疊前深度偏移技術(shù)在城市活動斷層探測中的優(yōu)勢

王志輝，韓立國，賀文靜，周積響

（1. 吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026；2. 北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京 102206；3.江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，贛州 341000）

疊前深度偏移技術(shù)在城市活動斷層探測中的優(yōu)勢

王志輝1，2，韓立國1，賀文靜2，周積響3

（1. 吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026；2. 北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京 102206；3.江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，贛州 341000）

本文介紹了Kirchhoff積分法疊前深度偏移和波動方程疊前深度偏移兩種偏移方法，并通過對Marmousi數(shù)據(jù)模型和實(shí)際數(shù)據(jù)資料處理，對比疊前深度偏移成像與疊后時間偏移成像和常規(guī)疊加剖面的應(yīng)用效果。實(shí)際結(jié)果表明：對于速度橫向變化劇烈的復(fù)雜地質(zhì)體，疊前深度偏移成像精度更高，適合于城市活動斷層的高精度探測。

Kirchhoff積分法疊前深度偏移；波動方程疊前深度偏移；活動斷層

0 前言

活動斷層是指晚第四紀(jì)以來活動的斷層，常導(dǎo)致地裂縫、地面沉降、滑坡和崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。活動斷層對城市發(fā)展的危害性評價日益受到人們的重視。城市大多處于平原和盆地地區(qū)，地表由第四系松散的堆積物覆蓋，活動斷層的勘查更多依賴于地球物理勘查方法。在各種地球物理勘探方法中，淺層地震勘探方法是最有效的方法之一。隨著研究問題的深入，人們對地震勘探結(jié)果的要求也越來越高，特別是對于復(fù)雜的構(gòu)造的研究，人們更希望應(yīng)用偏移處理技術(shù)使地下反射信號歸位，該技術(shù)成為國內(nèi)外地震專家、學(xué)者研究的熱點(diǎn)。伴隨著巨型機(jī)、向量計(jì)算機(jī)和微機(jī)群在地震數(shù)據(jù)處理中的廣泛應(yīng)用，地震偏移技術(shù)已由以往的時間偏移發(fā)展到目前的深度偏移。疊前深度偏移技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用到油氣勘探領(lǐng)域，與時間偏移相比，其地下構(gòu)造信息的成像更為精確。

1 疊前深度偏移的方法介紹

疊前深度偏移概念在20世紀(jì)70年提出，但是由于當(dāng)時地震疊前記錄的信噪比較低，偏移的初始模型難以確定，加之當(dāng)時的計(jì)算機(jī)無法承受疊前偏移較大的計(jì)算量，直到20世紀(jì)90年代疊前偏移才開始應(yīng)用于高分辨地震勘探數(shù)據(jù)處理中。目前，常用的疊前深度偏移方法可分為兩類：第一類是基于繞射掃描疊加原理的Kirchhoff積分法，另一類是基于波動方程的偏移方法。

1.1 Kirchhoff積分法疊前深度偏移

Kirchhoff積分法疊前深度偏移是以Hagedoorn(1954)提出的 最大凸面法 原理為基礎(chǔ)建立的疊前深度偏移方法。它的本質(zhì)是Green函數(shù)的射線近似，處理時分別進(jìn)行震源點(diǎn)和接收點(diǎn)到地下可能成像點(diǎn)進(jìn)行射線追蹤，得到射線從震源點(diǎn)到地下反射點(diǎn)再到接收點(diǎn)的射線時間，然后把相應(yīng)激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)道上等于射線時間的振幅累加到該地下點(diǎn)上，對所有道和所有地下點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行這種積分。這樣在地下真實(shí)的位置上，反射波振幅得到同相加強(qiáng)，而在其他地下點(diǎn)上，反射波振幅相互抵消，從而進(jìn)行成像。該方法具有無頻散、占用資源少和實(shí)現(xiàn)效率高的特點(diǎn)，并且能夠適應(yīng)變化的觀測系統(tǒng)和起伏的地表，特別是優(yōu)化的射線追蹤法和改進(jìn)的有限差分法能夠在速度場變化的情況下快速準(zhǔn)確地計(jì)算繞射波和反射波旅行時，從而使積分法能夠適應(yīng)復(fù)雜的構(gòu)造成像。

1.2 波動方程疊前深度偏移

波動方程疊前深度偏移是建立在波場反向外推基礎(chǔ)上,研究多波至的一種偏移方法。按照算法實(shí)現(xiàn)的原理主要分有限差分偏移方法和Fourier偏移方法。波動方程有限差分算法是借助于差分計(jì)算，把速度、密度等介質(zhì)參數(shù)的影響體現(xiàn)在差分計(jì)算的矩陣方程中；Fourier偏移算法一般借助快速Fourier變換來進(jìn)行波場延拓計(jì)算。波動方程疊前深度偏移是處理復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造成像的有效方法，它不僅能夠?qū)Χ竷A角構(gòu)造和地層進(jìn)行成像，而且能夠適應(yīng)橫向速度的任意變化，并且有利于振幅和相位保持，從根本上解決了多路徑問題以及由速度變化所引起的焦散效應(yīng)，成像精度更高。

2 模型試算

為了檢驗(yàn)疊前深度偏移的數(shù)據(jù)處理效果，選擇國際測試復(fù)雜構(gòu)造成像方法慣用數(shù)據(jù)模型：Marmousi數(shù)據(jù)模型。該模型是基于西非安哥拉實(shí)際地質(zhì)情況建立的，模型中包括多個反射層和三個陡傾角的斷裂，速度在橫向和縱向梯度變化較大（見圖1），是檢驗(yàn)成像方法的理想模型。本文中所使用的數(shù)據(jù)來自SEG/ EAGE提供的聲波模擬記錄，共240炮記錄，每炮記錄由96道組成，每道記錄長度為3s，采樣間隔為4ms，炮點(diǎn)間距、道間距均為25m，偏移距為200m（見圖2）。

圖1 Marmousi速度模型

圖2 聲波模擬的單炮記錄

2.1 水平疊加剖面

目前在城市地震資料解釋中使用最多的仍為水平疊加剖面，它是經(jīng)過水平疊加處理后得到的時間剖面，相當(dāng)于在各點(diǎn)自激自收的零偏距剖面。在地傾角較小、構(gòu)造簡單的地區(qū)，這種水平疊加剖面可以直觀地反映出地下地質(zhì)體的構(gòu)造形態(tài)。但是如果界面傾角較大時，水平疊加剖面實(shí)際上是共中心點(diǎn)疊加而不是共反射點(diǎn)疊加，這樣會造成剖面上的反射點(diǎn)向地層下傾的方向發(fā)生偏離，降低了橫向分辨率；此外當(dāng)?shù)叵陆缑嬗捎谑艿綐?gòu)造運(yùn)動和沉積的不均勻性造成的地層中斷或彎曲時，常常會產(chǎn)生繞射波和回轉(zhuǎn)波。圖3看出，在剖面兩邊速度界面比較平緩的區(qū)域，水平疊加剖面的反映的情況與實(shí)際模型（圖1）相吻合；而在速度橫向變化距劇烈的地方，水平疊加剖面不能夠清晰地反映出模型的形態(tài)，并且出現(xiàn)繞射波。

圖3 水平疊加剖面

2.2 疊后時間偏移剖面

疊后時間偏移是以基于水平疊加剖面利用爆炸反射層原理將傾斜的反射層歸位并使繞射波的收斂。經(jīng)過偏移處理后剖面反射點(diǎn)沿著界面向上傾方向移動，解決了當(dāng)?shù)貙觾A斜時真實(shí)反射點(diǎn)的位置偏離共中心點(diǎn)下方的鉛垂線問題。如圖4，當(dāng)?shù)貙觾A角較緩，水平疊加剖面上存在繞射波時，應(yīng)用疊后偏移可以對地下地質(zhì)體進(jìn)行快速成像，疊后偏移對速度模型要求不高，較易操作。但是當(dāng)?shù)叵聵?gòu)造復(fù)雜、橫向速度變化大時,共中心點(diǎn)道集中的反射波旅行時已不再是雙曲線形式，水平疊加的結(jié)果也不完全等價于自激自收的零炮檢距剖面，疊后偏移已不能使地下構(gòu)造正確成像，采用傾角時差校正(DMO)也難以得到真正零炮檢距剖面。

2.3 Kirchhoff疊前深度偏移剖面

Kirchhoff疊前深度偏移對速度模型要求不是過于嚴(yán)格，計(jì)算效率高，適應(yīng)不同的野外觀測系統(tǒng)，能做地下目標(biāo)體或任意目標(biāo)線的偏移，適合二維/三維、疊前/疊后、時間/深度等不同類型的偏移處理，是目前三維地震數(shù)據(jù)處理中主流的偏移方法。從圖4中可以看出Kirchhoff疊前深度剖面成像效果較疊加剖面和疊后時間剖面有了較大的改善，它消除了繞射的影響，使地下反射層得到歸位，清晰地反映出模型的形態(tài)，但同時也可以看出對于速度橫向和縱向梯度變化較大的區(qū)域，Kirchhoff疊前深度偏移剖面并不能夠進(jìn)行精確的成像，且高頻信號損失嚴(yán)重。

圖4 疊后時間偏移剖面

2.4 波動方程疊前深度偏移剖面

波動方程法疊前深度偏移由于研究多波至，用波動方程精確計(jì)算振幅，所以它的精度更高，圖5中可以看出無論對于陡傾角的斷層還是速度梯度變化較大的區(qū)域它都能進(jìn)行精確的成像，特別是對于三條斷裂位置的反映更加清晰準(zhǔn)確。對比圖5和圖6不難發(fā)現(xiàn)波動方程法疊前深度偏移比Kirchhoff疊前深度偏移有更好的成像結(jié)果，但是相對于Kirchhoff疊前深度偏移其計(jì)算量大，要求完全規(guī)則的觀測系統(tǒng)，對偏移速度較敏感，較小的速度誤差就可能影響成像效果。

3 實(shí)例

現(xiàn)以某地區(qū)活動斷層探測地震資料處理為例，說明疊前深度偏移處理的應(yīng)用效果。該地區(qū)地表被第四系覆蓋，地勢平坦，野外施工時采用可控震源激發(fā)，每道由6個60Hz的檢波器組合接收，接收道數(shù)為60道，道間距3m，炮點(diǎn)距6m，采樣間隔0.5ms,記錄長度1024ms。

圖5 Kirchhoff疊前深度偏移剖面

圖6 波動方程疊前深度偏移剖面

數(shù)據(jù)處理時首先使用常規(guī)的地震數(shù)據(jù)處理方法得到疊加時間剖面（圖7）,為了便于疊前深度偏移成像與疊加剖面的對比，應(yīng)用波動方程疊前深度偏移方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理（圖8），結(jié)果表明波動方程疊前深度偏移成像方法更具優(yōu)勢。

（1）疊前深度偏移剖面歸位準(zhǔn)確，斷層清晰；

（2）疊前深度偏移使用了更加準(zhǔn)確的速度-深度模型，且實(shí)現(xiàn)了真正意義上的共反射點(diǎn)（CRP）道集疊加，因而具有更高的分辨率和信噪比。

4 結(jié)論

通過對Marmousi模型的數(shù)據(jù)處理和實(shí)際資料的應(yīng)用，我們不難發(fā)現(xiàn)疊前深度偏移方法對于地下介質(zhì)的成像較常規(guī)的疊前剖面有著明顯的優(yōu)勢：它不僅可以使反射波歸位，而且有助于干涉帶的自動分解，提高地震記錄信噪比和分辨率；此外疊前深度偏移解決速度陷阱問題時，其地質(zhì)層位標(biāo)定更加準(zhǔn)確、合理，避免了時深轉(zhuǎn)換所用速度不準(zhǔn)而帶來的誤差。

圖7 疊加時間剖面

圖8 波動方程疊前深度偏移剖面

綜上所述，無論是Kirchhoff積分法疊前深度偏移還是波動方程疊前深度偏移，它們都是一種高精度的地震成像方法，在不同的應(yīng)用條件下均具有良好的成像效果。目前城市活動斷層地震勘探解釋仍以疊加剖面為主，而城市活動斷層的精確定位，已成為當(dāng)今城市規(guī)劃和地震穩(wěn)定性評價亟需解決的難題，將疊前深度偏移技術(shù)從油氣地震勘探領(lǐng)域推廣到淺層地震勘探中，可滿足活動斷層高精度定位需要，提高城市地震勘探技術(shù)水平。

[1] 王有新.應(yīng)用地震數(shù)據(jù)處理方法，北京：石油工業(yè)出版社.

[2] 韓文功，印興耀等.地震技術(shù)新進(jìn)展，北京：中國石油大學(xué)出版社.

[3] 蘭曉雯.城市隱伏活動斷層地震勘探方法研究進(jìn)展，地殼構(gòu)造與地殼應(yīng)力文集（18），2006，54～60.

[4] 劉喜武,劉洪.波動方程疊前偏移成像方法的現(xiàn)狀與發(fā)展,地球物理學(xué)進(jìn)展.

[5] 馬淑芳，李振春.波動方程疊前深度偏移方法綜述，勘探地球物理進(jìn)展，2007，30（2），154～161.

[6] 尹軍杰，吳子泉，李文慧.疊前深度偏移技術(shù)在活動斷層探測中的應(yīng)用，地震研究，2004，27（2），191～197.

[7] 楊瑞娟，呂秀華等.疊前偏移方法述評，小型油氣藏，2008，13（3），27～31.

The Advantage of Prestack Depth Migration Technique in Urban Active Fault Detection

WANG Zhihui1,2, HAN Liguo1, HE Wenjing2, ZHOU Jixiang3

(1. College of Geo-Exploration Science and Technology, Jinlin University, Changchun 130026; 2. Beijing Geological Survey, Beijng 102206; 3.Jiangxi College of Applied Technology, Ganzhou 341000)

The paper introduces two migration methods: Kirchhoff depth migration and wave equation prestack depth migration, and compares the imaging result of prestack depth migration with conventional stacked profle and post-stack time migration profle by processing the data model of the Marmousi and the actual data. The result shows that prestack depth migration is more accurate for complex structure imaging in media of strong laterally varying velocity, and suitable for the more accurate detection of urban active fault.

Kirchhoff depth migration; Wave equation prestack depth migration; Active fault

P631.4+43

A

1007-1903(2011)01-0052-04

王志輝（1982- ）男，碩士研究生，主要從事城市地球物理勘探與方法研究工作。E-mail:wang15806@sina.com