李 穩(wěn),劉伊克,陳 颙,徐善輝,譚雅麗,何銀娟,花鑫升,賈 佳

(1.中國地震局地球物理勘探中心,河南鄭州450002;2.南京大學地球科學與工程學院,江蘇南京210023;3.中國科學院地質與地球物理研究所,北京100029;4.中國地震局地球物理研究所,北京100081)

我國地震勘探工作越來越多地涉及到復雜地表問題。一般而言,復雜地表地區(qū)是指包含沙漠、戈壁、山地、黃土塬、水網等地貌,以及風化層速度、厚度、地表高程等劇烈變化的地區(qū)[1]。在復雜地表地區(qū),既可能存在高速地層、巖層直接出露,又可能存在低速、疏松的沖洪積物、風積物堆積。對于地震勘探而言復雜地表問題的影響主要表現(xiàn)在近地表地震波速度劇烈變化,強散射波、面波等干擾波發(fā)育,引起地震波場、反射波同相軸畸變等[2-3]。

在我國西部某復雜地表工區(qū),受崎嶇地表和近地表多尺度非均勻體等因素的影響,地震勘探采集的地震數(shù)據散射干擾波發(fā)育,信噪比較低。地震散射波是當散射障礙體的尺度與入射波波長相比很小或相近時,由于干涉效應而產生的與散射障礙體幾何形狀有關的相干或不相干的波列,且往往以眾多散射波互相疊加的復雜形態(tài)出現(xiàn)[4]。散射干擾波在時間分布、頻率特征等方面均與有效反射波組接近,采用傅氏變換、小波變換[5-6]等傳統(tǒng)的時頻域濾波方法難以達到理想的去噪效果。

目前公認的好的去噪方法是分析噪聲與有效地震信號在不同“域”中的表現(xiàn)形式和特征差異,進而采取最有針對性的去噪方法[7]。本文在深入分析復雜地表散射干擾波和有效反射波信號特征差異的基礎上,針對散射干擾波與有效反射波在傳播方向、出射角度方面不同的特點,引進并改良了一種能夠利用噪聲與反射波信號的出射角度偏差,從角度域入手進行濾波處理的矢量分解去噪方法[8-9]。本文在簡述方法原理和具體實現(xiàn)過程的基礎上,針對在算法實現(xiàn)過程中應采用能夠盡可能提高窗口內地震數(shù)據相關度的“曲邊時窗”模式等問題進行了深入論述,并對比分析了包含隨機干擾波、近地表散射干擾波的模擬地震數(shù)據去噪實驗結果。最后通過實際單炮地震數(shù)據和地震疊加剖面成像效果驗證了本文方法的有效性。

1 方法原理

角度域矢量分解去噪方法的理論基礎包括兩個方面:①合振動可看作若干個不同方向的振動共同作用的結果;②相鄰道地震信號具有相關性。利用相鄰多道地震信號(圖1)統(tǒng)計反射地震信號出射時的方向信息,保留與該方向一致的成分、壓制偏離該方向的成分,即可實現(xiàn)壓制干擾噪聲,提高地震數(shù)據信噪比的目的[10]。

圖1 某實際地震記錄中的相鄰地震道a 相鄰3道; b 相鄰5道

1.1 地震信號矢量概念的提出

矢量分解去噪法首先采用“地震信號矢量”概念來描述地震信號的方向特征[11-12]。可以想象,若將地震記錄中相鄰N道上某一時刻t的振幅值作為空間坐標系中不同坐標軸方向上的坐標值,便可構建一個從原點出發(fā)的地震信號矢量,其數(shù)學描述為:

At=xt1i1+xt2i2+…+xtNiN

(1)

其中,At為地震信號矢量,i1,i2,…,iN為不同坐標軸方向上的單位矢量,xt1,xt2,…,xtN為相鄰N道地震信號在相應時刻的振幅值。從定義上可以發(fā)現(xiàn),地震信號矢量攜帶著地震波經地下傳播后返回地表、被檢波器接收時的出射角度信息。

1.2 計算單位相關矢量

圖2 三維地震信號單位相關矢量求取過程a 三維信號矢量劃分; b 三維信號矢量翻轉; c 矢量求和并歸一化

圖3 五維單位相關矢量的求取過程a 五維信號矢量劃分; b 五維信號矢量翻轉; c 矢量求和并歸一化

矢量分解去噪法中所涉及的方向和角度域概念與當前地震波逆時偏移成像研究中的角度域概念在本質上一致,又略有不同。逆時偏移成像中的角度通常指重建后的震源波場和反向傳播的檢波點波場在地下空間某處相遇時地震波傳播方向的夾角,可以在地震波數(shù)值模擬過程中進行波場分離計算[13-14]。而矢量分解去噪法中的角度概念則更傾向于表示地震波經過地下傳播后出射地表時的角度信息,可以直接根據地震記錄計算,通過地震信號矢量、單位相關矢量等概念進行描述。

1.3 矢量分解過程

執(zhí)行前述步驟并逐點滑動時窗可計算出各時窗中心點處(時窗中間道的中間采樣點位置)的單位相關矢量dt=at1i1+at2i2+…+atNiN,|dt|=1,然后便可通過矢量分解計算實現(xiàn)對地震數(shù)據的降噪處理,具體步驟如下。

根據矢量投影和矢量加減法計算法則將At分解為沿dt方向的相關成分Ast和垂直于dt方向的非相關成分Ant:

Ast=|At|cos〈At,dt〉·dt=Ddt
Ant=At-Ast

(2)

將Ast作為輸出結果,其各個分量對應時窗內各道地震數(shù)據t時刻的新的振幅值,根據時窗逐點滑動計算的特點,每次只更新時窗中心點處的計算結果。

1.4 對傳統(tǒng)方法的改進

通過前文對于矢量分解去噪法基本方法原理和實現(xiàn)過程的描述,可知其在計算過程中并不破壞地震數(shù)據在橫向和縱向上的相對振幅關系,因此是一種保幅的去噪方法。分析可知,提高求取單位相關矢量的精度是改善該方法去噪效果、防止損害有效地震信號成分的關鍵。

在復雜情況下地震信號的矢量方向受炮檢距、地層傾角、干擾噪聲等多種因素的影響,在計算單位相關矢量之前最好選擇最具相關性的地震數(shù)據。為了達到該目的,目前較好的做法是結合傾角掃描技術[15-16]。但這種做法需要在小的時窗范圍內影響因素具有單一的方向特征,這一前提通常在地震記錄的很多位置上難以得到保證。

如果引入數(shù)學上曲邊圖形[17]的概念構建一種“曲邊時窗”,使時窗內各道地震數(shù)據均與時窗中間道達到最大相關,無疑將提高求出的單位相關矢量的精度,更重要的是這種做法可以淡化矢量分解法與傾角掃描技術相結合時較為嚴苛的假設前提條件。

為了闡述直觀,如果僅從時窗的角度進行分析,經典矢量分解去噪法可以認為采用了“矩形時窗”模式;與傾角掃描技術相結合的矢量分解去噪法采用了一種能夠自動調整傾斜角度、確保時窗內各道數(shù)據達到最大互相關的“傾斜時窗”模式;而本次研究采用的“曲邊時窗”模式則能夠進一步針對各道地震數(shù)據自動調整時移量,確保窗口內各道均與時窗中間道達到最大相關。3種不同時窗模式的示意圖如圖4所示。對添加了頻帶范圍與有效地震信號主頻接近的隨機噪聲的模擬地震數(shù)據,分別采用矩形時窗、傾斜時窗、曲邊時窗3種模式所得到的去噪結果如圖5所示,濾出的噪聲如圖6所示。由圖5和圖6可以看出,對于同一套地震數(shù)據采用不同時窗模式的矢量分解去噪法進行處理時,曲邊時窗方法通常可以在高效去噪的同時使有效反射信號得到更好的保護。因此本次研究主要采用曲邊時窗矢量分解去噪法進行復雜地表散射干擾波的去噪處理。

圖4 矢量分解方法不同時窗示意a 矩形時窗; b 傾斜時窗;c 曲邊時窗

圖5 不同時窗模式去噪結果對比a 含噪模擬地震數(shù)據; b 矩形時窗模式去噪結果; c 傾斜時窗模式去噪結果; d 曲邊時窗模式去噪結果

圖6 不同時窗模式濾出的噪聲對比a 加入的噪聲數(shù)據; b 矩形時窗模式濾出的噪聲; c 傾斜時窗模式濾出的噪聲; d 曲邊時窗模式濾出的噪聲

2 數(shù)值模型實驗

為了檢測矢量分解去噪方法濾除近地表散射干擾波的效果,參考前人研究成果[18]建立了一個混雜大量非均勻地質體的水平層狀介質模型,如圖7所示。在該模型基礎上采用交錯網格有限差分法求解粘聲波方程,正演模擬得到了包含大量散射干擾噪聲和少量全頻帶隨機干擾噪聲的模擬地震記錄,如圖8a所示。對該地震記錄利用曲邊時窗矢量分解去噪方法進行濾波處理,得到的濾波結果和濾除的干擾噪聲分別如圖8b和圖8c所示?？梢钥吹?圖8b中有效反射波的清晰程度和連續(xù)性均得到了改善,原本存在于圖8a中的“斜”散射干擾噪聲得到了較好的分離;圖8c中散射干擾波特征明顯,不包含有效反射地震信號。據此可以認為,本文方法能夠有效濾除數(shù)值模擬數(shù)據近地表的散射干擾波。

圖7 混雜非均勻地質體的水平層狀介質模型

圖8 近地表散射干擾矢量分解法濾波實驗(曲邊時窗)a 含散射干擾波數(shù)據; b 濾波后的數(shù)據; c 濾除的噪聲

3 實際應用

在我國西部某地表形態(tài)復雜、近地表存在多尺度非均勻體的工區(qū)進行地下結構探測工作時[19],采集的地震數(shù)據中散射干擾波發(fā)育,經過試驗難以采用常規(guī)濾波方法達到理想的去噪效果。

工區(qū)關鍵采集參數(shù)為:道距4m、炮距24m、接收道300、記錄長度3s、采樣間隔1ms,滾動施工。區(qū)內典型的散射干擾波發(fā)育的野外地震記錄如圖9a所示,圖9b和圖9c分別為對地震數(shù)據進行角度域矢量分解去噪后得到的處理結果以及濾除的噪聲。對比圖9a和圖9b可以看出,原始地震記錄上有效反射波周圍的散射干擾波和隨機噪聲均得到了較好的濾除,被保留下來的有效反射波同相軸在清晰度和連續(xù)性方面均得到了明顯改善。在圖9c上,被濾除的噪聲散射特征明顯,經過分析認為其主要成分為與有效反射信號傳播方向不同的散射干擾波以及傳播方向無規(guī)律的隨機干擾噪聲。在圖9c上難以觀察到有效反射波同相軸,結合前文對矢量分解去噪算法原理的分析,可以認為在去噪過程中有效反射波信號得到了合理的保護。

圖9 濾除散射干擾波前、后的單炮地震記錄以及濾除的噪聲a 濾除散射干擾波前的地震記錄; b 濾除散射干擾波后的地震記錄; c 濾除的噪聲

在其它處理步驟和參數(shù)一致的情況下對L2線共704炮濾除散射干擾波前、后的地震數(shù)據進行疊加處理,得到的反射波疊加成像剖面如圖10所示。對比圖10a和圖10b可以看出,濾除近地表散射干擾波之后的地震剖面,質量有很大提升,尤其是在圖中紅色箭頭處原本受散射干擾波嚴重影響的近地表成像區(qū)域,地震波同相軸的連續(xù)性、可追蹤性、分辨率均得到了明顯改善。這種改善有利于連續(xù)追蹤地震目標巖體的邊界和頂界。

圖10 L2線濾除散射干擾波前(a)、后(b)的疊加成像剖面

4 結論與討論

本次研究提出了將角度域矢量分解去噪方法應用于復雜地表地震勘探中近地表散射干擾波壓制的方法,通過理論分析以及模擬地震數(shù)據、實際疊前地震數(shù)據和疊加成像剖面對比,證實了角度域矢量分解去噪方法能夠針對近地表散射干擾波實現(xiàn)良好的信噪分離效果。

作為一種能夠利用噪聲與反射地震信號出射地表時的角度偏差,從角度域入手進行去噪的濾波方法,當噪聲信號與有效信號在分布和時頻特征等方面接近時,可以作為時頻域、小波域等去噪方法的有力補充。這種方法還具有保持振幅以及可用于疊前地震數(shù)據處理等優(yōu)點,分析研究過程和研究成果可以發(fā)現(xiàn),該方法能夠較好地從實際地震數(shù)據中分離出散射地震波,據此推測該方法可用于地震散射波成像等方面的研究工作。