灰巖裸露區地震資料信噪比低的原因分析

杜宏鈞,周 艷

(江漢油田分公司物探研究院,湖北武漢430035)

南方山地灰巖裸露區經歷了從古生代到新生代多期構造運動,中古生代老地層直接裸露于地表,受強烈的構造抬升、擠壓作用,地下構造斷裂及斷層眾多,深淺層巖石破碎嚴重,巖性變化差異較大,地層產狀變化多端。受風化、淋漓、剝蝕作用,溶洞、裂縫、喀斯特地貌十分發育,使得地表巖石彈性變差。起伏劇烈、嚴重非均質的地表特征造成地震波激發接收條件很差,近地表地層大量吸收地震激發的能量,不僅會造成地震波傳播路徑和地震波波場的復雜性,同時也會產生各種類型的強能量干擾波,進而導致原始單炮記錄信噪比的降低和橫向上的明顯差異,因而必須了解灰巖區影響資料信噪比的重要因素。為此,筆者對灰巖裸露區地震資料信噪比低的原因進行了探討。

圖1 實際記錄(左)和正演模擬記錄(右)

1 灰巖區噪音特征

對灰巖裸露區出露巖性、地表起伏、高陡構造、溶洞等各種近地表模型進行全波場正演模擬分析,噪聲的表現特征與實際單炮一致 (見圖1),主要強能量噪聲類型有多組面波、折射波、散射波及其多次。

近地表巖性和速度變化大,低降速層速度與高速界面產生多組的面波和折射,且有頻散現象。在自由地表條件下,來自起伏地表的散射波異常發育,地形變化尖滅點的諧振能量強。在無低降速層時,不產生面波。地表地層產狀劇烈變化時,各個方向的線性干擾交織在一起,噪音的線性特征不是很明顯。

在灰巖裸露區,三疊系灰巖出露分布最廣泛,巖性組合也最復雜?；規r區單炮既有共同點,也存在很大的差異。在低降速帶薄時,原始資料可見明顯反射,高頻信號衰減較慢。視主頻30Hz,頻帶寬度在10～100Hz。主要干擾波有:①淺層折射及其多次 (V=4600m/s);②2組面波帶干擾,頻率和有效波接近 (V1=2200m/s,V2=2900m/s)。另外還存在側向面波 (V=2410m/s),視主頻10Hz(見圖2(a))。風化程度高時,低降速帶加厚,地震資料頻率低,傳播速度較低的多組面波淹沒了本來很弱的有效反射波,地震資料信噪比極低 (圖2(b))。

二疊系出露區多為喀斯特地貌,地層傾角大,地表風化程度差異大。其地震資料頻率低,干擾波能量強,有效反射極其微弱。石炭系出露多為巨厚灰巖,電阻率極高,含水性極差,原始資料有效反射微弱,視頻率高,信噪比極低,主要為高頻隨機噪音。

通過對理論模型和實際資料進行分析,發現灰巖區原始地震資料有以下特點:①灰巖的傳播速度大,下傳的能量弱,接收到的能量主要是干擾波,信噪比遠小于1。②不同速度層之間產生面波,這是線性干擾的主要原因。速度差別越大,面波越強,同時也產生強折射波。③干擾波通過激發和接收條件產生。接收條件的差異大,導致噪音差別大。④噪音主要在通過近地表淺層時產生。

圖2 三疊系灰巖單炮

2 激發接收條件對原始地震資料的影響

高速層中激發信號能量最強,噪聲能量最弱,所以野外激發時都選擇在深井高速層中激發,激發條件相對穩定,激發條件的變化包括激發巖性物性特征和復雜的巖性變化。炸藥爆炸過程中,沖擊載荷對介質的影響從內向外大體可分為破壞圈、塑性帶和彈性變形區,化學能依次轉化為圍巖的破壞、介質吸收和彈性波傳播[1]。在實際勘探過程中,能量消耗在對圍巖的破壞上,有效反射的飽和藥量小于總單炮能量分析得到的飽和藥量。密度越大,傳播速度越高;孔隙度越小,含水性越差,電阻率越高,對能量的屏蔽作用越強。灰巖與下伏地層之間的阻抗小,反射系數小,接收的能量越弱,噪音越強,信噪比越低。

從接收條件上看,不同的地層屬性、地表巖性、地層產狀、物性特征和風化程度組合非常復雜,產生不同速度、頻率、強度的面波和折射波及其多次,另外還有槽波、散射、側面波、鳴震和高低頻隨機噪音,形成復雜的干擾波。在巨厚灰巖出露時,電法剖面上顯示電阻率極高;在典型的喀斯特地貌,電法剖面上顯示電阻率很低。激發產生的能量大部分在淺層傳播和轉化,當遇到巖溶特征地貌時,產生低頻鳴震或諧振波,從時間和空間方向上繼續向外傳播,單炮上表現為面波多次和側向散射。地表產狀高陡時,形成的干擾波物理特性發生改變,形成大量頻散,使噪音識別困難。而地下反射改變傳播方向,導致從地面接收不到真正來自地下的反射。地表巖性組合橫向變化大,不同灰巖、泥灰巖、頁巖、砂泥巖傳播速度縱橫向變化大,甚至出現傳播速度倒轉,噪音表現為面波及其多次、逆向散射、槽波等[2]。

在灰巖裸露區,三疊系灰巖激發條件是最好的 (見圖3),但原始地震資料的品質和接收條件有直接的關系。在大號段,三疊系地層比較平緩,接收的資料可見明顯反射,頻率較高;在小偏移附近,地層陡峭、傾角大時,有效反射弱,噪音強;在小號段,二疊系灰巖地區盡管地層平緩,但接收的能量弱,原始單炮信噪比最低。

圖3 三疊系激發 (不同巖性接收)

不同接收條件疊加剖面對比表明在泥盆系地層出露接收時,中深層有較強的反射 (見圖4)。在石炭系接收時,即使在泥盆系激發,地震資料的信噪比依然很低。根據地面地質調查,發現該段出露地層為石炭系巨厚灰巖,其電阻率極高,含水性和接收條件差,由此決定了地震資料信噪比低。

圖4 不同接收條件疊加剖面對比

3 去噪關鍵技術

灰巖裸露區疊前去噪的關鍵是根據信號與噪聲在能量、頻率和速度等方面的特征差異,做好強能量線性干擾波的壓制。能量較強的有以下3組:灰巖和砂泥巖之間 (2600～2900m/s);高速層與降速層之間 (2000～2200m/s);高速層與低速層之間 (800～1500m/s)。利用均值加權法拾取相干噪音,在相干干擾區不同頻段和時窗下完成信噪分離,從而達到既去噪又保真的目的。去噪后的單炮,有效反射得以凸顯,2組強能量面波基本得到壓制,保真度高 (見圖5)。

圖5 均值加權消除相干干擾

4 結 語

通過對不同近地表模型的全波場正演模擬分析,結合地表地質條件對實際記錄噪音進行對比分析及對灰巖區資料進行處理,表明灰巖區具有地表和地下地質條件的雙重復雜性,而地面地質條件導致接收條件差是原始地震資料信噪比低、干擾波發育的最主要原因。因此,在野外地震勘探中應盡可能改善接收條件和優化接收因素。

[1]陸基孟.地震勘探原理 [M].東營:石油大學出版社,1996.

[2]周錦明.地震數據精細處理 [M].北京:石油工業出版社,2003.