上海近岸淺海單道地震多次波特征及壓制方法研究

劉 伍，司永峰，王治華，王 遠，廖文新，曾 來，王正霞（上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072）

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上海近岸淺海單道地震多次波特征及壓制方法研究

劉 伍，司永峰，王治華，王 遠，廖文新，曾 來，王正霞
（上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072）

摘 要：為保障上海城市和海岸工程安全，為未來城市規(guī)劃提供基礎(chǔ)資料，近年來在上海近岸海域開展了大量地質(zhì)調(diào)查工作，而單道地震以其分辨率高、探測實施快速方便成為海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查的主要手段。上海近岸海域由于具有水淺、硬砂底質(zhì)分布廣等特點，單道地震探測數(shù)據(jù)中多次波比較發(fā)育，嚴重降低了單道地震的信噪比和分辨率。本文對上海近岸海域常見的多次波特征進行了分析總結(jié)，在此基礎(chǔ)對預(yù)測反褶積法和模型擬合法壓制高分辨率單道地震中的多次波的參數(shù)選擇及有效性進行了研究，實踐證明兩種方法在合適的參數(shù)選擇下能顯著地壓制單道地震中的多次波干擾，可大大提高單道地震探測的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：近岸海域；地球物理探測；高分辨率單道地震；多次波壓制；預(yù)測反褶積法；模型擬合法

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高分辨率單道地震以其施工快速便捷工作效率高、分辨率高等特點，在越來越多的海洋地質(zhì)調(diào)查、海洋地質(zhì)災(zāi)害、海岸工程以及天然氣水合物等資源調(diào)查中得到廣泛運用［1，2］。高分辨單道地震為了能達到高分辨能力，其探測信號通常具有主頻高、頻帶寬、橫向采樣密集等特點，同時震源及拖纜入水較淺。

上海市近岸海區(qū)水深較淺，淺海沉積環(huán)境復(fù)雜多樣，多次波發(fā)育，是淺海海區(qū)地震勘探的主要干擾之一，工區(qū)內(nèi)不同區(qū)域多次波種類和特征存在差異，另外氣槍震源與電火花震源對應(yīng)的多次波特征也存在差異。本文根據(jù)相關(guān)調(diào)研及現(xiàn)有探測資料，在對海洋地震勘探常見的多次波特征研究的基礎(chǔ)上，對上海市近岸海域內(nèi)高分辨率單道地震中的多次波進行針對性分析研究，并提出相應(yīng)的壓制方法和技術(shù)。

1 高分辨率單道地震多次波壓制研究現(xiàn)狀

多次波衰減的方法均是基于多道地震發(fā)展而來，大部分方法僅適用于疊前處理，如F-K濾波和拉冬變換都是利用疊前數(shù)據(jù)多次波和一次波的視速度差異，而預(yù)測相減法中逆散射級數(shù)法、反饋迭代法和恒定內(nèi)插法都是通過疊前反演來預(yù)測出多次波［3］。而單道地震相當于多道地震經(jīng)速度分析和動校正之后進行疊加的疊后數(shù)據(jù)，它沒有速度信息。根據(jù)這一特點，目前單道地震多次波衰減的主要研究方法是預(yù)測反褶積法，同時也有部分研究者提出了利用預(yù)測減去法衰減單道地震中多次波的方法［4～6］。兩種方法中前者運用的時間比較久，理論及實踐均較為成熟，在衰減具有周期性多次波效果較好［7，8］，但同時由于方法本身的運用前提是基于幾個基本假設(shè)，對于部分復(fù)雜條件下，可能存在不滿足這些假設(shè)條件，導(dǎo)致衰減效果不理想。因此也有學(xué)者沿用多道地震多次波衰減的思路，在單道地震中提出預(yù)測相減法衰減其中多次波方法［9］，而此類方法目前研究較少，相關(guān)的文獻及案例較為少見。

2 上海近海海岸單道地震多次波干擾特征

上海市近岸海域水深整體較淺，海底底質(zhì)差異較大，全區(qū)總體上多次波干擾顯著［10］，各類多次波均有發(fā)育，類型齊全，如圖1～圖5。部分海域特別是長江口附近砂層致密、厚度大，震源產(chǎn)生的能量大部分經(jīng)海底與海面多次反射產(chǎn)生強烈的海底多次或鳴震現(xiàn)象，透射進入海底以下地層的能量少，導(dǎo)致探測深度小、信噪比低（圖3、圖4）。近岸海區(qū)內(nèi)基巖的速度和密度顯著大于上部地層，因此其分界面是個強反射面，而氣槍震源能量強、穿透深度大，在其探測數(shù)據(jù)中基巖多次波比較發(fā)育（圖5）。

電火花震源子波頻率高、頻帶寬，能量較氣槍小很多，主要用于探測淺部地層。而近岸區(qū)淺部（50m以淺）地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，部分海域淺層氣發(fā)育［11］，在某些區(qū)域，除了海底多次較為發(fā)育而外，海底淺部的部分地層的層間多次更為發(fā)育，常常比海底多次波能量更強，并伴隨有多個波組連續(xù)發(fā)育，同時在橫向上常出現(xiàn)突變不連續(xù)現(xiàn)象（圖2）。

圖1　海底多次波（電火花震源）Fig.1 The sea-bottom multiple （sparker）

圖2　海底多次波、簡單多次微屈多次波（電火花震源系統(tǒng)）Fig.2 The sea-bottom multiple， simple multiple and pre-leg multiple（sparker）

圖3　海底多次波（氣槍震源系統(tǒng)）Fig.3 The sea-bottom multiple （air gun）

圖4　海底鳴震（氣槍震源系統(tǒng)）Fig.4 The sea-bottom ringing （air gun）

圖5　基巖多次及層間多次（氣槍震源系統(tǒng)）Fig.5 The bed rock multiple and interbed multiple （air gun）

3 單道地震多次波的壓制方法

3.1 預(yù)測反褶積法

3.1.1 預(yù)測反褶積原理

在地震資料數(shù)字處理中所用的預(yù)測反褶積使用預(yù)測的方法，根據(jù)地震記錄一次反射和干擾信息預(yù)測出純干擾部分，得到消除干擾后的一次反射信號，以消除一次反射受到的海上鳴震等多次干擾［12］。在預(yù)測反濾波問題中，設(shè)計一個預(yù)測因子c（t），對輸入的地震記錄x（t）的過去值x（t-m）、x（t-m-1）、……、x（t-1）和現(xiàn)在值x（t）進行預(yù)測，所得到的未來的預(yù)測值是海上鳴震等多次波的干擾，把它從包括一次反射和干擾的地震記錄x（t+a）中減去，所得到的預(yù)測誤差

就是消除干擾后的一次反射信號。

設(shè)地震記錄的數(shù)字模型為

其中E為數(shù)學(xué)期望。

根據(jù)（2）式可以寫出時刻t+a時x（t+a）表達式

為了用t時刻及以前的值x（t）、x（t-1）、x（t-2）等求得未來某個時刻t+a的預(yù)測值 ，就必須將（6）表示為與x（t）、x（t-1）、x（t-2）、……等的關(guān)系，而不是與ζ（t）、ζ（t-1）、ζ（t-2）、……等的關(guān)系。

由平穩(wěn)時間序列的預(yù)測分解定理知，在滿足（3）的條件下，地震子波b（t）必然存在一個反子波a（t），使得

將（7）代入（6）得到

令t+s=l，則（8）寫為

式中的x（t-l）（l=0，1，2，3，……）為t時刻及以前的值x（t），x（t-1），x（t-2），……等，c（1）為預(yù)測因子。（9）式表明未來某個時刻的預(yù)測值為t時刻以及以前的值x（t）與預(yù)測因子c（1）的褶積。在確定預(yù)測因子c（1）時，仍然按照最小平方原理，使未來的預(yù)測值

與實際的未來值x（t+a）之間的預(yù)測誤差

最小，或使預(yù)測誤差的平方和為最小。

得到

或

令：

分別表示延遲時間為l-s和s-a的地震記錄x（t）的自相關(guān)函數(shù)，則（14）式可以寫成一個方程組

把上述方程寫成矩陣形式，得到

由輸入地震記錄x（t）求出自相關(guān)函數(shù)，解矩陣方程（16），即可求出預(yù)測因子c（l），然后用預(yù)測因子c（l）與輸入地震記錄x（t）進行褶積運算，得到未來t+a時的預(yù)測值：

這就是海上鳴震多次波干擾。把未來的預(yù)測值從實際未來值中減去，得到預(yù)測誤差 就得到了消除海上鳴震等多次波干擾的地震記錄。

預(yù)測誤差表示為：

上式表明，預(yù)測誤差就是地震子波c（l）和反射系數(shù)x（t）的褶積，即一次反射有效信號，消除了海上鳴震等多次波干擾，用預(yù)測步長為m的濾波將地震子波c（l）的長度從原來的n壓縮為m-1。

3.1.2 預(yù)測反褶積的參數(shù)選擇

預(yù)測反褶積是一種比較常用且效果較好的一種壓制多次波的方法，但取得良好的壓制效果的前提是選擇合適的預(yù)測參數(shù)。預(yù)測反褶積的主要參數(shù)包括算子長度和預(yù)測步長，兩個參數(shù)均需根據(jù)資料的特征，特別是多次波的特點，通過試驗選擇最佳值。

（1）預(yù)測步長試驗

圖6為預(yù)測步長試驗過程記錄。圖6（a）中反褶積前原始剖面多次波干擾明顯，從自相關(guān)剖面可以看出，多次波的周期約20ms。圖6（b）～圖6（f）分別是在算子長度80ms下，步長取值分別為4ms、10ms、20ms、30ms、40ms時反褶積剖面及相應(yīng)的自相關(guān)剖面，對比各圖可以看出，當預(yù)測步長取值20ms時，多次波明顯被壓制，有效波層位清晰，信噪比較高。而步長取較小值4ms、10ms時，多次波雖然也明顯被壓制，但是有效波層位也被不同程度地壓制，信噪比較低；而當步長取較大值30ms、40ms時，多次波壓制效果減弱，多次波壓制效果不理想。

圖6　預(yù)測步長試驗地震剖面及自相關(guān)剖面（氣槍震源）Fig.6 The seismic profle and the autocorrelation profle of the experiment on the prediction step （air gun）

圖7　預(yù)測反褶積算子長度試驗地震記錄剖面及自相關(guān)剖面（氣槍震源）Fig.7 The seismic profle and the autocorrelation profle of the experiment on the prediction operator length （air gun）

（2）算子長度試驗

圖7為預(yù)測反褶積算子長度試驗過程記錄，從圖7（a）～圖7（e）可以看出，算子長度對壓制多次波的有效性不敏感，即當算子長度分別取20ms、40ms、80ms、120ms、160ms時多次波均能較好地被壓制，但它與反褶積后的噪音水平有直接關(guān)系。根據(jù)反褶積的算法原理可知，反褶積后的道會出現(xiàn)許多虛假的小振幅脈沖，尾隨在每一個實際脈沖之后，給褶積后的數(shù)據(jù)帶來高頻噪聲，合適的算子長度能夠最大程度地減少這種虛假脈沖。圖7顯示，算子長度太小，在剖面上會不同程度出現(xiàn)許多高頻噪音（虛假脈沖），導(dǎo)致數(shù)據(jù)信噪比降低，數(shù)據(jù)質(zhì)量差，如圖7（a）、圖7（b）；而到算子長度取到80ms時，整個剖面沒有明顯的高頻噪聲；而隨著算子長度逐步增大到120ms、160ms時褶積剖面上又出現(xiàn)高頻噪聲，而且數(shù)量更多，如圖7（d）、圖7（e）。通過上述試驗，取80ms作為算子長度為宜。

綜上所述，預(yù)測反褶積能夠很好的壓制多次波，但需要選擇好算子長度和預(yù)測步長，其中預(yù)測步長的選擇敏感且對壓制多次波起到了更為重要的作用，算子長度與褶積后的噪音水平直接相關(guān)，合理的預(yù)測步長應(yīng)根據(jù)相應(yīng)剖面的自相關(guān)剖面上多次波分布狀況并通過試驗選取，適合的算子長度也應(yīng)通過試驗根據(jù)褶積后的信噪比情況加以選擇。通過初步試驗處理，預(yù)測反褶積能夠很好地壓制氣槍震源單道地震資料中的各類多次波（圖8），部分測線的電火花震源探測資料的多次波也能很好的壓制（圖9）。

圖8　單道地震多次波壓制效果對比圖（氣槍震源）（紅色箭頭指向典型多次波）Fig.8 The contrast diagram of the multiples suppression （air gun）（the typical multiple indicated by the red arrow）

圖9　多次波壓制效果對比圖（電火花震）（紅色箭頭指向典型多次波）Fig.9 The contrast diagram of the multiples suppression （sparker）（the typical multiple indicated by the red arrow）

3.2 模型擬合法

在實際探測工作中發(fā)現(xiàn)部分淺水區(qū)的電火花震源單道地震資料中多次波能量強、主頻高、頻帶寬，淺層地質(zhì)條件較為復(fù)雜，可能存在不滿足預(yù)測反褶積基本假設(shè)情況，預(yù)測反褶積壓制多次波效果不佳。針對此類剖面我們采用模型擬合法，該方法主要用來壓制連續(xù)性好、能量強的海底多次波。

3.2.1 模型擬合法原理

模型擬合方法思路與預(yù)測相減法思路相同，即先預(yù)測再減去。可用來消除某個特定反射層產(chǎn)生的多次波，它是f-x域中的一種時空濾波方法。借助模型利用褶積預(yù)測多次波，然后將預(yù)測結(jié)果和實際數(shù)據(jù)對比擬合，最后從原始地震數(shù)據(jù)中減去多次波。通過空間模式分析建立多次波模型，并由道與道之間相位和振幅變化的運動學(xué)和動力學(xué)形狀特征來定義［13］。任何與模型有相似反射特征的反射波都被當作多次波進行壓制，因此適用于衰減與同位置一次反射波不相似的多次波，但也可能識別和壓制與模型反射特征相類似的一次反射波。

3.2.2 模型擬合法應(yīng)用過程及參數(shù)選擇

模型擬合方法應(yīng)用過程如下：拾取產(chǎn)生多次波的一次反射波同相軸的時間；對數(shù)據(jù)進行靜校正以拉平一次反射波；根據(jù)一次反射層數(shù)據(jù)特征建立其產(chǎn)生的水底多次波的時空模型；模型與實際數(shù)據(jù)對比擬合，再從原始數(shù)據(jù)中減去擬合后的多次波。

圖10　模型擬合法壓制海底多次波時窗長度試驗對比圖（電火花震源）Fig.10 The contrast experiment diagram of the time window length of the model-ftting （sparker）

該方法使用過程中主要參數(shù)為多次波時窗長度，圖10為時窗長度試驗對比過程記錄，從圖10（a）中可以看出海底及淺部地層多次波明顯，圖10（b）～圖10（h）分別為模型擬合法時窗取4ms、8ms、12ms、16ms、20ms、30ms、40ms時的壓制剖面圖，對比各圖可以看出時窗取值較小時，多次波壓制效果弱。雖然海底多次波被較好壓制，但海底淺部地層多次波還明顯存在，如圖10（b）、圖10（c）；當時窗取值較大時，海底多次波以及淺部地層多次波均得到了壓制，但是部分有效波組也被一定程度壓制，如圖10（e）～圖10（h）。根據(jù)此試驗可以看出，時窗長度取值主要決定于擬壓制多次波組的時間寬度，不同區(qū)域的探測數(shù)據(jù)此時間寬度可能不同，因此時窗長度應(yīng)根據(jù)各測線多次波特征來選擇相應(yīng)的值。

圖11分別為長江口橫沙島南側(cè)海域和杭州灣北部海域的電火花震源單道地震數(shù)據(jù)剖面，從圖中可以看出處理前剖面上的海底二次波明顯，經(jīng)模型擬合法壓制后，剖面基本見不到海底二次波痕跡，海底二次波壓制良好。

圖11　模型擬合法壓制海底多次波示意圖（電火花震源）Fig.11 The contrast diagram of the pre-suppression and after-suppression by the model-ftting （sparker）

4 結(jié)論

本文在基于對多道地震多次波壓制方法技術(shù)研究以及上海近岸海域單道地震多次波特征分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，提煉出適合于上海近岸海域單道地震多次波壓制的預(yù)測反褶積方法和模型擬合法兩種方法，并對兩種方法的原理及重點參數(shù)進行了試驗闡述。預(yù)測反褶積法由于不需要速度和偏移距信息，與單道地震數(shù)據(jù)自身特點切合，能有效壓制氣槍震源單道地震及部分電火花震源單道地震資料中的海底多次、簡單多次、層間多次等多次波。但該方法能夠有效壓制各類多次波的前提是選擇合適的參數(shù)，合理的參數(shù)需要根據(jù)數(shù)據(jù)特征及自相關(guān)剖面通過反復(fù)試驗獲取。

另外，部分電火花震源單道地震數(shù)據(jù)由于淺部結(jié)構(gòu)復(fù)雜等多方面原因，預(yù)測反褶積法對其海底及淺層部分地層的多次波壓制效果有限，針對此種情況下的多次波干擾，模型擬合法壓制較為理想，實踐證明該方法能比較有效地壓制海底多次波和部分淺部地層的多次反射，但壓制效果的好壞與計算時窗長度直接相關(guān)，運用中也要通過細致的對比試驗獲取最佳參數(shù)。

上述兩種方法由于其原理的差異，運用過程中有一定針對性，實際使用過程中應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)的特點合理選擇。

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The characteristics and suppression method of multiple waves in the high resolution single channel seismic system in the offshore Shanghai area

LIU Wu， SI Yong-Feng， WANG Zhi-Hua， WANG Yuan， LIAO Wen-Xin， ZENG Lai， WANG Zheng-Xia
（Shanghai Institute of Geological Survey， Shanghai 200072， China）

Abstract:In recent years， we have conducted signifcant geological survey work in the offshore Shanghai area in order to provide data to engineers to ensure safety in the city and coastal areas.A high resolution single channel seismic system has become the main approach for detecting the stratum structure under the seabed because of its high resolution and convenience.Due to the shallow water and the hard sandy seabed， multiple waves are generated in most regions， which reduce the S/N ratio and the resolution of the seismic data.This study summarizes the characteristics of the multiple waves in the single channel seismic data in the offshore Shanghai area.Based on these characteristics， we researched the preferred methods and the validity of the predictive deconvolution and model-ftting methods.Practice shows that the methods can suppress the multiple waves markedly and improve the seismic data quality greatly by using the correct numerical methods.

Key words:offshore area； geophysical exploration； high resolution single channel seismic； multiples suppression；predictive deconvolution； model-ftting method

中圖分類號：P631.4

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1329（2016）02-0089-07

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.02.021

收稿日期:2015-11-17

修訂日期:2016-01-20

作者簡介:劉伍（1982-），男，碩士，工程師，主要從事近岸海域地球物理勘探研究.

基金項目:中國地質(zhì)調(diào)查局國家海洋保障工程工作項目“長江三角洲海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查與監(jiān)測”（GZH201200506）