濾波技術在煤田斷層精細檢測中的應用

張少青，戴方堯

（中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇徐州 221116）

濾波技術在煤田斷層精細檢測中的應用

張少青，戴方堯

（中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇徐州 221116）

中值濾波技術可以有效地去除隨機噪聲，增強水平同相軸的連續(xù)性，但其未考慮地層傾角的變化。斷層/邊緣增強濾波技術考慮到地層傾角的變化因素，能夠突出細微差別，改善低信噪比資料，顯著提高地震剖面質(zhì)量。實踐證明，斷層/邊緣增強濾波技術能更加突出地層接觸關系，可以有效提高小斷層的解釋精度，提高煤田三維地震勘探資料解釋的精度和準確性。

中值濾波；斷層/邊緣增強濾波；地層傾角；信噪比

0 前言

地震資料存在各種隨機噪音，對構(gòu)造解釋造成困難。使用中值濾波技術可以去除隨機噪聲，提高信噪比，增加地震資料的品質(zhì)。但是，由于中值濾波技術未考慮地層傾角的變化，不能突出每個采樣點（尤其是斷層附近的采樣點）附近同相軸傾角和方位角所發(fā)生的微小變化，所以也達不到斷層精細檢測的要求。

斷層/邊緣增強濾波技術，將中值濾波與傾角濾波相結(jié)合，充分考慮到地層傾角的變化因素，并且利用數(shù)學和邏輯關系運算，突出異常區(qū)域的細微差別，從而最大限度地挖掘地震資料中有效信息，達到斷層精細檢測的目的。

1 斷層增強濾波技術

由于斷層對地震波的吸收衰減作用，使得斷層附近地震資料品質(zhì)較低，斷層的形狀和大小都會受到影響。為了得到高精度的斷層分析效果，同時保證沒有斷層區(qū)域的平滑性，可以將傾角中值濾波和傾角擴散濾波聯(lián)合使用，以提高斷層的分辨力，這就是斷層增強濾波的思想。

1.1 傾角中值濾波技術

傾角中值濾波技術將中值濾波和傾角濾波結(jié)合，其效果是一個邊緣保持控制濾波器，通過沿傾角方向的濾波，可以刪除隨機噪聲，加強反射波同相軸的橫向連續(xù)性。

傾角中值濾波的處理流程步驟是：

（1）定義搜索半徑。

（2）從開始位置提取首個振幅。

（3）沿著傾角和方位角指向下一道。

（4）在該點提取振幅。

（5）在搜索半徑內(nèi)對所有道的振幅，重復步驟（3）、步驟（4）。

（6）把所有拾取振幅按值的大小排序，并用位于中間的振幅值替換起始位置的振幅。

（7）對體內(nèi)所有樣本重復操作步驟（2）～步驟（6）。

中值應該定義成一系列中心點位置相關的值因此，如果從最小到最大列出N個振幅，就可以?。∟＋1）/2處的位置值作為中值，這里的N是一個奇數(shù)。

圖1（見下頁）是步長為4的傾角中值濾波，定義（圓）域是一個曲面（也稱傾角控制體圓盤），曲面半徑與地層傾角有關。

中值濾波響應為：…、0、0、1、0、0、1、1、3、0、11、…。

圖1 傾角中值濾波Fig.1 Dip median filtering

步長為4的傾角中值濾波響應為：…、0、0、0、0、0、1、1、1、1、1、1、…。

對比兩種濾波結(jié)果可以看出，傾角中值濾波的優(yōu)勢：

（1）短于半個濾波的相位被清除（左側(cè)1和右側(cè)0）。

（2）噪音也被清除（振幅3）。

（3）邊界被保留。

傾角中值濾波后的地震數(shù)據(jù)體中，連續(xù)相位被加強，并且隨機分布的嗓音被壓制，提高了傾斜地層自動追蹤的可執(zhí)行性，有利于提高地震資料的橫向分辨率。

1.2 傾角擴散濾波技術

傾角擴散濾波（Dip－steered diffusion filter），又稱作各向異性擴散濾波。這里的“各向異性”是沿用了圖像處理中的稱謂，其含義是在數(shù)據(jù)或圖像處理中，由于噪聲、干擾等引起的圖像局部性質(zhì)的差異。

在地球物理中，由于各向異性所引起的地震響應，同樣也可以反映為數(shù)據(jù)或圖像的局部特征。各向異性加強擴散濾波可將各向異性特征擴散消除，使相干特征加強。這對于構(gòu)造解釋和層序體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成像，都具有積極意義。

目前，應用最廣泛的擴散濾波理論是Perona和Malik所提出的非線性各向異性擴散方程

在零交叉點（即u）處，當u＞k2時，梯度得到增強；當u＜k2，由于擴散系數(shù)較大，梯度得到削弱。因此，經(jīng)過多次迭代之后，原始地震數(shù)據(jù)只有明顯的階躍邊緣，并且大面積的區(qū)域信息被保留，從而更加突出斷層處信息。

在應用傾角擴散濾波后，斷層上下盤兩側(cè)附近的振幅（以及其它信息），會朝著斷層方向偏移。斷層附近即斷層面的兩側(cè)地震數(shù)據(jù)，將被高質(zhì)量的數(shù)據(jù)所取代，從而使得斷層變得更清晰，進而達到突出斷層的目的。

1.3 斷層增強濾波技術

傾角中值濾波在沒有斷層的區(qū)域平滑性較好但是不能創(chuàng)建像傾角擴散濾波那樣分辨率高的斷層顯示。傾角擴散濾波可以評估在傾角控制體圓盤內(nèi)地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量，但是將會產(chǎn)生不必要的環(huán)狀現(xiàn)象的顯示。

斷層增強濾波（Fault enhancement filter）的思想是根據(jù)傾角控制體內(nèi)地震數(shù)據(jù)質(zhì)量的不同而選取不同的濾波方法。如果質(zhì)量高（相似性就高），則可采用傾角中值濾波；如果質(zhì)量低（靠近斷層），則采用傾角擴散濾波，從而達到對斷層高分辨的識別力。

斷層增強濾波沿傾角方向進行中值和擴散濾波，銳化邊緣（斷層）。在得到斷層增強濾波體的基礎上，通過計算相似性屬性（或其它屬性），可以得到更高質(zhì)量的斷層形態(tài)。

2 邊緣增強濾波技術

作者使用邊緣增強濾波技術估計振幅值方差然后輸出方差最小的平均振幅，如圖2所示。

圖2 邊緣增強濾波Fig.2 Edge enhancement filtering

邊緣增強濾波對比四個方向相似性的差異正常區(qū)域評價點并沒有異常值，但當穿過斷層時就會在垂直斷層方向（A－A’）表現(xiàn)出最大的差異。哪一點所在方向上具有最低的相似性，就輸出該方向的值（A－A’），并將其作為邊緣增強濾波屬性輸出，其結(jié)果會使斷層輪廓更加清晰。從邊緣增強濾波后的數(shù)據(jù)體中提取相似性參數(shù)，利用該參數(shù)可以更好地刻畫斷層分布。

3 應用實例

淮南張集煤礦西三采區(qū)是全隱蔽含煤區(qū)，主采煤層為13－1煤層、11－2煤層、8煤層。其中，13－1煤層的構(gòu)造形態(tài)為一走向近東西，傾向南西的單斜，地層傾角9°～14°，褶曲發(fā)育不明顯，整套地層較為平。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造以近東西走向的中、小正斷層為主，同時伴生少部份近東西走向的小正斷層，規(guī)律性較強。

對該采區(qū)三維地震數(shù)據(jù)體應用斷層增強濾波技術和邊緣增強濾波技術，可以獲得更加精確的斷層分布圖。在圖3中，作者將原始地震數(shù)據(jù)的沿層切片（圖3（a）），與經(jīng)過斷層增強濾波的沿層切片（圖3（b））進行比較；將基于原始地震數(shù)據(jù)的相似性（圖3（c）），基于斷層增強濾波技術的相似性（圖3（d）），基于邊緣增強濾波技術的相似性（圖3（e）三者進行了比較。

（1）通過圖3（a）與圖3（b）的對比不難看出，斷層增強濾波通過沿傾角方向的濾波，達到了銳化邊緣，刪除隨機噪聲，加強地震同相軸橫向連續(xù)性的作用。

（2）在圖3（c）中，由于斷層對地震波的吸收衰減作用，使得斷層附近的地震資料不好，顯示出來的斷層的形狀和大小都會受到影響。

（3）在圖3（d）中，連續(xù)相位被加強并且隨機分布的嗓音被壓制，濾波增加了地震數(shù)據(jù)的輸出的可解釋性，提高了水平層自動追蹤的可執(zhí)行性，更好地突出斷層的形態(tài)。

（4）圖3（e）可以圍繞每一個評價點，計算四個方向的相似性屬性，得到數(shù)學邏輯樣本，然后在不同的方向?qū)ふ以u價點與其旁邊點的響應之間的最大差，該最大差方向即為垂直斷層的方向。

圖3 沿層切片對比Fig.3 Comparison of layer slices

4 結(jié)論

很多煤田地震數(shù)據(jù)的信噪比和清晰度，都不能滿足斷層精細檢測的要求，因此通過選擇斷層增強濾波技術和邊緣加強濾波技術，可以達到以下目標：

（1）抑制隨機噪聲，提高地震數(shù)據(jù)信噪比。

（2）增強反射波同相軸連續(xù)性，提高資料的橫向分辨率。

（3）考慮到地層傾角的影響，是真正意義上的三維濾波。

（4）強化細微地震特征，突出小斷層的大小和形態(tài)，得到理想的目標地質(zhì)體。

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book=76,ebook=76

1001—1749（2012）03—0249—04

P 631.4＋43

A

10.3969/j.issn.1001－1749.2012.03.02

張少青（1988－），女，江蘇宿遷人，碩士主要從事煤田地震勘探理論與方法研究。

國家自然基金項目（40874054）；中央高?；究蒲袠I(yè)務專項資金項目（2010ZDP01A07）

2011－07－27改回日期：2012－02－25