2017, Vol. 32
2. 国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室, 青岛 266071
3. 青岛海洋科学与技术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
4. 国土资源部青岛海洋地质研究所, 青岛 266071
5. 国家海洋局第一海洋研究所, 青岛 266061
6. 国家深海基地管理中心, 青岛 266237
2. Marine Petroleum Resource & Environment Geology, Ministry of Land and Resources, Qingdao 266071, China
3. Function Laboratory for Marine Mineral Resource Geology and Exploration, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China
4. Qingdao Institute of Marine Geology, Ministry of Land and Resources, Qingdao 266071, China
5. First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China
6. National Deep Sea Center, SOA, Qingdao 266237, China
海底以下500 m深度范围内属于海洋浅层地震勘探，研究领域包括海洋环境，海洋工程和天然气水合物等 (Lee et al., 2004；杨文达和刘望军，2007；Cukur et al., 2013).海洋油气勘探由于探测深度较大，高频信号衰减严重，因此目标层位的分辨率较低.海洋浅层地震勘探由于目标层位较浅，高频信号能够获得较大程度的保留，因此分辨率较高.考虑到成本与任务的不同，目前海上高分辨率地震勘探可以采用多种震源和电缆进行组合，常用的震源主要为电火花 (Mangipudi et al., 2014) 和小容量气枪 (张勇等，2008).电缆可以采用单道、二维多道甚至三维电缆 (Marsset et al., 2004; Müeller, 2005; Orange et al, 2005).其中采用电火花震源，高分辨率二维电缆的采集方式可以综合成本和效益，在海洋浅层地震勘探中逐渐成为主流，获得了广泛的应用 (史慧杰等, 2015).
近年来，伴随着几期国家高技术研究发展计划 (863) 的投入，国产设备在震源 (严辉等，2012)、电缆以及系统集成方面 (裴彦良等，2013) 获得了长足的发展，尤其是高分辨率电缆的进步更为明显，由12.5 m道间距降低至6.25 m，3.125 m甚至更低.小道距最大的优势是降低了空间假频，提高了空间分辨率，许多地震数据处理方法也只有在这种情况下才成为可能.
小道距高分辨率海洋地震数据中，一种明显的干扰波就是虚反射.虚反射，又称为鬼波，是海洋地震资料中常见的一种干扰波，由震源虚反射、电缆虚反射和震源电缆虚反射组成 (陈金海等，2000).虚反射的存在使得叠加时干扰了有效波能量，降低了地震资料的信噪比，同时虚反射也可能在剖面中成像，这又降低了剖面的分辨率.斜缆采集技术 (张振波等，2014) 是目前油气勘探中解决虚反射问题较流行的做法.同样，斜缆技术也可以应用到小道距高分辨率地震采集中，其关键点在于斜缆采集增大了虚反射的旅行时，造成有效波与虚反射之间的时差加大，从而满足抛物线Radon变换去除干扰波的条件.本文分析了抛物线Radon变换去除干扰波的原理和方法，结合小道距斜缆高分辨率地震资料的特点，实现了对虚反射的有效去除，实际资料处理结果表明利用抛物线Radon变换较好地压制了虚反射，处理后的地震剖面信噪比提高.因此对于小道距斜缆高分辨率地震资料，抛物线Radon变换也具有适用性.
1 抛物线Radon变换的原理Radon变换实际上有3类，包括线性Radon变换，抛物线Radon变换和双曲线Radon变换，其原理具有相似性，都是沿某一路径进行叠加，即分别沿直线、抛物线和双曲线叠加 (刘喜武等, 2004).Radon变换的应用范围广泛，是一种非常经典的地震数据处理方法，而且有针对性的改进算法也层出不穷 (牛滨华等，2001；熊登等，2009；石颖和王维红，2012).
抛物线Radon变换 (PRT) 最早由Hampson (1986)提出，主要用于消除多次波.这是因为一次波经过动校正后被拉平，而多次波还存在近似抛物线形态的剩余时差.图 1简单说明了抛物线Radon变换的基本原理.当CMP道集做一次波的动校正后，一次波被拉平 (图 1a中的水平同相轴)，而图 1a中代表多次波的A和B还存在剩余时差.通过设计参考偏移距，最小时差 (图 1a中的①) 和最大时差 (图 1a中的②)，即可定义抛物线的扫描范围，通过沿时间轴和抛物线路径对TX域数据扫描叠加，结果如图 1b所示.可以看到一次波由于被拉平，不存在剩余时差问题 (即时差量为0)，而A′(对应A) 和B′(对应B) 明显具有剩余时差，经过切除再反变换后即可实现对多次波的压制.
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图 1 时空域映射到Radon域 (a) TX域；(b) Radon域. Figure 1 TX domain mapped to Radon domain (a) TX domain; (b) Radon domain. |
数据来源于青岛近海的斜缆海试数据，震源采用电火花震源，震源能量为400 J，使用48道高分辨率数字拖缆接收，道间距为3.125 m，最大偏移距为150 m，最小偏移距为3.125 m，采样率为0.25 ms，记录长度0.5 s.斜缆近偏移距处沉放深度接近海面，最远偏移距沉放深度大约为7 m.放炮位置通过差分GPS精确定位，炮点间隔为3.125 m (距离放炮模式).
原始炮集记录如图 2a所示，可以看到图中箭头所指的干扰波为虚反射.其在近偏移距位置处与有效波基本融合在一起，但是由于是斜缆采集，经过海面反射，传播路径比有效波长，因而时间较慢，使得其速度低于有效波速度，在速度谱上 (图 3a) 也可以明显看到两条速度曲线，而箭头所指的曲线正是由于虚反射引起的.因为在速度谱上两者可以很好地区分，这为抛物线Radon变换去除虚反射提供了可能.去噪仍旧遵循常规的处理方式，即将炮集分选至CMP道集，用有效波速度将有效波拉平，设置参考偏移距，最大时差和最小时差.由于在速度谱上有效波和干扰波可以很好地区分，因此在数据处理中采用设置高速曲线的方式，如图 3a中虚线所示，在虚线以上的速度保留，低于虚线的速度去除，这样就达到去噪的目的.去除干扰波的炮集如图 3b所示，可以看到虚反射经过抛物线Radon变换后基本去除干净，而有效波也得到了很好的保留.经过处理后的速度谱能量 (图 3b) 更为聚焦，深部的速度也可以显示出来.
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图 2 抛物线Radon变换去噪效果 (a) 原始炮集；(b) 去噪后结果. Figure 2 The result of noise attenuation using parabolic Radon transform (a) Original shot gather; (b) The final result. |
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图 3 抛物线Radon变换去噪前后速度谱的变化 (a) 原始炮集速度谱；(b) 去噪后速度谱. Figure 3 The difference of semblance using parabolic Radon transform (a) Original semblance; (b) Denoised semblance. |
使用抛物线Radon变换去除噪声前后的叠加剖面如图 4所示，可以看到经过虚反射等噪声的去除，有效波能量增强，叠加剖面的信噪比得到明显改善.
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图 4 抛物线Radon变换去噪前后叠加剖面对比 (a) 去除前；(b) 去除后. Figure 4 The comparison of stack profiles (a) Without noise attenuated; (b) With noise attenuated. |
图 2中的干扰波究竟是不是虚反射，这是问题的关键.为此，我们根据图 2反射波的旅行时设计了简单的速度模型，通过正演模拟确定虚反射是如何产生的.速度模型参数如表 1所示.对应的模型如图 5所示.其中炮点激发位置为 (0, 0)，红色线代表电缆位置，150 m处的电缆沉放深度为7 m.对海底和基底分别做射线追踪，结果如图 5b所示，其中黑色线为有效波，红色线为虚反射，可以看到模拟结果与实际采集结果近似一致.虚反射速度低的主要因素在于斜缆采集时虚反射的传播路径更长，导致到达时间更长.在模拟的过程中发现斜缆对虚反射的影响非常明显，如果电缆水平，则虚反射曲率与有效波近似一致，这样则无法通过抛物线Radon变换的方式进行去除.因此斜缆采集是应用抛物线Radon变换去除虚反射最重要的因素.
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图 5 速度模型及其射线追踪 Figure 5 Velocity model and the ray path |
3.2 小道距对于数据处理的影响
小道距对地震数据处理而言提高了空间采样率，降低了空间假频.图 6为同一炮集不同道间距效果的对比.可以看到，常规12.5 m道间距的炮集甚至连同相轴都难以区分，6.25 m道间距炮集改善效果比较明显，而小道距的3.125 m道间距炮集效果最佳.对于高分辨率地震而言，在空间上如果连同相轴都难以分辨，根本无法区分有效波和干扰波，那么在数据处理过程中无法进行质量控制，就无法采用针对性的处理流程.使用抛物线Radon变换做数据处理需要满足空间分辨率的要求，因此小道距是浅层高分辨率地震数据处理的基础，没有采集质量的提高，数据处理方法也会受到很大的限制.
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图 6 不同道间距炮集对比 (a)12.5 m；(b)6.25 m；(c)3.125 m. Figure 6 The comparison of difference trace interval (a)12.5 m; (b)6.25 m; (c)3.125 m. |
对于给定的倾角，速度和道间距，不会出现假频时有：
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(1) |
其中，fmax为最大频率，v是速度，Δx为道间距，θ为倾角.表 2显示了在不同倾角、不同道间距情况下对应的极限频率.对于本例，通过频率扫描，可以确定有效波频率范围为160~2000 Hz，其中主频带范围为500~1000 Hz.通过表 2可以看出，在1500 m/s速度、最高20°倾角的合理假设条件下，3.125 m道间距更能克服空间假频的影响.
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表 2 空间假频的频率极限 (速度为1500 m/s) Table 2 Maximum frequency corresponding to the spatial aliasing (velocity equals to 1500 m/s) |
抛物线Radon变换需要在CMP域进行处理，当把炮域数据分选到CMP域时，道间距必然要增大，这往往会导致CMP域空间采样不足.在做抛物线Radon变换时，当变换到Radon域时会出现“剪刀脚”现象，导致正反变换后精度降低.为弥补上述缺陷，处理中一般会采用炮间插值和道间插值的方法增强空间的采样率.小道距处理时发现道间插值后相比未做处理时信噪比提高，而做道间插值和炮间插值效果最佳 (图 7).因此为追求好的处理效果，即使是小道距数据，也应该做道间和炮间的插值.做道间和炮间插值唯一的缺点是由于数据量成倍增加，处理需要的时间成倍增加，但是相对油气勘探而言，处理花费的时间仍旧属于较低的量级，因此在数据处理中应该做炮间和道间的插值以追求更理想的效果.
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图 7 插值对处理效果的影响 (a) 未插值；(b) 道间插值；(c) 道间插值和炮间插值. Figure 7 The effect of interpolation (a) Original; (b) Trace interpolation; (c) Trace and shot interpolation. |
抛物线Radon变换是常规油气地震数据处理中不可或缺的一步，尤其在消除长周期多次波方面效果显著 (贾连凯等，2014).传统观点认为，对于浅层地震勘探而言，由于电缆长度较短，有效波和多次波的时差关系并不显著，无法使用抛物线Radon变换进行去除，海洋高分辨率地震的多次波主要依靠SRME (潘军等，2015) 和TAUP变换进行去除.因此使用抛物线Radon变换并没有实际意义，至于去除虚反射那就更不可能了.但是通过前面的分析，在斜缆、小道距、高分辨率地震的条件下，数据采集的结果表明虚反射与有效波之间存在着明显的时差，这为使用抛物线Radon变换提供了可能.但是需要说明的是，使用抛物线Radon变换去除噪声前后的叠加剖面信噪比得到明显改善，但是分辨率的改善有限.这是因为在动校正过程中，虚反射本身并未校平，因此叠加后大多不能成像，因此对分辨率影响有限，去除虚反射后，噪声减少，信噪比自然增加.
4 结论 4.1高分辨率地震的虚反射能够与有效波分离的主要因素是斜缆采集，如果电缆水平，则虚反射曲率与有效波近似一致，这样则无法通过抛物线Radon变换的方式进行去除.
4.2小道距高分辨地震数据是抛物线Radon变换去除虚反射的基础，没有采集质量的提高，数据处理方法也会受到很大的限制.
4.3炮间和道间插值提高了空间采样率，抛物线Radon变换后效果优于未插值，但是会增大处理的时间.
4.4总而言之，抛物线Radon变换对小道距斜缆高分辨率数据中的虚反射压制效果比较明显，可以作为处理的标准流程.
致谢 对参与海上高分辨率地震海试的全体工作人员表示衷心的感谢！| [] | Chen J H, Zhou G L, Xu J X. 2000. Removal of ghosts and reverberations[J]. Offshore Oil(3): 34–42. |
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