地震波散射理論及應用研究進展

地震波散射理論及應用研究進展

0地球物理中散射波的應用現(xiàn)狀隨著地震勘探方法的發(fā)展，反射波勘探技術正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。特別是，本地結構異常復雜，存在孔、孔、縫等小不規(guī)則結構。隨著之前的反射波理論和均勻層次介質層的形成，這種傳統(tǒng)的反射波理論受到了限制。因此，分散波理論在非均勻介質中更為普遍。地震波散射理論包含的內(nèi)容很多.廣義上,地震波散射可看作是地下任意的三維非均勻介質產(chǎn)生的波場變化,狹義上通常將小尺度非均勻性引起的地震波走時及振幅差異定義為地震波的散射.研究也表明,實際的地球介質存在著普遍的橫向非均勻性,這種非均勻性的范圍可劃分為8個尺度級,吳如山等曾對此作了詳細的描述(吳如山等,1989).不同尺度的非均勻體引起的波場變化也不同.在礦產(chǎn)勘探領域,非均勻性的存在表明地下蘊藏著更多的地質現(xiàn)象及油氣資源.為此,國內(nèi)外學者曾深入地研究了地震波的散射理論及各種技術方法.到目前為止,地震波散射的研究成果比較成熟,其理論已經(jīng)被廣泛的應用到地球物理勘探的各個方面,如尾波模擬、短周期地震波的散射衰減研究、散射場模擬、層析成像、地震波反演等.盡管上述理論及方法的巨大進步,散射波的應用仍需進一步的發(fā)展與推進.當前,許多學者都對散射波進行了廣泛的研究,其中,國外對散射波的研究已十分全面,代表性的學者主要包括WuRushan及HaroSato等.他們在散射理論方面的研究仍處于國際領先水平.在國內(nèi),人們對散射波的研究仍十分有限,主要集中于散射波的正演模擬及成像方法的研究,代表性的學者包括李小凡、沈鴻雁、劉學偉及奚先等.其中,李小凡對地震波非弱散射理論及地震散射層析成像的研究做出了突出貢獻,其研究成果在國際上也具有重要意義.后者則主要集中于散射波在金屬礦地震勘探中的應用與研究,包括散射波方法在二維地震資料中的采集、處理及解釋.本文詳細地總結了地震波的單次、弱散射及多次、強散射理論,并討論了散射波場的數(shù)值模擬及其在各領域的應用表現(xiàn).通過研究可發(fā)現(xiàn)當前各項技術存在的不足及其適用范圍,從而對未來的研究提供進一步的指導.1地震波的散射理論根據(jù)地球介質中背景介質及擾動介質的物性差異大小,可以將非均勻介質產(chǎn)生的散射劃分為弱散射和強散射;根據(jù)散射體的分布情況,可以將散射劃分為單次散射和多次散射,它反映了散射體分布的疏密程度.當散射體分布較稀疏,密度較小時,僅考慮局部散射體的散射,即單次散射.反之,需要考慮鄰近的散射體之間相互影響而引起的多次散射.在實際的研究中,為了便于理論推導,人們總是先考慮簡單的單次、弱散射效應,隨后再考慮復雜的多次、強散射效應,為此,本文分別從這兩個方面進行了總結.1.1非均勻介質中散射波的模擬當介質的非均勻性較弱時,即擾動介質的密度、速度等彈性參數(shù)遠小于背景介質的相應參數(shù),在這種情況下可以采用微擾理論,對散射場的積分方程運用Born或Rytov近似等進行處理.Born近似研究的是地震波的振幅信息,它的適用條件是:早期人們對散射理論的研究主要是借助標量波理論,該理論最早由Chernov(1960)引入,這一工作有力地推動了地震波散射理論的建立與發(fā)展.后來,標量波入射下的隨機介質理論已成功地解釋了地震學中的很多現(xiàn)象.其主要成就可概括為三個方面:通過對地震臺陣中縱波記錄的振幅和相位的研究,推算出巖石圈中非均勻體的均方根速度擾動為2%~4%,相關長度為10~20km(Aki,1973;Capon,1974;Berteusenetal.,1975);模擬尾波的激發(fā)及其包絡衰減,認為尾波是小尺度非均勻介質引起的散射S波(Akietal.,1969;Chouet,1975;Sato,1977);研究非均勻性引起的散射衰減及其與固有衰減的關系(Aki,1980;Wu,1982).但標量波理論只適應于某些特定的情況,僅當介質參數(shù)滿足關系要克服上述的不足,需采用彈性波散射理論.在彈性波散射中,球形、圓柱形等簡單的散射體產(chǎn)生的散射是研究復雜的任意形狀介質引起的彈性波散射的基礎.Sezawa最先對此進行了研究,他引入了特殊函數(shù)并推導了縱波入射下的圓柱、橢圓柱及球體的散射.Wolf(1945),Nagase(1957),Knopoff(1959)也先后研究了單個球體的散射.Knopoff等于1964年又研究了隨機非均勻介質中的彈性波散射,推導了高斯型隨機介質中散射波的均方振幅.此后,很多學者都推導了不同的復雜介質情況下的彈性波散射的理論公式,并給出了它們在地球物理中的應用(Hudson,1968;Cleary,1972;WuandAki,1985;SatoandFehler,1998).總的來說,早期的研究主要是針對橫向長度較小的非均勻介質,但實際介質的橫向長度通常較大(大于野外測量距離).為此,Ellison利用Born近似推導了標量波入射至大橫向長度的隨機介質中的一階近似解,但全彈性波入射時的近似解卻是若久未得.Li利用等效原理推出橫向無界的連續(xù)散射介質中的彈性波解,并由此建立大橫向尺度介質的全彈性波解.該理論是單次弱散射情況下的更一般的理論,它適用于橫向小尺度及大尺度散射介質,同時也適用于標量波及彈性波入射時的散射問題(Li,1993).1.2多重散射理論對于地下高度復雜的非均勻介質,單次、弱散射理論是不精確的,需要考慮介質的多次、強散射效應.解析理論(多次散射理論)和傳遞理論是求解多次散射問題的兩種不同方法.解析理論考慮了波動方程,求出了散射及吸收介質中各類統(tǒng)計量的微分或積分方程,如方差和相關函數(shù).該理論經(jīng)過了數(shù)學上的嚴格推導,也考慮了散射體間的多次散射和相互干涉.但各方程的精確解通常很難獲得,求得的各種有效解大多是僅在某些參數(shù)范圍內(nèi)適用的近似解.傳遞理論研究的是波場能量在介質中的傳遞,并不涉及波動方程.該理論雖然缺少數(shù)學上的嚴謹性,卻簡單直觀,考慮了介質的散射和吸收效應,同時也考慮了波場的相互干涉.此外,推導的各公式主要利用了能量的疊加,而不是場的疊加,這主要是因為假定了散射場之間互不相關.解析理論的早期研究包括Ryde(1931)、Ryde和Cooper(1939)、Foldy(1945)、Snyder和Scott(1949)以及Lax(1951)等人的工作.Twersky(1977)擴展了這些研究,深入分析了各種不同類型的雙相關函數(shù)所代表的多重散射,并引入了由剛性球組成的氣態(tài)粒子標量方程,通過Virial展開和對雙相關函數(shù)采用P-YA近似的方法改善了“空洞修正積分”.McQuarrie提出了自洽理論,該理論可以解決隨機分布的非均勻介質在彈性波入射時所產(chǎn)生的多重散射.Varadan等(1987)借助于T矩陣法,推導了橫向各向同性圓柱狀散射體的多重散射理論.隨后,Varadan和Ma等(1989)利用該理論討論了隨機介質中彈性波的散射及衰減問題.傳遞理論直接考慮處理非均勻介質中的能量傳遞,其考慮的變量為能量、密度和流量,因假定散射場的主要部分不相干,所以人們更關心的是能量的疊加而非場的疊加.目前,研究多重散射能量傳遞的方法主要有三種:第一種是采用漫射理論,當散射很強,以至于所有的能量都可以看作是散射引起的,根據(jù)能量守恒定理可推出相應的擴散方程.可以看出,這種方法是一種極端的情況,適用于散射體密集分布的強散射,但該理論有很多假設條件,其中最重要的是假設散射衰減很強,吸收衰減很弱.Wesley(1965)、Aki和Chouet(1975)等都曾利用該理論分析了地震記錄中的尾波.第二種是不同階多重散射的疊加,即將到達觀測點的各種散射波疊加,這種積分法的原理非常直觀易懂,但僅適合于很簡單的模型.在這一方面,Kopnichev(1977)研究了二維、三維介質中的雙重散射和三重散射;Gao(1983)考慮了三維介質中的二至七重散射的效應.第三種是利用輻射傳輸理論,采用一種相對復雜的傳輸方程,但該方法更有潛力適用于復雜的實際情況.目前,合成多次散射的大多數(shù)方法都是基于輻射傳輸理論.Wu(1985)、Wu和Aki(1988)最早將該理論引用到地震學領域.后來,尚鐵梁和高鐵龍(1988)根據(jù)震源的脈沖輻射原理,推導了二維無限空間內(nèi)各向同性多次散射過程中的動態(tài)積分方程.Li和Hudson推導了彈性波在橫向大尺度非均勻連續(xù)介質中的能量傳輸公式,并由此建立了適用于強散射和弱散射、轉換波散射及一般散射的彈性動力學能量傳輸理論(LiandHudson,1996;李小凡,2002).在2002年,Sato和Nishino利用輻射傳輸理論模擬了多次Rayleigh散射.關于該理論的詳細推導及最新研究進展,Margerin和Sato在其著作中給出了全面的介紹(Margerin,2004;Sato,2012).對于強散射問題,除了上述的輻射傳輸理論外,其他的理論方法還有很多.這些方法在處理強散射問題時都有所成效,但所有方法均建立在某些近似的基礎上,僅適用于一些特殊的情況.如彈性波拋物線近似,該近似假設散射波的主要能量分布在入射波傳播方向的附近,并忽略了介質的背向散射.因此,它適用于彈性參數(shù)在一個波長內(nèi)變化較小的介質,多用來研究彈性波的小角強散射,Candel(1979)、Husdon(1980,1981)、Corones(1982)、Wales和McCoy(1983)等都曾研究了彈性波的拋物線近似理論.Fisk和McCartor(1991),Fisk、Charrette和McCartor(1992),DeHoop(2000),Wu(2003)發(fā)展了彈性波的各類相屏法,該理論既適用于強散射又適用于弱散射情況,但該近似也忽略了背向散射,僅考慮前向散射,需滿足條件2分散波場值的模擬和特征分析2.1多次散射波場模擬散射波場的數(shù)值模擬方法可分為確定性方法和統(tǒng)計性方法兩大類.前者是通過數(shù)值計算對階地及沉積盆地等特殊的速度結構進行數(shù)值模擬;后者是建立在研究介質統(tǒng)計特性的基礎上,將速度或地形作為隨機變量來處理,而不是研究介質中每一個散射體的確定位置.目前,廣泛采用的數(shù)值模擬方法主要是有限差分法、有限元法、體積分方程法和FK域積分法等.有限差分法已廣泛應用于散射波的正演模擬.這種方法簡單易行,無需對速度變化的尺度作任何限制,可以簡略地分析散射場的分布和波場運移特征.但是有限差分法也有著不可回避的缺陷,模擬得到波場中包含了非散射場的信息,散射波能量很小,其細節(jié)信息被一次場所淹沒.另外,該方法還受計算機內(nèi)存以及計算精度的限制.秦雪霏利用六階有限差分法模擬了含凹形坑介質的波場,同時設計了自適應Alpha-Trimmed濾波器對多次散射波場進行提取(秦雪霏,2007).Gunnar等將高階有限差分法格式應用到軸對稱介質的彈性SH波方程中,并用其分析了整個地幔的散射特征(Gunnaretal.,2008).Shunsuke(2014)采用2D和3D有限差方法模擬了日本千葉西北地區(qū)地下20~40km的低速層中的散射波場,并證明大洋地殼及低速層中分布的局部強的小尺度非均勻性是引起高頻S波(1~8Hz)包絡擴展及峰值延遲的主要原因,推算出該區(qū)非均勻體的自相關長度為1~2km,均方根速度擾動為0.07~0.09.與有限差分法相比,FK域積分法模擬的波場中不包含一次場,常見的直達波不會出現(xiàn)在剖面中,并且該算法的精度比有限差分法高.但它的計算效率低,在計算點數(shù)相同時,其計算量比顯示有限差分法要大很多.吳如山(1993)曾利用相屏法計算出一次場,然后借助該方法計算出散射場.黃雪繼(2003)對其方法進行了改進,在求解波動方程時,采用相移法計算出一次波場,再用FK域積分法模擬散射場.劉鐵華(2010)先利用高階有限差分方法計算出總場,然后通過FK域積分法計算散射場,并改進了散射場的空間能量衰減,大大提高了計算效率及計算精度.散射波場的數(shù)值模擬方法還有很多,這些方法的原理不盡相同,但它們都設法提高數(shù)值模擬的精度和效率,使其適用于復雜介質的散射場模擬.在實際的研究過程中,應根據(jù)模擬的精度及需求選取合適的模擬方法.這些方法包括:Eaton采用Kirchhoff積分法研究了分布在均勻介質中的各類礦體產(chǎn)生的散射場(Eatonetal.,2000).孫明采用Gauss射線束法模擬了直立板狀構造的散射場(孫明等,2001).Xie(2001)、Hobbs(2003)研究了復彈性波相位屏法,模擬了3D非均勻介質及圍巖介質為隨機介質時所產(chǎn)生的散射波場.孫建國首次將擬解析近似方法應用到聲波散射數(shù)值模擬中,并給出了相應積分方程的擬解析近似解及其迭代表達式(孫建國,2006).與傳統(tǒng)的數(shù)值計算方法相比,這種方法在計算散射場的數(shù)值解時可直接進行積分,無需求解方程組.Cakir(2009)利用多層快速多級子算法模擬了2.5D遠震P波的多次散射波場,該算法可以提高計算速度.Chen等(2012,2013)分別采用邊界元法及聯(lián)合邊界元法和有限差分法的混合方法模擬了二維含裂縫非均勻介質的SH波散射波場,極大地提高了計算速度.2.2隨機介質的散射波場模擬由于地下介質的復雜性,確定性的模擬方法或是難以應用,或是不切實際.在這種情況下,隨機方法發(fā)揮著重要作用,其主要研究內(nèi)容包括:隨機介質模型的構建、散射場的正演模擬及波場特征分析.其中,隨機介質模型是由無數(shù)的非均勻介質組成的大集合,集合中的每一個元素依一定的概率存在,且在具體結構上存在著差別,但卻具有共同的統(tǒng)計特性.聲波測井資料是構造隨機介質模型的基礎.隨機介質的波場模擬大多采用有限差分方法,模擬得到的散射場的強弱與隨機介質的模型特征及地震波的頻率和波長有關.當?shù)卣鸩ǖ念l率較高,或地震波長接近于非均勻體的尺度時,散射現(xiàn)象越明顯.目前,隨機介質的大部分研究主要集中在模型構建方面,得到的隨機介質可以用來反映地下不同的非均勻體分布情況,關于其波場特征的研究還沒有深入展開.關于隨機介質,國內(nèi)外的很多學者進行了研究,主要的幾種隨機介質模型如表1所示.此外,Holliger(1992)還構造了具有各向異性自相關函數(shù)的隨機介質,這種描述方法考慮到了小尺度非均勻體的方向,對于實際的沉積地層,垂直方向的相關距離通常也要比水平方向的短.Thomas等(2001)模擬了三維黏彈性隨機介質的波場,并討論了地震波在其中的散射衰減.奚先和姚姚(2001-2005)構建了單尺度、平穩(wěn)隨機介質和多尺度、非平穩(wěn)隨機介質模型,并分析了不同模型下的波場特征.李紅星(2009)在隨機介質中引入雙相介質,建立了雙相各向異性隨機介質,并采用偽譜法分析了其波場特征.Xie(2013)模擬了三維隨機介質的散射波場,并對散射波場進行了復合域分析(時空域和慢度-頻率域).圖2是構造的具有橢圓自相關函數(shù)的指數(shù)型隨機介質,其自相關函數(shù)的表達式為2.3裂縫介質的散射場模擬裂縫的柔量、大小、空間分布及填充流體等參數(shù)都會對地震波場產(chǎn)生很大的影響.當?shù)卣鸩ㄩL遠小于裂縫間距,裂縫會引起很強的散射,反之,散射場較弱,可采用各向異性介質的理論進行研究.其次,當?shù)卣鸩ㄩL遠小于裂縫的尺度,也會產(chǎn)生很強的散射,反之,它對波場的影響較小.描述裂縫介質的模型包括兩種,一種是等效介質理論,該理論假定相鄰裂縫間的空間距離遠小于地震波長,然后通過靜態(tài)應變分析求得裂縫介質的等效彈性參數(shù)模型,從而得到巖石的地震響應特征.另一種是位移不連續(xù)模型,該模型適用于相鄰裂縫間的空間距離接近于或大于地震波長的情況,每一個裂縫兩側的應力連續(xù),但位移是不連續(xù)的.在位移不連續(xù)模型中,裂縫介質對地震波傳播的影響可看作是波傳播的邊界條件.通過對裂縫介質的波場模擬可有效地分析裂縫參數(shù)對散射波場的影響.廣泛使用的數(shù)值模擬方法包括有限差分法和偽譜法.與有限差分法相比,偽譜法可很好地解決數(shù)值頻散問題,改善計算速度和精度.但在模型較復雜時,其效果較差,也會產(chǎn)生邊界反射.Vlastos等(2003)就利用偽譜法模擬了裂縫介質產(chǎn)生的散射波場,并分析了裂縫的分布對多次散射的影響.劉恩儒等(2006)建立了裂縫的等效介質模型,通過有限差分方法模擬并分析了不同裂縫尺度及其尺度分布對散射場的影響.Chi等(2006)采用旋轉交錯網(wǎng)格有限差分法模擬了交錯裂縫組產(chǎn)生的散射波場,分析不同的裂縫間距和柔量產(chǎn)生的散射模式.裂縫產(chǎn)生的散射波場具有方位特性,這一特點可用來分析裂縫的方向.朱鐵源(2008)研究了裂縫黏彈性介質對地震波傳播的影響.文中通過等效介質模型描述離散裂縫體,二維交錯網(wǎng)格高階有限差分方法模擬波場,對比分析了傾斜裂縫模型、含水含氣裂縫模型、多組交叉裂縫模型及不同密度裂縫模型對波場的影響.結果表明,當裂縫層底部存在反射界面時,產(chǎn)生的散射波會嚴重干擾底部反射,散射波的能量與填充流體、裂縫密度和傾角有著密切的聯(lián)系.在裂縫的傾角較大、裂縫間距大于縱波波長的1/4及含氣體的裂縫中產(chǎn)生的散射能量比較強(朱鐵源,2008).雷蕾(2010)采用變網(wǎng)格有限差分算法模擬了孔洞及裂縫非均勻介質的地震散射波場,發(fā)現(xiàn)當裂縫間距與地震波長滿足關系a/λ2.4非均勻介質散射波場與散射體的關系散射波場的特征分析對地下散射體的有效識別及反演具有重要的指導意義.國內(nèi)外的很多學者已開展了相關的研究,其總體思路是:根據(jù)波的傳播理論建立非均勻介質的波場函數(shù),通過物理模擬或數(shù)值模擬獲得散射體的波場記錄,然后考慮散射體的尺度、分布密度、形狀、散射角、波阻抗及波場能量等對散射場的影響.但是大部分的研究主要采用定性的方式,討論了特定模型中散射波場與散射體各參數(shù)的相對關系.對于散射波特征與非均勻地質體之間的定量關系仍需日后的深入研究.早在1985年,Wu和Aki采用等效源法及微擾法推導出瑞雷散射的波場函數(shù),通過散射圖形指出了彈性波散射的幾個重要特征,并將地下的擾動介質劃分為速度微擾及阻抗微擾.后來,很多學者在模擬非均勻介質的波場后,都定性地分析了散射波場與散射體之間的關系.其中,比較突出的研究包括:張麗琴(2004)對散射波場進行高階統(tǒng)計分析,其結論為有效地檢測和識別碳酸鹽巖非均勻儲集體奠定了基礎.李燦蘋等(2009)提取了散射波場的振幅屬性,定性地研究了振幅與非均勻體尺度的關系;同時,利用相干技術研究了非均勻體的尺度對散射波場的影響.劉鐵華(2012)研究了散射波的振幅及能量與散射體的縱橫向尺度、擾動量的定量關系,給出的經(jīng)驗公式可用于獲得散射波的動力學特征.圖3、圖4是建立的點散射體及隨機介質模型,所有模型中上層介質的厚度均為150m,縱波速度均為2000m/s(隨機介質中為縱波速度的平均值),點散射體的波速為1000m/s.從模擬的波場中可以看出,對于簡單的點散射模型而言,其同相軸類似于雙曲線,滿足點散射波的時距曲線;對于隨機介質而言,當模型的橫向尺度較大時,產(chǎn)生的散射波的能量較強,對反射波的有效識別產(chǎn)生干擾作用,當模型的縱向尺度也變大時,散射波會使反射波的同相軸扭曲變形,且縱向尺度越大,其形變就越顯著.關于縱橫向尺度對波場能量及反射波波形改變的定量關系有待于精確的理論分析及大量的模型試算.3地震色散波的表示和應用3.1尾波應用研究3.1.1尾波的數(shù)學模型地震記錄中的尾波是地震波散射的最顯著現(xiàn)象,主要是指跟隨在主波型(如P波、S波和面波)后的不規(guī)則波至(吳如山等,1989),如圖2所示,它表明巖石層中存在著隨機非均勻彈性構造.尾波理論的研究主要包括尾波激發(fā)、尾波包絡線衰減及尾波Q值等方面,其分析結果已廣泛地應用于地震預報和地震工程領域,如尾波振幅的強弱可用來估算地震矩,尾波延續(xù)時間的長短可用來測定震級的大小,尾波激發(fā)的測量結果反應了巖石的非均勻性.關于尾波的數(shù)學模型,前人已做過很多研究.早期,Aki和Sato(1969)提出在弱散射模式下,S尾波是隨機分布的非均勻體引起的背向散射,并建立了單次背向散射模型.Kopnichev(1975)、Sato(1977)還研究了不同情況下的單次散射模型.Sato(1982、1994、1995)給出了單次各向異性及多次各向異性散射模型.Wesley(1965)、Kopnichev(1977)、Gao(1983)、Hoshiba(1991)等研究了適用于強散射的擴散模型及多次散射模型.另一個關于尾波包絡的模型是Frankel和Wennerberg(1987)提出的能通量模型.目前,這些數(shù)學模型在實際中的應用已十分廣泛,但每個模型考慮的內(nèi)容有所不同,如單散射模型認為尾波包絡衰減是吸收系數(shù)和散射系數(shù)之和,能通量模型則認為尾波包絡衰減主要由吸收系數(shù)造成.關于尾波的最好的數(shù)學模型仍需要對理論模型作進一步研究以及大量的實驗驗證.通過尾波的數(shù)學模型計算尾波包絡,然后利用包絡反演可確定全球范圍內(nèi)的總散射系數(shù)g3.1.2尾波包絡從上述的研究可以看出,包絡合成是分析確定各項參數(shù)的前提與基礎,該方面研究的最新進展主要包括如下幾項:Sato(2007)基于Markov近似模擬了具有Gaussian型自相關函數(shù)的三維隨機介質中球面矢量波入射時的尾波包絡,發(fā)現(xiàn)S波的包絡擴展現(xiàn)象比P波更明顯.隨后,Sato(2008)又研究了上述情況下具有各向異性Gaussian型自相關函數(shù)的三維隨機介質中的尾波包絡.Sato的研究假定入射波為球面波,但該假設無法解釋剪切位錯源激發(fā)時非球面波入射產(chǎn)生的尾波包絡的方向性.為此,Sato和Korn(2007)模擬了二維隨機介質中柱面矢量波入射時的尾波包絡,證明了剪切位錯源入射時產(chǎn)生的矢量波包絡具有方向性.Sawazaki等將上述理論擴展至三維隨機介質模型(Sawazakietal.,2011).Emoto在2010、2012及2013年模擬了三維隨機介質自由表面上產(chǎn)生的矢量波包絡、具有各向異性Gaussian型自相關函數(shù)的二維層狀隨機介質的矢量波尾波包絡及二維層狀隨機介質中柱面波產(chǎn)生的尾波包絡.可以看出,目前關于尾波包絡的研究均是基于Markov近似方法,但該方法僅考慮了地震波的前向散射,綜合考慮后向散射對地震包絡的影響是未來研究的重點,這需要結合Markov近似及輻射傳輸理論.3.1.3.3尾波干涉監(jiān)測近年來關于尾波干涉理論的應用研究也十分廣泛.由于多次散射形成的尾波是對介質的多次采樣,因此相對于直達波,尾波包含的介質信息更為豐富.該理論最早由Snieder等在2002年提出,它利用了尾波的振幅及相位信息,通過對介質變化前后的尾波波形進行互相關計算來獲取走時擾動.尾波干涉法已廣泛應用于測量介質中波速的相對變化、散射體及震源的位置等方面.Snieder和Hagerty(2004)、Gret(2005)等利用尾波干涉法檢測了介質波速的微小變化.后來,Snieder詳細地總結了尾波干涉的一般理論與實際應用(Snieder,2006).Tonegawa(2009)提出遠震S波尾波的干涉方法可以用來提取體波,如直達P波、S波及反射波.Zhou等(2010)將該方法用于時移VSP監(jiān)測,分析了CO3.2非均勻體散射的統(tǒng)計方法非均勻體的散射使接受到的地震波有效信號的能量減小,這種衰減定義為散射衰減.它主要是由于散射使波的能量偏離了原始的傳播方向,在時空域上重新分配造成的.因此,散射衰減并不會使波場的總能量減少,散射損失的能量可以再次被散射到傳播方向,晚一點被接受,最終形成尾波.早期,人們根據(jù)Born近似對各種小尺度非均勻彈性構造產(chǎn)生的散射進行了相當程度的研究(Miles,1960;Knopoff和Hudson,1964;Wu和Aki,1985a),如果非均勻程度比較弱,該近似對非均勻體形狀不作任何要求.運用統(tǒng)計方法處理散射問題的平均波公式(Karal和Keller,1964;Frisch,1968;Howe,1971;Sato,1979)也是一種有效的方法,這種方法對弱非均勻情形下的散射衰減結算結果與Born近似結果類似.但在高于1Hz的頻率范圍內(nèi),這兩種方法計算的Q很多學者致力于研究固有衰減及散射衰減的關系,并設法分離這兩種不同機制的衰減作用.關于該方面的理論研究主要集中在20世紀90年代.Wu(1985)采用輻射傳輸理論構建了多次散射模型,估算了固有衰減和散射衰減的相對值.Zeng(1991)將Wu的方法擴展至尾波包絡模型.Fehler(1992)在上述研究的基礎上,提出了多延遲時窗分析法(MLTWA),該方法在三個或多個時窗內(nèi)將波的能量沿距離積分,進而估算出各衰減系數(shù).Wennerberg(1993)提出了利用直達S波及尾波Q值估算固有衰減和散射衰減的Q值.目前,這些方法已廣泛應用于研究各地區(qū)的衰減性質,如Giampiccolo(2004、2006)、Bianco等(2005)、Sahin等(2007)、Baruah等(2010)、Edoardo等(2011)、Mahood等(2011)、Prudencio等(2013)、Padhy等(2013)都利用上述的方法計算了全球不同地區(qū)的固有衰減和散射衰減的Q值.3.3近地表散射3.3.1近地表散射機制近地表對體波和面波的影響很大,它會使入射波散射、散焦、聚焦并耦合不同的波型,如縱波和橫波、體波和面波,既可以誘發(fā)尾波又可以改變直達波的波形和能量,同時還將體波轉換成波導和共振波型等,最終使有效波場變得異常復雜(吳如山,1989).根據(jù)非均勻構造的類型,置于不規(guī)則地層中的點源引起的散射波可分為面波散射、體波-面波散射和面波-體波散射等.Levander系統(tǒng)地總結了1990年前人們對近地表地震波散射的研究,從不規(guī)則地形的體波散射、不規(guī)則表層的體波散射以及不規(guī)則波導和穿過不規(guī)則地形的面波傳播三個方面進行了評述.由于近地表散射會使記錄的波場變得復雜并掩蓋弱的反射信號,因此很多研究者通過各種數(shù)值模擬方法,討論了近地表散射機制,如不規(guī)則地形、淺層非均勻體的散射等,為散射噪聲的衰減提供了理論依據(jù).曹軍(2004)通過計算半圓柱形峽谷模型和具有不同陡度的高斯型峽谷模型的地震波散射,比較了三種用于模擬不規(guī)則界面模型中地震波散射問題的半解析方法———AkiLarner方法、Bouchon-Campillo方法和全局廣義反射透射矩陣方法,分析了各種方法的有效性.Christina(2005)在分析了有限差分法、有限元法及各種高頻漸近方法在計算近地表散射場的缺陷后,提出了一種通過求解頻域積分方程的方法,發(fā)現(xiàn)近地表的散射體使接收到的P波延遲,同時產(chǎn)生大量的散射Rayleigh波,隨著散射體的增大,這種干擾也變得更加復雜,使有效信號的連續(xù)性變差.劉寧(2007)詳細地推導了三維頻率域內(nèi)起伏地表模型的散射積分方程,并采用擬解析近似的方法求解積分方程.此外,Appelo(2009)、Lan(2011)、Wen(2012)、Almuhaidib(2011,2014)等都對有限差分法做了不同的改進,使其適應于復雜的不規(guī)則地層及近地表散射體的波場模擬,并分析了其中的散射機制.總的說來,不規(guī)則表層、非均勻近地表結構、淺層點散射體等都會產(chǎn)生復雜的散射波,嚴重地污染了底層的有效反射信號.3.3.2地表散射波場模擬與去噪在近地表散射噪聲的衰減方面,楊旭明(2002)采用微擾理論,假定近地表點源產(chǎn)生的地震波場由入射波場和散射波場組成,通過采用散射波場正演及炮集記錄反演的方法消除了散射噪聲.郭向宇(2002)提出了一種消除近地表散射波的疊后方法,它是對疊后記錄進行偏移成像獲得散射場,然后通過中值濾波方法將其衰減.Campman(2005)基于近地表散射的積分方程,估算了研究區(qū)域的表面阻抗函數(shù),利用該函數(shù)模擬了散射面波,并將其從總波場中減去.吳希光(2012)通過對各地區(qū)炮記錄的分析及西部地區(qū)特殊地質模型的現(xiàn)場考察,提出表層散射是復雜地區(qū)地震資料低信噪比的根本原因,并從野外資料采集的角