基于面波频散曲线聚类分析的近地表横波速度反演.pdf

第6 6 卷第7 期2023年7 月宋欣悦，刘国昌，杜婧等.2 0 2 3基于面波频散曲线聚类分析的近地表横波速度反演地球物理学报，6 6（7）：30 2 6-30 47，doi：10.6038/cjg2022Q0028.Song X Y,Liu G C,Du J,et al.2023.Near surface S-wave velocity inversion based on cluster analysis of surface wavedispersion curve.Chinese J.Geophys.(in Chinese),66(7):3026-3047,doi:10.6038/cjg2022Q0028.地球物理学报CHINESE JOURNAL OF GEOPHYSICSVol.66,No.7Jul.,2023基于面波频散曲线聚类分析的近地表横波速度反演宋欣悦14，刘国昌1*，杜婧，迟麟1，王志勇1，时岚婷1，王依萌，王兴宇31中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京10 2 2 492中科长城海洋信息系统有限公司，北京10 0 19 03中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，廊坊0 6 50 0 04大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，大庆16 37 12摘要获取准确的近地表横波速度对复杂地表条件下弹性波地震数据处理和成像非常重要.在浅层面波工程勘探中通过反演提取的频散曲线可以获得近地表横波速度结构.在多道面波频散曲线分析中，频散关系拾取的精度直接影响速度反演结果的可靠性.本文在多道面波叠加及自动拾取频散曲线基础上，提出了基于面波频散曲线聚类分析的近地表横波速度反演方法.该方法充分考虑了低信噪比条件下面波频散曲线的不确定性，通过在频散曲线拾取中引人曼哈顿距离K-Means聚类算法提高频散曲线拾取的准确性.采用多道多窗口叠加技术提高了面波反演对横向速度变化的适应性，通过聚类算法和多窗口叠加提高反演的可靠性，聚类算法获得较准确的频散曲线更利于后续横波速度反演过程.模拟数据算例对比表明本文提出的方法比常规算法效果更好，精度更高.将提出的方法应用于工程勘探和油气勘探的面波数据反演中，结果也验证了该方法的有效性.关键词面波反演；横波速度；近地表勘探；频散曲线K-Means聚类doi:10.6038/cjg2022Q0028中图分类号P631收稿日期2 0 2 2-0 1-12，2 0 2 2-10-12 收修定稿Near surface S-wave velocity inversion based on cluster analysisof surface wave dispersion curveSONG XinYue4,LIU GuoChang*,DU Jing,CHI Lin,WANG ZhiYong,SHI LanTing,WANG YiMeng,WANG XingYu1 State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China2 ZKCC Marine Information System Co.,Ltd.,Beijing 100190,China3 Institute of Geophysical and Geochemical Erploration,Chinese Academy of Geological Sciences,Langfang 065o00,China4 Exploration and Development Research Institute of Daqing Oil field Company Ltd.,Daqing 163712,ChinaAbstract Obtaining accurate near surface shear wave velocity is very important for elastic waveseismic data processing and imaging under complex surface conditions.In shallow layer waveengineering exploration,the near surface shear wave velocity structure can be obtained by inversion ofthe dispersion curve.In the analysis of multi-channel surface wave dispersion curve,the accuracyof frequency dispersion relationship directly affects the reliability of velocity inversion results.Based on multi-channel surface wave superposition and automatic pick-up of dispersion curves,a基金项目国家自然科学基金项目（42 0 7 412 8），中国石油天然气集团有限公司科技管理部项目“物探应用基础实验和前沿理论方法研究”（2 0 2 2 D Q 0 6 0 4-0 2），中国石油大学（北京）科研基金（2 46 2 0 2 0 YXZZ006）和中国石油天然气集团有限公司-中国石油大学（北京）战略合作科技专项（ZLZX2020-03）联合资助第一作者简介宋欣悦，女，1998 年生，硕士研究生，主要从事地球物理数据处理及近地表速度反演方向的研究.E-mail:SongX*通讯作者刘国昌，男，198 2 年生，教授，主要从事地球物理数据处理、参数反演与成像方向的研究.E-mail:7期near surface shear wave velocity inversion method based on cluster analysis of surface wavedispersion curves is proposed in this paper.This method fully considers the uncertainty of wavedispersion curve under the condition of low signal-to-noise ratio,and improves the accuracy ofdispersion curve picking by introducing Manhattan distance K-Means clustering algorithm intodispersion curve picking.The multi-channel and multi window stacking technology is used toimprove the adaptability of surface wave inversion to the variation of transverse velocity.Thereliability of inversion is improved by clustering algorithm and multi window stacking.The clusteringalgorithm obtains more accurate dispersion curve,which is more conducive to the subsequentshear wave velocity inversion process.The comparison of simulation data shows that the proposedmethod has better effect and higher accuracy than the conventional algorithm.The proposedmethod is applied to the inversion of surface wave data in engineering exploration and oil and gasexploration,and the results also verify the effectiveness of the method.Keywords Surface wave inversion;S-wave velocity;Near surface exploration;K-Means clustering of0引言随着地震勘探的要求越来越高，弹性波勘探越来越受到重视，弹性波地震数据处理也面临着诸多挑战，近地表问题非常复杂，弹性波静校正等均需要近地表纵横波速度信息.同时，近地表速度模型的建立对地球物理研究和岩土工程具有重要意义（Xiaetal.,1999;Pan etal.，2 0 19），获得准确的近地表速度模型对于提高复杂地区地震成像精度也具有重要意义，通常纵波速度的获得较为容易，而横波速度作为十分重要的地震学参数（Aki andRichards，1980；易佳，2 0 2 1），准确获得却十分困难.如今可利用面波信息来获得弹性波近地表横波速度，从而可以为横波勘探提供基础（Lee and Solomon，19 7 9；Song and Liu,2021).在地震勘探中，面波通常被认为是一种干扰，将其通过各种去噪方法去除.但面波能量占地震道集地震能量的7 0%，并且携带丰富的地下介质信息，可以用来获得至关重要但难以获得的近地表横波速度结构.瑞雷面波勘探是一种浅层地震勘探方法，其主要思想是利用瑞雷面波的频散特征反演浅层地质结构（杨成林，198 9；秦臻等，2 0 10；张立等，2 0 2 2）.面波频散是获得浅层高分辨率横波速度结构的有效工具(Wangetal.,2016;杜南樵等,2 0 2 1).相比于其他地面地震勘探方法，瑞雷面波勘探方法在近地表地层物性方面具有明显的优势（Fotietal.，2 0 0 2).面波作为一种非破坏性工具，在近地表结构研究中得到了广泛的应用（Parket al.，宋欣悦等：基于面波频散曲线聚类分析的近地表横波速度反演dispersion curve30271999;Xiaetal.，2 0 0 3;Lu o e t a l.，2 0 0 7），当应用于横波速度的估算时，通常需要特定的震源，这些震源难以处理并且水平分量检波器难以安装（Sambuellietal.，2 0 0 1).近年也多使用具有矢量震源的多分量检波器（Schmelzbachetal.，2 0 16）或具有震源和接收器侧梯度的垂直单分量检波器（Sollbergeretal.，2016)记录以S波为主的波场，但是这些方法通常需要特定设备.所以越来越多的学者使用面波地震方法来推断地下介质的一维结构（Gabriels et al.，1987）,将面波勘探技术应用于近地表结构的研究(Xia,2014)，与常规勘探方法相比，瑞雷波勘探以面波为有效波，利用已有地震数据，具有分辨率高、应用范围广、检测设备简单且速度快等优点（祁生文等，2 0 0 2).面波频散曲线是横波速度、纵波速度、厚度和密度的函数,其中，频散曲线对横波速度的变化最为敏感（Xiaetal.，1999).因此，通过对瑞雷波频散曲线的反演，可以得到难以获得的近地表横波速度结构.在反演方法上，Dorman和Ewing（196 2）最先将最小二乘法应用在深部的频散曲线反演中,Stokoe和Nazarian(1983)提出了面波谱分析法，对面波的频散曲线进行分析及处理，从而得到近地表的横波速度剖面.Xia等（1999）对