使用干涉测量外推地震陆地流线器数据

用更少的传感器看得更深

当工程师和环境科学家想要窥探道路、工地或防洪堤坝下方时，他们常依赖地震勘测——向地下发送振动并记录回波。一种更新、更快捷的做法是拖曳“陆地流线器”传感器阵列。该方法效率高，但难以探测更深部位。本文提出了一种巧妙的数学方法，使研究者能够从相同的流线器数据中挤出更多深度和细节，无需增加任何传感器或在现场花费更多时间。

快速地面扫描的挑战

陆地流线器是一排将检波器固定在小底板上并由车辆拖曳的装置。一个简单的震源，例如重锤击地，向地下发送振动，移动的阵列记录这些振动返回所需的时间。由于该配置移动方便、部署快捷，适用于检查道路、评估建筑地基或环境场地等时间敏感的工作。然而存在一个问题：流线器较短，传感器与地面的耦合不完美。因此，远端传感器记录的信号通常微弱且噪声多，典型勘测只能探到几十米深度。传统的解决办法——如移动位置重复测量或增加设备——既费时又费钱，且仍可能无法完全解决探深问题。

传感器线的虚拟延伸

该研究引入了陆地流线器外推超虚干涉（LS-ESVI）技术，实质上让流线器表现得像比实际更长。LS-ESVI不是安装更多传感器，而是重复利用已在附近传感器对之间记录的地震走时。通过比较（在实际操作中是相减与相加）传感器之间的到时，该方法重建出位于流线器物理末端之外位置处信号的样子。这种“虚拟”延伸将有效测线长度翻倍，使得可以访问更深的地下部分，同时仅依赖原始行进通道的数据。

方法背后的原理

LS-ESVI的核心基于干涉测量学，这是波动物理学的一个分支，说明如何通过组合现有测量来合成新的波路径。在完整理论中，这涉及对整个波形进行互相关和卷积，但作者将其简化以便实用。由于许多浅层勘测主要关心首波到时，LS-ESVI针对的是走时而非完整波形。概念上，该方法首先估计波在更深、更快速度层之间传播所需的额外时间，然后将这个接收器间时间加到已知的源到某一接收器路径上，从而得到到位于更远处的“虚拟”接收器的估计到时。可选的清理步骤——例如反卷积和迭代增强程序——可以在原始数据噪声较大时锐化并增强微弱信号。

在模型与实地上的测试

为了评估这些虚拟到时是否可靠，作者做了一系列测试。在两层和三层岩性构造的计算机模型中，LS-ESVI仅使用近距走时来预测缺失的远距数据。由于完整的理想数据集也已知，二者可以直接比较。在边界不平整的分层情形中，外推到时与真实到时之间的误差通常只有几毫秒以下，这远小于地震波本身可分辨的时间尺度。该方法还在一个速度随深度平滑增加的更具挑战性的模型上进行了测试；在此情形下误差有所增加但仍在可解释范围内，既展示了方法的潜力也提示了其局限性。最后，在沙特达曼市附近的一次实地试验表明，对于真实的陆地流线器勘测，86%的外推到时与经过精心挑选的参考到时的差异小于4毫秒——在此类数据被接受的分辨率范围内。扩展后的数据改善了将走时转换为地下速度图像的成像覆盖度。

对日常工程的意义

简而言之，LS-ESVI让研究者和从业者“用现有设备看得更远”。他们无需铺设更长的电缆或重复勘测，仅通过智能处理就能在逻辑上将陆地流线器的探测范围翻倍。这意味着在检查道路稳定性、定位建筑下的薄弱层或勘查浅层资源等任务中，可以获得更深更清晰的浅地表图像——同时减少现场扰动、成本和时间。虽然该方法在地下分层较规则且波速变化不过于突变的区域效果最佳，但在设备部署受限时，它提供了一个强有力的新选择。

引用: Hanafy, S.M. Extrapolation of seismic land streamer data using interferometry. Sci Rep 16, 5531 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35328-5

关键词: 地震成像, 陆地流线器, 干涉测量, 近地表地球物理学, 走时层析成像