利用地震勘探数据中的环境噪声重建近地表剪切波速度模型：中国四川野外案例研究

《Journal of Applied Geophysics》：Reconstructing near-surface shear-wave velocity model using ambient noise in seismic exploration data: A field case study in Sichuan, China

　　

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  我们利用勘探地震数据中采集的环境噪声重建了深度达 600 米的近地表模型。
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  从环境噪声数据估算的表面波频散谱质量相对高于爆破源数据。
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  从环境噪声数据中重建了清晰的导波 P 波。

引言

精确的近地表速度模型对于油气勘探至关重要，因为它们能够实现有效的静校正，增强深部反射成像，并支持弹性全波形反演（FWI）等先进技术（Operto et al., 2015）。传统主动源地震勘探主要使用体波信息进行地下成像。因此，许多处理工作流程会压制表面波能量，并且对环境噪声记录的利用有限，尽管表面波对剪切波速度（Vs）敏感，并且构成了记录波场的重要部分。随着地震勘探技术的发展以及节点地震仪的日益普及，采集的数据量急剧增长。面波方法和地震干涉技术的最新进展证明了这些未充分利用的波场在高分辨率近地表 Vs 重建方面的潜力（Park et al., 2007; Barone et al., 2026）。

多道面波分析法（MASW）利用主动源多道地震记录将表面波信号从时 - 空（t-x）域转换到频 - 速（f-v）域，提取频散曲线进行反演，从而得到地下 Vs 结构（Park et al., 1999; Xia et al., 1999）。MASW 的引入克服了从干扰波中分离有效波的困难，显著增强了表面波勘探能力。

继 Weaver 和 Lobkis (2001) 对环境噪声方法的理论验证之后，我们可以通过对两个接收器之间的环境地震噪声记录进行互相关，检索到表面波的经验格林函数（EGF）。Shapiro 等人 (2005) 将这种方法应用于地震学，获得了短周期表面波层析成像模型，导致环境噪声方法得到广泛应用。与主动源面波方法相比，被动源技术利用低频天然地震噪声来解析深部速度结构。因此，主动与被动联合勘探应运而生，有效增加了探测深度并提高了精度（Park et al., 2005; Hayashi et al., 2013）。Cheng 等人 (2016) 开发了多道被动面波分析法（MAPS），该方法将地震干涉与 MASW 相结合以利用低频噪声，从而扩展了勘探深度。这种方法已广泛应用于城市道路旁被动面波测量中（Mi et al., 2022）。面波方法的近期进展包括波动方程频散反演（Li et al., 2017）、用于近地表表征的频散谱反演（Zhang et al., 2020），以及使用密集阵列的多模式环境噪声层析成像（Qin et al., 2022）。尽管在地震学和城市地球物理学方面取得了成功，但环境噪声面波方法在石油和天然气行业的直接应用仍然有限。

在本研究中，我们利用密集线性阵列采集的野外数据来验证利用环境噪声重建地震勘探中近地表模型的有效性。此外，我们提出了一个实用且可参考的数据处理工作流程，适用于类似案例。该工作流程主要涉及在进行大规模处理之前进行参数测试以确定最佳处理参数。通过对五小时的环境地震噪声进行地震干涉，我们提取了具有明显表面波信号的稳定 EGF。为了评估性能，我们将环境噪声数据中提取的频散能量特征与主动源爆破记录获得的特征进行了比较。最后，我们通过反演提取的频散曲线构建了二维 Vs 剖面。

章节摘要

研究区与数据采集

研究区位于中国四川盆地，这是一个具有厚沉积盖层的典型克拉通盆地（Wei et al., 2020）。本研究中使用的环境噪声数据是作为油气地震勘探测量的一部分采集的。大约呈线性的测线由 306 个节点地震仪组成，平均站点间距约为 40 米，覆盖总长度约为 12 千米。原始数据的采样率为 1000 Hz，我们的分析

表面波提取

为了评估从环境噪声记录中恢复的表面波，我们首先检查了从 12 小时连续环境噪声记录中选取的一段代表性五小时原始环境噪声记录以及相应的干涉结果。我们使用第 2.3 节描述的互相关和叠加过程，利用预处理后的环境噪声记录构建了虚拟炮集。图 3a 展示了五小时的多道环境噪声记录，图 3b 显示了

环境噪声数据的优势与局限性

第 3.3 节的对比突出了环境噪声方法相对于传统主动源方法的几个优势。值得注意的是，它恢复了低至约 1.5 Hz 的低频能量，而主动源数据的分辨率低至约 2 Hz。这种低频信息提供了更长的波长，用于更深的速度探测。此外，环境噪声频谱中更集中的基模能量促进了更可靠的频散曲线

结论

本研究证明了从主动源地震测量中采集的环境噪声记录中恢复瑞利波能量的可行性，以及利用恢复的频散曲线重建地震勘探中近地表模型的有效性。通过将优化的地震干涉工作流程与多外部虚拟源叠加策略相结合，我们从野外环境噪声数据中提取了高质量的频散曲线。在本研究中，五小时连续的环境

CRediT 作者贡献声明

Haoyan Chen：撰写 – 原稿，方法论，调查，形式分析。Yudi Pan：撰写 – 审阅与编辑，指导，软件，项目管理，方法论，调查，资金获取，形式分析，概念构思。Tan Qin：撰写 – 审阅与编辑。Yu Zhang：指导。Guangyin Wang：撰写 – 审阅与编辑，资源。Wen Peng：资源。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢

我们感谢编辑 Yixian Xu 教授和 Mei Xue 教授，以及两位匿名审稿人的建设性意见和建议。本研究由中国国家自然科学基金委员会资助（项目编号：42474190）。

Haoyan Chen|Yudi Pan|Tan Qin|Yu Zhang|Guangyin Wang|Wen Peng