地震勘探资料数字处理

地震勘探资料数字处理

研究生2004级三班孙银行

近20多年来地震学的发展十分迅速，它从传统的模拟观测发展到高增益，大动态范围的数字化记录。另一方面，计算机科学技术的发展使地震学发生了日新月异的变化，逐渐形成了一些不依赖计算技术的，相对独立的概念和方法，这些方法大部分是经典地震学中所没有的，有些方法虽然在经典地震学中已涉及，但只有在数字地震学发展起来以后才得以从理论变为现实。数字信号处理是从20世纪60年以来，随着信息科学和计算机科学高速发展而出现的一门新兴的学科，它把信号用数字或符号表示的序列，通过计算机或专用的信号处理设备，用数字的数学计算方法处理，以达到提取有用信息，便于应用的目的。地震信号带来了地下介质的信息，使用现代信号处理方法分析地震信号，将有助于提取地球内部介质的信息。

地震信号处理在数字地震的发展中占有相当重要的地位，下面就介绍地震数字处理的基本内容。

地震勘探资料数字处理的任务就是改造野外地震资料并从中提取有关地质信息，为地震勘探的地质解释提供可靠资料。地震勘探资料数字处理工作是在配备有数字电子计算机、地震勘探资料处理软件系统和有关用仪器设备的计算站中完成的。地震勘探资料处理软件系统是由许多模块组成，每个模块都是用于一个具体的处理任务。人们灵活的调用各个模块以组成各种地震勘探资料数字处理的流程。任何一种流程总是由预处理、若干个实质性处理模块和显示三部分组成。

下面是常规的地震勘探资料数字处理流程：

1.预处理

地震勘探资料数字处理需要经过预处理、处理、显示三个阶段。预处理的目的是把野外磁带上的数据变得更适应于进行后面的逐项处理。预处理的结果往往重新记录在另外的磁带上。对数字磁带记录所进行的预处理包括：解编、真振幅恢复、不正常炮和不正常道的处理、切除、抽道集、提高地震记录信噪比、分辨率的处理和一些修饰处理。

由于地震记录输入、输出计算机时的数据排列方式与处理时要求的排列方式不同。所以在预处理中需要通过解编把数据重新排列。其实解编就是矩阵的转置。

增益恢复与振幅恢复总称真振幅恢复。它的目的是去掉外界因素对地面测点上记录的地震波振幅的影响，使处理后的地震波振幅能反映所考查的界面反射系数的大小。

不正常炮指废炮，缺炮。为了免除不正常炮记录对处理的影响，避免记录对应关系得混乱，在输入时

把它们作为哑炮处理。目前，要求在记录输入在记录输入计算机之前给出不正常炮的炮号。通过这项处理，把它们在计算机中对应得内存单元充零。不正常道指不正常工作道以及极性接反的道。目前一般要求在处理前给出这些道对应得炮号，道号。通过这项处理把不能正常工作的道所对应得数据充零，把极性接反的道所对应得数据符号颠倒过来。

地震记录的初至部分和尾部往往存在一些对于处理和解释有害的波。应该把它们“切除”，即把相应的数据充零。抽道集是把地震记录按某种原则经行排列，以便于进行某些处理。

2.动静校正

野外地震记录上的反射波波至时间不仅取决于反射面的构造，而且与观测时的炮检距以及地表因素有关。动校正就是消除炮检距对于反射波波至时间的影响，获得能大致反映地下反射界面形态的时间剖面的一种处理方法。它是多次叠加和地震勘探地质解释的基础。在地表条件比较复杂的地区，为了获得高质量的时间剖面必须经行静校正处理，静校正可以消除地表因素引起的时间剖面的畸变。动静校正是地震勘探资料数字处理的基本内容。

由于低、降速带厚度往往测不准，并有地震波在表层传播时，射线路径是垂直的假设等因素，使得野外一次静校正后不能完全消除表层因素的影响，仍残存着剩余的静校正量。提取表层影响的剩余静校正量并加以校正的过程，称为剩余静校正。

剩余静校正量不能由野外实测资料求得，只能用统计方法由地震记录中提取，故也称为自动统计精校正。

3.速度谱、频谱和相关分析

速度谱和频谱处理的目的是从地震记录中提取地震波的速度和频谱信息。这些信息不仅为其它处理提供了参数，而且能直接用于资料解释。速度是地震勘探的重要资料。动校正、偏移、时深转换等处理都以它为参数，它还可以直接用来进行地质构造以及地层岩性的解释。以往求取速度的手段只有地震测井、声波测井、有观测到的时距曲线计算速度及作速度段。由于共中心点多次叠加方法的问世及计算机在地震勘探上的应用，出现了速度谱。用它可以方便的进行速度分析，获得丰富、准确地叠加速度资料。

地震勘探所得到的记录中包含有效波和干扰波，这些波之间在频谱特征上存在很大差别。为了解有效波和干扰波的频谱分布范围，需要对随时间变化的地震记录讯号进行傅里叶变换，得到随频率而变化的振幅和相位的函数，（地震记录的频谱—振幅谱和相位谱）。对地震波形函数进行傅里叶变换求取频谱的过程叫频谱分析。

参数提取与分析的目的是为寻找在地震数据处理中用的最佳处理参数、及地震信息，如频谱分析、速度分析、相关分析等。这类数字处理还可为校正与偏移及各种滤波等处理提供速度和频率信息，并可以自成系统处理出相应的成果图件，如频谱、速度谱，通过相关分析进行相关滤波等。

一个地震道所接收到的振动图形f(t)包含有效波s(t)和干扰波n(t)两部分，即f(t)=s(t)+n(t)要对信号进行频谱分析，只要对其进行傅里叶变换求其频谱F(ω)。对于地震讯号，可看作是非周期函数的连续谱。具体计算时，需对地震讯号f(t))按?t采样间隔离散采样，得到时间序列f((n?t)，共有M个离散值。

为更好了解有效信号和干扰噪声的频谱范围，可分别选取信号和随机噪声时窗进行频谱分析。为分析浅层和中深层信号的频谱，可从浅至深不同时间处选取时窗进行频谱分析。

有效波与面波、微震等干扰波在频谱上存在很大差异，利用频率滤波可以压制这些干扰波。但有些波与有效波的频谱重叠较宽，如多次波、声波等，采用频率滤波不能有效地压制这些波。

地震波的相关性是指它们之间的相似程度及其内部联系的紧密程度。地震勘探中相关运算可作为线性滤波的手段，另外相关更多的是用于地震信息的提取，例如自动剩余静校正中用互相关求取道间时差。所以要进行相关分析。

4.叠加与偏移

水平叠加及有它衍生而来的自适应加权水平叠加、保持振幅叠加都是在多次覆盖记录的基础上进行的提高纪录信噪比的处理。当反射界面水平时，共中心点的各道是共反射点的，它们的叠加既提高了记录的信噪比，也不会降低地震勘探的横向分辨率；这时放射面的法向深度与铅垂深度是相等的，时间剖面可以

如实反映反射面的形态。若反射面有比较大的倾角，水平叠加除了能在一定的程度上提高信噪比之外，上述优点就不复存在了。为了相继提出了扫描偏移叠加、叠加偏移和各种波动方程偏移方法。在反射界面倾角比较大的时候，采用这种方法可以得到反映反射界面构造形态的偏移时间剖面，采用其中某些方法还可以实现真正的共反射点叠加，以保证地震勘探有较高的横向分辨率。

有限差分波动方程偏移中，影响偏移效果的主要因素是偏移速度和延拓步长。理论上偏移速度应选取地下地层的真实速度，由于真实速度不可能事先得到，因此实际处理时，常采用不断修改偏移速度的方法。与其它偏移方法相比，有限差分法能适应横向速度变化。延拓步长 的大小直接影响着垂向分辨率、计算误差和计算速度等。高分辨率地震反射波频率高，周期短，一般应采用较短的步长，提高差分网格剖分的精细度，从而提高偏移处理效果。一般情况下，延拓的步长应小于主周期的长度。有限差分法偏移噪声小，在剖面信噪比很低的情况下，也能很好地工作，但受地层倾角的限制。随着地层倾角的增加，偏移不足出现的情况逐渐增多。

偏移剖面的横向分辨率与水平叠加时间剖面的质量以及记录的时间分辨率有关。因为偏移剖面的横向分辨率与垂向分辨率和偏移角度有关。可以证明，横向分辨率，是垂向分辨率的水平分量。理论上从偏移时间剖面上可以分辨地下尺度大于一个CDP间距 (半个道间距)的地质体。但实际上，由于偏移受偏移速度、二维假设、波动方程精度、偏移计算方法、资料信噪比等因素的限制，因而偏移时间剖面很难具有理论上的分辨率。尽管如此，波动方程偏移处理大大提高了记录的横向分辨率，它可以收敛绕射波，使断点更清晰，并可以消除多次分支反射产生的混淆。

除了有限差分波动方程偏移，另外还有频率域波动方程偏移，克希霍夫积分法偏移，绕射扫描叠加偏移等。

5.数字滤波

地震记录上的有效波与干扰波往往在频率、波数或者视速度方面存在差异，数字滤波是利用这些差异来提高纪录信噪比的数字处理方法。

由于大地的滤波作用，在一般的反射地震记录上，每个反射波不是一个尖脉冲，而是延续几十ms的波。地下反射界面有时只相距几十m甚至几m，它们对应的反射波到达时间仅相差几十ms，甚至几ms。在记录上，这些反射界面对应得反射波彼此干涉，难以分辨。大地的滤波作用降低了反射地震记录的分辨率。反滤波是压缩反射波延续度，从而提高地震记录纵向分辨率的数字处理方法。它还可以用来压制多次波。数字滤波与反滤波都是地震勘探资料数字处理的重要内容。他们叠加前、后都可以使用。

常规处理的核心是校正和叠加处理，它们可将野外获得的记录处理成能直接用于地质解释的水平叠加时间剖面。由于野外数据采集过程中不可避免地存在许多干扰，地震有效信息被它们所掩盖，因此必须对资料进行提高信噪比的数字滤波处理。

目前突出有效波、压制干扰波的数字滤波，仍然是根据有效波和干扰波的频谱特性和视速度特征方面的差异，利用频率滤波和二维视速度滤波来区分它们。由于频率滤波只需对单道数据进行运算，故称为一维频率滤波。根据视速度差异设计的频波域滤波需同时处理多道数据，故又称为二维视速度滤波。

一个原始信号通过某一装置后变为一个新信号的过程称为滤波。原始信号称为输人，新信号称为输出，该装置则叫做滤波器。当一个信号输人滤波器后，输人信号中的某些频率成分受到较大的损耗，这种输出和输人信号的相应关系，就是滤波器特性的体现。

数字滤波可以在时间域内进行，也可以在频率域内进行。频率域滤波的表示方法是把地震信号分解成各种不同频率成分的信号，让它们通过滤波器，然后观测各种不同频率的信号在振幅和相位上的变化。这种随频率的变化关系称为滤波器的"频率特性"或"频率响应"。例如振幅随频率的变化关系，称振幅频率特性;相位随频率的变化关系，称相位频率特性。如下图所示。

时间域内滤波特性的表示方法，是把一个单位脉冲通过滤波器，然后观测滤波器对单位脉冲的影响。滤波器的输出称为滤波器的"脉冲响应"，又称 "时间特性"或滤波因子。

脉冲响应是一个振幅随时间变化的函数，它的傅里叶变换就是滤波器的频率响应。对滤波器的描述可用脉冲响应，也可用频率响应，它们都是等价的。

当输人信号为有限，输出信号也为有限时，这种滤波器就是稳定的。

物理滤波器都是物理可实现的，而数字滤波器则未必是物理可实现的。

滤波器的分类：若按滤波器的性质 (或称响应函数)划分，可归纳为

(1)无畸变滤波器

振幅特性为常数、相位特性是线性的滤波器为无畸变滤波器。这种滤波器不改变输入信号的波形。

(2)纯相位滤波器

纯相位滤波器也称相位畸变滤波器，它只改变输人信号的相位谱，振幅谱形状不变。其振幅特性为常数。但相位特性不是线性的。

(3)纯振幅滤波器

纯振幅滤波器又叫振幅畸变滤波器。实际工作中，总是希望滤波时不使信号的相位畸变，满足这一要求的滤波器叫做零相位滤波器，

因此，零相位滤波器必定为物理不可实现的滤波器，或者说数字滤波可实现零相位滤波。电滤波器是物理可实现的，因而不能成为零相位滤波器，电滤波器必定会便信号发生相位畸变。

维滤波，是指信号或谱以及滤波因子都是单变量函数的滤波，它是利用有效波和干扰波在频率上的差异来压制干扰波、突出有效波。在浅层地震勘探中，得到的反射波频率成分较高，干扰波的频率成分较低，一般采用高通或带通滤波器处理，而不采用低通滤波处理。

理想滤波器是指有效波在其频率范围内完全无畸变地通过，干扰完全被压制掉。因此其频率响应为f

H=

H

(f

(

)

)

在有效波频带内为1，在其他情况为0。

这意味着相位等于零，故理想滤波器是零相位滤波器。

实用滤波器

进行数字滤波时，需将脉冲响应函数h(t)按采样间隔?进行离散采样，而采样后的脉冲响应时间序列h(n?)的频率特性除了有与h(t)对应的"正门"外，还产生以1/?为周期的无数个 "伪门"。这就是由所谓离散性造成的伪门现象，见图4.3-5

为了避免吉普斯现象的存在和减小截断误差，通常的方法是对理想频率响应曲线的不连续点处镶上连续变化的函数g(f)，形成镶边滤波器，如图4.3-7所示。图中有四个频率参数，f1和f4分别称为低截频和

高截频，f 2和f 3分别称为低通频率和高通频率。在 [f 2，f 3]范围内，频谱值为1，称为通频带，[f 1，f 2]及[f 3，f 4]称为过渡带。镶边带通滤波器的频谱为(4.3.12)所示。

g 1(f)和g 2(f)为镶边函数。

二维滤波的提出：在地震勘探中，有时有效波和干扰波的频谱成分十分接近，无法用频率滤波来压制干扰，但是如果有效波和干扰波在视速度方面有差异，则可进行视速度滤波。这种滤波不只是对一个地震记录道，而是对若干个空间的地震记录道发生作用，因此是一种空间域的滤波。

地震波动是时间和空间的函数，既可用振动图形来描述，也可用波剖面来描述，二者之间通过

k x =f/v

* 发生内在联系。波数k x 的变化既包含了频率f, 又包含了视速度 v * 的变化。

一个地震波振动图形是由许多不同频率成分的简谐波组成，而任何一个波剖面可以用无数个波数不同的简谐波剖面之和来表示。

对一定类型的波和一种特定的介质，速度v 是常数。因此，频率f 不同的简谐波，其相应的简谐波剖面的波数k 也是不同的。一个地震脉冲波经频率滤波后，组成这个脉冲波的简谐波成分发生了变化，如某些简谐波剖面被滤掉了，因而整个波剖面的形状要发生变化，即进行频率滤波时改变了波剖面的形状。另外，波数滤波也会改变振动图的形状，产生频率畸变，便有效波的有用频谱被压制，从而改变振动图形。 因此，单独的频率滤波和单独的波数滤波都存在不足之处，只有根据二者的内在联系，组成频率-波数域滤波，才能做到在所希望的频率间隔内，视速度为某一范围的有效波得到加强;同时对这个频带内视速度为另一范围的干扰波进行压制。

二维滤波的原理是建立在二维傅里叶变换的基础之上。对于二维的波动函数g(t ，x),可以用二维傅里叶变换，求出其相应的频率波数谱G(ω，k x )，即 x x k t j x x k t j x dk d e k G x t g dtdx e x t g k G x x ωωππ

ωωω?

?∞

∞--∞∞---==)()(),(21),(),(21

),(

和一维的情况相似，有效波和干扰波的频波成分是不同的，这可以在f-k 平面上表示出来，如图4.3-8所示。通过原点的几条直线的斜率就是视速度，I 区是高速干扰区，II 区是有效信号区，

III 是低速干扰区，f 1~ f 2表示有效信号的频率范围。图中有效信号和干扰信号在频率和视速度上可以清楚地区分开来。因此，利用频波域滤波可以压制各种频率、波数的干扰。

6. 反滤波处理

反滤波即反褶积。即用一个反滤波器与信号进行褶积。

由于地层对地震波的高频成分有严重的吸收作用，使得由震源激发的尖脉冲变成有一定延续时间的地震子波。

一个地震记录道 g(t)可以表示成有一定延续时间的地震子波b(t))和反射系数序列R(t)的褶积。由于反射界面形成的反射波复合叠加在一起，降低了地震记录的垂向分辨率。

反滤波的目的是抵消大地滤波作用，使地震子波压缩为震源脉冲的形状，形成理想的地震记录。从而改进垂向分辨率。同时还可以消除短周期鸣震和多次波等干扰。