浅层地震探测技术应用中的分辨率问题

浅层地震探测技术应用中的分辨率问题

来源：矿产与地质谢忠球时间：2005-11-1

摘要浅层地震探测技术中影响分辨率的因素,除与反射波主频和频带宽度有关外,还主要受信噪比、子波形态、采样率、岩性界面反射系数的影响。浅层地震探测中,通过高分辨率数据处理,能有效地提高资料的信噪比和分辨率。

关键词浅层地震勘探,分辨率,高分辨率处理

RESOLUTION PROBLEMS ABOUT THE APPLICATION OF SHALLOW

SEISMIC PROSPECTING TECHNIQUE

Xie Zhongqiu

(I nstitute of K arst G eology,C AGS,G uilin 541004)

Abstract The factors which influence the resolution of shallow seismic prospecting are affected mainly by SNR (signal-to-noise ratio),Wavelet shape,sampling rate and reflection coefficient of lithological interface in addition to main frequency and frequency band-width of reflecting wave.The SNR and resolution of seismic data can be effectively improved through high resolution processing of seismic data in shallow seismic prospecting.

Key words Shallow seismic prospecting,Resolution,High resolution processing

目前浅层工程物探技术,在解决各种灾害地质、环境地质问题,例如矿井突水、塌陷、滑坡等的预测、治理中的作用,已经逐渐为人们所认识。本文系统、全面地从分辨率的影响因素、高分辨率采集和处理技术等几个方面,探讨了浅层地震勘探中分辨率问题。

1 分辨率及其影响因素

相对于煤田、石油地震勘探，水文、工程、环境等地质问题涉及的对象具有浅而小的特点，浅层地震勘探对分辨率有更高的要求。分辨率通常包括两个方面［1］,一是垂向分辨率,二是水平分辨率。本文着重讨论前者,对后者仅作一般性讨论。

定义垂向分辨率一般采用两种方法,一种是采用薄层顶底反射波的时差来定义分辨率,有人称之为严格的分辨率定义。另外一种是用零相位子波来讨论垂向分辨率。它包括Rayleigh准则、Widess准则、Ricker准则等。根据Rayleigh光学分辨率准则可知,在视觉上能够分辨出薄层上下界面反射波的最小层厚是λb/4,λb为主波长。

一般地,反射波测量可以观测到的反射波最小宽度是用菲涅耳带的大小来决定的。菲涅耳带的半径与界面埋深H界面以上地层速度V及地震子波波长λ有关。菲涅耳带半径R f的近似

值:R f=HV/2f,式中f为子波主频。通常以菲涅耳带的直径(2R f)作为水平分辨率。

从上述讨论中,可以看出分辨率与频率的关系,提高反射波主频可以提高分辨率。事实上,要提高地震记录的分辨率,除了提高反射波主频外,必须提高频带宽度,而地震记录的信噪比、子波形态、采样率、岩性界面反射系数等因素的影响也是不可忽视的。

1.1 影响分辨率的主要因素

影响地震记录分辨率的主要因素有:反射波主频和带宽、信噪比、子波形态、采样率、岩性界面反射系数等。

图1表示两种不同频率响应及其对应的脉冲响应关系。从图中的脉冲响应形态,可以看出分辨率与地震子波频带宽度的关系。其实,单频波的分辨率为零,无论单频波频率有多高,这个事实足可以说明分辨率与带宽的关系。所以,要提高分辨率,必须在提高反射波主频的同时,提高频带宽度。

我们知道,在各种子波中,零相位子波具有较强的分辨率。零相位子波的分辨率受三个方面因素控制,即子波主瓣宽度,旁瓣与主瓣比值,尾部振荡的振幅。主瓣宽度越窄,旁瓣与主瓣比值越小,尾部振荡的振幅衰减越快,该子波的分辨能力就越高。

图1 两种不同频率响应和对应的脉冲响应

Fig 1 Two differeat frequency responses and their corresponding pulse

responses

要保证不失真地记录高频反射信号,必须采用高采样率,这样还可以提高叠加精

度。但如果频带很窄,高截频也较低,那么高采样率则是一种浪费。对于空间采样

率,Δx应小于第一菲涅耳带的半径,同时必须满足Δx≤1/2R H，此处R H为最大波数。

岩性界面反射系数的大小决定了反射波的强弱,也就影响了分辨率。而在信噪比

很低的情况下,即使反射波主频再高,频带再宽,也无法分辨地下地质构造。

1.2 仪器因素的影响

在前面的讨论中,已经论述了分辨率与频率及频带的关系。要提高地震资料的分

辨率,必须获取“宽高频”的地震信号,即频带要宽,频带的高截止频要高。要提高分

辨率必须实行“双向扩展频率”［3］。它包含两方面的含义,一是要保留常规地震信号

的低频成分,二是要使反射波的主频及频带向高频方向扩展,即所谓高频信息的可记

录性问题,它与采集系统的动态范围,前置滤波器及检波器因素有关。选取提高分辨率

的最佳仪器因素,是高分辨率地震勘探技术研究的重要内容之一。从现在国内众多仪

器来看,绝大多数仪器具备了解决高分辨率地震勘探中高频信息可记录性的基本条

件。

2 关于提高横波勘探分辨率的讨论

提高地震勘探的分辨率,研究纵波勘探的较多,而采用横波勘探是否可以提高分辨率,目前尚有不同看法。

根据弹性介质理论,纵波和横波的速度比Vp/Vs≈1.5～10,由于横波波速小于纵波波速,因而,对于同一频率的纵、横波来说,横波波长小,其分辨率要高。实际资料表明,在同样的条件下,横波的频率往往比纵波低,高频衰减快 ,低频起了主要作用,频散现象明显,从而导致波形变宽和多相位,降低了分辨率。虽然横波速度低,对于提高分辨率是有利的,但很明显,有利与不利影响不能抵消［4］。如果无法对横波勘探资料作某些特殊处理,可能横波勘探的垂向分辨率比纵波还要低。因此认为横波勘探一定能够提高地震勘探分辨率的提法是不够全面的。

3 高分辨率采集中的技术问题

在实际工作中,可以经常见到这样一种现象,对于同一场地,在同样的仪器设备因素条件下,不同技术人员作业,最后得到的资料和解释成果有较大差别,甚至完全不同。主要原因是由于在复杂条件下,人们对于各种信息的认识不同,从而设计的采集系统参数不同,因而采集到的信息也不同。浅层地震探测目标小而浅,具有不同于煤田、石油地震勘探的特点。因此,其高分辨率采集系统及有关参数的设计也具有不同的特点。浅层地震探测对高分辨率采集技术,提出了更高的要求。

目前,“最佳时窗”技术和“最佳偏移距”技术比较常用。对于这两种技术,许多人认为很简单,其实并不然,选择不好,可能完全得不到应有的效果。最佳时窗技术,关键在于接收排列的两个端点,近炮点一端受地滚波的限制,远炮点一端受反射波振幅及相位控制,选择不合适,则可能受地滚波干扰严重,也可能使反射波相位发生畸变。对于最佳偏移距技术,时窗的确定至关重要,根本的一点就在于目的层(体)反射信号的识别。此外,工作中的信噪调查也是非常重要的一环。

在石油地震探测技术上,国内高分辨率技术攻关研究,开始就将着眼点主要放在野外数据采集的技术上。怎样获取丰富的有效信息是高分辨率地震探测技术的关键因素之一。人们提出了“三小三高二绝招”等工作方法,即小道距、小组距、小药量,高采样,高频检波器,较高覆盖次数,两绝招是深埋检波器和可控震源非线性扫描。反射波主频提高了近一倍,从而分辨薄层的能力提高了一倍［3］。浅层地震探测具有特殊性,经过长期实践和探索,我们将石油地震勘探中技术加以消化,形成了一套比较完善的技术方法。

组合检波是常用的一种压制规则干扰的一种方法。组合检波时,组合方式和组合基距的选择要试验确定,这是我们大家都熟悉的。一般的组合方式采用线性组合。实践发现,小面积组合检波是压制环境与高频背景的有效方法。由于组合检波对于分辨细小目标不利,所以,要据具体情况选用。一般情况下,采用的最大炮检距应约等于目的物深度。偏移距的选择标准是尽可能小,但是,太小对于应用多次水平叠加压制多次波不利。使用高频检波器,可以较好地压制低频干扰,拓展记录宽高频,从而提高分辨率。有人认为,采集中的覆盖次数越高越好,其实不然。因为水平叠加对非水平层是CMP 动校后的叠加,多次叠加是一段界面平均的结果。在地层倾角较大或界面起伏较大时,如果选择不合适,效果可能会适得其反,降低分辨率。有关理论研究和实际资料表明,使用较高的低截止滤波,不仅可以有效地压制面波干扰,还可以补偿地层对地震信号的选频衰减。较高的低截频滤波是提升高频简便而有效的办法。增益大小的选择,除

了依据反射波强弱外,还必须考虑仪器动态范围的影响,宜采用较低值。

综上所述,在高分辨率浅层地震探测技术中,有关技术参数选择的传统认识必须

改变,选择时必须依具体条件试验确定。

4 高分辨率数据处理技术及其应用效果

在高分辨地震勘探中,数据处理是提高分辨率和信噪比、最大限度地利用原始资

料的关键一环。近年来,人们对于地震资料的高分辨、高信噪比、高保真度处理技术

作了一些有益的探索和研究,取得了较好的效果。在实际工作中,我们建立了比较完善的高分辨率处理系统。除了常规处理外,视具体条件,还要有针对性的作一些特殊处理。作者的实践经验认为,下面的处理技术,往往可以取得很好的效果。

(1)精细的动静校正。

(2)多次反褶积加带通滤波。

(3)小波变换处理。

对于静校正,人们往往只注意地表起伏的影响,而忽略了地表表层速度横向变化,

这时,尽管没有地形起伏的静校正,但表层静校正量的横向变化依然存在,如果不校

正,则会引起假异常,从而导致解释失误。

在实践中,我们发现反褶积技术的应用,在一定程度上提高了资料的分辨率,但又

降低了信噪比。作者经过实践发现,在反褶积的同时,应用有关滤波技术,则可以取得

的好效果。通常情况下,反褶积处理的同时,加τ-P变换,小波变换等去噪技术,可以

保证信噪比和分辨率都有较大提高［5,6］。

由于道间均衡,混波等修饰性处理,往往改变了波的动力学特征,这对于高分辨率

地震探测是不利的。作者认为,在地表一致性条件好的情况下,不必作修饰性处理,特

殊情况下也要慎用。

图2是广西玉林某厂岩溶塌陷调查EZ7线的原始记录剖面和经高分辨率处理后的剖面。

图2 广西玉林某厂岩溶塌陷EZ7线浅层地震勘探剖面

Fig 2 Shallow seismic prospecting section along line EZ7 in a karst collape

in one factory of Yulin,Guangxi

(a)EZ7线等偏移原始记录剖面(b)EZ7线等偏移高分辨率处理后剖面

从图(a)我们可以看出,原始记录剖面地震资料低频成分丰富,分辨率较低。图(b)为经高分辨率处理后的剖面。除常规处理外,我们进行了高精度静校正,并注意到了地

表不均匀性影响,进行了二次反褶积和带通滤波。在反褶积过程中,在尽可能不降低信噪比的同时,选用小时窗、小滤波长度。可见,经过一系列处理后,图(b)与图(a)相比,剖面的信噪比和分辨都明显提高,异常特征十分明显。

5 结论

通过以上分析和实际资料处理,可以得到以下几点认识。

(1)分辨率除和反射波主频及频带有关外,还主要受信噪比、子波形态、采样率、岩性界面反射系数影响。要提高分辨率,必须从采集到处理,在保证有较高信噪比的条件下,“双向拓宽”信号频率,使地震信号接近于尖脉冲。

(2)高性能的数据采集系统是高分辨率地震勘探的基础,而合理的采集技术则是获取“宽高频”地震信号的保证。

(3)高分辨率数据处理技术,在一定程度上展开了反射波的主频带,可以使资料的信噪比和分辨率同时得到提高。