地震分辨力的幾個問題

地震分辨力的幾個問題

1地震分辨率與分辨力在描述地震資料的分辨率能力方面，中國地球物理界有兩種方法：分辨率和分辨率。在國外的文獻中，也有“分離”和“分離”這兩個類似詞的詞。相關的定量描述公式也有兩類,一類是以距離或厚度等絕對值大小表示分辨能力的公式,它們的計算結果有量綱,而且計算所得數(shù)值與實際的分辨能力呈反對應關系,即數(shù)值越大,分辨能力越小;另一類則是以距離比、振幅比、能量比等相對值大小表示分辨能力的公式,其計算結果沒有量綱,而且計算結果與實際分辨能力呈正對應關系。迄今為止,對于“分辨率”和“分辨力”以及“resolution”和“resolvingpower”這兩組概念之間的細微差異,國內(nèi)外地球物理界很少有人注意,通常都認為二者是一樣的,即使在1989年石油工業(yè)出版社出版的《英漢石油技術詞典》中關于“resolution”和“resolvingpower”兩個詞也并沒有清楚地界定其必須譯作“分辨率”或“分辨力”。相對而言,“分辨率”(resolution)→詞的應用頻度更大一些。事實上,如果沒有兩類不同的描述分辨能力的定量公式出現(xiàn)的話,采用“分辨率”或“分辨力”不會產(chǎn)生任何歧義,但由于不同的研究者對這兩個概念存在理解上的偏差以及所用計算公式的差異,往往造成描述上的差異和混亂。筆者(2005)在“地震分辨率”一文中曾提到過這個問題,在此重新提出此問題,主要目的是期待地球物理界對有關地震資料的分辨能力建立一個規(guī)范的表述方法?？紤]到其他研究領域(如計算機圖形圖像學等)中一般均采用“分辨率”一詞來描述分辨能力的大小,而且是用相對值表示,筆者建議,在地震勘探研究中,可將目前普遍采用的以絕對值表示分辨能力的概念稱為分辨力(resolvingpower),將以相對值表示分辨能力的概念,統(tǒng)稱為分辨率(resolution)。這一方面迎合了人們的習慣認識,即分辨率值越大,分辨能力越強;另一方面保留了地震勘探中習慣采用絕對值大小來描述分辨能力的做法。使概念更清楚,理解更方便。下文主要采用地震分辨力概念來研究和說明地震資料劃分薄層厚度的能力,但凡涉及到相對值的情形均采用分辨率一詞來描述。地震分辨力一直是地震勘探研究的熱點問題。在地震分辨力研究中,爭論最為激烈的是垂直分辨力的“極限”問題。不同研究者從不同的觀測角度出發(fā),給出了不同的可分辨與不可分辨判別準則及垂直分辨力極限定義。如瑞利準則定義垂直分辨力極限為λ/4,Ricker、Widess和Farr則分別將垂直分辨力極限定義為λ/4.6、λ/8和λ/12(λ為波長)。目前,最流行且被大多數(shù)人普遍接受的是瑞利準則,即λ/4垂直分辨力定義。凌云研究組曾利用薄層振幅的調(diào)諧作用來探測地層厚度小于1/4波長的地質(zhì)目標,在此基礎上又對地震分辨力極限問題進行了研究,并對垂直分辨力極限提出質(zhì)疑,指出“在相對保持振幅、頻率、相位和波形的處理條件下,結合合理的井信息標定和地震屬性提取,地震勘探是可以突破1/4波長地震分辨力極限的”。事實上,Sheriff也曾有過類似的提法。Widess在地震分辨力定量研究中,率先將噪聲的影響與分辨力結合起來;隨后,“噪聲作為影響地震分辨力的主要因素之一”這一觀點已經(jīng)深入人心,并被人們普遍接受。長期以來,筆者對前人關于地震分辨力極限問題的認識持有不同的看法,希望能與從事地震分辨力研究的專家學者共同探討。2分辨力準則的提出所謂分辨力一般是指分離兩個十分靠近的物體的能力,通常用距離來表示。當兩個物體間的距離大于某一特定距離時這兩個物體可以被區(qū)分,而小于該特定距離時就難以辨認出是兩個物體,則這個特定的距離就可用于表示分辨力。在地震勘探中,人們往往更關心垂直分辨力,即地震波可以區(qū)分地層頂、底界面的最小厚度間隔。盡管分辨力的概念已經(jīng)清楚了,但如同確定人的視力必須建立一個標準視力測試表和測試方法一樣,要客觀地描述地震資料的分辨力,就必須首先確立一個分辨力的評價準則。只有這樣才能更好地判定或者評價地震分辨力的大小或高低?？紤]到地震子波脈沖均具有一定的延續(xù)長度,因此從嚴格意義上講,垂直分辨力應當用地震子波脈沖的時間延續(xù)度來定義。當用波長表示時,垂直分辨力為n個半波長(n為地震脈沖的周期數(shù)),這是地震勘探早期所采用的分辨力定義,李慶忠院士將其稱之為嚴格的分辨力定義。然而,實際情況是可分辨的條件并不一定要求兩個地震子波彼此沒有重疊,在有重疊的情況下地層頂、底有時還是可以區(qū)分的,為此一些學者提出了不同的分辨力準則。瑞利準則是根據(jù)光學成像原理給出的光學分辨力定義。地震勘探中沿用了該準則,并定義兩個子波的到達時間差大于或等于子波的半個視周期,則兩個子波可分辨,否則是不可分辨的。這半個視周期是子波主極值與相鄰次極值的時間間隔。針對零相位雷克子波對單一楔狀地質(zhì)模型的地震響應特點,Ricker認為,當兩個子波的到達時間差大于或等于子波主極值兩側(cè)的兩個最大陡度點的時間間距時,這兩個子波是可分辨的,此即雷克準則。這一時間間距相當于雷克子波一階時間導數(shù)中兩個異號極值點的間距,約為子波主周期的1/2.3。相比之下,瑞利分辨力相當于雷克子波一階時間導數(shù)中兩個過零點的間距或雷克子波二階時間導數(shù)中兩個負極大值點的間距,約為子波主周期的一半。當用零相位雷克子波波長λ來表示時,瑞利準則所給出的垂直分辨力為λ/4,而雷克準則為λ/4.6,兩者的差別并不大。Widess準則認為,兩個極性相反的子波到達時間差小于1/4周期,反射波波形非常接近于子波時間導數(shù),此時極值位置不能反映時間間隔的變化,但復合波振幅與時間間隔近似成正比,因此將λ/8定義為垂直分辨力。Farr把從反射地震剖面上能檢測出薄層的條件作為薄層可檢測性分辨力定義,認為薄層形成的復合反射振幅與組成該薄層的單一界面的反射振幅相等時,該薄層可分辨。進一步,借助于Widess給出的薄層復合反射振幅的近似表達式,確定垂直分辨力為λ/12。到目前為止,地震勘探中較流行且被大多數(shù)人及教科書普遍接受的準則為瑞利準則,即垂直分辨力為λ/4,這并非完全是偶然的,而是一種客觀必然的選擇。其原因在于:①λ/4恰好處在地層頂、底反射波發(fā)生振幅調(diào)諧的位置,同時也近似為地層頂、底反射時間可分辨與不可分辨的分界線,而且其在地震剖面中的反映較其他準則更明顯、更容易識別;②其他準則受反射界面極性影響較大,適用性受到限制,而瑞利準則基本不受反射界面極性的影響,具有普遍適用性;③瑞利準則基本迎合了人們試圖定義一個“可分辨極限”的心理要求。3垂直分辨力極限的爭論地震資料是利用地震波照射地下地質(zhì)體所形成的客觀影像,是地下地質(zhì)現(xiàn)象的客觀反映。地震資料所能反映或揭示地下地質(zhì)現(xiàn)象的能力從根本上決定于地震資料的分辨力,但人們最終從已有的地震資料中能夠了解和確定多少地質(zhì)細節(jié)卻取決于地震地質(zhì)解釋能力,即研究者對地震反射波所包含地質(zhì)含義的認知和解析能力。事實上,自地震分辨力準則確立伊始,許多研究者就將地震分辨力與地震地質(zhì)解釋能力混為一談。針對同一個地震記錄,不同的研究者總是試圖利用地震波波形及振幅變化等信息來揭示或解釋地震記錄反映地質(zhì)細節(jié)的極限能力,并將其定義為“分辨力”。這種“分辨力”定義反映地質(zhì)細節(jié)的極限能力的差別,并不反映地震資料實際分辨力的差別,而是反映不同研究者地質(zhì)解釋能力的差別。很明顯,不同研究者對于可分辨和不可分辨的個體認知能力或標準是不同的。因此不能說Widess所定義的分辨力“極限”突破了瑞利分辨力“極限”,只能說對同一地震記錄Widess定義顯示了更高的地質(zhì)解釋能力。這好比人們在評價眼睛視力好壞需要建立一個標準視力表的過程中,陷入了人的眼睛究竟能看多遠的爭論一樣。也許這個比喻不很恰當,但透過這個比喻可以清楚地發(fā)現(xiàn),有關分辨力極限爭論的根源在于大家對于可分辨的標準不一致,這樣一來自然就會出現(xiàn)“仁者見仁”、“智者見智”的結果。所以,關于垂直分辨力極限的爭論實際上是可分辨標準的爭論。從前文分辨力的定義中可以看出,定義本身就已經(jīng)決定了它是一個描述極限(最小距離)的概念,但習慣上人們總是喜歡在“分辨力”之后再加上“極限”二字,這實際上也是研究者主觀上追求最大地質(zhì)解釋能力的一種體現(xiàn)。筆者認為,分辨力定義的核心是“可分辨準則”的確立,只有建立在同一可分辨準則下的分辨力討論才是有意義的。而分辨力準則一旦確立,分辨力的定義就是惟一的。目前,瑞利準則的確立只是為人們提供一個評價地震資料分辨力的客觀標準,但絕不表示地震地質(zhì)解釋能力的終結,更不意味著厚度小于λ/4的薄層完全不可識別,瑞利準則的作用類似于一個標準“視力表”。對于不同的地震資料,只要利用這一“標準”進行衡量就可以確定分辨力的高低。因此筆者認為,諸如文獻和文獻中關于“可以突破傳統(tǒng)λ/4分辨力極限”的提法是不恰當?shù)?因為其混淆了分辨力與地震地質(zhì)解釋能力兩者的概念。能夠從確定的地震記錄中揭示微小的地質(zhì)細節(jié),并不表示地震分辨力的突破,僅僅意味著地震地質(zhì)解釋能力的提高。事實上,從地震分辨力準則建立伊始,研究者試圖將分辨力定義為能夠同時承擔分辨力評價標準和地震地質(zhì)解釋極限能力雙重任務的一個量,實際情況顯然事與愿違。這也是造成目前眾多研究者對地震分辨力和地震地質(zhì)解釋能力兩者概念混淆的原因所在。從瑞利準則不難看出,地震分辨力決定于地震子波的波長,波長一定則分辨力一定,子波壓縮波長減小,則分辨能力增大,可分辨的地層厚度減小,理想的分辨力是子波波長為零,即地震子波為δ-函數(shù)。因此,地震分辨力的極限應當是零。就實際地震記錄而言,由于地層吸收衰減使得地震子波分辨地下地質(zhì)體的能力總是有限的,也就是說,地震分辨力是有限的,要達到極限是不可能的。但通過采用各種技術手段進行子波壓縮、頻譜拓寬等特殊處理,是可以提高或者改善現(xiàn)有地震資料的分辨力的,但這種提高或改善也是有限的,其所能夠達到的最佳分辨狀態(tài)才是現(xiàn)有技術條件下真正意義上的地震分辨力。顯然,地震分辨力的提高是以子波的不斷改進為前提的。換言之,地震分辨力反映的是地震資料的一種客觀實在。對于確定的地震子波,地震資料的分辨力應當是確定的,是不以觀測者或解釋者的主觀意志為轉(zhuǎn)移的。只要子波沒有發(fā)生改變,地震資料的分辨力就不會發(fā)生改變,而且對于確定的分辨力準則,地震資料的分辨力也應當是惟一確定的。地震地質(zhì)解釋能力的極限,即眾多研究者習慣上理解的“地震分辨力極限”,是指在確定的子波波長條件下(意味著地震分辨力已確定),利用現(xiàn)有地震資料信息能夠推斷、揭示地質(zhì)細節(jié)的極限能力(或地質(zhì)體的空間極限尺度)。顯然,能揭示空間尺度無限趨近于零(但不為零)的地質(zhì)體同樣是其追求的理想最終目標。實際上地震地質(zhì)解釋所能推斷出的最小厚度可能會大于或小于λ/4,這除了與地震記錄本身分辨力有關外,在很大程度上還與地震記錄的噪聲水平、解釋人員的解釋能力(掌握相關知識的能力及解釋方法、手段的選擇能力)以及各種可供選用的輔助資料的完善程度等有關。從根本上講,地震地質(zhì)解釋能力的提高是通過不斷修改可分辨與不可分辨的判別標準為前提的,如當利用時間屬性不可分辨的情形下,換用振幅信息或其他屬性信息進行地質(zhì)體的推斷和識別。一般來說,借助于先進的技術,人們總是可以不斷拓展和提高解釋能力的,特別是在目前地震資料分辨力有限、提高地震分辨力十分困難的條件下,提高地震地質(zhì)解釋能力是深化認識地質(zhì)細節(jié)的根本出路。綜上所述,地震分辨力是反映地震子波區(qū)分兩個十分靠近地質(zhì)體能力的客觀實在,是由地震子波本身的性質(zhì)決定的,對于確定的地震資料,地震分辨力是確定的。地震地質(zhì)解釋能力則具有很大的主觀性、相對性和不確定性。圖1以調(diào)諧曲線示意圖的形式簡單地展示了兩者的差異。4地震地質(zhì)解釋的準則與思路筆者認為,地震分辨力λ/4準則確立的作用和意義,主要表現(xiàn)在它不僅為地震分辨力的評價提供了一個較為客觀統(tǒng)一的標準,而且也為地震薄層和厚層概念的劃分提供了一個清楚的分界點。由于地震分辨力λ/4準則是建立在地震剖面時間可分辨的前提下的,因此從時間可分辨的角度而言,該準則蘊涵了“可分辨極限”的涵義,這或許是長期以來研究者一直將其稱為“地震分辨力極限”的原因所在。但“極限”二字的內(nèi)涵是有條件的,脫離了前提條件來應用這一定義必然會造成曲解和混淆。確切地講,地震分辨力并不是一個絕對界限,只是一個特征顯著性的分界點,因而將其視為地震解釋推斷地質(zhì)細節(jié)的終結點是錯誤的。這一準則的確立從來就沒有否定小于λ/4的薄層完全不可分辨,而僅僅說明時間不可分辨。20世紀70年代中后期人們就普遍利用振幅信息、三瞬信息、積分能譜等地震屬性預測薄層厚度,其中也不乏許多成功的事例。隨著勘探技術的進步,解釋手段的改進,分析能力的增強,薄層解釋精度也在不斷提高。凌云研究組的研究成果說明了這一點。若因此認為“地震勘探可突破λ/4的分辨力極限”或者說“地震分辨力可小于λ/4”,甚至有人認為“垂向分辨力為λ/4的說法已經(jīng)不實用了”等等,都是對地震分辨力概念和準則的曲解,是將λ/4地震分辨力極限絕對化的表現(xiàn)。事實上,所有這些成功的薄層解釋實例均只能說明在地震資料分辨力一定的情況下,應用地震屬性的空間變化是可以解釋小于λ/4的薄層變化的,僅此而已。它們是地震地質(zhì)解釋推斷能力提高的表現(xiàn),而不是地震分辨力提高的結果。造成上述理解偏差的根本原因在于人們的主觀意識中過多地強調(diào)了λ/4地震分辨力的“極限”內(nèi)涵,并將其絕對化,而忽略了其作為分辨力大小評價的功能。同時,有意無意地在轉(zhuǎn)換可分辨與不可分辨的判別標準,并將不同判別標準下的結果放在一起來討論,必然會做出不恰當?shù)恼J識和判斷。此外,地震分辨力是一種客觀實在,而對于薄層頂、底界面的識別或薄層厚度的確定則是一種主觀行為。對于厚度小于λ/4的薄層的地質(zhì)解釋能力的大小,雖然與地震資料本身的分辨力有關,但更多地則取決于剖面的信噪比、保真度以及解釋者所用方法、手段的優(yōu)劣和解釋人員自身解釋水平的高低等。因此,在分辨力概念和準則的實際應用中,應當更多地關注其評價功能而不是固執(zhí)地將其作為一個絕對極限來理解和對待。5地震地質(zhì)解釋中的噪聲早在1982年,Widess在地震分辨力定量研究中,就曾將噪聲和地震分辨力放在一起來討論,并給出了一個定量計算公式。目前,在地震勘探中人們普遍接受了這一觀點,認為信噪比是分辨力的基礎,分辨力是由信噪比決定的。筆者認為,這樣處理表面上似乎很合情理,但本質(zhì)上仍然是對地震分辨力和地震地質(zhì)解釋能力的一種混淆,不能反映地震分辨力的實質(zhì)。首先,在地震資料野外觀測系統(tǒng)設計和地震資料質(zhì)量評價中,研究者習慣上均采用瑞利準則來研究分辨力,而很少有人考慮噪聲對分辨力的影響。特別是在地震資料質(zhì)量評價中,分辨力和信噪比總是同時存在的,并不會由于通常認為“信噪比決定分辨力”而舍棄其中之一。這從一個側(cè)面表明,現(xiàn)實中人們對分辨力和信噪比一直是作為兩個彼此平等獨立的地震評價參數(shù)來對待的。在講分辨力時往往更多地強調(diào)地震波區(qū)分最小地質(zhì)體的能力,即地震子波的主頻、帶寬、相位等特性,而信噪比則單獨用來評價噪聲對地震記錄的影響。也就是說,人們只在理論研究中將二者聯(lián)系在了一起,實際應用中又常常將二者分割開來,因此從實際應用的觀點出發(fā),將噪聲排除在分辨力定義之外應當是合理的。其次,在分辨力定義以及分辨力準則的確立過程中均未將噪聲考慮在內(nèi)。λ/4分辨力準則是建立在理想的無噪聲的條件下,并假定地震子波為零相位雷克子波(全頻帶)的前提下得出的。也就是說,在分辨力準則創(chuàng)立之初,就明確地將噪聲排除在外。人們之所以認為噪聲決定分辨力主要是由于在有噪聲存在的剖面中比沒有噪聲存在的情況下更加難以解釋或識別地質(zhì)細節(jié)。這實際上反映了地質(zhì)解釋能力的大小,而不是地震子波本身分辨力大小的體現(xiàn)。也就是說,將噪聲與分辨力聯(lián)系起來,僅僅是一種主觀愿望的體現(xiàn),而不是客觀必然。如果說這種聯(lián)系是允許的,那么在影響地震分辨力的因素中是否還應當包括諸如地震資料顯示方式、手段、地震解釋人員解釋水平的優(yōu)劣等因素呢?由此可以設想,是否一個沒有噪聲的地震剖面對于一個瞎子而言,地震分辨力不存在呢?很顯然,這是不現(xiàn)實的、也是不客觀的。在Widess(1982)關于地震系統(tǒng)分辨力定量描述的研究中,其根本目的是試圖建立一個全面評價地震系統(tǒng)特征分辨能力的參數(shù),而不是傳統(tǒng)意義上的分辨率概念。這或許正是為什么在其論文中不采用習慣上常用的“resolution”一詞,而換用“resolvingpower”的緣故。此外,其公式推導首先是在假定地震記錄不含噪聲的情形下進行的,所得到的分辨率公式可以說是建立在另一個不同的可分辨準則—能量可分辨基礎上的定量描述方法。在此基礎上,假定噪聲服從高斯隨機分布,從而將信噪比概念引入到了分辨率公式中。在形式上,這個公式很完美,似乎能夠很好地反映出噪聲對分辨率的影響,而實際上,該公式忽略了這樣一個事實:如果可以計算信噪比,說明信號和噪聲是可以分離的,自然也就可以獲得理想的無噪聲記錄,并由此來討論分辨率。顯然,分辨率估算問題又回到了起點。含有信噪比的分辨率計算公式也因此而顯得多余了。無獨有偶,對于李慶忠院士所提出的視覺分辨率概念,筆者認為也存在類似的問題。再者,除了地震學外,在其他有關學科中,分辨力的定義和分辨力準則的確立都是在沒有任何外界干擾背景的情況下做出的,因為只有這樣才能更好地體現(xiàn)分辨力的內(nèi)在本質(zhì)。對于相同的兩個地質(zhì)模型,采用相同的地震子波可以得到兩個具有相同分辨力的合成記錄,將其中之一加入一定量的噪聲,這是否表明含有噪聲的記錄分辨力就低呢?筆者認為不是。因為噪聲的存在只是使得地震地質(zhì)解釋的客觀環(huán)境或者說背景發(fā)生了變化,進而降低了地震地質(zhì)解釋的能力。這好比將同一剖面采用黑白和彩色顯示,結果可能會得出不同的解釋結論一樣,我們不能籠統(tǒng)地說彩色剖面比黑白剖面具有更高的分辨力或相反。因為這只是顯示方式不同對解釋人員的色彩分辨能力造成不同的影響而已。從根本上講,所有這些偏差均是由于人們在有意無意間改變了可分辨的準則引起的,或者說,這是不同“可分辨”判別條件下的產(chǎn)物,其與前述分辨力極限的爭論屬于同一性質(zhì)。筆者做一個也許不恰當?shù)念惐?眾所周知,人的視力是由其眼球的光學結構決定的,對于一個正常視力為1.5的人,能說晴天和霧天這個人的視力不同嗎?筆者認為不能。因為變化的是環(huán)境,而不是眼球本身,這種環(huán)境的變化通常用大氣能見度來描述,也就是說是大氣能見度的降低影響了人的正常視物,而不能說視力降低了。同樣的道理,噪聲的存在只是影響了人們對地震剖面所反映的地質(zhì)特征的分析推斷能力,這種影響程度可以通過信噪比來判定,而不應當將其與分辨力混為一談。誠然,一個充滿噪聲的地震剖面可能會因為難于解釋而