2016, Vol. 31
2. 海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 青岛 266071
2. Laboratory for Marine Mineral Resources, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China
海水表面和海底都是较强的反射界面, 地震波经过地层界面反射后又在海底和海面之间反射震荡, 形成水层多次波.在浅水环境下这种干扰波具有周期短, 周期性强, 难以被识别等特征, 如果不能将其有效压制对于地震资料的后续处理和解释有巨大危害(冯全雄等, 2015; 徐强等, 2015).
多次波的衰减处理方法主要分为滤波法和预测衰减法(牛滨华等, 2002; 李鹏等, 2006; 宋家文等, 2014).以SRME方法为代表的预测衰减法是目前最为常用的海面多次波压制方法(Weglein, 1999).SRME方法基于波动方程发展而来(Verschuur et al., 1992; 金明霞等, 2014), 这种方法使用地震道数据进行褶积, 随后通过叠加求和的方法实现多次波预测, 最后将预测的多次波记录从原始地震记录中通过自适应匹配提取技术分离出来.由于这种方法完全数据驱动, 不需知道任何地下的信息就能有效预测表面相关多次波以及层间多次波, 因此得到了广泛的应用(潘军等, 2015).
然而SRME方法对于水层多次波的预测十分依赖于水层一次反射的质量, 但是浅水地震记录中, 水层一次反射常常被直达波、折射波以及其他干扰波成分污染或淹没, 使其质量严重受损, 因此SRME方法不能有效预测浅水条件下的水层多次波, 所以一些学者转而寻求一些基于模型的多次波预测方法, 如MWD方法(Wang et al., 2014).并且, SRME方法要求震源与接收点位于同一深度面, 因此不能适用于复杂海底的OBC数据(马继涛等, 2011; Jin and Wang, 2012).一些针对于OBC数据处理提出的SRME方法也有其自身的局限性(Pica et al., 2006a, b).格林函数的构建十分灵活, 能够应对复杂的观测系统.另一方面, 对于预测-提取的两步法多次波压制方法来说, 高质量的多次波预测是进一步将多次波从地震记录中精确提取的基础, 不精确的提取将导致多次波能量残留或同相轴扭曲错断(Herrmann and Verschuur, 2004).常规的多次波预测方法仍需要将多次波与原始地震记录进行自适应匹配才能取得较好的分离效果(Abma et al., 2005), 因此提高多次波的预测精度, 使预测更具有动力学特征具有重要意义.
对于大多数的光学和波动问题, 克希霍夫衍射理论都能给出十分精确的结果.衍射理论的研究由来已久, 1690年Huygens根据直观认识提出了采用衍射源的球面次级子波来解释衍射现象的理论, 其后Fresnel对Huygens的理论进行了补充, 认为衍射波场的值等于次级子波的干涉叠加(Miller, 1991).克希霍夫在此基础上从波动方程出发, 利用场论原理得到了一个比较严格的衍射公式, 即克希霍夫衍射公式, 这个公式被广泛应用于波的传播理论研究.
本文方法基于克希霍夫衍射理论, 根据海底模型构建多次波传播的射线路径格林函数, 将其与地震数据进行褶积并叠加求和预测水层多次波.本文方法相对于常规MWD方法预测波形更精确, 更具有动力学特征, 结合曲波域多次波提取技术(Wu and Hung, 2015)使水层多次波得到了有效压制.
1 地震记录中的水层多次波分析在地震记录中, 除了一次反射波以外, 还包含有多次波.多次波中又包含水层多次波、层间多次波等, 本文仅对与海底和海面有关的水层多次波进行讨论.在OBC观测数据中水层多次波的形成机理如图 1所示:
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图 1 OBC地震记录中不同波的射线路径 (a)直达波; (b)直达波的水层多次波; (c)一次反射波; (d)一次反射波的水层多次波; (e)多次波; (f)多次波的水层多次波. Figure 1 Ray paths of different waves in OBC record (a) Direct wave; (b) Water-layer multiple of direct waves; (c) Primary reflection; (d) Water-layer multiple of primary reflection; (e) Multiple; (f) Water-layer multiple of multiple. |
三条水平实线从上到下分别代表海面、海底和地下界面.由图可以看出水层多次波是在一个检波器接收到地震记录以后, 该地震波继续上行到海面再向下返回海底并被检波器记录到的.因此只需构建两个不同检波器以及海面反射点之间的射线路径格林函数, 并将格林函数与地震数据进行褶积就能得到水层多次波.
在拖缆地震记录的分析中, 虽然与海底电缆观测到的地震波的传播路径有所不同, 但是水层多次波的形成有相似的规律, 可以使用相同的方法预测水层多次波.
2 方法原理MWD方法是基于SRME原理发展而来的, 它的做法是使用格林函数来构建地震波水层一次反射, 来替代SRME方法中被污染的地震记录里真实的水层一次反射, 并将格林函数与地震数据褶积后进行叠加求和, 实现水层多次波的预测.根据MWD原理, 公式为
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(1) |
式中, M表示水层多次波, D表示地震记录, G表示格林函数, ⊗表示褶积运算.格林函数可以从波动方程推出, 常用的形式为:
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(2) |
式中, r代表射线路径的距离, ω代表频率, i是虚数单位, t代表时间, -1是近似的海水表面的反射系数.但是这种常规的MWD格林函数仅仅考虑了地震波传播的时移以及能量的球面扩散等运动学特征, 而多次波预测的动力学特征对于多次波的精确提取以及后续的多次波成像等处理步骤具有重要意义(Berkhout and Verschuur, 2006).
本文使用衍射的方法研究多次波的形成机理, 即一个闭合曲面S对p点波场值的总贡献u为
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(3) |
式中A表示振幅, ω表示角频率, t表示时间, r0为点源p0与S上一点Q的距离, r为Q与观测点p之间的距离, k(θ)表示角度因子.
可将多次波的形成看作是检波器记录的地震波场经过延拓后的克希霍夫叠加.以海底电缆观测系统为例, 海底检波器接收到地震波并作为一个新的惠更斯源将能量继续向上传播, 经过海面的反射后再返回到海底, 重新被检波器接收.经过这个过程, 直达波被延拓成为了地震波在海底与海面之间的震荡, 一次波成为多次波记录, 多次波成为了更高阶的多次波.如图 3所示:
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图 3 OBC水层多次波构建射线路经(实线:一次波射线路径; 虚线:波场延拓路径) Figure 3 Ray path of OBC water-layer multiple construction (solid line: primary ray path; dotted line: wave extrapolation ray path) |
因此可以根据地震波的传播路径, 进一步计算出经过海面反射最终接收到的波场值为
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(4) |
式中, 
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(5) |
本文使用高阶有限差分法求解声波波动方程(Dablain, 1986), 通过数值模拟对一个包含凹陷构造和起伏海底的浅水速度模型进行了OBC观测正演模拟.模型设计水深为50到65 m, 使用40 Hz雷克子波震源, 接收3 s地震记录.对于模型的上边界不做任何处理来模拟海面的自由表面, 产生的边界反射来模拟海面反射.左、右、下模型边界添加PML吸收边界条件来模拟地震波在半无限介质中的传播(王永刚等, 2007; 陈可洋, 2010).数值模拟采用的速度模型如图 4所示.图中横纵坐标表示网格点数, 网格间距为2.5 m.
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图 4 正演模拟速度模型 Figure 4 Simulation velocity model |
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图 5 原始地震记录 Figure 5 Raw seismic record |
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图 6 预测的水层多次波 Figure 6 Predicted Multiple |
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图 7 曲波域多次波提取后的地震记录 Figure 7 Seismic record after multiple subtraction in curvelet domain |
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图 8 提取出的水层多次波 Figure 8 Extracted multiple |
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图 9 原始地震记录(红)与克希霍夫衍射理论预测的水层多次波(蓝)以及常规MWD预测的水层多次波(绿)第200道单道波形对比, (横坐标代表地震数据采样点, 纵坐标代表归一化振幅) Figure 9 200th trace single trace wave form comparison: raw seismic record (red); predicted multiple with Kirchhoff diffraction theory (blue); predicted multiple with conventional MWD method (green) |
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图 10 未压制水层多次波的地震记录叠加剖面 Figure 10 Seismic map before water-layer multiple attenuation |
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图 11 使用本文方法预测并压制多次波后的叠加剖面 Figure 11 Seismic map after water-layer multiple attenuation |
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图 12 未压制水层多次波的地震记录自相关函数分析 Figure 12 Auto-correlation function before water-layer multiple attenuation |
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图 13 压制水层多次波后的地震记录自相关函数分析 Figure 13 Auto-correlation function after water-layer multiple attenuation |
在数值模拟的地震记录中, 可以看到在直达波以及各地层反射波之后都跟随一个相位相反的同相轴, 即水层多次波.使用克希霍夫衍射理论构建的格林函数预测OBC水层多次波与原始地震记录进行褶积, 并叠加求和预测多次波.模型试验结果显示, 直达波预测了地震波在海底与海面之间的震荡, 一次波预测了一阶多次波, 低阶的多次波预测了高阶的多次波.基于克希霍夫衍射理论的浅水OBC水层多次波预测方法, 在水平地层、倾斜地层以及绕射点处的多次波预测位置准确, 使用曲波域多次波提取技术将多次波进行分离(Herrmann et al., 2007; 董烈乾, 2015), 取得了较好的分离效果, 压制了水层多次波, 提高了地震资料的信噪比..
通过原始地震记录、克希霍夫衍射理论预测的多次波以及常规MWD预测的多次波单道地震信号波形比较可以看出, 原始地震记录中在720样点到745样点的一次波波形, 经过海面反射形成了755样点到780样点的反相位的水层多次波.对比可知本文方法预测的多次波相比较于常规MWD方法预测的多次波具有更加明显的动力学特征和更为精确的波形.在多次波提取过程中没有对多次波和原始记录进行任何形式的自适应匹配, 简化了处理步骤.并且, 克希霍夫衍射理论预测的多次波在不存在水层多次波的位置处信号平缓, 波动极小, 而常规MWD预测的多次波波动较大.这种波动在多次波的自适应匹配提取处理中极易伤及有效信号, 导致地震记录的分辨率和保真度降低.
4 实际资料处理使用本文方法对某区域的拖缆地震资料进行处理.该工区水深范围为90至120 m, 使用拖缆采集.工区内存在一块致密的火山岩覆盖, 由于水层多次波的存在, 使火山岩覆盖下的地层构造被淹没难以识别.本文从叠前时间偏移剖面提取海底反射时间, 再转换成深度, 接着使用本文方法预测了水层多次波, 并结合多次波提取技术对地震资料进行处理.从叠加剖面上可以看出水层多次波得到了有效压制.从自相关函数分析上也可以看出地震数据与水层相关的的周期性得到了明显减弱, 地震资料的分辨率和信噪比都得到了一定的提升.
4 结语 4.1本文在水层多次波的传播和产生规律研究的基础上使用克希霍夫衍射理论研究了适用于浅水的水层多次波预测方法, 在常规格林函数的基础上加入了角度因子得到了新的格林函数形式, 进一步将格林函数与地震道褶积, 并通过克希霍夫叠加求和的方法预测了水层多次波.
4.2本方法预测精度高, 计算速度快, 且不受观测面与震源位置的深度变化影响, 能够适用于在浅水环境以及起伏海底的复杂情况, 相比于常规的MWD方法具有更为精确的多次波波形和动力学特征.配合使用曲波域多次波提取技术将多次波从原始地震记录中进行分离, 能有效将水层多次波分离干净, 具有良好的处理效果.
4.3本文方法仅用于去除海洋地震资料的水层多次波, 而其他多次波等仍需要与SRME等方法配合使用以取得更好的多次波压制效果和更高的信噪比.
致谢 感谢评审专家对本文提出的宝贵意见, 感谢编辑对本文的帮助.| [] | Abma R, Kabir N, Matson K H, et al .2005. Comparisons of adaptive subtraction methods for multiple attenuation[J]. The Leading Edge, 24 (3) : 277–280. DOI:10.1190/1.1895312 |
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