淺水多次波衰減技術在多道地震數據處理中的應用

楊佳佳，潘軍，欒錫武，顏中輝，劉鴻

1. 自然資源部油氣資源和環(huán)境地質重點實驗室，中國地質調查局青島海洋地質研究所，青島 266071

2. 海洋國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，青島 266071

海底孕育了豐富的油氣資源，近年來海洋油氣勘探得到迅速發(fā)展，海上拖纜采集是高效的獲取海洋地震資料的手段，由于海水面是一個強波阻抗界面，地震波傳播到海水面產生的反極性強反射的多次波[1]是海洋地震資料處理中面臨的一大難題。其壓制方法可分為兩大類：濾波法和預測相減法[2]。濾波法[3-4]是利用多次波與一次波的地震屬性差異，選擇合適的濾波方法將多次波去除；預測相減法[5-8]則通過正演或反演地震數據得到多次波模型，并由此求得多次波波場，再從原始地震記錄中將其去除。

多次波主要有自由表面多次波和層間多次波[9]兩種類型，自由表面多次波是指與海水表面相關的多次波，層間多次波是指在海底及海底以下地層間多次震蕩產生的多次波。自由表面多次波是存在于海洋地震資料中的主要多次波類型，它在海洋地震資料上常常表現為強振幅特性，這是因為海水表面是水與空氣的分界面，其反射系數近似于-1，同時由于地震波在海水中的衰減很微弱，故其振幅往往很強。所有與海水表面相關的多次波統稱為自由表面多次波，目前，自由表面多次波壓制方法主要包括τ-P域反褶積多次波壓制方法（屬于濾波法）[10-11]，高精度拉冬（radon）變換多次波壓制方法（屬于濾波法）[12-13]以及與此相關的技術改進算法[14-16], SRME方法（Surface-related Multiple Elimination）（屬于預測相減法）[17-20]。τ-P域反褶積方法是利用多次波的周期性特征，設計相應的濾波器將周期出現的成分壓制[21]，該方法假設多次波需具有良好的周期性，對于短周期多次波的壓制比較有效；高精度拉冬變換[11-13]是利用多次波與一次波的速度差異實現多次波與一次波的分離，首先將地震數據進行正常時差校正再變換到拉冬域，利用多次波與一次波在拉冬域的可分離性壓制多次波組分，再將結果變換回時空域，該方法在消除中遠偏移距多次波方面效果明顯；SRME方法[22-23]為數據驅動的多次波預測方法，以地震數據本身作為預測算子，不需要已知地下介質的先驗信息，并且可以同時預測出所有的自由表面多次波，該方法在深水區(qū)域去除多次波效果顯著，但由于其需要在原始地震記錄中減去多次波信息，易損害信噪比較低數據中的有效信號。稀疏反演一次波估計方法（Estimation of Primaries by Sparse Inversion, EPSI）無需對預測的多次波與原始數據進行匹配相減，即可同時重構一次波與多次波[24]，避免了匹配相減對一次波的傷害，目前由于該方法計算成本限制，無法對實測數據進行工業(yè)應用[9]。但是目前并不存在一種方法能夠完全一次性消除多次波，多次波的去除需要多種技術方法配合使用，通過多步去除最終達到消除多次波的目的。

中國近海大陸架面積廣闊，這些區(qū)域大多水深較淺，多道地震數據中往往存在較嚴重的淺水多次波干擾問題。淺水多次波降低了地震剖面的信噪比，掩蓋了真實構造層位的空間展布。本文針對近海陸架淺水區(qū)地震資料，通過分析淺水區(qū)域多次波的特點，認為在海平面和海底面之間震蕩的多次波對淺水區(qū)地震資料品質影響最大。因此，文章聚焦淺水區(qū)水層中震蕩多次波的特點，研制對應的多次波壓制手段：首先研究了淺水多次波的預測方法，并采用τ-P域的靜校正延遲技術預測多次波模型，再通過自適應相減從原始數據中減去多次波以實現多次波的壓制。中國近海某多道地震測線實際資料處理結果表明，本文方法在去除淺水多次波方面具有顯著的效果，為近海淺水地震資料的多次波壓制提供了良好的技術手段。

1 淺水多次波的特點

淺水多次波的特點是由于海水較淺，有效波在海水層中多次震蕩，并且水層對地震波能量衰減較小，造成有效波與多次波難以區(qū)分。圖1給出了該類型淺水多次波的傳播路徑，在零偏移距條件下，多次波的周期為海平面到海底的雙程旅行時。多次波的識別既可在炮集上進行也可在共偏移距道集上進行，由于共偏移距道集相對炮集更容易識別出地質構造，可靠性更高，因此，一般更傾向于在共偏移距道集上對多次波情況進行評估。近偏移距道集可以近似看作自激自收剖面，在層位上較容易識別出多次波（圖2中的黑色箭頭所指），由圖可見多次波緊跟有效波，呈現出周期性特點，這種效應是由多次波在海水中反復傳播引起的。

通過分析淺水多次波的特點，發(fā)現以下規(guī)律：① 多次波在道集上表現出周期性特點，且這種周期性與海水深度有關，海水越深多次波出現的時間越晚；② 緊跟有效層位的多次波往往比較明顯，即一階多次波在成像剖面中比較明顯，二階以上多次波能量明顯減弱，此種現象在海上多道地震數據中普遍存在。因此，根據以上基本假設條件，設計相應的處理流程來解決這種類型多次波的壓制問題。

2 淺水多次波衰減原理

圖1 淺水多次波傳播路徑示意圖Fig.1 Schematic diagram of multiple propagation paths in shallow water

圖2 淺水多次波道集上的表現形態(tài)Fig.2 The shallow water multiples in trace gather

根據上文的分析，對于淺水地震資料，海水中震蕩的多次波對成像效果影響最大，因此，本文主要研究在海水間震蕩的多次波壓制方法?；舅悸窞橄阮A測出多次波模型，再從數據中將多次波減去，問題的關鍵是尋找一種適合淺水特點的多次波模型預測方法。

海上拖纜采集條件下，炮點和接收點一般放置于海水面以下，為簡化問題，忽略海底以下反射信息，僅分析海底的一次反射波與多次波特點。零偏移距條件下，淺水多次波模型的預測過程如圖3所示。圖3a展示了地震波在海水模型中傳播得到的有效波和多次波的脈沖振幅與極性，不考慮海水的吸收衰減，那么假設一次有效波的振幅為1，一階多次波經歷一次海水面反射，假設其振幅為-1，二階多次波經歷兩次海水面反射，假設其振幅為1。多次波出現的周期T為海平面到海底的雙程旅行時。

海水多次波的預測可以通過4步實現：① 將含有多次波的數據（圖3a）做T時間延遲，再將振幅值乘以-0.5，得到圖3b；② 將圖3a減去圖3b得到圖3c；③ 再將圖3c做T時間延遲，并將振幅乘以-0.5，得到圖3d；④ 將圖3b和圖3d相加得到圖3e。由圖3e可見，經過以上4步，可以完全將一階多次波預測出來，并能夠預測出二階多次波及多階多次波的大部分能量。這樣做的目的是防止由于多次波周期T計算不準時，誤差累加會導致預測的多階多次波時間與真實時間之間出現較大差距，有利于有效信號的保護。

以上分析基于零偏移距假設，在非零偏移距條件下，由于雙曲效應，時空域中多次波不再保持等時差出現。圖4a給出了淺水多次波在時空t-x域和τ-P域中的特點，由圖可見，在t-x域中（圖4a）近偏移距時多次波近似滿足周期性出現的特點，但是在遠偏移距處，多次波的出現時間不符合等時差規(guī)律。圖4b是將炮集數據從時空域通過線性拉冬變換轉換到τ-P域，由圖可見，在不同的radon時差量處，多次波均表現出良好的周期性。因此，在τ-P域中利用多次波的周期性出現特征可以實現淺水多次波的準確預測。

圖3 淺水多次波模型預測原理Fig.3 Prediction of shallow water multiples

圖4 淺水多次波在t-x域（a）和τ-P域（b）中的特點A和A′代表一次波，B、B′、C、C′、D和D′代表多次波。Fig.4 The characteristics of shallow water multiples in t-x domain (fig.a) and τ-P domain (fig.b)A and A′represent primary reflection, B, B′, C, C′, D and D′represent multiples.

3 淺水多次波衰減的關鍵技術

通過對淺水多次波衰減原理的分析可知，淺水多次波去除方法的流程較長（圖5），涉及到的淺水多次波的周期計算、自適應相減等都會影響多次波的壓制效果，因此,有必要對關鍵參數的選擇進行分析和研究，通過實際處理效果確定最佳參數組合。

3.1 淺水多次波在τ-P域周期的計算

在τ-P域，淺水多次波具有周期性，其周期可以用下面的公式計算：

其中，t為海底的反射時間，p為慢度，v為海水的速度。在實際處理時，一般更習慣使用radon時差量來表示慢度，表示為：

圖5 淺水多次波壓制流程圖Fig.5 Flow chart of shallow water multiple suppression

其中，r為radon時差量，x為參考偏移距，一般設為最大偏移距。radon時差量決定了τ-P變換數據范圍，通過最大時差和最小時差控制，最大時差為正值，方向向下，最大值一般以海水速度為依據，即

其中，max_r為最大時差量，offset為參考偏移距，v為海水速度，一般設為1 500 m/s。在淺水區(qū)域，有效波基本上都是向下傾斜，很少存在向上繞射的有效波，因此，最小時差量的設置僅是為減少τ-P變換過程中的能量損失，一般設置為最大時差量的四分之一左右。參考偏移距、最小時差量和最大時差量的設置可見圖6a。

圖6b為圖6a將藍線區(qū)域內的數據變換到τ-P域的結果，可以看到淺水多次波在τ-P域上具有明顯的周期性，其時差與計算的周期T吻合較好，對其做自相關可以發(fā)現淺水多次波周期T在自相關圖中也可以較好吻合（圖6c），表明淺水多次波符合在海水之間震蕩的特點，這是本文方法壓制淺水多次波的基礎。實際上，對于本文的方法，多次波去除效果的好壞關鍵在于多次波模型預測的效果，對于多次波的預測關鍵在于其計算周期與實際資料能否很好地匹配，因此，通過τ-P域的自相關驗證計算周期T與實際資料的符合程度是關鍵的質控手段。

3.2 自適應相減

得到多次波模型后，需要通過自適應相減將多次波進行壓制，這是淺水多次波壓制的最后一步。自適應相減的實現是依據一定的規(guī)律將數據集在時間和空間上劃分為多個重疊的窗口，在每個窗口中計算出地震數據與多次波模型的最佳匹配濾波器，再從地震數據中將濾波后的多次波模型減去。

自適應相減有一維濾波（僅時間）和二維濾波（包含時間和空間）兩種算法，一維濾波僅對每一地震道在時間上進行匹配濾波，而二維濾波不但考慮每一地震道在時間上的匹配，同時考慮它與相鄰地震道在空間上的匹配，所以理論上二維濾波效果好于一維濾波，但需要更大的計算內存與計算時間。在海底較平、構造簡單，或多次波模型比較準確的條件下，兩者計算結果差別不大，此時綜合考慮計算效果與計算效率，往往采用一維濾波算法。

圖6 τ-P變換和淺水多次波周期計算a. 炮集，b. τ-P 域結果，c. 自相關。Fig.6 The τ-P transform and the period of shallow water multiplesa. τ-P transform of the shot gather， b. τ-P domain result， c. the autocorrelation.

此外，自適應相減可在炮域或道域中實現，炮域道集即常規(guī)的共炮點道集，道域道集為共偏移距道集。一般而言，自適應相減在共偏移距道域中實現效果更好，這是因為在共偏移距道域中，偏移距相同或相差不大，地質構造的影響在一個共偏移距道域剖面上被平均化；同時，近道（小偏移距）數據往往是由小角度入射的地震波組成的，而大偏移距數據往往包含更多大角度入射波信息，因此可以解決在炮記錄中的各道記錄由于方向性效應的影響，震源信號會隨著傳播角度的不同而有所差異的問題。

根據對自適應相減的分析，經過實驗，在實際資料處理中采用表1所示的參數。自適應相減的結果見圖7，由圖可見，黑色箭頭指示一階多次波，可以看到多次波模型預測較準確，在自適應相減后多次波得到明顯壓制；對比圖7c和圖7d，可見圖中粉色箭頭指示處在炮集中進行自適應相減會有多次波的殘留，在共偏移距道集中進行自適應相減可以實現多次波的最大化去除。圖8對比了本文方法與SRME方法壓制淺水多次波的效果，由圖可見，SRME方法可以壓制長周期的多次波，但對在海水間震蕩的多次波去除效果不足，黑色箭頭處存在較多的多次波殘留。

表1 自適應相減所采用的參數Table 1 The parameters of adaptive subtract

圖7 自適應相減前后對比Fig.7 Comparison of adaptive subtract

圖8 不同壓制方法對比Fig.8 Comparison of different suppressing methods

3.3 實際資料效果分析

通過實際處理時參數的調整和實驗，圖9展示了本文方法壓制淺水多次波前后的疊加剖面。由圖可見，影響該區(qū)的多次波主要是一階自由表面多次波，經過淺水多次波壓制后，海底的一階多次波和海底下強反射界面的一階多次波得到有效衰減，有利于層位的識別與追蹤；由于海底面的一階多次波具有很強的能量，壓制前海底下層位較多，各層能量級別相似，壓制后有效波得到凸顯，波組特征更加明顯，信噪比得到提高。

4 結論

圖9 淺水去多次波前后疊加剖面的對比Fig.9 Comparison of stack profiles before and after shallow water de-multiple

（1）大陸架淺水平緩海底地區(qū)淺水多次波的特點表現為：在海水間傳播的多次波最為發(fā)育，其中該類多次波中的一階多次波對地震資料影響最為明顯。

（2）τ-P域靜校正延遲方法可以實現多次波的準確預測，通過自適應相減可以對其進行有效壓制。

（3）在τ-P域，計算的多次波周期應該與實際資料相吻合，通過自相關道集進行質控是多次波模型預測準確與否的關鍵。

（4）淺水多次波壓制技術是根據實際資料的特點研究的一種組合算法，主要適用于海底平緩的淺水地區(qū)，中國渤海、黃海和東海大陸架的大多數海區(qū)都符合這一條件,本文算法對這些地區(qū)的地震資料處理均具適用性。

致謝：感謝青島海洋地質研究所東海油氣調查項目提供地震數據支持。