劉玉萍，李麗青，張寶金

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760;2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(廣州)，廣東 廣州 511458;3.自然資源部 海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣東 廣州 510075)

0 引言

隨著地震勘探技術(shù)的迅速發(fā)展，精細(xì)地震處理技術(shù)是當(dāng)今的發(fā)展趨勢，基于振幅的解釋技術(shù)在油氣、水合物、礦產(chǎn)資源等地震勘探中得到廣泛應(yīng)用。因此，在地震資料處理中，根據(jù)處理的目的和解釋的需要如何正確恢復(fù)振幅值是十分重要的。然而，實際記錄的地震信號受波前擴(kuò)散、透射損失、大地吸收、散射、激發(fā)接受條件不一致等因素影響，衰減后的地震振幅相對很小，強弱振幅差異甚大[1]。

目前，恢復(fù)振幅的方法有很多，例如球面擴(kuò)散補償，地表一致性振幅補償，Q補償，自動增益控制(AGC)，道內(nèi)振幅均衡等[2-9]。這些振幅補償和增益控制方法有些是保幅的，有些只是通過數(shù)學(xué)運算調(diào)整振幅，雖具有一定的實際物理意義但保幅性差。如果目標(biāo)成像對振幅保真沒有要求，AGC振幅控制技術(shù)能較好地突出弱反射信號，特別是針對深層反射資料或低信噪比資料，AGC技術(shù)可以較好地對振幅進(jìn)行調(diào)整，使其顯示效果達(dá)到最佳。

國內(nèi)學(xué)者在振幅恢復(fù)與補償方面做了不少的研究與總結(jié)。楚圣臣等[10]介紹了自動增益控制處理技術(shù)在火成巖發(fā)育地區(qū)的應(yīng)用，以火成巖發(fā)育地區(qū)的實際資料為例，應(yīng)用自動增益控制處理技術(shù)提高地震資料的品質(zhì)；蔡涵鵬等[11]提出一種將希爾伯特變換的瞬時振幅特性與函數(shù)極值判別法和曲線擬合法應(yīng)用到地震振幅增益中的新方法，主要應(yīng)用于地質(zhì)構(gòu)造解釋；王正和等[12]提出一種基于井控處理的真振幅恢復(fù)與Q補償方法，VSP資料的參與可以有效地實現(xiàn)地震資料真振幅恢復(fù)和Q補償；王珊[13]等提出了一種穩(wěn)定有效的反Q濾波方法；芮擁軍[14]對地震資料處理中相對保幅性進(jìn)行了討論；張憲旭等[15]提出地震資料處理中自動增益控制方法對振幅的影響，從AVO屬性分析、巖性和流體識別等角度證實以振幅解釋為目的處理流程中，疊前和疊后禁止使用AGC方法；張文等[16]在補償因子的計算公式中引入一個修正系數(shù)，給出了一種適合近地表強吸收的由增益門限和頻率上限雙因素控制的補償方法；俞岱等[17]對基于波場延拓的反Q濾波方法進(jìn)行了比較。

現(xiàn)有各商業(yè)軟件中的AGC模塊都是基于統(tǒng)計學(xué)原理，雖算法不盡相同，但都是在t-x域中對給定的時窗進(jìn)行采樣振幅統(tǒng)計，對統(tǒng)計的平均值、振幅中值或均方根值為基數(shù)重構(gòu)采樣振幅，從而達(dá)到振幅均衡的目的。AGC的效果取決于給定的時窗大小，時窗越小，削強補弱的效果越明顯，時窗越大，效果越弱。AGC技術(shù)不足的地方在于時窗邊界處會出現(xiàn)ACG“陰影”，時窗越大，AGC“陰影”范圍越大，即振幅恢復(fù)作用隨著時窗的變化而變化。

針對AGC方法存在的不足本文提出了一種基于希爾伯特變換的振幅增益控制方法(簡稱包絡(luò)AGC)。該方法是將地震剖面上反映地層界面所對應(yīng)的反射波振幅增益到一個振幅水平，而剖面背景部分的振幅也得到相應(yīng)增益。該方法可以在確保地震頻率、相位特征不變的同時，增強被衰減的中深層弱反射信號，主要應(yīng)用于地層的識別和地質(zhì)構(gòu)造解釋。該技術(shù)是一種不保幅的振幅增益控制技術(shù)，對常用AGC技術(shù)是一個很好的補充。

1 AGC方法原理及實現(xiàn)過程

1.1 AGC方法原理

包絡(luò)AGC方法基本思想是：對常規(guī)去噪道集或疊加數(shù)據(jù)體，采用復(fù)數(shù)道分析法提取振幅包絡(luò)并計算包絡(luò)的平均振幅；比較振幅包絡(luò)與平均振幅的大小，對大于平均振幅的樣點用平均振幅代替，該步計算的結(jié)果作為該地震道振幅包絡(luò)的正常值分量，振幅包絡(luò)與正常值分量之差記為異常值分量；然后，對異常值分量乘以對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)w回加到正常值分量重構(gòu)出新的振幅包絡(luò)；最后，根據(jù)重構(gòu)的振幅包絡(luò)計算地震道實數(shù)域的振幅值，從而達(dá)到地震道振幅削強補弱的效果。圖1為包絡(luò)AGC的計算過程。

圖1 包絡(luò)AGC計算過程Fig.1 The principle flow chart of envelope AGC technical

1)地震道信號的包絡(luò)振幅提取[18-19]

采用復(fù)數(shù)道分析法提取包絡(luò)振幅(即瞬時振幅)。地震波解析信號z(t)的復(fù)數(shù)道表達(dá)式為：

(1)

實部地震道x(t)也可以表示為：

x(t)=A(t)cosθ(t) ，

(2)

(3)

其中：A(t)為復(fù)數(shù)地震道的包絡(luò)振幅，θ(t)為復(fù)數(shù)地震道相位。

由于復(fù)數(shù)地震道的實部與虛部均已知，包絡(luò)振幅A(t)可以由下式求取：

(4)

2)包絡(luò)振幅異常值分離

包絡(luò)振幅用A(t)表示，包絡(luò)振幅的平均振幅是常數(shù)用Aave表示，大于Aave的樣點振幅值用Aave代替，小于Aave的樣點振幅值保持不變，從A(t)中分離的這部分振幅值稱為正常值分量B(t)。在實際計算時，地震道每個樣點值作為離散形式，用公式表示為：

(5)

式中:j=1，…，n，n是每個地震道樣點的個數(shù)。

那么，異常值分量C(t)由下式求得：

C(t)=A(t)-B(t) 。

(6)

3)包絡(luò)振幅異常值C(t)權(quán)重w估算

分析包絡(luò)正常值B(t)與異常值C(t)之間的倍數(shù)關(guān)系，我們需要對振幅異常值C(t)求取一個權(quán)重系數(shù)w來保證提取的異常值分量與正常值分量的振幅保持在同一個量級，那么權(quán)重系數(shù)w必定與C(t)和Aave有關(guān)。這里，包絡(luò)振幅異常值C(t)可視為矩陣，Aave為常數(shù)。采用經(jīng)驗式(7)求取的權(quán)重系數(shù)w能保證提取的異常值分量與正常值分量振幅相當(dāng)。

(7)

式中：ave表示求平均值，對單個地震道而言，w是個常數(shù)。

4)求取時間域振幅增益后的振幅值

式(7)給出了包絡(luò)振幅異常值分量權(quán)重系數(shù)w的求取方法，那么，將異常值分量C(t)乘以w即可實現(xiàn)異常值分量有效成分的提取，再回加到正常值分量B(t)中去，重構(gòu)出新包絡(luò)振幅Anew(t)，用公式表示為：

Anew(t)=B(t)+C(t)*w,

(8)

復(fù)數(shù)地震道相位θ(t)在步驟(1)中求取，由式(2)可知最終振幅增益后的時間域地震道xnew(t)由下式求?。?/p>

xnew(t)=Anew(t)cosθ(t) 。

(9)

1.2 AGC方法的實現(xiàn)過程

包絡(luò)AGC的思想是對地震道進(jìn)行削強補弱，圖1給出了包絡(luò)AGC實現(xiàn)過程。包絡(luò)AGC是基于前期預(yù)處理(球面擴(kuò)散補償、綜合去噪、涌浪靜校正、去氣泡、多次波壓制、信號增強等處理)的基礎(chǔ)上，獲得一個相對高信噪比、高分辨率的道集或疊加數(shù)據(jù)。圖2a是經(jīng)過常規(guī)處理后的地震剖面，淺層能量很強，深層有效反射能量很弱。圖2b為采用希爾伯特變換得到的包絡(luò)振幅，可以看出，淺層包絡(luò)振幅值是深層包絡(luò)振幅值的幾十倍甚至上百倍。圖2c和圖2d分別為采用式(4)和式(5)對圖2b異常值分解得到的包絡(luò)振幅正常值分量和異常值分量。圖2e為對圖2d加權(quán)提取的結(jié)果，該結(jié)果的振幅值和圖2c振幅值在同一個量級。圖2f為重構(gòu)的新包絡(luò)振幅，對其進(jìn)行希爾伯特反變換到t-x域，就可以得到包絡(luò)AGC處理的結(jié)果。圖2g為最終包絡(luò)AGC處理的地震剖面，與圖2a地震剖面比較，有效信號從淺至深振幅能量比較均衡，同相軸更加連續(xù)，有效反射波組特征清晰，表明地震振幅增益處理效果明顯改善。的剖面。通過對比分析可知，圖3b和圖3c在海底強反射界面之下均產(chǎn)生振幅強弱變化空白區(qū)現(xiàn)象，

a—處理前地震記錄;b—包絡(luò)振幅;c—包絡(luò)正常值分量;d—包絡(luò)異常值分量;e—異常值分量加權(quán)提取;f—重構(gòu)的包絡(luò)振幅;g—包絡(luò)AGC地震記錄a—the seismic record before processing;b—the evenlope amplitude;c—the evenlope normal component;d—the evenlope abnormal component;e—weighted extraction of abnormal component;f—reconstruction of evenlope amplitude;g—the seismic record of envelope AGC

2 海洋應(yīng)用實例及效果分析

以一條海洋單道地震數(shù)據(jù)為例驗證該方法的實際應(yīng)用效果。該測線的地震記錄長度為2 000 ms，采樣率為0.25 ms，如圖3所示。圖3a為經(jīng)過常規(guī)處理的單道地震純波剖面，由于單道地震資料有效頻率相對較高，在地震波傳播過程中高頻能量衰減快，能夠顯示出振幅的反射時間約為160 ms。圖3b和圖3c分別是采用100 ms時窗和10 ms時窗進(jìn)行常規(guī)AGC處理的剖面；圖3d是應(yīng)用包絡(luò)AGC處理使得原本清晰的地層模糊不清。應(yīng)用時窗為100 ms的AGC剖面，其振幅在縱橫向的強弱變化大，均衡性比較差，反射波組特征變化失真；應(yīng)用10 ms時窗的AGC剖面，其振幅相對變化差異變小，反射波組特征不明顯，縱橫向振幅能量過于均衡， 背景噪聲被放大； 而圖3d整體振幅能量由淺至深比較均衡，在不損害原始反射波特征前提下，把中深層反射波能量補償?shù)谋容^好，反射波組特征清晰，易于解釋。

3 結(jié)論與認(rèn)識

通過實際地震數(shù)據(jù)應(yīng)用表明：基于希爾伯特的振幅增益控制方法(包絡(luò)AGC)比常規(guī)AGC方法能更好地控制地震數(shù)據(jù)的顯示增益；該方法針對地震數(shù)據(jù)中振幅強弱相對變化劇烈的反射波組，在進(jìn)行能量增益控制和均衡中，可以保證振幅的相對變化，更有利于振幅強弱變化特征和整體能量的對比顯示，比常規(guī)AGC方法優(yōu)勢明顯；盡管包絡(luò)AGC處理方法也是不保幅，但該方法有助于地震解釋中同相軸的追蹤、地層的識別及地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)的研究。

因此，包絡(luò)AGC是對常規(guī)AGC技術(shù)的補充，具有一定的推廣和應(yīng)用價值。