分頻處理技術(shù)在金屬礦地震勘探中的應(yīng)用

李顏貴 ，劉子龍，雍　凡，羅水余，蔣正中

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000；2.中國地質(zhì)大學(xué) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

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分頻處理技術(shù)在金屬礦地震勘探中的應(yīng)用

李顏貴1，劉子龍1，雍凡2，羅水余1，蔣正中1

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000；2.中國地質(zhì)大學(xué) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

為了解決金屬礦地震勘探原始數(shù)據(jù)信噪比低、干擾強(qiáng)、目標(biāo)層反射信號(hào)弱，常規(guī)去噪手段處理的地震疊加剖面難以解釋的問題；針對(duì)金屬礦地震數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用分頻處理技術(shù)，疊前處理通過抬升主頻后，利用小波變換多尺度和時(shí)移性分頻段去噪，重構(gòu)數(shù)據(jù)；疊后采用小波變換分頻處理。通過應(yīng)用安徽運(yùn)漕金屬礦地震實(shí)際數(shù)據(jù)，提高地震剖面質(zhì)量，準(zhǔn)確識(shí)別和定位火成巖侵入接觸帶。結(jié)果表明，金屬礦分頻處理能提高數(shù)據(jù)的信噪比和地震資料分辨率，突出了目標(biāo)層反射信號(hào)。

金屬礦；分頻處理；火成巖；小波變換

1　引　言

分頻處理目前應(yīng)用比較廣泛，疊前去噪、拓展頻譜帶寬等，疊后分頻處理主要進(jìn)行地震屬性分析，目前分頻處理主要是利用短時(shí)傅里葉變換、小波變換和S變換等數(shù)學(xué)算法。在煤田地震勘探數(shù)據(jù)處理上，張本愛[1]采用分頻處理方法，充分利用各個(gè)頻帶的反射能量，在每個(gè)頻帶內(nèi)進(jìn)行分頻精細(xì)處理，達(dá)到分辨較小構(gòu)造的目的。在石油地震勘探數(shù)據(jù)處理上，劉文霞[2]采用分頻反褶積，兼顧高、低頻成分，較好地解決了信噪比與反褶積之間的矛盾；蔡希玲[3,4]提出一種非線性分頻自適應(yīng)噪聲檢測(cè)及壓制方法，對(duì)嗓聲進(jìn)行衰減處理，重構(gòu)地震記錄。王西文[5]使用小波域分頻去噪，處理與重構(gòu)的方法，在提高目的層反射同相軸分辨率及同時(shí)兼顧中、低頻信息的前提下，拓寬地震數(shù)據(jù)頻帶，效果明顯；還有大量的文獻(xiàn)，利用小波的多尺度去噪[5-15]。由于金屬礦地震勘查的特殊性，分頻處理，應(yīng)用研究程度較低，目前沒有看到相應(yīng)的文獻(xiàn)。中國在金屬礦勘查中，地震方法的應(yīng)用研究已越來越多，我國地球深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)(SinoProbe)金屬礦地震勘探取得了較好的地質(zhì)效果，如SinoProbe研究團(tuán)隊(duì)、董樹文等確定長江中下游成礦帶廬江-樅陽白堊紀(jì)火山巖盆地和鐵、硫礦集區(qū)深部構(gòu)造和地殼結(jié)構(gòu)，探討成礦深部控制條件[16-26]。將來金屬礦的發(fā)展趨勢(shì)是從二維到三維地震勘探；完善金屬礦地震的理論及解釋方法研究；擴(kuò)大地震找礦的應(yīng)用范圍；充分利用油氣勘探獲取的地震資料，實(shí)現(xiàn)盆地中心及邊緣地震找礦的重點(diǎn)突破；將目前油氣新技術(shù)新方法應(yīng)用到金屬礦勘查中，特別是數(shù)據(jù)處理與解釋方面；建立金屬礦地震找礦示范區(qū)[27-28]，從多參數(shù)和多學(xué)科角度建立金屬礦示范區(qū)，為金屬礦找礦提供理論依據(jù)。

2　地質(zhì)背景

本區(qū)整體的深部結(jié)構(gòu)已大體清楚[25-26]，地構(gòu)造位置屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)、下?lián)P子臺(tái)坳、沿江拱斷褶帶之安慶段褶束，寧蕪和蕪繁兩個(gè)中生代火山巖盆地接壤部位之西緣。區(qū)域構(gòu)造線方向?yàn)楸睎|北—北東向，地震剖面上會(huì)有較明顯的反應(yīng)。區(qū)內(nèi)地表均為第四系松散沖積物覆蓋，下伏地層有上第三系(N)，三疊系上統(tǒng)范家塘組(T3f)，中統(tǒng)黃馬青組一至三段(T2h1—T2h3)及徐家山組(T2x)。上第三系(N)地層呈北東及北北東向線狀展布于下埠圩—龍?zhí)裂亍Ｏ谝粠А７都姨两M(T2f)和黃馬青組三段(T2h3)主要分布于無為縣湯溝鎮(zhèn)一帶，其他各組(段)地層在區(qū)內(nèi)均廣泛分布。本區(qū)的褶皺構(gòu)造主要有一個(gè)復(fù)式背斜-裕湯復(fù)背斜，其核部位于裕溪口—龍?zhí)裂亍虏痕住獪珳弦痪€，軸向由北東至南西，由50°～60°漸變?yōu)?0°左右，呈向西突出的弧形展布。核部由三疊系中統(tǒng)徐家山組成；兩翼地層為三疊系中統(tǒng)黃馬青組各段，以及三疊系上統(tǒng)范家塘組；兩翼地層產(chǎn)狀平緩，傾角一般在20°左右，其樞紐有起伏，且常被北西—近東西向的斷層切割，沿核部常有巖漿巖侵入破壞。

齊落山—二壩背斜：其核部位于齊落山—二壩一線，軸向呈北北東，核部地層為三疊系中統(tǒng)徐家山組，兩翼由黃馬青組各段組成，在本區(qū)范圍內(nèi)兩翼地層產(chǎn)狀較平緩，一般為20°～30°左右，其核部基本被巖漿巖吞噬破壞，南西傾伏端被近南北向的斷層切割。唐家跳—長安向斜：位于裕湯復(fù)背斜與齊落山—二壩背斜之間，其軸部在唐家跳—長安一線，軸向約50°左右，核部地層為三疊系中統(tǒng)黃馬青組二段，兩翼由黃馬青組一段及三疊系中統(tǒng)徐家山組地層組成，兩翼地層產(chǎn)狀約20°～30°。本區(qū)燕山晚期的巖漿活動(dòng)，主要沿背斜核部上侵，形成一個(gè)近北東向的巖漿侵入隆起帶，主要分布于裕溪口—?jiǎng)⒓夜铡酱濉執(zhí)裂?、小六房—下埠圩一線，隆起帶的中心和兩側(cè)侵入體頂面垂向高差可達(dá)200～650m。

在隆起帶上，巖體的頂面也高低起伏，大體與復(fù)背斜樞紐起伏一致，這樣在隆起帶內(nèi)就出現(xiàn)一系列的局部相對(duì)隆起和凹陷，其隆起部位即為巖漿穹窿體，它是侵入隆起帶中的次一級(jí)接觸帶構(gòu)造[29]。

3　數(shù)據(jù)處理

3.1資料情況

通過分析原始資料如圖2所示，有效波和低頻面波、折射波、多次反射波、線性干擾等干擾波混合在一起，頻率很低，主頻在15Hz；處理思路從拓展頻率，在噪聲中分離反射信號(hào)入手。從圖2能看到，淺部有反射信號(hào)，中、深層反射信號(hào)較弱，在侵入地區(qū)，反射波主頻較高，經(jīng)過疊加后，主頻降低，地層局部傾角較大，影響疊加效果，需要DMO疊加處理，解決侵入?yún)^(qū)域共反射點(diǎn)發(fā)散，提高信噪比，使多個(gè)傾角的同相軸能正確疊加；通過反Q濾波和譜白化抬升中高頻率后，能看到較清晰的構(gòu)造及地層的多層結(jié)構(gòu)；抬升的頻率較寬，但深部資料較差，需要確定深部反射信號(hào)的主要頻帶范圍，壓制深部局部強(qiáng)振幅，減弱淺部低頻面波、折射波等干擾波，能突出中深層反射。

3.2疊前分頻處理的幾個(gè)技術(shù)關(guān)鍵問題

處理流程[1]如圖1所示，疊前分頻處理的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題如下：

1)分頻拓頻處理：通過有效波頻率范圍、能量分布和時(shí)頻分析結(jié)果，確定小波變換步長，進(jìn)行分頻拓頻處理，拓展的頻帶在15～90Hz，突出中高頻信號(hào)。

2)疊前去噪：根據(jù)不同噪音類型，使用針對(duì)性的方法和參數(shù)，面波采用三角窗的小波變換去噪和參考模型道組合去噪；線性噪音采用LIFT模塊組合去噪，分頻F—K域二維去噪，DMO疊前和疊后去噪能較好地解決剩余的線性干擾問題。

3)反Q濾波和譜白化：通過反Q濾波，補(bǔ)償振幅衰減和頻率損失，改善記錄的相位特性，從而改善同相軸的連續(xù)性，提高弱反射波的能量和地震資料的信噪比、分辨率。

圖1　處理流程Fig.1　Processing flow

4)反褶積：通過子波整形，提高子波的穩(wěn)定性，而后進(jìn)行褶積；反褶積根據(jù)分頻頻帶，不同頻帶反褶積參數(shù)和預(yù)測(cè)步長不同，進(jìn)行分頻反褶積[2]，擴(kuò)寬和抬升有效波主頻。

5)DMO去噪：DMO處理流程為初始速度分析，NMO校正，DMO校正，第二次速度分析，剩余NMO校正，疊加；在處理過程中進(jìn)行2次速度分析，而基于主要反射波和多次波速度差異的多次波衰減技術(shù)對(duì)經(jīng)過DMO校正的近道集剖面變化不大，遠(yuǎn)道集剖面水平層的反射波和傾斜層的多次波相交，通過DMO的速度分析和疊加，衰減金屬礦侵入?yún)^(qū)域的多次波和線性干擾。

6)靜校正：采用折射靜校正和層析靜校正；由于沒有小折射資料，采用單炮記錄中的面波獲得的面波速度，轉(zhuǎn)換為縱波速度，作為折射靜校正和層析靜校正的參數(shù)源進(jìn)行靜校正處理，效果理想(圖2(b)和圖2(c))。

7)分頻數(shù)據(jù)重構(gòu)：采用小波變換對(duì)分頻后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，重點(diǎn)在分頻后的中高頻帶。

3.3疊后分頻處理

疊后資料，采用分頻時(shí)頻分析處理，分析目的層地震屬性。

金屬礦地震疊后資料其頻譜成分及信號(hào)的各種統(tǒng)計(jì)特性隨時(shí)間發(fā)生顯著變化，這種變化包含了反映地下反射層序特征的豐富信息。因此，金屬礦地震剖面不同時(shí)間層段內(nèi)具有不同的頻譜特征。在分頻處理之前，根據(jù)火成巖主要發(fā)育層段，進(jìn)行發(fā)育層段的地震數(shù)據(jù)頻譜分析，其數(shù)據(jù)為分頻疊加的數(shù)據(jù)和分頻疊加重構(gòu)數(shù)據(jù)；頻譜分析方法采用小波變換，小波變換重構(gòu)后的數(shù)據(jù)包含了分頻的全部信息，并且數(shù)據(jù)頻段較寬，頻率豐富，采用時(shí)頻分析能較準(zhǔn)確分辨相鄰頻率的反射波，通過分析地震剖面的瞬時(shí)相位、瞬時(shí)能量和瞬時(shí)頻率，研究分頻后低、中高主頻頻率屬性，進(jìn)行金屬礦地震屬性分析。

4　分頻處理效果分析

針對(duì)研究區(qū)金屬礦地震資料特點(diǎn)，采用針對(duì)性的處理技術(shù)。去噪處理過程中，根據(jù)各種噪音的存在形式和分布規(guī)律不同分別去除面波、線性強(qiáng)干擾、高能噪音等；靜校正問題，采用分頻段處理，加入面波橫波轉(zhuǎn)換縱波速度的表層靜校正量，減弱干擾波，突出火層巖侵入?yún)^(qū)域反射波振幅、能量，效果較好(圖2(a)中)藍(lán)線區(qū)域，對(duì)不同頻帶內(nèi)的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理，選取分頻后中高頻帶30～80Hz(圖3)的頻帶數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，如圖4所示，疊后CDP：1910處單道記錄的時(shí)頻譜，選取火成巖發(fā)育層段頻譜圖，分頻處理前主頻分布在30Hz左右，頻帶范圍在10～50Hz之間；采用小波變換分頻處理后，主頻分布在45Hz左右，頻帶范圍在15～75Hz之間，頻帶寬度明顯增大，主頻提升15Hz左右，因不同的地質(zhì)目標(biāo)對(duì)地震資料的不同頻率成分的敏感程度不同，深層目標(biāo)和單層厚度較大的地質(zhì)體突出低頻成分，淺層目標(biāo)和單層厚度小的地質(zhì)體則突出高頻成分。由橢圓處兩者對(duì)比可知，小波變換在能量上的分辨能力比常規(guī)處理要高很多，分頻處理可以提高地震有效信號(hào)的頻寬，更真實(shí)地反應(yīng)地層信息的地震能量特征；在圖4橢球標(biāo)注區(qū)域，地震信號(hào)頻譜分析結(jié)果顯示：長、短時(shí)窗的振幅譜頻率響應(yīng)差別很大，且短時(shí)窗的振幅譜響應(yīng)與時(shí)窗內(nèi)地層的聲波特性、厚度有著本質(zhì)的內(nèi)在關(guān)系。時(shí)窗越短，時(shí)窗所涵蓋的地層信息的隨機(jī)性就越少，地震道的振幅譜不再與子波頻譜類似，而是更接近于地震子波頻譜與局部地層的褶積，即目的層段小時(shí)窗內(nèi)的地震響應(yīng)作用于一個(gè)類似反射子波的局部濾波器，造成子波頻譜隨時(shí)間厚度變化而變化，從而提供了目標(biāo)層地質(zhì)信息。CWT變換的能量譜頻帶比FFT變換的要寬，CWT變換能分辨8ms的薄層，因?yàn)闀r(shí)間厚度與頻率厚度成反比，所以可從頻譜分解結(jié)果得到的頻率數(shù)據(jù)中估計(jì)地層厚度。從頻率道集識(shí)別目的同相軸調(diào)諧臨界處的頻率，然后將兩個(gè)數(shù)值相減獲取頻率范圍。如該層頻率范圍的倒數(shù)得到時(shí)間，小波變換在400ms處時(shí)間1/50Hz= 0.02s，巖層速度乘以時(shí)間得到地層厚度，即：0.02s×4 000m/s= 80m，調(diào)諧頻率之間的差值越大，地層就越厚，可以推斷與火成巖接觸地層厚度。根據(jù)已驗(yàn)證CMP1820～CMP850段解釋結(jié)論，淺部存在一顯著波阻抗界面，深部反射波凌亂，和剖面其他部分有著明顯的波阻抗反射特征差異，除淺部反射波阻抗界面外，深部無明顯波阻抗界面，推斷其為超基性巖侵入體，從400ms以下，反射軸能量差異較大，頻率衰減，測(cè)線剖面上為不規(guī)則面積狀塊體，在邊界處頻率突變，在兩側(cè)反射波同相軸有中斷，地震波的能量、頻率、相位發(fā)生突變；其500ms以下，能量減弱，頻率變低，頻帶變窄，相位雜亂。

圖2　振幅補(bǔ)償效果對(duì)比Fig.2　Comparison of amplitude compensation(a) after frequency-division processing application; (b) general amplitude compensation; (c) amplitude of the raw shot

圖3　分頻前和分頻重構(gòu)7個(gè)頻段對(duì)比Fig.3　Comparison of frequency division processing (a) before and (b) after application and reconstruction 7 frequency band

圖4　常規(guī)疊加和分頻疊加對(duì)比Fig.4　Comparison of general stack and frequency division stack (a) general stack and (b) frequency division stack

圖5　CDP:1500～2050段CWT變換分頻主頻為40 HzFig.5　CWT transform of 40 Hz time-frequency distribution from 1500～2050 CDP point

圖6　CDP:1600～2200段40 Hz瞬時(shí)相位Fig.6　Instantaneous phase of 40 Hz from 1600～2200 CDP point

利用相位譜上相位的不穩(wěn)定性，可以識(shí)別橫向上地層的不連續(xù)性，如層間小斷層、裂隙及沉積相帶變化，再結(jié)合振幅譜、相位譜上相關(guān)的干涉現(xiàn)象，就能對(duì)地下的巖性、物性變化進(jìn)行快速有效的定量識(shí)別和成圖。如圖6所示，紅色線在地層橫向上左右和上下相位發(fā)生變化，在拱形的上面為沉積地層，拱形的下面為火成巖侵入帶，在接觸面有相應(yīng)的干涉現(xiàn)象，在0.6s處紅線兩邊有些相位在接觸帶發(fā)生變化，這與前期資料解釋相對(duì)應(yīng)，圖中黃色虛線區(qū)域是根據(jù)相位特征分頻處理發(fā)現(xiàn)的新的區(qū)域；其次，由于接觸帶頻譜的相位特征對(duì)地震波屬性特征的微小變化十分敏感，因此，相位特性對(duì)檢測(cè)接觸帶上橫向上的非連續(xù)性變化非常有效。同時(shí)，時(shí)窗內(nèi)相位響應(yīng)的穩(wěn)定性與巖性密切相關(guān)，圖6選擇的時(shí)窗是10ms平均振幅，采用均方根振幅變化較小，通過對(duì)比橫向上巖性的非連續(xù)性，使得相位譜在非連續(xù)的部分變得不再穩(wěn)定。

5　結(jié)　論

通過金屬礦分頻處理，得出如下結(jié)論：

1) 根據(jù)原始資料主頻低、干擾波強(qiáng)等特點(diǎn)，處理思路從提高原始資料頻率入手，處理過程中采用了分頻段處理，采用小波變換進(jìn)行分頻處理，較好地解決了低頻信號(hào)中的反射波噪聲的分離、中高頻信號(hào)的復(fù)原、疊前去噪等方面存在的問題。

2) 在疊后進(jìn)行小波變換分頻時(shí)間頻譜分析，小波變換重構(gòu)后的數(shù)據(jù)包含了分頻的全部信息，并且數(shù)據(jù)頻段較寬，頻率豐富，采用時(shí)頻分析能較準(zhǔn)確地分辨相鄰頻率的反射波。

3) 對(duì)金屬礦火成巖反射區(qū)域與周圍圍巖能量差異，相位變化和頻率差異等方面進(jìn)行分頻段分析，解決了單一頻率上的分析異常的局限性，提高了解釋的可靠性。

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The Application of Frequency-division Processing for Seismic Survey in Metal Mine

Li Yangui1,Liu Zilong1,Yong Fan2,Luo Shuiyu1,Jiang Zhengzhong1

(1.Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, China Academy of Geological Science,Langfang Hebei 065000, China;2.School of Geophysics and Information Technology, China University of Geosciences, Beijing10083, China)

Sincethesignaltonoiseratio(SNR)ofrawdatafromseismicsurveyinmetalmineislow,itisdifficulttogetaninterpretableseismicstackedprofilethroughconversionaldenosiemethods.Toimprovethequalityofseismicimage,frequency-divisionprocessingwasappliedtoseismicsurveyinmetalmine.Afterraisingthedomainfrequency,pre-stackmulti-scalecontinuouswavelettransform(CWT)andtimeshiftingfrequency-divisionde-noiseareused.Wavelettransformfrequency-divisionprocessingwasalsoappliedtopost-stackseismicdata.AnapplicationtoseismicdatainYuncaomentalmine,Anhuiprovince,showedthatthisprocessingmethodscouldimprovethequalityofseismicprofileandwashelpfultoidentifyandlocatetheigneousintrusivecontactzone.Theresultsshowedthatfrequency-divisionde-noisemethodscouldimproveSNRandresolutionofseismicdatainmentalmine,whichhighlightedthereflectionofobjectlayer.

metalmine;frequency-divisionprocessing;igneousrockcontinuouswavelettransform

1672—7940(2016)03—0338—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.03.016

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(編號(hào)：AS2013J02，AS2014J04)

李顏貴(1978-)，男，工程師，碩士，主要從事地球物理勘探方法研究。E-mail:liyangui@igge.cn

P631.4

A

2015-11-13