本發(fā)明屬于地層結構反演，具體涉及一種基于單臺站六分量地震儀的地層結構掃描方法。

背景技術：

1、地層結構反演技術是一種在地質勘探領域廣泛應用的關鍵技術，能夠基于地面或井下觀測的數(shù)據(jù)，分析地震波在地下介質中的傳播特性，推斷地下結構的分布情況、物理性質和幾何結構。這項技術不僅有助于研究地震活動和地殼運動，理解地球內部的構造，還能輔助尋找地下水、礦產資源以及油氣藏。此外，在監(jiān)測地質災害如滑坡、塌陷等方面也有著重要的應用。

2、當前地層結構反演技術的應用范圍非常廣泛，目前的最常見的方法是利用地震波在地下介質中的反射、折射和散射等現(xiàn)象。通過對這些地震波的詳細分析，可以推斷出地下介質的速度結構、密度分布和彈性參數(shù)等信息。其中，速度結構是反演過程中最為關鍵的參數(shù)，因為它直接關系到地震波的傳播速度，從而影響到地震波形的記錄。

3、地層結構反演技術的方法多種多樣，包括到達時間反演、波形反演、全波形反演等。到達時間反演主要是利用地震波從震源到接收點的傳播時間來推斷地下速度結構。波形反演則更加注重地震波形的細節(jié)，它通過匹配實際觀測到的地震波形與理論計算的地震波形，來反演地下介質的物理參數(shù)。全波形反演是目前較為先進的方法之一，它不僅考慮地震波的到達時間，還綜合考慮了地震波的振幅、頻率和相位等信息，從而能夠提供更為精確的地下結構信息。

4、為了實現(xiàn)地層結構反演，通常需要布設大量的地震儀臺站陣列。這些臺站可以是地面臺站，也可以是海底臺站或者井下臺站。臺站的數(shù)量和分布對反演結果的精度有著直接的影響。一般來說，臺站越多，覆蓋范圍越廣，反演得到的地下結構信息就越詳細。然而，臺站的布設也受到地理環(huán)境和經(jīng)濟成本的限制，因此在實際操作中需要在臺站數(shù)量和反演精度之間找到一個平衡點。

5、此外，由于布設大量地震儀臺站，相應地，數(shù)據(jù)量也迅速增長，在后期進行計算機處理過程中，往往意味著更高的算力要求和更長的處理時間。考慮到布放大量臺站陣列所需較高成本，且實驗場地往往也會有不同程度的限制，在實際應用中存在一定程度的限制和不足。

技術實現(xiàn)思路

1、針對傳統(tǒng)地層結構反演方法對信號各分量特征及各分量間關系特征利用不夠充分，無論是理論上還是實際應用中都至少需要兩個以上地震儀臺站才能進行定位的現(xiàn)狀，本發(fā)明提供一種充分利用六分量數(shù)據(jù)各分量間關系特征實現(xiàn)對測點垂直方向上的地層結構反演方法。本發(fā)明有效利用采集到的信號各分量之間的關系，對數(shù)據(jù)所攜帶的信息進行更深入的分析，可以實現(xiàn)利用單個地震儀臺站即實現(xiàn)相應測點地下結構的反演。在使用單臺站六分量地震儀的前提下，通過聯(lián)合給定測線上多個測點獲得的地下結構信息，能夠獲得測線下對應地層結構剖面信息。通過聯(lián)合多條測線信息，可以進而獲得的地下三維結構信息。

2、采用本發(fā)明的地層結構反演方法僅使用單臺站六分量地震儀，相比于基于傳感器陣列的反演方法，本發(fā)明只需要單臺站六分量地震儀對各測點時序上先后測量，即可實現(xiàn)在相應測線上獲得地層結構剖面信息，或綜合多條測線的數(shù)據(jù)結果獲得地下三維結構信息，實現(xiàn)地層結構掃描效果。且本發(fā)明僅利用單個臺站數(shù)據(jù)，進行后期處理時速度更快，算法復雜度顯著降低。傳統(tǒng)方法在單個測點需要布置大量傳感器組成陣列來實現(xiàn)單個測點的數(shù)據(jù)采集，陣列方法要求聲源必須統(tǒng)一(比如同一時刻的主動震源)，本方法無這方面要求。

3、本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

4、地層結構反演技術中傳統(tǒng)的依據(jù)到時等方法進行地層結構反演的儀器布放方法如圖1所示，本發(fā)明對該方法進行改進，通過使用單臺站六分量地震儀，時序上逐個測點進行數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)單臺站六分量地震儀的地層結構反演。技術方案主要基于巖石破裂等原因產生的地震波同時包含體波和面波，在傳播過程中會受到不同深度的地層結構的影響，當不同類型的波到達測點時發(fā)生干涉，將不同深度的地層信息反映在測點處的六分量數(shù)據(jù)上，因此可以實現(xiàn)對地層結構進行反演。由于無論是地震、板塊運動、火山活動或人為的地下爆破、礦產挖掘都會產生一定的地震波，且不同的地震波雜合可以整體作為被動源信號，因此本技術方案也可以應用于礦產開采等領域。

5、本發(fā)明基于單臺站六分量地震儀的地層結構反演技術的流程圖如圖2所示，在安裝前去除地表浮土，將單個臺站緊耦合在地面上，以有效采集被動源信號并進行處理，具體包括以下步驟：

6、s1：將六分量地震儀的六個分量和現(xiàn)實中相應對齊，在安裝過程中確保六分量地震儀的z分量正方向指向測點處與重力加速度相反的方向，緊耦合在地面上的單個地震儀按固定的采樣率采集被動源信號，完成一定時間采樣后保存數(shù)據(jù)；

7、s2：對采集到的信號進行預處理，對齊數(shù)據(jù)時步，去除奇異值點以及測量實驗過程中的明顯人為因素，去除數(shù)據(jù)趨勢，獲得該測點的被動源信號六分量數(shù)據(jù)，并進一步根據(jù)六分量數(shù)據(jù)計算平動和旋轉的水平分量，同時保存測點的位置信息；

8、s3：綜合分析預處理后的每個分量數(shù)據(jù)特征及各分量數(shù)據(jù)間的關系特征，提取該測點處相速度頻散曲線，獲得相速度和頻率的定量關系；

9、s4：在獲得相速度頻散曲線的基礎上，根據(jù)相速度和頻率的定量關系，計算不同頻點處的相對速度，并保存相對速度和相應的頻點信息；

10、s5：利用地震波傳播過程中在地表單點發(fā)生干涉的基本原理，結合前述相對速度與頻率的定量關系，進而建立相對速度與深度之間的映射關系，獲得該測點處地層不同深度的結構信息，完成單測點的地下結構探測；

11、s6：在單測點的地下結構探測基礎上，通過合理規(guī)劃測點組合成測線或測點陣，在各個點位重復前述步驟，能夠實現(xiàn)地層剖面信息繪制或地下三維結構反演。

12、優(yōu)選地，步驟s1中將六分量地震儀的六個分量和現(xiàn)實中相應對齊，包括將平動和旋轉的三個分量x分量，y分量，及z分量指向分別和南北向、東西向及上下方向，其中z分量正方向指向與重力加速度相反的方向。

13、優(yōu)選地，步驟s3中對綜合分析預處理后的每個分量數(shù)據(jù)特征及各分量數(shù)據(jù)間的關系特征，提取該測點處相速度頻散曲線，主要利用同一被動源信號不同類型的波在傳播過程中，在該測點處發(fā)生單點干涉導致的六分量數(shù)據(jù)間的關系特征，因此需要采用各分量在同一時窗內的數(shù)據(jù)。

14、優(yōu)選地，步驟s6中的不同測點之間的被動源信號不要求時間同步，因此既可以單臺站六分量地震儀逐測點采集數(shù)據(jù)，也可以采用多臺儀器同時采集數(shù)據(jù)。當采用多臺儀器同時布放時，能夠在不增加算法復雜度的前提下，縮短實驗時長，且后期數(shù)據(jù)處理不需要額外的算力需求。同時，當采用多臺儀器同時布放時也結合傳感器陣列的方法，從兩個方面分別驗證地層結構反演的結果。

15、本發(fā)明利用同一被動源信號不同類型的波在傳播過程中，在該測點處發(fā)生單點干涉導致的六分量數(shù)據(jù)間的關系特征，采用單臺站的六分量數(shù)據(jù)及各分量數(shù)據(jù)間的關系特征即可提取該測點處相速度頻散曲線，僅使用單一臺站采集信號即可實現(xiàn)地層剖面信息反演或地下三維結構反演。

16、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的積極效果為：

17、本發(fā)明提出的基于單臺站六分量地震儀的地層結構掃描技術，在實際的應用過程中僅需要單臺站六分量地震儀，相對于多臺站陣列方法明顯降低實驗中儀器布放和實驗環(huán)境的要求，所提出的數(shù)據(jù)處理方法顯著快于目前常見的臺站陣列反演方法。此外，相較于主動源方法，本方法采用被動源作為信號源，有效增加靈活性，能夠以更低的成本實現(xiàn)針對地層結構掃描。