何寶慶 謝小碧

(①東方地球物理公司采集技術(shù)中心，河北涿州 072751； ②加州大學(xué)圣克魯斯地球物理及行星物理研究所，美國(guó)加州 95064)

0 引言

寬線地震是一種介于二維與三維之間的過(guò)渡方法。它實(shí)施一種非常窄方位的三維數(shù)據(jù)采集，然后對(duì)記錄在Crossline 方向進(jìn)行疊加處理，從而得到一條二維記錄并用于二維成像。相比于常規(guī)二維地震方法，寬線疊加過(guò)程可增強(qiáng)來(lái)自剖面內(nèi)的反射信號(hào)，同時(shí)壓制來(lái)自剖面外傾斜反射面的側(cè)向干擾信號(hào)，因此在復(fù)雜構(gòu)造區(qū)可得到比常規(guī)二維地震方法更高的成像質(zhì)量。另一方面，寬線地震在觀測(cè)中使用Crossline 方向多個(gè)接收點(diǎn)的疊加輸出，其本身相當(dāng)于一種接收點(diǎn)的組合疊加，且由于Crossline 方向的孔徑通常大于常規(guī)單線采集中的接收點(diǎn)組合尺度，對(duì)復(fù)雜地區(qū)普遍存在的淺層小尺度非均勻體產(chǎn)生的散射噪聲往往具有更好的壓制作用。這使它在淺部強(qiáng)散射發(fā)育地區(qū)具有良好的適應(yīng)性。

寬線地震勘探方法是20世紀(jì)70年代由CGG公司的Michon[1]提出的，之后，快速轉(zhuǎn)入了三維地震勘探，寬線地震方法并未獲得深入研究和廣泛應(yīng)用。由于中國(guó)陸上地震勘探常見(jiàn)復(fù)雜地下結(jié)構(gòu)和極端崎嶇的地表環(huán)境，這類地區(qū)開(kāi)展的二維地震勘探通常難以獲得令人滿意的成果，而三維地震勘探則存在復(fù)雜地形下工效低、成本高的缺點(diǎn)，因而此期間寬線地震勘探技術(shù)在中國(guó)陸上勘探實(shí)踐中取得長(zhǎng)足發(fā)展，并在西部低信噪比地區(qū)的前期勘探中發(fā)揮了重要作用。

業(yè)界一直在探索將寬線地震勘探方法應(yīng)用于復(fù)雜探區(qū)的可行性，并已取得一些成功經(jīng)驗(yàn)[2-12]； 還分別從采集施工、數(shù)據(jù)處理及成像等環(huán)節(jié)進(jìn)一步研討了復(fù)雜探區(qū)寬線方法的優(yōu)越性[13-16]。然而，對(duì)于寬線方法本身尚欠深入研究。

包吉山[17]、梁世華等[18]早期僅對(duì)現(xiàn)場(chǎng)寬線數(shù)據(jù)直接進(jìn)行疊加解釋。近年來(lái)，呂公河[19]通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比研究了寬線采集參數(shù)對(duì)系統(tǒng)噪聲壓制能力的影響。陳茂根等[20]利用多纜和多震源線的海上地震數(shù)據(jù)做了多種數(shù)據(jù)組合和多種成像方法的實(shí)驗(yàn)，包括對(duì)單線、寬線和三維數(shù)據(jù)體進(jìn)行了二維和三維疊前偏移處理。這些工作都是針對(duì)實(shí)際原始數(shù)據(jù)進(jìn)行的。雖然對(duì)采集系統(tǒng)參數(shù)與成像質(zhì)量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，但實(shí)際勘探中地下情況是未知的，從中難以得到明確的因果關(guān)系。

本文將從寬線方法的理論響應(yīng)和數(shù)值實(shí)驗(yàn)兩方面進(jìn)行研究。為此，利用三維數(shù)值模擬產(chǎn)生寬線數(shù)據(jù)，在模型中引入傾斜反射面模擬側(cè)向反射、引入隨機(jī)速度層模擬淺部小尺度非均勻?qū)又械纳⑸洮F(xiàn)象，側(cè)重研究寬線方法對(duì)這些干擾的壓制作用。充分利用數(shù)值模擬方法的高度靈活性，最大限度地模擬實(shí)際寬線數(shù)據(jù)的采集、處理和成像過(guò)程。根據(jù)研究目的在大范圍內(nèi)系統(tǒng)性地改變速度模型結(jié)構(gòu)、采集參數(shù)和數(shù)據(jù)處理方法，并研究它們與噪聲壓制及成像質(zhì)量的內(nèi)在聯(lián)系，從而為更高效地使用寬線地震方法提供依據(jù)。

1 寬線采集系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)

在寬線方法的發(fā)展過(guò)程中曾產(chǎn)生過(guò)多種不同的處理方法。針對(duì)疊后偏移、疊前偏移及時(shí)間偏移、深度偏移等，相應(yīng)的疊加方式也不盡相同。本文討論寬線疊前深度偏移。目前相應(yīng)處理過(guò)程是在Crossline方向使用單一面元進(jìn)行疊加形成二維道集后再做偏移成像計(jì)算，或直接將Crossline方向各道信號(hào)疊加形成二維寬線疊加炮集后施行偏移成像。由于Crossline方向的實(shí)際炮檢距極小，兩種方法的結(jié)果基本相同。陳茂根等[20]在實(shí)際數(shù)據(jù)處理中將各條測(cè)線數(shù)據(jù)分別做二維疊前偏移，再疊加成像結(jié)果，與直接將記錄數(shù)據(jù)沿Crossline方向疊加再做一次二維成像所得結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)二者基本相同。早期亦曾探討過(guò)先在Crossline方向做傾角掃描，然后在考慮傾角的情況下做疊加。這種方法雖能改善反射信號(hào)強(qiáng)度，但同時(shí)也使寬線方法失去了對(duì)側(cè)向反射的壓制能力。因此，本文采用對(duì)窄方位角三維數(shù)據(jù)沿Crossline方向直接進(jìn)行無(wú)延遲疊加，而在Inline方向維持不變的方式產(chǎn)生二維數(shù)據(jù)。以下分析寬線采集系統(tǒng)對(duì)地下不同方向入射波的響應(yīng)函數(shù)。

疊加一組接收點(diǎn)的輸出可增強(qiáng)來(lái)自某些特定方向的信號(hào)，壓制其他方向的信號(hào)，從而改變采集系統(tǒng)對(duì)不同入射方向來(lái)波的響應(yīng)[21]。本文將這種方向選擇性定義為采集系統(tǒng)的方向響應(yīng)函數(shù)。這與雷達(dá)、聲納、超聲等領(lǐng)域所用的信號(hào)處理方式類似。在地震學(xué)中相應(yīng)的是地震臺(tái)陣處理技術(shù)[22]，類似的方法也被用于研究地震信號(hào)的角度域分解等[23-24]。采用將Crossline方向的若干接收點(diǎn)的輸出信號(hào)以零時(shí)移方式直接疊加形成寬線數(shù)據(jù)，以加強(qiáng)來(lái)自垂直方向的信號(hào)。這相當(dāng)于上述理論的特殊形式，即將接收矩陣的最靈敏方向?qū)?zhǔn)垂直方向。

圖1所示的寬線采集系統(tǒng)幾何示意圖中，x和y軸分別沿Inline和Crossline方向，z軸向上，黑色點(diǎn)為排列在地表的接收點(diǎn)。由于寬線數(shù)據(jù)是由沿Crossline方向的數(shù)據(jù)疊加形成的，因此接收點(diǎn)矩陣沿該方向的排列方式對(duì)結(jié)果具有重要影響。分別稱與此有關(guān)的參數(shù)為線間距d、接收線數(shù)n，并將w=d×n定義為接收點(diǎn)矩陣在Crossline方向的孔徑。波由下方入射到接收點(diǎn)矩陣。p=eθ/v為波慢度矢量，波沿p方向傳播并入射到接收點(diǎn)矩陣，v為采集系統(tǒng)下方的平均波速，eθ是沿波傳播方向上的單位矢量；θ=(θ,φ)是波的入射角向量，其中θ是入射角，沿垂直方向入射角為0°，φ為方位角，沿Inline方向方位角為0°。分別討論簡(jiǎn)諧波入射和寬帶信號(hào)入射情況下的響應(yīng)函數(shù)。

圖1 寬線采集示意圖

1.1 簡(jiǎn)諧波響應(yīng)函數(shù)

當(dāng)入射波為簡(jiǎn)諧平面波u(ω)eiω p·r時(shí)，對(duì)所有接收點(diǎn)記錄的信號(hào)進(jìn)行無(wú)相移疊加可得到對(duì)不同方向入射波的響應(yīng)函數(shù)為

(1)

式中：u(ω)為簡(jiǎn)諧波振幅；ω是角頻率；ri是第i個(gè)檢波器位置；r0是疊加參考點(diǎn)位置，如多個(gè)接收道中間位置； “·”表示點(diǎn)乘。求和對(duì)選定的一組接收點(diǎn)進(jìn)行。對(duì)于寬線地震采集，通常選定沿Crossline 方向接收點(diǎn)做疊加，此時(shí)疊加只對(duì)ri屬于 Crossline的接收點(diǎn)進(jìn)行，且φ=90°。

為研究具有不同參數(shù)的寬線采集系統(tǒng)對(duì)單頻響應(yīng)函數(shù)的影響，計(jì)算具有不同孔徑w和不同接收線數(shù)n的采集系統(tǒng)對(duì)不同頻率簡(jiǎn)諧波入射情況下的響應(yīng)函數(shù)(圖2)。圖2a、圖2b、圖2c分別對(duì)應(yīng)固定其余兩個(gè)參數(shù)時(shí)不同主頻(10、15、20、25和30 Hz)、不同孔徑(40、80、120、160和200m)、不同接收線數(shù)(2、4、6、8和10)情況下的響應(yīng)結(jié)果。由于寬線采集系統(tǒng)對(duì)水平排列接收點(diǎn)獲得的信號(hào)進(jìn)行零相移疊加，角度響應(yīng)的主瓣指向下方，其寬度表示角度相應(yīng)的尖銳程度。最大靈敏度指向垂直方向，對(duì)來(lái)自剖面兩側(cè)的信號(hào)有較強(qiáng)壓制作用。這正是寬線地震采集方法所追求的。

圖2 寬線采集系統(tǒng)對(duì)不同入射信號(hào)的角度響應(yīng)函數(shù)

1.2 寬帶信號(hào)的響應(yīng)函數(shù)

利用式(1)計(jì)算單頻信號(hào)的響應(yīng)相當(dāng)于對(duì)無(wú)窮長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行疊加，而地震勘探中更為關(guān)注的是寬帶瞬變信號(hào)。它一般具有有限的持續(xù)時(shí)間并混合了不同的頻率成分，因此其響應(yīng)函數(shù)與單頻信號(hào)有一定的差別。對(duì)來(lái)自p方向的入射波u(t-p·r)在Crossline方向進(jìn)行疊加

(2)

即可得寬線采集系統(tǒng)的輸出波形u′(t)。

對(duì)不同寬線采集參數(shù)和不同主頻的寬帶信號(hào)疊加得到的輸出波形如圖3所示。計(jì)算中所用的寬帶信號(hào)是主頻為f的雷克子波，入射角范圍是0°～80°。圖3a、圖3b、圖3c分別對(duì)應(yīng)固定其余兩個(gè)參數(shù)時(shí)不同主頻(10、15、20、25和30 Hz)、不同孔徑(40、80、120、160和200m)、不同接收線數(shù)(2、4、6、8和10)情況下的響應(yīng)結(jié)果。對(duì)比各圖可見(jiàn)：垂直入射波具有最大振幅且波形保持不變； 隨著入射角增大，振幅受到壓制，波形趨向于復(fù)雜，尤其是較高頻率信號(hào)； 對(duì)于水平側(cè)向來(lái)的波，波形最復(fù)雜，振幅壓制效果較差，特別是在接收線數(shù)不足時(shí)，此現(xiàn)象更為明顯。

測(cè)量疊加波形u′(t)的振幅隨角度變化可得到寬線采集系統(tǒng)對(duì)接收角度的響應(yīng)。采用絕對(duì)振幅和均方根振幅兩種計(jì)算方法，前者強(qiáng)調(diào)疊加后信號(hào)的最大振幅，更適用于脈沖型信號(hào)； 后者強(qiáng)調(diào)疊加后波包的總能量，包括波列延長(zhǎng)帶來(lái)的影響，更適用于連續(xù)波列型信號(hào)。實(shí)際地震信號(hào)大致處于兩者之間。例如，來(lái)自地表小尺度散射的噪聲更接近波列，而來(lái)自深部反射面的信號(hào)更接近脈沖信號(hào)。計(jì)算所得寬帶信號(hào)角度響應(yīng)函數(shù)疊加在圖2中的單頻結(jié)果可供比較。其中紅色線條源自絕對(duì)振幅測(cè)量，藍(lán)色線條源自均方根振幅測(cè)量。比較單頻結(jié)果與寬帶結(jié)果可知，兩種結(jié)果所得主瓣形態(tài)較接近，但旁瓣形態(tài)有較大差別。這主要緣于寬帶信號(hào)中含有較多主頻之上的高頻成分。這一點(diǎn)在用均方根振幅計(jì)算響應(yīng)時(shí)尤為明顯，因?yàn)樗紤]了波形畸變等產(chǎn)生的影響。

結(jié)合計(jì)算結(jié)果分析各參數(shù)與響應(yīng)函數(shù)之間的關(guān)系。首先，無(wú)論對(duì)單頻還是寬帶信號(hào)，接收孔徑與波長(zhǎng)之比w/λ對(duì)響應(yīng)函數(shù)的方向選擇性起支配作用。該比值越大，方向選擇性越好，主瓣越尖銳。如在圖2b中，疊加孔徑越大，響應(yīng)函數(shù)主瓣越尖銳。由于波長(zhǎng)λ=v/f，則高頻波具有更短的波長(zhǎng)，這同樣會(huì)增大w/λ的值。從圖2a可見(jiàn)，提高頻率同樣會(huì)使角度響應(yīng)更尖銳。另一方面，在給定孔徑情況下，波長(zhǎng)與線間距之比λ/d控制著旁瓣的產(chǎn)生。該比值越小旁瓣就越嚴(yán)重，這緣于角度假頻(Aliasing)。如圖2c中兩線接收時(shí)具有最大的線間距，因此旁瓣最為嚴(yán)重。類似地，在頻率較高(圖2a右側(cè))或孔徑較大(圖2b右側(cè))情況下，λ/d均會(huì)減小，使大角度旁瓣較強(qiáng)。

圖3 不同寬線采集參數(shù)對(duì)具有不同主頻及不同入射角的寬帶信號(hào)疊加所得波形

上述現(xiàn)象不利于壓制由淺層散射產(chǎn)生的面波類型噪聲，因?yàn)樗鼈兪墙谒椒较騻鞑?，且面波波長(zhǎng)通常小于體波波長(zhǎng)。由圖2c可見(jiàn)，增加接收線數(shù)可有效改善這一問(wèn)題?？紤]到性能與成本之間的平衡，3～5線一般應(yīng)可滿足需要。注意：孔徑w、線間距d(或接收線數(shù)n)、波長(zhǎng)λ(或頻率f)及近地表一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的速度v是共同作用于系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)上的，其中又以w/λ和λ/d兩個(gè)比值更為重要。在確定寬線采集系統(tǒng)特性時(shí)須綜合考慮這些參數(shù)。

2 寬線采集的數(shù)值模擬

寬線地震采集得到的是窄方位三維數(shù)據(jù)，經(jīng)疊加后形成一個(gè)合成二維數(shù)據(jù)，用于成像。為此，分別建立2.5維速度模型、三維速度模型，以及帶有小尺度表層散射的2.5維和三維模型，并用它們正演模擬得到三維地震數(shù)據(jù)，以研究不同參數(shù)組合下寬線方法對(duì)不同信號(hào)的增強(qiáng)和壓制。

2.1 2.5維速度模型

首先建立一個(gè)2.5維層狀模型，三維尺寸分別為x=10000m、y=5000m、z=3000m，并將這三個(gè)方向分別作為Inline、Crossline和深度方向(圖4)； 各方向的網(wǎng)格間距均為10m。為了進(jìn)一步研究不同寬線采集系統(tǒng)對(duì)來(lái)自不同方向波的響應(yīng)，在模型中設(shè)置了4個(gè)反射面，每個(gè)反射面均包括水平部分和傾斜部分。其中R1～R4為希望通過(guò)寬線疊加來(lái)增強(qiáng)的水平界面，S2～S4為希望通過(guò)寬線疊加來(lái)衰減的傾斜界面。速度范圍是2500～3000m/s。作為2.5維模型，所有模型參數(shù)沿Inline方向?yàn)槌?shù)。位于地表的紅色三角形為震源位置，各條射線均為由震源正入射到不同反射界面的路徑。

圖4 含近地表小尺度非均勻?qū)拥?.5維模型示意圖

為研究寬線系統(tǒng)對(duì)近地表散射波的壓制作用，利用隨機(jī)速度模型模擬淺部小尺度速度起伏[23-26]。為此，在上述模型中將深度0～300m的介質(zhì)置換成背景速度為2500m/s，均方根擾動(dòng)為2%，x、y、z方向的相關(guān)尺度均為200m的指數(shù)型隨機(jī)擾動(dòng)介質(zhì)，生成另一含近地表小尺度散射的模型。其中含隨機(jī)小尺度擾動(dòng)的部分為真三維模型。為了模擬多種接收組合對(duì)寬線數(shù)據(jù)疊加的響應(yīng)，沿Inline方向布設(shè)21條接收線，間距為10m，每條線含941道，道間距為10m，整個(gè)接收排列幾何中心位于(5000m，2600m，0)處，炮點(diǎn)亦位于該點(diǎn)。數(shù)值模擬采用Bohlen時(shí)間2階、空間12階時(shí)域三維聲波有限差分算法[27-28]，震源采用16Hz 雷克子波。

2.2 不同方案疊加的二維寬線數(shù)據(jù)的比較

對(duì)多條線記錄沿Crossline 方向疊加后可得到沿該方向的寬線疊加炮集。對(duì)21條接收線進(jìn)行不同組合，可獲得多種疊加方案，如取線間距為10m，可得到1，3，5，…，21線的疊加結(jié)果。取3條接收線，可分別組成線間距為10，20，30 …，100m的疊加數(shù)據(jù)。使用5條接收線，可組成線間距分別為10，20，…，50m的疊加數(shù)據(jù)。

作為例子，圖5顯示單線接收與具有不同線距的3線疊加炮集記錄的比較。上排對(duì)應(yīng)層狀模型所得結(jié)果，下排對(duì)應(yīng)含小尺度近地表散射層結(jié)果。實(shí)際應(yīng)用中，類似炮集既可作為下一步進(jìn)行二維偏移成像的數(shù)據(jù)，也可通過(guò)它們進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速質(zhì)量監(jiān)控。從圖5a可見(jiàn)：對(duì)常規(guī)單線二維采集，記錄中包含7個(gè)反射同相軸，分別對(duì)應(yīng)速度模型中垂向4個(gè)反射R1～R4和側(cè)向的3個(gè)反射S2～S4。單線采集對(duì)兩類反射完全沒(méi)有分辨能力。在3線接收情況下，隨著線間距的逐漸增加(圖5b～圖5d)，與S2～S4對(duì)應(yīng)的側(cè)向反射被壓制，而與R1～R4對(duì)應(yīng)的垂向反射得到增強(qiáng)。

存在近地表小尺度散射時(shí)，上述情況更明顯。使用常規(guī)單線采集(圖5e)時(shí)，地表散射產(chǎn)生的噪聲使得所有同相軸的信噪比變差，缺乏連續(xù)性； 在3線接收情況下，隨著線間距增加，側(cè)向干擾被壓制，且目標(biāo)同相軸R1～R4的連續(xù)性顯著變好(圖5f～圖5h)，當(dāng)線間距達(dá)到100m時(shí)側(cè)面反射幾乎完全被壓制。這表明無(wú)論在層狀模型或有近地表小尺度散射介質(zhì)模型中，寬線采集系統(tǒng)在壓制側(cè)向干擾和近地表散射方面均有明顯效果，其數(shù)據(jù)質(zhì)量顯著優(yōu)于常規(guī)單線采集。通過(guò)與圖2b中的角度響應(yīng)對(duì)比可知，給定接收線數(shù)、增加線間距相當(dāng)于加大孔徑。而加大孔徑波長(zhǎng)比使響應(yīng)函數(shù)主瓣更尖銳，從而增強(qiáng)了垂向反射信號(hào)，壓制了來(lái)自其他方向的干擾。因此，理論響應(yīng)函數(shù)與模擬數(shù)據(jù)結(jié)果相符合。

為進(jìn)一步考查不同寬線參數(shù)對(duì)地震記錄疊加的影響，從上述不同組合方案計(jì)算所獲道集中抽取零炮檢距道做對(duì)比，所得結(jié)果如圖6所示，每幅小圖對(duì)應(yīng)一種方案。為便于研究，各道均用R1振幅進(jìn)行歸一化，并切除直達(dá)波及淺部散射噪聲。在圖6a 中： 單線接收的所有垂直和側(cè)向反射震相具有相近振幅； 隨著接收線數(shù)和Crossline 方向接收孔徑的增加，歸一化垂直反射震相R1～R4的振幅幾乎不變，而S2～S4的振幅逐漸被壓制； 當(dāng)接收線數(shù)達(dá)到21時(shí)，側(cè)面反射振幅遠(yuǎn)小于垂直反射振幅，表明寬線采集可有效壓制側(cè)面來(lái)波。圖6d針對(duì)存在近地表小尺度散射的模型，該散射噪聲使資料信噪比大大降低： 單線接收時(shí)，有效信號(hào)幾乎完全掩沒(méi)于噪聲中； 隨著接收線數(shù)的增加，散射噪聲和側(cè)面反射同時(shí)被壓制； 當(dāng)達(dá)到21線時(shí)，疊加記錄上清晰地呈現(xiàn)R1～R4 四個(gè)垂直反射震相。表明存在小尺度近地表散射時(shí)，寬線采集可同時(shí)壓制側(cè)向反射和近地表散射干擾，且隨著接收線數(shù)增加整體壓制效果更好。

圖5 單線接收和具有不同線距的3線疊加炮集記錄的比較

圖6b是使用3條接收線的層狀模型： 隨著線距的增加，對(duì)側(cè)面反射的壓制逐漸增強(qiáng)； 當(dāng)線距增加到60m時(shí)，壓制效果基本能滿足要求； 隨著線距進(jìn)一步增加，壓制能力變化就不太明顯。當(dāng)存在近地表小尺度散射時(shí)(圖6e)，隨著線距增加，對(duì)側(cè)面干擾的壓制能力先增強(qiáng)、后減弱，當(dāng)線距約為60m時(shí)壓制效果最為明顯。這一現(xiàn)象應(yīng)與淺部散射層中隨機(jī)介質(zhì)的水平相關(guān)距離有關(guān)。

圖6c是使用5條接收線的層狀模型： 隨著線距增加，對(duì)側(cè)向反射的壓制能力逐漸增加。對(duì)于存在近地表散射的模型(圖6f)，使用10～30m接收線距時(shí)，其壓制能力呈明顯逐漸增強(qiáng)； 接收線距繼續(xù)增加時(shí)，壓制側(cè)向反射的能力呈現(xiàn)較緩慢地逐漸增強(qiáng)。

為了在更大參數(shù)變化范圍內(nèi)研究不同寬線方案對(duì)結(jié)果的影響，圖7分別對(duì)比了不同方案下R3(橙色)與S3(藍(lán)色)層的振幅。為便于與單線結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在以R1振幅做歸一化的基礎(chǔ)上，又按它們?cè)诔Ｒ?guī)單線接收下的振幅進(jìn)行了歸一處理。從圖7a可見(jiàn)，對(duì)于層狀模型，給定10m線間距、增加疊加線數(shù)(即孔徑)對(duì)歸一化的R3振幅影響很小，但對(duì)側(cè)向反射振幅S3則具有明顯壓制作用，且壓制能力隨接收線數(shù)的增加而增強(qiáng)。但在含有近地表小尺度散射介質(zhì)(圖7d)時(shí)，疊加過(guò)程在壓制S3振幅的同時(shí)對(duì)于R3的振幅也有一定衰減，只是對(duì)前者的壓制更明顯。對(duì)于3線接收的層狀模型(圖7b)： 增大線距對(duì)R3振幅幾乎無(wú)影響； 但對(duì)S3的壓制先隨線距增大而增強(qiáng)，但當(dāng)線距超過(guò)60m后，壓制效果趨于不變。對(duì)含近地表散射的模型(圖7e)： 線距增大對(duì)R3也有一定影響，但對(duì)S3的壓制更明顯——S3的振幅先隨線距增大而減小，在線距約50m達(dá)到最佳壓制效果，隨著線距進(jìn)一步增大壓制效果反而變差。當(dāng)存在淺部散射時(shí)，圖7f與圖7e類似，但前者接收線數(shù)增加到5線，且線距約為30m 對(duì)S3的壓制效果較好。

因此，圖7d～圖7f表明，在含有近地表散射的模型中，最佳壓制效果均出現(xiàn)在孔徑約為150m(包括10m×15、50m×3、30m×5等不同構(gòu)成方案)。這一參數(shù)應(yīng)與小尺度散射體的具體統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)(如相關(guān)長(zhǎng)度等)有關(guān)。若統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)有變化，該參數(shù)應(yīng)做適當(dāng)調(diào)整。

圖6 不同炮集中零炮檢距道地震圖的比較

圖7 不同采集組合下對(duì)S3和R3的歸一化最大振幅的比較

從上述數(shù)值模擬結(jié)果可知，沿Crossline方向孔徑是控制側(cè)面波壓制能力的重要參數(shù)。在給定孔徑情況下，若接收線數(shù)越多、線間距越小，則響應(yīng)函數(shù)的旁瓣越小，壓制效果更佳。但接收線數(shù)與采集成本緊密相關(guān)，顯然存在效益因素； 同時(shí)，疊加孔徑太大也會(huì)影響成像分辨率。綜合考慮認(rèn)為：較適宜參數(shù)組合為120～200m孔徑、3～5線的接收系統(tǒng)。超過(guò)5線時(shí)壓制效果的提高有限；孔徑小于30m的寬線系統(tǒng)沒(méi)有太大實(shí)際意義。

3 寬線采集系統(tǒng)對(duì)偏移成像的影響

3.1 不同寬線參數(shù)對(duì)成像結(jié)果的影響

為研究不同寬線采集參數(shù)對(duì)實(shí)際偏移成像結(jié)果的影響，構(gòu)建三維速度模型，用數(shù)值模擬方法產(chǎn)生三維地震記錄； 再按不同寬線采集參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，合成二維數(shù)據(jù)并做逆時(shí)偏移； 最后分析、對(duì)比不同寬線參數(shù)下成像結(jié)果的差異。

三維模型的尺度分別為x=10000m、y=5000m、z=3300m。與前文2.5維模型類似，建立了水平和傾斜反射層以產(chǎn)生垂直和側(cè)向反射，但在Inline方向4000～5000m之間增加了一段傾斜層。三維速度模型結(jié)構(gòu)如圖8所示，其中圖8b和圖8c分別為Inline 剖面(圖8a)左側(cè)和右側(cè)的Crossline剖面，各方向網(wǎng)格間距均為10m。類似地，在地表0～300m范圍增設(shè)了一個(gè)隨機(jī)速度擾動(dòng)層，以研究表層散射對(duì)偏移成像結(jié)果的影響。隨機(jī)層參數(shù)與2.5維模型中所用的一樣。沿Inline方向布設(shè)41炮，炮點(diǎn)范圍是(3500m，2900m)～(5500m，2900m)，炮間距為50m，21條接收線，線間距為10m，每條接收線含941個(gè)接收道，道間距為10m； 雷克子波的主頻為16Hz，記錄長(zhǎng)度為5s。

圖8 沿不同方向的三維模型切片

為模擬不同的寬線接收組合，從數(shù)據(jù)中分別抽出3、5、21線接收，再將其在Crossline方向做疊加，然后將炮點(diǎn)所在位置Inline方向的二維速度切片作為速度模型，進(jìn)行二維RTM偏移(圖9)。由于近地表散射的存在，使得單線接收(圖9a)信噪比很低，且來(lái)自下方水平面的垂直反射和來(lái)自側(cè)向傾斜界面的反射無(wú)法從單線二維數(shù)據(jù)所進(jìn)行區(qū)分，因此成像質(zhì)量最差。圖9b為3線接收、線間距為100m的寬線疊加數(shù)據(jù)所得成像結(jié)果?？梢?jiàn)小尺度散射產(chǎn)生的噪聲被壓制，偏移剖面的信噪比明顯提高； 同時(shí)，對(duì)應(yīng)側(cè)向傾斜界面的成像被較大程度地壓制，而對(duì)應(yīng)水平界面及沿Inline方向傾斜層的成像得到增強(qiáng)。當(dāng)采用5線接收、線間距為50m 時(shí)(圖9c)，剖面信噪比進(jìn)一步提高，地表散射引起的低信噪比問(wèn)題基本上得到解決，同時(shí)側(cè)向反射也大多被壓制。當(dāng)接收線進(jìn)一步增加到21線時(shí)(圖9d)，其結(jié)果與5線接收類似，小尺度散射干擾幾乎消失。不過(guò)，在圖9c和圖9d中隨著散射噪聲的減少，側(cè)面波干擾也變得更清晰，如最下層側(cè)面反射逐漸突出。

圖9 不同參數(shù)寬線疊加數(shù)據(jù)得到的RTM偏移成像結(jié)果

寬線方法對(duì)散射噪聲和側(cè)向噪聲的不同壓制效果緣于兩種噪聲的不同性質(zhì)。前者類似于隨機(jī)噪聲，增加接收線數(shù)一般可增強(qiáng)對(duì)其壓制； 而后者是一種相干噪聲，對(duì)它的衰減是通過(guò)角度選擇性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3.2 寬線采集在Crossline方向可能提供的信息

寬線采集觀測(cè)系統(tǒng)可被視為一種特殊的窄方位三維觀測(cè)系統(tǒng)。因在Crossline方向采集孔徑很小(通常僅為100～200m)，故其側(cè)向探測(cè)能力十分有限，一般很難對(duì)側(cè)向結(jié)構(gòu)提供有用信息。不過(guò)，鑒于寬線疊加并不能完全壓制側(cè)向反射信號(hào)，如圖9中側(cè)向反射仍會(huì)混入深度成像中，因此從偏移成像中識(shí)別可能混入的側(cè)向反射信號(hào)對(duì)于某些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的解釋具有重要意義。本文嘗試發(fā)掘并充分利用寬線數(shù)據(jù)中有限的側(cè)向探測(cè)能力。

以上述5線接收、線間距為50m 的寬線數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選擇炮點(diǎn)(5500m，3200m)在Crossline方向上做一道二維成像。為提高信噪比，將Inline方向每條接收線上炮檢距小于100m的記錄疊加形成一道。疊加后記錄沿Crossline方向形成5道，道間距(即原來(lái)線間距)為50m，排列長(zhǎng)度為200m，位于Inline方向5500m處。在三維模型中對(duì)應(yīng)位置沿Crossline 方向的二維速度切片作為偏移速度模型，進(jìn)行二維偏移成像(圖10)。

為便于分析，對(duì)成像結(jié)果做幾何擴(kuò)散補(bǔ)償，提取絕對(duì)值，并沿半徑方向做適當(dāng)平滑，其結(jié)果可視為成像能量的來(lái)源方向。從結(jié)果可見(jiàn)，雖然有限Crossline孔徑只能給出較粗略的成像方向，但與疊加在模型上的反射面位置對(duì)比可知，成像結(jié)果中對(duì)R1～R4及S2～S4等反射位置均給出了正確反射方向。大致表明哪些反射來(lái)自側(cè)面，哪些反射來(lái)自下面。從圖2所示響應(yīng)函數(shù)可看到，寬線方法對(duì)地下側(cè)向傾斜界面的成像幅度正比于R[p(θn)]·RPP。其中RPP為界面反射系數(shù)，R[p(θn)]為采集系統(tǒng)角度響應(yīng)函數(shù)，θn為界面法線側(cè)向傾角。寬線系統(tǒng)能否對(duì)一個(gè)側(cè)向反射信號(hào)進(jìn)行有效壓制取決于響應(yīng)函數(shù)的尖銳程度、傾斜界面法向偏離垂直方向的角度、該反射面的反射系數(shù)。從圖9可知，相對(duì)于單線觀測(cè)，寬線對(duì)S2、S3、S4均有明顯壓制作用，但對(duì)S4的壓制作用弱于另兩個(gè)淺部?jī)A斜反射面。從圖8看到，S4在三個(gè)反射面中反射系數(shù)最大，且其傾角明顯小于S2和S3。這使它的偏移劃弧現(xiàn)象，即其成像弧長(zhǎng)遠(yuǎn)大于S2和S3對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)，并明顯地進(jìn)入了垂直方向，而S2和S3的成像則沒(méi)有。這些可解釋圖9呈現(xiàn)的對(duì)各個(gè)側(cè)向反射的不同壓制效果。

圖10 在Crossline方向RTM成像結(jié)果

通過(guò)對(duì)Crossline方向的分析，有助于判別寬線成像剖面中哪些是有效反射，哪些是側(cè)向干擾。這些信息對(duì)關(guān)鍵部位成像的解釋具有重要意義。

4 討論

本文模擬及分析結(jié)果可為進(jìn)一步開(kāi)展寬線勘探研究提供以下參考。

(1)相比于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，數(shù)值模擬方法具有高度靈活性和很低成本。在實(shí)施寬線施工之前可根據(jù)初步掌握的探區(qū)概況，如地質(zhì)結(jié)構(gòu)、噪聲特點(diǎn)、施工和設(shè)備條件等，在大范圍內(nèi)通過(guò)數(shù)值模擬方法檢驗(yàn)不同采集方案和數(shù)據(jù)處理方法，并研究它們與數(shù)據(jù)質(zhì)量和成像結(jié)果的內(nèi)在聯(lián)系，從而為選擇最佳寬線參數(shù)提供依據(jù)。一些以前主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工而開(kāi)展的試驗(yàn)，如陳茂根等[20]所做的多源多纜不同組合方式試驗(yàn)、張春賀等[14]和Lu等[15]開(kāi)展的折線加寬線方法研究等，均可利用數(shù)值模擬方法做預(yù)研究。雖然數(shù)值模擬方法并不能完全替代現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，但合理使用數(shù)值模擬方法可快速高效和低成本地獲得寶貴前瞻性結(jié)果。

(2)響應(yīng)函數(shù)形態(tài)、寬線數(shù)據(jù)疊加質(zhì)量、深度成像質(zhì)量等環(huán)節(jié)都可作為評(píng)價(jià)寬線采集參數(shù)和數(shù)據(jù)處理方法的標(biāo)準(zhǔn)。類似方法既可用于合成數(shù)據(jù)，也可用于實(shí)際數(shù)據(jù)。在結(jié)果中力圖涵蓋較廣泛的組合參數(shù)，包括線距、線數(shù)、孔徑、信號(hào)頻率及淺層波速等因素，為實(shí)際應(yīng)用提供參考。結(jié)合理論響應(yīng)函數(shù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。理論公式厘清了各物理量之間的聯(lián)系。它不但有助于理解寬線方法的原理，且可起到提綱挈領(lǐng)的作用，將已有的數(shù)值模擬結(jié)果向更廣泛的參數(shù)范圍外推。

(3)本文強(qiáng)調(diào)“孔徑波長(zhǎng)比”與“波長(zhǎng)線間距比”的重要性。在保持這些比值不變的前提下，可從已有數(shù)值模擬結(jié)果通過(guò)適當(dāng)外推得到更為廣泛參數(shù)下的結(jié)果。如圖7b是一組不同線間距條件下寬線疊加數(shù)據(jù)對(duì)水平和傾斜方向來(lái)波的疊加結(jié)果。該結(jié)果是對(duì)16Hz主頻、2500m/s表層速度、3線接收系統(tǒng)、10～100m線間距得到的，主頻對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)約為156m。若信號(hào)主頻為20Hz、近地表速度為2000m/s，則主頻對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)變?yōu)?00m。圖7b中的整組結(jié)果可按比例外推為線間距為6.4～64.0m下3線接收得到的結(jié)果。具體來(lái)說(shuō)，50.0m線間距、20Hz主頻、2000m/s速度條件下S3與R3之間的相對(duì)疊加振幅可從圖7b中80.0m線間距、16Hz主頻、2500m/s近地表速度結(jié)果中近似得到。

(4)雖然寬線方法在勘探實(shí)踐中獲得了相當(dāng)?shù)某晒Γ圆⒉荒芡耆齻?cè)向干擾。其二維成像應(yīng)被理解為是一種包括垂向和側(cè)向反射信息的加權(quán)合成。其權(quán)函數(shù)就是角度響應(yīng)函數(shù)。通常，尖銳的角度選擇性具有更好的側(cè)面波壓制特性。換句話說(shuō)，傾角較大反射面較易從成像結(jié)果中排除掉，而傾角較小反射面則較易混入寬線成像結(jié)果。在觀測(cè)中應(yīng)調(diào)整寬線采集參數(shù)，盡量增加垂向權(quán)重、減小側(cè)向權(quán)重，以使成像最大限度地反映垂向結(jié)構(gòu)。另一方面，在寬線成像結(jié)果中區(qū)分哪些是來(lái)自側(cè)向干擾具有重要意義。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，當(dāng)Crossline孔徑約為200m時(shí)，沿該方向的輔助二維成像剖面具有一定的分辨?zhèn)认虿ǚ较虻哪芰?，可為判定?cè)向反射信號(hào)提供額外信息。這一點(diǎn)對(duì)于敏感地區(qū)(如潛在井位、儲(chǔ)油構(gòu)造等)的確認(rèn)具有重大意義。

(5)寬線方法對(duì)消除側(cè)向反射和壓制淺部散射噪聲均具有良好效果。不過(guò)，由于兩類噪聲特性差異很大，對(duì)其壓制機(jī)制也互不相同。側(cè)向噪聲是一種相干噪聲，主要依靠寬線系統(tǒng)的角度選擇能力對(duì)其壓制。而小尺度散射體產(chǎn)生的散射波的相位非常紊亂，主要由非相干短波長(zhǎng)高頻隨機(jī)噪聲構(gòu)成，其性質(zhì)與隨機(jī)介質(zhì)的統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，對(duì)它們的壓制主要依賴于在孔徑內(nèi)對(duì)隨機(jī)信號(hào)的疊加。鑒于兩類噪聲的波長(zhǎng)、傳播方向、相干程度等差別較大，它們對(duì)寬線系統(tǒng)參數(shù)的要求也不盡相同。因此，在設(shè)計(jì)寬線系統(tǒng)及選擇參數(shù)時(shí)需兼顧兩方面的要求。

5 結(jié)論

本文從理論和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)寬線地震方法進(jìn)行研究。給出了單頻和寬帶信號(hào)下寬線采集系統(tǒng)對(duì)來(lái)自地下地震信號(hào)的角度響應(yīng)函數(shù)，并計(jì)算了典型采集參數(shù)下的實(shí)際響應(yīng)。對(duì)于寬帶數(shù)據(jù)，提出了最大振幅和均方根振幅兩種響應(yīng)。為模擬完整的寬線采集和處理過(guò)程，在三維速度模型中用全波有限差分法產(chǎn)生窄方位三維數(shù)據(jù)，經(jīng)疊加形成寬線二維數(shù)據(jù)后再做逆時(shí)偏移。寬線方法的主要優(yōu)點(diǎn)是能增強(qiáng)來(lái)自垂直方向的有效反射信號(hào)，同時(shí)壓制側(cè)向反射和近地表散射所產(chǎn)生的干擾。為檢驗(yàn)寬線方法的這些特點(diǎn)，在三維模型中設(shè)置了產(chǎn)生垂直反射的近水平反射面、產(chǎn)生側(cè)向反射的傾斜反射面及產(chǎn)生淺部散射的近地表隨機(jī)速度層。

本文特別針對(duì)線距、線數(shù)、孔徑、信號(hào)頻率等參數(shù)對(duì)寬線方法進(jìn)行了研究并評(píng)估其最佳取值范圍。在各種組合中，孔徑波長(zhǎng)比和波長(zhǎng)線間距比是兩個(gè)重要參數(shù)，而它們又與頻率和波速兩參數(shù)有關(guān)。本文提出的數(shù)值模擬研究方法以及所得到的不同采集參數(shù)組合與數(shù)據(jù)疊加質(zhì)量和成像結(jié)果之間的關(guān)系可為寬線方法的研究和應(yīng)用提供參考。