復雜地區地震資料低信噪比的原因及對策（二）——表層散射波的基本性質及形態特征

吳希光 李志榮 李正佳 殷 軍 楊志超

川慶鉆探工程公司地球物理勘探公司

復雜地區地震資料低信噪比的原因及對策（二）
——表層散射波的基本性質及形態特征

吳希光 李志榮 李正佳 殷 軍 楊志超

川慶鉆探工程公司地球物理勘探公司

為了對散射波有進一步的認識以及為壓制技術提供基礎依據，采用從散射源與對應散射波都比較簡單、直觀的記錄入手，由簡單到復雜、由個別到一般的基本方法，對其基本性質及形態特征進行研究。對三維空間而言，當散射源位于測線或離測線很近時，單個散射波形態是線性或近于線性的，且可分為正向散射、反向散射和雙向散射；當散射源距離測線較遠時，散射波形態是雙曲型的；散射波的頂點位于散射源在測線的投影點；兩翼趨勢線與面波平行或基本平行。散射波主要分布于面波所夾的三角區內；散射波頻率多為幾個赫茲到約30 Hz；速度與面波速度相當。實際記錄的復雜干擾背景主要是眾多單個散射波的疊加結果。在復雜地區，散射干擾是導致記錄低信噪比的根本原因。上述結論是對干擾波（散射波）認識的重大進展，對散射波的壓制有指導意義。

散射波 形態 特征 單向散射 雙向散射 線性散射 雙曲型散射 信噪比

為對散射波有進一步認識，為壓制技術提供基礎依據，必須對散射波的性質及形態特征進行研究。但是，復雜地區的記錄往往具有很復雜的干擾背景，要直接從這類記錄分析散射波的某些性質與形態特征，幾乎是不可能的。因此，還是遵循從簡單到復雜、由個別到一般的的基本認識規律，從散射源與對應散射波都比較簡單、直觀的記錄入手，在解剖分析簡單散射波形態特征的基礎上，再對比較復雜記錄進行推理分析。

大量實例資料表明，炮記錄的散射干擾波主要是由表層散射源產生并沿表層傳播的，所以散射波本質上是一種面波。為了便于討論并避免概念上的混淆，把由震源產生并沿表層直接傳向檢波點（或散射源）的面波稱為源生面波，簡稱面波；把由震源產生的面波傳到散射源，再由散射源產生、傳向檢波點的面波，稱為散射面波，簡稱散射波。

1 散射波與反射波的基本區別

地球的非均勻性尺度差別很大，可達數個數量級。不同尺度的不均勻體對地震波具有不同的效應。對地震勘探而言，地震波入射到不均勻體一般會產生三種響應［1］：散射、繞射、反射。散射是最普遍的，產生條件最為寬泛；繞射次之；反射條件最為嚴格，不均勻性必須是大尺度的。

散射波與反射波的傳播都遵循惠更斯—菲涅爾原理，這是兩者的共同之處。對反射波而言，層狀介質的分界面在一大范圍內緩慢變化，換言之，是大尺度非均勻性引起的走時和振幅變化，點散射波的定向排列干涉疊加結果就是反射波。對于地下某一點來說，入射波與反射波是一一對應的，它遵循斯奈爾定理，入射角等于反射角。所以不管從幾何地震學還是物理地震學來研究反射波都是可行的。而筆者討論的散射波，與反射波的反射界面的起伏緩慢變化和延伸規模相比，引起散射的不均勻體個體很小，形態復雜，入射波與“反射波”不遵循斯奈爾定理，入射角與“反射角”是多對應的，一個方向的入射波對應若干個方向的“反射波”。因此，散射波是一個更為廣義的概念，反射波是惠更斯—菲涅爾原理在入射角等于反射角情況下的一個特例，或者說反射波是散射波的特例［2］。

2 散射波的形態特征及分類

根據測線觀察到的散射波的形態分類，比按散射體大小、散射次數分類，更有利于實際應用。從比較簡單的散射波記錄入手，觀察單個散射波的基本形態特征。認識了單個散射波的基本形態，也就能更好地理解低信噪比記錄復雜干擾的本質與原因了。

2.1 單個散射波的形態特征

單點散射波是散射波的基本形式［1］。為便于討論散射波的形態特征，引入正向散射、反向散射、雙向散射、雙曲型散射等術語（圖1）：

正向散射——散射波與初至波傳播方向一致的散射，稱正向散射。

反向散射——散射波與初至波傳播方向相反的散射，稱反向散射。

雙向散射——散射波同時有正向、反向的散射，稱雙向散射。

雙曲型散射——散射波的形狀呈“雙曲型”的散射，稱雙曲型散射。

圖1 散射波形態類型示意圖

按散射波時距曲線形態分為線性散射和雙曲型散射。正向散射、反向散射和雙向散射都屬線性散射。要指出的是，雙曲型的散射波形態，它不是嚴格的雙曲線，動校正不能拉平，其動校時差比反射波時差要大，而且大得多。

2.2 散射波的頂點、形態與散射源位置的關系

散射波的頂點、形態與散射源位置的關系見圖2。

2.2.1 散射波的頂點位置

當散射源在測線上時，散射源的位置就是散射波的頂點位置；當散射源不在測線上時，其散射波頂點位于散射源在測線的投影點。這里散射源“在測線上”和“不在測線上”是對三維空間而言的。

圖2 散射波形態、頂點位置與散射源位置關系示意圖

2.2.2 散射波的形態與散射源位置的關系

當散射源在檢波線AB時（如散射源1），散射波是線性的，由于散射源的大小、形態不同，散射可以是正向的、反向的或雙向的；當散射源不在三維空間檢波線上時（如散射源2、3），散射波是雙曲型的。散射源到檢波線的距離越近，曲線越狹窄，反之越開闊。線性散射和雙曲型散射兩翼的趨勢線與面波基本平行。

2.2.3 散射波的疊加特征

嚴格來說，在實際記錄中是很難找到單個散射波的，前面討論的單個散射波形態，是個別情況下，散射源較少或干擾背景雖然比較復雜，但單個散射波能量仍占有明顯優勢，筆者就把它看成單個散射波罷了。在低信噪比地區，會形成十分復雜的散射源系統，那些炮記錄的強復雜背景是眾多“散射體集合”結果［3］或把它看成是眾多散射波的疊加結果。這類地區，不少記錄往往具有由眾多“線性短軸”構成的“網狀”背景。這些短軸并不都是由在測線散射源形成的線性散射，更多是雙曲型散射翼部被干涉的結果。

3 散射波的頻率、速度及其分布

3.1 頻率

在新疆庫車、喀什、葉城、烏什地區，青海冷湖，陜西吳忠，甘肅靖遠等地區的散射波進行過大量的掃描觀察。結果表明，大多數散射波的頻率比有效波頻帶偏窄、偏低，一般由數赫茲到30 Hz，部分達40 Hz。但是，在新疆阿圖什出露Q1x的地段，散射波頻率超過60 Hz。看來，散射波的頻率分布與表層地質結構有關?？傮w而言，散射波的頻率成分通常在有效頻帶范圍內。

3.2 速度

由于眾多散射波的疊加形成比較復雜的記錄背景，往往不能直接從記錄上求取散射波速度。由于散射波本質上是一種面波，且從線性散射波和雙曲型散射波兩翼趨勢線與面波平行看，可以將面波速度看著是散射波的速度。具體速度與地區的表層介質性質有關。不同地區或不同地段，散射波速度可能不盡相同，要根據當地實際資料拾起統計確定。

3.3 在記錄的分布

大量記錄表明，不管是簡單的還是復雜的散射波，主要分布于面波所夾的三角區內。三角區外由直達波、反射波等形成的散射干擾，要少得多、弱得多，西北地區記錄的這一特點更為典型。西北厚黃土區和四川石灰巖區的記錄，其三角區外的干擾也比較強，但三角區內的散射強度、復雜程度仍占優勢地位。散射波在記錄的這一分布特點說明，散射波主要是由面波產生的，也進一步支持了在《天然氣工業》2012年第1期中“散射波的主要能源是面波”的基本結論［4］。

4 散射波形態特征實例記錄

下面選擇部分典型記錄說明散射波的形態特征，這些例子也是對《天然氣工業》2012年第1期中有關散射源的實例補充，有助于更好理解散射波與散射源的關系。

圖3是散射波的典型實例，地形剖面簡單，但特征典型。圖中A是左、右不同時期形成的第四系結合部，A、D處為陡坎，BC段呈鋸齒狀地形，主要散射波如下：①、②、③分別為在A由折射波、面波產生的正向散射波和由面波產生的反向散射波；④主要為在BC段由面波產生的反向散射波帶；⑤、⑥是在斜（陡）坡D由折射波產生的正向散射波和面波產生的反向散射波；⑦是由離測線較遠的側向散射源產生的大量雙曲型散射。該記錄是不同巖性結合部、陡坎產生散射波的例子，盡管直達波也產生散射波，但簡單、較弱。

圖3 線性散射和雙曲型散射圖

圖4是新疆卻勒112線記錄，散射波與圖3明顯不同。在激發點以左戈壁與巖層結合部由于平面形態的復雜性，在Q1x分布地段，因陡坎、溝中礫石平面分布復雜，在炮點以左三維空間構成了復雜的散射源系統，眾多散射波疊加在左三角區形成了復雜的干擾背景，也是高速巖層山區的復雜干擾例子；在右三角區，上部橢圓所示①為戈壁與巖層結合部產生的線性散射，下部近于線性的大量干擾波主要為炮點以左產生的雙曲型散射波的翼部。

圖4 山體區、礫石與巖層結合部形成復雜散射波圖

圖5是同一測線不同激發點的兩炮記錄。由圖5可見：AB段對應的起伏地形、河溝陡坎為強散射源，炮點移動，散射源位置不變；圖5－a記錄兩翼都存在大量反向線性散射及多次散射，兩翼散射構成了三角區內的網狀背景；圖5－b記錄三角區內同時存在線性反向散射和雙曲型散射。這里看到，礫石的不均勻性（圖5－a中①）、起伏地形、陡坎成為強散射源。

圖6為同一測線不同激發點的兩炮記錄。除兩炮都發育面波外，三角區都有較強的雙曲型散射（位置不變）和大量正反向散射及多次散射，河溝陡坎也成為橫向能量的明顯分界線。對這類比較清晰的雙曲型散射波，根據其頂點位置、時間和面波速度可以追蹤具體散射源。

圖7可見雙曲型散射、大量強反向散射及相對較弱的多次散射。

圖8可見明顯的雙向線性散射。調查表明，雙向散射頂點附近測線橫穿鐵路，以左為植被、村莊，以右為戈壁，在戈壁的凸起梯形路基很可能是雙向線性散射的散射源。

圖5 同一測線不同激發點記錄的線性散射與雙曲型散射圖

圖6 同一測線不同激發點記錄的雙曲型散射和線性散射圖

圖9是喀什凹陷①號03－560記錄。據現場觀察，表層基本地質特點是：從現場平面看，中左地段，有Q2、Q3形成的狹窄山墚，溝中有Q4堆積；溝中礫石粒度大致近米，小至毫米；顆粒從上至下逐漸變細；中右地段，有由Q2、Q3形成的丘形凸起和陡坎。這些物質構成了斜坡帶厚層第四系堆積，在大范圍形成了如四邊形內的強散射干擾。這也是表層厚礫石區不均勻地質結構產生的強散射波的典型實例，類似記錄多達60余炮。在如左上角現場照片的陡坎處，折射波、面波都形成了如三角形所示的雙向散射波，由面波形成的散射能量明顯較強。

生產實際中，如圖3、5、6、7、8所示的典型簡單散射波形態并不多見，即使如此，也導致了對信噪比的惡劣影響，幾乎見不到有效反射的痕跡。在復雜地區，散射源不會如此簡單，由于在表層三維空間分布有形形色色的眾多散射源，絕大多數記錄往往都具有復雜的干擾背景（如圖4的Q1x段、圖9中四邊形所示）。由于眾多散射波的疊加，導致了記錄的低信噪比。

由上述實例可見，散射波也具有主要分布于面波所夾三角區內的基本特點，進一步證實了散射波的主要能源是面波的基本結論。

圖7 雙曲型散射和線性射圖

圖8 雙向散射和雙曲型散射圖

5 結論

1）根據記錄散射波，按形態可分為線性和雙曲型兩大類，其中線性散射又可分為正向散射、反向散射和雙向散射。散射源在測線的投影點即散射波的頂點位置。

2）對三維空間而言，當散射源在檢波線上時，散射波是線性的；當散射源不在檢波線上時，散射波是雙曲型的。散射源和檢波線的距離越近，曲線越狹窄，反之越開闊。線性散射、雙曲型散射兩翼的趨勢線與面波平行或基本平行。

圖9 復雜散射和雙向散射圖

3）散射波的速度與面波相當，散射波的頻段位于有效波的頻段范圍內。

4）本文實例進一步支持了《天然氣工業》2012年第1期中的重要結論：散射波主要分布于面波所夾的三角區內，面波是形成散射波的主要能源；在復雜地區，散射波是導致記錄低信噪比的根本原因。

成文過程中得到了川慶鉆探工程公司地球物理勘探公司的支持和關心，在此表示衷心感謝！

［1］李燦蘋，劉學偉，王祥春，等.地震波的散射理論和散射特征及其應用［J］.勘探地球物理進展，2005，28（2）：81－89.

［2］勾麗敏，劉學偉，雷鵬，等.金屬礦地震勘探技術方法研究綜述——散射波地震勘探方法［J］.勘探地球物理進展，2007，30（2）：85－91.

［3］吳如山.地震波散射：理論與應用［J］.地球物理學進展，1989，4（4）：1－23.

［4］吳希光，李亞林，張孟，等.復雜地區地震資料低信噪比的原因及對策（一）——表層散射波是導致地震資料低信噪比的根本原因［J］.天然氣工業，2012，32（1）：27－32.

Causes and solutions of a low signal－to－noise ratio of seismic data in complex areas，PartⅡ：Basic property and shape features of surface scattered waves

Wu Xiguang，Li Zhirong，Li Zhengjia，Yin Jun，Yang Zhichao
（Geophysical Ex ploration Company of Chuanqing Drilling Engineering Co.，Ltd.，CNPC，Chengdu，Sichuan 610213，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 2，pp.38－42，2／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

This paper aims to further understand the nature of scattered waves and provide basic data for the development of scattered wave suppression techniques.Therefore，from simple to complex and from specific to general，we studied the basic properties and shapes of scattered waves，beginning with the simple and visualized seismic records of both scattering sources and corresponding scattered waves.In 3－D space，a single scattered wave is in linear or near linear shapes and can be classified into forward scattered wave，reverse scattered wave，and bidirectional scattered wave when the scattering source is located on or close to seismic lines.In contrast，scattered waves show hyperbolic curve shape when the scattering source is far away from the seismic lines.The crest of a scattered wave is located at the subpoint of the scattering source on seismic lines.The trend lines on both sides are parallel or subparallel to surface waves.Scattered waves mainly occur in the triangle area between surface waves，their frequencies are in the range from several to 30 Hz or so，and their velocities are similar to those of surface waves.The complex interference setting of real seismic records is resulted from the superimposition of numerous single scattered waves.Scattered wave interference is the basic cause of a low signal－to－noise ratio in complex areas.These understandings can contribute to the suppression of scattered waves.

scattered wave，shape，feature，single directional scattering，bidirectional scattering，linear scattering，hyperbolic scattering，signal－to－noise ratio

吳希光，1940年生，高級工程師；長期從事地球物理勘探方法等研究工作，享受國務院政府特殊津貼。地址：（610213）四川省成都市華陽鎮華陽大道一段1號。電話：（028）85608302。E－mail：wuxiguang－sc＠163.com

吳希光等.復雜地區地震資料低信噪比的原因及對策（二）——表層散射波的基本性質及形態特征.天然氣工業，2012，32（2）：38－42.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.01.008

2011－08－04 編輯 韓曉渝）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.02.008

Wu Xiguang，senior engineer，born in 1940，has long been engaged in research of geophysical exploration methods.

Add：No.1，Sec.1，Huayang Street，Huayang County，Chengdu，Sichuan 610213，P.R.China

Tel：＋86－28－8560 8320 E－mail：wuxiguang－sc＠163.com