復雜山前帶地震初至拾取方法應(yīng)用研究

徐凱馳，呂景峰，裴廣平，李 平，鐘 海，劉衍貴

(1.中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000;2.東方地球物理公司塔里木物探處，新疆 庫爾勒 841000)

0 引言

復雜山前帶區(qū)域地表類型和巖性多變，地勢起伏較大，低、降速帶的厚度和速度在縱、橫向上不穩(wěn)定，存在較為突出的靜校正問題[1-3]。共激發(fā)點、共接收點道集上表現(xiàn)為初至不連續(xù)、不光滑，時間疊加剖面上難以保證地震波同相疊加和成像準確可靠[4-7]。為了消除由于地表高程不同以及低、降速帶厚度和速度的差異帶來的影響[8-12]，目前一般采用適應(yīng)能力強、應(yīng)用廣泛、基于初至波信息的層析速度反演與靜校正技術(shù)[13-21]，因此初至波高精度、高效率拾取就成為靜校正和地震資料處理環(huán)節(jié)必不可少的基礎(chǔ)工作，決定著后續(xù)靜校正的精度及處理的質(zhì)量。由于山前帶地震資料能量弱，受噪聲發(fā)育、吸收衰減嚴重以及信噪比低等因素的影響，初至難以準確拾取。初至波拾取的方法一直在持續(xù)改進，程仲平等[22]提出的空變時窗約束初至拾取方法認為臨近炮點地理位置相差不大，前一炮的初至可以作為約束條件拾取后一炮的初至，能夠快速、準確地拾取地震波初至，但是在兩炮位置或巖性相差較大的情況下不能準確確定初至的位置;許銀坡等[23]利用初至評價方法自動優(yōu)選可信度高的初至并對異常初至進行二次拾取，提高了初至拾取的精度和效率，但是對于整體初至信噪比較低的資料不易得到可信度較高的初至;詹毅[24]和岳龍[25]等在正確選擇小波函數(shù)和變換尺度的前提下，采用連續(xù)小波變換方法能夠提高準確初至的識別能力;劉志成[26]模擬人機交互初至半自動拾取，提高了低信噪比區(qū)初至拾取的精度，但是很難解決初至脫相的問題;梁上林等[27]基于穩(wěn)相疊加原理，通過超級虛折射干涉，加強了弱初至信號，但是該方法對時窗的選取要求較高;唐杰等[28]提出一種自適應(yīng)間隔閾值去除固有模態(tài)中噪聲成分的方法提高了資料的信噪比。

這些研究圍繞著提高自動初至拾取精度，取得了一定的效果，在生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用。但是復雜山前帶地震初至拾取工作仍面臨以下問題:一是由于近地表條件以及波場復雜等原因，地震初至經(jīng)常呈現(xiàn)為不連續(xù)的錯斷現(xiàn)象，對于錯斷的初至不清楚該如何處理;二是對于采用可控震源激發(fā)的地震資料，由于存在微震和互相關(guān)旁瓣噪聲等干擾，初至波形變化較大，再加上吸收衰減嚴重、能量弱等原因，很難識別初至的準確位置;三是為了提高地震原始資料信噪比，高密度、寬方位三維采集技術(shù)得到了越來越廣泛地應(yīng)用[29-31]，致使初至拾取工作量越來越大，嚴重制約了處理周期，滿足處理需求且適宜的初至拾取范圍還不明確。

該文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過波動方程正演模擬方法指導復雜山前帶的初至拾取工作，對可控震源資料進行預(yù)處理，消弱背景噪聲從而提高單炮記錄的初至波信噪比，選擇不同偏移距初至范圍開展層析反演，確定了滿足淺表層速度場及靜校正精度所需的最優(yōu)初至范圍，并用波動方程正演模擬數(shù)據(jù)和實際地震資料分別對該研究結(jié)果予以驗證。

1 方法技術(shù)

1.1 波動方程正演模擬指導初至拾取工作

復雜近地表區(qū)，由于地勢的起伏及低、降速帶結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，導致地震記錄的初至形態(tài)并不完全是連續(xù)、光滑的，往往存在初至錯斷現(xiàn)象(如圖1a所示)。通過分析接收點的近地表結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，地表高程(如圖1b所示)、風化層厚度(如圖1c所示)以及風化層平均速度(如圖1d所示)都是連續(xù)變化的，不存在突變現(xiàn)象，此時錯斷兩端的初至時間是否都需要進行拾取存在爭議。

圖1 遠偏移距缺失初至地震單炮記錄及其接收點近地表結(jié)構(gòu)Fig.1 Single shot record of missing first arrival in far offset and near-surface structure of receiver

波動方程正演方法能夠模擬復雜近地表及地下構(gòu)造情況下的單炮記錄，并可分析復雜波場的成因與機理，據(jù)此可指導野外地震單炮記錄的初至拾取工作。根據(jù)實際地表高程及近地表結(jié)構(gòu)建立了2個理論正演模型，如圖2所示:模型長度為12 km、深度為1.5 km，網(wǎng)格尺寸沿測線方向及垂向均為2.5 m，模型的風化層厚度為3.4～118.5 m，速度為800 m/s。第一高速層速度為2 000 m/s，厚度為9.6～102.5 m;下伏為3 000 m/s的第二高速層。2個模型的差異表現(xiàn)在最后一層的速度:圖2a的第三高速層速度為3 500 m/s，而圖2b在第三高速層的下伏還存在4 000 m/s的速度層。

圖2 正演模型Fig.2 Forward modeling

采用黏滯彈性波動方程正演模擬方法對存在4 000 m/s速度場的理論模型2進行正演模擬，檢波點間距為20 m，檢波點個數(shù)為601個;炮點間距40 m，共計300炮;排列方式為7190-10-20-10-7190。位于水平距離2 970 m激發(fā)的單炮記錄，在5 920 m處的初至時間存在錯斷現(xiàn)象(如圖3a所示)，加載理論靜校正量后初至變得平整(如圖3b所示)，但是“陡坎”依然存在，局部放大后發(fā)現(xiàn)初至波形是逐漸變化并過渡的(如圖3c所示)。但是在不包含4 000 m/s的理論模型1正演的單炮上就不存在“陡坎”現(xiàn)象(如圖4所示)。由此可以判斷，第285～297道的初至波是3 500 m/s速度層的折射波，第298～313道的初至波是由3 500 m/s與4 000 m/s速度層的折射波干涉而成的復合波。分別拾取300炮的全排列初至以及只拾取到出現(xiàn)“陡坎”處位置的初至，層析反演后，以2 000 m/s的理論速度界面為高速頂界面，對比采用不同初至范圍的反演結(jié)果差異，發(fā)現(xiàn)風化層速度誤差為-73～79 m/s，靜校正量的誤差為-1.4～1.5 ms。所以，單炮初至出現(xiàn)“陡坎”現(xiàn)象后，在錯斷位置以后的初至可以不再拾取，并不影響層析反演的淺表層速度場及靜校正的精度。

圖3 正演模型2在2 970 m處的正演模擬記錄Fig.3 Forward modeling record of model 2 at 2 970 m

圖4 正演模型1在2 970 m處的正演模擬記錄Fig.4 Forward modeling record of model 1 at 2 970 m

1.2 可控震源單炮的處理

復雜山前帶區(qū)可控震源的施工區(qū)域主要集中在戈壁礫石區(qū)。由于堆積、洪積作用，山前帶戈壁礫石區(qū)風化層巨厚，一般超過30 m，甚至達到200 m以上，地震波在該區(qū)域傳播過程中，能量吸收、衰減嚴重。在地震資料采集過程中，由于“天電”(50 Hz)干擾、隨機干擾以及固定源等干擾的存在，導致可控震源單炮記錄背景噪聲發(fā)育，初至波信噪比低，初至很難準確識別。

對于初至難以準確分辨的可控震源單炮記錄，可采用調(diào)整增益、顯示方式以及寬頻濾波、適當?shù)脑肼晧褐频忍幚泶胧﹣碓鰪姵踔恋目勺R別度[32]。而通過小相位化處理，能夠有效抑制互相關(guān)旁瓣噪聲干擾，得到初至波信噪比更高的最小相位單炮記錄，有利于準確識別初至位置。但是可控震源單炮記錄濾波處理后，往往會引起初至波的畸變(如圖5a所示);而小相位化處理有時也會導致單炮記錄產(chǎn)生異常初至(如圖5b所示)。這時需去偽存真、仔細甄別，拾取正確的初至。

圖5 可控震源帶通濾波及小相位化處理單炮記錄Fig.5 Single shot records of vibroseis band pass filtering and small phasing processing

與原始相位的可控震源單炮記錄相比，經(jīng)過小相位化處理后，初至會產(chǎn)生時移。為了討論小相位化處理前后初至時移對層析反演精度造成的影響，根據(jù)復雜山前帶二維測線實際的淺層近地表結(jié)構(gòu)及深層構(gòu)造樣式構(gòu)建了理論正演模型:模型長度為21.2 km、深度為15.2 km，高速頂界面高程為1 167.1～2 068.0 m，風化層的厚度為3.0～185.6 m，風化層速度為716～1 424 m/s，模型網(wǎng)格尺寸為5 m×5 m。在高速頂界面下伏速度為1 995～3 120 m/s的高速層，其厚度為9.8～114.4 m。采用20 m道距、40 m炮距、最小偏移距10 m、最大偏移距8 150 m(8 150-10-20-10-8 150)的觀測系統(tǒng)進行波動方程正演模擬，共計529炮、1 061道。

對正演單炮記錄進行小相位化處理，拾取小相位化處理前后的單炮記錄初至并對比，發(fā)現(xiàn)小相位化處理前后的初至時間存在6～10 ms的時移量(如圖6a所示)。由于初至存在一定的時移量，導致層析反演結(jié)果也存在差異。將理論模型數(shù)據(jù)計算的靜校正量作為標準進行對比，結(jié)果表明:采用原始相位的初至時間進行層析反演后，靜校正量的誤差偏大，誤差值為-6.2～0.6 ms，平均誤差為-2.6 ms;而采用經(jīng)過小相位化處理、與原始相位存在時移的初至時間進行層析反演后，靜校正量的誤差相對偏小，為-5.5～0.5 ms，平均誤差只有-1.6 ms，誤差趨勢線總體上更加靠近0線(如圖6b所示)，可見其反演結(jié)果精度更高。

圖6 正演模擬記錄不同相位的初至時間及反演結(jié)果對比Fig.6 First arrival time with different phases recorded by forward modeling and comparison of inversion results

在地震勘探數(shù)據(jù)采集過程中，因為道距和炮距相對較大，所以造成近地表的數(shù)據(jù)采樣不足;同時采用的是平面觀測系統(tǒng)，導致穿過近地表的射線方位有限;再加上在層析反演過程中需要對模型進行平滑處理，這些因素導致初至波走時層析反演得到的淺層速度比實際的速度大?？煽卣鹪磫闻谟涗浗?jīng)過小相位化處理后，大炮的初至時間會向后微量時移，也就是射線走時增大，在射線傳播路徑不變的情況下，層析反演獲得的淺層速度相對變小，更加接近實際的近地表條件。

1.3 優(yōu)選初至拾取的合適偏移距范圍

初至走時射線層析反演是由地震波在地下介質(zhì)中傳播旅行時實現(xiàn)的，遠、近偏移距的旅行時對反演近地表速度場的貢獻有所不同，初至偏移距越大，旅行時對反演淺表層模型的作用也越小。又因為初至波能量衰減嚴重以及強背景噪聲等原因，致使遠偏移距的初至波能量較弱，很難保證初至波的拾取精度。初至數(shù)據(jù)的精度直接影響最終的層析反演結(jié)果，不能保證精度的初至數(shù)據(jù)不應(yīng)參與到層析反演計算中。而且參與運算的初至數(shù)據(jù)越多，層析反演的周期就越長。為了保證層析反演的精度及效率，可以根據(jù)實際的近地表特征，用試驗對比的方法來確定參與層析反演最為適宜的初至時間范圍。

1.3.1 不同初至范圍對層析反演結(jié)果的影響

2019年度在塔里木盆地某復雜山前帶實施了高密度三維地震勘探采集項目，野外觀測系統(tǒng)為36L3S720R，即每炮36個排列、每個排列720道，每炮共計25 920道接收，接收線距為180 m。通過工區(qū)內(nèi)典型單炮記錄分析可知，戈壁礫石區(qū)可簡單的分為三層結(jié)構(gòu):偏移距在0～200 m內(nèi)的低速約為800 m/s;偏移距在200～750 m內(nèi)的降速約為1 700 m/s;偏移距大于750 m為折射層，速度約為2 500 m/s。砂泥巖山體的單炮基本為兩層結(jié)構(gòu):偏移距在0～250 m內(nèi)的低速約為600 m/s;偏移距大于250 m以后就出現(xiàn)了折射層，第一折射層的速度約為2 500 m/s;偏移距大于2 km后出現(xiàn)了第二折射層，其速度約為4 200 m/s。通過人機交互拾取的方式完成了該項目的大炮初至拾取工作，拾取的初至最大偏移距范圍為4.5 km。

首先采用4.5 km偏移距的初至時間進行層析反演，獲得層析反演速度場及每條射線在速度場中的走時路徑，由此可計算出每一炮的正演初至時間。由于該初至數(shù)據(jù)是根據(jù)反演的速度場及射線走時路徑計算所得，是理論初至數(shù)據(jù)，所以能夠保證不同偏移距范圍的初至精度，由此能夠客觀地分析不同偏移距初至范圍對層析反演精度的影響。由三維正演初至時間與偏移距統(tǒng)計分析可知，工區(qū)的表層結(jié)構(gòu)可簡單劃分為3層:低速層速度為800 m/s，初至時間的偏移距是0～300 m;降速層速度為1 400 m/s，初至時間的偏移距為300～800 m;初至時間在偏移距大于800 m后是穩(wěn)定的折射層，速度為2 500 m/s。根據(jù)正演的理論初至時間，在保證層析反演其他參數(shù)相同的前提下，對比選用1.0 km，2.0 km，3.0 km和4.5 km偏移距范圍內(nèi)的初至層析反演結(jié)果，以采用偏移距4.5 km范圍內(nèi)初至的層析反演結(jié)果為對比標準，優(yōu)選滿足層析反演精度的初至時間范圍。速度場差值對比結(jié)果表明，采用偏移距為0～2.0 km，0～3.0 km，0～4.5 km的初至層析反演后，地表以下500 m范圍內(nèi)的淺表層速度場精度相當(如圖7a和圖7b所示)，相同位置處的速度值差異甚微，基本不超過50 m/s。但采用1.0 km與4.5 km偏移距范圍內(nèi)的初至開展層析反演后，結(jié)果有較大的差異。在理論模型的水平位置9～15 km內(nèi)，淺表層的相同位置處，二者之間的速度差值超過100 m/s，如理論模型的水平位置11 km、地表以下10 m處，速度差值高達386 m/s(如圖7c所示)?；鶞拭骒o校正量對比結(jié)果也是如此，采用2.0 km，3.0 km，4.5 km偏移距范圍內(nèi)的初至開展層析反演并計算基準面靜校正量，三者之間的靜校正量值差異非常小，不超過1.8 ms;但采用1.0 km與4.5 km偏移距范圍內(nèi)的初至開展層析反演后，以4.5 km偏移距離范圍內(nèi)的初至反演結(jié)果計算的靜校正量為標準，計算的靜校正量存在-10.3～7.3 ms的誤差(如圖8所示)。可見，用于層析反演的初至偏移距范圍不能選擇0～1.0 km，需選擇0～2.0 km偏移距范圍的初至才能滿足該區(qū)層析反演的精度需求。

圖7 初至范圍反演速度場差Fig.7 Inversion of velocity field difference in initial arrival range

圖8 靜校正量差值對比Fig.8 Comparison of static correction difference

1.3.2 不同初至范圍對折射波剩余靜校正的影響

在復雜山前帶，經(jīng)過基準面靜校正后，因為已消除了地表起伏、表層結(jié)構(gòu)在縱橫向上的差異以及物理點偏移所帶來的影響，那么理論上源自相同折射層不同域的折射波初至形態(tài)應(yīng)該是連續(xù)、漸進、較為平直的;如果共激發(fā)點、共接收點、共中心點及共炮檢距域相同折射層的折射波初至存在不連續(xù)的抖動、甚至錯斷現(xiàn)象等不規(guī)則變化，表明基準面靜校正中仍然存在短波長乃至中波長靜校正量的殘差[33-34]?？赏ㄟ^在不同域中開展折射波時移校正來消弱這種不規(guī)則變化所造成的影響，從而提高基準面靜校正的精度。在開展折射波剩余靜校正計算過程中，采用不同的初至時間范圍數(shù)據(jù)，剩余靜校正量的值會有一定量的差異，尤其是在滿覆蓋邊框以外的區(qū)域更為明顯。將采用1.0～4.5 km偏移距的初至時間范圍計算的折射波剩余靜校正量作為標準進行對比，以確定滿足折射波剩余靜校正計算精度的初至時間范圍。

通過采用不同偏移距的初至時間范圍計算所得的折射波剩余靜校正量誤差對比發(fā)現(xiàn)，采用偏移距的初至時間范圍越小，與標準折射波剩余靜校正量的差值越大;采用偏移距的初至時間范圍越大，與標準折射波剩余靜校正量的差值越小。采用1.0～1.5 km偏移距的初至時間計算的折射波剩余靜校正量，與標準折射波剩余靜校正量的差值較大，剩余靜校正量差值小于4 ms的占93.2%，而且在滿覆蓋面積內(nèi)也存在著差值大于4 ms的;而采用1.0～2.0 km，1.0～2.5 km，1.0～3.0 km，1.0～3.5 km及1.0～4.0 km偏移距的初至時間計算的折射波剩余靜校正量，與標準折射波剩余靜校正量的差值逐漸減小，剩余靜校正量差值小于4 ms的所占比重非常高，分別為96.1%，96.3%，97.3%，98.9%以及99.9%，并且差值大于4 ms的均分布在炮點邊框以外，對最終剖面的成像影響非常有限。可見，為保證該區(qū)折射波剩余靜校正的精度，初至時間范圍不能選擇過小，但也無須過大，選擇1～2 km偏移距范圍內(nèi)的初至時間即可滿足折射波剩余靜校正的精度需求。

2 實例

2020年度，塔里木盆地某復雜山前帶區(qū)實施了三維地震勘探采集工作，選取其中的30束線資料對該文方法進行驗證。工區(qū)主要有3種地表類型:山體、山前戈壁以及村莊，山體中存在著河流及沖溝等。地表高程為1 300～2 300 m，最大相對落差達1 000 m;低、降速帶厚度變化較大，老地層出露的山體區(qū)一般不超過10 m，但是沖積扇的厚度一般在40 m以上，甚至達到150 m，對地震波能量的吸收、衰減作用強烈;低、降速帶速度為450～1 550 m/s;高速層速度在1 950～3 500 m/s內(nèi)變化?？傮w表現(xiàn)為單炮記錄初至異常現(xiàn)象突出，可控震源單炮記錄初至旁瓣干擾嚴重，信噪比低，初至的精度難以保證。

首先，針對初至表現(xiàn)為異常的野外原始單炮記錄(如圖9a所示)，根據(jù)其近地表結(jié)構(gòu)(如圖9b、圖9c、圖9d所示)建立正演模型(如圖9e所示)，采用黏滯彈性波動方程的方法獲得正演模擬記錄(如圖10a所示)。與野外單炮記錄對比發(fā)現(xiàn)，正演模擬記錄近炮點位置存在連續(xù)的初至，說明野外單炮記錄的初至形態(tài)不正確。采用100 ms較小時窗的自動增益顯示后，野外單炮的近道初至呈現(xiàn)出來(如圖10b所示)。通過理論模型波動方程正演模擬，查明了單炮復雜波場的形成機理，準確地識別了初至，避免了“漏拾”“誤拾”初至的現(xiàn)象，保證了參與層析反演的初至涵蓋了所需的有效信息。

圖9 近偏移距缺失初至地震單炮記錄及其接收點近地表結(jié)構(gòu)和正演模型Fig.9 Near offset missing first arrival seismic single shot record and near-surface structure and forward modeling of its receiver

圖10 正演單炮記錄與自動增益顯示的野外單炮記錄Fig.10 Single shot record of forward modeling and field single shot record with auto gain

其次，對于近道旁瓣干擾嚴重、噪聲發(fā)育、初至無法準確識別的可控震源單炮(如圖11a所示)，通過采用反褶積和最小相位化等處理手段，有效壓制了近道旁瓣干擾以及背景噪聲等(如圖11b所示)，初至信噪比得到提高，能夠準確判定初至的真實位置，保證了初至拾取的精度。

圖11 正演單炮記錄與自動增益顯示的野外單炮記錄Fig.11 Single shot record of forward modeling and field single shot record with auto gain

最后，在人際交互初至拾取的基礎(chǔ)上，根據(jù)初至數(shù)據(jù)冗余量大的特點，采用偏移距0～2 km的初至(橫向24條接收線、縱向100道)進行層析反演并計算折射波剩余靜校正量。與以往方法相比，該文方法提高了初至的精度，能夠在保證層析反演精度的前提下，縮短初至拾取與層析反演的周期。通過初疊剖面效果對比可知，采用相同的地震資料處理流程及層析反演參數(shù)，該文方法大大提高了靜校正精度，有效改善了剖面的成像效果(如圖12所示)。

圖12 時間初疊剖面效果對比Fig.12 Effect comparison of time initial stack section

3 結(jié)論

1)波動方程正演模擬方法能夠查清復雜波場的形成機理，輔助判定初至的真實位置，有效指導初至拾取工作。

2)對可控震源單炮記錄開展反褶積和最小相位化處理，能夠消弱背景噪聲以及近道旁瓣噪聲等干擾，有效地提高初至波信噪比，有利于提高初至拾取的精度。

3)對于淺表層速度場反演及靜校正精度而言，用于層析反演的初至，只需含有低、降速帶信息的初至時間以及隨后800～1 300 m的折射層初至時間即可滿足需求。