時(shí)頻～炮檢距域面波衰減方法及應(yīng)用

楊兆斌,張銘記,賈正虹

(1.東方地球物理公司研究院,河北涿州 072750;2.東方地球物理公司 東部勘探事業(yè)部長(zhǎng)慶經(jīng)理部,陜西西安 710021;3.東方地球物理公司 物探技術(shù)研究中心,河北涿州 072750)

時(shí)頻～炮檢距域面波衰減方法及應(yīng)用

楊兆斌1,張銘記2,賈正虹3

(1.東方地球物理公司研究院,河北涿州 072750;2.東方地球物理公司 東部勘探事業(yè)部長(zhǎng)慶經(jīng)理部,陜西西安 710021;3.東方地球物理公司 物探技術(shù)研究中心,河北涿州 072750)

面波以低頻強(qiáng)能量為特征,數(shù)據(jù)處理中常用的面波衰減技術(shù)有:頻率濾波、F-K濾波和速度濾波等。由于面波特殊的頻散現(xiàn)象,使得上述方法的應(yīng)用效果受到一定的影響?；诿娌ǖ奶卣麟S炮檢距變化這一特點(diǎn),提出一種時(shí)頻～炮檢距域面波衰減方法:①對(duì)單炮記錄中的面波區(qū)域做Fourier變換或時(shí)頻分析,了解面波頻率隨時(shí)間和炮檢距的變化規(guī)律;②設(shè)計(jì)隨炮檢距變化的濾波器,并對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;③采用減去法分析所去除的面波部份,迭代調(diào)整濾波器的參數(shù);④確定最佳的隨時(shí)間～炮檢距變化壓制面波參數(shù),以保證在壓制面波的同時(shí),不損失反射波的低頻信息。這些方法在點(diǎn)接收的高密度數(shù)據(jù)處理中經(jīng)過(guò)應(yīng)用,已達(dá)到了預(yù)期的效果。

面波衰減;時(shí)頻～炮檢距域;高密度;點(diǎn)接收;濾波

0 前言

面波是由震源產(chǎn)生的沿地面?zhèn)鞑サ牟?其垂直分量由瑞雷波組成。面波的強(qiáng)度及傳播規(guī)律與激發(fā)參數(shù)有關(guān),也與近地表的環(huán)境和條件相關(guān)。對(duì)于陸上地震勘探中最常見(jiàn)的干擾波,在采集設(shè)計(jì)中通過(guò)優(yōu)選激發(fā)條件和多檢波器組合來(lái)衰減面波。在數(shù)據(jù)分析方面,學(xué)者們進(jìn)行了相關(guān)的研究[1、2],如采用分頻方式研究面波的頻散現(xiàn)象,即相速度與頻率的關(guān)系,為利用面波進(jìn)行近地表結(jié)構(gòu)研究提供了依據(jù)。在數(shù)據(jù)處理中,面波壓制技術(shù)取得了明顯的進(jìn)展:Saatcilar等[3]認(rèn)為面波是振幅與頻率的調(diào)制后的波場(chǎng),采用線性頻率調(diào)制濾波方法壓制面波,對(duì)信號(hào)的影響較小;李衛(wèi)忠等[4]提出一種波場(chǎng)變換方法,利用中值濾波分離面波和有效波,在壓制面波的同時(shí),保護(hù)了低頻反射波的能量;蔡希玲[5]提出的分頻自適應(yīng)檢測(cè)異常噪聲的技術(shù),可以用于衰減強(qiáng)能量的面波,其分頻技術(shù)的運(yùn)用提高了壓制噪聲中信號(hào)的保真度;王在民等[6]利用小波變換進(jìn)行分頻,在低頻帶內(nèi)用平均能量法識(shí)別和壓制面波,取得了良好的效果。

目前,隨著高密度地震勘探的興起,野外采用了數(shù)字檢波器和點(diǎn)接收的方式。由于野外不組合原始數(shù)據(jù)中的面波及其發(fā)育,因此,我們應(yīng)重新認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)中面波的特點(diǎn)和分布規(guī)律,并采取有效方法衰減面波。

作者在本文中簡(jiǎn)要分析了在自由表面附近產(chǎn)生的瑞雷面波及其特點(diǎn),說(shuō)明了面波的頻散特性及波形隨傳播距離變化的規(guī)律,為壓制面波的方法研究提供了理論基礎(chǔ)。同時(shí)通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù),展示了目前高密度采集數(shù)據(jù)中的面波特征及其影響。在此基礎(chǔ)上,作者提出時(shí)頻～炮檢距域的面波壓制方法,盡量保證在衰減面波的同時(shí),減少對(duì)低頻反射信號(hào)的損失,這在實(shí)際數(shù)據(jù)的應(yīng)用中,取得了較好的效果。

1 瑞雷面波及其特點(diǎn)

在彈性分界面上形成的反射波和折射波,隨著時(shí)間的增加向整個(gè)彈性空間的介質(zhì)內(nèi)傳播,統(tǒng)稱為體波,是地震勘探研究的重點(diǎn)。相對(duì)于體波而言,在彈性分界面還存在著一種波動(dòng),從能量上來(lái)說(shuō)它們只分布在彈性分界面附近,被稱為面波。分布在自由表面附近的面波被稱為瑞雷(Rayleihg)面波,瑞雷面波包含P波與SV波二種成份,其形成可以用波動(dòng)方程做嚴(yán)格的推導(dǎo)[7]。

經(jīng)研究結(jié)果表明[8],在自由表面附近,瑞雷波傳播速度與頻率無(wú)關(guān),以面波形式傳播的振動(dòng),在傳播過(guò)程中不受頻散畸變。但是,實(shí)際介質(zhì)表面并非完全“自由”,而是在其上還存在一個(gè)非彈性的覆蓋層(例如地面上的表土層)。當(dāng)考慮到此覆蓋層的質(zhì)量時(shí),瑞雷波的性質(zhì)會(huì)有所變化。這時(shí),瑞雷波變?yōu)轭l散波,傳播速度成為頻率的函數(shù)。疏松覆蓋層的存在是導(dǎo)致瑞雷面波頻散的原因,即常規(guī)地震勘探中觀測(cè)到的瑞雷波,總是具有很明顯的頻散特征的原因。

瑞雷面波的傳播速度,取決于地面介質(zhì)的彈性常數(shù),但通常小于橫波的傳播速度。由于介質(zhì)的彈性參數(shù)隨深度而增大,所以瑞雷波的傳播速度也隨深度的增加而增大。

由理論分析可知,瑞雷波的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡在xoz平面內(nèi)為一個(gè)逆進(jìn)的橢圓,是一種橢圓極化波。它的波剖面為一擺線,故又稱為地滾波。瑞雷波是一種低速、低頻波,其頻譜不包含尖銳值,占據(jù)一定的頻帶范圍。對(duì)實(shí)際介質(zhì)來(lái)說(shuō),在地表面附近,特別是地震勘探中的降速帶底面附近,介質(zhì)的彈性常數(shù)變化急劇,因而瑞雷面波的速度隨波長(zhǎng)而改變,具有頻散性質(zhì),波形也隨傳播距離而變化。

2 高密度采集數(shù)據(jù)中的面波

在工程勘探中,面波作為有效波來(lái)研究近地表特征的變化,解決工程地質(zhì)中的問(wèn)題。對(duì)于油氣勘探中觀測(cè)的地震數(shù)據(jù),面波是被作為一種主要的干擾波。通過(guò)對(duì)面波的提取、分析與研究,概括起來(lái),面波具有以下特征:

(1)能量強(qiáng)、頻率低。

(2)沿地表水平方向傳播,其振幅在深度方向上按指數(shù)規(guī)律衰減,其能量分布在僅限于距地面為二倍瑞雷面波的波長(zhǎng)范圍的薄層以內(nèi)。

(3)瑞雷面波質(zhì)點(diǎn)位移的軌跡是一個(gè)橢圓,其垂直位移分量比水平位移分量超前π/2相位。

(4)對(duì)于半無(wú)限空間彈性介質(zhì),瑞雷面波沒(méi)有頻散現(xiàn)象,不同頻率的瑞雷面波傳播速度相同。

(5)對(duì)于層狀介質(zhì),在自由表面的瑞雷面波具有頻散現(xiàn)象,即傳播速度與波的頻率有關(guān)。

(6)視速度有規(guī)律地隨傳播速度的變化而變化,反映在地震記錄中,同相軸并非是一簇直線,而是一簇曲線。

因此,在中深層地震勘探中,面波的影響范圍較大,必須有效地消除其影響。

在高密度勘探中,面波有可能被無(wú)假頻采樣,故面波在原始記錄中有較好的連續(xù)性。圖1(a)(見(jiàn)下頁(yè))為華北地區(qū)高密度試驗(yàn)線中單炮記錄,道距為5m,數(shù)字檢波器單點(diǎn)接收,面波被充分采樣,具有明顯的特征和很強(qiáng)的能量,是該區(qū)資料中最典型的干擾波。如果不作面波壓制,按照常規(guī)的方法疊加,其結(jié)果如圖1(b)(見(jiàn)下頁(yè))所示,即使在疊加剖面上,面波仍有極強(qiáng)的能量與規(guī)律性。

圖2(a)(見(jiàn)下頁(yè))為我國(guó)中部地區(qū)某煤田高密度采集的原始單炮記錄,圖2上部的曲線為炮檢距,面波的出現(xiàn)規(guī)律與炮檢距分布相關(guān)。圖2(b)為圖2(a)對(duì)應(yīng)的F-X譜,從頻譜中也能夠看到面波的特征與炮檢距的關(guān)系。面波嚴(yán)重干擾了近炮檢距的有效信息,影響AVO分析、疊前信息提取及疊前偏移等方法的應(yīng)用效果。

高密度勘探的目的,是為了獲得更高的高分辨率。為了提高分辨率,必須拓寬有效信號(hào)的頻帶寬度,向低頻拓展的范圍比向高頻端拓展同樣的范圍所帶來(lái)的益處更大。這是因?yàn)橄虻皖l拓展更易于提高地震子波頻帶的相對(duì)寬度,從而減少子波的周期數(shù),在波阻抗反演中,更有利于薄儲(chǔ)層分辨和解釋。此外,強(qiáng)能量面波的存在,會(huì)給后續(xù)的振幅補(bǔ)償,地表一致性處理等帶來(lái)負(fù)面的影響〔9]。由此可見(jiàn),在高密度數(shù)據(jù)處理中,采取有效方法壓制面波是一項(xiàng)重要的工作。

3 時(shí)頻～炮檢距域面波壓制方法及實(shí)現(xiàn)步驟

常用的消除面波的方法包括一維高通濾波、二維F-K濾波、小波變換壓制面波和波場(chǎng)分離等。這些方法利用了面波與有效波在某一特征上的差異來(lái)壓制面波,這在實(shí)際應(yīng)用中均有效果,但也存在著一些局限性。我們根據(jù)高密度采集數(shù)據(jù)中面波的特點(diǎn),即面波的振幅、頻率、速度是隨時(shí)間和炮檢距方向變化的,提出頻率隨時(shí)間和炮檢距變化的面波壓制方法,較好地保護(hù)了低頻有效信號(hào),也提高了壓制面波的準(zhǔn)確度。

圖1 高密度地震記錄Fig.1 H igh density seism ic data

圖2 煤田高密度三維數(shù)據(jù)及其頻譜Fig.2 3D seism ic dataw ith high density from coalm ine

為了更細(xì)致地研究高密度采集數(shù)據(jù)中面波的分布特點(diǎn),這里選出三維數(shù)據(jù)中含有面波的排列分析,并進(jìn)行Fourier變換,僅顯示50 Hz以內(nèi)的中低頻成份。圖3為七個(gè)排列數(shù)據(jù)的頻譜,在近排列的小炮檢距上,面波能量強(qiáng),頻帶寬。隨著炮檢距的增大,面波能量減弱,頻率降低。所以,有必要以時(shí)變、空變、頻變的方式壓制面波。

同樣,也可以采用頻率掃描的方法,分析面波的能量、頻率隨炮檢距的變化規(guī)律。運(yùn)用低通與高通相結(jié)合的方法,來(lái)分析面波的規(guī)律,濾波參數(shù)和濾波因子如表1所示。針對(duì)數(shù)據(jù)中面波的不同特征,濾波參數(shù)可做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

通過(guò)對(duì)面波區(qū)域的頻率分析與分頻掃描,確定出不同炮檢距范圍內(nèi)的面波特征,就可以有針對(duì)性地設(shè)計(jì)濾波器,對(duì)數(shù)據(jù)中的面波進(jìn)行處理。本文中的方法考慮了面波能量、頻率隨炮檢距變化的特點(diǎn),在面波出現(xiàn)的區(qū)域里,對(duì)于不同的時(shí)間T、不同的炮檢距,設(shè)計(jì)出不同的頻率濾波器,以不同的濾波參數(shù)壓制面波,較好地壓制了不同頻率、不同強(qiáng)度的面波干擾。

圖3 地震數(shù)據(jù)的F-X譜Fig.3 F-X spectrum of seism ic data

表1 面波分析的參數(shù)和濾波因子(LP為低通濾波,HP為高通濾波)Tab.1 The filterparam eters for ground ro ll analysis(LP indicates low pass filtering and HP for high pass filtering)

圖4(見(jiàn)下頁(yè))為不同炮檢距對(duì)應(yīng)的濾波因子。在炮檢距20m～1 000m的范圍內(nèi),設(shè)計(jì)了八個(gè)不同參數(shù)的濾波器,以適應(yīng)面波頻率的變化。在沒(méi)有面波的炮檢距范圍,不做任何處理,這樣就可以研究面波隨時(shí)間的變化規(guī)律,設(shè)計(jì)時(shí)變的濾波器,在沒(méi)有面波的時(shí)間段,如炮檢距較大的區(qū)域,保持原數(shù)據(jù)的特征。在面波出現(xiàn)的區(qū)域內(nèi),根據(jù)面波的頻帶范圍,應(yīng)用合適的參數(shù)衰減面波,這樣就實(shí)現(xiàn)了T-F-X域的面波壓制,較好地保持了數(shù)據(jù)中的低頻成份,最大限度地壓制面波干擾。

實(shí)現(xiàn)步驟:

(1)對(duì)單炮記錄中的面波區(qū)域做Fourier變換或時(shí)頻分析,了解面波的頻帶范圍及頻率隨時(shí)間和炮檢距的變化規(guī)律。

(2)根據(jù)面波的特征,設(shè)計(jì)時(shí)間隨炮檢距變化的濾波器,并對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

(3)采用減去法觀察所去除的面波部份,通過(guò)對(duì)去除后的低頻數(shù)據(jù)分布規(guī)律的分析,調(diào)整濾波器的參數(shù)。

(4)對(duì)面波進(jìn)行迭代處理,確定最佳的T-FX域的濾波器,保證在壓制面波的同時(shí),不損失反射波的低頻信息 。

4 應(yīng)用實(shí)例

時(shí)頻～炮檢距域面波衰減方法經(jīng)軟件實(shí)現(xiàn)后,可應(yīng)用于實(shí)際高密度數(shù)據(jù)處理中。

圖5(a)為煤田高密度三維數(shù)據(jù)近排列的原始單炮記錄;圖5(b)為壓制面波后的結(jié)果;圖5(c)為去除的面波,不含低頻反射信號(hào)。

圖6(a)(見(jiàn)下頁(yè))為該三維數(shù)據(jù)中遠(yuǎn)排列的原始單炮記錄;圖6(b)為壓制面波后的結(jié)果;圖6(c)是去除的面波。

圖4 不同炮檢距對(duì)應(yīng)的濾波因子(隨序號(hào)的增加,炮檢距增大)Fig.4 The filters in differentoffsetswhich increase as the sequence num bers increase

圖5 單炮記錄及去噪效果Fig.5 Shot data and ground ro llattenuation

由于該方法根據(jù)不同炮檢距的面波特點(diǎn)做了針對(duì)性處理,使遠(yuǎn)排列、近排列的面波都得到了較好地壓制,所以對(duì)三維數(shù)據(jù)有良好的適應(yīng)性。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

在高密度點(diǎn)接收的地震數(shù)據(jù)中,面波非常發(fā)育,頻散現(xiàn)象明顯,表現(xiàn)為視速度變化的一簇曲線,嚴(yán)重影響了地震數(shù)據(jù)的品質(zhì),所以有效地壓制面波是高密度數(shù)據(jù)中的首要工作。作者在本文采用時(shí)頻～炮檢距域壓制面波方法,可以根據(jù)數(shù)據(jù)中面波的能量、頻率隨時(shí)間和炮檢距變化的特點(diǎn)設(shè)計(jì)濾波器,具有良好的針對(duì)性,能夠合理地保持有效信號(hào)的低頻成份,對(duì)于高密度地震數(shù)據(jù)處理,低頻勘探等方面具有現(xiàn)實(shí)意義。

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P 315.3+1

A

1001—1749(2011)01—0030—06

2010-07-01 改回日期:2010-09-16

楊兆斌(1962-),男,工程師,從事地震數(shù)據(jù)處理工作。