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基于统计量的地震子波估计方法研究

基于统计量的地震子波估计方法研究

作者：张汉羽中国海洋大学

学位级别：硕士

地震勘探是最有效、最常用的油气勘探和开发手段,而反褶积处理是提高地震剖面分辨率的重要方法。若子波已知,对地震资料进行反褶积,获得地层反射系数,则地震剖面分辨地层的能力,会得到最大幅度地提高,再对系数进行道积分或波阻抗反演,... 详细信息

地震勘探是最有效、最常用的油气勘探和开发手段,而反褶积处理是提高地震剖面分辨率的重要方法。若子波已知,对地震资料进行反褶积,获得地层反射系数,则地震剖面分辨地层的能力,会得到最大幅度地提高,再对系数进行道积分或波阻抗反演,就能获得地下地层阻抗、密度、速度等重要信息。所以,子波估计工作是十分重要的,甚至是地震数据反褶积处理、正演模拟及波阻抗反演的成败关键因素之一。目前,褶积模型是子波估计的基本框架,主要包括统计性子波和确定性子波估计方法。确定性方法需要通过井旁地震记录结合测井数据来估计子波;统计性方法不需要借助任何测井资料,一般假设地震子波和反射系数满足某种分布或性质,仅根据地震记录来估计子波,主要有基于高阶统计量、二阶统计量方法(统称为统计量方法)和非线性反演等方法。其中,高阶统计量估计方法的一般假设条件为：反射系数为非高斯分布,观测噪声为高斯分布,而基于二阶统计量估计方法,一般认为无法估计混合相位子波,但在SIMO系统下,可提取混合相位,该方法的隐含假设条件为：地震道之间的反射系数相同,子波多个且互素(地震记录的差异全部由子波造成,与反射系数无关)。但不同区域的地质条件不同,反射系数满足的假设条件不一样,无测井数据区域的地震资料反射系数更符合或更接近哪种假设情况也有待考究,那到底该用哪一种假设条件的子波估计方法才恰当呢?论文针对不同假设条件的统计量子波估计方法,包括高阶累积量的复倒双谱和复倒三谱估计方法,以及二阶统计量的SIMO系统盲辨识方法,进行子波估计研究和抗噪性能分析对比。在此基础上,针对高阶累积量方法,在解超定方程组时求逆算法不够稳定这一问题,进行了探究。首次引用了一种比原算法更为稳健的阻尼双共轭梯度算法,使估计子波的结果更稳定可靠。针对SIMO系统盲辨识方法,假设条件“地震道之间的反射系数相同,子波多个且互素”与实际情况不符合这一问题,进行了探究,并利用地震数据的频率特征,运用二进正交小波变换Mallat算法的思想,提出了两种构建伪单输入多输出系统(PSIMO)的方法,推导了PSIMO系统下噪声子空间估计子波的算法。这种方法对子波相位、反射系数及噪声分布情况都没有假设,属于盲系统辨识范畴,与实际资料的适应程度更好。最后,将这几种不同假设条件的统计量估计方法,一起应用到南海某一区域实际地震资料处理中,对比它们估计子波的差异以及原始剖面反褶积处理的效果,分析它们对该资料的适应程度,探索哪种方法估计的子波与真实子波最接近。模型测试和实际资料应用表明：(1)基于高阶累积量的阻尼双共轭梯度子波估计方法比求逆算法更加稳健和准确;(2)基于PSIMO系统盲辨识方法(第二种构造方式),克服了不合理假设,且抗噪性能比基于SIMO系统强;(3)复倒双谱和三谱及PSIMO系统盲辨识(第二种构造方式)方法估计的子波与实际子波更接近,对应的实际资料反褶积剖面效果更好,说明这三种方法处理该区域的资料更适应。

关键词：高阶统计二阶统计 PSIMO系统 SIMO系统子波估计

基于分布式光纤声传感火车噪声属性的车型识别及运行规律

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地球物理学报 2024年第7期67卷 2850-2862页

作者：郑兴鹏邢磊张汉羽徐团伟刘怀山吴时国中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室山东青岛266100 海南省生态环境地质调查院海口570206 青岛市海洋地球物理勘探技术重点实验室山东青岛266100 中国科学院深海科学与工程研究所海南省海底资源与探测技术重点实验室海南三亚572000 中国科学院半导体研究所传感技术国家重点实验室北京100083

火车运行时产生强烈的移动噪声传播至地下空间,形成一种绿色环保、强能量的人工地震波.由于载荷系统形态基本固定,火车运行时间规律,震源重复性高,这种火车震源被广泛应用于轨道安全监测、近地表成像和城市地下空间探测等领域.分布式光... 详细信息

火车运行时产生强烈的移动噪声传播至地下空间,形成一种绿色环保、强能量的人工地震波.由于载荷系统形态基本固定,火车运行时间规律,震源重复性高,这种火车震源被广泛应用于轨道安全监测、近地表成像和城市地下空间探测等领域.分布式光纤声传感是一种新兴的地震采集技术,拥有密集采样、布设简单、抗电磁干扰能力强等优点,近年来在城市交通事件微震监测、裂隙探测和地下空间成像领域逐步应用.本研究基于分布式光纤声传感技术获得的秦皇岛试验场火车移动噪声数据,拾取了30个火车交通事件,开展火车噪声视速度、波形和频谱、能量时空变化的属性分析.结果表明:试验区光纤传感的火车噪声具有明显的属性差异,低速度重载荷的火车比高铁引起的地震振幅更大、能量更强,低速火车产生的噪声包含了丰富的低频信息;根据已知的视速度、振幅属性、时频属性,划分了4种类型的火车,并揭示了它们的进出站规律.本研究拓展了分布式光纤传感的应用场景,证明分布式光纤声传感有望应用于不同车型的通勤监测.

关键词：分布式光纤声传感火车震源交通事件噪声属性

基于分布式声波传感阵列的地震动事件定位可行性研究

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中南大学学报（自然科学版） 2023年第5期54卷 1804-1813页

作者：刘威朱鸿鹄张汉羽王涛于大勇李杰施斌南京大学地球科学与工程学院江苏南京210023 南京大学(苏州)高新技术研究院江苏苏州215123 南京大学大地探测与感知研究院江苏南京210023 中国科学院深海科学与工程研究所海南三亚572000

基于在云南省宾川县开展的现场试验,探究频率-波数分析技术应用于分布式光纤声波传感(DAS)数据处理的可行性,分析该技术在判断地震动事件所在方向的应用效果,在此基础上,探讨频率-波数分析法的偏差来源,并提出减小定位误差、提高分辨能... 详细信息

基于在云南省宾川县开展的现场试验,探究频率-波数分析技术应用于分布式光纤声波传感(DAS)数据处理的可行性,分析该技术在判断地震动事件所在方向的应用效果,在此基础上,探讨频率-波数分析法的偏差来源,并提出减小定位误差、提高分辨能力的措施。研究结果表明,DAS阵列的方向偏差为2.37°,相较于检波器阵列,其判断精确度更高。使用特殊设计的光缆提升应变的传递效率、使用锚固装置增强缆-土之间耦合效果以及改变DAS阵列的几何形态捕获多方向的震动信息等措施可以有效减少定位误差,提高分辨能力。

关键词：分布式声波传感(DAS) 地球物理探测分布式光纤传感(DFOS) 地震动事件定位

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循环载荷下饱和岩石的摩擦阻力研究

海洋地质与第四纪地质 2022年第3期42卷 194-203页

作者：张汉羽陈佼佼陈运平刘怀山中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室青岛266100 中国科学院深海科学与工程研究所海南省海底资源与探测技术重点实验室三亚572000 中南大学地球科学与信息物理学院计算地球科学研究中心长沙410083 三亚水文地质工程地质勘察院三亚572000

在循环载荷下岩石发生应力-应变的非线性弹性行为是普遍的,孔隙流体、载荷频率、围压、层理方向是造成岩石应力应变滞后、能量衰减、刚性变化等特征的重要外部变量。基于来自大庆、南京、合肥等地的砂岩样品,利用电液闭环伺服控制压机系... 详细信息

在循环载荷下岩石发生应力-应变的非线性弹性行为是普遍的,孔隙流体、载荷频率、围压、层理方向是造成岩石应力应变滞后、能量衰减、刚性变化等特征的重要外部变量。基于来自大庆、南京、合肥等地的砂岩样品,利用电液闭环伺服控制压机系统,开展了不同饱和流体砂岩的应力-应变滞回曲线、不同载荷频率和饱和流体对岩石的衰减、不同层理方向加载和卸载对岩石杨氏模量影响的实验对比研究,阐明了饱和岩石的非线性响应特征,揭示了外界影响因素对岩石产生非线性形变的作用机制,探讨了岩石内部触面间摩擦阻力在岩石发生非线性形变过程中发挥的媒介作用,并推断接触面颗粒之间的摩擦阻力可能是导致岩石发生衰减、滞后等非线性行为的内在因素。本研究拟通过岩石内部小尺度的摩擦作用与构造尺度断层面上的摩擦滑移相似性,来揭示地震发生时岩体失稳的动力学过程。

关键词：非线性弹性响应杨氏模量摩擦阻力围压滞后

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基于伪单输入多输出系统的子波提取研究

中国海洋大学学报（自然科学版） 2016年第6期46卷 74-83页

作者：张汉羽刘怀山邢磊石旭亮雷朝阳中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室山东青岛266100 中国科学院深海科学分工程研究所海南三亚572000

单输入多输出系统提取地震子波的方法存在要求地震道之间的反射系数相同,子波多个且相异(即假设地震记录的差异全部由子波造成,与反射系数无关),以及对噪声敏感等缺陷。为了克服这种假设,本文利用地震数据的频率特征,运用二进正交小波变... 详细信息

单输入多输出系统提取地震子波的方法存在要求地震道之间的反射系数相同,子波多个且相异(即假设地震记录的差异全部由子波造成,与反射系数无关),以及对噪声敏感等缺陷。为了克服这种假设,本文利用地震数据的频率特征,运用二进正交小波变换Mallat算法的思想,讨论了两种构建伪单输入多输出系统的方法,推导了该系统下噪声子空间提取地震子波的算法,并进行了模型测试和实际资料验证工作。测试和验证结果显示该方法具有较强的抗噪能力。

关键词： PSIMO系统子空间 Mallat算法子波提取

马尼拉俯冲带北段增生楔前缘构造变形和精细结构

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地球物理学报 2018年第7期61卷 2845-2858页

作者：高金尉吴时国姚永坚陈传绪宋陶然王吉亮孙金张汉羽马本俊谢杨冰国土资源部海底矿产资源重点实验室广州510075 中国科学院深海科学与工程研究所三亚572000 海南省海底资源与探测技术重点实验室三亚572000 广州海洋地质调查局广州510760

马尼拉俯冲带是南海的东部边界,记录了南海形成演化的关键信息,同时也是地震和海啸多发区域.本文利用过马尼拉俯冲带北段的高分辨率多道地震剖面,分析了研究区内海盆和海沟的沉积特征,精细刻画了区内增生楔前缘的构造变形、结构以及岩... 详细信息

马尼拉俯冲带是南海的东部边界,记录了南海形成演化的关键信息,同时也是地震和海啸多发区域.本文利用过马尼拉俯冲带北段的高分辨率多道地震剖面,分析了研究区内海盆和海沟的沉积特征,精细刻画了区内增生楔前缘的构造变形、结构以及岩浆活动特征.研究区内增生楔下陆坡部分由盲冲断层、构造楔和叠瓦逆冲断层构成,逆冲断层归并于一条位于下中新统的滑脱面上,滑脱面向海方向的展布明显受到增生楔之下埋藏海山和基底隆起的影响;上陆坡的反射特征则因变形强烈和岩浆作用而难以识别;岩浆活动开始于晚中新世末期并持续至第四纪.马尼拉俯冲带北段增生楔的形成时间早于16.5 Ma,并通过前展式逆冲向南海方向扩展;马尼拉俯冲带的初始形成时间可能在晚渐新世,而此时南海海盆扩张仍在持续.南海东北缘19°N—21°N区域为南海北部陆坡向海盆的延伸,高度减薄的陆壳的俯冲造成马尼拉海沟北段几何形态明显地向东凹进.

关键词：马尼拉俯冲带增生楔构造变形初始俯冲多道地震

西沙孤立碳酸盐台地的地震层序及演化模式——以永乐环礁为例

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海洋地质与第四纪地质 2020年第5期40卷 87-96页

作者：李学林张汉羽刘刚韩孝辉秦永鹏吴时国中国地质调查局广州海洋地质调查局广州510075 中国科学院深海科学与工程研究所海底资源与探测技术重点实验室三亚572000 海南省海洋地质调查研究院海口570206

永乐环礁作为典型的现代孤立碳酸盐台地,记录了西沙海域生物礁以及碳酸盐台地的整个兴衰历史。根据新采集的高分辨率多道地震数据,结合永乐环礁琛科2井以及永乐环礁东部西科1井的研究结果,对永乐环礁内部进行层序地层学研究,讨论了永乐... 详细信息

永乐环礁作为典型的现代孤立碳酸盐台地,记录了西沙海域生物礁以及碳酸盐台地的整个兴衰历史。根据新采集的高分辨率多道地震数据,结合永乐环礁琛科2井以及永乐环礁东部西科1井的研究结果,对永乐环礁内部进行层序地层学研究,讨论了永乐环礁的演化过程,建立了西沙孤立碳酸盐台地的发育模式。根据地震反射同相轴特征变化,自下而上划分出Sq1(下中新统)、Sq2(中中新统)、Sq3(上中新统)、Sq4(上新统)、Sq5(第四系)5个层序,建立了永乐环礁的年代地层格架。重建了永乐碳酸盐台地自中新世以来的演化历史:台地顶部自中新世以来沉积环境相对稳定,以潟湖为主;而台地斜坡早中新世为滨浅海环境,发育生物礁,中中新世至今为半深海沉积环境,斜坡区有水道侵蚀,发育源于台地顶部的重力流沉积,在台地西部的斜坡区还发现了第四纪等深流沉积。综上,将西沙孤立碳酸盐台地发育演化划分为早中新世萌芽期、中中新世繁盛期、晚中新世—上新世淹没期、第四纪现代环礁4个阶段。本次研究弥补了以往对西沙孤立碳酸盐台地发育演化研究的不足。

关键词：层序地层地震相识别孤立碳酸盐台地发育模式永乐环礁

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深海级分布式光纤地震系统的南海海试

光学学报 2024年第1期44卷 367-375页

作者：邓棣珉徐团伟张汉羽于春亮曹凯姜英豪谢亚宁李芳吴时国中国科学院半导体研究所传感技术国家重点实验室北京100083 中国科学院大学材料科学与光电技术学院北京100049 中国科学院深海科学与工程研究所深海地球物理与资源研究室海南三亚572000 中国科学院深海科学与工程研究所深海工程技术部海南三亚572000

分布式光纤声传感(DAS)技术将单根光纤视为传感和传输介质,可实时探测光纤附近的振动/声波信号,具有环境适应性强、长距离、空间连续测量等优势。本文借助海底观测平台,将DAS解调仪与传感光纤一同布放于深海,展开了为期21天的深海原位... 详细信息

分布式光纤声传感(DAS)技术将单根光纤视为传感和传输介质,可实时探测光纤附近的振动/声波信号,具有环境适应性强、长距离、空间连续测量等优势。本文借助海底观测平台,将DAS解调仪与传感光纤一同布放于深海,展开了为期21天的深海原位测试试验。在1423 m的深海环境中,成功实现海底振动传感系统,其平均背景噪声约为0.464 mrad/√Hz。这一结果与实验室测量结果相近。海试的数据采集结果进一步验证了该系统的可行性,通过对不同工作状态(入水、着底、移动和抛载上浮)下采集到的振动信号的时频特性进行了分析,能够清晰识别出各工作状态下的信号特征。该深海级分布式光纤地震系统提供了一种新的工程方案,海底的原位布放可以实现在更远海域和更深海底的分布式光纤地震采集,对海洋地球物理研究具有重要意义。

关键词：海底分布式光纤地震系统分布式光纤声传感海洋环境监测海洋地球物理

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三沙永乐蓝洞成因机制初探

热带海洋学报 2022年第1期41卷 171-183页

作者：高金尉付腾飞赵明辉张汉羽田丽艳中国科学院深海科学与工程研究所海南三亚572000 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 广东珠海519000 自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061 中国科学院南海海洋研究所广东广州511458 中国科学院大学北京100049

海洋蓝洞保留了原始的水体、沉积物、化石残骸和完整的生物骨骼,是重要的自然遗产和地质奇观,具有重要的科学研究价值。三沙永乐蓝洞是目前全球已发现的最深海洋蓝洞,有着独特的洞体结构和水体化学特征,但其成因仍是未解之谜。本文结合... 详细信息

海洋蓝洞保留了原始的水体、沉积物、化石残骸和完整的生物骨骼,是重要的自然遗产和地质奇观,具有重要的科学研究价值。三沙永乐蓝洞是目前全球已发现的最深海洋蓝洞,有着独特的洞体结构和水体化学特征,但其成因仍是未解之谜。本文结合南海的构造演化,分析了永乐环礁碳酸盐岩台地的发育历史,认为永乐环礁的形成以加积和退积为主,其台地边缘属于陡崖型台地斜坡,有利于发育断层/裂缝;永乐环礁之上钻井岩心的氧同位素数据表明,永乐环礁在14.75~168.60m的深度范围内发生了地下水溶蚀作用,这与实际观测到的158m深洞体转折处之上发生的洞穴垮塌作用相符。通过综合对比分析认为,三沙永乐蓝洞的形成是断层/裂缝溶蚀机制与深部洞穴垮塌机制综合作用的结果。地下水(淡水、海水)首先沿着台地边缘发育的断层/裂缝进行溶蚀,在158m以上通过洞穴垮塌作用形成了近垂直的洞穴,而在158m以下则沿着断层/裂缝继续向下溶蚀形成了略倾斜的深部洞穴结构,最终由于海平面的上升淹没而形成了蓝洞。本研究可为未来寻找更多海洋蓝洞提供重要的经验与借鉴。

关键词：永乐碳酸盐岩台地三沙永乐蓝洞洞体转折地下水溶蚀台地边缘断层/裂缝深部洞穴垮塌