張少青，戴方堯

（中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116）

濾波技術(shù)在煤田斷層精細(xì)檢測中的應(yīng)用

張少青，戴方堯

（中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116）

中值濾波技術(shù)可以有效地去除隨機(jī)噪聲，增強(qiáng)水平同相軸的連續(xù)性，但其未考慮地層傾角的變化。斷層/邊緣增強(qiáng)濾波技術(shù)考慮到地層傾角的變化因素，能夠突出細(xì)微差別，改善低信噪比資料，顯著提高地震剖面質(zhì)量。實(shí)踐證明，斷層/邊緣增強(qiáng)濾波技術(shù)能更加突出地層接觸關(guān)系，可以有效提高小斷層的解釋精度，提高煤田三維地震勘探資料解釋的精度和準(zhǔn)確性。

中值濾波；斷層/邊緣增強(qiáng)濾波；地層傾角；信噪比

0 前言

地震資料存在各種隨機(jī)噪音，對構(gòu)造解釋造成困難。使用中值濾波技術(shù)可以去除隨機(jī)噪聲，提高信噪比，增加地震資料的品質(zhì)。但是，由于中值濾波技術(shù)未考慮地層傾角的變化，不能突出每個(gè)采樣點(diǎn)（尤其是斷層附近的采樣點(diǎn)）附近同相軸傾角和方位角所發(fā)生的微小變化，所以也達(dá)不到斷層精細(xì)檢測的要求。

斷層/邊緣增強(qiáng)濾波技術(shù)，將中值濾波與傾角濾波相結(jié)合，充分考慮到地層傾角的變化因素，并且利用數(shù)學(xué)和邏輯關(guān)系運(yùn)算，突出異常區(qū)域的細(xì)微差別，從而最大限度地挖掘地震資料中有效信息，達(dá)到斷層精細(xì)檢測的目的。

1 斷層增強(qiáng)濾波技術(shù)

由于斷層對地震波的吸收衰減作用，使得斷層附近地震資料品質(zhì)較低，斷層的形狀和大小都會受到影響。為了得到高精度的斷層分析效果，同時(shí)保證沒有斷層區(qū)域的平滑性，可以將傾角中值濾波和傾角擴(kuò)散濾波聯(lián)合使用，以提高斷層的分辨力，這就是斷層增強(qiáng)濾波的思想。

1.1 傾角中值濾波技術(shù)

傾角中值濾波技術(shù)將中值濾波和傾角濾波結(jié)合，其效果是一個(gè)邊緣保持控制濾波器，通過沿傾角方向的濾波，可以刪除隨機(jī)噪聲，加強(qiáng)反射波同相軸的橫向連續(xù)性。

傾角中值濾波的處理流程步驟是：

（1）定義搜索半徑。

（2）從開始位置提取首個(gè)振幅。

（3）沿著傾角和方位角指向下一道。

（4）在該點(diǎn)提取振幅。

（5）在搜索半徑內(nèi)對所有道的振幅，重復(fù)步驟（3）、步驟（4）。

（6）把所有拾取振幅按值的大小排序，并用位于中間的振幅值替換起始位置的振幅。

（7）對體內(nèi)所有樣本重復(fù)操作步驟（2）～步驟（6）。

中值應(yīng)該定義成一系列中心點(diǎn)位置相關(guān)的值因此，如果從最小到最大列出N個(gè)振幅，就可以?。∟＋1）/2處的位置值作為中值，這里的N是一個(gè)奇數(shù)。

圖1（見下頁）是步長為4的傾角中值濾波，定義（圓）域是一個(gè)曲面（也稱傾角控制體圓盤），曲面半徑與地層傾角有關(guān)。

中值濾波響應(yīng)為：…、0、0、1、0、0、1、1、3、0、11、…。

圖1 傾角中值濾波Fig.1 Dip median filtering

步長為4的傾角中值濾波響應(yīng)為：…、0、0、0、0、0、1、1、1、1、1、1、…。

對比兩種濾波結(jié)果可以看出，傾角中值濾波的優(yōu)勢：

（1）短于半個(gè)濾波的相位被清除（左側(cè)1和右側(cè)0）。

（2）噪音也被清除（振幅3）。

（3）邊界被保留。

傾角中值濾波后的地震數(shù)據(jù)體中，連續(xù)相位被加強(qiáng)，并且隨機(jī)分布的嗓音被壓制，提高了傾斜地層自動追蹤的可執(zhí)行性，有利于提高地震資料的橫向分辨率。

1.2 傾角擴(kuò)散濾波技術(shù)

傾角擴(kuò)散濾波（Dip－steered diffusion filter），又稱作各向異性擴(kuò)散濾波。這里的“各向異性”是沿用了圖像處理中的稱謂，其含義是在數(shù)據(jù)或圖像處理中，由于噪聲、干擾等引起的圖像局部性質(zhì)的差異。

在地球物理中，由于各向異性所引起的地震響應(yīng)，同樣也可以反映為數(shù)據(jù)或圖像的局部特征。各向異性加強(qiáng)擴(kuò)散濾波可將各向異性特征擴(kuò)散消除，使相干特征加強(qiáng)。這對于構(gòu)造解釋和層序體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成像，都具有積極意義。

目前，應(yīng)用最廣泛的擴(kuò)散濾波理論是Perona和Malik所提出的非線性各向異性擴(kuò)散方程

在零交叉點(diǎn)（即u）處，當(dāng)u＞k2時(shí)，梯度得到增強(qiáng)；當(dāng)u＜k2，由于擴(kuò)散系數(shù)較大，梯度得到削弱。因此，經(jīng)過多次迭代之后，原始地震數(shù)據(jù)只有明顯的階躍邊緣，并且大面積的區(qū)域信息被保留，從而更加突出斷層處信息。

在應(yīng)用傾角擴(kuò)散濾波后，斷層上下盤兩側(cè)附近的振幅（以及其它信息），會朝著斷層方向偏移。斷層附近即斷層面的兩側(cè)地震數(shù)據(jù)，將被高質(zhì)量的數(shù)據(jù)所取代，從而使得斷層變得更清晰，進(jìn)而達(dá)到突出斷層的目的。

1.3 斷層增強(qiáng)濾波技術(shù)

傾角中值濾波在沒有斷層的區(qū)域平滑性較好但是不能創(chuàng)建像傾角擴(kuò)散濾波那樣分辨率高的斷層顯示。傾角擴(kuò)散濾波可以評估在傾角控制體圓盤內(nèi)地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量，但是將會產(chǎn)生不必要的環(huán)狀現(xiàn)象的顯示。

斷層增強(qiáng)濾波（Fault enhancement filter）的思想是根據(jù)傾角控制體內(nèi)地震數(shù)據(jù)質(zhì)量的不同而選取不同的濾波方法。如果質(zhì)量高（相似性就高），則可采用傾角中值濾波；如果質(zhì)量低（靠近斷層），則采用傾角擴(kuò)散濾波，從而達(dá)到對斷層高分辨的識別力。

斷層增強(qiáng)濾波沿傾角方向進(jìn)行中值和擴(kuò)散濾波，銳化邊緣（斷層）。在得到斷層增強(qiáng)濾波體的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算相似性屬性（或其它屬性），可以得到更高質(zhì)量的斷層形態(tài)。

2 邊緣增強(qiáng)濾波技術(shù)

作者使用邊緣增強(qiáng)濾波技術(shù)估計(jì)振幅值方差然后輸出方差最小的平均振幅，如圖2所示。

圖2 邊緣增強(qiáng)濾波Fig.2 Edge enhancement filtering

邊緣增強(qiáng)濾波對比四個(gè)方向相似性的差異正常區(qū)域評價(jià)點(diǎn)并沒有異常值，但當(dāng)穿過斷層時(shí)就會在垂直斷層方向（A－A’）表現(xiàn)出最大的差異。哪一點(diǎn)所在方向上具有最低的相似性，就輸出該方向的值（A－A’），并將其作為邊緣增強(qiáng)濾波屬性輸出，其結(jié)果會使斷層輪廓更加清晰。從邊緣增強(qiáng)濾波后的數(shù)據(jù)體中提取相似性參數(shù)，利用該參數(shù)可以更好地刻畫斷層分布。

3 應(yīng)用實(shí)例

淮南張集煤礦西三采區(qū)是全隱蔽含煤區(qū)，主采煤層為13－1煤層、11－2煤層、8煤層。其中，13－1煤層的構(gòu)造形態(tài)為一走向近東西，傾向南西的單斜，地層傾角9°～14°，褶曲發(fā)育不明顯，整套地層較為平。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造以近東西走向的中、小正斷層為主，同時(shí)伴生少部份近東西走向的小正斷層，規(guī)律性較強(qiáng)。

對該采區(qū)三維地震數(shù)據(jù)體應(yīng)用斷層增強(qiáng)濾波技術(shù)和邊緣增強(qiáng)濾波技術(shù)，可以獲得更加精確的斷層分布圖。在圖3中，作者將原始地震數(shù)據(jù)的沿層切片（圖3（a）），與經(jīng)過斷層增強(qiáng)濾波的沿層切片（圖3（b））進(jìn)行比較；將基于原始地震數(shù)據(jù)的相似性（圖3（c）），基于斷層增強(qiáng)濾波技術(shù)的相似性（圖3（d）），基于邊緣增強(qiáng)濾波技術(shù)的相似性（圖3（e）三者進(jìn)行了比較。

（1）通過圖3（a）與圖3（b）的對比不難看出，斷層增強(qiáng)濾波通過沿傾角方向的濾波，達(dá)到了銳化邊緣，刪除隨機(jī)噪聲，加強(qiáng)地震同相軸橫向連續(xù)性的作用。

（2）在圖3（c）中，由于斷層對地震波的吸收衰減作用，使得斷層附近的地震資料不好，顯示出來的斷層的形狀和大小都會受到影響。

（3）在圖3（d）中，連續(xù)相位被加強(qiáng)并且隨機(jī)分布的嗓音被壓制，濾波增加了地震數(shù)據(jù)的輸出的可解釋性，提高了水平層自動追蹤的可執(zhí)行性，更好地突出斷層的形態(tài)。

（4）圖3（e）可以圍繞每一個(gè)評價(jià)點(diǎn)，計(jì)算四個(gè)方向的相似性屬性，得到數(shù)學(xué)邏輯樣本，然后在不同的方向?qū)ふ以u價(jià)點(diǎn)與其旁邊點(diǎn)的響應(yīng)之間的最大差，該最大差方向即為垂直斷層的方向。

圖3 沿層切片對比Fig.3 Comparison of layer slices

4 結(jié)論

很多煤田地震數(shù)據(jù)的信噪比和清晰度，都不能滿足斷層精細(xì)檢測的要求，因此通過選擇斷層增強(qiáng)濾波技術(shù)和邊緣加強(qiáng)濾波技術(shù)，可以達(dá)到以下目標(biāo)：

（1）抑制隨機(jī)噪聲，提高地震數(shù)據(jù)信噪比。

（2）增強(qiáng)反射波同相軸連續(xù)性，提高資料的橫向分辨率。

（3）考慮到地層傾角的影響，是真正意義上的三維濾波。

（4）強(qiáng)化細(xì)微地震特征，突出小斷層的大小和形態(tài)，得到理想的目標(biāo)地質(zhì)體。

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1001—1749（2012）03—0249—04

P 631.4＋43

A

10.3969/j.issn.1001－1749.2012.03.02

張少青（1988－），女，江蘇宿遷人，碩士主要從事煤田地震勘探理論與方法研究。

國家自然基金項(xiàng)目（40874054）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2010ZDP01A07）

2011－07－27改回日期：2012－02－25