于 杰

疊前去噪技術在煤礦采區(qū)全數(shù)字高密度三維地震中的應用

于 杰

(中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

高密度三維地震采用數(shù)字檢波器單點接收，數(shù)字檢波器靈敏度高，對信號采取寬頻接收，使得更多弱背景噪聲和有效信號一起被記錄下來。因此，全數(shù)字高密度三維地震資料單炮信噪比偏低，需要在疊前采用針對性去噪技術以提高處理效果。以淮北礦區(qū)全數(shù)字高密度三維地震數(shù)據(jù)為例，討論了高密度空間采樣的充分性以及高密度三維地震數(shù)據(jù)中面波、異常振幅與多次波等主要干擾波的特點，結(jié)合高密度三維地震數(shù)據(jù)寬方位、寬頻帶、高密度等特點，針對性地壓制面波、異常振幅與多次波。在縱測線和非縱測線方向上對面波進行十字排列分析，根據(jù)面波空間分布規(guī)律設計錐形濾波器進行濾除；通過計算多個地震道的包絡并設定閾值自動識別后進行單道壓制以處理異常振幅。應用拋物Radon變換把CMP道集變換到-域剔除多次波。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，有效信號得以保留，信噪比得到較大提升，取得了良好的效果，對今后的全數(shù)字高密度三維地震數(shù)據(jù)處理工作有借鑒意義。

高密度三維地震；干擾波；十字排列；自動識別；Radon變換

在地震勘探中，由于采集過程中的環(huán)境條件、施工因素和儀器設備等影響，導致地震記錄不同程度地存在各種噪聲干擾，常使有效信號能量被強能量的干擾波湮沒[1]，原始記錄信噪比較低。近年來，全數(shù)字高密度三維地震在煤田地震勘探中得到推廣[2]。全數(shù)字高密度三維地震采用數(shù)字檢波器單點無組合接收，能夠最大限度地保護信號頻率成分，但地震記錄中的噪聲也顯著增強，信噪比降低，而高信噪比是實現(xiàn)高分辨率和高保真度的基礎[3]，因此，壓制噪聲、提高信噪比是全數(shù)字高密度地震資料處理中的重要環(huán)節(jié)。

淮北礦區(qū)全數(shù)字高密度地震資料中干擾波主要有面波、異常振幅干擾及多次波[4]。由于數(shù)字檢波器單點接收對低頻響應良好，使得地震數(shù)據(jù)中面波普遍較強，而面波頻率低，一般為20 Hz以下，與反射波低頻信號重疊。當前應用最為廣泛的壓制面波的方法是二維F-K濾波方法。王金龍等[5]將三維錐形濾波與二維濾波在頻率–太波數(shù)域和時間–太空間域進行對比，認為三維錐形濾波的優(yōu)勢在于對遠端排列的處理能力比二維濾波更強，三維濾波克服了二維濾波僅能壓制有限區(qū)域內(nèi)噪聲的缺點，避免了二維濾波產(chǎn)生的蚯蚓化現(xiàn)象，去噪能力與二維濾波相比有大幅度提升；李文花[6]在黃土塬地區(qū)應用錐形濾波方法壓制面波，取得了良好的效果。但是，三維濾波要求數(shù)據(jù)能夠抽成十字排列，在野外施工中，由于地表障礙物的存在會使得炮點或檢波點偏離原設計位置，金丹提出三維錐形濾波法在野外施工情況下炮點和檢波點偏離設計位置時進行觀測系統(tǒng)規(guī)則化的方法[7]，但對于變觀較多的區(qū)域該方法應用效果不佳。

除面波以外，淮北礦區(qū)地表障礙物極多，村莊、工廠、公路、河道等障礙物極易產(chǎn)生強異常振幅噪聲。與有效反射波相比，異常能量往往大于有效反射能量，大部分異常振幅噪聲在空間和時間上具有隨機性特征，其能量強，頻帶寬[8]，且與有效波在空間和時間上重疊而難以區(qū)分。強異常噪聲的存在導致無法準確計算振幅補償因子，反褶積處理無法獲取準確子波、偏移及DMO處理畫弧現(xiàn)象等，嚴重影響處理效果。對于異常振幅噪聲，劉洋等提出一種改進的時變窗口中值濾波方法，通過選取合理的閾值使中值濾波去能夠在消除隨機噪聲時采用較大濾波窗口進行處理，在處理有效信號時采用小濾波窗口進行處理既能有效消除隨機噪聲，又能最大限度保護有用信號[9]；刁塑等[10]在常規(guī)曲波變換方法基礎上提出了局部自適應曲波變換去噪方法，在不同尺度下設置不同閾值，壓制每個尺度內(nèi)的噪聲；陳志德等[11]提出了在不同頻段的數(shù)據(jù)子集上利用噪聲在不同頻段與有效反射信號的振幅差異進行去噪的噪聲分頻壓制技術。

在衰減多次波的諸多方法中，Radon變換以理論簡單、計算效率高、壓制效果突出等優(yōu)點，一直是衰減多次波的常用方法。熊登等[12]提出結(jié)合時間域高分辨率和頻率域高計算效率計算的優(yōu)點進行混合域計算的方法，減小了采集孔徑效應引起的近偏移距假象，能夠更好地聚焦一次波，壓制多次波。

與傳統(tǒng)三維地震相比，高密度三維地震數(shù)據(jù)具有全數(shù)字、寬方位、高密度、多偏移距和海量數(shù)據(jù)等特點，地震數(shù)據(jù)的炮檢距與方位角信息更加豐富，在傳統(tǒng)去噪方法的基礎上，開發(fā)新的去噪技術是十分必要的[13-14]。基于此，筆者總結(jié)了適用于全數(shù)字高密度三維地震數(shù)據(jù)的壓制面波、異常振幅與多次波的去噪方法，并將其應用于淮北礦區(qū)的地震資料中，取得了較好的效果。

1 工區(qū)概況

淮北礦區(qū)位于淮北平原，地勢平坦，地表村莊、工廠建筑物密集、面積大、居民多，村莊周邊分布大量養(yǎng)殖場等障礙物，大型河流眾多，小型溝渠縱橫發(fā)達，公路鐵路交錯，能通行汽車的土公路較多，局部地段對地震波的激發(fā)和接收會產(chǎn)生負面影響。礦區(qū)內(nèi)新生界地層厚度較大(200~600 m)，對地震波的高頻成分吸收衰減嚴重，地震資料的分辨率偏低，多次波干擾嚴重；深層反射的信噪比低，反射系數(shù)低、球面擴散與大地濾波導致高頻衰減嚴重。典型單炮記錄如圖1所示，可見工區(qū)內(nèi)面波普遍發(fā)育，并且異常振幅明顯。

針對淮北礦區(qū)地震地質(zhì)條件，在分析全數(shù)字高密度三維地震原始資料的基礎上，認為淮北礦區(qū)全數(shù)字高密度地震數(shù)據(jù)含有的主要干擾波是面波、異常振幅以及多次波干擾。

2 疊前面波衰減方法

高密度三維地震采用數(shù)字檢波器單點接收，單炮記錄的面波干擾能量強、視速度低、頻率低、分布范圍大，并與目的層反射波大范圍重疊。工區(qū)內(nèi)面波視速度普遍低于600 m/s，能量主要集中在20 Hz以下，且7 Hz能量最強，超過10 Hz后面波能量迅速降低，20 Hz以上面波能量趨于零。這與高密度三維地震保護弱信號、保護寬頻的初衷相違背；F-K濾波能夠有效壓制線性干擾，但是面波在單炮記錄上不完全呈線性特征，尤其是在遠離炮點的排列上往往呈現(xiàn)出雙曲線特征，利用去除線性噪聲的F-K濾波難以達到預期的效果，而且在去除面波的同時在一定程度上損傷了有效波。目前，在淮北礦區(qū)全數(shù)字高密度地震數(shù)據(jù)處理中，最常用的面波衰減方法有自適應面波衰減法和十字交叉排列去噪技術2種。

圖1 研究區(qū)內(nèi)為原始單炮記錄

2.1 自適應面波衰減

自適應面波衰減技術利用時頻分析的方法，根據(jù)面波和反射波在頻率分布特征、空間分布范圍、能量等方面的差異，先檢測出面波在時間和空間上的分布范圍，以確定面波能量的頻率分布特征，并根據(jù)這種特征對其進行加權(quán)壓制。該方法只壓制面波干擾，對有效反射損傷小。

2.2 十字交叉排列去噪

十字交叉排列去噪技術是壓制面波干擾的新技術，其核心思想是打破傳統(tǒng)二維線的約束，將一條炮線與一條檢波線組合為一個十字排列，通過對十字排列道集中面波的分布特征來設計相應的濾波器，達到從三維上壓制面波的目的。處理時將炮線和接收線號組合產(chǎn)生新的道頭字，按照該道頭字對數(shù)據(jù)進行抽道，形成由橫向的紅色炮線與縱向的檢波線共同組成的一個十字排列道集(圖2)，兩條線的交點可視為十字交叉排列壓制面波處理中的一個面元。

在十字排列道集中，由于抽取的炮集之間的能量有差異，為了保證后續(xù)工作的展開，首先，要對十字排列道集內(nèi)各道之間的能量進行均衡處理[15]；然后，分別沿時間、縱向測線和橫向測線3個方向?qū)Φ卣鹩涗涍M行三維傅里葉變換，變換后面波噪聲在三維頻率－波數(shù)域上呈現(xiàn)出圓錐狀(圖3)，因此，十字排列去噪方法也叫三維錐形濾波法。

圖2 十字排列道集

圖3 面波空間分布

地震記錄的褶積關系在頻率–波數(shù)域中變?yōu)椋?/p>

加入高通傾角濾波器，得到高通傾角濾波方程[17]：

高通濾波方程在頻率–波數(shù)域中是一個圓錐體。根據(jù)面波和有效波的視速度不同，體現(xiàn)在三維空間中就是圓錐的圓心角不同，適當調(diào)整圓錐的圓心角，可以將面波與聲波干擾一同壓制并保留有效波[18]。在此基礎上，進行三維反傅里葉變換，完成十字排列去噪處理。

對于勘探區(qū)障礙物少，變觀少的區(qū)域，推薦使用十字交叉排列法去面波；而對于變觀多的工區(qū)，常用的方法是采用三維數(shù)據(jù)規(guī)則化，即將不在十字排列上的炮點和檢波點進行移位后再去面波，但是該方法會產(chǎn)生誤差。圖4為淮北礦區(qū)全數(shù)字高密度地震資料面波衰減前后單炮對比，可見自適應去噪方法壓制面波效果良好，經(jīng)過處理后，單炮記錄上的掃帚狀面波頻散消失，有效波突出且同相軸連續(xù)性好，深部信號也得以保留，對有效反射波損傷小。

圖4 面波衰減前后單炮對比

3 異常振幅噪聲的分頻自適應壓制

由于工區(qū)內(nèi)村莊工廠多，公路密布，由人為或機械振動產(chǎn)生的干擾波在地震剖面上呈現(xiàn)為隨機分布的異常振幅，大部分異常振幅噪聲在空間和時間上具有隨機性特征，其能量強，頻帶寬，異常振幅能量是有效波能量的10倍以上。由于激發(fā)條件不一，頻率分布廣泛，且與有效波在空間和時間上重疊，具有非地表一致性，為了壓制異常振幅干擾并盡可能保護有效波不受損傷，李雪英等[19]提出了連續(xù)硬閾值函數(shù)與自適應閾值相結(jié)合的地震資料高頻噪聲壓制方法來提高信噪比的保真度；周懷來在一種改進的軟閾值法的基礎上，提出了一種改進的閾值函數(shù)和自適應閾值選取相結(jié)合的去噪方法[20]，都取得了較好的效果。

計算中使用樣點數(shù)據(jù)包絡的橫向加權(quán)中值作為干擾識別參數(shù)，將橫向加權(quán)中值[18]定義為：

圖5為分頻去除異常振幅干擾前后對比圖，圖5a為去噪前的剖面，局部有貫穿整個時間道的高能量異常振幅，也有連續(xù)多道的傾斜異常振幅，噪聲貫穿了有效波同相軸并壓制了深部的地震信號。經(jīng)過處理后(圖5b)的地震記錄上反射波同相軸連續(xù)且清晰，深部無噪聲干擾，去噪效果良好。

圖5 分頻去噪前后對比

4 多次波處理

當?shù)叵掠卸鄠€反射系數(shù)較大的反射界面時，地震波在反射界面之間多次反射，形成多次反射波。多次波是淮北礦區(qū)地震資料處理中常見的干擾波，多次波的出現(xiàn)給處理和解釋帶來很多麻煩，多次波通常與一次反射波相互疊加，不利于有效波的識別與追蹤，對構(gòu)造解釋影響很大。更為突出的矛盾是在巖性解釋，如做AVO、亮點、頻譜比等特殊方法處理時，由于多次波存在造成解釋可信度降低?；幢钡V區(qū)地震資料中，由新生界底產(chǎn)生的水平多次波較嚴重地影響了速度分析精度，干擾了露頭、傾斜地層的成像，因此，壓制多次波是非常必要的。

4.1 多次波壓制原理

常規(guī)壓制多次波的方法主要有3種：① 利用一次波與多次波之間正常時差的差別。由于多次波是由淺層的全程或?qū)娱g的多次反射所形成，其傳播速度為淺層的速度，低于深層一次波的速度。因此，可以利用速度差異進行多次波壓制，比如在速度分析時避開低速能量團或使用線性去噪方法壓制低速多次波。② 減去法。通過在原始資料中減去由準確模型所得多次波，從而取得良好壓制效果。減去法要求多次波具有準確的時間、振幅、相位以及周期性等，因此，實際應用起來難以取得良好效果。一般而言，海水全程多次波、鳴震等多次波用這一類壓制方法較易見效。③ 利用多次波的重復性和統(tǒng)計特性采用預測反褶積等方法壓制短周期多次波。預測反褶積方法要求多次波具有穩(wěn)定的周期性，如果預測步長選擇不合適，很容易損傷一次反射，預測反褶積適于壓制短周期如海水鳴震等類型的多次波，該類方法更多地在疊后應用。

淮北礦區(qū)地震資料多次波與一次波之間速度差異較大，應用高精度Radon變換壓制多次波技術可有效去除多次波干擾。該方法通過拋物Radon變換把動校正后的CMP道集變換到–域。–域的地震數(shù)據(jù)經(jīng)過Radon正變換到到–域以后，聲波、直達波、淺層折射波等線性干擾波變成了一個能量團，反射波變成了橢圓。對于經(jīng)過一次波動校正后的CMP道集來說，Radon正變換后，一次波能量分布在零道附近，而多次波能量呈彎曲條帶狀分布在遠離零道的地方。這樣可以在–域中把多次波從地震資料中分離出來，將分離出的多次波進行Radon反變換后再將它從原始地震資料中減去，能夠達到消除多次波目的。

4.2 應用實例

由淮北工區(qū)多次波濾除前后疊加剖面(圖6)進行對比可以發(fā)現(xiàn)：處理前的疊加剖面(圖6a)紅色箭頭處有一條不清晰的水平同相軸，是上部強反射界面的多次波。在處理后的剖面上(圖6b)多次波消失，上下地層的角度不整合接觸關系更加清晰，下部傾斜地層的同相軸也變得連續(xù)。

5 結(jié)論

a. 根據(jù)面波在頻率–波數(shù)域中的分布特點，首先通過十字交叉排列分析，確定錐形濾波器的濾波參數(shù)，再在全區(qū)或某一區(qū)域應用自適應面波衰減技術，以壓制面波。

b. 對于異常振幅進行多道識別、計算振幅的包絡并設定閾值、分頻單道處理，對振幅高于閾值的異常振幅進行單道壓制。

c. 通過Radon變換在–域中將有效波與多次波進行分離，根據(jù)有效波與多次波能量分布的差異來壓制多次波。

圖6 多次波濾除前后疊加剖面

d. 疊前去噪處理作為煤礦采區(qū)高密度處理必不可少的基本流程，需要根據(jù)采集原始資料特點，選擇合理方法與處理模塊組合，以提高資料質(zhì)量，在淮北工區(qū)得到了成功應用，并取得了較好成果。

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Application of pre-stack denoising technique in full digital high density 3D seismic technique in coal mining districts

YU Jie

(School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

High density 3D seismic technique uses digital detectors to receive data. The high sensitivity of digital detectors makes weaker background noises and the effective signals are recorded by adopting broadband acceptance. Therefore, in the full digital high density seismic exploration, the data collected by digital detectors have higher noise level and lower SNR. Taking the full digital high density 3D seismic data of Huaibei mining area as an example, the paper explains the characteristics of the three main noises in the high density 3D seismic data, including surface wave, abnormal amplitude and multiple wave, and combines the characteristics of the high density 3D seismic data including wide azimuth, high density and multi-offset to makes cross-alignment analysis of surface wave in the direction of in-line and off-line, and designs conical filter according to the characteristics of surface wave to filter it, sets a threshold to identify abnormal amplitude and performs single channel suppression after calculating the envelope of multiple seismic channels, and applies the Radon transform to eliminate multiple waves from the CMP channel set into the domain. After processing the original data, the effective signals are preserved and the SNR is greatly improved.

high density 3D seismic exploration; interference wave; cross array; automatic identification; Radon transformation

請聽作者語音介紹創(chuàng)新技術成果等信息，歡迎與作者進行交流

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.007

1001-1986(2020)06-0048-07

2020-10-25；

2020-11-18

國家重點研發(fā)計劃課題(2018YFC0807803)；中國礦業(yè)大學雙一流建設自主創(chuàng)新專項項目(2018ZZCX05)

National Key R&D Program of China(2018YFC0807803)；Independent Innovation Project of Double First Class Construction of China University of Mining and Technology(2018ZZCX05)

于杰，1997年生，男，山東日照人，碩士研究生，研究方向為地球物理學. E-mail：juxiandiyi@163.com

于杰. 疊前去噪技術在煤礦采區(qū)全數(shù)字高密度三維地震中的應用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(6)：48–54.

Application of pre-stack denoising technique in full digital high density 3D seismic technique in coal mining districts[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：48–54.

(責任編輯 聶愛蘭)