雍凡,劉子龍,蔣正中,羅水余,劉建生

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083; 2.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所， 河北 廊坊 065000)

0 引言

高精度淺層反射地震勘探能夠得到從深度幾十米到幾千米的地下構(gòu)造信息，是城市地下空間探測的重要手段。二維高分辨率地震勘探已經(jīng)成為城市活動斷裂勘查的主要技術(shù)手段，在多個城市取得了良好應(yīng)用效果[1-6]。然而，采用二維地震探測存在中淺層小構(gòu)造控制程度較差，在地層傾角較大地區(qū)斷層歸位不夠準(zhǔn)確，受建筑物和其他障礙物限制致使測線布設(shè)與構(gòu)造走向斜交等問題[7]。三維地震數(shù)據(jù)量大、偏移歸位準(zhǔn)確、橫向分辨率高、探測深度范圍大，有利于對復(fù)雜構(gòu)造和小構(gòu)造的研究，可以克服二維地震勘探在城市中使用大偏移距、單邊激發(fā)觀測系統(tǒng)，對淺部地層的探測不利的問題[8]。因此開展城市淺層三維地震勘探的應(yīng)用研究對提高目前我國城市地下空間探測精度具有重要意義。

雖然國內(nèi)城市淺層三維地震勘探的實(shí)際應(yīng)用研究較少，但是許多學(xué)者開展了相關(guān)的試驗研究[9-11]。為了檢驗三維地震勘探方法在城市工程勘察中的應(yīng)用效果，尹喜玲在學(xué)校、公園和公路的實(shí)驗場地進(jìn)行了三維地震勘探方法應(yīng)用試驗[12]，通過大量的處理參數(shù)實(shí)驗以及模塊選擇實(shí)驗，獲得了一套適用于該工區(qū)淺層數(shù)據(jù)的處理流程和處理參數(shù)，表明了淺層三維地震技術(shù)也可為城市地下空間探查、地質(zhì)災(zāi)害勘查等提供更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。夏訓(xùn)銀等結(jié)合工程實(shí)例，介紹了三維地震在城市活斷層探測中的應(yīng)用[8]。劉影等回顧了城市活斷層探測現(xiàn)狀，從理論上分析了三維地震勘探的優(yōu)勢，認(rèn)為三維地震勘探可以較好地解決由于二維地震勘探本身的技術(shù)缺陷和地表環(huán)境、地質(zhì)條件影響所造成的斷層定位不準(zhǔn)的問題[7]。通過實(shí)例剖析，論證了利用三維地震探測在城市進(jìn)行活斷層精確定位中的可行性及其意義。

國外，淺層三維地震在冰川沉積層、淺部斷裂、古河道、含水層以及喀斯特地區(qū)地面沉降方面的調(diào)查中得到較好的應(yīng)用效果[13-21]。Bachrach等設(shè)計了一套完整的高分辨率淺層地震反射系統(tǒng)，甚至可以僅用一臺便攜計算機(jī)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制和實(shí)時三維成像[22-26]。但在城區(qū)環(huán)境開展淺層三維地震的報道較為少見。

通過文獻(xiàn)調(diào)研和對實(shí)際采集的地震數(shù)據(jù)分析表明，在城市中開展三維地震工作存在著以下幾個突出的問題：

1) 城市地震勘探中，雖然通常地形起伏不太大，但是淺表層由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)和人為活動的影響存在著表層速度分布不均勻的現(xiàn)象，導(dǎo)致地震記錄上反射波不連續(xù)出現(xiàn)較為明顯的抖動現(xiàn)象。

2) 在城市三維地震勘探中，面臨著更多的環(huán)境噪聲，如車輛行駛、廠礦生產(chǎn)以及人們的日常生活活動都會造成相當(dāng)?shù)沫h(huán)境噪聲。甄別和消除這些噪聲對地震資料處理的品質(zhì)尤為重要。

3) 由于城市地震勘探障礙物多，不能埋置檢波器，不能激發(fā)的勘探點(diǎn)非常多，造成了較多的空道和空炮。并且由于受城市施工環(huán)境的限制，炮點(diǎn)分布極不均勻，存在大量空炮的區(qū)域，導(dǎo)致覆蓋次數(shù)相應(yīng)地也十分不均勻。

針對上述問題，必須在資料處理中采用相應(yīng)的處理手段，才能消除影響提高成像質(zhì)量。在常規(guī)地震資料處理流程上，本文以實(shí)際三維地震資料為例，針對城市三維地震特殊環(huán)境，采用了層析靜校正、疊前多方法組合去噪、疊前數(shù)據(jù)規(guī)則化插值和精細(xì)動校拉伸切除等技術(shù)手段對城市三維地震資料進(jìn)行處理，提高了淺層成像質(zhì)量。

1 數(shù)據(jù)采集與基本處理流程

1.1 數(shù)據(jù)采集

勘探區(qū)域位于北方某城市建成區(qū)域內(nèi)，面積共約3 km2。工區(qū)內(nèi)居民區(qū)、學(xué)校和工廠分布密集，對施工安全要求非常高，不適合采用炸藥震源，因此采用了兩臺大功率可控震源。震源參數(shù)如下：2臺28 t可控震源同時激發(fā)；掃描長度12 s；掃描頻率范圍為10～120 Hz；掃描方式選擇線性掃描；垂直疊加次數(shù)為2次。采用觀測系統(tǒng)參數(shù)如下：面元大小為5 m×10 m；道間距10 m；覆蓋次數(shù)為4×6；單線接收道數(shù)96道；炮點(diǎn)距20 m；接收線距60 m；炮線距80 m；最大炮檢距1 046.95 m；激發(fā)方式為端點(diǎn)激發(fā)；束線重復(fù)接收線4條。

1.2 數(shù)據(jù)處理基本流程和主要處理參數(shù)

本次處理主要包括了預(yù)處理、靜校正、疊前去噪、振幅恢復(fù)、反褶積、速度分析、疊前插值、疊加和偏移等主要處理步驟，具體處理流程和處理參數(shù)分別如圖1和表 1所示。

表1 主要處理參數(shù)

圖1 處理流程Fig.1 Data processing flow

2 淺層成像的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 層析靜校正

城市地震勘探中，雖然通常地形起伏不太大，但是淺表層由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)和人為活動的影響存在著表層速度分布不均勻的現(xiàn)象，導(dǎo)致地震記錄上反射波不連續(xù)出現(xiàn)較為明顯的抖動現(xiàn)象。靜校正對原始地震數(shù)據(jù)要進(jìn)行地形校正、激發(fā)深度校正、低速帶等校正消除淺地表結(jié)構(gòu)速度的變化以及高程變化對同相軸的影響。

本次地震資料處理中采用了折射層析靜校正，該方法是Osypov于1999年提出的， 首先利用初至旅行時進(jìn)行視速度和延遲時的估計，然后利用Herglotz-Wiechert公式進(jìn)行速度模型估計，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)靜校正量的計算。這種方法采用非顯式的射線追蹤反演求解近地表模型，能利用所有的偏移距信息，它既有首波作為初至波反演的優(yōu)點(diǎn)(不需要初始模型或射線追蹤)，又有回轉(zhuǎn)波反演的靈活性，具有較強(qiáng)的適用性。

層析靜校正方法消除了由于淺地表結(jié)構(gòu)速度的變化以及高程變化造成的同相軸抖動的現(xiàn)象。經(jīng)過靜校正后的地震原始記錄明顯改善，初至變得非常光滑，原本辨認(rèn)不清的反射波同相軸也變得顯而易見。靜校正疊加剖面中，同向軸變得光滑連續(xù)，數(shù)據(jù)的相關(guān)性得到加強(qiáng)，證明靜校正方法和參數(shù)選擇合理，應(yīng)用效果理想(圖 2)。

圖2 炮集靜校正前(a)后(b)對比Fig.2 Comparison of shot gather between before(a) and after(b) static corrention

2.2 疊前多域聯(lián)合去噪

在城市三維地震勘探中，面臨著更多的環(huán)境噪聲，如車輛行駛、廠礦生產(chǎn)以及人們的日常生活活動都會造成相當(dāng)?shù)沫h(huán)境噪聲。圖 3為實(shí)際采集數(shù)據(jù)單炮記錄中的一部分，可見面波等規(guī)則干擾以及50 Hz工業(yè)電和車輛通行形成的干擾。甄別和消除這些噪聲對地震資料處理的品質(zhì)尤為重要，噪聲的特征不同，相應(yīng)的去噪方法也就不同。

圖3 單炮記錄上的噪聲(a)和對應(yīng)的頻譜(b)Fig.3 Noise on shot gather(a) and their frequency spectrum(b)

各種工業(yè)電干擾嚴(yán)重，記錄上表現(xiàn)為自上而下頻率單一的周期性強(qiáng)振幅干擾。經(jīng)過分析，工區(qū)范圍內(nèi)主要的單頻干擾頻率有35 Hz和50 Hz兩種，而有效波的頻率范圍為20～60 Hz，如果對全區(qū)進(jìn)行統(tǒng)一的單頻陷波處理，勢必將部分有用信號也去除了。為了盡可能地保留有用信號，僅在受單頻噪聲干擾的地震道運(yùn)用單頻濾波的方法是一種有效的處理手段。本次處理中，先設(shè)計了一個從零到初至?xí)r間的時窗，該時窗內(nèi)實(shí)際包含的都是背景噪聲。然后計算該時窗內(nèi)每一地震道的主頻，再根據(jù)主頻的大小，分選出受單頻噪聲干擾的地震道進(jìn)行單頻噪聲的壓制。最后再將濾波處理完的地震道與其他地震道合并，從而達(dá)到精準(zhǔn)濾波的目的，最大限度地保留有用信號。

野外地震數(shù)據(jù)采集時，同時穿過多個村莊和廠區(qū)，沿線車流量大，外界隨機(jī)噪聲干擾嚴(yán)重。這些隨機(jī)噪聲是非相干的且頻帶豐富，常規(guī)的頻率濾波、視速度濾波難以使其衰減，而高能壓噪處理技術(shù)正是消除隨機(jī)噪聲的有效手段。采用的高能壓噪處理技術(shù)在炮集記錄上以道數(shù)和時間段為邊界設(shè)置窗口，對窗口內(nèi)所有的波形進(jìn)行能量均衡，衰減局部強(qiáng)振幅能量團(tuán)，去除隨機(jī)噪聲的干擾。

頻率分析表明該區(qū)域內(nèi)面波的頻率主要集中在0～20 Hz， 但20～40 Hz 范圍內(nèi)面波的能量依然很強(qiáng)。簡單的帶通濾波不能有效地壓制面波干擾。因此，本次處理采用了基于振幅能量統(tǒng)計原理的區(qū)域異常噪聲衰減法對面波進(jìn)行壓制。首先在面波頻帶內(nèi)拾取異常振幅信息，然后在有效波頻帶范圍內(nèi)拾取進(jìn)行分解。對上述拾取和分解的結(jié)果在應(yīng)用時進(jìn)行帶通濾波，輸入地震數(shù)據(jù)的低頻成分，即可得到面波頻帶，也就是低頻成分的有效信號。然后從地震數(shù)據(jù)中將得到的低頻有效信號減去，也就得到了純面波干擾。理論上，該信號包含面波和面波頻帶內(nèi)的異常噪聲，其能量的大小與地震數(shù)據(jù)有關(guān)。最后從原始輸入地震數(shù)據(jù)中，將濾波得到的純面波干擾減去，就得到濾波后的有效信號。

通過單頻噪聲壓制、異常振幅衰減和面波壓制這3種方法聯(lián)合對疊前數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，從處理前后的地震記錄(圖 4)對比可以看到，單頻噪聲和車輛行駛等環(huán)境噪聲基本消除，面波得到了有效壓制。

圖4 疊前去噪前(a)后(b)炮記錄對比Fig.4 Comparision between before (a) and after (b) denoise on shot gather

2.3 疊前插值與規(guī)則化

由于城市地震勘探障礙物多，不能埋置檢波器，不能激發(fā)的勘探點(diǎn)非常多，造成了較多的空道和空炮，影響了數(shù)據(jù)質(zhì)量，并給后續(xù)處理帶來困難(圖5)。并且由于受城市施工環(huán)境的限制，炮點(diǎn)分布極不均勻，存在大量空炮的區(qū)域，導(dǎo)致覆蓋次數(shù)相應(yīng)地也十分不均勻(圖6)。此外，淺層地震數(shù)據(jù)的最大有效偏移距小且分布不均勻，時間切片上容易出現(xiàn)采集腳印。

圖5 檢波點(diǎn)和炮點(diǎn)布置Fig.5 Layout of receivers and shot points

圖6 覆蓋次數(shù)Fig.6 CMP fold

本次處理采用頻率—空間域疊前數(shù)據(jù)規(guī)則化處理方法，將空間上不規(guī)則的樣點(diǎn)插值成規(guī)則均勻樣點(diǎn)，在一定范圍內(nèi)補(bǔ)全缺失的地震道，消除因地震資料空間采樣不規(guī)則對成像效果造成的影響。 頻率—空間域疊前數(shù)據(jù)規(guī)則化方法利用加權(quán)法對疊前道集進(jìn)行規(guī)則化處理，通過最小中值平方差，用加權(quán)法估計差值誤差。插值距離(即輸入道與插值道之間距離)和參與插值的輸入道個數(shù)是兩個重要的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制參數(shù)。最大插值距離越大，參與插值的道數(shù)越多，插值信噪比越高，但平均效應(yīng)越大，會降低淺層信號的分辨率。因此最大插值距離的選擇應(yīng)該兼顧信噪比和分辨率。在給定最大插值距離的情況下，由于淺層數(shù)據(jù)的缺失不規(guī)則，有的插值道的輸入道數(shù)量會很少，過少的輸入道會導(dǎo)致插值道信噪比低。為保證插值后的數(shù)據(jù)質(zhì)量，通過統(tǒng)計參與插值的輸入道的數(shù)量，把輸入道過少的插值道舍棄。

圖7為插值規(guī)則化前后三維疊加數(shù)據(jù)體時間切片對比。插值前的時間切片上，條帶狀的采集腳印十分明顯，嚴(yán)重切割了有效信號。另外由于障礙物的影響，在淺層時間切片上存在著明顯的數(shù)據(jù)空洞。插值之后的時間切片上，采集腳印幾乎全部消失，由于數(shù)據(jù)缺失產(chǎn)生的空洞也得到一定的彌補(bǔ)。

圖7 插值前(a)后(b)疊加數(shù)據(jù)時間切片對比Fig.7 Comparison of time slice between before (a) and after (b) interpolation

從疊后時間剖面對比(圖 8)上可以看到，插值后的地震剖面淺層同相軸變得連續(xù)自然、振幅均衡，淺部的部分?jǐn)?shù)據(jù)缺口得以補(bǔ)充，有效消除了野外采集數(shù)據(jù)不規(guī)則對成像造成的影響，改善了淺部地層的成像質(zhì)量。

圖8 插值前(a)后(b)疊加剖面對比Fig.8 Comparison of time stack profile between before (a) and after (b) interpolation

2.4 動校拉伸切除

動校正是地震資料處理的重要內(nèi)容之一，是實(shí)現(xiàn)高分辨率水平疊加的基礎(chǔ)。但是動校正拉伸使得道集中反射波波形發(fā)生畸變，具體表現(xiàn)為波形拉長，頻率向低頻方向移動。目前在地震數(shù)據(jù)處理中常用的克服動校正拉伸的方法是將拉伸比嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行切除。動校正拉伸畸變具有不同的分布規(guī)律，淺層和大炮檢距情況下，拉伸畸變大，因而淺層多被切除，所以當(dāng)目的層位于深層時，切除方法是可取的。但當(dāng)目的層較淺的情況下，切除會使得淺層的覆蓋次數(shù)降低，能量變?nèi)?，影響淺層成像效果。因此對于城市三維地震，為了盡可能多地保留淺層覆蓋次數(shù)，必須對動校拉伸切除方法和參數(shù)進(jìn)行謹(jǐn)慎的選擇，避免有用信號被切除。本次研究首先通過測試，選取了合適的拉伸切除因子和最小切除偏移距，對大偏移距和深層數(shù)據(jù)校正拉伸變形進(jìn)行了初步切除，然后通過手工拾取的方式定義了全區(qū)空變的切除參數(shù)，對小偏移距和淺層數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)動校拉伸切除。

地震數(shù)據(jù)動校后會出現(xiàn)波形拉長的畸變，通常通過設(shè)置一個拉伸切除因子使得當(dāng)波形形變超過這個閾值后的地震道數(shù)據(jù)被切除。在動校正之中，淺層和大偏移距拉伸畸變最為嚴(yán)重。通過選取最小切除偏移，即小于該偏移距的地震道即使動校拉伸變形超過了拉伸變形切除因子也不進(jìn)行切除，可以保護(hù)淺層小偏移距的數(shù)據(jù)不被切除，而深部大偏移距的數(shù)據(jù)不受影響。如果選取的最小偏移距過小時，淺層數(shù)據(jù)丟失的較多，剖面出現(xiàn)了明顯的缺口。但隨著最小切除偏移距的增大，剖面上由于動校拉伸變形產(chǎn)生的低頻信息逐漸凸顯，拉伸變形的痕跡在剖面上變得非常明顯，降低了剖面的分辨率，破壞了同相軸的連續(xù)性。因此通過測試選取合適最小切除偏移，達(dá)到保護(hù)淺層信息。

實(shí)踐證明，采用手工切除動校拉伸是保證淺層覆蓋次數(shù)，提高淺層資料信噪比的有效手段。通過應(yīng)用前文所述的帶有偏移距保護(hù)的動校拉伸切除之后，偏移距大于100 m動校拉伸畸變基本已被完全清除。而為了保留淺層信息，偏移距小于100 m的地震道中仍然包含有拉伸畸變，降低了剖面分辨率。針對這部分地震道集，采用人工拾取的方法對淺部拉伸變形進(jìn)行精細(xì)的切除，最大限度地保留淺層覆蓋次數(shù)。首先參考速度分析設(shè)置，在全區(qū)均勻選擇部分CMP點(diǎn)，對這些參考CMP點(diǎn)應(yīng)用無切除的動校正。然后在動校之后的CMP道集上手工拾取切除點(diǎn)，再以插值的方法建立全區(qū)空變的拉伸切除參數(shù)，最后按照建立好的切除模型對地震道進(jìn)行切除。

對比精細(xì)動校拉伸切除與常規(guī)動校拉伸切除的時間疊加剖面后可以看出(圖 9)，本文采用的精細(xì)動校拉伸切除后淺層拉伸變形基本得到消除，較好地保留了淺層的反射信息(100 ms 以上)，有利于最淺層成像。

圖9 常規(guī)處理動校拉伸切除(a)與淺層保護(hù)處理動校拉伸切除(b)結(jié)果對比Fig.9 Comparison of the moveout stretching correction results between conventional processing (a) and shallow-protect processing (b)

3 結(jié)論

本文針對城市三維地震資料處理中淺層成像面臨的幾個關(guān)鍵問題，分別采用了合理的處理手段，得到了良好的處理效果。

1) 采取了層析靜校正方法消除了由于淺地表結(jié)構(gòu)速度的變化以及高程變化造成的同相軸抖動的現(xiàn)象。

2) 采用單頻噪聲壓制、異常振幅衰減和面波壓制3種去噪方法，對疊前數(shù)據(jù)進(jìn)行了去噪處理，取得了較好的處理效果。

3) 采用了頻率—空間域疊前數(shù)據(jù)規(guī)則化處理方法，將空間上不規(guī)則的樣點(diǎn)插值成規(guī)則均勻樣點(diǎn)，在一定范圍內(nèi)補(bǔ)全缺失的地震道，消除因地震資料空間采樣不規(guī)則對成像效果造成的影響。

4) 選取了拉伸變形切除因子和最小切除偏移距來保護(hù)淺層覆蓋次數(shù)，同時采用手工精細(xì)切除的方法，盡可能多地保護(hù)淺層數(shù)據(jù)。切除后淺層的拉伸變形基本得到消除，也較好地保留了淺層的反射信息，有利于最淺層成像。