面波是地震勘探中广泛存在的一种规则干扰波，具有低频、低速、衰减较慢的特点(包乾宗等，2007；聂鹏飞等，2012).面波的存在，影响资料的信噪比、分辨率，如果叠前不对其进行有效地压制，最终必然会影响到整个资料处理的质量(李卫忠等，1998；徐鑫等，2008；李文杰等，2008；张军华等，2008).王维红等(2015)提出了一种有效的相对保幅的面波压制方法；胡昊等(2014)实现了基于GPU的时间S变换，并对炮集记录使用时间S变换来压制面波；陈文超等(2009)根据面波与反射波主要能量在小波域分布区域的不同提出了一种具有时变、空变特性的自适应面波衰减方法；包乾宗等(2007)利用地震记录的视速度、时间和尺度域特性差别，实现有效信号与面波的分离；刘财等(2003)针对深层地震数据的特点，利用二维小波变换技术易于分离信号和噪声的特点消除面波；聂鹏飞等(2012)提出了一种利用方向导数迹变换来压制面波的方法；LeMeur等(2010)以及Halliday(2011)研究了一种能够自动识别面波区域和主频的自适应面波衰减方法；Wang和Li(2013)提出了一种基于shearlet变换和时间变换的联合面波压制方法；Ishiyama等(2014)提出了利用频散等特点对面波进行估算和压制的方法.但是目前在地震资料的实际处理中，经常采用的仍是各种滤波方法(如区域滤波)对面波进行压制，并取得了明显的应用效果.但这同时也对与面波处于同一频带的有效信号成分造成了损害，尤其是对低频有效信息损害较重.而随着油气勘探工作的不断深化，地震资料处理中对地震低频信息重要性的认识越来越深入.低频信息在高陡构造成像及叠前反演等方面具有重要意义(刘建红等，2007；吕小伟和钮学民，2012)，在数据处理过程中如何最大限度的保护好低频信息显得越来越重要.因此，寻找一种行之有效的面波压制技术是很重要的.

本文提出的基于频率约束的能量置换面波压制技术，不仅保证了面波的压制效果，而且几乎不损失面波区域内的低频有效信号.实际资料的处理效果表明，该方法是一种比较理想的叠前面波压制技术.

区域滤波是目前最常用的面波压制技术，该方法利用面波频率低的特性，对面波区域进行低截频滤波，以达到压制面波的目的.该方法虽然避免了低截频滤波对面波区域外信号的影响，但对区域内的有效低频信号也进行了滤波处理，区域内的低频信息损失较大且有边界效应，如图 1所示.可以看出，区域滤波对面波进行了很好地压制，但这是以牺牲面波区域内有效信号的低频能量为代价的，从区域滤波后的频谱上可以看出：9 Hz以下低频信息基本没被保留下来.

图 1

Figure 1

图 1 区域滤波压制面波效果及压制后的频谱 (a)原始单炮；(b)区域滤波后单炮；(c)区域滤波后的频谱. Figure 1 The shot and its frequency spectrum after the region filtering (a)Initial shot; (b)Shot after region filtering; (c)Frequency spectrum after region filtering.

由于面波的频率特征，很多面波衰减方法在处理过程中极容易误伤低频信息，而本文提出的基于频率约束的能量置换面波压制技术，其基本思想就是依据面波与有效信号在频率及能量两方面的差异，在面波频宽内对面波进行有效压制，不仅保证了面波的压制效果，而且几乎不损失面波区域内的低频有效信号.

首先利用面波的低频特性，通过频率扫描和分析，确定面波的频带范围；然后，将面波频宽范围内信号与面波频宽范围外信号从原始资料中分离出来；其次根据面波与有效信号在能量方面的差异，分别对分离出来的面波频宽范围内数据及面波频宽范围外数据沿时间轴逐道做多时窗均方根振幅增益分析，求取各时窗内增益算子，增益算子A是用户指定的预期振幅与该时窗均方根振幅之比(公式1)；在含有面波的某个时窗内，面波能量往往是有效信号能量的几倍甚至几十倍，对面波来说其增益算子相对较小，有效波的增益算子相对较大，通过增益算子置换方式，采用较大的增益算子对面波频宽内信号做反增益计算，面波强能量就会压制到与有效信号具有相同能量级的强度；最后通过数学计算就可得到面波压制后的地震数据.本方法的实质：就是在面波频带范围内，对面波能量进行有效压制，而不像区域滤波对面波进行滤除.这样，在有效压制面波的同时，有效信号的低频成分几乎不会有任何损失.

第i个时窗内增益算子A_i定义公式为

(1)

其中B是用户指定要输出的均方根振幅值，N是时窗i内样点数，X_j是时窗i内第j个样点值.

基于频率约束的能量置换面波压制技术，其实现过程如图 2所示：

图 2

Figure 2

图 2 基于频率约束的能量置换面波压制技术实现过程 Figure 2 The flowchart of energy replacement surface wave suppression technique based on frequency constraint

(1) 频谱扫描：对含有典型面波的单炮数据作频谱分析，以确定面波的频带范围；

(2) 数据分离：通过滤波将原始单炮进行面波频宽范围内、外单炮数据分离；

(3) 增益分析：根据面波与有效信号在能量方面的差异，分别对面波频宽范围内、外数据沿时间轴逐道做多时窗均方根振幅增益分析，计算出各时窗内每个地震道的增益算子；

(4) 增益算子置换：对比各增益因子，将面波频宽范围外有效波中每一个时窗内相对较大的增益算子，与面波频宽范围内数据进行增益算子置换；利用置换后各时窗内较大的增益算子，对面波频宽范围内单炮信号做反增益计算，面波强能量就会受到极大压制，而面波频宽范围外有效信号振幅保持不变，实现压制面波；

(5) 数据合成：将先前分离出的面波频宽范围外有效信号与面波频宽范围内经过能量置换后的信号相加，得到面波压制后的单炮地震数据.

图 3、图 4是采用基于频率约束的能量置换面波压制技术压制面波的效果，图 5是与区域滤波去面波后频谱分析的对比，可以发现，基于频率约束的能量置换面波压制技术不仅保证了面波压制效果，且信号的低频成分基本上不受影响.而区域滤波去除面波技术则明显损失了资料的低频信息.

图 3

Figure 3

图 3 基于频率约束的能量置换面波压制技术压制面波单炮效果 (a)原始单炮；(b)面波压制后单炮；(c)压制的面波. Figure 3 The shot results of surface wave suppression proposed in this paper (a)Initial shot; (b)Shot after surface wave suppressing; (c)The surface wave removed.

图 4

Figure 4

图 4 基于频率约束的能量置换面波压制技术应用前后剖面效果 (a)面波压制前剖面；(b)面波压制后剖面. Figure 4 The stack results of surface wave suppression proposed in this paper Stack result (a)before and (b)after surface wave suppression.

图 5

Figure 5

图 5 基于频率约束能量置换压制面波(a)与区域滤波(b)压制面波频谱对比 (a)基于频率约束能量置换面波压制后的频谱；(b)区域滤波去除面波后的频谱. Figure 5 The frequency spectrum comparison between surface wave suppression proposed in this paper(a) and the region filtering(b) (a)Frequency spectrum after the method in this paper; (b)Frequency spectrum after region filtering.

如图 6所示：对含有高陡构造的资料，当低频信息比较丰富时，陡断面的成像非常清晰，而随着低频信息的逐步减少，陡断面的成像开始变得模糊不清，当低截频高于8 Hz时，断面已经基本不能得到很好的成像.由此可见，低频信息的丰富与否，对资料的成像，尤其是对高陡构造的成像，影响非常严重.因此，在消除低频面波影响的同时，如何更大程度地保护好有效信号的低频成分，在不断追求高精度勘探的今天，就显得越来越重要.而本文提出的基于频率约束的能量置换面波压制技术在很好压制面波的同时，对资料的低频信息基本上不产生任何损失，其技术优势相比其他方法，就显得更为突出.

图 6

Figure 6

图 6 高陡构造分频成像效果对比 (a)2~80 Hz；(b)4~80 Hz；(c)6~80 Hz；(d)8~80 Hz. Figure 6 Comparison of imaging results in high-steep structure

在压制面波的同时，如何避免对有效信号的损害尤其是对低频信号的损害，一直是地震资料处理的重要内容.基于此认识，本文提出的基于频率约束的能量置换面波压制技术，在压制面波的同时，最大限度地保留了地震信号的低频成分，保持了有效信号的频宽.通过实际资料处理效果综合对比表明，基于频率约束的能量置换面波压制技术，是一种较为有效的叠前面波压制方法，避免了常规面波处理技术的局限性，最大程度压制了面波干扰，并保留了低频有效信息，在实际应用中也取得了理想效果.