地球物理学进展  2014, Vol. 29 Issue (1): 276-281   PDF    
起伏地表地震资料成像方法分析
秦晶晶, 谭雅丽* , 左莹    
中国地震局地球物理勘探中心, 郑州 450002
摘要:西部地区地表起伏剧烈, 往往伴随着地下构造复杂, 给地震偏移处理工作带来了极大的困难, 导致后续的解释结果与实际构造存在一定的差异.因此, 复杂地区的地震资料成像问题显得尤为重要.文章通过对复杂地表模型的正演模拟以及山区实际地震资料的应用两方面的分析, 获得了适合复杂地表的成像方法.结果表明:针对复杂地区, 叠加技术成像比偏移技术成像更能真实地反映地下构造形态, 是一种提高复杂地区构造成像精度的有效方法;同时, 将叠加剖面和偏移剖面两者有机结合, 对复杂地表资料进行解释分析, 更能体现地下构造的真实形态, 为煤矿工作的安全开采提供了有利依据.
关键词复杂地表     地震成像     正演模拟     叠加剖面     偏移剖面    
Analysis on methods for seismic data imaging in the fluctuant surface areas
QIN Jing-jing, TAN Ya-li*, ZUO Ying    
The Geophysical Exploration Center of CEA, Zhengzhou 450002, China
Abstract: That the surface dramatic ups and downs in the western region, often accompanied with a complex subsurface structure, brings great difficulties to seismic migration processing. It leads to some differences between the subsequent interpretation results and the actual construction, so the seismic imaging problem in complex region is very important. In this paper, it obtains the imaging method for complex surface by analyzing both the forward modeling of complex surface models and the actual seismic data of the mountains. The results show that: for complex regions, the stacked imaging technology can reflect the true form of the subsurface structure better than the migrated imaging technology, and it is an effective method to improve the accuracy of structural imaging in complex region; At the same time, the combination of both the stacked section and migrated section can truly reflect the underground structures in complex surface, and it provides a favorable basis for coal mining safety work.
Key words: complex surface     seismic imaging     forward simulation     stacked section     migrated section    

0 引 言

随着煤田勘探的不断发展,平原地区勘探程度要求越来越高,其勘探潜力亦逐渐减少,因此,西部地区将成为地震勘探的重要开展领域(李国发等,2009李国发和常索亮,2009).相对平原地区,西部地区的地表和地下构造要复杂的多(孟尔盛,1999),给后期的处理带来很大的难度(马义忠等,2013何新贞等,2004刘建红等,2008杨光明,2010):

(1)由于受到起伏地表的影响,初至波上下跳动剧烈,拾取初至波困难,直接影响后期的静校正计算.

(2)复杂地区的面波以及侧面干扰波发育较为严重,导致资料的信噪比较低.

(3)由于山区受到静校正问题和资料信噪比低的影响,绕射波的能量比较弱,在叠加处理中,不能使其得到同相叠加,甚至在叠加剖面上找不到绕射波,偏移处理时由于识别不了绕射波的形态,导致绕射点很难得到准确归位.

针对以上难点,如何提高复杂地区的准确成像是地震勘探工作者们共同关注的问题(王雪秋等,2005).本文通过对复杂地表模型的正演模拟以及西部某勘探区实际地震资料的应用,并对其结果进行对比分析,最终获得了适合于复杂地表的成像方法.本文的研究对西部地震勘探的开展具有较高的应用价值,为后期的资料解释和煤矿安全开采提供了有利依据.

1 起伏地表正演模拟及结果分析
1.1 正演模拟的特点

本文首先对理论模型进行了正演模拟,然后对模拟结果进行了对比分析,主要存在以下优点(王润秋等,2010李雪英等,2013巩建强等,2009于洋,2011朱军,2007):

(1)通过建立正演模型,可以直观地认识地震波在复杂构造下的传播机理,摆脱了凭空想象的传统观念.

(2)结合地震记录和波场快照,很容易进行目的层位判定,并且可以直观判定成像结果的对与错,避免了地下构造的多解性,提高了判断精度.

(3)可以准确掌握速度的分布,为后期处理中的速度拾取奠定了基础,避免了因速度拾取的不准确对成像结果的影响.准确的速度模型,有助于提高地下构造的成像精度.(兰晓雯等,2008黄自萍等,2006).

1.2 正演模型的建立

为使正演模型更加符合实际地表特征以及减少分析过程中综合因素对处理结果的影响,本文简化了模型的复杂性,将地下介质设置为水平层状均匀介质,并且按照西部实际工区的地表高程设计了地表起伏形态.对正演模拟生成的单炮记录进行相关数据处理,然后对比分析其处理结果.

1.2.1 地下水平的起伏地表模型

图 1所示,模型长为2500 m,高为1000 m.在640 m深处有厚度为6 m的煤层,(1200 m,700 m)处设计一个断距为8 m的正断层.在正演的过程中,为了防止边界效应的产生将计算网格各个方向各扩大了500 m.介质速度从上向下依次为1500 m/s,2800 m/s,2100ms,3200m/s.图中倒三角标志为炮点,黑点标志为检波点,采用中点放炮方式,96道接收,道距为10 m,模拟放炮20炮,炮间距60 m.

图 1 地质模型1 Fig. 1 The geological model Ⅰ
1.2.2 地下有倾角的起伏地表模型

图 2所示,该模型速度参数和模型1的参数保持一致.模型长为3000 m,高为3500 m,煤层的厚度为10 m,(1200m,1160 m)处设计一个断距为10 m、倾角为70°的正断层.在正演的过程中,为了防止边界效应的产生,将计算网格每个方向各扩大了500 m.采用中点放炮方式,120道接收,道距为10 m,模拟放炮30炮,炮间距60 m.

图 2 地质模型Ⅱ Fig. 2 The geological model Ⅱ

1.3 地震响应特征分析

文章利用Tesseral全波场正演软件对地质模型进行数值模拟,得到其单炮记录.模型采用声波波动方程进行有限差分波场模拟,选用了60 Hz的雷克子波进行震源激发,兼顾计算方法的稳定性以及控制网格频散现象的产生,时间采样间隔选择0.5 ms,空间网格步长选择1.5 m.

在单炮记录上,依次进行球面扩散能量补偿、速度分析、动校正、叠加和偏移等处理流程,得到叠加剖面和偏移剖.处理过程中采用高程静校正方法,基准面均选择为300 m.

地质模型I和地质模型II的处理效果分析图4图5可得:

Fig. 4 Stacked section of rugged topography and coal dip 30°

图5 地表起伏、煤层倾角为30°的偏移剖面 Fig. 5 Migrated section of rugged topography and coal dip 30°

(1)当煤层倾角为0°时,叠加剖面和偏移剖面均能反映断层的存在,相比之下,偏移剖面上断层的反映比较明显,且断层位置得到了准确归位.

(2)当煤层界面存在倾角时,经过静校正处理后的叠加剖面在断层处有绕射波的存在,断层处地震波下方出现了空白带,较容易判定此处有异常,整个叠加剖面真实地反映了地下构造形态.经过偏移处理的剖面,从图3上可以看到绕射波得到准确的归位,在断层处反射波同相轴有微小的扭曲,也可判定断层的存在,与叠加剖面不同的是在断层的右侧出现了异常构造的假象.

图3 地表起伏、煤层倾角为0°的叠加剖面和偏移剖面 Fig. 3 Stacked and migrated section of rugged topography and coal dip 0°

综上分析,可以得出以下结论:当地层无倾角时,叠加剖面和偏移剖面均能反映地下的构造情况.当地层倾角较大时,偏移剖面局部位置出现了假构造,此时叠加剖面更能真实反映地下构造的形态.

2 实例应用分析

本文采用西部山区某井田资料进行实例应用,该勘探区地形起伏剧烈,最高海拔2028 m,最低处海拔为1482 m,绝对高差546 m,相对高差为200~350 m.勘探区内表层裸露 出的地层是由第四系坡积层和冲洪积层组成,局部含有砂土 和角砾石松散堆积而成.勘探区内地形复杂,山上有大面积的植被和原始森林覆盖,道路稀少,由于山区地表复杂,给地震资料采集工作带来很大的困难,本区的表、浅层地震地质条件较差.

勘查区的主体为一向北倾伏的单斜构造形态,地下地层倾角大,达到30°左右.含煤岩组主要为西山窑组,形成的含煤段层位稳定,特征明显,煤层埋深为470~1050 m,赋存条件较好,煤层顶、底板岩性主要为泥岩、砂岩,与煤层的物性差异较大,有利于形成能量强的反射波,本区的中、深层地震地质条件一般.

考虑到实际数据量太大,在进行成像方法研究时,只抽取了该采区的第1~6束线进行数据处理. 下面主要针对处 理中几个关键技术如静校正、 去噪、剩余静校正等关键步骤 进行描述.

图6是本区的单炮记录,原始资料具有以下特点:

图6 本区的单炮记录 Fig. 6 Shot record in exploratory area

(1)地形起伏剧烈,表、浅层地震地质条件差,导致野外采集的单炮记录上初至变化较大.

(2)浅部资料受到面波干扰较强,严重淹没了近道处的有效反射波,近道处的反射波在单炮记录上不清晰.地表起伏剧烈和面波干扰严重,给本区的资料成像带来了很大的难度.

本勘探区的静校正问题较突出,因此,必须选取适当的静校正方法和参数,消除地表起伏、低速带的存在对旅行时差造成的影响,从而提高叠加剖面的质量.本文主要采用绿山软件对单炮记录进行了折射静校正的处理,主要步骤如下:首先定义、检查观测系统,精确拾取单炮的初至时间,然后对初至进行分层,来建立地下折射面模型,计算出各层的表层模型参数(各层的速度和延迟时),最后给定低速带速度、替换速度和统一基准面,求出炮点和检波点的静校正量.图7是折射静校正处理前、后对比图.

图7 折射静校正前、后的单炮记录 Fig. 7 Shot record map before and after statics

图7上可以看出:由于起伏地表的影响,单炮记录存在较大的静校正量,记录中的初至波曲线表现得弯曲、杂乱,并且深部的反射波同相轴不连续.经过折射静校正处理后,校正量基本消除,初至波也变得光滑,反射波的形态有了一定的连续性,得到了很好的改善.

本区地震资料的另一个特点就是面波干扰较为发育,近道处的反射波已经严重被面波淹没,如果不去除面波的影响,将导致近道的反射波不能较好的同相叠加.本文主要采用低频阵列滤波模块去除面波的影响,原理是:给定一个低频频带范围和地表面波的速度,通过特定的运算法则把数据从时间域转换到频率域中,将每个频率成分与方脉冲函数进行卷积运算,然后利用给定的速度计算出适当的数组来去除单炮记录中噪声干扰,最后将数据在转换到时间域中.图8是去噪前、后单炮记录对比图,经过去噪后的单炮记录,面波基本得到了压制,同时也恢复了反射波的能量,反射波的同相轴得到了一定的改善.

图8 去噪前、后单炮记录对比图 Fig. 8 Shot record collation map before and after filter

本勘探区地处山区,地表起伏大,野外静校正严重,尽管前面做了初至折射静校正,基本解决了野外静校正问题,但山区资料有些地段能量较弱,初至不清,由此计算的折射静校正量不准也在所难免,这样就会使CMP道集中的各个地震道仍存在以高频短波长方式的剩余静校正量,影响叠加剖面的质量.因此,做好剩余静校正也是资料处理中的一个重要环节.本文选取了基于地表一致性剩余静校正方法进行剩余静校正分析,根据有效波同相轴选取适当的计算时窗范围,通过对全区纵横向层位进行了迭代计算,得到剩余静校正量.图9是剩余静校正前、后叠加剖面对比图,两者相比可见:应用剩余静校正后剩余随机时差得到了较好的校正,叠加剖面上的同相轴连续性有了明显改善,信噪比也得到了提高.

图9 剩余静校正前、后叠加剖面对比图 Fig. 9 Stacked section collation map before and after residual static correction

经过一系列的资料处理后,得到该区的叠加剖面和偏移剖面,如图 10所示.从图上分析可得:根据反射波组特征和反射波同相轴在横向上的展布形态,可以很清晰地判断叠加剖面C处存在断层.而叠加剖面A处和B处反射波同相轴发生了扭曲,可能有断层的存在.叠加剖面经过偏移归位处理后,A处和B处在偏移剖面上反射波同相轴基本保持连续,没有叠加剖面上反映明显.偏移剖面C处断层无论是从地层的重复和缺失方面,还是从断点位置方面上辨别断层都没有叠加剖面上清晰,并且也很难判断断层的上下盘位置.此外,偏移剖面背景干扰严重,画弧现象也比较严重.

图 10叠加剖面和偏移剖面 Fig. 10 Stacked section and migrated section

3 效果验证

经过正演模型和实际资料两方面对比验证:对于复杂地表地区,叠加技术成像比偏移技术成像更能真实反映地下异常构造,不失为提高复杂地区构造成像精度的有效方法之一.在进行偏移处理时,偏移速度以及偏移孔径是决定偏移处理效果好坏的关键因素,然而这些因素往往是处理人员很难控制的参数,如果处理不好,往往导致剖面化弧严重,甚至出现假的构造.因此,针对复杂地区的成像,叠加技术具有更大的优势,对地下异常构造有较好的反映,提高了解释的精度.叠加剖面对判断地下异常构造的存在与否具有很好的引导价值,但也有其不足之处:剖面上反映的异常位置需要解释人员对其进行偏移归位计算,采用什么样的偏移处理方法仍是我们进一步研究的方向.

笔者认为,在对复杂地区进行构造解释时,可以采用以下方法:

(1)在叠加剖面上进行解释,然后通过二维资料偏移的方法计算偏移量,来实现复杂地区地震资料的偏移成像,但该方法的工作量较大.

(2)仍在偏移剖面上进行解释,但是不能仅仅只关注偏移成果,应当将叠加剖面和偏移剖面相结合、相对比,尽量以叠加剖面为主,偏移剖面为辅,来完成复杂地区的构造解释工作.

4 结 论

复杂地表的成像是西部地区进行地震勘探的一个重要问题.本文根据实际山区的地表高程进行了理论模型建立,更加符合复杂的近地表条件,结合正演记录的处理结果,可以直观判断成像结果的准确性,为后期的实际资料运用奠定了基础.通过实际资料的运用分析,可以清晰地认识到在进行复杂地区构造成像分析时,我们应摆脱常规解释观念,应充分利用叠加剖面的有效信息,将叠加剖面、偏移剖面两者相结合、相对比,来解释地下构造效果会更好.复杂地区成像方法是一个世界性难题,要想完全攻克复杂地区构造成像仍然任重道远,还需我们进一步探讨研究.

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