劉百紅 李建華 鄭四連 宋志翔 張敬東 孫維昭(中國(guó)石化石油物探技術(shù)研究院地球物理軟件研究所，江蘇南京 211103； 東方地球物理公司研究院地質(zhì)研究中心，河北涿州 072751； 東方地球物理公司研究院海外業(yè)務(wù)部，河北涿州 072751)

1 引言

在近地表調(diào)查中，初至層析是一種查明近地表速度結(jié)構(gòu)非常有效而且常用的方法。而初至拾取又是初至層析的第一步，其準(zhǔn)確與否會(huì)直接影響到層析反演結(jié)果。最初地震波初至是以人機(jī)交互的方式拾取，隨著采集數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，人工初至拾取就成為一項(xiàng)費(fèi)時(shí)而繁瑣的工作。近年來(lái)，出現(xiàn)了許多自動(dòng)初至拾取方法，例如能量比法[1-5]、AIC法[6-8]，二分法[9]、分形分維法[10-12]等，并將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[13，14]、時(shí)頻分析[15-17]以及邊緣檢測(cè)[18]等計(jì)算方法與技術(shù)應(yīng)用到自動(dòng)初至拾取中。其中，能量比法因其簡(jiǎn)單實(shí)用而被廣泛應(yīng)用。但是在復(fù)雜近地表?xiàng)l件下，由于初至波能量特征、波形特征、相位特征變化大，又常常受噪聲干擾，初至波自動(dòng)拾取方法的精度和效率仍然無(wú)法滿足要求，因此有許多基于能量比的改進(jìn)方法被不斷提出[19-25]。

本文基于局部互相關(guān)相似屬性提出了一種能量比初至拾取改進(jìn)方法。該方法首先計(jì)算地震道的局部互相關(guān)相似屬性道；然后根據(jù)粗略估計(jì)的近地表速度和炮檢距定義該道初至搜索范圍；最后將這些局部屬性道作為能量比法的輸入，計(jì)算局部相似屬性道的能量比曲線，取搜索范圍內(nèi)能量比曲線的最大值所在位置為初至?xí)r刻。改進(jìn)方法提高了初至波自動(dòng)拾取的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和抗干擾能力。

2 能量比法

傳統(tǒng)的能量比法利用初至波前、后能量上的差異進(jìn)行初至拾取。

首先從地震道的第1個(gè)樣點(diǎn)開始，選擇一個(gè)合適的時(shí)窗長(zhǎng)度l，計(jì)算該時(shí)窗的地震道能量

(1)

然后從第二個(gè)采樣點(diǎn)開始再取l個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算第2個(gè)窗口的能量

(2)

再計(jì)算相鄰兩個(gè)時(shí)窗的能量比

(3)

式中：E1、E2分別為地震道前、后兩個(gè)時(shí)窗的能量； ER為相鄰兩個(gè)時(shí)窗能量的比；si為地震數(shù)據(jù)，i為樣點(diǎn)序號(hào)；β為穩(wěn)定因子。

前后兩個(gè)時(shí)窗同時(shí)向后滑動(dòng)一個(gè)樣點(diǎn)，計(jì)算下一個(gè)時(shí)刻的能量比。依此類推，計(jì)算完整個(gè)地震道的能量比曲線。

能量比曲線最大值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為初至?xí)r間。該初至拾取方法快速、準(zhǔn)確、應(yīng)用廣泛，但對(duì)噪聲比較敏感。

3 改進(jìn)的能量比法

首先，傳統(tǒng)的滑動(dòng)時(shí)窗總是從每個(gè)地震道的起始時(shí)刻開始，一直到地震道結(jié)束。也就是說(shuō)初至的搜索是在整個(gè)地震道內(nèi)進(jìn)行的。這一方面增加了計(jì)算時(shí)間，更重要的是，會(huì)產(chǎn)生“夜長(zhǎng)夢(mèng)多”的效應(yīng)，如圖1中初至?xí)r間對(duì)應(yīng)的并不是能量比曲線最大值時(shí)間，而是次極值時(shí)間。因此，本文首先對(duì)每一道設(shè)置一個(gè)初至搜索中心

(4)

式中：xj為第j地震道的炮檢距；v是近地表速度的一個(gè)粗略估計(jì)值。v的選擇要能夠使所有tj都小于初至?xí)r間，這實(shí)際上類似于線性動(dòng)校。然后以tj為中心，設(shè)置相應(yīng)道的搜索范圍L，例如L=100個(gè)采樣點(diǎn)，那么第j道的滑動(dòng)窗口的起始點(diǎn)則為tj-L，終止點(diǎn)則為tj+L，從而將每一炮的初至搜索范圍限制在圖2所示的條帶范圍內(nèi)。這樣不但減少了計(jì)算量，而且可以減少一些干擾。尤其是當(dāng)?shù)乇砥鸱淮?、地下近地表速度橫向變化不劇烈時(shí)，選擇合適的v可以使得搜索中心十分接近真實(shí)初至，有助于準(zhǔn)確拾取初至位置。

圖1 合成地震道(a)及傳統(tǒng)能量比曲線(b)

圖2 初至搜索范圍的定義

R(i)=max[corr(a,b)]

(5)

式中：a和b分別為地震道上前、后兩個(gè)時(shí)窗內(nèi)的信號(hào)； corr(·，·)表示兩個(gè)信號(hào)的互相關(guān)。前一個(gè)窗口從地震道上第i點(diǎn)開始，后一個(gè)時(shí)窗從地震道上第i+k點(diǎn)開始，這兩個(gè)時(shí)窗長(zhǎng)度都為N，但是這兩個(gè)時(shí)窗的起始時(shí)間相差k個(gè)樣點(diǎn)，k一般取1或者2。兩個(gè)窗口內(nèi)信號(hào)互相關(guān)結(jié)果的最大值被賦予到屬性道的第i點(diǎn)。這兩個(gè)窗口從地震道起始時(shí)刻依次向后移動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)，直到地震道末尾，完成整個(gè)屬性道的計(jì)算(圖3)。

圖3 圖1a地震道的局部互相關(guān)屬性

圖4 圖1a所示地震道的另外三種局部相似性曲線(a)局部余弦距離曲線； (b)局部歐氏距離曲線；(c)局部曼哈頓距離曲線

但是并不是所有的相似性計(jì)算方式都適用于初至拾取。圖4為圖1a所示地震道的局部余弦距離曲線、局部歐氏距離曲線和局部曼哈頓距離曲線。對(duì)比圖3和圖4可見，本文使用的局部互相關(guān)曲線能更好地壓制隨機(jī)噪聲。

計(jì)算局部互相關(guān)屬性道以后，用局部互相關(guān)屬性道而不是地震道作為能量比方法的輸入，從而計(jì)算出局部互相關(guān)屬性道的能量比(ER)曲線，并取能量比曲線最大值的位置為地震道初至?xí)r間。

4 模型試驗(yàn)

首先將本文方法用于一道無(wú)噪聲的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)。該道采樣間隔為2ms，道長(zhǎng)為2s，初至清晰可見(圖5a上)。然后加入方差依次為0.05、0.10、0.15的隨機(jī)噪聲，使該道的信噪比依次為11.9、3.7、2.6，并用本文所述方法進(jìn)行初至自動(dòng)拾取(圖5)。由圖5可見，本文方法在較強(qiáng)的隨機(jī)噪聲干擾下，依然能準(zhǔn)確地拾取初至。

圖5 不同信噪比地震數(shù)據(jù)(上)、傳統(tǒng)能量比曲線(中)以及基于局部互相關(guān)屬性的能量比曲線(下)(a)無(wú)噪； (b)信噪比為11.9； (c)信噪比為3.7； (d)信噪比為2.6

5 應(yīng)用實(shí)例

首先應(yīng)用高信噪比實(shí)際單炮地震數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)。該道集時(shí)間采樣間隔為2ms，道長(zhǎng)為2s。分別用本文方法和傳統(tǒng)能量比法進(jìn)行了初至自動(dòng)拾取(圖6)。由圖可見，兩種方法拾取結(jié)果總體趨勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了本方法的可行性。但在35～45道之間以及105道附近，傳統(tǒng)能量比法的拾取結(jié)果抖動(dòng)明顯，本文方法的拾取結(jié)果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)能量比法，表明本文方法更加穩(wěn)健，而傳統(tǒng)的能量比法對(duì)噪聲更加敏感。

然后選用比較復(fù)雜的實(shí)際地震資料進(jìn)行試驗(yàn)。該資料時(shí)間采樣間隔為1ms，道長(zhǎng)為4s。工區(qū)為中國(guó)西南山區(qū)，區(qū)內(nèi)溝谷幽深、山勢(shì)陡峭、相對(duì)高差大，喀斯特地貌發(fā)育，多溶洞、暗河，地表巖石多為沉積巖和變質(zhì)巖，近地表速度和厚度變化劇烈，因此資料的信噪比較低。實(shí)際單炮道集本文方法自動(dòng)初至拾取結(jié)果如圖7所示，可見本文方法具有一定的抗噪能力，但是在強(qiáng)相干噪聲的干擾下拾取結(jié)果還有待改進(jìn)。

圖6 高信噪比單炮實(shí)際資料不同方法拾取結(jié)果(a)本文方法； (b)傳統(tǒng)能量比法

圖7 低信噪比實(shí)際單炮數(shù)據(jù)不同方法拾取結(jié)果(a)本文方法； (b)傳統(tǒng)能量比法

6 結(jié)束語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)能量比方法的基礎(chǔ)上，提出了一種地震波初至拾取方法。該方法基于地震道的局部相似性形成了一種新的地震屬性道，然后將該地震屬性道作為能量比值法輸入來(lái)拾取地震波初至，與常規(guī)的地震屬性道(如振幅絕對(duì)值、振幅包絡(luò))能量比值法相比，具有抗隨機(jī)噪聲能力強(qiáng)、拾取精度高的特點(diǎn)。同時(shí)本文提出了限定搜索范圍策略，可以進(jìn)一步提高本文方法的初至拾取質(zhì)量。

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