顏中輝，王小杰*，徐華寧，陳珊珊，楊佳佳，楊傳勝

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，山東青島 266237；2.嶗山實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266237）

0 引言

基于高頻震源的海洋小道距、高分辨率多道地震探測(cè)方法［1-2］具有主頻高、頻帶寬的特點(diǎn)，是近海底地層層序及精細(xì)結(jié)構(gòu)研究、天然氣水合物資源勘查等的重要手段［3-4］。這種采集技術(shù)在垂直與橫向勘探分辨率上優(yōu)勢(shì)明顯［5-6］，但因其方法的特殊性和電纜本身的問(wèn)題，導(dǎo)致在后期處理環(huán)節(jié)中地震資料的成像效果受到一定影響。主要表現(xiàn)為：為了提高原始資料的信噪比，電纜的深度平衡沒(méi)有水鳥(niǎo)的控制，受其本身重力的作用，不同炮檢距的位置入水深度表現(xiàn)出“遠(yuǎn)深近淺”的情況；同時(shí)采集過(guò)程中受風(fēng)浪和海流運(yùn)動(dòng)以及電纜拖曳拉力變化的影響。這些因素綜合引起電纜不等浮問(wèn)題，在地震數(shù)據(jù)上反射同相軸呈現(xiàn)非雙曲線(xiàn)時(shí)距關(guān)系，動(dòng)校正之后地震道集存在剩余時(shí)差，從而影響速度分析的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致難以達(dá)到同相疊加的成像效果［7-10］，降低了有效地層反射的信噪比和振幅能量，最終地震剖面的分辨率和成像精度受到影響。因此解決電纜不等浮問(wèn)題是高分辨、小道距地震處理的重要環(huán)節(jié)［11］。

電纜剩余時(shí)差校正方法分為三類(lèi)：①交互拾取海底反射和虛反射走時(shí)以擬合方式求取時(shí)差。主要思路是根據(jù)電纜姿態(tài)變換特點(diǎn)，通過(guò)拾取實(shí)際虛反射的時(shí)間位置，通過(guò)近炮檢距擬合獲得理想的虛反射周期，二者的差值即為電纜的剩余時(shí)差。在資料處理過(guò)程中，該類(lèi)方法缺點(diǎn)在于手動(dòng)拾取工作量較大［2］，所有地震記錄均需拾取虛反射及海底反射時(shí)間。通常為減少人工工作量，需按一定間隔的炮距進(jìn)行拾取，所有炮集數(shù)據(jù)的時(shí)差通過(guò)插值的方式獲得。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)海底崎嶇不平、炮間隔選擇不當(dāng)、纜深變換較快時(shí)，時(shí)差求取會(huì)有誤差，校正后存在同相軸錯(cuò)位的現(xiàn)象。因此，這類(lèi)方法在實(shí)際資料處理中有一定的局限性。②傾斜電纜處理中采用波場(chǎng)延拓纜深校正技術(shù)。但因采集過(guò)程中難以實(shí)時(shí)記錄不同水聽(tīng)器位置的水深，故難以獲得準(zhǔn)確的時(shí)差［12-13］。③道集剩余時(shí)差校正法，包括道集相干技術(shù)［14-17］、統(tǒng)計(jì)法［18-19］、相位匹配技術(shù)［20-23］以及動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法(DTW)［24-25］等。首先以一定的技術(shù)手段形成模型參考道，然后對(duì)每道數(shù)據(jù)與參考道進(jìn)行相關(guān)求取剩余時(shí)差校正量。但該類(lèi)方法全程不受纜深數(shù)據(jù)約束，所求得的剩余時(shí)差量是電纜不等浮、速度求取不準(zhǔn)確以及各向異性的綜合體現(xiàn)。而且該類(lèi)方法對(duì)道集的品質(zhì)有一定要求［26-30］，如：道集中多次波壓制較徹底、信噪比較高，還要求相鄰?fù)噍S之間時(shí)差校正量較小、不存在相位反轉(zhuǎn)的情況。而實(shí)際的高分辨、小道距地震資料，受噪聲嚴(yán)重以及水聽(tīng)器響應(yīng)弱的影響，數(shù)據(jù)信噪比往往較低，加上海況影響下電纜的不可控性，在不同炮檢距處沉放深度差異明顯，對(duì)應(yīng)的校正量之間差別也較大，難以滿(mǎn)足相應(yīng)的假設(shè)要求。

針對(duì)上述方法存在的問(wèn)題，本文提出一種基于虛反射走時(shí)和道集相干聯(lián)合的電纜等浮校正方法。該方法綜合利用虛反射走時(shí)方法和道集互相關(guān)方法的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)相干函數(shù)控制，可實(shí)現(xiàn)非常規(guī)電纜等浮的時(shí)差校正。首先，分間隔在炮集上交互拾取海底反射和檢波點(diǎn)的虛反射走時(shí)，所有炮相應(yīng)的時(shí)間位置以擬合插值方法獲取，通過(guò)二者的時(shí)差求出電纜的實(shí)時(shí)深度，轉(zhuǎn)化到時(shí)間域獲得初始的時(shí)差校正量；然后，通過(guò)基于模型道約束的二維相干算法獲得參考的時(shí)差校正量；最后，根據(jù)二者互相關(guān)系數(shù)進(jìn)行加權(quán)，得到修正的電纜不等浮剩余時(shí)差，應(yīng)用后達(dá)到同相疊加的效果，從而實(shí)現(xiàn)地震資料成像品質(zhì)的提升。

1 方法原理

1.1 基于虛反射走時(shí)的初始時(shí)差計(jì)算原理

在電纜等浮的情況下，不考慮虛反射時(shí)間隨入射角不同造成的時(shí)差，地震記錄上虛反射同相軸基本滿(mǎn)足雙曲線(xiàn)規(guī)律，延遲時(shí)間對(duì)應(yīng)電纜沉放深度的雙程旅行時(shí)，形態(tài)上與有效波一致。但在實(shí)際采集過(guò)程中由于各個(gè)位置的檢波點(diǎn)存在沉放深度的差異，引起地震道集上海底反射同相軸呈明顯的扭曲現(xiàn)象，即虛反射同相軸與一次波不完全平行。高分辨、小道距地震資料由于其特殊性，主要表現(xiàn)為主頻較高、頻帶較寬的特點(diǎn)。一般而言，該類(lèi)數(shù)據(jù)采樣率為0.50或0.25 ms，對(duì)應(yīng)的主頻為100～200 Hz。因此，地震資料分辨率較高，在炮集上有效波和虛反射時(shí)間差較明顯，在炮集上較容易識(shí)別。為保證較高的主頻，震源沉放深度很小，虛反射基本表現(xiàn)為檢波點(diǎn)的虛反射，因此影響虛反射延遲時(shí)間的關(guān)鍵是電纜的沉放深度。目前高分辨、小道距采集設(shè)備在中國(guó)尚處于技術(shù)不成熟階段，實(shí)時(shí)電纜沉放深度無(wú)法準(zhǔn)確獲取，基于虛反射走時(shí)拾取方法可計(jì)算電纜深度，由時(shí)深轉(zhuǎn)換可得到初始的時(shí)差校正量［2］。

具體思路是：首先，采用人工交互拾取方法，抽取合適的炮距，拾取海底反射及虛反射波峰位置；然后，通過(guò)擬合插值獲取所有炮的信息，炮距的選擇主要考慮到海底的崎嶇程度，當(dāng)海底較平時(shí)，選擇間隔較小的炮，海底較崎嶇時(shí)，選擇間隔較大的炮?？偟膩?lái)說(shuō)，由中間炮插值出的海底和虛反射時(shí)間信息保證誤差在15%以?xún)?nèi)，可有效保證時(shí)差加權(quán)選擇的準(zhǔn)確性?；诙叩臅r(shí)間差，通過(guò)公式推算對(duì)應(yīng)炮的實(shí)際電纜沉放深度，以此計(jì)算電纜各個(gè)位置的初始剩余時(shí)差。

基于虛反射走時(shí)路徑可以得到兩者之間時(shí)差

式中：V為海水速度；DWB為海底深度；Ds為震源深度；DR為水聽(tīng)器沉放深度；Xoff為炮檢距。

由式(1)可以反推各個(gè)水聽(tīng)器位置沉放深度

此時(shí)，道集上對(duì)應(yīng)的剩余時(shí)差dTre為

1.2 基于模型約束的絕對(duì)互相關(guān)參考時(shí)差計(jì)算原理

基于模型約束的絕對(duì)互相關(guān)算法求取剩余時(shí)差的主要理論基礎(chǔ)是道集相干原理和模型道建立。通常動(dòng)校正后共反射點(diǎn)道集上某一同相軸的數(shù)據(jù)是來(lái)自同一反射點(diǎn)的不同炮檢距的信息，因此具有最大的相干性，處理過(guò)程中需要一個(gè)波組特征好、信噪比高的參考模型道進(jìn)行控制。

合適的模型道對(duì)于道集的相干分析起著關(guān)鍵作用，單一的地震道集往往受多次波、噪聲、反射能量弱等問(wèn)題影響，達(dá)不到模型道的要求。一般而言，選擇疊加剖面上對(duì)應(yīng)的道集作為模型道，實(shí)際數(shù)據(jù)處理證明在剩余時(shí)差較大或相位反轉(zhuǎn)的情況相干適配性較差；選定近炮檢距內(nèi)時(shí)差小的道參與同相疊加生成模型道，近道數(shù)據(jù)往往存在殘余的多次波，模型道的準(zhǔn)確性同樣難以滿(mǎn)足［9］。理想的做法是根據(jù)地震道集情況，選擇合適炮檢距范圍(1/6～4/6炮檢距)信噪比較高的道進(jìn)行部分疊加形成參考道，具體情況參考疊加后的剖面成像質(zhì)量。疊加結(jié)果表示為

式中：N為道集內(nèi)總道數(shù)；xi(nΔt)表示第i道數(shù)據(jù)，其中n為對(duì)應(yīng)道的振幅采樣序號(hào)，Δt為采樣間隔。

獲得模型道后，參考的剩余時(shí)差通過(guò)每道與模型道之間的互相關(guān)分析獲得。處理過(guò)程中由于相關(guān)曲線(xiàn)存在多個(gè)極值，會(huì)導(dǎo)致相位串變。本文通過(guò)二維的相關(guān)函數(shù)同時(shí)求取時(shí)差和相位差，可有效解決相位問(wèn)題。

設(shè)CMP 道集中第i道數(shù)據(jù)xi對(duì)應(yīng)模型道集為yi，假定xi和yi之間存在時(shí)差Δt和相位差θ，因此剩余時(shí)差的確立本質(zhì)是Δt和θ的求取。給定一定長(zhǎng)度時(shí)窗(至少涵蓋2 個(gè)波組)，對(duì)xi做相位α校正后，實(shí)部和虛部分別與yi的實(shí)部和虛部做互相關(guān)?；ハ嚓P(guān)函數(shù)表示為

式中：R(τ)為實(shí)部互相關(guān)道；I(τ)為虛部互相關(guān)道。S(α,τ)是以時(shí)差τ和θ為自變量的二維函數(shù)。在有效的一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，根據(jù)互相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)可知，(θ,Δt)對(duì)應(yīng)S(α,τ)的極值點(diǎn)。通過(guò)極值原理，將式(5)改寫(xiě)為

于是，求取Δt和θ轉(zhuǎn)換為R2(τ)+I2(τ)的極值問(wèn)題。通過(guò)計(jì)算式(6)的極大值對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，即可獲得Δt和θ。相位的引入避免了剩余時(shí)差過(guò)大導(dǎo)致的相位串變問(wèn)題。沿時(shí)間方向以固定的步長(zhǎng)滑動(dòng)時(shí)窗并計(jì)算時(shí)差量，直至完成一個(gè)地震道的計(jì)算。重復(fù)以上步驟，完成整個(gè)地震數(shù)據(jù)的處理，得到的時(shí)移量作為參考時(shí)差校正量。

1.3 剩余時(shí)差的加權(quán)選擇

由前文分析可知，初始時(shí)差受炮插值的影響，在炮間隔選取不當(dāng)、海底崎嶇不平、纜深變換過(guò)快的情況下，插值后的CMP 道集局部炮檢距位置時(shí)差計(jì)算會(huì)產(chǎn)生誤差。另外，由于海底反射和虛反射時(shí)間是由炮集拾取所得，通過(guò)轉(zhuǎn)換應(yīng)用到CMP 道集上，可能會(huì)引起時(shí)差跳變。因此需要通過(guò)初始時(shí)差與參考時(shí)差的聯(lián)合處理修正電纜時(shí)差。其思路是：在給定的時(shí)窗范圍內(nèi)，統(tǒng)計(jì)初始時(shí)差和參考時(shí)差之間異常位置的時(shí)間范圍，選擇二倍于最大時(shí)間作為滑動(dòng)步長(zhǎng)估算兩個(gè)時(shí)差的互相關(guān)系數(shù)［31］?？紤]本文方法只針對(duì)纜深進(jìn)行校正，參考時(shí)差量是綜合時(shí)差量的體現(xiàn)，因?yàn)橐猿跏紩r(shí)差量作為標(biāo)準(zhǔn)，如果超過(guò)90%，可認(rèn)為初始時(shí)差量是正確的，低于90%，通過(guò)二者加權(quán)平均的方法進(jìn)行計(jì)算。以此逐道進(jìn)行處理，平滑后得到修正的電纜時(shí)差校正量。

相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 模型數(shù)據(jù)處理

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，首先對(duì)理論模型數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理。本文選取主頻為120 Hz 的Ricker子波為震源，采用射線(xiàn)追蹤方法構(gòu)建一個(gè)高分辨率、小道距斜纜地震數(shù)據(jù)，共128 道，炮距為12.5 m，道間距為3.125 m，每道有512 個(gè)采樣點(diǎn)，震源沉放深度為0。圖1a 是模擬得到的地震記錄，可見(jiàn)清晰的檢波點(diǎn)虛反射；圖1b 為經(jīng)過(guò)動(dòng)校正后的數(shù)據(jù)?？梢钥吹?，由于電纜設(shè)計(jì)深度不在一個(gè)平面上，地震記錄上近道已經(jīng)被拉平，遠(yuǎn)道未拉平，反射波時(shí)距曲線(xiàn)為非雙曲線(xiàn)。隨著炮檢距的增大，虛反射和海底反射時(shí)差變大，局部位置由于電纜的沉放深度不連續(xù)，同相軸存在彎曲、抖動(dòng)的情況。

圖1 模型數(shù)據(jù)動(dòng)校正前（a）、后（b）對(duì)比圖

首先，拾取第一個(gè)炮集和第三個(gè)炮集的虛反射和海底反射時(shí)間，第二個(gè)炮集對(duì)應(yīng)的時(shí)間通過(guò)二者插值獲得，根據(jù)式（3）求得每一道的初始時(shí)差校正量。圖2a為炮集分選到CMP道集后某一道集第20道的初始校正量；然后，選擇CMP道集中前20道疊加結(jié)果作為模型道，考慮模型數(shù)據(jù)波組特征較好，互相關(guān)系數(shù)的門(mén)檻值設(shè)為0.8，系數(shù)低于0.8的不做校正處理。為了包含整個(gè)未校平的同相軸范圍，時(shí)窗長(zhǎng)度設(shè)為60 ms，最大時(shí)差量為10 ms，每道與參考道進(jìn)行相干計(jì)算，獲得參考的時(shí)差校正量。圖2b為選擇的CMP道集中第20道求得的參考校正量?？梢钥闯?，初始時(shí)差量和參考時(shí)差量在局部位置有一些相對(duì)異常的值，左邊方框標(biāo)識(shí)位置處初始時(shí)差校正量存在異常。右邊方框標(biāo)識(shí)位置處參考時(shí)差校正量存在異常。經(jīng)互相關(guān)分析和加權(quán)，得到時(shí)差校正結(jié)果（圖2c），此時(shí)異常值得到消除，更符合剩余時(shí)差修正趨勢(shì)。

圖2 第20 道初始時(shí)差量（a）、參考時(shí)差量（b）及修正時(shí)差量（c）的對(duì)比

把修正時(shí)差應(yīng)用到整個(gè)CMP道集(經(jīng)過(guò)虛反射壓制處理)，并與常規(guī)互相關(guān)方法校正結(jié)果對(duì)比（圖3）?？梢钥闯觯撼Ｒ?guī)互換方法在遠(yuǎn)炮檢距位置上翹的同相軸基本被拉平，抖動(dòng)現(xiàn)象有所改善，但在部分位置同相軸抖動(dòng)現(xiàn)象未拉平(圖3b 黑色箭頭所示位置)，局部位置還出現(xiàn)了校正異常的現(xiàn)象(紅色箭頭所示位置)；本文方法很好地改善遠(yuǎn)炮檢距動(dòng)校不平和抖動(dòng)現(xiàn)象(圖3c)?？傮w而言，本文方法比單純的互相關(guān)方法的校正效果更好，達(dá)到了期望的處理效果。

圖3 本文方法與常規(guī)方法模型數(shù)據(jù)校正效果對(duì)比

2.2 實(shí)際數(shù)據(jù)處理

為了探討本文方法在實(shí)際地震資料處理中的應(yīng)用效果，選取某海域?qū)嶋H小道距地震資料進(jìn)行處理分析。原始數(shù)據(jù)道數(shù)為120，炮間距為12.5 m，道間距3.125 m。為了保證數(shù)據(jù)的信噪比，先對(duì)道集進(jìn)行各類(lèi)噪聲衰減預(yù)處理。圖4a 為經(jīng)過(guò)預(yù)處理后動(dòng)校正的CMP 道集，受電纜沒(méi)有水鳥(niǎo)控制的影響，經(jīng)過(guò)動(dòng)校正后，中遠(yuǎn)炮檢距存在動(dòng)校不平的現(xiàn)象，剩余時(shí)差問(wèn)題較嚴(yán)重，部分位置受不均勻海流的影響，有抖動(dòng)的情況。受實(shí)際資料信噪比影響，在初始時(shí)差計(jì)算過(guò)程中，為了保證拾取的準(zhǔn)確性，海底反射及虛反射的拾取炮間隔較??；參考時(shí)差計(jì)算過(guò)程中，考慮到無(wú)多次波的影響，選擇疊加剖面作為模型參考道。圖4b 和圖4c 分別是常規(guī)的互相關(guān)方法和本文方法處理后的結(jié)果，可以看出，圖4c明顯削弱了同相軸抖動(dòng)現(xiàn)象，且在信噪比較低的位置效果更好。換言之，本文方法從二個(gè)維度對(duì)剩余時(shí)差進(jìn)行識(shí)別，得到的剩余時(shí)差更加符合實(shí)際情況。從CMP 道集效果來(lái)看，不同深度的同相軸被拉平，解決了電纜時(shí)差問(wèn)題，提升了道集同相疊加的精度。

圖4 不同方法電纜等浮校正前、后CMP 道集效果對(duì)比

圖5a是時(shí)差校正前的疊加剖面，整體地震反射能量弱、信噪比低、地層連續(xù)性較差，同相軸存在抖動(dòng)的現(xiàn)象，導(dǎo)致地質(zhì)現(xiàn)象不明顯，內(nèi)幕反射不清晰。圖5b和圖5c 分別是常規(guī)的互相關(guān)方法和本文方法處理后的結(jié)果，經(jīng)二種方法電纜時(shí)差校正后，地層的連續(xù)性得到改善，剖面整體能量有了加強(qiáng)，尤其是弱反射區(qū)域，分辨率和信噪比得到提高。從解釋角度分析，仔細(xì)對(duì)比可知，圖5c的波組特征更清楚，斷層更清晰(方框位置所示)，在同相軸連續(xù)性和地層反射能量方面，改善更好(橢圓位置所示)，從而整體的剖面成像質(zhì)量更高。

圖5 等浮校正前、后疊加剖面（左）及其局部放大（右）效果對(duì)比

由圖中局部位置的變密度顯示放大圖(圖5 右)可以看出，由于小道距覆蓋次數(shù)較低，電纜等浮情況對(duì)疊加剖面成像影響較大。從處理前、后剖面效果來(lái)看，弱反射軸以提升反射能量為主(紅色箭頭所示)，強(qiáng)反射軸以提升連續(xù)性為主(藍(lán)色箭頭所示)?？傮w而言，本文方法通過(guò)不同約束條件下的聯(lián)合處理，處理效果優(yōu)于常規(guī)的校正方法。

圖6 為圖5 的頻譜。由圖可見(jiàn)，噪聲的頻譜曲線(xiàn)基本保持不變，有效信號(hào)在振幅和頻帶寬度上都有明顯改善。原始剖面頻譜從130 Hz以后，整體振幅下降速度較快（圖6a），校正后，高頻部分得到補(bǔ)償。本文方法（圖6c）相比常規(guī)方法（圖6b）的優(yōu)勢(shì)在于，各個(gè)頻段位置對(duì)應(yīng)的振幅幅值更大，表明地震反射能量提升更多，校正后獲得了更好同相疊加的效果。

圖6 圖5 的頻譜

3 結(jié)論與展望

(1)小道距地震采集中由于國(guó)產(chǎn)電纜的不完善，往往存在電纜不等浮問(wèn)題，嚴(yán)重影響地震數(shù)據(jù)的信噪比和成像精度。本文提出基于道集相干和虛反射走時(shí)聯(lián)合的電纜等浮校正方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同炮檢距深度不一致引起的時(shí)差進(jìn)行校正，應(yīng)用后同相軸被拉平，同相軸連續(xù)性變好，剖面的成像品質(zhì)得到提升。

(2)本文方法從電纜深度計(jì)算和相干分析二個(gè)維度獲得剩余時(shí)差校正量，保障了求取時(shí)差的準(zhǔn)確性。

(3)本文方法對(duì)數(shù)據(jù)有良好的適應(yīng)性，在交互拾取的環(huán)節(jié)，可以根據(jù)海底的崎嶇程度，對(duì)數(shù)據(jù)的拾取間隔進(jìn)行選擇，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)化的處理，因此具有較好的適應(yīng)性和推廣價(jià)值。

(4)本文方法主要針對(duì)的是可有效識(shí)別虛反射的高分辨率地震數(shù)據(jù)，對(duì)于常規(guī)多道地震處理中的電纜數(shù)據(jù)等浮校正，受分辨率的影響，有效波和虛反射難以準(zhǔn)確分離，在應(yīng)用上需做進(jìn)一步的探索。