沂沭斷裂帶深反射地震資料處理

羅文強，張尚坤，陳軍，楊斌，馬祥縣，唐璐璐，梁吉坡，劉鳳臣，仵康林，陳誠

(山東省地質科學研究院，國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室，山東省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室，山東 濟南 250013)

0 引言

揭示巖石圈精細結構的有效手段之一是深反射地震剖面測量技術[1]。多年來，對沂沭斷裂帶的地學研究取得了一系列成果[2-12]，各種地球物理方法被廣泛應用[6-12]，但是斷裂帶深淺部構造關系、構造樣式特征及巖石圈精細結構仍然沒有被徹底揭露出來。為了揭示沂沭斷裂帶深部結構及發生—發展過程，查清斷裂切割深度及對巖石圈地幔的破壞，實現典型區段5km以淺地質結構“透明化”。2019年在沂沭斷裂帶中南部，日照市莒縣至臨沂市沂南縣境內，布設了一條深反射地震剖面線(采用雙線采集)，野外施工完成二維地震測線長59km，完成物理點452個(含13個試驗物理點)，獲得了豐富的原始地震資料。由于深反射地震探測深度大，在數據采集時記錄到的深層信號會被強干擾背景所淹沒，其幅度仍較弱。為了獲得真實可靠的深反射地震剖面數據，將野外記錄的地震信息轉換成便于進行地質解釋的形式，進行了地震資料處理[13-23]。此次地震資料處理，在曙光高性能工作站上應用專業地震數據處理軟件進行。為了提高深反射地震時間剖面品質，從干擾背景中提取和增強弱反射信號，資料處理以高信噪比為主要處理目標，采取邊處理邊解釋的方法，不斷優化處理流程和處理參數，調整處理模塊的組合，使獲得的地震資料真實地反應地質情況。本次資料經處理獲得了比較理想的時間剖面，為研究沂沭斷裂帶深部結構特征及其對資源、環境的影響提供了可靠的地震學依據。

1 原始地震資料特征分析及處理技術對策

1.1 原始地震資料特征分析

通過對典型原始地震資料的波場、干擾波、靜校正量等分析[24-39]，該區資料具有以下特點：

(1)單炮品質受地表條件的影響大，大部分地段反射信號弱，信噪比低。

(2)由于地表起伏大及激發條件復雜，低降速帶橫向變化大，靜校正問題突出。

(3)干擾波發育且具有種類多、能量強、分布范圍廣等特點，難以去除。主要表現為面波擾、干規則線性干擾、工業頻率及車輛通行等造成的強高能外源干擾，能量較強，沒有相對固定的頻率和視速度。

(4)資料反射信息頻率較低，一般在13～60Hz之間。

(5)由于受球面擴散和地層吸收的影響，地震波時間方向衰減迅速。深層反射波能量比較弱，頻率較低。

1.2 主要處理技術對策

由于探測目標的多樣性，且研究區探測目標為硬巖地區，地質體不具成層性，斷裂構造具有高陡傾角。結合原始資料特征分析，為保證地震數據處理的真實性和提高信噪比，在動校正等常規處理基礎上主要采用如下相應處理對策。

1.2.1 靜校正技術

該區地表條件復雜，東部、西部為山區，中部為平原，地形起伏大，第四系覆蓋厚度變化大。在處理時根據區內表層結構、低降速帶厚度、速度及地表高程的具體變化情況，進行層析靜校正和折射靜校正效果對比，選擇最佳靜校正方法及參數，采用中波長靜校正技術和分頻迭代剩余靜校技術結合精細速度分析工作逐步提高靜校正精度。

1.2.2 去噪技術

(1)疊前組合去噪

在地震資料的保幅處理中，有效地去除資料的噪音和干擾是提高資料信噪比、提高處理質量的關鍵所在。認真分析原始資料，做好波場分析，正確識別干擾波類型并分析其特征。該區存在面波、聲波、線性干擾、高頻、低頻、隨機等各種噪音干擾。綜合采用多種去噪技術，主要方法有：減去法面波衰減、分頻去噪、人工剔道、切除、隨機噪音衰減等[27-35]。

(2)疊后去噪

為進一步提高深層資料信噪比，在疊后針對線性干擾和隨機干擾進一步進行壓制，適當提高深層資料信噪比。

1.2.3 能量補償技術

由于激發和接收地表條件在空間方向不規則變化，使地震記錄在縱、橫向上能量、頻率不均衡，為此采用地表一致性能量、頻率補償方法進行恢復和補償，恢復縱、橫向淺中深層地震反射能量。

1.2.4 提高分辨率技術

做好反褶積試驗，選取合理的模塊和參數，突出各反射層的波組特征，在壓縮子波的同時不影響目的層反射同相軸的連續性，適度提高分辨率[36-37]。

1.2.5 速度分析技術

通過常速速度掃描確定參考速度，建立可靠的參考速度場，在此基礎上進行精細疊加速度分析、動校切除及剩余靜校正迭代處理，同時在構造變化大的地段在橫向上加密速度分析點，來獲得準確的疊加速度，確保各反射層精確成像。選擇合理的偏移速度場、參數和偏移方法，使得各種特征波偏移歸位比較合理，地質界線以及斷面反射波清晰[38-39]。

2 地震資料處理主要技術方法

地震資料處理是以靜校正、預處理、速度場建立、疊加、偏移處理為基礎，通過噪聲衰減、地震信號能量補償和一致性處理等技術，提高地震信號的信噪比和地震信號對地質體的分辨率，為地震資料解釋提供基礎數據[13-37]。根據原始地震資料反射波特點，在資料處理中疊前處理以靜校正、真振幅恢復、疊前反褶積、速度分析為中心；在疊后偏移中做好偏移速度測試和譜白化，使之在提高反射點歸位精度同時拓寬高頻端帶寬，達到提高地震信號分辨率的目的。資料處理中采用線性時差動校正方法對每個炮點、檢波點位置進行檢查，確保位置準確無誤后進入下一步處理。通過道編輯將原始記錄中不正常道、炮進行人工剔除，使每一炮記錄都保持最好的品質來參與后續處理。

2.1 靜校正處理

靜校正處理對提高疊前道集的信噪比、疊加效果、精確成像都起著舉足輕重的作用，不僅影響疊加剖面的信噪比和縱向分辨率，同時又影響速度分析的質量[18-20]。

由于該區地表高程落差大，達170m左右，加上低降速帶厚度和速度橫向的不均勻及井深的不同，使得原始地震資料存在較大的靜校正量，影響共反射點反射信號進行同相疊加，采用一般的高程靜校正方法很難獲得理想的處理效果。目前常用靜校正主要有兩種處理方法：折射靜校正和層析靜校正[18-22,38-39]。研究區測線長度較長，地表起伏較大，低降速帶厚度變化較大，表層速度橫向變化快，原始單炮記錄初至波復雜，近炮點為直達波，遠炮點為折射波，且折射波出現的偏移距大小不一。通過多次試驗對比，采用層析靜校正方法能夠有效解決該區存在的長波長靜校正問題。

首先根據初至波的振幅計算初至波長時，利用初至波線性動校或單炮正常顯示進行人工初至波時間修改，再利用地震波的初至時間反演近地表的地震波速度(圖1)，從而得到較精確的近地表速度模型，然后根據速度模型計算靜校正量，然后加載到地震數據中。在實際處理過程中，采用兩步法，首先建立一個CMP參考面，再利用CMP參考面將靜校正量進行分解為只影響剖面疊加效果的中短波長和影響剖面構造形態的長波長靜校正量，在疊加處理之前只應用高頻靜校正量，疊加之后再應用低頻靜校正量，避免過大的靜校正量影響疊加效果及準確的速度分析。根據對單炮初至折射波速度分析，結合處理效果，本次處理取基準面高程240m，替換速度4000m/s。

圖1 測線淺層速度模型

圖2和圖3分別為靜校正前后單炮和疊加剖面的比較，從這兩張圖上可以看出，靜校正效果明顯，消除了單炮初至波扭曲現象，疊加剖面上成像效果明顯改善，反射波能量和連續性均得到增強。

圖2 靜校正前(上)后(下)單炮對比圖

圖3 靜校正前(上)后(下)疊加剖面對比圖

2.2 偏移距選擇

由于近道受炮點影響較大，初至時間不準確，而且近道受面波、聲波等干擾嚴重，選擇合適的偏移距有利于同相疊加，提高信噪比，但偏移距又不宜過大，偏移距過大會影響有效疊加次數。處理過程中對偏移距進行了試驗，范圍為0～4000m，通過對比該區資料處理偏移距選擇200m比較合適，如圖4、圖5所示。

圖4 偏移距選擇試驗圖(淺部1s～2.2s對比)

圖5 偏移距選擇試驗圖(深部10s～12s對比)

2.3 疊前噪音壓制

對原始單炮記錄的噪音進行壓制和衰減，目的是避免噪音參與資料處理，突出有效反射信息，從而改善疊加和偏移成像效果[13-16,33-38]。圖6和圖7分別為去噪前后單炮和疊加剖面的比較。

針對區內幾種不同的干擾波，通過分類、分時、分頻、分域、分區、分步的方法進行壓制、去除：

(1)道編輯處理：單炮記錄道編輯處理的作用是去除強振幅隨機干擾對有效反射信息的影響，主要內容有：剔除壞道、壞炮、振幅異常道、對反道進行極性反轉等。

(2)去除面波干擾：面波干擾波特點是能量強，分布在近偏移距范圍，具有較低的頻率和較低的視速度，利用這些特性采用高通濾波、低頻、低速衰減法相結合壓制面波。首先通過多域自動去噪，進行異常振幅衰減，對一部分具有明顯能量差異的面波、隨機干擾進行衰減和壓制。然后對有效反射信號和面波、聲波等規則干擾波進行頻譜分析了解反射波和主要干擾波的頻率范圍，確定疊前帶通濾波參數為淺部10-15-90-100(Hz)、中部5-10-80-90(Hz)、深部2-6-70-80(Hz)，應用高通濾波在指定的時窗內分時、分頻進行面波壓制。

(3)聲波干擾：聲波干擾出現在部分單炮記錄中，其特征明顯，速度穩定，部分振幅強，延續時間短。資料處理時可以根據聲波的這些特點，采用系統中專門針對聲波衰減的模塊進行壓制。

(4)其他干擾波：將受到50Hz工頻干擾的檢波點資料分選出來采用陷波處理來壓制；利用脈沖噪音衰減模塊來消除高值脈沖噪音；用相干線性濾波去除傾斜干擾。

圖6 去噪前(上)后(下)單炮對比圖

圖7 去噪前(上)后(下)疊加剖面對比圖

2.4 球面擴散及地表一致性振幅補償

地震波在傳播過程中，地震波波前能量隨著傳播距離的增大而衰減、地震波在傳播過程中被非彈性地層吸收以及地震波在地層界面發生透射而造成能量損失，使得地震波振幅隨著時間的增大快速衰減，同時受激發條件、接收條件等因素的影響造成地震波能量的空間差異。采用縱向振幅恢復技術，選取合適的球面發散補償速度參數以及恢復系數對原始記錄進行縱向能量恢復[36-39]。

在對數據進行縱向能量恢復以后，時間方向淺中深部能量得到合理恢復，能量基本趨于一致。但由于激發接收因素造成的橫向空間上能量的不均勻性仍然存在。為了解決橫向上的這種能量差異，采用地表一致性振幅補償方法加以解決。地表一致性振幅補償是一種相對振幅保持的處理，它是基于認為不同激發條件的所有炮應具有相同的能量，所有的接收點也應具有同等的接收能量的原理，通過對所有地震記錄在一個時窗內分別統計共炮點、共檢波點、共偏移距記錄的平均振幅值，根據統一規定的振幅歸一化標準計算共炮點、共檢波點、共偏移距的振幅調整因子，并對各自的地震道進行調整，使地震記錄在空間上達到能量均衡，即每炮的各個道、炮點與炮點，檢波點與檢波點之間能量一致、均衡，從而消除地表非一致性對炮點及接收點的影響。

本次探測深度大、記錄時間長，因此在進行振幅恢復測試時，進行兩次振幅恢復處理，第一次參數為恢復系數為5db/s，恢復深度5s，第二次參數為恢復系數為0.5db/s，恢復深度15s。恢復效果比較好，既照顧了中深部，又兼顧了淺部能量(圖8)。振幅恢復后，時間方向的能量得到補償，中深層反射波能量增強；道與道之間的反射能量均勻一致，也保持了反射層的特征。

圖8 振幅恢復測試

2.5 反褶積

地層是地震信號傳播的介質，由于地層存在不均勻性、因此地震信號激發、接收點條件的差異會使不同位置激發的地震信號在頻率和相位上存在差異，同時在傳播中地震信號還要發生頻率、相位變化及能量的衰減。這種地表條件的差異會導致地震子波橫向上不一致，因此，要在疊前預處理中消除地震信號的不一致性。地表一致性預測反褶積在共炮點、共接收點、共偏移距、共反射點等多方面具有一致補償的功能，消除地表條件差異引起的地震信號在頻率、相位及振幅方面的差異，同時對子波進行整形，提高地震記錄的縱向分辨率[19,38-39]。根據本次原始資料情況，結合本次處理任務，反褶積方法選擇了地表一致性預測反褶積。通過對比不同預測步長反褶積單炮記錄，在兼顧分辨率和信噪比的前提下選擇預測步長24ms。從反褶積前后單炮的頻譜對比情況，可以看出，反褶積后資料頻帶得到拓寬，有效波視主頻進一步提高。

圖9為地表一致性反褶積前后疊加剖面對比。從對比圖可以看出，經過反褶積后不僅資料的視頻率得以提高，同時低頻干擾波得到了進一步的壓制，分辨率明顯提高，消除了同相軸的抖動和續至現象，使得單炮和疊加剖面的波組特征更加明顯。

圖9 反褶積前后疊加剖面及頻譜對比

2.6 高精度速度分析及高階動校

疊加速度是地震資料處理中最重要的參數之一，速度的準確與否不僅影響疊加剖面的信噪比和相位的形態，也影響其縱向分辨率。速度分析前，首先進行初至切除，分段進行速度掃描，求取較為可靠的參考速度，然后進行速度譜分析。速度分析采用交互速度分析技術，運用速度掃描道集和掃描疊加剖面進行質量控制，利用在疊加剖面上拾取的目的層位來指導速度拾取[32-39]。本次速度分析工作先按500m的間隔來拾取速度，進行初疊加，然后根據疊加剖面的效果和資料的構造特征，及時進行速度調整、修改，確保速度拾取準確，橫向上符合地質規律，在構造變化部位采用加密速度分析點的辦法進行控制。速度分析與剩余靜校正迭代處理，提高速度譜的分析質量，反復迭代直至得到最準確的速度信息和剩余靜校正量(圖10)。

圖10 典型速度譜

由于資料偏移距較大，應用常規動校方法后，近道同相軸校平后，遠道出現拉伸或過校平的現象，處理時在CMP道集上，采用四次項的非雙曲線動校正方法，在校平近道的同時也能夠校平遠道，增強疊加效果。

2.7 剩余靜校正

由于低降速帶橫向的多變性，經過靜校正處理后尚不能完全解決地震數據中存在的高頻靜校正分量。自動剩余靜校正主要用來消除高程及低降速帶校正后殘余的短波長靜態時差的影響，改善疊加成像，提高資料的信噪比。自動剩余靜校是用互相關方法求取每一道與模型道的時差，在地表一致性假設的前提下，應用最小二乘法求取炮點、接收點的剩余靜校正量。由于靜校正對速度非常敏感，因此應用速度分析—自動剩余靜校正的多次迭代計算實現消除剩余時差，使靜校正量逐步收斂，直至剩余靜校正量不大于一個采樣間隔為止[21-22,36-39]。自動剩余靜校正在首次迭代時，運用有效波低頻分量，實現較大剩余靜校正值校正，以后各次疊代則利用高頻成份進一步進行較小剩余靜校正值校正，使剩余靜校正計算逐步收斂直到靜校正值接近或趨于零。經3次自動剩余靜校正迭代處理，反射波同相軸一致性提高。如圖11所示，經過剩余靜校正處理后，疊加剖面上有效反射波同相軸在能量強度和連續性方面都有較大的改善。

圖11 剩余靜校正前后疊加剖面對比

2.8 疊后F-X域隨機噪聲衰減(RNA)

隨機噪聲衰減(RNA)技術是疊后提高剖面信噪比的有效手段，它在F-X域內，利用反射信號的可預測性，將反射信號與隨機噪聲分離，起到壓制線性噪聲、隨機干擾及加強反射信號的作用。本方法不僅能很好地壓制干擾，最大限度地保留有效波信息，保證在去噪的同時，保持波形不失真且波形自然，對復雜構造無畸變[13-14]。圖12為去噪前后疊加剖面對比，去噪后的剖面隨機噪聲被有效衰減，信噪比得以明顯提高，且波形自然活躍。

圖12 去噪前(上)后(下)疊加剖面對比

2.9 偏移

偏移的主要目的是使共反射面元歸位到垂向真實反射位置、繞射波也相應回歸到繞射點，本次采用的是疊后時間偏移處理，經偏移處理后，使數據體繞射波干涉現象大大減弱或消失，從而真實地反應地下構造形態。偏移處理的關鍵是建立速度模型，速度模型必須適合實際的地下地層的速度變化[23,36-39]，從本區速度分析資料可看出本區疊加速度具有橫向分塊，縱向分層的特點，縱橫向速度變化較大，因此選擇的偏移方法必須能夠適應本區速度的變化，而在目前的偏移方法中有限差分法的適應性最強，因此本次資料處理偏移模塊采用有限差分算法進行。偏移前對疊加數據進行適當的去噪處理和濾波處理，疊后濾波參數為淺部12-17-80-90(Hz)、中部8-13-70-80(Hz)、深部3-7-60-70(Hz)，得到信噪比較高的地震疊加時間剖面，然后在此基礎上進行偏移處理。偏移速度測試：50%～100%，經過對比，最終選擇90%的速度進行偏移處理(圖13)。

圖13 疊加剖面(上)和偏移剖面(下)對比

3 討論

3.1 質量控制

從空間屬性的建立、單炮靜校、預處理、疊加速度分析到最終偏移剖面均進行嚴格的質量控制(QC)，以確定相應的處理參數和所用功能模塊是否合適，從而保證了本區資料處理的質量和精度。

處理時采取的主要質量保證措施如下：

(1)嚴格編輯工作，對不正常道認真挑選并剔除，對廢品記錄詳細標注。

(2)采用層析靜校方法，精細選取人工靜校正參數，最后在通過高精度速度分析與剩余靜校正相互迭代求取準確的剩余靜校正量，有效解決靜校正問題。

(3)針對區內各種不同干擾波的特征，通過分類、分時、分頻、分域、分區、分步的方法進行組合壓制，盡量減少對有效信號的傷害。加強中間成果的監視，多次顯示，多次修改，以確定最佳參數。

(4)嚴格進行初至、干擾波切除試驗，對切除量進行了多次的試驗工作，最大限度地實現了單炮凈化。

(5)嚴格進行反褶積預測步長測試，進一步壓制低頻干擾，提高信噪比。

3.2 處理成果及質量評述

通過對處理流程、模塊參數反復測試，對速度仔細分析，形成了長度為52.04km、CDP間隔為10m、垂向間隔為1.0ms、時長15s的二維地震數據，如圖14所示。二維地震一次覆蓋剖面總長為52.04km，滿120次覆蓋剖面長度為46.2km。

對處理后的地震滿疊加時間剖面(46.2km)進行了評價，Ⅰ類剖面長42.7km，占剖面總長的92.42%；Ⅱ類剖面3.5km，占剖面總長的7.58%；無Ⅲ類剖面，Ⅰ類+Ⅱ類剖面占剖面總長的100%，且Ⅱ類剖面主要分布在研究區邊界附近及村莊等疊加次數少的地段。

4 結論

(1)靜校正效果明顯，消除了單炮初至波扭曲現象，疊加剖面上反射信息突出，振幅得到增強；通過對比本區資料處理偏移距選擇200m比較合適；疊前噪音壓制針對區內幾種不同的干擾波，通過分類、分時、分頻、分域、分區、分步的方法進行壓制、去除，改善了疊加和偏移成像效果。

(2)經兩次振幅恢復處理，時間方向的能量得到補償，中深層反射波能量增強，道與道之間的反射能量均勻一致，也保持了反射層的特征；經過反褶積后不僅資料的視頻率得以提高，同時低頻干擾波得到了進一步的壓制，分辨率明顯提高，消除了同相軸的抖動和續至現象，使得單炮和疊加剖面的波組特征更加明顯。

(3)由于資料偏移距較大，應用常規動校方法后，近道同相軸校平后，遠道出現拉伸或過校平的現象，處理時在CMP道集上，采用四次項的非雙曲線動校正方法，在校平近道的同時也能夠校平遠道，增強疊加效果；經3次自動剩余靜校正迭代處理，反射波同相軸一致性提高，經過剩余靜校正處理后，疊加剖面上有效反射波同相軸在能量強度和連續性方面都有較大的改善。

(4)隨機噪聲衰減(RNA)技術去噪后的剖面隨機噪聲被有效衰減，信噪比得以明顯提高，且波形自然活躍；疊后時間偏移處理最終選擇90%的速度進行偏移處理取得了較好效果。

總之，經過處理后的二維地震數據頻帶寬，淺層、中層及深層波組層次較豐富，反射波波突出、連續性好、信噪比高，清晰地反映了深部地質結構，為本區域沂沭斷裂帶深部的構造研究及其巖石圈精細結構提供高品質的地震資料。

圖14 最終地震疊加時間剖面

致謝：數據野外采集由江蘇煤炭地質物測隊完成，在數據處理工作中與倪金才高級工程師多次探討，并得到山東省第一地質大隊邢學忠高級工程師的幫助，在此一并表示感謝。同時非常感謝山東省煤田地質規劃勘察研究院田思清高級工程師及審稿專家對本文提出的寶貴修改意見。