喻兵良

（安徽省勘查技術(shù)院，安徽合肥 230031）

0 引言

在諸多物探方法中，地震勘探以其勘探精度高、分層能力強(qiáng)等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用在煤田地質(zhì)勘探領(lǐng)域。近年來，隨著勘探和開采程度的提高，可開采煤層往往面臨煤層厚度薄，小斷層、小陷落柱和砂巖透鏡體發(fā)育等問題，地質(zhì)構(gòu)造情況復(fù)雜，開采難度大。目前國內(nèi)煤礦采掘大多采用機(jī)械化采煤方法，斷層、陷落柱等煤層構(gòu)造對巷道的布設(shè)影響非常大。因此在煤礦安全開采過程中，對地質(zhì)構(gòu)造的精細(xì)解釋有著更高的要求，從而對地震資料的成像精度，特別是縱向分辨率提出了新的要求。

地震信號縱向分辨率是指地震子波在相鄰兩個地質(zhì)界面上反射干涉疊加后，通過兩個子波主峰所能區(qū)分的最小薄層厚度、斷層上下盤最小落差或最小時間差等。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的地震資料縱向分辨能力為1/4波長，即：

式中：B為地震資料分辨的最小地層厚度（m）；λ為反射波波長（m）；V為地層波速（m/s）；Tm為反射波周期（s）；fm為反射波主頻（Hz）。

為了有效提高地震成像資料的縱向分辨率，首先要在地震勘探數(shù)據(jù)采集過程中切實(shí)提高反射信號的能量、主頻和頻帶寬度；其次在數(shù)據(jù)處理階段優(yōu)選提高資料頻率的處理方法、處理模塊和參數(shù)。本文力求從這兩個方面來探討如何提高地震資料的縱向分辨率。

1 野外數(shù)據(jù)采集影響資料縱向分辨率的主要因素

如何在野外采集到有較高信噪比和較高主頻的原始地震數(shù)據(jù)，是最終能否獲得高分辨率地震成像資料的關(guān)鍵。

1.1 激發(fā)因素

要想采集到高頻寬帶的地震信號，首先要求激發(fā)出高頻地震波。當(dāng)前煤田領(lǐng)域地震勘探激發(fā)以炮井炸藥激發(fā)為主，其中井深、藥量和巖性是地震勘探中的主要激發(fā)要素，而影響激發(fā)頻率的主要因素是巖性和藥量。

一般認(rèn)為炸藥爆炸產(chǎn)生的地震波頻率與炸藥爆炸后的破壞半徑成反比，與激發(fā)巖層的地震波波速成正比，即：

式中：F為地震波頻率（Hz）；V為圍巖的彈性波速度（m/s）；R為破壞半徑（m）。

可見，密度大、波速高的介質(zhì)是理想的激發(fā)巖性。在致密的巖石中（如灰?guī)r）激發(fā)時的破壞半徑小，激發(fā)耦合介質(zhì)的速度大，激發(fā)的地震波頻率就高。相反，在松軟或干燥的地層（如黃土）中激發(fā)爆炸破壞空間大，介質(zhì)速度小，其激發(fā)的地震波頻率就低。

當(dāng)激發(fā)井深、巖性等參數(shù)不變時，地震波的頻率與藥量成負(fù)相關(guān)關(guān)系：

式中：F為地震波頻率（Hz）；Q為藥量（kg）；V為圍巖彈性波速度（m/s）；K為比例系數(shù)。

可見，藥量越小，對激發(fā)高頻地震信號越有利[1]，因此數(shù)據(jù)采集時希望減少藥量以保證地震子波有較高的主頻?？墒?，我們在選擇藥量時，還必須面對另外一個問題，即激發(fā)能量與激發(fā)藥量是成正相關(guān)關(guān)系的。所以，既需要激發(fā)大能量的地震波，又需要地震波具有較高的分辨率，顯然這是一對矛盾。實(shí)際生產(chǎn)中，只能兼顧二者的關(guān)系，通過試驗(yàn)來選擇合適的激發(fā)藥量。

另外，激發(fā)頻率還與幾何耦合和阻抗耦合有一定的關(guān)系。幾何耦合是指藥柱半徑和炮井半徑之比，阻抗耦合是指炸藥阻抗（炸藥密度和爆速的乘積）與激發(fā)介質(zhì)的波阻抗之比。當(dāng)藥柱半徑和炮井半徑相等、炸藥阻抗和介質(zhì)阻抗相等時，激發(fā)所產(chǎn)生的能量和頻率都是最大的。

1.2 接收因素

目前廣泛使用的動圈式檢波器其幅頻響應(yīng)是高通的，當(dāng)接收的地震波頻率低于諧振頻率時，便會按一定的陡度壓制低頻。檢波器自然頻率越低，接收深部低頻信號的能力越強(qiáng)，但是壓制面波的能力越弱。因此接收高分辨率地震信號需采用自然頻率相對較高的檢波器，壓制低頻噪音，突出高頻信號（圖1 為不同主頻檢波器接收的地震資料頻譜對比）。當(dāng)然，檢波器型號的選擇，還要考慮勘探目的層深度以及對低頻信號的保護(hù)等。一般來說，要求探測的深度越大，采用的檢波器頻率就越低，如當(dāng)探測深度要達(dá)到2000 m以下時，一般采用10～30 Hz頻率的檢波器，當(dāng)探測深度低于1000 m時，一般采用40～60 Hz的檢波器[2]。

圖1 不同主頻檢波器（左：10 Hz，中：35 Hz，右：60 Hz）接收的地震資料頻譜比較Figure 1. Spectrum comparison of seismic data received by geophones with different dominant frequencies (left: 10 Hz,middle: 35 Hz, right: 60 Hz)

數(shù)字檢波器具有動態(tài)范圍大、信號畸變小的優(yōu)勢，對高、低頻信息均具有較強(qiáng)的錄制能力，這種寬帶特征為提高地震數(shù)據(jù)的縱向分辨率提供了條件。數(shù)字檢波器接收的原始資料其高頻成分明顯比模擬檢波器豐富[3]。因此，采用數(shù)字檢波器進(jìn)行接收，是今后地震勘探特別是全三維高精度地震勘探的發(fā)展趨勢。

為了提高抗干擾能力，目前地震勘探基本上采取組合檢波。組合檢波的目的是壓制規(guī)則干擾和隨機(jī)干擾，提高采集資料的信噪比，是地震野外采集提高資料品質(zhì)的重要手段，特別是在低信噪比地區(qū)尤為明顯。但是，組合內(nèi)各檢波器之間的相位差、地表高程變化引起的時差及信號組合時存在的高截頻效應(yīng)，地震波的高頻衰減明顯高于低頻[4]，使分辨率降低。因此，組合檢波是一把雙刃劍，它在提高資料信噪比的同時，也衰減了高頻信號。為了獲得高分辨率地震資料，拓寬資料頻帶寬度，需重新采用單點(diǎn)接收技術(shù)。因此，在地表比較簡單、激發(fā)接收條件較好的地區(qū)開展高分辨率地震勘探，采用單點(diǎn)接收是一個較理想的選擇。至于單點(diǎn)接收對信噪比的損失，可以用合適的覆蓋次數(shù)進(jìn)行彌補(bǔ)。

1.3 觀測系統(tǒng)因素

觀測系統(tǒng)對地震數(shù)據(jù)的影響可概括為四種效應(yīng)，即方向效應(yīng)、統(tǒng)計(jì)效應(yīng)、平均效應(yīng)和相關(guān)效應(yīng)。影響地震資料縱向分辨率的是平均效應(yīng)和相關(guān)效應(yīng)，高分辨率觀測系統(tǒng)應(yīng)具有較小的相關(guān)效應(yīng)和平均效應(yīng)[5]。目前我國煤田三維地震勘探采用的基本上都是橫（排列寬度）縱（排列長度）比小于0.5 的窄方位束線狀觀測系統(tǒng)，導(dǎo)致縱向排列過長，炮檢偏移距過大。炮檢距越大，對高精度地震采集越不利，表現(xiàn)在三個方面：一是地震波入射角增大，傳播路線變長，地層對高頻能量吸收增大（圖2 為不同排列長度采集的地震資料疊加剖面及其頻譜比較）。二是由于動校正拉伸率與炮檢距成正比，炮檢距越大，對反射波同相軸特別是淺層反射波同相軸的動校正拉伸量越大。動校正拉伸的結(jié)果使得反射信號的頻譜向低頻移動，從而降低了分辨率[6]。三是反射波的反射系數(shù)隨入射角的變化而變化，當(dāng)入射角接近臨界角時，反射系數(shù)急劇增加，引起振幅不均勻。可見炮檢距是影響地震分辨率的主要因素之一，無論是縱向還是橫向，零炮檢距地震道的分辨率最高，小炮檢距地震道的分辨率大于大炮檢距地震道[7]。故野外采集時最大炮檢距不宜過大，一般要小于或等于勘探目的層深度。因此，高分辨率地震勘探宜采用小道距、小線距、小排列、寬方位、覆蓋次數(shù)適中的三維觀測系統(tǒng)。

圖2 不同排列長度采集的地震資料（左：600 m，右：1200 m）的疊加剖面及其頻譜比較Figure 2. Stacked section and spectral comparison of seismic data acquired at different array lengths (left: 600 m, right:1200 m)

2 數(shù)據(jù)處理階段提高縱向分辨率的主要措施

地質(zhì)人員主要是通過對地震同相軸的追蹤和對比來對地震資料進(jìn)行地質(zhì)解釋的。只要目的層同相軸的頻率足夠高或者說其波長足夠短，就可以對微地質(zhì)體和小構(gòu)造進(jìn)行解釋。因此，通過各種數(shù)學(xué)手段對野外采集的原始地震數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得能夠反映地下地質(zhì)構(gòu)造的高分辨率成像剖面，一直是地震資料處理工作者追求的目標(biāo)。

由于受地震波激發(fā)、傳播和接收等因素的影響，數(shù)據(jù)采集階段提高地震數(shù)據(jù)的主頻和帶寬的能力是有限的。為了進(jìn)一步提高資料的縱向分辨率，就需要在處理階段對信號進(jìn)行提高主頻和拓寬頻帶的處理。

眾所周知，資料處理中提高地震資料的分辨率往往可能造成其信噪比的下降。因此，處理人員為了不至于過分傷害信噪比，提升高頻端的幅度只能適可而止，子波也就只能壓縮到某一個程度就不能再改進(jìn)，所以提高地震資料分辨率的首選應(yīng)該是改進(jìn)高頻端的信噪比[8]。處理階段提高地震資料的分辨率，可以從兩個方面來考慮：第一是提高資料信噪比，如做好靜校正處理和疊前去噪處理等，為提高資料分辨率打好基礎(chǔ)；第二是直接對資料進(jìn)行提高主頻和拓寬頻帶的處理。

2.1 靜校正處理

由地表高程變化、低降速帶厚度和速度橫向的不均勻及井深的不同給原始地震資料帶來的靜校正量，如果不加以去除，將影響地震資料的信噪比、分辨率和構(gòu)造的準(zhǔn)確性。其中靜校正量的高頻分量（局部范圍內(nèi)低速層變化引起的短波長靜校正量）造成共中心點(diǎn)道集內(nèi)各道的反射波到達(dá)時間影響不一，疊加道集內(nèi)各個反射點(diǎn)經(jīng)動校正后不能實(shí)現(xiàn)同相疊加，不僅降低疊加剖面的信噪比，也影響到高頻信號的疊加，從而降低資料分辨率。不僅如此，靜校正量的存在也影響速度資料的正確求取，而動校正速度的不準(zhǔn)確將影響疊加效果，同樣會造成高頻能量的損失。靜校正分為野外一次靜校正和剩余靜校正，前者用來消除由于地形起伏和地表低降速層帶來的低頻靜校正量和高頻靜校正量對地震波傳播時間的影響，使時距曲線滿足動校正需要的雙曲線方程；后者用來消除剩余高頻靜校正量對資料的影響。

2.2 疊前數(shù)據(jù)反褶積處理

由于炸藥激發(fā)時產(chǎn)生的地震波為一尖脈沖，理想的地震記錄應(yīng)該是一系列尖脈沖，其中每個脈沖代表地下存在的一個反射界面。但實(shí)際情況是，地震波在傳播過程中，經(jīng)過大地濾波之后，變成具有一定時間延遲的地震子波，原始地震記錄是各種反射波疊加的結(jié)果，即地震記錄是地震子波與反射系數(shù)序列的褶積（假定無噪音）。在資料處理時，主要采用反褶積處理來壓縮子波，提高地震資料的縱向分辨率。反褶積的實(shí)現(xiàn)原理是把地震記錄分解成為一個反映反射系數(shù)的一系列窄的脈沖信號，每個信號的強(qiáng)弱和反射系數(shù)的大小呈正相關(guān)。反褶積的實(shí)現(xiàn)過程是通過地震記錄求出地震子波，再求出反子波，把反子波與地震記錄褶積，然后計(jì)算出反射系數(shù)序列。圖3 為反褶積處理前后的單炮及其頻譜比較。

圖3 反褶積處理前（左）后（右）的炮集記錄及其頻譜比較Figure 3. Shot set record and spectral comparison before(left) and after (right) deconvolution

反褶積方法比較多，常用的有脈沖反褶積和預(yù)測反褶積，它們各有其優(yōu)缺點(diǎn)。反褶積處理時，需根據(jù)資料的實(shí)際頻率和信噪比選擇合適的反褶積類型、反褶積參數(shù)，往往需要測試幾個反褶積效果，選擇利用。

2.3 疊后數(shù)據(jù)提頻處理

一方面，地震數(shù)據(jù)在進(jìn)行疊加處理時具有一定的降頻作用，使疊前展寬的頻帶又在一定程度上變窄，有必要在疊后數(shù)據(jù)上再一次進(jìn)行提頻處理。另一方面，多次覆蓋數(shù)據(jù)的疊加處理有壓制噪音的作用，疊后資料信噪比得到大幅度提高，為疊后提頻處理提供了良好的基礎(chǔ)。

疊后提頻處理的方法主要有兩種，一種是反Q濾波，另一種是譜白化。

由于地層介質(zhì)不是完全彈性的，地震波在地下介質(zhì)中傳播時部分機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能被消耗，即地層對地震波具有衰減作用，并且對高頻能量的衰減大于低頻能量。反Q濾波是一種補(bǔ)償?shù)貙游账p效應(yīng)的技術(shù)，它不僅可以補(bǔ)償振幅衰減和頻率損失，而且可以改善地震資料的相位特性，從而改善同相軸的連續(xù)性。

Q是地層介質(zhì)的品質(zhì)因素，其物理意義是地震波傳播一個波長后，原能量與損耗能量之比，其估算公式為：

式中：E為原始能量；ΔE為一個波長后消耗的能量；η為衰減系數(shù)；λ為地震波的波長。

可見，Q值與地層衰減系數(shù)成反比，衰減系數(shù)越大，Q值越小，地震波傳播一個波長后損耗能量越大。反Q濾波是利用各個地層的Q值來恢復(fù)被地層吸收的能量，達(dá)到抬升高頻信號能量、提高縱向分辨率的目的。圖4為Q補(bǔ)償前后的疊加剖面及其頻譜比較。

圖4 Q補(bǔ)償前（左）后（右）的疊加剖面及其頻譜比較Figure 4. Stacked section and spectral comparison before(left) and after (right) Q compensation

譜白化處理也是提高疊后地震資料分辨率的有效方法。譜白化是把地震記錄的振幅譜進(jìn)行白化（即在有效頻帶內(nèi)將振幅譜拉平），從而達(dá)到使地震資料分辨率提高的目的。其實(shí)質(zhì)是對分頻后的地震記錄進(jìn)行時變增益控制，把各自振幅的平均能量調(diào)整到一個水平上，也就相當(dāng)于對地震波傳播過程中被衰減的高頻振幅進(jìn)行了增強(qiáng)，然后把增益補(bǔ)償后的分頻記錄再相加就得到了相當(dāng)于高頻加強(qiáng)的記錄。譜白化的一個優(yōu)點(diǎn)是，在提高地震資料分辨力的同時，不會過分降低信噪比。

在資料處理過程中，除了上述幾種方法外，還有一些處理手段能間接或輔助提高地震資料縱向分辨率，如合適的去噪手段、精準(zhǔn)的速度場分析以及淺部動校拉伸畸變切除等。

3 結(jié)論

提高地震資料的縱向分辨率需要加強(qiáng)兩個方面的工作：首先要在野外數(shù)據(jù)采集階段，選擇最佳激發(fā)層位，優(yōu)選激發(fā)、接收設(shè)備以及合適的觀測系統(tǒng)，獲得具有主頻高、頻帶寬和反射信號強(qiáng)的第一手原始數(shù)據(jù)；其次在數(shù)據(jù)處理階段，在做好靜校正處理、疊前噪音壓制、精準(zhǔn)速度分析、提高疊前和疊后資料信噪比的基礎(chǔ)上，采取諸如反褶積、反Q濾波和譜白化等處理手段，提升資料主頻和拓寬資料頻帶，從而達(dá)到進(jìn)一步提高地震資料縱向分辨率的目的。