得到的新的地震數據進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。