地震波干涉法

　　地震波干涉法(Seismic Interferometry)是最近几年地球物理特别是勘探地球物理研究的一个热点。地震波干涉法与物理学中的干涉法类似，但研究对象为地震信号或声信号，其广义的定义是指与地震波有关的干涉现象的研究。通过对记录到的地震信号进行干涉，将得到新的地震信号，这种地震信号不仅包含了原始地震信号的特性，而且能反映出原始信号所不具有的某些重要的特征，如去除复杂地质构造对波传播的影响、把噪声变成有用的信号、提高信号的信噪比以及反映常规的地震处理方法所不能反映的某些复杂地质构造的局部性特征等。

　　简介

　　地震波干涉法(Seismic Interferometry)是最近几年地球物理特别是勘探地球物理研究的一个热点。近几年来“Geophyscis”等国际性的地球物理权威杂志上发表了大量关于地震波干涉法有关的文章。美国勘探地球物理学家协会(SEG)和欧洲地球科学和工程师学会(EAGE)分别在2005年和2006年举行过关于地震波干涉法的研讨班，体现出地球物理工作者对该方法的重视。

　　物理学中，干涉法(Interferometry)指的是对两个不同的信号重叠而产生的新信号这一现象的研究，其对信号所穿过的介质的物理特性的变化比较敏感。其中的一个例子是雷达干涉技术。这一技术在地球物理方面的应用体现在监测地壳形变，用于监测火山、地震、滑坡、地面沉降、冰川活动等。地震波干涉法与物理学中的干涉法类似，但研究对象为地震信号或声信号，其广义的定义是指与地震波有关的干涉现象的研究。通过对记录到的地震信号进行干涉，将得到新的地震信号，这种地震信号不仅包含了原始地震信号的特性，而且能反映出原始信号所不具有的某些重要的特征，如去除复杂地质构造对波传播的影响、把噪声变成有用的信号、提高信号的信噪比以及反映常规的地震处理方法所不能反映的某些复杂地质构造的局部性特征等。

　　地震波干涉法的研究最早见于1968年Clearbout发表于“Geophyscis”的一篇经典论文，文中用水平层状介质证明了对自由地表接收到的从底部来的透射地震记录进行自相关等价于其自激自收模拟记录(包含负时间记录以及零时刻的脉冲响应)。该结论可以推广到非自激自收的情况，若对自由地表两个不同的检波器记录到的从透射波地震信号做互相关，可得到一个新的地震信号，其包含因果和非因果部分以及脉冲响应。其因果部分与以一个检波器所在的位置为震源(虚震源)而另一个检波器为检波器的观测系统记录到的地震波一样。这种通过对地震波进行相关而得到新的地震波并进行成像的方法被命名为声波日光法成像技术。Clearbout推断这一结论可以推广到三维各向异性的介质中，但没有给出证明。法国巴黎高等理工化工大学Fink领导的研究小组在声学领域从理论和实验上证实了在各种不同的介质中，包括强散射介质，声场存在时间反转现象。这一方法被用于超声聚焦与检测，同时也激发了地球物理工作者提出尾波干涉的方法来监测介质的微小变化。

　　Schusetr在2000年结束对斯坦福大学的访问之后，2001年在其发表的会议文章中正式使用了地震波干涉法这个名词，在后来发表的文章中进一步地阐明了该方法的原理和应用价值川。应用地震波干涉法对多次波进行偏移得到反射界面的构造特征，所用的震源可以是人工源也可以是被动源。与Clearbout的层状介质、炮点和检波点水平分布不同的是，其不受模型的限制，炮点和检波点也可以任意布置，只要满足地震波干涉法成立的条件即可。几乎同时，许多地球物理工作者广泛地开展了对地震波干涉法的研究。荷兰代尔夫特理工大学WaPeanar领导的研究小组发表了一系列文章，用积分理论和互易定理论证了地震波干涉法对不同的非衰减的介质和不同的震源均成立，并通过数值模拟的方法，用合成地震数据和实际数据进行了验证，证明了Clearbout提出的关于三维介质中地震波干涉法关系式成立的推断。美国科罗拉多矿业学院的Sineder等人对地震波干涉法作了许多创新性的工作，进一步完善了地震波干涉法的理论，提出了尾波干涉的理论，通过不同的地震仪记录到的尾波进行相关来推断介质的参数随时间的变化。该方法被应用于实际的天然地震资料，用来推断地震波速度、震源位置等参数的变化以及岩石应力的变化、火山活动的监测等。

　　国内对震波干涉法在天然地震学中也有一系列的研究。王宝善等对在云南昆明采集到的一个月周期的地震数据，用尾波干涉的方法来估计地震波速度的变化并解释了引起这种变化的可能原因。中国科学院声学研究所汪承濒院士领导的研究小组做了大量的关于声波时间反转法的深人研究工作。汪承颧等用换元接收的时间反转法，克服了以往的时间反转法不能区分目标和界面的缺点。陆明慧等把时间反转法应用于水下扩频编码通信，带来了信号的聚焦增益和提高了编码信号的主副瓣比。吴昊等嘟二把时间反转法应用十固体板中的声波传播，表明时间反转法能补偿固体板中由多径效应造成的波形和相位畸变。但是，把地震波干涉法应用到勘探地震领域是一个新的研究方向。1

　　地震波干涉法的分类

　　在忽略仪器响应的情况下，地震检波器或地震仪记录到的地震信号等效于格林函数和地震子波的卷积。地震波干涉法的核心思想就是对记录的地震信号进行一定的数学处理，得到以其中一个检波器为震源的新的地震记录。如果对地震波场的格林函数进行运算后，能产生一个虚震源记录，那么在对地震子波做卷积之后，这种关系将仍然成立。因此，地震波干涉法的数学实现方式体现在虚震源格林函数的提取方法上。

　　相关型地震波干涉法

　　相关型地震波干涉法是应用最为广泛的一种地震波干涉法。实际上，在反卷积型地震波干涉法出现之前，人们对地震波干涉法的定义就是指用相关的方法获得虚震源的地震数据，其中，自相关生成自激自收的地震记录，互相关生成共炮点道集。

　　卷积型地震波干涉法

　　地震波干涉法也可以用卷积来实现。原因为对两个不同检波器记录到的地震波进行相关等价于以对一个检波器的负时记录和另一检波器的因果的地震记录进行卷积。由于卷积和相关的等价关系，卷积型干涉法涉及的数学理论与相关型地震波干涉法类似。

　　反卷积型地震波干涉法

　　地震波干涉法可在做完反卷积后实施。该方法需要对波场进行分离，如分解为上行波与下行波或扰动场与非扰动场，边界条件也要做相应的修改。与相关型地震波干涉法不同的是，反卷积型地震波干涉法对散射波场只提取因果的地震信号。Vaseoneelos和Snieder用散射理论阐述了该方法。2

　　地震波干涉法成像

　　对地震波干涉法得到的新的地震数据进行成像，是地震波干涉法的主要应用之一除直接对得到的数据进行偏移外，地震波干涉法成像亦有其他实现方式。Sava等比3〕通过对波场外推后对成像点进行空间和时间上的相关，形成新的时空域相关成像条件，提高了计算效率和使偏移算法更稳定。地震波干涉法成像丰富了地震波成像的内容，对准确的获得地下的地质构造有着重要意义。改进地震波偏移算法一直是提高地震成像精度的主导方向，地震波干涉法成像在同样的偏移算法下，由于其如下特点对精确成像有着很重要的意义。

　　多次波是有用的信号

　　在地震勘探中，尤其是在复杂的近地表勘探和海洋勘探中，多次波一般被认为是噪声而在地震处理的过程中加以消除。但在地震波干涉法成像中，多次波对提高成像的精度非常重要。在对接收到的地震数据用干涉法进行重新提取地震记录的过程中，多次波也是组成地震波场的一个重要的组分，对准确的获得虚震源的地震记录很重要。美国犹他大学Schusetr领导的研究小组发表的利用多次波进行多次波干涉法成像的文章或Vaseoneelos等人定义的模型间的多次散射波的例子哪〕。其结果表明，应用多次波成像能提高成像的分辨率，并且对地质体有更大的照明范围。

　　消除近地表复杂地质条件的影响

　　在近地表，复杂的地质条件如风化带、小断块、推覆体的存在将引起地震波阻抗复杂的变化，从而降低采集到的地震信号的信噪比，给地震资料的处理和解释带来很大困难。用地震波干涉法就可以不考虑这部分介质中的波传播，直接得到新的从虚震源出发的地震记录，从而消除近地表复杂地质条件的干扰，提高成像的精度。Bakulin等人在发表的关于这类问题的文章中，把这种方法称为虚震源法(Virtual Souree Method)，而没有采用地震波干涉法的名称。

　　不需要对震源或地震子波的了解

　　用地震波干涉法成像由于采用的是虚震源，因此不需要了解震源的特性。如前所述，其震源可以是确定性震源如人工源，也可以是随机的震源如噪声源。对理论数据以及实际数据进行成像的结果表明，通过地震波干涉法，对随机的震源产生的不相干时间序列引起的地震波场仍能很好地得到地下的速度结构二。〕对采集到的噪声信号进行地震波干涉法成像，同样得到信噪比较高的成像剖面。

　　面向目标的地质成像

　　地震波干涉法通过对数据重建，能够使新的地震波场集中在感兴趣的地质构造范围内，从而间接地达到面向目标的地质成像的目的。对同样的地质体，可以通过不同的方式得到面向目标的虚震源记录，因而这里的观测系统相对于常规的面向目标的观测系统有着更大的自由性。Schuset用干涉法描述的费曼原理阐述了动态提取虚震源的反射波走时的可行性，并把它应用于面向目标的层析成像的研究。对改善区域性以及全球性的层析成像的分辨率有很好的效果。在随后发表的文章中，用探地雷达的数据进行了层析成像。事实上，所有的地震波干涉法成像方法都可以被认为是一种面向目标的成像方法。

　　被动源法成像

　　地震波干涉法的对成像一个重大的贡献是被动源法成像脚口。勘探地球物理的被动源技术一般指的是用微震来研究储层的地质结构。由于地震波传播的介质的复杂性，采集到的微震的数据常比勘探中常用的人工源技术的信号弱，具有低信噪比等特点。直接对这种数据进行成像处理有一定的技术困难，如干扰波的存在常使得成像的精度很低。而用地震波干涉法能得到新的地震数据，可避开对某些复杂的地质构造和复杂的震源特征的研究。数值实验和实际地震资料的应用表明，用地震波干涉法得到的新的地震数据进行成像能够把噪声变成有用的信号，能够显著提高成像的精度。

　　本词条内容贡献者为:

　　张勇 - 副教授 - 西南大学资源环境学院