劉傳義　毛玉蓉

摘要：微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的地球物理學(xué)新技術(shù)。本文主要介紹了微地震P波初至自動(dòng)拾取的基本原理和應(yīng)用效果，特別對(duì)一種Allen算法和Bear算法結(jié)合的AB算法進(jìn)行了詳細(xì)研究并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。使用AB算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)微震事件的自動(dòng)拾取，并對(duì)拾取效果進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：微地震監(jiān)測(cè)；自動(dòng)拾?。籔波初至；AB算法；滯后性

中圖分類號(hào)：P315 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）50-0136-02

一、引言

微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)在礦區(qū)、水壩等地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)上的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，本文以錦屏二號(hào)水電站微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，分析、比較了不同方法的P波初至自動(dòng)拾取的效果，并著重對(duì)基于能量比法的AB算法進(jìn)行分析與研究，將其對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過AB算法程序試圖完成對(duì)微地震有效事件和P波初至的自動(dòng)拾取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于時(shí)窗能量比法Allen和Bear結(jié)合的AB算法，較其他方法相比有較好的拾取效果，但它的拾取精度與人工拾取結(jié)果相比準(zhǔn)確度仍有待提高。

二、微地震P波初至拾取

1.微地震事件。微地震事件是較小的地震事件。對(duì)于礦區(qū)而言，由于礦產(chǎn)開采區(qū)長(zhǎng)期的地質(zhì)勘探活動(dòng)和工區(qū)作業(yè)，礦山巖石長(zhǎng)期遭受到應(yīng)力的作用，導(dǎo)致礦山或水壩周圍圍巖的內(nèi)部在一定程度上遭到破壞而發(fā)生了變形。根據(jù)波動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，應(yīng)力集中區(qū)會(huì)向外釋放出能量，這些能量以彈性波的形式釋放，使巖石間相互擠壓造成較大區(qū)域巖石的破裂，產(chǎn)生微小地震，傳播過程中巖石向外發(fā)射的波的頻率都很低而被稱為微地震事件，也被稱為小地震事件①。

2.微地震P波初至拾取。微地震監(jiān)測(cè)獲得的是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)量非常大。由于微地震信號(hào)P波先于S波到達(dá)檢波器，在大量數(shù)據(jù)中識(shí)別背景信號(hào)和微地震信號(hào)并找到微地震信號(hào)中P波首次到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)，用于定位微地震震源點(diǎn)，這個(gè)步驟稱為P波初至拾取。

三、微地震P波初至拾取原理

1.能量比法拾取P波初至的原理。能量比法是長(zhǎng)、短時(shí)窗平均能量值比或振幅值比（STA/LTA），后來Allen、Baer和Barle等將原能量比法中的時(shí)窗平均參數(shù)和特征函數(shù)進(jìn)行了部分修改，并將一些新的數(shù)學(xué)計(jì)算方法使用到能量比法中②。時(shí)窗能量比的原理是基于背景噪聲能量與微震事件時(shí)能量相差很大，因此，時(shí)窗能量比通過選取兩個(gè)不同長(zhǎng)度的時(shí)窗，長(zhǎng)時(shí)窗是包含大量噪聲信號(hào)而相對(duì)包含極少微震有效信號(hào)，而短時(shí)窗包含較少背景噪聲包含較多微地震有效事件信號(hào)，短時(shí)窗平均能量值（STA）就會(huì)比較大，通過比較兩時(shí)窗的平均能量值就大致能夠判斷P波的初至點(diǎn)③。時(shí)窗能量比的計(jì)算公式如下：

公式（1）為長(zhǎng)短時(shí)能量比計(jì)算公式，m、n為長(zhǎng)短時(shí)窗長(zhǎng)度，R（i）即是信號(hào)的第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的長(zhǎng)短時(shí)能量比值。通過R（i）與所取的閥值（認(rèn)為信號(hào)初至點(diǎn)時(shí)能量比值為此值）的比較，若R（i）大于等于閥值，則第i點(diǎn)有可能為P波初至點(diǎn)，準(zhǔn)確判斷該點(diǎn)是否會(huì)是初至點(diǎn)還需結(jié)合其他判斷依據(jù)；若小于閥值，則該點(diǎn)一定不是初至點(diǎn)。

2.AB算法及其性能分析。AB算法是Allen算法和Bear算法的綜合算法，采用了Bear算法的加權(quán)因子K（i）Bear和特征函數(shù)CF（i）Bear，而沒有采用Allen算法的加權(quán)因子K（i）Allen和特征函數(shù)CF（i）Allen⑧。在此之上，還將Bear算法特征函數(shù)的計(jì)算公式進(jìn)行修改，來獲得更好的拾取效果，對(duì)信噪比比較低的信號(hào)的變化更敏感⑨，改進(jìn)后公式如下：

改進(jìn)后的AB算法的特征函數(shù)CF（i）AB、K（i）AB與Allen、Bear算法特征函數(shù)CF（i）Allen、CF（i）Bear，K（i）Allen相比，CF（i）AB和K（i）AB對(duì)微震信號(hào)能量幅值的變化更加敏感，它進(jìn)一步放大了微小能量變化差間的差異，讓拾取判斷更簡(jiǎn)易，大大提高了算法對(duì)信噪比比較低的微地震信號(hào)的判斷能力和拾取效果⑩。AB算法實(shí)現(xiàn)過程：（1）從實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)中讀取一段數(shù)據(jù)，計(jì)算CF（i）、STA（i）、LTA（i）、r（i）等參數(shù)，并對(duì)算法中循環(huán)參數(shù)S、M、L賦0初值。（2）根據(jù)實(shí)際微震事件規(guī)律，一個(gè)微震事件持續(xù)時(shí)間為0.005—0.1s，零交叉點(diǎn)個(gè)數(shù)M上限M1，M1取值250，下限M2，M2取值20。（3）初至點(diǎn)初判斷，若i點(diǎn)數(shù)據(jù)滿足STA（i）/LTA（i）>n（n為閥值，取3.0），則i點(diǎn)有可能是初至點(diǎn)，將i賦值給k，計(jì)算i的值x（i）記為p1，為找出i后第一個(gè)峰值，將p1賦值給p0暫存為最大峰值，若STA（i）/LTA（i）i）點(diǎn)滿足STA（k）<=LTA（k）*M，S=S+1，L=3+M/3，將p2值賦于p0，此時(shí)將k+1賦值給k；若S大于L，則將i賦值給t1，將k賦值給t2，則有效事件持續(xù)時(shí)間為t，t=（t2-t1）/f，f為采樣頻率，為4000。（5）微地震有效事件判斷，若t大于微地震有效事件持續(xù)時(shí)間最小值且M值大于微地震有效事件零交叉點(diǎn)下限，則本次拾取成功，t1為初至點(diǎn)，t2為結(jié)束點(diǎn)。

四、AB算法在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上的應(yīng)用實(shí)例

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由Matlab軟件打開，通過AB算法自動(dòng)拾取有效事件并判斷初至點(diǎn)。拾取該段信號(hào)結(jié)果為初至點(diǎn)為2000信號(hào)點(diǎn)，結(jié)束點(diǎn)為2208信號(hào)點(diǎn)。人工拾取與AB算法拾取所用數(shù)據(jù)均為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)6—7—611統(tǒng)一數(shù)據(jù)，為微震記錄2013年6月7日15時(shí)原始記錄中某段數(shù)據(jù)。本論文中實(shí)驗(yàn)均采用同一數(shù)據(jù)不同方法對(duì)比實(shí)驗(yàn)，共采用2013年6月、7月、8月等期間的1000組數(shù)據(jù)。由兩對(duì)比結(jié)果看出AB算法拾取較人工拾取初至點(diǎn)有滯后性，但AB算法自動(dòng)拾取P波初至具有相對(duì)較好的效果。

五、AB算法與其他算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由于時(shí)間與實(shí)驗(yàn)設(shè)備等因素影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不能確保權(quán)威性，但下述參數(shù)均為實(shí)驗(yàn)結(jié)果且在合理實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)。Allen算法的信號(hào)識(shí)別率為91.89%，P波初至拾取準(zhǔn)確率為61.64%；Bear算法的P波初至拾取準(zhǔn)確率為70.46%；AB算法的信號(hào)識(shí)別率為94.23%，P波初至拾取準(zhǔn)確率為73.51%。本次實(shí)驗(yàn)采用中科院巖土所提供的錦屏二級(jí)水電站的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)已完全由人工拾取，所以本次實(shí)驗(yàn)是在人工拾取的基礎(chǔ)上，通過各類算法進(jìn)行自動(dòng)拾取與人工拾取結(jié)果進(jìn)行比較得到的數(shù)據(jù)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上可以看出，各個(gè)算法都無法保證拾取的準(zhǔn)確性。但在微地震有效事件的拾取上具有較好的拾取效果，且改進(jìn)后的AB算法的拾取效果比其他幾種方法的拾取效果更好。

六、結(jié)論

通過以上實(shí)驗(yàn)得到如下結(jié)論：①各種方法對(duì)微震有效事件和P波初至的拾取都不能確保有百分百的準(zhǔn)確率。②能量比法比其他方法在自動(dòng)拾取微事件上更易實(shí)現(xiàn)且自動(dòng)處理效率更高，但能量比算法對(duì)時(shí)窗的長(zhǎng)度要求較高。③AB算法是結(jié)合Allen算法和Bear算法的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到了微震信號(hào)判別和P波初至拾取同時(shí)進(jìn)行，具有較高的拾取準(zhǔn)確度。④AB算法的拾取效果易受時(shí)窗長(zhǎng)度、閥值等參數(shù)影響，這些參數(shù)對(duì)于不同環(huán)境的適用性有待驗(yàn)證。

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