楊廣憲

（中國煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750）

0 引言

隨著煤炭資源枯竭，煤礦開采普遍進入地質(zhì)構造復雜區(qū)及深部開采區(qū)，褶皺、斷裂及小尺度地質(zhì)體異常發(fā)育，礦區(qū)采掘工作面穿越地質(zhì)構造帶成為常態(tài)，給礦井工作面掘進及回采帶來許多不利因素［1］，礦井生產(chǎn)安全、經(jīng)濟效益面臨挑戰(zhàn)，期望獲得高精度的地質(zhì)勘探成果，對地震勘探技術提出了更高的要求。在實際工作中，通過深入研究、試驗對比，形成了以全方位地震采集，層析精校正、疊前偏移、時頻分解、屬性反演等為代表的一套完整高精度地震勘探技術體系，即全方位三維地震采集技術，高精度三維地震成像技術，精細地震解釋技術［2-3］。在幾個復雜地質(zhì)構造勘探區(qū)應用中，極大提高了地震勘探的成果精度，滿足了煤炭開采、開發(fā)的地質(zhì)需要。

1 全方位三維地震采集技術

相比早期常規(guī)窄方位觀測系統(tǒng)，全方位三維地震采集具有360°空間連續(xù)滾動觀測的特點，各屬性樣點在三維空間域分布均勻，縱橫比接近1∶1，有均勻的炮檢距和方位角分布，縱橫向都能獲得均等的地震波場信息，能夠突出各方向有效信息［4］。全方位連續(xù)滾動能夠最大限度減小采集腳印，從而減小觀測系統(tǒng)噪音，獲得高保真地震信號［5］。具備均勻炮檢距、方位角和覆蓋次數(shù)的地震數(shù)據(jù)，通過“三高”地震資料處理，可以真實、完整的揭示地質(zhì)構造的空間形態(tài)，能夠最大能力提取有效地質(zhì)信息和屬性參數(shù)。

某煤田早期進行過地震勘探，采用束狀窄方位觀測系統(tǒng)采集，縱橫比小于0.5，圖1a 為其觀測系統(tǒng)波場圖，激發(fā)和接收形成的波場方位單一、狹窄，地質(zhì)構造的呈現(xiàn)存在局部性。從圖1c地震剖面可知：煤系地層與上覆地層呈角度不整合接觸，幾條大斷層切割煤層，小斷層、褶曲極其發(fā)育，但成像存在局部模糊現(xiàn)象，多解性嚴重，無法真實、高精度呈現(xiàn)地質(zhì)體的面貌，地質(zhì)構造空間展布比較粗糙，解釋誤差較大［6］；為解決測區(qū)復雜的地質(zhì)構造問題，后期采用全方位觀測系統(tǒng)重新采集，在各個方位上均勻分布炮檢距，縱橫比為1∶1，圖1b 所示：波場在整個空間傳播，呈現(xiàn)一個球形等時面，對地質(zhì)構造的呈現(xiàn)具有全面性。從圖1d地震剖面可知：早期成像模糊的區(qū)域，變得清晰準確，小斷層分布更精細，地質(zhì)構造的屬性更加準確，刻畫地質(zhì)構造的能力顯著提高，取得了豐富的高精度地質(zhì)成果?？梢娙轿挥^測系統(tǒng)采集的優(yōu)勢，使地震成果精度遠高于窄方位觀測系統(tǒng)，是高精度地震勘探的關鍵技術。

圖1 窄方位與全方位觀測系統(tǒng)地震剖面對比Figure 1 Comparison of seismic sections between narrow azimuth and omnidirectional observation systems

2 高精度三維地震成像技術

高信噪比、高保真度、高分辨率的“三高”地震資料處理技術，是地震勘探反射波成像的重要手段，包含的內(nèi)容很多，本文只簡單闡述三個影響高精度地震成像的關鍵技術。

（1）層析靜校正技術

在某些地區(qū)，靜校正工作一方面已經(jīng)成為衡量資料處理技術水平高低的重要標準，另一方面又成為提高資料處理質(zhì)量的瓶頸［7］。層析靜校正技術是目前較先進的方法，其原理是對地下介質(zhì)進行網(wǎng)格化，并假設每個網(wǎng)格單元內(nèi)是均勻的，通過射線反演，計算介質(zhì)模型。把網(wǎng)格劃分足夠小，且保證觀測密度足夠大，就能夠準確求取網(wǎng)格單元介質(zhì)模型，進而獲得整個勘探區(qū)的近地表模型，即可以解決短波長靜校正問題，也能夠解決長波長靜校正問題，滿足了復雜地區(qū)高精度勘探需求［8］。

初至波旅行時間與近地表模型之間的關系：

對式（1）離散化成矩陣方式，通過對代數(shù)方程組（2）求解，獲取近地表模型

式（1）、（2）中：t為地震信號旅行時間；s(x，y，z)為模型單元介質(zhì)慢度函數(shù)；dl為地震波旅行距離的微分；T為地震信號旅行時間矩陣；A為地震波旅行距離矩陣；S為單元網(wǎng)格慢度矩陣。

早期的靜校正方法為折射靜校正技術，圖2a 為某山前地帶煤田折射法求取的近地表模型，結果為簡單的層理結構，地層間存在準確速度界面，是典型的理論性模型，與測區(qū)近地表模型是不符的。圖3a是測區(qū)原始地震記錄，圖3b是折射法靜校正后的地震記錄，可見靜校正效果一般，雖單炮記錄地表一致性明顯改善，但靜校正誤差較大。

圖3 折射法與層析法靜校正后單炮對比Figure 3 Single shot comparison between refraction method and tomography method after static correction

隨著技術的發(fā)展，當前較好的靜校正方法為層析靜校正技術，為提高測區(qū)的勘探精度，對該煤田原有地震勘探數(shù)據(jù)進行了二次處理工作，主要是應用層析靜校正技術。圖2b 為層析法求取的近地表模型，可見介質(zhì)間不存在明確的速度界面，體現(xiàn)了介質(zhì)在整個空間的漸變分布，山前地帶特征明顯，與現(xiàn)實中的近地表介質(zhì)模型狀態(tài)是一致的。圖3c 是層析法靜校正后的單炮記錄，與圖3b相比，靜校正精度大幅提高，效果差異明顯，說明層析靜校正技術是復雜勘探區(qū)高精度成像的關鍵技術。

（2）保真去噪技術

地震勘探的各種干擾信號中，嚴重影響“三高”成像精度的是規(guī)則噪聲，尤其那些呈現(xiàn)一定的雙曲特征，頻帶與有效波頻帶重合，能量較強的干擾信號，影響最為嚴重且去除難度較大。錐形濾波去噪技術是一種基于十字排列域噪聲衰減方法：在頻率波數(shù)域設計濾波器，三維錐形濾波器以其形態(tài)為錐形而得名［9］。

三維錐形器濾波器的設計原理是：對三維原始疊前地震數(shù)據(jù)體，沿檢波線、炮線方向排序抽取數(shù)據(jù)，經(jīng)傅里葉變換到頻率、波數(shù)域，依據(jù)實際資料的頻率、速度范圍等參數(shù)設計錐形濾波器。設三維地震記錄的原始信號為p(x，y，t)，濾波因子為h(x，y，t)，有效地震反射信號為q(x，y，t)，三者在時空域中滿足以下褶積關系：

對式（3）進行傅里葉變換，得到頻率、波數(shù)域有效信號、原始信號、濾波因子的相乘關系：

式（3）、（4）中：x、y為縱橫向炮檢距；t為地震信號旅行時間；kx、ky為縱橫向視波數(shù)；ω為地震信號角頻率。

設計三維錐形濾波器，主要根據(jù)不同地區(qū)面波、地滾波傳播速度與有效波傳播速度的差異，多采用速度帶通或速度帶陷兩種方式，應用頻率波數(shù)域錐形濾波方程（4）去除以地滾波、面波為主的規(guī)則噪聲［10］。圖4 是正演模型的單炮記錄，混入了一定速度的規(guī)則噪聲，應用錐形濾波后，噪聲幾乎被去除干凈，而有效信號沒有受到影響。

圖4 正演模型應用錐形濾波器Figure 4 Conic filter applied to the forward modeling model

圖5是某煤田地震勘探單炮記錄，含有面波、地滾波等強能量規(guī)則噪聲，有效波能量相對微弱，信噪比小于1.0，煤層反射波無法成像，屬于復雜勘探地區(qū)，消除這組規(guī)則噪聲，改善信噪比，是成敗的關鍵。通過錐形濾波后，噪聲幾乎全部消除，有效波完全保留，能量明顯改善，信噪比大于2.0，保真去噪的目標得以實現(xiàn)，顯著提高了煤層反射波成像的信噪比和保真度，錐形濾波去噪技術是“三高”處理的關鍵技術。

圖5 地震資料應用錐形濾波去噪Figure 5 Denoising of seismic data by cone filter

（3）疊前偏移技術

Kirchhoff 積分法是疊前時間偏移的主要方法，既可使速度分析和偏移成像同時進行，又可通過偏移速度分析，對速度模型不斷修改，保障疊前時間偏移成像效果，成像質(zhì)量主要依賴于速度模型的準確性［11］。首先，應用速度分析或老成果的解釋速度建立初始速度模型，運行疊前時間偏移并輸出CRP道集。然后，應用百分比掃描和剩余速度分析技術，修正初始模型，進一步提高速度模型的精度。通過幾次迭代，使速度模型趨于真實，獲得最佳偏移成像，高精度呈現(xiàn)復雜微小的地質(zhì)構造。

疊前時間偏移處理需要在浮動基準面上進行，偏移后再校正到最終基準面上。圖6 中S和R分別表示震源和檢波點，Ds和Dr分別為震源和檢波點與共中心點的垂直距離，ts0和tr0分別為震源和檢波點自激自收反射時間，tsc和trc分別是震源和檢波點移動到最終基準面的校正量。偏移后的CRP 道集處于浮動基準面上，也可以輸出到最終基準面上，用于后續(xù)如AVO等反演工作［12］。

圖6 疊前時間偏移原理圖Figure 6 Schematic diagram of prestack time migration

疊前時間偏移技術在二次處理工作中，廣泛應用，效果顯著。圖7a為早期疊后偏移的時間剖面和順層切片，可知測區(qū)地處幾條大斷裂之間，地層呈不同傾角褶曲賦存，產(chǎn)狀復雜，空間變化大；存在不同規(guī)模的斷層，尤其小斷層特別發(fā)育，像一個破碎的盤子一樣，地質(zhì)構造極其復雜；局部成像模糊，存在多解性，解釋精度一般。圖7b 是二次處理后，應用了疊前時間偏移技術后的地震剖面及順層切片，相比圖7a，疊前時間偏移的地質(zhì)構造成像更清晰、準確，小尺度地質(zhì)構造刻畫更加精準，取得高精度地質(zhì)成果。說明疊前時間偏移在理論和方法上相比疊后時間偏移具有明顯的優(yōu)勢，復雜地質(zhì)構造的成像歸位更準確，精度更高。

圖7 某煤田疊后（a）與疊前（b）時間偏移對比Figure 7 Comparison of post-stack（a）and pre-stack（b）time migration in a coalfield

3 精細地震解釋技術

頻譜分解是精細解釋的重要技術之一，是基于薄層調(diào)諧理論演化而來，其數(shù)學原理是離散傅里葉變換或最大熵變換，在短時窗內(nèi)對地震道信號進行頻譜分解。得到的相位譜用于描述地質(zhì)體邊緣的不連續(xù)性，呈現(xiàn)地震異常邊界或地質(zhì)構造邊界。而得到的振幅譜能夠描述儲層厚度變化［13］。

小波變換是實現(xiàn)頻譜分解的核心，將地震信號的時間-振幅域地震道變換到時間-頻率域地震道。隨著時窗寬窄、尺度等參數(shù)的變化，能夠獲取不同頻率的時頻地震道信息，對小尺度、隱伏性地質(zhì)體的成像具有較強的能力。它能夠同時改善地震信號時間分辨率和頻率分辨率，對地質(zhì)構造的空間差異性反映更加突出［14］。

假設地震信號為f(t)，其小波變換：

式中：WT(a，τ)為小波變換函數(shù)；a為尺度因子；τ為平移因子；ψ(t)為小波基函數(shù)；其傅里葉變換(ω)滿足容許性條件，即。

據(jù)式（5）可知，隨尺度因子a的變化，其窗口的大小和形狀都在改變，從而適應不同頻率的地震道，適應不同分辨率的要求［15］。圍繞時窗設計和小波基函數(shù)的選擇，小波變換演化出如連續(xù)小波變換、S-變換等多種頻譜分解方法。不同類型時頻分析技術，時頻分辨率也有差異，具有各自的特點［16］。

頻譜分解技術已廣泛應用在二次解釋工作中，圖8a是某煤田原有常規(guī)成果數(shù)據(jù)體地震剖面及順層切片，可見煤系地層與上覆地層呈角度不整合接觸，賦存多組煤系地層，褶曲、斷層發(fā)育，地質(zhì)構造較復雜。但成像局部層理模糊、產(chǎn)狀錯亂，多解性嚴重，解釋精度一般。圖8b是應用頻譜分解技術后，用于二次解釋的成果數(shù)據(jù)體地震剖面及順層切片。可見，地層成像更加豐富，層理關系更加清楚，斷層刻畫更加精細；在順層切片圖上，地質(zhì)構造的空間展布更加清晰、準確，分辨率顯著提高，獲得了高精度地質(zhì)成果，說明頻譜分解技術是精細地震解釋的關鍵技術。

4 結論

早期常規(guī)地震勘探的采集、處理、解釋技術已無法滿足資源勘探的要求，而廣泛應用的全方位地震勘探采集、處理和解釋技術，需要有針對性的關鍵技術聯(lián)合完成。在實際工作中，應用幾種地震勘探關鍵技術的成果表示，相比常規(guī)技術都具有較大的優(yōu)勢，能夠滿足高信噪比、高保真、高分辨率的地質(zhì)要求，對高精度解決煤田復雜地質(zhì)構造起到關鍵作用。