基于屬性分析的斷層檢測實驗教學(xué)設(shè)計

唐 杰，孫成禹

基于屬性分析的斷層檢測實驗教學(xué)設(shè)計

唐 杰，孫成禹

（中國石油大學(xué)（華東） 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580）

斷層檢測是油氣勘探的一個重要環(huán)節(jié)。文章設(shè)計了基于屬性分析的斷層檢測實驗，介紹了實驗的基本原理和實驗環(huán)節(jié)，分析并處理了地震數(shù)據(jù)體。通過該實驗，學(xué)生深化了對理論知識的理解，鍛煉了處理實際問題的能力，激發(fā)了進(jìn)行理論學(xué)習(xí)的興趣，教學(xué)質(zhì)量得到顯著提高。

屬性分析；斷層檢測；實踐教學(xué)；斷層概率

地球物理學(xué)是地球科學(xué)的主要學(xué)科之一，是通過定量的物理方法研究地球以及尋找地球內(nèi)部礦藏資源的一門綜合性學(xué)科。我校地球物理學(xué)專業(yè)確立了“理工結(jié)合，以工帶理，以理強(qiáng)工”的專業(yè)建設(shè)指導(dǎo)思想和“寬基礎(chǔ)、重實踐”的課程設(shè)置體系[1-2]。

實踐教學(xué)作為教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實際動手能力的關(guān)鍵。基礎(chǔ)實踐訓(xùn)練、專業(yè)綜合實踐訓(xùn)練及創(chuàng)新實踐訓(xùn)練的綜合實踐體系對專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)具有非常重要的作用[3]。而其中的實驗教學(xué)能夠鞏固和加深學(xué)生對理論知識的理解，使學(xué)生了解儀器構(gòu)造及其工作原理，掌握測量方法，培養(yǎng)學(xué)生開展實際工作的基本能力[4-7]。實驗教學(xué)是地球物理專業(yè)人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)[8]，“地震數(shù)據(jù)解釋”課程在地球物理學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)體系中占有十分重要的地位，基于屬性分析的斷層檢測是“地震數(shù)據(jù)解釋”課程的重要章節(jié)[9-10]，為此，教學(xué)組開展了基于屬性分析的斷層檢測實驗。

1 實驗基本原理

在野外的地震探測勘察過程中，隨機(jī)噪音是影響地震資料信噪比的主要因素，特別是能量微弱的地下地質(zhì)體邊界反射信息，通常會淹沒在隨機(jī)噪音里，這對地震解釋過程中的層位追蹤和斷層識別有很大影響。常規(guī)的濾波方法無法自適應(yīng)地處理地震數(shù)據(jù)的局部信息，且會大幅弱化地震數(shù)據(jù)中的微小有效信號。而各向異性擴(kuò)散濾波方法是一種基于偏微分方程的去噪方法，在去噪的同時能夠有效控制濾波方向和幅度，保留地震資料中的地質(zhì)體邊界反射信息。

為了保持地震數(shù)據(jù)圖像中的線狀紋理結(jié)構(gòu)，將擴(kuò)散張量引入到各向異性擴(kuò)散方程中：

引入擴(kuò)散張量的擴(kuò)散方程利用圖像結(jié)構(gòu)中的方位信息差異，使擴(kuò)散作用在反射波同相軸上，即沿著地層傾向進(jìn)行，在反射同相軸不連續(xù)處得到有效抑制，凸顯出同相軸中的斷點，而在地震同相軸中連續(xù)的部分呈現(xiàn)平滑，并衰減噪聲，加強(qiáng)了整個同相軸剖面的成像質(zhì)量。目的是保留同相軸的邊緣特征信息，加強(qiáng)同相軸連續(xù)性，去除隨機(jī)噪音產(chǎn)生的干擾，識別地震剖面中的微小地質(zhì)體。擴(kuò)散張量是在梯度結(jié)構(gòu)張量的基礎(chǔ)上擴(kuò)散的，這種擴(kuò)散要求作用在與梯度方向垂直的方向上，目的是平滑消除噪聲；而在梯度方向上需要抑制這種擴(kuò)散作用，目的在于保持圖像的邊緣信息?？梢?，擴(kuò)散張量不但可以像梯度結(jié)構(gòu)張量一樣對圖像的變化準(zhǔn)確定向，且沿特征方向的像素值變化率是不固定的，因此可以根據(jù)實際需要對其進(jìn)行調(diào)整，以便增強(qiáng)或抑制降噪圖像的某些局部特征。

地震屬性能夠作為檢驗地震數(shù)據(jù)噪聲衰減是否合理的指標(biāo)，通過選用相干體、斷層概率體等斷層識別屬性來觀察去噪前后的屬性數(shù)據(jù)是否有所改善，并且經(jīng)過對比分析，找到識別斷層的最優(yōu)屬性。斷層解釋是學(xué)習(xí)的重點和難點，通過引入屬性分析，可在解釋前對斷層的空間展布有更準(zhǔn)確的認(rèn)識，并有助于對斷裂模式的確定，人工解釋斷層的精度和效率也會大大提高。

2 實驗教學(xué)設(shè)計

2.1 教學(xué)流程

基于屬性分析的斷層檢測實驗教學(xué)課程流程（見圖1）包括：相關(guān)理論知識熟悉掌握；地震圖像結(jié)構(gòu)分析；各向異性擴(kuò)散濾波；用軟件對實際地震數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性分析，包括相干體屬性分析和斷層概率體屬性分析。通過該教學(xué)流程，學(xué)生可以將理論知識應(yīng)用于對實際數(shù)據(jù)的分析，加深對理論知識的掌握，同時實踐能力也能得到提高。

圖1 實驗教學(xué)流程

2.2 地震數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)信息分析

地震數(shù)據(jù)具有特殊的時-空關(guān)系和紋理結(jié)構(gòu)特征。因此，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生了解地震數(shù)據(jù)中包含的線性結(jié)構(gòu)、不連續(xù)結(jié)構(gòu)和曲線結(jié)構(gòu)，其中，不連續(xù)結(jié)構(gòu)（如斷層等）信息是需要識別提取的重要信息（見圖2）。

2.3 各向異性擴(kuò)散去噪測試

為使學(xué)生了解各向異性擴(kuò)散在實際地震資料處理中的效果，對實際三維地震資料進(jìn)行各向異性噪聲衰減方法處理，首先讓學(xué)生對實際地震資料的斷層、同相軸等地震剖面中的數(shù)據(jù)進(jìn)行識別，然后對實際數(shù)據(jù)進(jìn)行各向異性擴(kuò)散濾波處理。將處理后的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行再次識別，并對比處理前后兩次識別的差異，找出各向異性擴(kuò)散濾波對圖像改善的效果，具體流程如圖3所示。

圖2 地震數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)信息

圖3 各向異性擴(kuò)散濾波流程圖

圖4是對實際資料進(jìn)行去噪前后的數(shù)據(jù)結(jié)果。原始數(shù)據(jù)中含有一定的隨機(jī)噪聲，對比采用各向異性擴(kuò)散方法去噪前后的地震數(shù)據(jù)剖面可以看出，去噪后隨機(jī)噪音得到明顯壓制，地震反射的同相軸更加連續(xù)，斷層中斷裂位置更加清晰，斷層特征表現(xiàn)更加明顯。濾波后的地震數(shù)據(jù)能夠為解釋人員提供質(zhì)量更高的地震剖面，從而使斷層識別、層位追蹤等工作的效率大大提高。

2.4 屬性分析

借助地震屬性能夠?qū)υ纪噍S數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，使整個地震剖面的某種屬性特征更加明顯，便于對地震剖面中特殊地質(zhì)體的識別，對斷層識別也很有幫助。屬性分析的主要目的是引導(dǎo)學(xué)生對屬性分析前后的地震剖面進(jìn)行對比，認(rèn)識屬性分析對改善斷層識別的作用。地震相干屬性是通過三維數(shù)據(jù)體比較局部地震波形和相位的相似性，其原理是通過對相鄰地震道之間的地震屬性（如波形、振幅、頻率和相位等）相似程度的測量，突出那些不相干的地震數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)算法相比，結(jié)構(gòu)張量特征值算法運算速度最慢，但能在保證抗噪能力的同時，提高斷層的橫向分辨能力去噪前后三維數(shù)據(jù)相干體如圖5所示。

圖4 去噪前后地震資料數(shù)據(jù)對比

由圖5可以看出，去噪后數(shù)據(jù)體的噪音明顯減少，淹沒在噪音中的斷層變得清晰，濾波后的地震數(shù)據(jù)品質(zhì)大大改善，地質(zhì)體邊緣的清晰度大大提高。利用各向異性擴(kuò)散濾波后的地震數(shù)據(jù)提取相干，對斷層的識別能力有較大改善，并且可提高對小斷層的識別能力。

斷層概率體屬性能夠用于尋找可能存在的斷層，最大限度地去除同相軸剖面中的噪音干擾，保留細(xì)小斷層的關(guān)鍵信息。在合成地震記錄得到疊加的剖面中，同相軸的不連續(xù)通常代表斷層的存在，并且同相軸的不連續(xù)性越強(qiáng)，相似值越低，斷層就越明顯。斷層概率體屬性的計算即是基于此相似性原理的。針對斷層通常對應(yīng)著同相軸中的不連續(xù)處，選用斷層概率體能夠很好地計算并識別出斷層所在的位置。

對于斷層概率體的計算，首先要在給定的范圍和步長上計算地震數(shù)據(jù)體上各個點的傾角和走向的相似性，保留最小的相似值及其對應(yīng)的傾角和走向，然后細(xì)化計算得到相似值，并約束細(xì)化結(jié)果具有最低的相關(guān)性，生成較為精確的斷層概率體屬性（見圖6）。

圖5 去噪前后的三維數(shù)據(jù)相干體

圖6 去噪前后數(shù)據(jù)的斷層概率屬性圖

圖6(a)為含噪數(shù)據(jù)的斷層概率屬性圖，圖中所顯示的黑色的細(xì)小線條即為計算出的斷層概率體屬性。由圖6(a)可知，在原地震剖面中同相軸錯斷的位置都出現(xiàn)了斷層概率體，顯示了斷裂的位置，說明斷層概率體對斷裂的識別是有效的。但是，由于數(shù)據(jù)沒有去噪，在噪音強(qiáng)烈的部分可能會出現(xiàn)假斷裂，即很多細(xì)小的斷層概率體為虛假斷裂。圖6(b)為經(jīng)各向異性擴(kuò)散去噪后的斷層概率體屬性與去噪后地震數(shù)據(jù)復(fù)合顯示效果?？梢钥闯?，去噪后的剖面中斷層概率體屬性明顯減少，一些由于噪音引起的細(xì)小斷層概率體屬性被去除，準(zhǔn)確地刻畫出斷層的分布。與含噪數(shù)據(jù)相比，去噪后的剖面中的斷裂更加清晰準(zhǔn)確，對大型斷層的位置反映準(zhǔn)確，斷面清楚連續(xù)。

2.5 結(jié)論及評價

判斷基于屬性分析的斷層檢測實驗效果的主要指標(biāo)是信噪比，通過去噪前后地震剖面信噪比的對比，即分別列出原始數(shù)據(jù)、各向異性擴(kuò)散后數(shù)據(jù)、相干體屬性、斷層概率體屬性及各自的信噪比加以對比，可以明確去噪對地震剖面的改善程度。

課程考核包括3方面內(nèi)容：（1）基礎(chǔ)理論知 識采用筆試方式，占總成績的50%；（2）實驗過程中濾波程序編寫及濾波成果展示，占總成績的30%；（3）用軟件進(jìn)行屬性提取分析，并對屬性剖面斷層識別能力情況進(jìn)行展示，占總成績的20%。

3 結(jié)語

基于屬性分析的斷層檢測實驗，以課程的基本理論和重要知識點的綜合運用為重點。通過實驗使學(xué)生認(rèn)識到，去噪后的斷層概率體屬性和相干體屬性的斷裂識別效果都大大優(yōu)于去噪前。各向異性擴(kuò)散濾波對斷層的識別有很大幫助；斷層概率體屬性優(yōu)于相干體屬性；噪音對斷層概率體屬性的影響比相干體小；斷層概率體屬性在展現(xiàn)一些地質(zhì)體、斷裂細(xì)節(jié)方面也優(yōu)于相干體。教師通過對實驗環(huán)節(jié)的設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生自行實驗，使學(xué)生有計劃、有步驟地解決問題，對學(xué)生綜合運用所學(xué)知識尋求問題解決方案具有很好的促進(jìn)作用。

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Design on experimental teaching of fault detection based on attribute analysis

TANG Jie, SUN Chengyu

(School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Fault detection is an important link in oil and gas exploration. In this paper, a fault detection experiment based on attribute analysis is designed. The basic principle and experimental links of the experiment are introduced, and the seismic data volume is analysed and processed. Through the experiment, the students have deepened their understanding of theoretical knowledge, exercised their ability to deal with practical problems, stimulated their interest in theoretical learning, and significantly improved the quality of teaching.

attribute analysis; fault detection; practical teaching; fault probability

G642.423

A

1002-4956(2019)11-0197-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.048

2019-03-27

國家自然科學(xué)基金項目（41504097）

唐杰，（1980—），男，山東滕州，博士，副教授，主要從事地震巖石物理學(xué)研究工作。E-mail: tangjie@upc.edu.cn