南海深反射地震關(guān)鍵處理技術(shù)研究及應(yīng)用*

邊冬輝，張寶金，2，劉玉萍，2，徐云霞，2，張如偉，2，彭科

1. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州），廣東 廣州 511458

2. 自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室/廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760

南海深海盆區(qū)勘探潛力巨大［1-3］，已成為國家油氣勘探潛在的儲量和產(chǎn)量接替區(qū)，同時，也是深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的重要區(qū)域。隨著海上油氣勘探和深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的不斷深入，迫切需要針對南海深海盆區(qū)深反射地震資料特點，研究和發(fā)展適用的深反射地震處理技術(shù)。

海上常規(guī)水平拖纜地震采集的記錄受海水面的鬼波影響，存在陷波特性，使得地震記錄的頻帶變窄［4］，低頻損失嚴重［5］，對中深層成像極為不利。此外，南海深海盆區(qū)海底地貌復雜，海底受構(gòu)造運動和海水侵蝕影響，海山發(fā)育、崎嶇不平、水深變化大，同時，地下受多期構(gòu)造運動影響，構(gòu)造復雜，斷層、特殊地質(zhì)體發(fā)育，巖性變化快［6］，導致地震波波場復雜，而目前普遍采用的二維地震觀測方式，接收到了大量觀測平面以外的三維波場信息，直接導致二維地震資料發(fā)育大量的復雜多次波和繞射波，這給中深層目標成像帶來了挑戰(zhàn)。

針對上述鬼波壓制、復雜多次波及繞射波衰減，國內(nèi)外專家學者做了大量的研究工作。目前，鬼波壓制主要集中在采集和處理兩個階段，采集階段通過寬頻采集壓制鬼波，基本思想是通過設(shè)計觀測方式控制陷波點分布，再采用針對性的數(shù)據(jù)處理方法壓制鬼波。部分寬頻采集技術(shù)取得了很好的效果，但由于采集工程技術(shù)要求較高、成本較大等原因，常規(guī)水平拖纜采集仍然是業(yè)界主流［7］。對于常規(guī)水平拖纜鬼波壓制，Jovanovich等［8］根據(jù)地震記錄是反射波與鬼波算子褶積的假設(shè)，采用反褶積處理方法壓制鬼波，但該方法由于鬼波算子存在零值點，所以不能完全消除鬼波。Fokkema 等［9］最早給出了頻率波數(shù)域波場外推法去鬼波方法；Weglein 等［10］提出將逆散射級數(shù)法（ISS）用于鬼波和多次波壓制；李翔和胡天躍［11］研究了逆散射級數(shù)法壓制自由表面多次波的理論，并用于實際資料；王芳芳等［12］提出在頻率-波數(shù)域內(nèi)構(gòu)造鬼波壓制算子，利用逆散射級數(shù)法壓制鬼波，但是ISS 處理過程是非線性相關(guān)的，容易產(chǎn)生線性誤差。Wang 等［13］在頻率波數(shù)域波場外推的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展了尋優(yōu)水檢深度的Bootstrap 方法。實際應(yīng)用中上述鬼波壓制方法雖然取得一定效果，但由于預測和壓制融合在一個濾波器中，限制了對鬼波的預測和壓制能力。

多次波衰減方法的研究一直都是海洋地震資料處理重點，目前已發(fā)展了大量有效的方法，Weglein［14］將這些方法歸結(jié)為兩大類：濾波法和波動理論法。濾波法基于一次波和多次波之間速度、周期、傾角等差異進行一次波和多次波分離，如FK 濾波［15-16］、RADON 濾波［17-18］、聚束濾波［19］等方法。而波動理論法則是從波動理論出發(fā)，建立多次波預測模型，然后通過自適應(yīng)相減去除預測的 多 次 波， 典 型 方 法 有 波 場 外 推 法［20-21］、SRME［22］、逆散射級數(shù)法［23］。濾波法的原理簡單，效率高，在多次波和一次波特征差異明顯時，效果較好。波動理論法雖然計算較為復雜，但保幅性更好，適用性更廣泛。兩類多次波衰減方法的結(jié)合，可以彌補每種方法各自的局限性，是目前復雜多次波衰減的有效思路。

本文結(jié)合南海超過2 000 km 二維深反射地震資料，詳細梳理了影響中深部地層成像的三方面難點，即鬼波導致的低頻信息能量弱、復雜多次波和繞射波發(fā)育降低了深部資料信噪比，并在前人研究基礎(chǔ)上，針對上述難點，對現(xiàn)有處理方法和流程進行了甄選和優(yōu)化，研究測試了自適應(yīng)鬼波去除、組合復雜多次波壓制和多屬性聯(lián)合復雜繞射波衰減3項關(guān)鍵技術(shù)，最終有效改善了深反射地震資料的深層成像質(zhì)量。

1 原始資料分析

研究區(qū)位于南海東北部，跨越了陸坡、海盆和海溝，水深2 000～4 600 m，其深部地質(zhì)構(gòu)造特征、地殼結(jié)構(gòu)變化、熱流分布都具有獨有的特征，該區(qū)域地震成像研究對于研究南海形成演化具有重要作用。

1.1 鬼波影響低頻信號能量

地震信號低頻信息相對高頻具有衰減慢、穿透能力強的特點，因此，增強南海深反射地震資料低頻能量對中深層成像至關(guān)重要。海洋地震勘探中，消除鬼波影響是提高地震頻帶寬度的最主要因素。

表1為南海深海盆區(qū)某典型區(qū)域二維拖纜地震資料采集參數(shù)。可見，電纜沉放深度11 m，氣槍沉放深度8 m。通過圖1 原始單炮數(shù)據(jù)和頻譜可以看出，受鬼波影響，頻帶存在陷波效應(yīng)，陷波頻率為80 和170 Hz 左右。本次地震數(shù)據(jù)的高頻截止頻率和第二個限波點頻率80 Hz 接近，因此鬼波對資料的高頻信息影響較小。由于理論上震源鬼波和電纜鬼波的起始陷波頻率都是0 Hz，這使得地震資料中的低頻分量迅速衰減。因此有效衰減鬼波，提高中深層低頻信號能量是南海深海盆區(qū)地震資料處理的一個難點。

圖1 原始單炮數(shù)據(jù)及其頻譜Fig.1 Original single shot data and its frequency spectrum

表1 南海深海盆區(qū)典型二維地震數(shù)據(jù)采集參數(shù)Table 1 Acquisition parameters of deep reflection 2D seismic in the South China Sea

1.2 復雜多次波發(fā)育

受復雜的海底地貌及地質(zhì)條件影響，多次波的類型及特征較復雜。如圖2，原始疊加剖面發(fā)育與海底和自由表面有關(guān)的規(guī)則長周期多次波，崎嶇海底引起的復雜繞射多次波。隨著海底以下地層深度的增加，反射地震信號能量衰減嚴重，而海底多次波主要在海水中傳播，相對衰減較少，能量較強，會直接影響下伏地層的地震反射信號，尤其是對深層反射具有較強的干擾作用，從而影響地震成像的真實性和可靠性。因此，針對復雜多次波的特征，研究針對性的多次波衰減技術(shù)，達到有效衰減復雜多次波，提高中深層信噪比，是南海深反射地震處理面臨的另一難點。

圖2 原始疊加剖面Fig.2 The original seismic stack profile

1.3 復雜繞射波發(fā)育

從圖3原始共偏移距剖面可以看出，在海底與海底全程多次波之間，發(fā)育許多雙曲線形態(tài)的繞射波場，該繞射波的能量較強，覆蓋的范圍較大，傳播速度約為1 600 m/s，主要在海水中傳播。這些復雜繞射波傳播特征十分復雜，主要與崎嶇海底和沉積層有關(guān)。各繞射波場相互重疊，互相干涉，嚴重干擾地震解釋。由于復雜繞射波的地震波動力學特征與有效反射波類似，因此，現(xiàn)有的只考慮單一振幅、傾角、頻率的地震波特征差異的各類噪音衰減方法很難進行去除。

圖3 原始共偏移距剖面Fig.3 The original common offset profile

2 對策及效果

2.1 自適應(yīng)鬼波去除技術(shù)

Rickett［24-25］提出了基于平面波分解的自適應(yīng)鬼波去除方法，該方法將地震數(shù)據(jù)在平面波（τ-p）域進行稀疏分解，然后通過反正切和平滑算子對一次波和鬼波時差進行約束，假設(shè)在較小的局部分析時窗內(nèi)，電纜傾角不變，最后通過基于L1范數(shù)的稀疏反演求取鬼波延遲算子和上行波場。該方法可用于二維或三維水平電纜或斜纜數(shù)據(jù)，可同時消除激發(fā)點、接收點鬼波效應(yīng)，對水速、激發(fā)點和接收點深度誤差容忍度大。該方法目標函數(shù)方程中的L1 阻尼因子和權(quán)重參數(shù)對最終鬼波分離效果影響很大，較大的L1 阻尼因子會增加模型的稀疏度，增加鬼波分離誤差，合適的L1 阻尼因子可以防止稀疏反演的過擬合問題，提高反演精度。權(quán)重梯度系數(shù)類似于AGC 的作用，合適的權(quán)重梯度系數(shù)可以減少大振幅對目標函數(shù)的敏感性，增加小振幅對目標函數(shù)的敏感性，提高反演過程的精度和穩(wěn)定性。本次攻關(guān)處理通過對輸入波場加權(quán)數(shù)據(jù)和鬼波分離結(jié)果的詳細分析和測試，最終選擇L1阻尼因子15，權(quán)重梯度系數(shù)0.05。

圖4a 和圖4b 是鬼波壓制前后炮集，可見，鬼波去除后資料波組特征更合理，地層反射界面更突出，分辨率得到提升，箭頭所示的深層低頻弱信號得到增強。從圖4c頻譜上可見，鬼波衰減后，消除了陷波效應(yīng)，拓寬了數(shù)據(jù)頻帶，尤其是低頻成分能量得到顯著增強。圖5為去鬼波前后的疊加剖面，如紅框所示，去鬼波后深層低頻信息更豐富，弱反射信號得到增強，成像更清楚，有利于后續(xù)精細地震解釋。

圖4 去鬼波前后單炮及頻譜Fig.4 Single shot and spectrum before and after ghost wave removal

圖5 去鬼波前后疊加剖面對比Fig.5 Comparison of stack before and after ghost wave removal

2.2 組合復雜多次波壓制

針對南海深海盆區(qū)地震資料多次波特征的復雜性，首先對多次波進行分類，針對每一類特征的多次波，分步采用適用的衰減方法。對于與自由表面有關(guān)的多次波，采用SRME 方法進行衰減；對于剩余的中遠偏移距動校時差較大的多次波，采用CMP 域高精度Radon 變換方法衰減。對于不規(guī)則多次和復雜繞射多次波，采用F-X預測濾波方法進行衰減。具體處理流程如圖6。

2.2.1 SRME 規(guī)則多次波衰減 SRME 去多次波方法［26］通過地震數(shù)據(jù)與自身進行時間-空間域褶積來預測多次波模型，低級次的多次波通過褶積運算可以構(gòu)成高級次多次波，然后再利用自適應(yīng)相減的方法去除多次波。該方法的優(yōu)勢在于預測過程不需要給定地下介質(zhì)任何先驗信息，可以估計出所有與自由表面相關(guān)的多次波，壓制近炮檢距的多次波效果更明顯。

SRME衰減多次波包含兩步，一是多次波模型預測，二是自適應(yīng)相減。本次在SRME 處理前，首先對涌浪噪音等異常大值振幅干擾進行了去除，然后采用Radon變換的方法對數(shù)據(jù)的近偏移距進行了補道和插值，從而提高SRME 預測多次波模型的精度。自適應(yīng)相減基于最小二乘方法，采用先大時窗后小時窗反復修正多次波模型再相減的方法。圖7a、圖7b為SRME去多次波前后單炮對比，圖8a、圖8b 是SRME 去多次波前后剖面對比，可見SRME 處理后，去除了大量的自由表面多次波，同時，剖面的背景變化較小，表明該方法的保幅性較好。

圖7 組合壓制多次波單炮效果圖Fig.7 Combination suppression multiple single shot effect

圖8 組合壓制多次波疊加剖面效果圖Fig.8 Combination suppression multiple stack profile effect

2.2.2 Radon 中遠偏移距多次波衰減 SRME 自由表面多次波衰減后，記錄中仍殘留較強多次波，考慮中遠偏移距一次波和多次波存在明顯動校時差差異，因此采用高精度Radon變換方法來進行中遠偏移距多次波壓制。實際處理中，為了提高Radon 變換濾波衰減多次波的保幅性，首先利用Radon 變換將多次波模型提取出來，再變換到時間-空間域，然后應(yīng)用自適應(yīng)相減的方式從原始數(shù)據(jù)中減掉中遠偏移距多次波。由于Radon變換提取多次波的效果依賴于動校速度的精度，因此采用了速度和Radon迭代的方式進行了多次波衰減，具體實現(xiàn)過程是首先對存在大量多次波干擾的數(shù)據(jù)進行第一次速度分析，然后在Radon域選擇較為保守的切除參數(shù)提取部分多次波，從數(shù)據(jù)中去除部分多次波，然后再利用去除部分多次波的數(shù)據(jù)進行第二次速度分析，得到相對準確的動校速度，再動校變換到Radon 域，此時由于動校速度較為準確，因此可以大膽選擇合理的切除參數(shù)提取多次波，最后從原始數(shù)據(jù)中徹底衰減多次波。本次這種迭代的處理方式，可以避免因動校速度不準，導致去除多次波過程中傷害一次反射。本次采用的Radon迭代去多次波方法是一種更保幅的去多次波方法。圖7b、圖7c 為Radon 迭代方法衰減多次波前后的單炮，圖8b、圖8c 為Radon 迭代方法衰減多次波前后的疊加剖面，可見，Radon變換方法進一步衰減了多次波能量。

2.2.3 F-X 預測濾波殘留多次波衰減 由于深水復雜地質(zhì)條件、崎嶇海底、海山發(fā)育等因素影響，經(jīng)過SRME和Radon處理后的地震數(shù)據(jù)，仍然殘留許多復雜的繞射多次波。針對殘留繞射多次波在炮域具有的能量較強、相干、與一次波存在動校時差差異的特點，采用了基于F-X預測濾波的復雜繞射多次波衰減方法［27-28］。該方法原本是應(yīng)用于海洋外源干擾壓制，考慮到復雜繞射多次波具有的相干性和能量較強的特點，本文將該方法應(yīng)用于復雜繞射多次壓制。具體實現(xiàn)步驟是：

1）首先對數(shù)據(jù)進行動校正，然后將數(shù)據(jù)按圖9所示進行排列得到數(shù)據(jù)d(t，x，y)；

圖9 數(shù)據(jù)體d(t，x，y)組合方式和時窗選擇示意圖Fig.9 Seismic data d(t,x,y)combination diagram and time window selection diagram

2）選定較小時窗（例如10 炮×5 道×500 ms），做時間方向的一維傅里葉變換得到數(shù)據(jù)d(f，x，y)；

3）對每一個頻率數(shù)據(jù)，給定頻率切片閾值和相鄰炮閾值，如果當前炮平均振幅值和這個頻率切片的平均振幅值之比超過頻率切片閾值，同時，當前炮平均振幅值和相鄰4炮的平均振幅值之比也超過相鄰炮閾值，那么認為這炮存在殘留繞射多次波。對所有頻率切片數(shù)據(jù)均做上述處理，直到檢測出所有的含有殘留繞射多次波的炮數(shù)據(jù)；

4）構(gòu)建三點預測誤差濾波器，并對含有繞射多次波的單炮進行濾波處理，濾波器的作用類似于從當前道子波減去左右相鄰兩道子波的平均。

實際處理中，頻率切片閾值和相鄰炮閾值的選取極為關(guān)鍵，太小的閾值容易損傷一次反射，太大的值噪音衰減不徹底，本次處理對閾值進行了詳細的掃描，最終根據(jù)噪音去除效果選擇頻率切片閾值1.1，相鄰炮閾值為1.2。同時，為進一步改善去噪效果，對提取的繞射多次模型再次進行了大值相干信號提取，然后再從原始數(shù)據(jù)中將噪音減掉，提高了該方法的保幅性。圖7c、圖7d和圖8c、圖8d 分別是繞射多次波去除前后單炮和疊加剖面對比，可見，F(xiàn)-X 預測濾波處理后，有效衰減了深部殘留多次波。圖10 為最終組合法多次波壓制前后局部放大顯示，可見，疊加剖面復雜多次波得到有效去除，深部有效反射信號得到了突出。

圖10 組合壓制多次波前后疊加剖面對比Fig.10 Comparison of stack before and after combined suppression of multiples

2.3 基于模型的復雜繞射波衰減

崎嶇不平的海底存在眾多的繞射點，地震波到達繞射點后，產(chǎn)生大量的繞射波，這些繞射波傳播到二維地震測線后，在剖面上形成了大量的雙曲線型繞射波場，傳播時間在海底和海底全程多次波之間，能量較強，互相混疊，速度約為1 600 m/s，這類繞射波與崎嶇海底的繞射多次波發(fā)育的時間范圍有所不同，大部分能量集中在海底和海底全程多次波之間。目前，常規(guī)基于單一傾角、能量、頻率屬性的去噪方法，很難去除。本文采用了一種聯(lián)合利用傾角、能量、信噪比屬性提取復雜繞射波模型的方法，首先從數(shù)據(jù)中提取高精度復雜繞射波模型，然后再從數(shù)據(jù)中自適應(yīng)減去復雜繞射波，從而達到保幅衰減復雜繞射波的目的。該方法具體實現(xiàn)步驟為：

1）根據(jù)復雜繞射波傾角范圍，給定傾角范圍和空間道數(shù)確定扇形時窗；

2）在扇形時窗內(nèi)掃描計算每個傾角的非歸一化相關(guān)能量，具體計算方法見公式（1）

其中S為相關(guān)能量；fij為第i道的第j個樣點值；M為總道數(shù)；N為以樣點數(shù)k為中心的時窗長度。

3）非歸一化相關(guān)能量大于給定閾值的，提取相應(yīng)的復雜繞射波能量；

4）將提取的復雜繞射波能量通過最小二乘自適應(yīng)從原始數(shù)據(jù)中減去。

傾角范圍、空間道數(shù)和閾值是影響復雜繞射波提取的關(guān)鍵參數(shù)。傾角范圍盡量按照要提取的復雜繞射波傾角范圍給定，保證在較小的傾角范圍內(nèi)提取復雜繞射波，本次經(jīng)過實際對復雜繞射波傾角范圍的測量，給定-15到15；太大的空間道數(shù)計算效率低，太小的空間道數(shù)不能準確提取噪音，本次根據(jù)實際數(shù)據(jù)中信噪比較低的特點，選擇空間道數(shù)25。此外，閾值控制提取復雜繞射波的能量大小，需要根據(jù)所要提取的繞射波能量大小綜合給定，本次經(jīng)過測試，選定閾值0.005。

圖11～12分別為復雜繞射波去除前后的共偏移距剖面和疊前時間偏移剖面對比，可見，基于模型的復雜繞射波衰減后，復雜繞射波去除較為徹底，消除了大量的構(gòu)造假象。

圖11 復雜繞射波衰減前后共偏移距剖面（偏移距3 825 m）對比圖Fig.11 Comparison of common offset profile(offset 3 825 m)before and after

2.4 處理效果分析

圖13 為新老疊前時間偏移成果5～13 Hz 低頻能量對比，圖14 為新老疊前時間偏移成果頻譜對比，可見，新成果低頻能量更強，因而整體上對深部反射地層刻畫更清楚。圖15 為最終新老疊前時間偏移成果和信噪比對比，可見，新成果剖面的波組關(guān)系清楚，低頻能量豐富，信噪比較高（從5 提高到10），如圖15 箭頭所示，疑似莫霍面反射波能量得到明顯增強，連續(xù)性更好，構(gòu)造形態(tài)細節(jié)刻畫清楚，更有利于后續(xù)深部地質(zhì)研究工作。

圖12 復雜繞射波衰減前后疊前時間偏移對比圖Fig.12 Comparison of pre-stack time migration before and after the attenuation of complex diffracted waves

圖13 5～13 Hz新老疊前時間偏移對比Fig.13 Comparison of previous and current pre-stack time migration(5-13 Hz)

圖14 新老疊前時間偏移成果頻譜對比Fig.14 Comparison of previous and current pre-stack time migration spectrum

圖15 新老疊前時間偏移成果及信噪比對比Fig.15 Comparison of previous and current pre-stack time migration results and signal-to-noise ratio

3 結(jié) 語

有效恢復深部地層低頻信號能量、壓制復雜多次波及衰減復雜繞射波是改善南海深海盆區(qū)地震中深層成像的關(guān)鍵，本文針對南海深海盆區(qū)地震資料特點，采用3項關(guān)鍵處理技術(shù)，增強了南海深部弱反射信號的低頻能量，提高了深部地層的信噪比，改善了深部地層的成像質(zhì)量，取得了較好的應(yīng)用效果，結(jié)論如下：

1）自適應(yīng)鬼波去除技術(shù)有效增強了深層地震數(shù)據(jù)低頻信息的能量，改善了中深層成像質(zhì)量；

2）組合法復雜多次波衰減思路，對SRME、Radon、F-X 預測濾波3 種方法進行了合理組合，較好去除了南海深海盆區(qū)復雜多次波；

3）傾角、能量、信噪比3 種地震屬性聯(lián)合應(yīng)用提高了復雜繞射波模型的識別精度，最終有效衰減了復雜繞射波。