從海洋地震資料直達(dá)波提取震源子波

李福元 韋成龍 鄧桂林 張寶金 張 衡 楊 力

(①自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510760；②自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東廣州 510760)

0 引言

震源信號(hào)子波是反射地震勘探中重要的參數(shù)，在地震資料處理及后續(xù)很多環(huán)節(jié)中都起著關(guān)鍵作用，包括地震正演模擬、偏移成像、全波形反演、疊前疊后屬性反演、多次波預(yù)測(cè)和多源數(shù)據(jù)合成處理等[1-8]。更為一般地說(shuō)，震源信號(hào)是地震勘探信號(hào)系統(tǒng)的激勵(lì)函數(shù)，也是地震波彈性波動(dòng)方程中的源函數(shù)[9]。

研究震源信號(hào)的核心問(wèn)題是獲取震源信號(hào)子波。除了采集現(xiàn)場(chǎng)直接觀測(cè)記錄外，目前主要的方法有： ①利用近場(chǎng)記錄擬合[10-12]； ②通過(guò)專用軟件模擬[13-17]； ③從地震數(shù)據(jù)本身提取[18]。地震數(shù)據(jù)采集受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、儀器裝備等因素影響，從現(xiàn)場(chǎng)直接觀測(cè)震源子波十分困難。利用近場(chǎng)記錄擬合時(shí)，因近場(chǎng)記錄中常伴有干擾，擬合結(jié)果往往存在誤差； 在很多情況下地震數(shù)據(jù)中并沒(méi)有近場(chǎng)記錄，故該方法的使用受到限制。軟件模擬方法受軟件所使用理論模型、震源類型及環(huán)境參數(shù)等因素限制，模擬子波與實(shí)際子波存在差異。如果慮及檢波器特性、儀器因素的影響，從地震數(shù)據(jù)中直接提取震源信號(hào)子波應(yīng)更合理。隨著數(shù)字信號(hào)處理理論、非線性理論、優(yōu)化理論的發(fā)展，從反射地震數(shù)據(jù)中提取震源信號(hào)子波的方法從理論到實(shí)踐都取得了巨大進(jìn)展[19-20]，如何消除反射地震數(shù)據(jù)中包含的地層信息對(duì)提取結(jié)果的影響是這類方法成敗的關(guān)鍵。

反射勘探地震數(shù)據(jù)中的直達(dá)波，除了表層信息外，不含地下地層信息。如果表層介質(zhì)是均勻的，則直達(dá)波沿直線路徑傳播。在海洋地震勘探中，震源的激發(fā)和數(shù)據(jù)的接收都是在水中進(jìn)行，海水具有良好的均質(zhì)性，地震數(shù)據(jù)中的直達(dá)波僅與震源信號(hào)、海面反射系數(shù)及海水聲波速度有關(guān)，因此利用直達(dá)波提取震源信號(hào)子波是可行的，且無(wú)須考慮地層反射信息。

Oliveira[21]提出從地震資料直達(dá)波估算震源信號(hào)子波的方法，并與近場(chǎng)子波擬合的震源信號(hào)做分析對(duì)比； 伍忠良等[22]從地震系統(tǒng)的濾波效應(yīng)、直達(dá)波與鬼波傳播路徑及時(shí)間差、原始數(shù)據(jù)的處理對(duì)比和理論計(jì)算，分析了直達(dá)波和鬼波的綜合效應(yīng)； Koo等[3]研究了一種在拉普拉斯域全波形反演中利用全牛頓法直接從直達(dá)波估計(jì)震源子波的方法，可用于實(shí)際資料震源子波估計(jì)； 陳禮等[23]基于深水可完整記錄直達(dá)波的特點(diǎn)，在測(cè)線近道上應(yīng)用通過(guò)直達(dá)波與海底反射波的組合得到統(tǒng)計(jì)子波的方法壓制氣泡效應(yīng)； 鄭江龍等[24]在單道地震記錄中利用從直達(dá)波提取地震子波進(jìn)行相關(guān)濾波的方法有效地壓制了干擾波； 任婷等[25]基于深水地震資料利用直達(dá)波提取子波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行確定性子波反褶積處理，以有效壓制氣泡效應(yīng)。這些都從不同角度和層面針對(duì)從直達(dá)波中提取震源信號(hào)子波進(jìn)行了一定程度的研究及應(yīng)用。但如何建立震源信號(hào)與直達(dá)波之間通用的數(shù)學(xué)關(guān)系，進(jìn)而給出從直達(dá)波提取震源信號(hào)子波的解析方法，是本文嘗試深入、系統(tǒng)地研究的課題。

海洋地震資料中的直達(dá)波除了震源直達(dá)波能量外，還包括震源能量的水面反射波，后者即所謂震源鬼波，可看作是位于震源關(guān)于水面鏡像點(diǎn)的虛震源的直達(dá)波。由于這兩個(gè)直達(dá)波的傳播路徑不同，加之鬼波還經(jīng)過(guò)水面的反射作用，二者的疊加效應(yīng)隨炮—檢關(guān)系的變化而變化。另外，一般情況下炮檢距遠(yuǎn)大于震源和電纜的沉放深度，直達(dá)波在接收點(diǎn)是大角度入射，研究直達(dá)波必須考慮地震記錄系統(tǒng)的組合效應(yīng)。顯然，直達(dá)波不能直接作為震源信號(hào)子波使用。

本文依據(jù)氣泡振蕩理論和組合理論，通過(guò)推導(dǎo)震源及其虛震源的直達(dá)波時(shí)距曲線，考慮了震源和接收點(diǎn)組合情況，得到直達(dá)波與震源信號(hào)之間的關(guān)系式，并給出了頻率域利用直達(dá)波計(jì)算震源信號(hào)遠(yuǎn)場(chǎng)子波的解析解。當(dāng)?shù)卣饠?shù)據(jù)接收位置滿足震源遠(yuǎn)場(chǎng)條件時(shí)，利用地震數(shù)據(jù)中的直達(dá)波通過(guò)計(jì)算提取震源信號(hào)遠(yuǎn)場(chǎng)子波具有明顯的可操作性和實(shí)際意義。實(shí)際地震資料處理效果表明，本文方法具有適用性強(qiáng)、抗干擾、計(jì)算精度高等特點(diǎn)。利用本文方法提取的地震子波，完全可用于后續(xù)的氣泡壓制、虛反射(鬼波)消除、多次波預(yù)測(cè)、波形反演、偏移成像等眾多處理環(huán)節(jié)。

1 方法原理

1.1 理論基礎(chǔ)

海洋地震勘探最常用的是氣槍陣列震源，氣槍在水下激發(fā)產(chǎn)生的氣泡快速膨脹形成彈性波能量。根據(jù)Keller等[26]提出的氣泡振蕩基礎(chǔ)理論，氣泡在水中被激起后形成一個(gè)反復(fù)膨脹←→收縮、幅度逐漸衰減的阻尼性振蕩過(guò)程； 同時(shí)，氣泡本身也受水的浮力而自由上升，直至水面破裂。這種振蕩過(guò)程產(chǎn)生一系列脈沖，其中第一次激發(fā)膨脹產(chǎn)生的脈沖叫初始脈沖或主脈沖，隨后的多次振蕩膨脹產(chǎn)生數(shù)次氣泡脈沖，脈沖的周期與水的密度、靜水壓力、震源能量有關(guān)。設(shè)計(jì)不同脈沖周期的多個(gè)震源進(jìn)行組合激發(fā)，使每個(gè)單獨(dú)震源的初始高能脈沖正相干、而氣泡脈沖為非正相干，就可達(dá)到增強(qiáng)初始脈沖、削弱氣泡脈沖的效果。Ziolkowski等[27]和Parkes等[28]研究了氣槍陣列特性，分析了單槍氣泡之間存在的調(diào)諧、相干、連通三種關(guān)系，指出氣泡在相干半徑外其能量的互相作用呈現(xiàn)線性關(guān)系。對(duì)于某個(gè)檢波點(diǎn)，記錄到的多個(gè)單震源的調(diào)諧組合子波僅是每個(gè)震源子波振幅的簡(jiǎn)單疊加，即

(1)

式中：u(t)表示位于檢波點(diǎn)的震源信號(hào)的疊加信號(hào)；ni(t)表示單震源信號(hào)；ri表示檢波點(diǎn)與單震源間的距離；c表示水中聲波速度。

氣泡激發(fā)的脈沖能量以彈性波方式在水中傳播，遇到海面(海水與空氣的界面)后形成反射，反射振幅滿足Zoeppritz方程描述的AVO關(guān)系。鄭曉東[29]對(duì)Aki等[30]提出的AVO近似公式進(jìn)行了適當(dāng)變換，利用射線參數(shù)統(tǒng)一了不同相態(tài)介質(zhì)界面上入射波與反射波、透射波之間的關(guān)系公式。水與空氣界面上的反射系數(shù)為

(2)

式中：p是射線參數(shù)；ρw、ρa(bǔ)是水和空氣的密度；a是空氣中聲波速度；θ是入射角。由于ρwc?ρa(bǔ)a，則R0絕對(duì)值約等于1。受風(fēng)浪等因素影響，實(shí)際海面是不平整的，地震波在粗糙海面除了反射還會(huì)發(fā)生散射，散射波場(chǎng)只有一部分與反射波相干疊加，因此實(shí)際反射系數(shù)絕對(duì)值應(yīng)小于1。

Jovanovich等[31]根據(jù)波浪譜的高斯分布及散射理論，推導(dǎo)出粗糙海面均方根波高幅值與海面反射系數(shù)之間的關(guān)系

(3)

式中：σ是波高的均方根幅值；ω是地震波角頻率；α是波的掠射角。由于掠射角與入射角互余，式(3)可寫成包含射線參數(shù)的形式

R(p,ω)=R0exp[-2(ωσp)2]

(4)

可見(jiàn)粗糙海面反射系數(shù)是地震波射線參數(shù)和角頻率的函數(shù)。

由上述分析可知，多個(gè)單震源的虛震源在檢波點(diǎn)的調(diào)諧組合子波可表示為

(5)

震源信號(hào)及其水面反射的地震波傳播至接收電纜，以壓力場(chǎng)變化的形式被檢波器記錄。為了壓制噪聲，每道由多個(gè)壓力檢波器以一定間隔平行連接，構(gòu)成檢波器組合陣列(圖1)，組合后的地震波是各單獨(dú)檢波器記錄地震波的簡(jiǎn)單疊加。根據(jù)檢波器組合理論，地震道中記錄的信號(hào)s(t)可表示為

(6)

式中hk(t)表示組合陣列中的第k個(gè)檢波器記錄的信號(hào)。

圖1 電纜檢波器組合示意圖

1.2 直達(dá)波與震源信號(hào)子波的關(guān)系方程

直達(dá)波是指從震源出發(fā)沿介質(zhì)直接傳播到接收點(diǎn)的地震波。如果傳播介質(zhì)是常速的，其傳播路徑就是直線。在海洋地震勘探中，由于聲波在水層中的傳播速度近似常數(shù)，其直達(dá)波沿直線傳播。如圖2所示，震源能量在海面的反射波被稱為震源鬼波，可看作是從虛震源(S′，即震源點(diǎn)S關(guān)于水面的鏡像點(diǎn))發(fā)出的直達(dá)波。圖中G為檢波點(diǎn)，ds為震源沉放深度，dg為檢波點(diǎn)沉放深度，x為炮檢距，θ為海面反射的入射角，r表示震源到檢波點(diǎn)的直達(dá)波傳播距離，r′為虛震源到檢波點(diǎn)的直達(dá)波傳播距離。從該圖可得如下關(guān)系式

圖2 直達(dá)波傳播路徑示意圖

(7)

(8)

則震源直達(dá)波的時(shí)距曲線方程為

(9)

虛震源直達(dá)波的時(shí)距曲線方程為

(10)

從式(9)、式(10)可見(jiàn)： 當(dāng)震源深度與檢波點(diǎn)相同時(shí)，震源直達(dá)波時(shí)距曲線是直線； 否則，時(shí)距曲線為雙曲線。虛震源直達(dá)波(水面反射波)的時(shí)距曲線是雙曲線。射線參數(shù)可表示為

(11)

海洋地震記錄中的直達(dá)波h(t)是震源與虛震源直達(dá)波的疊合，即

h(t)=u(t)+u′(t)

(12)

實(shí)際地震采集中，震源和接收點(diǎn)都是由組合陣列組成。對(duì)于檢波器陣列中的每一個(gè)檢波器，它記錄的震源信號(hào)來(lái)自于震源陣列中的每一單個(gè)震源。設(shè)震源由m個(gè)互不相干的單震源組合而成，檢波點(diǎn)由l個(gè)檢波器并聯(lián)組合而成，每炮地震數(shù)據(jù)有n道記錄；用i表示震源陣列中單個(gè)震源序號(hào)、j表示接收道序號(hào)、k表示地震道組合中檢波器序號(hào)；sj(t)表示第j道的直達(dá)波記錄，hjk(t)表示第j道中第k個(gè)檢波器的記錄，ni(t)表示震源陣列中第i個(gè)單震源的震源信號(hào)。由式(1)、式(5)、式(12)推知，單檢波器記錄的直達(dá)波疊加信號(hào)為

(13)

代入式(6)可得

(14)

變換到頻率域

(15)

對(duì)于有n個(gè)地震記錄道的單炮記錄，直達(dá)波與震源信號(hào)子波之間的關(guān)系可記成矩陣方程

S=AX

(16)

其中

1.3 震源信號(hào)遠(yuǎn)場(chǎng)子波的解析解

陣列震源的遠(yuǎn)場(chǎng)是相對(duì)于近場(chǎng)而言，遠(yuǎn)場(chǎng)距離的定義及計(jì)算公式[32-33]為

(17)

式中：f為激發(fā)子波頻率；λ為激發(fā)子波最小波長(zhǎng)；D為震源陣列組合的空間尺寸。例如，對(duì)于組合尺寸等于30m的震源陣列，觀測(cè)數(shù)據(jù)中保留不高于250Hz震源信號(hào)的遠(yuǎn)場(chǎng)距離約為150m。這一條件對(duì)于海洋多道反射地震勘探而言通常是滿足的，即地震采集的最小炮檢距大于震源陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)距離，因此可認(rèn)為地震記錄接收到的震源信號(hào)子波是震源陣列的遠(yuǎn)場(chǎng)子波。

在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，震源陣列可被視為位于震源陣列中心的點(diǎn)震源，則震源信號(hào)相位譜與炮檢距不相關(guān)，式(16)中向量X也就退化為描述遠(yuǎn)場(chǎng)子波的單變量，記為w，矩陣方程退化為

(18)

且有

(19)

此即為直達(dá)波計(jì)算震源遠(yuǎn)場(chǎng)子波解析解公式。

實(shí)際地震數(shù)據(jù)處理中可利用疊加方法增強(qiáng)遠(yuǎn)場(chǎng)子波解的抗干擾能力，即

(20)

2 數(shù)據(jù)測(cè)試

2.1 合成數(shù)據(jù)測(cè)試

此次合成了共計(jì)36道記錄的直達(dá)波數(shù)據(jù)作為輸入進(jìn)行測(cè)試。使用有52ms延遲、主頻為75Hz的Ricker子波作為震源信號(hào)，接收道炮檢距范圍是225.0～662.5m，道間距為12.5m，每個(gè)接收道由16個(gè)檢波器組合構(gòu)成，道內(nèi)檢波器等距組合、間距為0.781m，水速為1540m/s，水面反射系數(shù)選用常數(shù)-1，震源深度為7m，電纜深度為15m。

分別測(cè)試了無(wú)干擾、加入10%隨機(jī)干擾和加入10%相干干擾(20Hz正弦波)等三種情形。從輸入及輸出結(jié)果(圖3)中可見(jiàn)無(wú)干擾情況下計(jì)算結(jié)果與輸入震源信號(hào)相一致。由于使用了疊加方法，加入隨機(jī)干擾后所得計(jì)算結(jié)果也具較高信噪比，加入相干干擾的輸入數(shù)據(jù)對(duì)解的影響也很小。

2.2 實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)試

使用本文方法從南海M區(qū)二維深水反射實(shí)際地震數(shù)據(jù)中提取遠(yuǎn)場(chǎng)子波，并與近場(chǎng)記錄擬合的遠(yuǎn)場(chǎng)子波進(jìn)行對(duì)比。部署該測(cè)線的目的是獲取地殼深部結(jié)構(gòu)信息?，F(xiàn)場(chǎng)采集選用6420in3的大容量震源，采用5排、間隔10m的槍陣構(gòu)成氣槍陣列，每排槍(序列號(hào)依次為G1R1～G1R5)由5對(duì)相干槍組成，共計(jì)25對(duì)相干槍，每對(duì)相干槍含兩支單槍。相干槍可被看作是單震源，在其上方1m處布設(shè)近場(chǎng)檢波器。表1列出了槍陣組合參數(shù)，包括每個(gè)相干槍的容量、通道號(hào)及x、y坐標(biāo)。坐標(biāo)系統(tǒng)以槍陣中心為原點(diǎn)、以船首方向?yàn)閤軸、船右方向?yàn)閥軸。采用Sercel公司Sentinel型24位數(shù)字固體(接收)電纜，共有480個(gè)地震道，每道由8個(gè)檢波器組成，表2為檢波器組合參數(shù)。

圖3 合成數(shù)據(jù)測(cè)試

G1R5G1R4G1R3G1R2G1R1通道號(hào)x/my/m容量in3通道號(hào)x/my/m容量in3通道號(hào)x/my/m容量in3通道號(hào)x/my/m容量in3通道號(hào)x/my/m容量in31-6-205006-6-1076011-6050016-61076021-6205002-2-201807-2-1018012-2018017-21018022-22018031-2025081-102501310500181102502312025044-2012094-1080144012019410802442012056-2080106-10120156080206101202562080

表2 檢波器組合參數(shù)

選取其中一炮的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和說(shuō)明。如圖4所示，1～25通道的地震信號(hào)分別對(duì)應(yīng)25個(gè)近場(chǎng)檢波器記錄的震源激發(fā)所產(chǎn)生的近場(chǎng)信息，其中用紅色線條顯示的第3、9、18號(hào)相干槍未振動(dòng)、第7號(hào)狀態(tài)異常，其他21對(duì)相干槍工作正常。利用近場(chǎng)記錄擬合的遠(yuǎn)場(chǎng)子波和利用本文方法提取的遠(yuǎn)場(chǎng)子波分別用綠色和黑色線條同時(shí)顯示在35通道號(hào)位置，可見(jiàn)兩條曲線幾乎重合，所反映的氣泡振蕩周期完全相同，曲線正、負(fù)波峰峰值基本一致。二者的差異主要在高頻部分。分析可能的原因： 一方面與近場(chǎng)記錄的高頻干擾、擬合算法誤差有關(guān)； 另一方面，本文方法使用了疊加運(yùn)算，當(dāng)計(jì)算參數(shù)存在誤差時(shí)，算法存在一定的高截濾波作用。

圖4 近場(chǎng)記錄(1～25道)及利用其擬合的遠(yuǎn)場(chǎng)子波(35道，綠色)、采用本文方法提取的遠(yuǎn)場(chǎng)子波(35道，黑色)

3 地震數(shù)據(jù)應(yīng)用實(shí)例

3.1 數(shù)據(jù)采集背景

為了測(cè)試從地震數(shù)據(jù)直達(dá)波提取震源信號(hào)遠(yuǎn)場(chǎng)子波方法的有效性和實(shí)用性，選取2015年5月采集于中國(guó)南海北部陸坡的S區(qū)二維地震測(cè)線的部分單炮數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際資料計(jì)算。

現(xiàn)場(chǎng)采集使用總?cè)萘?400in3的40槍組合陣列作為震源，槍陣由四排子陣構(gòu)成，每排子陣陣列長(zhǎng)度為15m，子陣間距為10m(圖5)；槍陣沉放深度為8.5m，電纜沉放深度為16m； 采用Sercel公司Sentinel型24位數(shù)字固體電纜； 每個(gè)地震道由8個(gè)檢波器組成，檢波器靈敏度為19.7 μV/μbar(20°C)，檢波器組合參數(shù)參見(jiàn)表2； 地震接收道炮檢距范圍是225.0～6212.5m，道間距為12.5m，數(shù)據(jù)記錄長(zhǎng)度為8s，采樣間隔為2ms，480道接收。在原始數(shù)據(jù)中，未記錄近場(chǎng)信號(hào)。

圖5 槍陣組合結(jié)構(gòu)圖

3.2 預(yù)處理

地震數(shù)據(jù)預(yù)處理首先是根據(jù)導(dǎo)航信息定義精確的觀測(cè)系統(tǒng)，明確地震數(shù)據(jù)炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)的水平和垂直位置，計(jì)算炮檢距； 然后進(jìn)行一些必要的去噪處理，去除數(shù)據(jù)中的野值干擾、交流電噪聲，消除直流漂移量，濾除低頻涌浪干擾等，但不做任何改變信號(hào)子波或改變振幅強(qiáng)度等方面的處理； 最后從地震數(shù)據(jù)中分離出直達(dá)波，該直達(dá)波數(shù)據(jù)長(zhǎng)度從其初至?xí)r間開(kāi)始計(jì)算，故應(yīng)大于所求子波長(zhǎng)度?；谥边_(dá)波時(shí)距曲線，由式(9)和式(10)計(jì)算出不同炮檢距的初至?xí)r間。

為使測(cè)試更具針對(duì)性，規(guī)避直達(dá)波與反射波混合的情形，選取數(shù)據(jù)的海底深度約為1600m，海底反射波出現(xiàn)在2s以后(圖6)。由槍陣組合尺寸、地震數(shù)據(jù)Nyquist頻率及聲波速度(1500m/s)，利用式(17)可算出震源信號(hào)遠(yuǎn)場(chǎng)距離為150m，地震數(shù)據(jù)記錄位置的最小炮檢距滿足遠(yuǎn)場(chǎng)接收條件。另外，從式(12)可見(jiàn)，震源直達(dá)波與虛震源直達(dá)波相位相反、二者時(shí)差隨炮檢距增大而減少，因此二者的疊加能量隨炮檢距的增大會(huì)快速減弱。慮及環(huán)境噪聲的存在，遠(yuǎn)炮檢距數(shù)據(jù)信噪比也會(huì)變得很低，因此所選數(shù)據(jù)炮檢距不宜太大。選取近炮檢距36個(gè)單炮作為測(cè)試輸入數(shù)據(jù)，其炮檢距范圍約為225～663m(圖6矩形框)。圖7為其中10炮用于提取遠(yuǎn)場(chǎng)子波的直達(dá)波數(shù)據(jù)，截取1.5s數(shù)據(jù)長(zhǎng)度以確保求取子波具有1s時(shí)長(zhǎng)。

圖6 經(jīng)過(guò)預(yù)處理的單炮記錄左上角白色矩形框圈出測(cè)試計(jì)算用數(shù)據(jù)范圍

3.3 子波提取

有了直達(dá)波數(shù)據(jù)后首先預(yù)設(shè)一個(gè)聲波速度，利用式(9)計(jì)算直達(dá)波的初至?xí)r間，調(diào)整聲波速度直至所計(jì)算的初至?xí)r間與地震數(shù)據(jù)的初至?xí)r間基本一致。用該方法可確定測(cè)試數(shù)據(jù)的聲波速度是1540m/s。從現(xiàn)場(chǎng)采集作業(yè)班報(bào)獲知，本次測(cè)試數(shù)據(jù)采集時(shí)恰遇一定風(fēng)浪，因此采用平均反射系數(shù)，但其值通過(guò)迭代計(jì)算確定，細(xì)述如下。

首先，依據(jù)式(20)在地震數(shù)據(jù)處理軟件Omega系統(tǒng)上編制了在頻率域用直達(dá)波提取震源信號(hào)遠(yuǎn)場(chǎng)子波的流程；預(yù)設(shè)R=-1，逐炮逐道計(jì)算；對(duì)于每一道數(shù)據(jù)，根據(jù)檢波器組合參數(shù)算出每個(gè)檢波器的位置，每一炮的子波是其36道數(shù)據(jù)計(jì)算的36個(gè)子波的疊加。然后，用計(jì)算出的子波預(yù)測(cè)直達(dá)波，逐步調(diào)整、加大反射系數(shù)R直至預(yù)測(cè)的直達(dá)波與實(shí)際地震數(shù)據(jù)的直達(dá)波基本一致。通過(guò)迭代，最后確定測(cè)試數(shù)據(jù)的平均反射系數(shù)R是-0.865。此時(shí)的子波計(jì)算結(jié)果就是本文方法最終結(jié)果，即利用直達(dá)波所提取的震源信號(hào)遠(yuǎn)場(chǎng)子波(圖8)。還可用檢波器組的靈敏度將子波從電壓?jiǎn)挝籚轉(zhuǎn)換成通用的壓力單位mbar。

圖7 用于提取震源信號(hào)遠(yuǎn)場(chǎng)子波的直達(dá)波數(shù)據(jù)

圖8 從圖7炮記錄直達(dá)波中提取的震源信號(hào)遠(yuǎn)場(chǎng)子波

3.4 直達(dá)波預(yù)測(cè)

利用震源信號(hào)子波預(yù)測(cè)直達(dá)波有兩個(gè)主要目的：檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果是否正確和確定平均反射系數(shù)。如前所述，當(dāng)震源信號(hào)和聲波速度確定后，直達(dá)波形態(tài)只與反射系數(shù)有關(guān)，通過(guò)對(duì)比預(yù)測(cè)直達(dá)波與地震記錄即可判斷反射系數(shù)的值是否合適。

選取測(cè)試數(shù)據(jù)第241炮記錄中225.0、362.5、512.5、662.5m四個(gè)炮檢距做對(duì)比顯示(圖9)，可見(jiàn)預(yù)測(cè)的直達(dá)波數(shù)據(jù)(紅色曲線)與實(shí)際地震記錄的直達(dá)波數(shù)據(jù)(藍(lán)色曲線)基本吻合。

圖9 預(yù)測(cè)的直達(dá)波(紅色)與實(shí)際地震記錄(藍(lán)色)

3.5 震源信號(hào)子波的應(yīng)用

提取的震源信號(hào)子波常用于氣泡壓制、子波一致性處理等，以改善地震數(shù)據(jù)質(zhì)量。

在Omega系統(tǒng)中使用Debubble模塊壓制地震資料中的氣泡，該模塊要求輸入每個(gè)單炮的震源信號(hào)及期望輸出子波?？紤]到鬼波效應(yīng)，輸入的震源信號(hào)是本文方法提取的子波加入了垂直方向的震源和檢波點(diǎn)鬼波，期望輸出子波是將作為輸入的震源信號(hào)子波壓制氣泡脈沖后的子波。

在子波中壓制氣泡脈沖的方法是利用脈沖的周期性使用預(yù)測(cè)反褶積壓縮子波，預(yù)測(cè)步長(zhǎng)與脈沖周期基本一致，可通過(guò)子波自相關(guān)獲得。經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)反褶積處理后的子波，氣泡脈沖被壓制，只保留了主脈沖。

由于本文提取震源信號(hào)子波的處理流程是在Omega系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的，因此易將提取的計(jì)算結(jié)果直接應(yīng)用于Debubble模塊以實(shí)現(xiàn)氣泡壓制功能(圖10)。Debubble模塊的另一項(xiàng)功能是震源信號(hào)的一致性處理。盡管使用了相同的槍陣參數(shù)，氣槍在激發(fā)過(guò)程中受其穩(wěn)定性、環(huán)境因素等的影響，輸出信號(hào)很難保證完全一致，這種不一致性導(dǎo)致地震剖面存在非地質(zhì)因素的橫向變化。Debubble模塊使用匹配濾波法使其輸出地震數(shù)據(jù)子波都與期望輸出子波一致，從而消除了震源信號(hào)不一致對(duì)地震數(shù)據(jù)質(zhì)量造成的影響(圖11)。

圖10 氣泡壓制即子波壓縮過(guò)程

圖11 對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)做子波一致性處理前(a)、后(b)的近道剖面

4 結(jié)論與討論

震源信號(hào)是地震數(shù)據(jù)處理的重要參數(shù)。從信號(hào)與系統(tǒng)的觀點(diǎn)看，震源信號(hào)是主動(dòng)源地震探測(cè)系統(tǒng)的輸入函數(shù)，它不依賴于探測(cè)目標(biāo)、只與震源系統(tǒng)有關(guān)，因此其提取方法應(yīng)盡量消除地層信息的影響。在此基礎(chǔ)上，本文提出一種地震子波提取的新思路，即從地震數(shù)據(jù)中分離出某類波場(chǎng)信息，且該波場(chǎng)傳播的介質(zhì)信息已知、 并可建立地震子波與該波場(chǎng)之間的關(guān)系方程，然后通過(guò)解析方法計(jì)算得出地震子波。海洋地震探測(cè)由于其特殊的采集環(huán)境因素，地震數(shù)據(jù)中的直達(dá)波波場(chǎng)完全滿足上述條件，通過(guò)推導(dǎo)直達(dá)波與震源信號(hào)之間的關(guān)系式，形成了利用海洋地震資料直達(dá)波提取震源子波的方法。

(1)以氣泡振蕩理論、組合理論為基礎(chǔ)，利用地震運(yùn)動(dòng)學(xué)方法建立了直達(dá)波與震源信號(hào)之間的矩陣方程，并在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下將其簡(jiǎn)化且導(dǎo)出頻率域利用直達(dá)波計(jì)算震源信號(hào)遠(yuǎn)場(chǎng)子波的解析式。

(2)通過(guò)合成數(shù)據(jù)及實(shí)際地震數(shù)據(jù)測(cè)試，驗(yàn)證了方法的正確性，同時(shí)也證明該方法具有較高計(jì)算精度和較強(qiáng)抗干擾能力。

(3)該方法適用于海洋地震資料的子波提取，無(wú)須近場(chǎng)記錄和其他設(shè)備，不依賴于褶積模型、不需地層反射信息，對(duì)地震子波的相位特性不做任何假設(shè)，且支持超長(zhǎng)序列地震子波提取。

(4)震源信號(hào)子波在虛反射(鬼波)壓制、全波形反演、多次波預(yù)測(cè)等地震數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用； 文中實(shí)例說(shuō)明該方法提取的震源子波可方便地應(yīng)用于其他后續(xù)處理環(huán)節(jié)。

(5)震源和檢波器的空間位置、海面反射系數(shù)、組合參數(shù)等的準(zhǔn)確與否直接影響計(jì)算結(jié)果的精度；準(zhǔn)確的直達(dá)波場(chǎng)分離技術(shù)是提高子波提取效果的另一關(guān)鍵因素。