淺地層剖面的自由界面多次波預(yù)測(cè)與衰減.docx

1、第47卷第8期2017年8月中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)PERIODICALOFOCEANUNIVERSITY()FCHINA淺地層剖面的自由界面多次波預(yù)測(cè)與衰減基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)H(41574105；41674118)；國(guó)家誼大科技專(zhuān)項(xiàng)(2016ZX05027-002)；W島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)抱室聚山科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2016ASKH3)資助SupportedbytheNationalScienceFoundationof(.hina(41574105；41674118)；theNationalScienceandTechnologyMajorProject(2016ZXO5O27-OO2)

2、jtheScientificandTechnologicalInnovationProjectFinanciallySupportedbyQingdaoNationallaboratory(ojMarineScienceandTechnology(2016ASKJ13)收稿日期：2017-01-21；修訂日期：2017-03-22作者簡(jiǎn)介：趙波(1979-),男，碩士.E-mail:boz通訊作者：Email：tanjun0532淺地層剖面的自由界面多次波預(yù)測(cè)與衰減基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)H(41574105；41674118)；國(guó)家誼大科技專(zhuān)項(xiàng)(2016ZX05027-002)；W島海洋

3、科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)抱室聚山科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2016ASKH3)資助SupportedbytheNationalScienceFoundationof(.hina(41574105；41674118)；theNationalScienceandTechnologyMajorProject(2016ZXO5O27-OO2)jtheScientificandTechnologicalInnovationProjectFinanciallySupportedbyQingdaoNationallaboratory(ojMarineScienceandTechnology(2016ASKJ13)收稿日期：

4、2017-01-21；修訂日期：2017-03-22作者簡(jiǎn)介：趙波(1979-),男，碩士.E-mail:boz通訊作者：Email：tanjun0532趙波微,3,譚軍李金山】,2,3,宋浩,2,3(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院.山東青島266100；2.海洋國(guó)家實(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266071；3.中國(guó)海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.山東青舶266100)摘要：本文基于僅包含一次波和自由界面多次波的原始淺剖資料地震波場(chǎng),推導(dǎo)出適應(yīng)于單道數(shù)據(jù)的自由界面多次波預(yù)測(cè)方程，并提出基于同相軸追蹤的多次波剔除與多道維納濾波相結(jié)合的組合匹配衰減方法，實(shí)現(xiàn)了

5、高精度的淺剖數(shù)據(jù)自由界面多次波預(yù)測(cè)與衰減,理論模型與實(shí)際淺地層剖面的處理實(shí)驗(yàn)均證明了該多次波預(yù)測(cè)與匹配衰減方法的有效性。關(guān)鍵詞：淺地層剖面；自由界面多次波預(yù)測(cè)；多次波組合匹配衰減;短時(shí)窗FK濾波中圖法分類(lèi)號(hào)：P315.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1672-5174(2017)08112-07DOI：10.16441/ki.hdxb,20170041引用格式：趙波，譚軍，李金山，等.淺地層剖面的自由界面多次波預(yù)測(cè)與衰減J.中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2017,47(8)：112-118.ZHAOBo.TANJun,LIJin-Shan,etal.Surface-relatedmultiplep

6、redictionandattenuationofsub*bottomprofilcJ2.PeriodicalofOceanUniversityofChina,2017,47(8)：112-118.淺地層剖面測(cè)量是一種基于聲學(xué)原理的連續(xù)走航自由界面多次波衰減(SRME)方法MJ。視速度濾波類(lèi)式探測(cè)水下淺地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的地球物理方法，是進(jìn)行海洋地球物理調(diào)查的常用手段之一，它利用聲波在海水和海底沉積物中的傳播和反射特性及規(guī)律對(duì)海底沉積物結(jié)構(gòu)和構(gòu)造進(jìn)行連續(xù)探測(cè)，從而獲得直觀(guān)的海底淺部地層結(jié)構(gòu)剖面。淺地層剖面方法能夠快速地探測(cè)水下地層的地質(zhì)特征及其分布，且縱向分辨率較高，因此其在海洋調(diào)查中得到了廣泛的

7、應(yīng)用。由于在海洋中存在海平面和海底這兩個(gè)較大反射系數(shù)的界面，因此淺地層剖面中會(huì)產(chǎn)生與一次反射波伴生的海底多次反射波。多次波的存在，嚴(yán)重地降低了淺地層剖面資料的信噪比，對(duì)后續(xù)的地質(zhì)解釋工作造成困難甚至產(chǎn)生“誤導(dǎo)。由于淺地層剖面是單炮激發(fā)、單道接收，且其無(wú)法直接提供地下地層的速度信息，這為淺地層剖面數(shù)據(jù)的多次波剔除工作帶來(lái)困難，迄今為止,關(guān)于淺地層剖面資料的多次波剔除方法研究或多次波剔除成功示例鮮有報(bào)道。油氣地震勘探中常用的多次波壓制方法主要有視速度濾波類(lèi)方法方、拉冬變換法“勺以及基于反饋環(huán)理論的方法通常需要地下地層的速度信息，并且數(shù)據(jù)具有較高的覆蓋次數(shù),因此難以適應(yīng)淺地層剖面資料的多次波剔除。S

8、RME方法不依賴(lài)海底以下介質(zhì)的任何信息，基于外業(yè)數(shù)據(jù)采集得到的地震記錄直接進(jìn)行多次波的預(yù)測(cè)分析，而且其壓制多次波的效果較好，因此近年來(lái)，中國(guó)應(yīng)用SRME技術(shù)在地震勘探數(shù)據(jù)處理方面的研究成果屢見(jiàn)不鮮。史文英等在我國(guó)南部某淺水海區(qū)，通過(guò)應(yīng)用串聯(lián)SRME的技術(shù)方法，對(duì)大的短周期海底多次波進(jìn)行衰減剔除，得到了明顯效果。馬繼濤等加研究提出一種基于SRME理論的海底電纜多次波壓制方法,其通過(guò)共炮點(diǎn)道集的褶積運(yùn)算即可預(yù)測(cè)出所有與自由界面相關(guān)的多次波，然后利用自適應(yīng)相減算法消除多次波。郝振江等2通過(guò)改進(jìn)后的SRME對(duì)OBC數(shù)據(jù)自由界面多次波進(jìn)行衰減,也取得了一定的效果。SRME是一種基于反饋環(huán)理論的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的

9、多次波預(yù)測(cè)與衰減方法，其不需要速度信息，因此理論上其同樣適應(yīng)于單道數(shù)據(jù)的多次波處理。然而傳統(tǒng)的反憤環(huán)理論僅給出了迭代形式的自由界面多次波衰減過(guò)程,其要求在每次迭代過(guò)程中采用自適應(yīng)減去法進(jìn)行多次波的壓制,并且該過(guò)程不適應(yīng)于每炮僅具有單道的淺地層剖面的多次波壓制處理(一次波信號(hào)損傷或波形畸變極易導(dǎo)致多次迭代衰減過(guò)程不穩(wěn)定)。為此,本文在假設(shè)原始淺地層剖面的地震波場(chǎng)中僅含有一次波與各階自由界面多次波的前提下，推導(dǎo)出適應(yīng)于單道數(shù)據(jù)的自由界面多次波預(yù)測(cè)方程，并旦針對(duì)淺地層剖面多次波匹配衰減困難的問(wèn)題(極易損傷一次波信號(hào))，提出了基于同相軸追蹤的多次波剔除與多道維納濾波KM相結(jié)合的組合匹配衰減方法，以實(shí)現(xiàn)

10、高精度的淺剖數(shù)據(jù)自由界面多次波剔除與衰減，理論模型與實(shí)際淺地層剖面的處理結(jié)果驗(yàn)證了本文方法的有效性。1淺地層剖面的自由界面多次波預(yù)測(cè)海面通常為極強(qiáng)的波阻抗界面(反射系數(shù)近于一1的自由界面)，導(dǎo)致海上地震記錄中的多次波絕大多數(shù)都與自由界面有關(guān)。若淺剖資料中各炮記錄的最小偏移距為。，則抽取剖面中各道數(shù)據(jù)分別為道號(hào)與旅行時(shí))均可形成適合自由界面多次波預(yù)測(cè)的獨(dú)立地震波場(chǎng)。抽取剖面中的第i道做傅立葉變換可得8(旬，o)=jd(i,z)eAdt。(1)式中：尸表示原始地震波場(chǎng);2表示深度/=%說(shuō)明是在自由界面位置進(jìn)行的波場(chǎng)測(cè)量W為頻率。一般來(lái)說(shuō)，原始記錄d(iu)中的層間多次波因振幅較弱可被忽略，則相應(yīng)地

11、震波場(chǎng)中可視為由一次波與自由界面多次波組成，即NO,3)NO,3)(2)若=0時(shí)，P。為一次波波場(chǎng)，當(dāng)1時(shí)，Pn表示第+1階自由界面多次波的波場(chǎng)。由于淺剖資料均是在海面采集的，波場(chǎng)測(cè)量的深度N恒等于N。，則式(2)中Z0可被忽略，即8P(3)=:Pn(CO)on-0(3)根據(jù)Berkhout和Verschuur的反饋理論，原始地震波場(chǎng)中的第+1階自由界面多次波Pn可表示為彼P”(o)=Po(3)A(3)了Po(3)O(4)式中，1，自由界面因子AM為A(/)=S4-(s)TR(3)T(w)T(5)其中：S表示位于自由界面Z0處的下行震源波場(chǎng)，其包括震源組合特性和震源虛反射效應(yīng)；R為自由界面位置

12、向下反射的反射因子;算子D描述了檢波器組合特性及其虛反射影響。式(4)說(shuō)明了自由界面多次波的形成過(guò)程:一次波的上行波場(chǎng)在自由界面位置發(fā)生向F反射，經(jīng)地下各波阻抗界面的向上反射將形成2階自由界面多次波的上行波場(chǎng);2階自由界面多次波的上行波場(chǎng)經(jīng)自由界面的向下反射將形成3階的自由界面多次波；依次類(lèi)推，即一次波的上行波場(chǎng)在自由界面處歷經(jīng)了次向下反射,形成第+1階的自由界面多次波。將式(4)代入式(2)中，則原始地震波場(chǎng)可表示為P(s)=Po(3)+SP。(S)A(s)P(s)=Po(3)+SP。(S)A(s)”P(pán)o(s)。(6)現(xiàn)以原始地震記錄的波場(chǎng)F作為初始波場(chǎng)進(jìn)行自由界面多次波預(yù)測(cè)，則所得地震記錄

13、的波場(chǎng)為PmM=P(s)A(s)PMo(7)將式(6)代入式(7),得PP)=8Po(3)+SPo(O)A(ty)Po(o)A(co)Po(3)+n1oo、Po(qA(s)”P(pán)o(3)。.W=1可進(jìn)一步展開(kāi)為P(a)=PoMA(w)Po(G+2P(s)A(o)J2Pq(o)+3Po(|)A(o)3Po(tt)+(n1)Po(3)人(a)Pq(切)+nPo(a)A(z)Jpz(i，t)=MCWFCdez)其中:MCWF(MultichannelWienerFiltering)表示多道維納濾波算子中包含的是由剖面d*,t)中濾出的一次波信息庭討)為消除剖面dm(iu)中復(fù)雜多次波的結(jié)果。最終衰減多

14、次波后的剖面為式中濾波結(jié)果的和，即p(i,t)=pi。(15)式中為組合匹配衰減的最終結(jié)果。式(14)中包含了兩項(xiàng)不同目的多道維納濾波處理,第一項(xiàng)的目的是去除準(zhǔn)多次波剖面中的殘余多次波,而第二項(xiàng)旨在克服多次波與一次波時(shí)差較小時(shí)導(dǎo)致的有效信號(hào)損傷。在實(shí)際處理時(shí)，這兩個(gè)處理過(guò)程均為可選步驟，其可在對(duì)淺地層剖面特征與多次波初次衰減結(jié)果分析的基礎(chǔ)上確定是否予以選用。3模型數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)建立如圖2所示的速度模型，其包含速度由低到高變化的7套地層，此模型的第36個(gè)反射界面發(fā)生了不同程度的彎曲，其中界面3與5存在著背斜與凹陷構(gòu)造，而界面4與6則為傾斜界面.這些復(fù)雜構(gòu)造為多次波的預(yù)測(cè)與衰減帶來(lái)一定困難。利用聲波

15、方程有限差分法進(jìn)行正演模擬震源采用主頻為100。Hz的雷克子波（見(jiàn)圖3）,共創(chuàng)建了1000炮單道記錄，其炮間距和最小偏移距分別為1和0m,而記錄的時(shí)間采樣間隔為0.05ms。圖1某于同相軸迫蹤的多次波組合匹配衰減流程Fig.1Theprocessingflowchartofcombinedmultiplematchingattenuation圖2速度模型Fig.2VelocitymodeldEV彖時(shí)間Timezms00.511.522.533.51IIIa0.5-0.0-0.5-1圖3主頻為1000Hz的雷克于波波形圖Fig.3Waveformof1000HzmainfrequencyRick

16、erwavelet在抽取各炮記錄的地震道所組成的淺地層剖面（見(jiàn)圖4）中，箭頭指向的均為多次波同相軸.其與同時(shí)段的一次波同相軸相交.且在局部位置與一次波同相軸近乎重合。3. 1自由界面多次波預(yù)測(cè)在進(jìn)行自由界面多次波預(yù)測(cè)之前.首先需要求取自由界面因子。對(duì)于淺地層剖面自由界面多次波預(yù)測(cè)而言，其自由界面因子可通過(guò)針對(duì)原始剖面的子波估計(jì)來(lái)計(jì)算.獲得的包含虛反射效應(yīng)的地震子波（與實(shí)際震源子波不同，其逆可視為自由界面因子）如圖5所示，由于海面向下的反射系數(shù)接近一1該地震子波與剖面中反射信號(hào)的波形反相。SEHM-Mk灣MW距島Distancem200300400500600700800900圖4原始剖面Fig

17、.4Originalsection距離Distancem圖6預(yù)測(cè)的多次波剖面Fig.6Predictedmultiplesectionooo50511著HM-UBlt澹3o輸入原始剖面進(jìn)行n由界面多次波預(yù)測(cè).獲得了僅包含多次波干擾的淺地層剖面（見(jiàn)圖6）。通過(guò)對(duì)比可知.多次波剖面中的同相軸旅行時(shí)與原始剖面中的基本一致.從而可利用基于同相軸追蹤的多次波組合匹配衰減方法予以消除。時(shí)間Timems00.511.522.533.544.55iso距離Distancc/m0，0-200300.400河SO.A。8。卯。圖7衰減多次波后的淺地層剖面Fig.7Sectionaftermultipleatten

18、uation50100SEH.MW潺M圖5蓊于原始剖面求取的包含虛反射效應(yīng)的地震子波Fig.5Seismicwaveletincludingghosteffectextractedfromoriginalsection3.2自由界面多次波的組合匹配衰減根據(jù)組合多次波匹配衰減方法的處理流程，本文首先基于多次波剖面追蹤出原始剖面中的主要多次波同相軸然后對(duì)其實(shí)施短時(shí)窗FK視速度濾波處理后獲得準(zhǔn)一次波剖面，再利用多道維納濾波法進(jìn)一步消除所得剖面中振幅較弱的殘余多次波.最終的多次波組合匹配衰減結(jié)果見(jiàn)圖7,而去除的多次波干擾（原始剖面與衰減多次波后剖面的差）如圖8所示。比較圖4、圖7和圖8可知.原始剖面中

19、的多次波信號(hào)受到明顯壓制.其中箭頭指向的多次波同相軸已被完全消除.而原剖面中的一次波幾乎未受損傷。距腐Distance/m200300400500600700800900圖8去除的多次波干擾Fig.8Subtractedmultiple500050nn4野外資料處理實(shí)驗(yàn)黃海海域?yàn)橛埠５讌^(qū)域.海底較為平坦，水深約45m.導(dǎo)致相應(yīng)的淺地層剖面中發(fā)育有極強(qiáng)的自由界面多次波。對(duì)測(cè)線(xiàn)L的原始剖面進(jìn)行帶通濾波、非零偏移距消除、涌浪時(shí)差校正、振幅平衡與宜達(dá)波切除、子波整型等步驟的預(yù)處理所得剖面如圖9所示,其中箭頭指向的為較強(qiáng)的海底全程多次波及海底以下強(qiáng)反射界面的微屈多次波.而在“藍(lán)色”框矩形區(qū)域范圍內(nèi)，海底

20、的全程多次波同相軸與海底以下地層的一次波同相軸登合在一起.從而掩蓋了下部構(gòu)造中的地層信息，這無(wú)疑會(huì)給地質(zhì)人員對(duì)地下構(gòu)造的精確解釋分析帶來(lái)一定的困擾。經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后.淺地層剖面野外觀(guān)測(cè)過(guò)程可滿(mǎn)足如下3個(gè)假設(shè):各炮的震源子波相差不大;地震波在海面發(fā)生向下反射的反射系數(shù)恒為一1；檢波器組合特性完全一致。在這種悄況下，利用預(yù)處理之后的剖面(見(jiàn)圖9)估計(jì)出“平均震源子波.然后基于公式(5)和公式(7)的口由界面多次波預(yù)測(cè)方程進(jìn)行自由界面多次波的預(yù)測(cè).得到的多次波剖面如圖1。所示，其包含了圖9中所顯示出的全部多次波信息.而且兩剖面中箭頭指向的多次波同相軸的旅行時(shí)基本一致。距離Distancekm距離Dis

21、tancekm100150200圖9經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的剖血Fig.9Sectionafterpreprocessing50距離Distancekm7N9圖10預(yù)測(cè)的多次波剖面Fig.10PredictedmultiplesectionSEf-.ss潺MR獲得多次波剖面之后.利用組合匹配衰減方法進(jìn)行多次波的剔除,相應(yīng)的結(jié)果如圖11所示。與圖9相比,原始剖面中箭頭指向的多次波同相軸已被消除，一次波信息得以突顯出來(lái).從而使相應(yīng)的地質(zhì)構(gòu)造更易于解釋分析。距府Distancekm506789距府Distancekm506789100150200圖11衰減多次波后的剖面Fig.11Sectionaftermu

22、ltipleattenuation5結(jié)語(yǔ)本文首先推導(dǎo)出以原始淺地層剖面波場(chǎng)作為輸入的日由界面多次波預(yù)測(cè)方程.得到其多次波預(yù)測(cè)波場(chǎng)中第+1(1)階“自由界面多次波”的能址具有倍增幅畸變的結(jié)論作為下一步多次波匹配衰減的指導(dǎo),然后為在保持一次波不受損傷的前提下有效衰減預(yù)測(cè)的多次波.提出r基于同相軸追蹤的多次波剔除與多道維納濾波相結(jié)合的多次波組合匹配衰減方法.從而顯著提高了淺剖資料的多次波匹配衰減精度。模型實(shí)驗(yàn)和實(shí)際數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明.本文提出的多次波預(yù)測(cè)與衰減方法適合于高分辨率的淺地層剖而數(shù)據(jù)的多次波壓制.同時(shí)該方法也適應(yīng)于單道地震數(shù)據(jù)的多次波剔除處理。參考文獻(xiàn)：1 王方颯.淺地層制面儀的電用及資料解

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