基于震源垂向組合的淺層低速帶多次反射折射波壓制方法

傅彥寧，常鎖亮，張 生，劉最亮，楊 勇，陳 強，劉 波，許玉瑩

基于震源垂向組合的淺層低速帶多次反射折射波壓制方法

傅彥寧1, 2，常鎖亮1, 2，張 生1, 2，劉最亮3，楊 勇3，陳 強1, 2，劉 波1, 2，許玉瑩1, 2

(1. 太原理工大學 地球科學與工程系，山西 太原 030024；2. 煤與煤系氣地質(zhì)山西省重點實驗室，山西 太原 030024；3. 陽泉煤業(yè)(集團)有限責任公司，山西 陽泉 045000)

低速帶發(fā)育地區(qū)地震記錄中的多次反射折射波嚴重影響波場中相近的反射波，導致反射波形態(tài)畸變，影響了對地震資料的正確解釋。在闡明淺層低速帶多次反射折射波產(chǎn)生機理和傳播規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出垂向組合雙震源的壓制方法。根據(jù)勘探前期小折射、微測井等方法獲取淺層參數(shù)信息，結(jié)合多次反射折射波與有效波之間相對位置關(guān)系，給出需要對多次反射折射波進行壓制的前提條件，然后根據(jù)震源組合公式計算得到垂向組合參數(shù)可選范圍，用于調(diào)整低速帶中垂向設(shè)置的兩個震源的相對位置，在不影響目的層反射波的基礎(chǔ)上壓制多次反射折射波。在正演模擬和黃土塬勘探區(qū)試驗中，對比了常規(guī)單炮記錄與震源垂向組合記錄。結(jié)果表明：震源垂向組合方法在一定程度上能較好地壓制淺層低速帶多次反射折射波，有效提高地震數(shù)據(jù)信噪比和解釋精度。

多次反射折射波；淺層低速帶；垂向組合激發(fā)；多次波壓制

在沙漠、黃土塬和山地等陸上地震勘探中，普遍存在地表低速結(jié)構(gòu)發(fā)育、潛水面過深等問題，震源需在淺層低速帶中進行激發(fā)，導致地震波場中發(fā)育面波、轉(zhuǎn)換波、多次波等各種干擾波[1-2]。其中，李慶忠[3]第一次發(fā)現(xiàn)并提出多次反射折射波的概念；秦政[4]對DQ地區(qū)的疊加剖面中由次生折射波和次生反射波導致的線性噪聲進行了定量描述；楊愷等[5]、郭朝斌[6]研究了多次反射折射波的傳播規(guī)律，對比不同的處理手段，認為特征向量濾波法對南方山區(qū)出現(xiàn)的多次反射折射波的壓制效果較好；曾愛平等[7]在滕縣煤田礦區(qū)勘探過程中通過優(yōu)化勘探設(shè)計，結(jié)合規(guī)則噪聲濾波和反褶積等處理方法壓制了部分多次波。根據(jù)一次波與多次波之間特征差異，壓制多次波的地震處理方法分為濾波法、預測相減法和稀疏反演法。濾波法是根據(jù)多次波與一次波在波場中的特征差異進行識別和壓制[8-10]；預測相減法是在波動理論基礎(chǔ)上建立模型，對多次波進行預測，然后在地震原始數(shù)據(jù)中對其進行衰減[11-12]，其中較為重要的反饋迭代法，通過判斷地震波是否經(jīng)歷下行反射，區(qū)分一次波與多次波；稀疏反演在此基礎(chǔ)上通過梯度下降對多次波和一次波進行重構(gòu)，對多次波進行壓制[13-15]。陸上多次反射折射波屬于淺層強干擾波，又與高速層底界面反射波在波場中位置接近，現(xiàn)有壓制多次波的處理方法均存在壓制不盡和有效信號畸變等局限性。因此，本文提出基于地震波動力學和運動學規(guī)律的垂向雙震源組合激發(fā)壓制多次反射折射波方法。運用射線理論推導地表以下激發(fā)的多次反射折射波與有效波，分析二者之間相對位置關(guān)系，定量給出在什么情況下需要對多次反射折射波進行壓制的前提條件。繼而，根據(jù)組合原理優(yōu)選震源組合激發(fā)參數(shù)，利用兩列多次反射折射波在傳播過程的干涉作用，壓制多次反射折射波，有效提高一次反射波成像精度，驗證本文提出方法的有效性及適用性。

1 多次反射折射波的運動學規(guī)律

為達到垂向組合激發(fā)壓制多次反射折射波目的，從地震波運動學角度推導地表以下激發(fā)時多次反射折射波運動學方程，分析震源深度與其走時之間的數(shù)學關(guān)系?；诘卣鸩▊鞑サ膭恿W規(guī)律，理想各向同性層狀介質(zhì)中不存在多段射線與層間界面平行的地震折射波[16]。如圖1所示，震源在地表以下點激發(fā)，地震子波沿路徑傳播，形成多次反射折射波，所需時間為：

圖1 多次反射折射波傳播路徑示意(地表以下激發(fā))

將各層速度用均方根速度代替，可以將反射波時距曲線方程化為顯函數(shù)。遵循壓制干擾波并保護有效波的研究思路，首先，明確壓制多次反射折射波的前提條件，即在什么情況下多次反射折射波會對有效波產(chǎn)生干擾。多次反射折射波與高速層底界面反射波在同一波場中同相軸有交點且斜率接近時，對高速層底界面反射波干擾最嚴重，需要進行壓制。聯(lián)立多次反射折射波和兩層模型反射波時距曲線方程，有解的條件是多次反射折射波與反射波相交，即?≥0。

地震反射波斜率受控于反射波出現(xiàn)的界面埋深12、偏移距和均方根速度r。對m和f求偏導數(shù)得到：

假設(shè)高速層速度2大于低速層和高速層的均方根速度r，保持其他參數(shù)不變前提下，改變高速層厚度，反射波出現(xiàn)界面埋深發(fā)生變化。低速層多次反射折射波與高速層底界面反射波二者之間的干涉位置位于不同偏移距。根據(jù)反射波出現(xiàn)界面埋深與偏移距的關(guān)系，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3類偏移距。對多次反射折射波壓制的前提是多次反射折射波同相軸與高速層底界面反射波有交點?≥0，且在一定偏移距范圍內(nèi)斜率接近。即滿足：

2 多次反射折射波場正演模擬

由于存在地表低速帶，無良好激發(fā)條件時，地震波經(jīng)低速層入射到高速層。由于阻抗差異大，當入射角、反射角和折射波臨界角恰好相等時，沿界面產(chǎn)生滑行波，折射回地表自由界面被檢波器接收[6]。

根據(jù)地震波傳播規(guī)律和地表低速帶的特點構(gòu)建模型，對多次反射折射波進行波動方程模擬，分析其波場特征。設(shè)震源為一諧波源，發(fā)出規(guī)則球諧波，將其相位定義為式(6)：

式中：0為地震波離開震源的位置；為頻率。反射波在兩層界面上產(chǎn)生，矢量方程為：

式中：為炮檢距；1為產(chǎn)生反射波界面深度；r為位移矢量；0j和1j分別為反射波在自由界面和折射界面的反射系數(shù)。V. Cerveny[17]提出水平界面的折射波矢量方程(8)：

式中：m為臨界距離；為界面反射波系數(shù)。根據(jù)惠更斯原理，層界面上以臨界角度入射地震波視為新震源，將其定義為：

得到折射波位移矢量方程為：

式中：k為界面折射波系數(shù)；k為折射波速度。分析式(10)可知，同一模型下，以相同頻率震源激發(fā)，1、cos、、不變，計算+1多次反射折射波與多次反射折射波振幅之間關(guān)系，令為二者振幅的比值。

①—一次折射波；②—高速層底界面反射波；③—多次反射折射波

3 震源垂向組合壓制方法

垂向震源組合方法就是在地表同一位置以下低速層中的不同深度設(shè)置兩處震源，根據(jù)勘探前期小折射、微測井等方法較為準確地獲取地層參數(shù)(地層厚度和速度)，通過計算適當調(diào)節(jié)兩個震源垂向之間的組合參數(shù)(兩個震源的垂向相對位置)，同時激發(fā)，利用兩個震源發(fā)出地震波在地層傳播過程中存在時差。若滿足相互之間時差大于多次反射折射波1/4主周期而小于反射波1/4主周期，可以在一定程度上達到壓制多次反射折射波，且不影響高速層底界面反射波的目的。設(shè)界面為地表，界面以上是低速層，以下是高速層，界面是高速層的底界面。與之間低速結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的多次反射折射波對界面的反射波產(chǎn)生干擾。震源1深度為1，震源2深度為2，相對距離?，低速層速度為1，高速層速度為2，低速層厚度1，高速層厚度2，炮檢距，為臨界角度，垂向雙震源如圖3所示，實際上地層厚度要遠大于雙震源的組合參數(shù)。

圖3 垂向雙震源示意

Fig.3 Schematic diagram of vertical double shots

不同深度兩列多次反射折射波的走時方程：

式中：m1、m2為不同井深激發(fā)兩列多次反射折射波傳播時間；?m為不同井深激發(fā)兩列多次反射折射波傳播時間之差。兩列地震波時差大于多次反射折射波1/4主周期m可以起到壓制效果。根據(jù)畢達哥拉斯定理，此處設(shè)1/2=，即低速層與高速層波速比為。對多次反射折射波起到壓制作用的組合參數(shù)(兩個震源垂向相對距離)?可選范圍的下限為：

式中：周期m為多次反射折射波主頻m的倒數(shù)，m為多次反射折射波主頻。垂向組合震源激發(fā)壓制多次反射折射波的同時，不能影響高速層底界面反射波。在實際地震勘探中高速層底界面埋深遠大于激發(fā)點井深，1，2對應反射波傳播時間為f1和f2，相減得到時差?f與組合參數(shù)?之間的關(guān)系。為了減小對高速層底界面反射波的影響，時差應小于反射波1/4主周期，反射波周期為f，組合參數(shù)?可選范圍的上限應滿足：

綜上所述，為了壓制多次反射折射波，同時減小對反射波的影響，應根據(jù)式(13)和式(14)適當調(diào)整垂向雙震源的垂向相對位置?的可選范圍為：

因小于反射波1/4主周期的反射波方程與偏移距和目的層埋深之間的相對大小有關(guān)，因此，在實際應用過程中，根據(jù)偏移距與反射波出現(xiàn)界面埋深的相對關(guān)系適當調(diào)整組合參數(shù)?可選范圍的大小。

基于以上組合參數(shù)公式，由第2節(jié)建立的3個地質(zhì)模型(圖2)根據(jù)式(16)計算得到的組合參數(shù)進行垂向組合激發(fā)正演模擬，將得到的垂向震源組合地震記錄與單炮地震記錄進行對比。圖4—圖6分別對應圖2中3個模型的正演模擬記錄對比，①箭頭所指為一次折射波，②箭頭所指為高速層底界面反射波，③箭頭所指為多次反射折射波。單炮震源和組合震源的1均位于地表(深度0 m)，模型一的組合參數(shù)?為8 m，模型二的組合參數(shù)?為9 m，模型三的組合參數(shù)?為10 m。由于要保證多次反射折射波的出現(xiàn)，模擬中將地表設(shè)置為符合實際的自由反射界面，由此導致常規(guī)單炮正演模擬結(jié)果中橫向中心位置0.2 s以下均出現(xiàn)能量較強的低速帶多次反射波。組合激發(fā)正演模擬記錄中，處于淺層低速帶中的垂向組合震源同時激發(fā)產(chǎn)生的兩列地震波在小偏移距的垂向范圍內(nèi)發(fā)生較強的干涉，向下傳播遇到低速層與高速層之間強波阻抗界面時發(fā)生反射，低速層厚度較小，上行遇到地表自由界面后發(fā)生多次反射，因此，在小偏移距范圍的中心位置以下，會出現(xiàn)圖中的多余波動現(xiàn)象，與程序中模型邊界條件的參數(shù)設(shè)置有關(guān)。從實際勘探中獲得的垂向震源組合地震記錄中，震源附近的地震波能量以下傳為主，這類多余波動現(xiàn)象較弱，基本不會影響高速層底界面反射波和多次反射折射波的壓制效果。因此，低速層的多次反射波和組合激發(fā)正演模擬記錄中出現(xiàn)的多余波動現(xiàn)象非本文研究內(nèi)容，這里不做贅述。單炮記錄在0.5~0.6 s開始出現(xiàn)多次反射折射波，在不同偏移距與高速層反射波同相軸重疊、平行。對比同一模型的兩個正演模擬記錄，觀察到③箭頭所示位置原本能量很強的多次反射折射波在一定程度上得到壓制，達到預期效果。

4 應用實例

研究區(qū)位于山西省柳林市，屬典型黃土塬地貌，地表被巨厚黃土覆蓋，厚度0~300 m，土質(zhì)以亞砂土、亞黏土為主，地層結(jié)構(gòu)疏松、波速低(200~800 m/s)，對地震波吸收衰減作用強烈。地表以下埋深400~ 800 m主要為山西組4號煤層，厚度穩(wěn)定，約為4 m?？碧角捌谶M行小折射和微測井可知，試驗點處煤層埋深約780 m，低速層以黃土為主，厚度80 m，縱波速度800 m/s，密度為1 400 kg/m3；高速層厚度700 m、縱波速度2 800 m/s，密度為2 400 kg/m3。根據(jù)壓制多次反射折射波的總體思路，首先確定是否對多次反射折射波進行壓制，根據(jù)研究區(qū)地層參數(shù)信息，基于式(3)和式(5)，判斷高速層底界面反射波是否與多次反射折射波的同相軸存在交點且在一定偏移距范圍內(nèi)斜率接近，經(jīng)過計算，二者同相軸存在交點且在式(5)中定義的Ⅱ至Ⅲ類偏移距范圍內(nèi)二者斜率接近，因此，需要對多次反射折射波進行壓制。然后，根據(jù)垂向雙震源組合參數(shù)式(15)和式(16)，代入地層參數(shù)(低速層厚度1、速度1，高速層厚度2、速度2)和地震子波周期等數(shù)據(jù)，計算得到組合參數(shù)?的可選擇范圍是6.9~20.1 m，實際選擇8 m。先后進行常規(guī)單炮激發(fā)和以組合參數(shù)?為8 m的垂向雙震源組合激發(fā)，圖7是地表相同位置的單炮(圖 7a)與垂向雙震源激發(fā)的地震記錄(圖 7b)對比。其中，僅在垂向雙震源激發(fā)得到的地震數(shù)據(jù)中對面波進行常規(guī)去噪處理，未對多次反射折射波進行壓制處理。觀察和分析圖7b，200 ms附近開始出現(xiàn)低速層底界面的反射波，因為垂向組合震源能量大，因此，低速層的反射波同相軸相較常規(guī)單炮記錄中的更明顯。在400 ms附近開始出現(xiàn)低速層底界面的多次反射波，與正演模擬中觀察到的多次反射現(xiàn)象吻合，正演模擬中低速層底界面的多次反射能量強，實際情況中的多次反射振幅小能量變?nèi)?，這說明在數(shù)值模擬中對邊界條件的設(shè)置還有待改進。紅線之間700 ms附近出現(xiàn)高速層底界面反射波，以上反射波出現(xiàn)位置均與地層參數(shù)對應正確?？梢钥闯觯涸诔Ｒ?guī)單炮地震記錄(圖7 a)中，高速層底界面的反射波被平行于一次折射波的多次反射折射波覆蓋；垂向組合激發(fā)對淺層多次反射折射波的壓制效果明顯，高速層底界面的反射波(圖7 b)可識別。因此，可以證明本文提出的震源垂向組合壓制淺層低速帶中產(chǎn)生的多次反射折射波的方法在一定程度上是有效實用的。

圖4 模型一正演模擬記錄對比

圖5 模型二正演模擬記錄對比

圖6 模型三正演模擬記錄對比

圖7 研究區(qū)震源垂向組合前后單炮記錄對比

5 結(jié)論

a. 根據(jù)波的傳播規(guī)律和運動學特征，推導了地表以下激發(fā)的多次反射折射波二維運動學傳播方程。以多次反射折射波與目的層反射波運動學方程為依據(jù)，在地表同一位置以下低速層中的不同深度設(shè)置兩個震源，同時激發(fā)，使多次反射折射波在一定程度上干涉相消。

b. 根據(jù)推導的震源垂向組合參數(shù)公式，調(diào)整兩震源相對位置，兩個震源地震波的時差滿足大于多次反射折射波1/4主周期而小于反射波1/4主周期時，可壓制多次反射折射波，同時避免對高速層底界面反射波產(chǎn)生影響。

c. 理論和實際應用表明，震源垂向組合方法能夠較好地壓制多次反射折射波，提高信噪比，有效提高地震資料解釋精度。滿足要求的組合參數(shù)是一個范圍而非定值，在震源垂向布設(shè)的實際操作中具有較強的可行性和容錯性。

d.由于成本原因，震源組合激發(fā)方法在煤田地震勘探中應用較少，今后該方法可作為常規(guī)激發(fā)模式的補充，助力煤田精細化地震勘探技術(shù)發(fā)展。

請聽作者語音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息，歡迎與作者進行交流

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Suppression of multiple reflected refraction in shallow low-velocity zones by vertical combination of seismic sources

FU Yanning1, 2, CHANG Suoliang1, 2, ZHANG Sheng1, 2, LIU Zuiliang3, YANG Yong3, CHEN Qiang1, 2, LIU Bo1, 2, XU Yuying1, 2

(1. Department of Earth Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;2. Shanxi Key Laboratory of Coal and Coal Measure Gas Geology, Taiyuan 030024, China;3. Yangquan Coal Industry(Group) Co., Ltd., Yangquan 045000, China)

A special type of multiple reflected refraction often appears in seismic records in areas with low-velocity structures. It seriously affects the closed reflection wave, which causes the distortion of the reflection wave shape and affects the correct interpretation of the seismic data. Based on the forward simulation of the multiple reflected refraction equation, the generation mechanism of multiple reflected refraction in the shallow low-velocity zones was set forth. A method of suppressing multiple reflected refraction by vertically combined dual sources was proposed. The formation parameters(formation thickness and velocity)are obtained according to the methods of small refraction and micro logging in the early stage of exploration. Firstly, according to the relative position relationship between the multiple reflected refraction and the effective wave, the prerequisites for the suppression of the multiple reflected refraction was given. Secondly, the optional range of vertical combination parameters was calculated according to the source combination formula, which was used to adjust the relative position of the two sources set vertically in the low-velocity zone. Based on the above studies, forward modeling and loess plateau exploration area tests were conducted to compare the conventional single shot records with the source vertical combination records. Models verification and practical data applications show that the vertical source combination method can suppress multiple reflected refraction in shallow low-velocity zones and effectively improve the signal-to-noise ratio of seismic data.

multiple reflected refraction; shallow low-velocity structures; vertical combination excitation; suppression of multiple waves

P631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.028

1001-1986(2020)03-0195-09

2019-09-30；

2020-03-20

陽泉煤業(yè)(集團)有限責任公司研究開發(fā)項目(GY18027)

Research and Development Project of Yangquan Coal Industry(Group) Co.Ltd.(GY18027)

傅彥寧，1994年生，男，山西太原人，碩士研究生，研究方向為煤與煤層氣地震勘探.E-mail：814224856@qq.com

常鎖亮，1972年生，男，山西靈石人，博士，副教授，研究方向為煤儲層地震勘探、煤層氣地震地質(zhì)綜合預測. E-mail： changsuoliang@tyut.edu.cn

傅彥寧，常鎖亮，張生，等. 基于震源垂向組合的淺層低速帶多次反射折射波壓制方法[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(3)：195–203.

FU Yanning，CHANG Suoliang，ZHANG Sheng，et al. Suppression of multiple reflected refraction in shallow low-velocity zones by vertical combination of seismic sources[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：195–203.

(責任編輯 聶愛蘭)