海底四分量各向異性介質(zhì)高斯束偏移方法

摘要： 基于彈性波動(dòng)方程的多波多分量高斯束偏移方法計(jì)算高效且成像精確，適用于復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造，目前多應(yīng)用于陸地三分量數(shù)據(jù)，對(duì)于海底地震數(shù)據(jù)存在明顯的適應(yīng)性問(wèn)題：①不完整的海底邊界條件導(dǎo)致P 波和S 波無(wú)法徹底分離，上、下行波會(huì)在海底的記錄方式下發(fā)生混疊，造成虛假成像；②地下介質(zhì)中普遍存在的各向異性帶來(lái)運(yùn)動(dòng)學(xué)信息誤差，導(dǎo)致最終成像出現(xiàn)反射波歸位不準(zhǔn)確、繞射波收斂效果差、能量不聚焦等問(wèn)題。為此，提出一種兼顧各向異性特性、直接使用包含水壓分量的海底四分量地震數(shù)據(jù)進(jìn)行彈性高斯束偏移成像的方法。首先，假設(shè)海底接收界面為各向同性，以彈性波波動(dòng)方程和海底完整邊界為基礎(chǔ)進(jìn)行波場(chǎng)延拓，得到四分量數(shù)據(jù)的波型分離矩陣；然后，結(jié)合各向異性射線追蹤和動(dòng)力學(xué)參數(shù)近似，實(shí)現(xiàn)了VTI 介質(zhì)的彈性波高斯束偏移。2D 層狀模型和北海Gullfaks 區(qū)域模型的數(shù)值試算結(jié)果表明，所采用的海底四分量各向異性介質(zhì)高斯束偏移方法抑制了不完整邊界條件造成的成像假象，能夠自動(dòng)分離海底各向異性介質(zhì)中的PP 波和PS 波，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換波的準(zhǔn)確成像，更精確地恢復(fù)和歸位地震波，提高了地震資料成像分辨率，尤其適用于復(fù)雜海底的大炮檢距、寬方位地震勘探。

關(guān)鍵詞： 波動(dòng)方程，成像，各向異性介質(zhì)，彈性波高斯束，四分量

中圖分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10. 13810/j. cnki. issn. 1000-7210. 2024. 05. 012

0 引言

海底四分量（4C）地震勘探因?qū)挿轿徽彰?、高信噪比、可重?fù)觀測(cè)、受海況風(fēng)浪因素影響小等優(yōu)勢(shì)而備受地球物理勘探界的關(guān)注[1-2]。海底4C 采集比陸地三分量采集多了一個(gè)壓力分量，為復(fù)雜海底結(jié)構(gòu)成像提供了更大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。對(duì)于海底4C 數(shù)據(jù)的處理，傳統(tǒng)上是將速度記錄（或位移記錄）的水平分量作為轉(zhuǎn)換橫波，將壓力記錄作為縱波進(jìn)行處理、解釋，而工業(yè)界則通常是直接疊加壓力分量和速度記錄的垂直分量抑制鬼波干擾[3]。這些處理方法效果有限，未能充分使用4C 地震數(shù)據(jù)的信息，因此迫切需要研究新的數(shù)據(jù)處理技術(shù)充分挖掘4C 地震記錄中的彈性矢量波場(chǎng)信息。目前，多波多分量高斯束偏移方法已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的高效、準(zhǔn)確成像，但是還不能完美處理海底4C 數(shù)據(jù)，充分利用4C 地震數(shù)據(jù)進(jìn)行彈性波疊前深度偏移成像仍然是一個(gè)難題。

基于彈性波動(dòng)理論的多分量偏移方法出現(xiàn)于20 世紀(jì)80 年代，主要分為彈性Kirchhoff 偏移[4-5]和彈性逆時(shí)偏移[6-7]。Kirchhoff 偏移是射線類方法的代表，具有計(jì)算高效、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但無(wú)法對(duì)復(fù)雜地質(zhì)體和高陡構(gòu)造成像。而作為波動(dòng)方程類方法代表的逆時(shí)偏移成像精度高但計(jì)算量過(guò)大。因此，Hill[8]提出了兼具兩種偏移算法優(yōu)勢(shì)的高斯束偏移方法，可以多路徑成像，不僅信噪比高、成像精度高，而且計(jì)算效率高[9-10]，能適應(yīng)崎嶇的地表和復(fù)雜海底。

海底地震數(shù)據(jù)的特殊性使上述方法存在一定的適用性問(wèn)題。使用傳統(tǒng)的三分量地震觀測(cè)數(shù)據(jù)只能夠獲取邊界點(diǎn)的位移或速度矢量，這作為彈性波動(dòng)方程的邊界條件是不完整的[11]。準(zhǔn)確求解彈性波波動(dòng)方程還需要知道應(yīng)力邊界條件，不完整的海底邊界條件會(huì)使P 波和S 波分離不徹底。Ravasi 等[12]提出4C 數(shù)據(jù)的水壓信息恰好可以作為應(yīng)力信息組成完整的邊界條件。另外，上、下行波會(huì)在海底的記錄方式下發(fā)生混疊，使偏移成像受到自由表面多次波的干擾，造成最終成像結(jié)果中的假象。栗學(xué)磊等[13]在假設(shè)觀測(cè)數(shù)據(jù)只有上行波信號(hào)的基礎(chǔ)上建立了精確的海底界面應(yīng)力與位移關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的海底波場(chǎng)延拓，但是實(shí)際海底地震記錄中既有上行波也有下行波。Shi 等[14]在此基礎(chǔ)上作出改進(jìn)，提出海底4C 地震數(shù)據(jù)高斯束偏移方法。該方法能夠獲得完整的彈性波場(chǎng)信息，實(shí)現(xiàn)海底的多波型自動(dòng)分離和準(zhǔn)確成像，解決矢量波場(chǎng)偏移成像中存在的多波型耦合和非物理成像噪聲問(wèn)題。Qu 等[15]提出了一種基于OBD（海底雙檢）數(shù)據(jù)的聲彈最小二乘逆時(shí)偏移方法，同時(shí)利用數(shù)據(jù)中的壓力和位移觀測(cè)記錄進(jìn)行聲彈聯(lián)合反演，提高了成像精度。

在海底存在周期性沉積薄層的情況下，各向異性的影響不容忽略。對(duì)復(fù)雜各向異性地層使用常規(guī)各向同性成像算法，會(huì)導(dǎo)致反射波歸位不準(zhǔn)確、繞射波收斂不徹底等問(wèn)題，造成地下結(jié)構(gòu)的錯(cuò)位成像和低分辨率，影響儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的可靠性[16]。近年來(lái)，隨著探測(cè)區(qū)域的復(fù)雜深入和計(jì)算能力的提升，勘探目標(biāo)也由各向同性介質(zhì)轉(zhuǎn)向復(fù)雜各向異性區(qū)域。而TI（橫向各向同性）介質(zhì)模型是應(yīng)用最廣泛的各向異性介質(zhì)模型。其中，VTI（具有垂直對(duì)稱軸的橫向各向同性）模型最為典型，符合一般的沉積規(guī)律，方法理論相對(duì)簡(jiǎn)單，需要的模型表達(dá)參數(shù)最少。自Alkhalifah[17]提出適用于各向異性介質(zhì)的高斯束偏移方法，人們不斷在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)和完善并發(fā)展至多分量，研究了轉(zhuǎn)換波高斯束偏移[18]和高斯束逆時(shí)偏移[19]。這些方法大多是針對(duì)復(fù)雜地表?xiàng)l件的三分量數(shù)據(jù)，Li 等[20]對(duì)這些技術(shù)的發(fā)展歷程和成像原理作出了詳細(xì)的介紹和總結(jié)。