连续主动震源扫描岩石微破裂机理研究

It will produce a large number of microseismic events in the process of which the rock occurs micro-fractures, and we can obtain various information about rocks micro-fractures while effectively recording and analyzing microseismic signals. The elastic wave which is excited by the active source has a good scanning property for the internal structure of rocks, and the continuous excited seismic wave can be used to scan rocks micro-fractures and deformation process. But we do not know the waveform characteristics and mechanism when continuous seismic wave is propagating in the micro-fracture deformation of the rock. How is it separated from the scanning signals, and signals generated by the micro-fractures of the rock and noise. How does the position of the waveform distortion be accurately located. Whether have a corresponding relation between this position and the microseismic events location caused by the micro-fractures of the rock, and whether it can help to improve the accuracy of microseismic events location, all the questions need to be explored. Therefore, this project aims to analyze the waveform characteristics when continuous active seismic source scanning micro-fractures. The independent component analysis will be used to separate the scanning signal and microseismic signal, the polarization analysis will be used to solve the problem of the noise signal separation and related constraint location. The mechanism that the active seismic source scans rocks micro-fractures and its calibration relationship with the microseismic events itself will be revealed, so as to further improve the location accuracy of rocks micro-fractures. The implementation of the project will help to reduce the influence of the velocity model on the localization accuracy of rocks micro-fractures, and enrich and deepen the understanding that the rock micro-fractures are scanned by active seismic source.

岩石微破裂过程中会产生大量微地震事件，有效记录和分析微地震信号可以获取岩石微破裂的多种信息。主动震源激发的弹性波对岩石内部结构具有很好的扫描特性，且可以利用连续激发的地震波来扫描岩石破裂形变过程，但连续地震波在岩石微破裂形变处的波形变化特征机理我们尚不清楚，其与岩石微破裂所产生的信号及噪声如何分离？波形畸变的位置如何准确定位？这一位置与岩石微破裂所产生的微地震事件定位是否有对应关系？并且是否有助于提高微地震事件定位的精度？还有待我们去探索。因此，本项目拟对主动震源扫描岩石微破裂的波形特征进行分析，利用独立分量分析来分离扫描信号与微地震信号，利用偏振分析解决噪声信号分离以及相关约束定位问题，揭示主动震源扫描微破裂的机理，以及其与微地震事件自身定位的修正关系，从而进一步改进微破裂的定位准确性。项目的实施有助于降低速度模型对微破裂定位精度的影响，丰富和深化对主动震源扫描岩石微破裂的认识。

针对连续激发主动震源扫描岩石破裂过程的微地震信号采集、有效信号和噪声分离、畸变位置确定等难问题，项目重点围绕小型主动震源设计、三分量微地震检波器改进、采集装置改进以及采集终端设计等方面展开工作。通过多次场地实验建立了主动震源扫描岩石微破裂实验系统，并研制了小型连续主动震源，结合多次现场试验经验总结改进了现有的三分量微地震检波器。分别利用小波多尺度分解、小波阈值去噪及偏振滤波等数据分析方法以及深度学习算法，实现大大提高了混合信号的去噪和分离的效率与准确性。基于小波多尺度分析、赤池信息准则和极化分析等方法实现了强噪声环境下到时信息的准确拾取。利用偏振分析方法约束微地震事件的震源位置，能进一步提高震源的定位精度，同时基于上述方法开发了相关软件和数据采集终端。.项目研究成果超出了预期的任务要求，主要取得了以下成果：①设计并完成了小型连续主动震源研制；②根据现场实验要求，改进并研制了适于现场试验的三分量微地震检波器，使检波器能够与岩石更好的实现耦合；③改进了现有的微破裂信号采集装置及终端，研究并实现了无线微地震数据采集技术，在无线单向广播同步的基础上，提出了一种新的最大似然估计方法及快速泛洪多路单向广播时间同步RMTS协议，提升了无线数据采集的时间同步精度；④利用深度学习、小波多尺度分解、小波阈值去噪、偏振滤波等方法实现了混合信号去噪和分离；⑤利用小波变换、希尔伯特变换等方法提取微地震信号多种特征并构建深度学习网络实现了混合信号的分离；⑥利用小波多尺度分解提取有效信号，同时利用偏振特征约束AIC拾取算法实现强噪声环境下波形畸变位置确定；⑦基于Matlab和VS平台开发了集成上述方法的软件和采集终端。.依托项目研究成果，发表学术论文17篇，其中SCI检索8篇、中文核心7篇、会议论文2篇；获授权中国发明专利3项，新受理2项中国发明专利；获全国发明创业奖项目奖金奖2项、第十一届刘光鼎地球物理青年科学技术奖；培养硕士研究生4名。