董蕊靜

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

地震資料初至拾取的準(zhǔn)確性一方面反映了采集工作的質(zhì)量，另一方面也是地震資料處理質(zhì)量的一個(gè)重要影響因素[1]。目前在煤田地震勘探以及活斷層探測(cè)地震數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，地震波初至自動(dòng)拾取方法主要包括兩大類：滑動(dòng)時(shí)窗法和相關(guān)耦合法?；瑒?dòng)時(shí)窗法中有應(yīng)用最為廣泛的能量比法及其改進(jìn)算法[2-5]、分形維數(shù)法[6]、二分法[7]、模式識(shí)別法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[8-9]，這類方法的共同特點(diǎn)是只利用了地震數(shù)據(jù)中單道上初至的波形和振幅特征，在每個(gè)滑動(dòng)時(shí)窗中計(jì)算窗口內(nèi)時(shí)間序列的波形特征函數(shù)，根據(jù)特征函數(shù)的變化來(lái)標(biāo)示地震波初至。這類方法在勘探區(qū)地形起伏不大、信噪比高的數(shù)據(jù)中初至拾取精度尚可，但對(duì)低信噪比資料拾取效果不理想。相關(guān)耦合法包括互相關(guān)法[10-11]、基于信息量的地震波初至拾取方法[12]、空變時(shí)窗約束法等[13]，這類方法主要基于相鄰道間的相似性，在一定程度上對(duì)低信噪比數(shù)據(jù)初至拾取能力有所提高但是要求地震波形隨傳播過(guò)程在道間不發(fā)生明顯變化，該假設(shè)在實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用中是不成立的，所以這類方法在應(yīng)用中也存在缺陷。

以上初至拾取方法是當(dāng)前地震波初至拾取研究的主要方向，研究的重點(diǎn)是初至拾取方法的研究，對(duì)于拾取后的初至異常點(diǎn)修正并未進(jìn)行過(guò)多研究。但是當(dāng)?shù)卣鹳Y料信噪比過(guò)低時(shí)，僅依靠自動(dòng)拾取初至得到的初至精度是非常有限的。此時(shí)若對(duì)自動(dòng)拾取的初至進(jìn)行手動(dòng)修正工作量會(huì)很大，這同樣會(huì)影響地震資料處理進(jìn)度?；诖?，考慮到模型約束方法是低信噪比地震資料處理一種重要方法，在此認(rèn)知的基礎(chǔ)上，提出來(lái)基于速度模型約束的地震波初至自動(dòng)修正方法[14-16]。

1 模型約束

低信噪比地震資料的處理一直是地震資料處理中的難點(diǎn)，當(dāng)初至出現(xiàn)的時(shí)間段內(nèi)地震資料的信噪比低也同樣為精確拾取地震波初至帶來(lái)很多麻煩。而模型約束方法是低信噪比地震資料處理的一種重要的方法，可將其引入初至拾取過(guò)程。根據(jù)計(jì)算機(jī)自動(dòng)拾取的地震波初至?xí)r間建立初始速度模型，使初至?xí)r間的修正在該速度模型的約束下進(jìn)行，克服了單道記錄信噪比低和相鄰道間信號(hào)不穩(wěn)定的特點(diǎn)，減少了由于復(fù)雜地質(zhì)情況造成的地震波傳播路徑復(fù)雜，而地震資料信噪又低時(shí)存在的初至拾取多解性問(wèn)題。

2 速度模型約束自動(dòng)修正原理

所謂速度模型約束修正地震波初至就是根據(jù)計(jì)算機(jī)自動(dòng)拾取的地震波初至建立相對(duì)可靠和穩(wěn)定的速度模型，使地震波初至的修正在該模型約束的條件下進(jìn)行，并且經(jīng)過(guò)多次約束修正后提高初至拾取精度。在此修正過(guò)程中，建立可靠穩(wěn)定的速度模型以及提出行之有效的初至?xí)r間修正方法是該小節(jié)的重點(diǎn)。

(1)考慮到在煤田地震勘探及工程地震勘探中，有效勘探區(qū)域內(nèi)覆蓋次數(shù)至少達(dá)到24次以上，在大部分地震波初至被精確拾取的情況下，可選擇使用地震層析成像方法構(gòu)建勘探區(qū)速度模型，并用以修正極少部分沒(méi)被精確拾取的地震波初至。所以這里要求經(jīng)過(guò)自動(dòng)拾取后，大部分炮上的地震波初至都被精確拾取。在此基礎(chǔ)上使用層析成像軟件，對(duì)自動(dòng)拾取的初至進(jìn)行無(wú)效道編輯、速度模型反演及地震波初至?xí)r間正演計(jì)算。

(2)假設(shè)地震數(shù)據(jù)自動(dòng)拾取后某道初至?xí)r間為，而正演得到該道的理論初至?xí)r間為，這里使用拉格朗日乘數(shù)法用速度模型正演的初至?xí)r間對(duì)自動(dòng)拾取的初至?xí)r間進(jìn)行修正，其中時(shí)刻的前后時(shí)窗能量比值，引入拉格朗日因子，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)為：

Q(t)=R(t)-γ‖t-ttom‖

(1)

在給定的時(shí)窗內(nèi)，使得Q(t)取值最大的時(shí)間即為使用模型約束后，對(duì)自動(dòng)拾取的初至?xí)r間進(jìn)行修正的結(jié)果，即可將以上問(wèn)題轉(zhuǎn)化為計(jì)算在(t1，t2)時(shí)窗內(nèi)使得滿足：

?Q(t)/?t=0

(2)

故對(duì)公式(1)求導(dǎo)可計(jì)算出在每個(gè)時(shí)刻上的拉格朗日系數(shù)：

(3)

而對(duì)于離散的地震數(shù)據(jù)，能量比在t時(shí)刻的導(dǎo)數(shù)可使用前后相鄰兩個(gè)時(shí)刻上的能量比差值代替，故當(dāng)前時(shí)刻拉格朗日系數(shù)可表示為：

(4)

而對(duì)于每個(gè)地震道，在給定時(shí)窗內(nèi)最大值計(jì)算過(guò)程中只能有1個(gè)γ值，故此處選擇計(jì)算時(shí)窗內(nèi)所有時(shí)刻上的γt均值，所以為：

(5)

將拉格朗日系數(shù)代入式(1)，在給定的時(shí)窗內(nèi)搜索使得式(1)取值最大的時(shí)刻，即為使用模型修正后的地震波初至。

3 模型約束修正地震波初至的流程

該算法實(shí)施過(guò)程可分為4步進(jìn)行。

(1)根據(jù)資料信噪比情況選擇一定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)自動(dòng)拾取的地震波初至剔除誤差較大的值，建立初始初至?xí)r間集。

(2)建立初始速度模型，并進(jìn)行速度模型反演，根據(jù)反演擬合差剔除壞道上的初至，同時(shí)對(duì)地震波初至進(jìn)行正演，解編正演結(jié)果文件。

(3)在相同道上計(jì)算不同時(shí)刻的拉格朗日因子，搜索在給定時(shí)窗內(nèi)滿足拉格朗日約束條件的值，即為一次修正后的地震波初至。

(4)循環(huán)(2)到(3)步驟，經(jīng)過(guò)多次約束，最終得到滿足初至拾取精度的初至?xí)r間。

通過(guò)反演擬合差及修正后的初至?xí)r間與正演的初至?xí)r間的擬合差2個(gè)參數(shù)，判斷經(jīng)過(guò)修正后的初至是否滿足初至拾取精度要求，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)可知，當(dāng)這2個(gè)擬合差值都達(dá)到5 ms以下時(shí)，即可認(rèn)為模型約束修正初至?xí)r間達(dá)到初至拾取精度要求。對(duì)于其他信噪比的數(shù)據(jù)體，這2個(gè)參數(shù)可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，最終以每炮上初至拾取面貌為準(zhǔn)。

4 修正地震波初至的測(cè)試分析

使用某二維地震勘探數(shù)據(jù)對(duì)該速度模型約束算法進(jìn)行測(cè)試。首先使用CGG處理系統(tǒng)自帶的地震波初至交互式拾取模塊對(duì)該數(shù)據(jù)的初至進(jìn)行交互式的批量拾取，其中209炮上初至拾取結(jié)果如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，在近炮點(diǎn)位置及受外源干擾影響較大的左支遠(yuǎn)道信噪比非常低的道上存在較大的拾取誤差。該數(shù)據(jù)基本每一炮上都存在受外源干擾信噪比低的道，通常情況下針對(duì)該數(shù)據(jù)初至拾取，或者人工拾取或者自動(dòng)拾取后再人工手動(dòng)修改、刪這些道上的初至?xí)r間，總之以往對(duì)于類似這樣信噪比的數(shù)據(jù)無(wú)法避免人工拾取或者修改。

圖1 使用CGG交互拾取的209炮上的地震波初至Fig.1 Seismic first-breaks picked by CGG on single-shot record of 209

首先使用能量比法自動(dòng)拾取所有炮的初至，209炮上自動(dòng)拾取初至的結(jié)果如圖2所示。分析自動(dòng)拾取的初至同樣也是近炮點(diǎn)道上及信噪比很低的左支遠(yuǎn)道上拾取誤差很大，需要對(duì)這些道上的初至進(jìn)行修正。

圖2 文件號(hào)為209單炮上自動(dòng)拾取的地震波初至Fig.2 Seismic first-breaks picked automatically on single-shot record of 209

根據(jù)自動(dòng)拾取的初至?xí)r間建立初始速度模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行反演，反演擬合差為40.2 ms，得到1次反演的速度模型如圖3(a)所示。在此反演過(guò)程中，有效反射區(qū)域內(nèi)射線密度達(dá)40次以上，且分析反演模型可知該結(jié)果符合工區(qū)地質(zhì)情況。即自動(dòng)拾取的初至滿足速度模型修正算法對(duì)初至的要求。

圖3 反演得到的速度模型Fig.3 Velocity model obtained by inversion

對(duì)初始速度模型按照野外采集系統(tǒng)進(jìn)行第1次正演。同時(shí)分析圖2可知自動(dòng)拾取的初至除了近炮點(diǎn)道、左支遠(yuǎn)炮點(diǎn)道及個(gè)別壞道，其他信噪比高的道上初至無(wú)需修改，考慮到初始速度模型精度有限，在第1步修正時(shí)通過(guò)調(diào)整自動(dòng)拾取的初至?xí)r間與正演的初至?xí)r間差值先修正拾取誤差較大的初至。

經(jīng)過(guò)一次修正后209炮上初至拾取結(jié)果如圖4所示，自動(dòng)拾取差異較大的點(diǎn)經(jīng)過(guò)一次修正后被修正到靠近初至正確時(shí)間的位置上，但受初始模型精度與修正因子等參數(shù)的影響，1次修正并不能達(dá)到精確修正初至的目的，只要初至形態(tài)上與真實(shí)初至?xí)r間是接近的就可認(rèn)為修正合理。

圖4 一次修正后文件號(hào)為209單炮上的初至Fig.4 Seismic first-breaks on single-shot record of 209 after a correction

經(jīng)過(guò)一次修正后對(duì)該修正結(jié)果進(jìn)行第2次模型反演，反演擬合差降至27 ms，反演得到的模型如圖5所示。

圖5 2次修正后文件號(hào)為209炮上的初至Fig.5 Seismic first-breaks on single-shot record of 209 after two corrections

對(duì)比圖4與圖5可知經(jīng)過(guò)一次修正后反演的速度模型精度有所提高，速度模型細(xì)節(jié)更為豐富，尤其邊界上初至修正后反演的速度模型中地層信息更清楚。調(diào)整初至修正時(shí)窗與值，使用圖5所示的速度模型正演得到的初至?xí)r間對(duì)經(jīng)過(guò)一次修正的初至進(jìn)行第2次修正。經(jīng)過(guò)第2次修正后209炮上的初至示意如圖6所示，對(duì)比圖6與圖4可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)2次修正后有待修正的初至又進(jìn)一步向正確的初至?xí)r間靠近。

對(duì)經(jīng)過(guò)2次修正的地震波初至進(jìn)行第3次反演，反演擬合差為15.2 ms，速度模型如圖3(c)所示。使用該模型正演的初至?xí)r間對(duì)第2次修正的初至進(jìn)行第3次修正，修正后的單炮如圖6所示。

圖6 三次修正后文件號(hào)為209炮上的初至Fig.6 Seismic first-breaks on single-shot record of 209 after three corrections

對(duì)經(jīng)過(guò)3次修正的地震波初至進(jìn)行第4次反演，反演擬合差為4.7 ms。該模型反演擬合差小于5 ms，認(rèn)為該速度模型精度足夠高，且所有檢波點(diǎn)的初至?xí)r間與正演的初至?xí)r間擬合差集中在4 ms以內(nèi)，也不存在差異較大的異常值，可認(rèn)為該數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)4次修正后即可得到滿足精度的初至?xí)r間。

當(dāng)反演收斂誤差滿足精度要求后對(duì)初至進(jìn)行第4次修正，為避免修正過(guò)量此次修正過(guò)程將調(diào)整小一些，該數(shù)據(jù)測(cè)試中第4次修正過(guò)程中取值取在給定時(shí)窗內(nèi)按照式(4)計(jì)算γ的最小值，對(duì)進(jìn)行過(guò)3次修正的初至?xí)r間在能量比法的約束下進(jìn)行微調(diào)，即可完成對(duì)地震波初至的修正。209炮上經(jīng)過(guò)4次修正后的初至結(jié)果如圖7所示。

圖7 4次修正后文件號(hào)為209單炮上的初至Fig.7 Seismic first-breaks on single-shot record of 209 after four corrections

對(duì)比圖4與圖2中修正前后單炮上的初至可知經(jīng)過(guò)該模型約束算法修正后，在自動(dòng)拾取中不能被精確拾取的地震波初至均被有效的修正到了合理的時(shí)刻。同時(shí)對(duì)比圖3(a)與圖3(d)可知隨著初至精度的提高，反演得到的速度模型精度也相應(yīng)提高，該模型可直接用來(lái)進(jìn)行下一步靜校正計(jì)算。

對(duì)比如圖1所示的CGG地震波初至自動(dòng)拾取模塊拾取的初至與圖7所示的基于模型約束后得到的地震波初至信噪比高的道上自動(dòng)拾取結(jié)果與本算法拾取結(jié)果相當(dāng)，但是對(duì)于信噪比低的道，經(jīng)本算法修正后的初至精度高于CGG模塊自動(dòng)拾取的結(jié)果。此外考慮到該數(shù)據(jù)有110炮，若人工手動(dòng)拾取或者交互自動(dòng)拾取人工手動(dòng)修正都無(wú)法避免人工操作，而自動(dòng)拾取后再使用模型約束算法進(jìn)行修正完全實(shí)現(xiàn)初至拾取修正自動(dòng)化。而且每次約束修正最多用時(shí)5 min，按照這里4次約束算，110炮自動(dòng)拾取加自動(dòng)修正用時(shí)最多不超過(guò)25 min，可見(jiàn)當(dāng)?shù)卣饠?shù)據(jù)中存在一定比例信噪比低的道時(shí)基于模型約束的地震波初至自動(dòng)修正算法從耗時(shí)耗人工方面都優(yōu)于人工拾取及交互拾取加人工修正這2種初至拾取模式，而且地震數(shù)據(jù)炮數(shù)越多這種時(shí)間優(yōu)勢(shì)越明顯。

5 結(jié)論

根據(jù)地震波初至拾取現(xiàn)狀，針對(duì)計(jì)算機(jī)自動(dòng)拾取的地震波初至提出了基于速度模型約束的地震波初至?xí)r間自動(dòng)修正算法。對(duì)速度模型約束修正初至?xí)r間這一算法從理論、流程到算法測(cè)試進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并通過(guò)對(duì)實(shí)際地震數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果證明了該算法的可行性。并得到以下結(jié)論及建議。

(1)速度模型反演是在對(duì)地震波初至信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、綜合分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，故根據(jù)地震波初至反演得到的速度模型既可反應(yīng)初至拾取的精度又能指導(dǎo)部分初至拾取誤差較大的點(diǎn)自適應(yīng)修正以達(dá)到較高的初至拾取精度。

(2)通過(guò)在給定時(shí)窗內(nèi)使用速度模型的理論初至?xí)r間在拉格朗日約束下對(duì)自動(dòng)拾取的初至進(jìn)行多次自適應(yīng)修正，以此實(shí)現(xiàn)速度模型對(duì)地震波初至修正過(guò)程的約束。

(3)實(shí)際地震資料總是復(fù)雜多變的，地震波初至自動(dòng)拾取的精度會(huì)影響速度模型的反演精度，而速度模型的反演精度會(huì)反過(guò)來(lái)影響地震波初至的修正精度。有必要進(jìn)一步分析地震波初至初始精度對(duì)其自適應(yīng)修正效率與精度的影響。