一種反射同相軸自動(dòng)拾取算法

黃興輝

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一種反射同相軸自動(dòng)拾取算法

黃興輝

本文針對(duì)地震海洋學(xué)研究中反射同相軸的提取問(wèn)題，提出了一套自動(dòng)拾取算法。在海洋能量傳遞的地震海洋學(xué)研究中起到重要的基礎(chǔ)性作用。

海洋是太陽(yáng)向地球傳輸能量的紐帶。能量在海洋內(nèi)部的傳遞是地球能級(jí)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。但是，由于海洋學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺乏，能量在不同尺度海洋學(xué)現(xiàn)象之間的傳遞機(jī)制尚不完全清楚。地震海洋學(xué)可以為海洋能量研究提供大量的高橫向分辨率的數(shù)據(jù)，而反射同相軸的提取是其中一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作。

拾取反射同相軸是地震海洋學(xué)的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作。本文針對(duì)地震海洋學(xué)數(shù)據(jù)的特征提出了一套反射同相軸自動(dòng)拾取算法。該算法以數(shù)據(jù)段和震源子波的互相關(guān)以及數(shù)據(jù)段波峰的振幅能量作為判斷其是否為有效反射的標(biāo)準(zhǔn)；基于橫向追蹤算法完成整條同相軸的拾取。拾取之前，首先對(duì)地震數(shù)據(jù)做傾角濾波處理，以提高數(shù)據(jù)的信噪比，增強(qiáng)同相軸的橫向連續(xù)性。實(shí)際的應(yīng)用效果表明，本方法的成功率和準(zhǔn)確率都很高，是地震海洋學(xué)研究的有力工具。

地震海洋學(xué)是一門新興的反射地震學(xué)和物理海洋學(xué)的交叉學(xué)科。它利用傳統(tǒng)的反射地震學(xué)的數(shù)據(jù)和方法研究物理海洋學(xué)的現(xiàn)象和問(wèn)題。這門學(xué)科探索性的工作最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，甚至更早；但是，其后發(fā)展一直較為緩慢。直到2003年，Holbrook等里程碑式的文章發(fā)表之后，這門學(xué)科才開(kāi)始快速發(fā)展，日趨完善。時(shí)至今日，地震海洋學(xué)已經(jīng)成熟為一門獨(dú)立的學(xué)科，它不僅可以直接根據(jù)地震剖面上的反射特征識(shí)別海洋學(xué)現(xiàn)象，討論它們的空間形態(tài)和尺度；還可以使用傳統(tǒng)的反射地震學(xué)反演方法將反射地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為物理海洋學(xué)參數(shù)，然后進(jìn)行進(jìn)一步的研究。另外，在與等密線平行或重合的假設(shè)條件之下，反射同相軸還可以用來(lái)計(jì)算海洋的內(nèi)波譜、耗散率和地轉(zhuǎn)剪切等海洋學(xué)參數(shù)，進(jìn)而討論海洋內(nèi)部能量傳遞過(guò)程及耗散機(jī)制。在這類工作中，第一步，也是最關(guān)鍵的一步需要將反射同相軸拾取出來(lái)，然后才能進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算。在長(zhǎng)度為幾十公里的地震剖面上可能存在數(shù)百條反射同相軸，累計(jì)長(zhǎng)度一般超過(guò)幾百公里；單純靠人工拾取，工作量是不可想象的。因此，同相軸拾取的自動(dòng)算法必不可少。

傳統(tǒng)的反射地震勘探中，拾取同相軸是地震資料解釋工作的基礎(chǔ)。長(zhǎng)期的工作經(jīng)驗(yàn)也積累了多種同相軸自動(dòng)拾取的算法，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、鏈匹配算法、基于四階累積量的同相軸自動(dòng)拾取方法以及能量比與互相關(guān)法等。但是，這些算法都是針對(duì)來(lái)自于固體彈性介質(zhì)的反射地震數(shù)據(jù)的特征設(shè)計(jì)的；而地震海洋學(xué)研究使用的反射地震數(shù)據(jù)來(lái)自于海水層，有其自身的特點(diǎn)，上述這些方法并不完全適用。液體介質(zhì)不能傳播剪切波；因此，地震海洋學(xué)數(shù)據(jù)的地震波類型單一，只有P波，波形也較為穩(wěn)定。海水內(nèi)部不存在突變的結(jié)構(gòu)面；因此，反射同相軸都是逐漸出現(xiàn)和消失。海水內(nèi)部波阻抗整體變化不大，反射強(qiáng)度一般較弱；因此，反射同相軸中間可能存在間斷。另外，海水的流動(dòng)性也決定了海水層反射同相軸整體較為平緩，傾角較小。本文根據(jù)海水層反射數(shù)據(jù)的上述特點(diǎn)，提出了一套簡(jiǎn)單有效的反射同相軸自動(dòng)拾取算法。實(shí)際的應(yīng)用效果表明，本方法對(duì)海水層反射同相軸的識(shí)別成功率非常高，結(jié)果也具有很好的橫向連續(xù)性，是地震海洋學(xué)內(nèi)波譜分析、耗散率和地轉(zhuǎn)剪切的計(jì)算以及其他相關(guān)工作的有力工具。

方法

拾取算法的整體思路如下：首先在地震剖面上識(shí)別出一條反射同相軸的起點(diǎn)；然后進(jìn)行橫向追蹤，直至其尾端；最后根據(jù)其長(zhǎng)度判定這條同相軸是否有效。實(shí)際操作中，對(duì)于一個(gè)給定的反射地震數(shù)據(jù)體，逐道進(jìn)行處理；首先追蹤已經(jīng)找到并存儲(chǔ)的同相軸，然后尋找新的同相軸加入記錄，流程如圖1a所示。

圖1?。╝）拾取算法的整體流程 （b）追蹤同相軸的流程

假設(shè)在處理當(dāng)前的地震道之前已經(jīng)找到并存儲(chǔ)了N條同相軸；處理該道數(shù)據(jù)的時(shí)候首先對(duì)這N條同相軸進(jìn)行追蹤，流程如圖1b所示。對(duì)于一條已經(jīng)存在的同相軸，在以它上一道的時(shí)間點(diǎn)為中心的給定寬度的時(shí)間窗內(nèi)搜索有效反射，示意圖如圖2所示。如果搜索到有效反射，則將其加入記錄之中；如果搜索不到，則增加該條同相軸當(dāng)前缺失的地震道數(shù)?？紤]到海水內(nèi)部的反射較弱，且存在隨機(jī)噪聲，允許同相軸有幾道（大約幾十米）的反射空缺。如果連續(xù)幾道都沒(méi)能搜索到有效信號(hào)，那么認(rèn)為同相軸已經(jīng)到了尾端；之后，根據(jù)其長(zhǎng)度進(jìn)行取舍。

圖2　追蹤同相軸操作的示意圖

圖3?。╝）某段來(lái)自于海水層的反射地震剖面（b）（a）數(shù)據(jù)傾角濾波后的結(jié)果

圖4　圖3 b中黑色方框內(nèi)地震數(shù)據(jù)的反射同相軸自動(dòng)拾取效果圖

紅色粗線為已存儲(chǔ)的同相軸；虛線框?yàn)樗阉鞯臅r(shí)間框；框內(nèi)藍(lán)色的實(shí)線和虛線為移動(dòng)匹配的震源子波追蹤完所有的現(xiàn)有同相軸之后，再遍歷當(dāng)前的地震道，尋找新的同相軸加入記錄。無(wú)論是追蹤現(xiàn)有的同相軸，還是尋找新的同相軸，都需要判斷給定的一段數(shù)據(jù)是否為有效反射。這里定義有效反射滿足兩個(gè)條件：第一，數(shù)據(jù)的形態(tài)與震源子波吻合。這個(gè)條件使用數(shù)據(jù)與震源子波的互相關(guān)來(lái)判斷。震源子波可以通過(guò)兩種方式給出：第一種為從本道數(shù)據(jù)中選擇振幅最大的一段完整子波；第二種為給定主頻構(gòu)建Ricker子波。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，這兩種方法拾取的結(jié)果差別不大。第二，數(shù)據(jù)要滿足能量的要求。用戶根據(jù)需要給定一個(gè)百分比。數(shù)據(jù)的波峰振幅與本道數(shù)據(jù)最大振幅之比大于給定的百分比才認(rèn)為其有效。

上面的描述顯示，以下幾個(gè)重要的參數(shù)控制著這個(gè)算法的使用效果：判斷是否為有效反射的階段，需要給定Ricker子波的主頻和容許的能量百分比；追蹤同相軸的階段，需要給定搜索時(shí)間窗的寬度、容許的最大缺失道數(shù)以及有效同相軸的最短長(zhǎng)度。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，Ricker子波的主頻一般在30Hz左右即可；由于海水層的反射同相軸較為平緩，搜索時(shí)間窗的寬度一般選擇12ms，對(duì)應(yīng)于大約9m；容許的最大缺失道數(shù)通常選擇3道，也可以根據(jù)反射數(shù)據(jù)的連續(xù)性進(jìn)行調(diào)整。能量百分比和有效同相軸的最短長(zhǎng)度則需要根據(jù)具體情況靈活選擇。

實(shí)際數(shù)據(jù)的應(yīng)用效果

圖3a給出了一段具有海水層反射典型特征的地震剖面。剖面顯示，反射信號(hào)的強(qiáng)度較弱；某些區(qū)域連續(xù)性較差，存在同相軸間斷；整個(gè)剖面的數(shù)據(jù)都包含隨機(jī)噪聲。直接使用這樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行同相軸拾取，效果會(huì)受到影響?？紤]到海水層反射同相軸都較為平緩，在拾取之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了傾角濾波處理。處理之后，原本肉眼可以識(shí)別但機(jī)器難以拾取的同相軸就變得清晰起來(lái)，拾取也就變得非常容易。處理之后的地震剖面如圖3b所示。

使用以下參數(shù)對(duì)處理后的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了拾?。篟icker子波的主頻為32.5Hz；容許的能量百分比為20%；搜索時(shí)間窗的寬度為12ms（～9m）；最大缺失道數(shù)為3道（～20m）；有效同相軸的最短長(zhǎng)度為2km。圖3中黑色方框內(nèi)數(shù)據(jù)的拾取結(jié)果如圖4所示。從中可以看出，拾取的同相軸光滑連續(xù)，與實(shí)際的層位一致。拾取的準(zhǔn)確率高，不存在竄行現(xiàn)象；拾取的成功率高，少有漏拾的情況；可以為地震海洋學(xué)相關(guān)的計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

總結(jié)

地震海洋學(xué)研究使用海水層的反射地震數(shù)據(jù)。拾取反射同相軸是其中一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作。海水層反射的強(qiáng)度一般較弱，易受隨機(jī)噪聲影響，同相軸的連續(xù)性較差；海水內(nèi)部不存在突變的結(jié)構(gòu)面，反射同相軸通常較為平緩。本文針對(duì)地震海洋學(xué)數(shù)據(jù)的這些特征提出了一套反射同相軸自動(dòng)拾取算法。該算法以數(shù)據(jù)段和震源子波的互相關(guān)以及數(shù)據(jù)段波峰的振幅能量作為判斷其是否為有效反射的標(biāo)準(zhǔn)；基于橫向追蹤完成整條同相軸的拾取。拾取之前，首先對(duì)地震數(shù)據(jù)做傾角濾波處理，以提高數(shù)據(jù)的信噪比，增強(qiáng)同相軸的橫向連續(xù)性。實(shí)際的應(yīng)用效果表明，本方法的成功率和準(zhǔn)確率都很高，是地震海洋學(xué)研究的有力工具。

致謝：地震數(shù)據(jù)處理中用到了Seismic Unix （CWP / SU；Cohen and Stockwell， 2008）工具包，畫(huà)圖中用到了Generic Mapping Tools （GMT； Wessel and Smith， 1998）工具包，在此一并表示感謝。

黃興輝

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10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.006