宋維琪，喻志超，楊勤勇，郭全仕，王 瑜

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島266580；2.中國(guó)石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院，江蘇南京211103）

微地震事件尤其是低信噪比微地震事件的高精度初至自動(dòng)拾取，既是微地震監(jiān)測(cè)的核心問(wèn)題又是難點(diǎn)問(wèn)題。到目前為止，地震信號(hào)的自動(dòng)拾取或震相識(shí)別方法主要有能量比法、赤池信息準(zhǔn)則（Akaike Information Criterion AIC）算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、分形維法等［1－2］。其中，能量比法是最為快捷、應(yīng)用最廣泛的一種自動(dòng)拾取方法，已有多種改進(jìn)型的算法被先后提出。Chen［3］提出計(jì)算微地震數(shù)據(jù)的絕對(duì)值、能量或包絡(luò)面的長(zhǎng)時(shí)窗（LTA）與短時(shí)窗（STA）作為識(shí)別有效事件的特征函數(shù)，通過(guò)計(jì)算長(zhǎng)、短時(shí)窗的比值來(lái)拾取微地震事件的初至。目前，這種長(zhǎng)、短時(shí)窗比法已成為多個(gè)微地震監(jiān)測(cè)商業(yè)軟件中常用的方法。不過(guò)，這種方法的缺陷在于受短時(shí)窗的影響較大，難以在高振幅噪聲中分辨出有效信號(hào)。

AIC算法是基于自回歸模型假設(shè)的一種算法，在地震監(jiān)測(cè)中常用于信號(hào)識(shí)別，早期根據(jù)自回歸模型假設(shè)設(shè)計(jì)的AR－AIC準(zhǔn)則，用于天然地震中P波和S波初至的拾取。王海軍等［4］對(duì)利用該方法拾取反射地震初至進(jìn)行了研究。宋維琪等［5］將基于AIC準(zhǔn)則的初至拾取方法應(yīng)用于微地震資料處理，發(fā)現(xiàn)在噪聲較強(qiáng)的情況下AIC值的最低點(diǎn)為初至點(diǎn)并不準(zhǔn)確，而AIC曲線的拐點(diǎn)通常對(duì)應(yīng)著信號(hào)的初至，在此基礎(chǔ)上提出了對(duì)AIC曲線進(jìn)行校正的方法，這種方法的最基本假設(shè)是噪聲與地震信號(hào)都可以用不同的自回歸模型表示出來(lái)，在算法設(shè)計(jì)時(shí)自回歸方法和模型階數(shù)是需要考慮的兩個(gè)主要因素。實(shí)際試算發(fā)現(xiàn)，初至拾取結(jié)果受模型階數(shù)的影響較大。張范民等［6］根據(jù)地震信號(hào)的初動(dòng)特征與震源位置和地震波傳播方向有關(guān)的性質(zhì)，將瞬時(shí)矢量模作為系統(tǒng)的輸入來(lái)進(jìn)行地震信號(hào)初至拾取，對(duì)確定地震震相和到時(shí)比較有效。常旭等［2］引入廣義分維來(lái)進(jìn)行初至拾取，這種方法中所利用的廣義維不再具有物理意義，而是表示了地震記錄在某種測(cè)量方式下的相對(duì)特征值，利用這個(gè)相對(duì)特征值為在高噪聲背景下拾取地震初至提供了合理的依據(jù)。

我們針對(duì)低信噪比微地震資料的特點(diǎn)，在總結(jié)借鑒眾多研究方法優(yōu)勢(shì)與缺陷的基礎(chǔ)上，采取資料處理流程與初至拾取算法相結(jié)合的微地震事件初至自動(dòng)拾取方法研究思路，提出了低信噪比微地震資料的最優(yōu)處理流程和振幅門(mén)檻值范圍約束下的初至自動(dòng)拾取方法。

1 低信噪比微地震資料處理流程

目前對(duì)于低信噪比微地震事件的初至拾取主要是采用人工手動(dòng)拾取的方法?？焖佟⒏呔鹊某踔磷詣?dòng)拾取是微地震監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。微地震事件初至拾取的主要依據(jù)信息是有用事件初至的能量、視速度及相位，所以，實(shí)現(xiàn)高精度初至自動(dòng)拾取的關(guān)鍵是微地震資料處理能否真正突出微地震有用事件的初至信息。

雖然任何處理方法都或多或少地改變了原始資料［7－8］，但是對(duì)于低信噪比微地震資料，不進(jìn)行處理就不能突出有用事件初至信息。如對(duì)于圖1a所示的X地區(qū)微地震原始記錄，直接利用能量信息拾取事件初至幾乎不可能。對(duì)原始資料進(jìn)行常規(guī)處理后（圖1b），雖然事件能量信息得到了一定程度的突出，但是拾取的初至與真實(shí)的初至差別較大。真實(shí)的初至點(diǎn)位置在第380個(gè)采樣點(diǎn)上下30個(gè)采樣點(diǎn)變化范圍內(nèi)，而用能量比法拾取的初至范圍幾乎分布于整個(gè)時(shí)間段（圖1c）?？梢?jiàn)，對(duì)于常規(guī)處理后的低信噪比微地震資料，無(wú)法利用能量比法準(zhǔn)確判別可用于識(shí)別事件的初至信息，也就不能拾取到正確的初至。

圖1 X地區(qū)微地震原始記錄（a）經(jīng)常規(guī)處理后的記錄（b）以及用能量比法拾取的初至（c）

針對(duì)微地震資料的特點(diǎn)和事件初至拾取的處理要求，必須在拾取初至之前通過(guò)有效的處理方法與流程來(lái)增強(qiáng)事件的有效信號(hào)能量，最大限度地壓制各種噪聲，得到機(jī)器能夠準(zhǔn)確識(shí)別初至信息的微地震記錄，這是初至自動(dòng)拾取方法研究與應(yīng)用的前提條件。

目前用于微地震資料處理且效果較為明顯的方法有：不同帶通濾波方法（具有高、低截頻和不具有高、低截頻）、自適應(yīng)濾波、能量比方法、高階矩能量比方法、相關(guān)處理方法、多重相關(guān)處理方法、相關(guān)中位數(shù)濾波方法以及事件約束切除方法。在逐一分析這些處理方法功能與效果的基礎(chǔ)上，優(yōu)選并調(diào)整其應(yīng)用的先后順序，嘗試采用不同的處理流程對(duì)低信噪比微地震資料進(jìn)行處理，取得了不同的處理效果。圖2a是采用常規(guī)的“帶通濾波→自適應(yīng)濾波→相關(guān)濾波→高階矩能量比方法→中位數(shù)濾波→切除濾波”流程，對(duì)X地區(qū)微地震原始記錄（圖1a）進(jìn)行處理的結(jié)果。對(duì)比圖2a與圖1b可見(jiàn)，處理后的記錄有了較明顯的改善，盡管效果還不理想，但噪聲已得到了一定程度的壓制。

圖2 對(duì)X地區(qū)微地震原始記錄采用常規(guī)流程（a）和最優(yōu)流程（b）得到的處理結(jié)果

以上研究表明，處理方法的優(yōu)選和處理流程的優(yōu)化可以取得突出微地震事件初至信號(hào)的效果?；谛Чc效率兼顧的原則，通過(guò)實(shí)際資料的若干次試驗(yàn)分析，我們提出低信噪比微地震資料的最優(yōu)處理流程為“帶通濾波→自適應(yīng)濾波→高階矩能量比方法→相關(guān)濾波→切除濾波”。

利用該最優(yōu)處理流程對(duì)X地區(qū)微地震原始記錄（圖1a）進(jìn)行處理，其結(jié)果如圖2b所示。對(duì)比圖2a和圖2b可以看到，最優(yōu)處理流程的處理結(jié)果有了非常明顯的改善，事件初至能量得到清楚的揭示，而噪聲得到了很好的壓制。為了進(jìn)一步說(shuō)明最優(yōu)處理流程的應(yīng)用效果，再利用Y地區(qū)的三分量微地震資料進(jìn)行處理驗(yàn)證。圖3a為Y地區(qū)三分量微地震原始記錄；圖3b是采用與圖2a相同流程處理的結(jié)果；圖3c是最優(yōu)流程處理結(jié)果。對(duì)比圖3b和圖3c再次證明了我們所提出的最優(yōu)處理流程對(duì)低信噪比微地震資料的處理效果。

圖3 Y地區(qū)三分量微地震記錄（a）采用常規(guī)流程處理結(jié)果（b）以及采用最優(yōu)流程處理結(jié)果（c）

2 微地震事件初至自動(dòng)拾取方法

微地震事件初至拾取與資料的處理程度有關(guān)，理想情況是把微地震資料處理到只有一個(gè)極大值或只有一個(gè)可拾取的初至信息，這時(shí)機(jī)器就一定能準(zhǔn)確地拾取到事件初至，而實(shí)際上資料處理不可能達(dá)到完全理想化的情況。因此，微地震資料初至拾取應(yīng)該是處理方法和拾取方法的結(jié)合。在研究并提出低信噪比微地震資料最優(yōu)處理流程的前提下，來(lái)研究微地震事件初至拾取方法。

對(duì)于三分量記錄微地震資料的初至拾取，理論上應(yīng)該用跟蹤分量拾取［9－10］。但是研究實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，處理后低信噪比微地震資料的跟蹤分量效果不理想。因此，這里研究從三分量中尋找最佳分量拾取初至的方法。以拾取P波初至為例（S波方法相同）進(jìn)行討論。

2.1 微地震記錄初至拾取的依據(jù)條件

根據(jù)微地震記錄事件初至波變化特征［11－13］，可以用于拾取其初至信息的依據(jù)條件是：振幅（能量）強(qiáng)，相位連續(xù)，同相位變化滿(mǎn)足視速度變化規(guī)律等［12］。任何初至拾取方法都是依據(jù)這些條件來(lái)拾取地震波初至?xí)r間的。對(duì)于振幅（能量）信息的拾取，一般情況下微地震事件能量會(huì)比噪聲強(qiáng)，對(duì)于低信噪比資料則通過(guò)處理來(lái)提高事件的信噪比。強(qiáng)能量是事件的基本標(biāo)志信息，所以，微地震事件初至的拾取首先考慮能量信息。視速度是初至拾取的重要約束條件，因?yàn)閺奈⒌卣鹩涗浿星笳穹畲笾禃r(shí)，所求振幅最大值和選的時(shí)間窗口有關(guān)，一道微地震記錄的最大值不一定是初至?xí)r間的位置，而滿(mǎn)足視速度變化范圍的最大值點(diǎn)才對(duì)應(yīng)事件的初至。在信噪比大于1的條件下，如果選取的數(shù)據(jù)時(shí)窗中有一個(gè)微地震事件存在，則在該時(shí)窗內(nèi)不但存在振幅極大值，并且振幅極大值同相點(diǎn)分布在沿著視速度方向的一個(gè)較小的時(shí)窗內(nèi)，一般情況下這些極大值對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)就是事件的初至。

2.2 振幅門(mén)檻值范圍約束下的初至拾取

基于上述初至拾取的依據(jù)條件，在總結(jié)借鑒多種初至拾取方法優(yōu)勢(shì)與缺陷的基礎(chǔ)上，通過(guò)深入研究和反復(fù)實(shí)踐，我們提出“視速度約束下變振幅門(mén)檻值迭代掃描初至自動(dòng)拾取方法”。該方法以振幅（能量）信息為基礎(chǔ)，在視速度約束下，緊緊圍繞事件走時(shí)初至的時(shí)空變化特征，即初至同相軸的變化特征，利用固定大時(shí)窗和滑動(dòng)小時(shí)窗內(nèi)走時(shí)初至點(diǎn)能量信息的變化規(guī)律，采用多次迭代的方法，實(shí)現(xiàn)微地震事件初至的自動(dòng)拾取。最后再對(duì)拾取的初至曲線進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化處理，得到最終的初至拾取結(jié)果。

2.2.1 算法設(shè)計(jì)

在初至自動(dòng)拾取算法設(shè)計(jì)時(shí)，首先在一定的時(shí)窗內(nèi)，求每一道最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)間位置（具體為采樣點(diǎn)位置），然后計(jì)算道間最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)間差（視速度變化）作為約束條件，設(shè)置一定的門(mén)檻值，保留給定門(mén)檻值范圍內(nèi)的時(shí)間位置，即初始拾取的初至。每個(gè)事件所有道初至對(duì)應(yīng)的振幅不可能都是最大值，因此在某個(gè)給定振幅門(mén)檻值范圍內(nèi)，只有幾道滿(mǎn)足條件（理論上至少兩道，只要存在微地震事件，一般都能滿(mǎn)足），這時(shí)把這些滿(mǎn)足條件的某幾道記錄下來(lái)，并計(jì)算其振幅最大值的平均值，然后利用求得的振幅最大值的平均值作為新的振幅門(mén)檻值，計(jì)算并尋找滑動(dòng)時(shí)窗內(nèi)滿(mǎn)足該振幅門(mén)檻值的初至位置。注意滑動(dòng)時(shí)窗的大小設(shè)置，如果選得太小，即在時(shí)窗內(nèi)不能包括從一道到最后一道的初至位置，容易漏掉事件初至點(diǎn)；如果滑動(dòng)時(shí)窗選得太大，又選多了事件的初至點(diǎn)位置。

在給定的門(mén)限范圍內(nèi)，每一道不可能都能拾取到一個(gè)真實(shí)的初至點(diǎn)位置。所以給定的初始門(mén)檻值范圍內(nèi)每一道可能有多個(gè)點(diǎn)滿(mǎn)足條件，得到多個(gè)初至點(diǎn)位置，在這多個(gè)初至位置點(diǎn)中求振幅最大值對(duì)應(yīng)的初至點(diǎn)作為更新的初至點(diǎn)，依次循環(huán)迭代（見(jiàn)圖4和圖5），最終找到真實(shí)的初至點(diǎn)位置。

2.2.2 初至優(yōu)化處理

通過(guò)上述多次循環(huán)迭代處理后，基本上就能較準(zhǔn)確地拾取事件的初至，但是有的事件的真實(shí)初至對(duì)應(yīng)的振幅值不可能剛好落入設(shè)置的振幅門(mén)檻值范圍。因此，拾取的個(gè)別點(diǎn)有可能不是真實(shí)的初至位置，即拾取的初至曲線是起伏波動(dòng)的。一般情況下再對(duì)其進(jìn)行擬合或平滑處理即可。但是擬合或平滑處理極易改變初至點(diǎn)的真實(shí)位置，使得拾取的初至又人為地添加了誤差。

圖4 常規(guī)處理流程處理后初至自動(dòng)拾取方法迭代1次（a）、5次（b）和最終拾?。╟）的結(jié)果

圖5 最優(yōu)處理流程處理后初至自動(dòng)拾取方法迭代1次（a）、5次（b）和最終拾?。╟）的結(jié)果

為了對(duì)個(gè)別跳動(dòng)較大的初至點(diǎn)進(jìn)行校正，而又盡量保持其它點(diǎn)不動(dòng)或變動(dòng)很小，采取了計(jì)算道間初至差約束的的初至優(yōu)化處理辦法，在視速度時(shí)間變化范圍約束下，如果某個(gè)初至點(diǎn)超過(guò)這個(gè)范圍，該初至點(diǎn)就取相鄰道的初至的加權(quán)平均值。依次調(diào)節(jié)視速度的約束范圍，重復(fù)上述步驟，最終得到一條跳動(dòng)較小的較真實(shí)的初至曲線（如圖5c所示）。

3 實(shí)際資料應(yīng)用

采用實(shí)際微地震資料來(lái)論證上述初至自動(dòng)拾取方法的應(yīng)用效果。先考慮圖3a所示的Y地區(qū)實(shí)際三分量微地震記錄（1～12道為Z分量，13～24道為X分量，25～36道為Y分量），采用初至自動(dòng)拾取方法對(duì)常規(guī)處理流程處理后的圖3b和最優(yōu)處理流程處理后的圖3c進(jìn)行初至拾取，其結(jié)果分別見(jiàn)圖4c和圖5c所示，由圖5c可見(jiàn)拾取的結(jié)果比較理想。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證方法的適應(yīng)性，再選取Z地區(qū)的三分量微地震資料（圖6a）進(jìn)行最優(yōu)流程處理和初至自動(dòng)拾取，其結(jié)果分別示于圖6b和圖6c，可見(jiàn)也取得了較好的效果。

以上通過(guò)不同地區(qū)實(shí)際資料論證了本文研究方法的實(shí)際應(yīng)用效果，為了跟以往初至拾取方法比較，在這里以Y地區(qū)微地震事件初至拾取為例加以比較分析。圖7a為微地震事件記錄，圖7b為采用AIC準(zhǔn)則初至拾取方法拾取的初至，圖7c為采用本文研究方法拾取的初至。比較分析圖7b和圖7c初至拾取結(jié)果可以看到，采用AIC方法拾取的初至，前面幾道和后面幾道明顯錯(cuò)誤，中間幾道和真實(shí)的初至也存在較大的誤差；采用本文研究方法拾取的初至，從分析對(duì)比事件記錄資料初至同相軸的時(shí)空變化，就能判斷拾取的初至正確合理。

圖7 不同方法初至拾取結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

采用機(jī)器自動(dòng)拾取低信噪比微地震事件記錄初至，必須將資料處理與初至拾取方法相結(jié)合，才能取得比較可靠的結(jié)果。對(duì)低信噪比微地震資料，單一處理方法往往難以取得理想的效果。通過(guò)處理方法的優(yōu)選和處理流程的優(yōu)化分析研究，提出了處理微地震資料特別是低信噪比微地震資料的最優(yōu)處理流程。實(shí)際微地震資料的處理結(jié)果表明，優(yōu)化處理流程的處理效果明顯，處理后資料的初至自動(dòng)拾取結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

基于優(yōu)化處理后的微地震資料，在綜合考慮各種必須條件的基礎(chǔ)上，研究形成了適應(yīng)性強(qiáng)、拾取結(jié)果可靠的初至自動(dòng)拾取方法。該方法以能量信息為基礎(chǔ)，緊緊圍繞事件走時(shí)初至的時(shí)空變化特征，即初至同相軸的變化特征，利用固定大時(shí)窗和滑動(dòng)小時(shí)窗內(nèi)走時(shí)初至點(diǎn)能量信息的變化規(guī)律，采用多次迭代的方法，進(jìn)行微地震事件初至的自動(dòng)拾取。這樣，既能確保拾取到事件同相軸強(qiáng)能量信息的初至點(diǎn)，又能拾到相對(duì)較弱能量信息的初至點(diǎn)。實(shí)際資料的應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。

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