2017, Vol. 32
对于构造复杂、表层条件复杂、信噪比低的研究区，运用传统的地震资料处理方法(如速度分析、叠加、偏移等顺序的流程)解决资料成像问题较为困难，诸如下扬子地区低信噪比资料，目的层埋藏深，速度拾取精度非常低，很难解决资料叠加成像.针对上述难点，本文研究宽线地震的共反射面元叠加方法.共反射面元叠加方法是一种完全数据驱动的处理方法，不依赖于地下介质的速度模型.该方法基于旁轴射线和菲涅尔理论，可用于低覆盖次数，低信噪比和非规则采样的地震资料.本文将宽线地震的共反射面元叠加方法应用于下扬子研究区的实际地震资料处理，能够有效提高地震资料的信噪比，从而使地震叠加剖面的中深层反射同相轴更为清晰确定.
下扬子中、古生界内幕受地表及印支面屏蔽的影响，深层反射能量非常弱，从而也为地震资料的处理增加了难度.在速度建模方面，以往基于层位的建模方法以及沿层网格层析成像的方法，不再适应下扬子复杂构造及低信噪比地区，大大降低的速度分析精度不利于后续的偏移成像研究.共反射面元的概念在二维地震情形下，将传统的共中心点叠加扩展至“共反射线元”的叠加，而宽线采集的地震数据不但能够增加叠加的覆盖次数，同时使得原有的二维地震共反射线元因此有了一定的厚度.所以，基于宽线地震的共反射面元叠加方法将在二维地震共反射线元叠加的基础之上进一步提高地震资料的信噪比.
1 下扬子地区地震资料特征为了了解下扬子常州—宣城地区地下有利区带圈闭构造和地层分布，确定局部构造和潜在勘探目标，中石化石油工程地球物理公司对该区进行了持续的地震勘探攻关，希望逐步探索出一套针对下古界的有效地震采集和处理方法.截至2015年，已在下扬子地区的两大区块施工二维地震测线15条(如图 1所示).两大区块的行政区域覆盖江苏、浙江和安徽3个省份14个县.
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图 1 常州西地区和无锡北地区二维地震测线分布 蓝色点表示常州市位置，红色点表示无锡市位置，红线则为二维地震测线分布. Figure 1 Two-dimensional seismic survey line distribution in Western Changzhou and Northern Wuxi The blue dot indicates the location of Changzhou city, the red dot indicates the location of Wuxi city, and the red lines are the distribution of two-dimensional seismic survey lines. |
左边的大区块是常州以西地区，设计测线6条，共374.9 km.该区块地表情况复杂，北部地表水系发达，中部水产养殖多，南部多山地和丘陵，这些地表条件影响施工效率，导致施工费用上升；就地表地质条件来讲，常州西地区由北往南，进入山地、山前带，表层多位砂岩或灰岩，少部分区域有火成岩出露.
右边的大区块是无锡以北地区，设计测线9条，共197.38 km，施工设计满覆盖长度572.28 km.该区块多分布城镇工厂，交通错综复杂，而且农作物众多，电网输气管道等基础设置密集，炮点检波点设置困难，而且安全考虑要求高；就地表条件来讲，锡北地区地表出露主要为第四系黑沙、黑泥、黄胶泥、沙砾岩.
下扬子地区地震施工采集的前期实验确认：地震单炮记录背景干扰严重；原始炮集远道能量弱；信噪比低；主频低，主频大约20Hz，优势频带为10~30Hz.为了压制噪声，提高信噪比，检波点采用大组合方式，采集采用三串共36个模拟检波器垂直测线埋置，并且使用加长排列接收，增加覆盖次数，提高信噪比.
总体来说，噪声干扰和信噪比与地理位置有一定关系：平原区经济发达，外界干扰众多，噪声较大，信噪比较低；但初步处理后，由于目的层较深(4 s左右)，深层波组连续性好(如图 2a所示)；丘陵区外界干扰较小，下古地层反射波组开始出现；南部山区砂岩区单炮品质较好，部分火成岩发育区反射相对杂乱，单炮资料较差，另一方面，南部区域目的层稍浅(2.5~3.5 s)，地震频率较平原地区高.
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图 2 下扬子地区平原区和岩石区的地震剖面 (a)常州西地区的典型地震剖面展示，位于北部平原，地震目的层相对较深，反射波组在4s左右，波组连续性较好、可进行追踪对比；(b)无锡北地区岩石区的典型地震剖面展示，剖面整体情况较好，浅、中、深都能得到有效反射波组. Figure 2 Seismic profiles of plain and rocky areas in the lower Yangtze region (a) Typical seismic profile of western Changzhou, in the northern plain area. The seismic target layer is relatively deep, and the group of seismic reflections at about 4 s has a relative good continuity which can be tracked; (b) The typical seismic profiles of the rocky area in northern Wuxi. The quality of the whole profile is good, and that the primary reflections are visiable at the shallow, medium and deep parts. |
而对于无锡北地区单炮频率较高，品质较好，在30~60 Hz时仍然可见有效波组.无锡北地区可分岩石区，胶泥发育区和流沙区.岩石区单炮获取的有效信息较为丰富.胶泥区多数单炮反射波组凌乱，远偏移距可获得一定的反射波组.流沙区能获取一定的反射信息，频率相对稍低.无锡北剖面整体都能获得下古生界地层反射信息，品质基本上与单炮品质对应.但受激发岩性与平原城镇地区障碍与干扰的影响，造成剖面品质存在一定差异：西南部下古反射信息丰富，信噪比相对较高，下古埋深相对较浅(图 2b)；中部下古地层部分反射较好，波组变化较大、不均一；流沙区剖面反射较为杂乱，偶能获取部分波组.
为了充分了解下扬子地区地下有利区带圈闭构造和地层分布，中石化地球物理公司在该地区进行了二维宽线地震施工.本文将研究常州地区的一段宽线地震测线(图 3)，其覆盖长度为57.58 km(35.78英里).运用共反射面元叠加方法对宽线地震资料进行叠加成像.
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图 3 常州地区宽线地震测线(黑线)，测线长度为57.58 km(35.78英里) Figure 3 The swath-line seismic survey in Changzhou district(blackline), the coverage length is 57.58 km (35.78 miles) |
常规共中心点叠加以及时间域深度域偏移成像都需要估计一个相对准确的速度.然而速度估计本身是地震处理中一个具有挑战性的难题，特别是在地下地质模型横向速度变化大，构造复杂，或信噪比的不利条件下，很难对速度做到准确的估计.1990年代，共反射面元(CRS)叠加方法的出现(Hubral et al., 1992a, b)，提供了另外一种基于数据驱动的提高信噪比的面元叠加方法.
共反射面元叠加是一种特殊的零偏移距成像方法，具有不依赖于宏观速度模型和完全数据驱动等特点.由于共反射面元理论引入了反射面的概念，并将其限定在第一菲涅尔带范围内，从而能够通过提高叠加次数增强叠加剖面的信噪比，同时又保持了一定的分辨率，因此共反射面元叠加方法更适应于低信噪比、低覆盖次数的地震资料.具体来说，共反射面元叠加方法利用菲涅尔原理，扩大反射面元(对二维来说，扩大线元)增加覆盖次数，利用射线旁轴近似理论，将不同的共反射点道集校正到同一超道集内，然后进行叠加，使反射信号的能量得以增强.
在过去20年中，共反射面元叠加方法在地震勘探中有很多成功的应用(Garabito et al., 2011, 2016; Pussak et al., 2014; Barros et al., 2015).Kumar和Sinha(2008)对共反射面元叠加方法和CMP/DMO方法进行了一个详细的对比，展示了共反射面元叠加方法相对于传统叠加方式的优越性.Baykulov和Gajewski(2009)提出了部分共反射面元叠加道集的概念，即是针对叠前道集中每个偏移距的位置，使用共反射面元叠加方法校正临近偏移距的若干地震道叠加生成该偏移距位置的一个新的地震道，以达到提高此道信噪比目的.在压制多次波方面，Yoon等(2008)重新处理了深层陆上地震数据，以人工拾取的速度作为依据对叠加速度进行自动扫描，避开了多次波低速度的拾取，压制了多次波，提高了最终叠加剖面的信噪比.Fomel和Kazinnik(2013)基于基本共反射面元公式，提出了一组新的非双曲线共反射面元近似公式，企图改善中远偏移距的时间精度.众多成功实例证明了共反射面元叠加方法在提高地震资料信噪比方面的巨大潜力.
二维条件下，依据旁轴射线走时射线理论(Schleicher et al., 1993)，经典的共反射面元走时方程可以表达为(Jäger et al., 2001)一个双曲型表达式，公式为
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式中t0为零炮检距走时，v0为零偏移距处的速度，x0为零偏移距对应的坐标，xm为炮检之间的中点坐标，h为半偏移距，α为零偏移距射线出射角，RNIP表示在x0点NIP波的曲率半径，RN表示在x0点N波的曲率半径.描述共反射面元的两种特征波(N波和NIP波)如图 4所示.
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图 4 描述共反射面元的两种特征波(N波和NIP波) Figure 4 Two characteristic waves (N wave and NIP wave) fordescriping the common-reflection surface |
依据走时方程，可将以x0为中心、在共反射面元(菲涅尔带)内、不同的CMP道集的每道时间t(xm, h)校正到坐标x0上的时间t0，以实现菲涅尔带内不同道的同相叠加，增强地震资料的信噪比，为后续偏移处理提供基础数据.
3 宽线地震共反射面元叠加处理下扬子地区我们处理了常州西区宽线地震资料.常州西地区地表情况复杂，北部地表水系发达，中部水产养殖多，南部多山地和丘陵，这些地表条件影响施工效率，导致施工费用上升；就地表地质条件来讲，常州西地区由北往南，进入山地、山前带，表层多位砂岩或灰岩，少部分区域有火成岩出露.正是由于地表问题，所以地震施工采用高覆盖的宽线形式——两炮线、三接收线(如图 5a).单个CMP道集的最高覆盖次数达1000次以上(图 5b).
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图 5 宽线地震观测系统——两炮线、三接收线 (a)一个CMP道集的炮点检波点位置；(b)每个CMP道集对应的覆盖次数. Figure 5 Swath-line seismic acqusition system -two shot lines and three receiving lines (a) The distribution of shots and receivers of a CMP gather; (b) The corresponding number of stack fold for each CMP gather. |
宽线地震共反射面元叠加处理流程可以用图 6概括.我们首先自动扫描叠加速度，自动扫描所得的速度(图 6a)平滑而自然.平滑自然的叠加速度有利于共反射面元参数的优化.图 6中其余三个子图是优化之后的三个共反射面元参数剖面.图 6b对应的是倾角，倾角的大小和倾斜的方向与叠加剖面呈现的地震同相轴的状态相一致.图 6c的RNIP即NIP曲率半径有随着深度增加而增加的趋势，与常规的动校叠加速度有一定的关联性.图 6d展示的CN是N波曲率, 即RN的倒数.这个参数的变化对共反射面元走时影响小，所以成随机变化形式，但是其剖面形态和叠加剖面有一些关联.
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图 6 宽线地震共反射面元叠加处理流程 (a)自动扫描得到的叠加速度；(b)共反射面元扫描优化得到的倾角；(c)NIP波曲率半径；(d)N波曲率. Figure 6 Processing flowchart of CRS stacking for swath-line seismic data (a) Seismic velocity obtained by automatic scanning; (b) The dipping angles obtained by scanning and optimization; (c) The radius of the NIP wave; (d) The curvature of the N wave. |
图 7是下扬子地区宽线地震共反射面元(CRS)叠加剖面.与传统的共中心点(CMP)叠加剖面对比，共反射面元叠加后其信噪比得以大大提升，反射同相轴增强并且连续性变好.这种改善反映在整个地震剖面上，从浅层到中层乃至深层.
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图 7 下扬子地区宽线地震共反射面元叠加剖面 Figure 7 Seismic profile obtained by CRS stacking of swath-line seismic data in the lower Yangtze region |
图 8是共反射面元叠加剖面的局部放大，从局部放大的效果看，信号的细节，如波形相位，都得到了改善，局部细节成像清楚，断层位置明显，由此可以看出共反射面元叠加技术确实提高的剖面的成像质量和信噪比，值得推广应用.
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图 8 宽线地震共反射面元叠加剖面局部放大展示 (a)浅部局部放大展示；(b)中深部局部放大展示. Figure 8 Zoom-in display of the CRS stack of the swath-line seismic data (a) Zoom-in of the shallow part; (b) Zoom-in of the middle and deep parts. |
下扬子地区的地质勘探目标是寻找地下有利区带圈闭构造和确定地层分布.但是，下扬子地区地表地震条件导致了地震数据的静校正和低信噪比两大问题的存在，给反射地震叠加成像和地质构造解释提出了巨大挑战.针对这些问题，我们进行了二维宽线地震采集，研究了宽线地震的共反射面元叠加技术，考虑了倾角、曲面等信息构建反射面元，实施有效叠加，提高了地震资料信噪比，得到更清晰的成像叠加剖面.
4.2对宽线地震资料处理和测试之后，我们对常规共中心点叠加结果和共反射面元叠加剖面进行了对比，总体上，共反射面元叠加剖面的资料信噪比得以提高，有效反射界面的连续性得以增强，深层成像更加清楚，细节更加清晰，为后续的地震构造解释和层位划分奠定了基础.这些实践证明，宽线地震共反射面元叠加技术应当在低信噪比地区推广应用.
致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！| [] | Barros T, Ferrari R, Krummenauer R, et al. 2015. Differential evolution-based optimization procedure for automatic estimation of the common-reflection surface traveltimeparameters[J]. Geophysics, 80(6): WD189–WD200. DOI:10.1190/geo2015-0032.1 |
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