基于频谱优化技术的微动半波长反演成像及其应用

《Earthquake Research Advances》：Microtremor Semi-Wavelength Inversion Imaging Based on Spectrum Optimization Technology and Its Application

　　

本研究整合了扩展空间自相关法（ESPAC）、多窗口叠加法（MWSM）和半波长反演成像，构建了一种微动勘探方法体系，以应对深部裂隙型地热资源的勘探需求。该体系通过核心算法与标准化野外流程的协同创新，提升了深部地热储层结构的探测精度。方法创新体现在：采用MWSM策略克服传统单一时间窗口处理的局限性，利用双时间窗口协同机制实现浅部高频抗噪与深部低频收敛的最优平衡，从而显著增强全频段信号连续性；结合十字形阵列布设、精确测点定位和严格传感器耦合等标准化技术，有效抑制了复杂环境干扰。在对江西省新余市某地热靶区的应用中，该体系识别了多条控热断裂和多处目标低速度异常带。揭示的关键地质特征包括深部低速度断裂通道和中浅层溶洞型灰岩地热储层核心。典型靶点经钻井严格验证：地热储层顶界深度预测误差小于3%；断裂带位置和储层空间展布与速度剖面高度一致。钻探揭示断裂系统垂向控制深度近千米，证实该方法对储层结构和渗透通道的三维刻画能力满足工程精度要求。研究成果为深部裂隙型地热资源勘探提供了可靠的技术支撑。

论文解读文章

**研究背景与问题**
地热能源作为一种丰富、清洁且可靠的可再生能源，对优化能源结构和实现“双碳”目标具有战略意义。典型地热系统由热源、储层和盖层组成，精准探测其空间结构与物理性质是勘探的核心任务。当前的地球物理技术体系（包括地震反射、大地电磁、重力和磁法）是实现这一目标的关键支撑。其中，面波勘探因对浅层地下结构具有高分辨率成像优势而受到广泛关注，通过分析瑞利波在层状介质中的频散特性反演地下剪切波速结构，已发展为浅层工程勘察和深层资源勘探的主流方法。在源机制驱动下，该领域形成了主动源与被动源并行的技术框架：主动源以多道面波分析（MASW）技术为代表，依赖可控源进行浅层高精度探测；被动源微动勘探基于空间自相关（SPAC）理论，创新性地利用环境背景噪声构建非侵入式探测框架。微动技术因其四大核心优势引发勘探变革：环境友好性使其成为敏感城区地质调查的首选方案；宽频带噪声统计处理机制赋予其优异的抗干扰能力；宽频信号蕴含的多尺度穿透性支持从浅层米级异常到千米级结构的协同分析；特别是扩展空间自相关法（ESPAC）克服了传统地形适应瓶颈，实现了灵活台阵布设。随着城市化进程和深部资源需求增长，该技术已在地下空间安全评估、地质灾害防治和地热资源勘探等领域实现大规模应用。然而，现有技术仍面临根本性挑战：复杂噪声条件下深部频散曲线的稳定性尚未完全解决；低信噪比段信号的提取效率制约了勘探深度的突破，尤其是当探测目标聚焦于千米级深部地热储层结构时，低频信号因能量衰减导致的分辨率弱化以及温度梯度引起的速度场非线性畸变，使得现有方法难以满足深部地热系统精细探测的需求。

**研究内容与结论**
本研究面向工程应用场景，通过集成扩展空间自相关法（ESPAC）、多窗口叠加法（MWSM）和半波长反演成像，构建了一套微动半波长反演系统。该系统的创新体现在：数据采集阶段，利用ESPAC方法在空间谱分析和地形适应性方面的优势；信号处理阶段，采用MWSM双时间窗口协同机制，突破单一时间窗口限制，显著增强全频段信号的连续性和稳定性；反演解释阶段，基于半波长理论的波长-深度映射原理快速构建高置信度速度模型。这一全链条优化方案能有效解决因频谱缺陷导致的探测精度不足问题，显著提高复杂城乡场地的勘探可靠性。在江西省新余市某地热靶区的应用中，系统成功识别了多条控热断裂和多处目标低速度异常带，关键地质特征与钻井验证高度吻合，储层顶界深度预测误差小于3%，证实了该方法对深部裂隙型地热资源的三维探测能力满足工程精度要求。研究结果发表在《Earthquake Research Advances》。

**主要关键技术方法**
本研究采用的关键技术方法包括：扩展空间自相关法（ESPAC），利用任意几何台站配置（如线性、L形、十字形等）提取瑞利波频散曲线，通过计算所有台站对的互相关谱并拟合贝塞尔函数，显著提升复杂地形适应性；多窗口叠加法（MWSM），通过同时应用非重叠的短时窗和长时窗对连续数据进行分段处理，短时窗提取高频段估计并抑制随机噪声波动和瞬态干扰，长时窗优化低频段分辨率和深部弱信号收敛性，两者加权融合构建联合估计，实现浅部高频与深部低频响应的无缝连接；半波长反演成像，基于瑞利波传播的物理机制，构建波长-深度转换关系和速度变换关系，将频散曲线直接映射为速度结构，利用视剪切波速的梯度突变、拐点和速率变换等特征揭示地层刚度分布规律。此外，野外数据采集采用标准化流程，包括十字形台阵布设、100米点间距、RTK精准测点定位、严格传感器耦合，以及90分钟单次采集时长和13台站互相关分析。样本来源为江西省新余市某地热靶区，共布设两条测线（测线1长7000米，NE走向；测线2长9000米，SE走向），因地形限制起始0-300米段未完成。

**研究结果**
**3.1 测线布设与野外方法**：本次微动勘探共设计两条测线，采用十字形台阵、100米点间距，单次采集时长90分钟，每点13台站进行互相关分析，现场使用RTK精确放样获取点坐标和高程。
**3.2 结构发育分析**：通过系统化标准化综合测量，获得可靠野外数据。采用ESPAC方法和MWSM策略，获取各测点约0.5~6 Hz频段的高质量频散谱。反演构建了150~2800 m深度域的剪切波速剖面（图6、图7，原文图号）。在全工区共识别9条断裂带F1~F9，圈定12处显著低速度异常带，其中目标异常7、8、9构成空间关联的深部地热储层系统。异常7分布于测线2的300-600米段，与相邻异常8形成连续发育带，呈NW向延伸至1600米深度，受F6断裂控制；异常9位于测线2的2100-3000米段，发育显著低速度核心区，最低波速近600 m/s，被F7断裂切割至1800米深度。MWSM策略获得的频散曲线（图5b）清晰揭示了1700-1800米深度处的速度异常界面，展示了该技术对深部储层边界的高识别能力。其余异常带可归纳为四种结构响应模式：倾斜异常体（异常1~3和6）、垂向异常（异常5）、连续异常（异常11和12）以及跨线异常（异常4和10）。基于频谱优化技术的微动反演系统成功圈定了2000米深度域内的地热储层结构，MWSM策略通过有效抑制高阶干扰模态，显著提高了深部速度异常体的成像分辨率。
**3.3 钻井验证**：施工方随后对靶区8和9进行钻井验证，钻孔编号分别为BH-1和BH-2。BH-1钻孔在240-300米深度揭露了以F6断裂为主的角砾岩带，其NW向展布特征与测线1揭示的7-8号连续低速度异常带完全吻合；该孔在480-680米处揭露溶洞型灰岩，储层埋深与微动预测偏差小于3%，准确定位了主储层。BH-2钻孔有效揭示了测线2中2100-3000米段超低速度异常（600 m/s）的成因：340-510米深度揭露的硅化角砾岩带是F7断裂通道的直接响应；630-790米发育的溶蚀溶洞型灰岩构成储层核心区。断裂系统与储层空间的配置关系与图5b频散曲线刻画的特征完全一致。两钻孔均证实深部断裂对储层的控制作用，F7断裂延伸更深的特征在9号钻孔中表现为从340米主断裂带至终孔深度940米的完整构造序列。实际揭露的储层顶界深度（BH-1为480米，BH-2为630米）、断裂带分布形态和储层岩性特征与剪切波速剖面形成精确对应，表明MWSM策略反演的2000米深度域内储层结构具备工程级精度。

**讨论与结论**
本论文系统构建了集扩展空间自相关法（ESPAC）、多窗口叠加法（MWSM）和半波长反演成像于一体的微动勘探方法体系。通过核心技术创新与标准化施工技术的协同驱动，实现了对深部地热构造的精准探测。得出以下结论：
(1) 多窗口叠加法（MWSM）突破了传统单一时间窗口处理的局限性。其互补的双时间窗口协同机制作为信号处理的核心枢纽，显著提升了全频段信号提取效能。通过短时窗增强高频抗噪与长时窗确保低频收敛的协同效应，极大优化了频散曲线的连续性和质量稳定性，为后续反演奠定了坚实基础。
(2) 在地热勘探中的有效性突出。在地热靶区实证案例中，成功圈定了9条控热断裂F1-F9的空间展布特征，并准确划分了7处具有优势储集物性的低速度异常带。F7断裂通道系统延伸至1800米深度、储层核心埋藏于480-680米等关键靶点，与钻孔岩心揭示的断-储耦合成因模型呈现高度一致性。储层顶界预测误差≤3%，证实了该方法对深部裂隙型地热资源的三维探测能力。
(3) 工程实施需注重标准化控制。科学的台阵设计确保台阵灵敏度；合理的点间距控制优化信号质量；亚米级测点定位精度减少空间误差；严格的台站耦合确保信号保真度。标准化施工技术与方法体系的协同组合，可显著提高复杂城乡场地的勘探可靠性，推动该技术在地下空间探测和深部资源勘探中的规模化应用。