黃土塬區(qū)三維地震勘探靜校正處理思路

張 巖,楊艷萍

(陜西省煤田物探測繪有限公司,陜西 西安 710005)

0 引言

陸上地震勘探中的諸多技術難點中,其中之一就是復雜地表區(qū)的靜校正。黃土塬地區(qū)地表地質(zhì)條件主要特點為塬、梁、坡、峁、溝交替出現(xiàn),溝壑縱橫交錯、塬面破碎,溝谷相對高差較大,研究區(qū)內(nèi)相對高差一般在150～250 m,塬面窄小;低降速層變化巨大,速度極不穩(wěn)定,塬上由黃土構成的低降速層的厚度可達200 m,并且溝谷中有出露基巖、礫石層、黃土等,巖性不同,風化程度不一,情況較為復雜;潛水面深度變化極大,塬上基本無明顯潛水面,溝谷中偶有地表水。上述因素導致反射波因巨厚疏松的黃土的強烈吸引影響,能量較小,同時各種噪聲、多次波、折射波、側面波和干擾信號也相對強烈,因此產(chǎn)生很大的靜校正量差和不適當?shù)膭有r差等影響結果,造成黃土塬區(qū)資料處理難度極大。

根據(jù)黃土塬資料特點,除資料處理的一般性之外,還要具備黃土塬地區(qū)資料處理的特殊性。需要解決以下問題:一是消除復雜地形起伏影響,使地震觀測數(shù)據(jù)近似地回歸到水平觀測界面,從而使得以水平觀測面為理論基礎的數(shù)據(jù)處理模塊可以得到應用。二是有效解決長波長靜校正問題,提高短波長靜校正精度,保證地震剖面的成像效果和構造的準確清晰。三是消除時間剖面上串相位的現(xiàn)象,提高時間剖面品質(zhì)。

1 黃土塬區(qū)靜校正處理的難點

1.1 浮動及統(tǒng)一基準面的選取困難

黃土塬區(qū)因沖溝發(fā)育、溝壁陡峻、相對高差大,從而導致浮動基準面、統(tǒng)一高程基準面的選擇非常艱難。

1.2 存在嚴重的低頻校正量誤差

黃土塬區(qū)淺層低降速層在縱橫方向上的厚度、速度通常有著明顯的變化,靜校正量出現(xiàn)了強烈的長波段(低頻)校正量誤差,而由高差和低降速層速度差異所產(chǎn)生的靜校正量,在同一個排列最大炮檢距區(qū)域內(nèi),時常超過最淺目的層反射信號的1/4。

1.3 表層靜校正建模困難

淺表層巖性的變化使得低降速層的形態(tài)、速度變化劇烈,對構建表層模型造成很大的難度。

2 處理思路

黃土塬區(qū)特殊的地形地貌,決定靜校正處理必須分步、多方法進行。黃土塬區(qū)除了存在靜校正量難以計算的問題外,還存在浮動基準面的選取問題。

關于靜校正量計算上的問題,通常采用野外一次靜校正、折射靜校正、層析反演靜校正、折射剩余靜校正等多手段、多方法聯(lián)動進行,靜校正效果的檢驗應以疊加剖面為準,而不能簡單的通過單炮的初至形態(tài)確定(由于黃土塬區(qū)受高差、低降速層突變的影響,造成單炮初至已不再是簡單的線性關系)。

因為浮動基準面的形態(tài)所產(chǎn)生的時差,必將直接影響其動校準確度,所以應該根據(jù)勘探區(qū)最具有代表性的多個測線(區(qū)域)進行測試處理后來判斷,選取最佳懸浮面和統(tǒng)一面參數(shù),而不要盲目地以點帶面。此外應注意以下兩點:①對于全區(qū)使用同一個統(tǒng)一面參數(shù)而引起剖面形態(tài)畸變的地區(qū),應考慮使用折線或折面統(tǒng)一面參數(shù);②處理中分步使用靜校正量,或直接使用浮動面校正量,在疊后再進行統(tǒng)一面校正。

黃土塬區(qū)提高和改善資料質(zhì)量的首要問題是解決好靜校正等問題,必須引起足夠的重視。

3 主要處理技術方法

3.1 靜校正方法的選擇

選擇3種靜校正的方法進行比較分析:一是傳統(tǒng)的常規(guī)靜校正,二是功能比較強大目前應用最廣的初至折射靜校正,三是層析靜校正。下面針對各種靜校正方法及各自的優(yōu)缺點,結合實際效果進行分析。

3.1.1 常規(guī)靜校正

優(yōu)點:如果低速帶資料質(zhì)量高,計算精度準確,低速帶點相對較密的情況下效果較好。

缺點:低速帶點距稀,在低降速帶速度厚度變化大的地段,不能代表整個勘探區(qū)低降速帶的變化趨勢。若低速帶點距密,則成本增大。

3.1.2 初至折射靜校正

優(yōu)點:一般來講,每一炮都有初至折射波,能連續(xù)追蹤地下折射界面,能較理想地求取近地表模型,對短波長分量的靜校效果比較好。

缺點:對于煤層埋藏淺的地區(qū)不太適宜。也不適用于表層模型速度橫向變化大、下層速度小于上層速度的情況。另外,由于算法忽略折射層傾角的存在,給解決靜校正的長波長分量帶來了先天不足。

3.1.3 層析靜校正

優(yōu)點:符合實際地質(zhì)情況,速度模型可以任意變化;初至波的拾取不受其波類型限制(如:直達波、折射波、回折波等)。提高反射記錄信息的利用率,也避免了處理人員對初至波類型的判斷,提高效率、降低人為誤差;具有垂直時移特征;觀測系統(tǒng)適應性強。

缺點:初始模型影響求解的唯一性;對初至時拾取的精度要求高;模型的底界多變;算法復雜,計算量大。

黃土塬區(qū)由于地表起伏劇烈,靜校正處理一般采用以下2種方法。首先采用高程靜校正,初步消除高程、低速層影響,在此基礎上再進行折射波靜校正。常規(guī)折射靜校正方法無法解決層內(nèi)的速度變化及橫向速度的突變,需要人工提供風化層速度(V0)等限制。為此在使用該方法前首先解決高程靜校正問題,彌補該方法的不足。其次反演靜校正方法采用層析法,作為一種非線性模型反演技術,該方法的優(yōu)點是不依賴于野外采集的低降速帶數(shù)據(jù),可以反演復雜的表層模型;缺點是對初始模型依賴性較高,同時對于初至波的容錯性較低。對于2種方法的選擇使用應依據(jù)勘探區(qū)的淺表層地震地質(zhì)條件擇優(yōu)選擇而定。

3.2 層析靜校正的計算參數(shù)

地震層析靜校正反演處理,基于全三維層析反演建立近地表速度模型并依次計算靜校正量。該技術適用于二維、三維地震勘探。利用層析反演建立最接近實際情況的近地表速度數(shù)據(jù)體。處理過程包含初至時拾取、模型空間參數(shù)以及初始速度定義、射線追蹤、剩余時差計算、速度模型修正等。

在層析反演過程中,首先要在反演的地質(zhì)區(qū)域內(nèi)建立初始速度模型,并對其網(wǎng)格化,即速度模型網(wǎng)格面元劃分,也就是建立一個初始化的有限速度空間場,使反演迭代過程在其中進行。網(wǎng)格面元的大小決定反演的速度和精度,網(wǎng)格面元劃分增大,運算速度提高,反演結果精度降低,反之,網(wǎng)格面元劃分減小,運算速度降低,反演結果精度提高。

面元的大小,應取決于介質(zhì)的復雜程度,在實際資料處理過程中,應通過不斷地試驗確定面元的大小。橫向采樣間隔,也就是網(wǎng)格面元橫向距離值,建議初始測試值為道間距的2倍;縱向采樣間隔,也就是縱向距離,應該根據(jù)測區(qū)內(nèi)低降速的空間形態(tài)確定。低降速層較厚并且分布較為規(guī)律的區(qū)域一般選擇15 m左右,而低降速層較厚和分布較為規(guī)律盆地邊緣的戈壁區(qū)以及山前區(qū)一般選擇約5 m,可以在反演速度與反演結構精度間達到很好的平衡。

層析反演的第一步是根據(jù)初始速度模型,對任意介質(zhì)模型網(wǎng)絡初至波射線正演。通過對初始速度模型和反演計算后得到的表層結構模型分析可知,表層的速度和厚度變化在表層結構模型里刻畫得很精細。

3.3 基準面的選擇

靜校正量是相對于某一種基準面的,因為在具體處理中必須確定一個基準面,這就是浮動基準面,而浮動基準面的選用關系到最終靜校正的結果,所以通常情況下浮動基準面選擇必須遵從如下原理。一是浮動基準面通常為近地表的平滑表面,且在高速層頂界面之上。二是浮動基準面上起伏的波長量,不應小于排列最大炮檢距的2倍。三是在最大炮檢距區(qū)域內(nèi),所產(chǎn)生的靜校正量應等于最淺目的層反射波頻率周期的1/4。四是關于最終統(tǒng)一基準面的選取要注意填充速率和統(tǒng)一面高程這2個參數(shù)的應用,一般遵循2個原則,要統(tǒng)一面高于全區(qū)降速層頂界面,并且填充速度不大于降速層速度。

3.4 靜校正量的分頻使用

通常靜校正方法所得到的靜校正量基本上是統(tǒng)一面校準量,在這樣的情況下可以將靜校正量劃分為長波段分量與短波段分量,2個分量可分步使用。由于多方面因素,在疊前先采用短波段校準量,疊后再運用長波段校準量,主要用于以下方面:一是速度分析方法、剩余靜校正等方式都構建在近地表激發(fā)接收的基礎上,疊前僅采用了短波段校準量就相當于在近地表面消除了高頻校準分量,從而達到了速度分析、剩余靜校正應用的理論前提條件。二是有利于對中間剖面的研究和利用,也有利于鉆孔標定。三是對于表層結構較復雜、地形起伏很大的區(qū)域,在進行高程基準面靜態(tài)修正后,尤其是進行區(qū)域靜校正量修正后(及一次采用全部靜校正分量),靜校正量修正對動校正速度產(chǎn)生的負面影響非常明顯,其動校正速度在地質(zhì)解釋時會產(chǎn)生較大誤差。

當然中長波長靜校正量容易導致構造形狀畸變,短波長靜校正量影響剖面信噪比,但有些情形下,為在最終疊加前更精確掌握復雜構造形狀,可不再局限上述使用方式,而采用一步應用所有靜校正分量。

3.5 剩余靜校正

剩余靜校正和速度分析的反復迭代,能夠更有效地改善研究剖面的連續(xù)性、信噪比等。并非靜校正不能解決的問題都能交給剩余靜校正來解決,如何判定最終剖面已完全或近乎完全地解決了靜校正問題,是否還有與靜校正有關的問題仍需要解決。應該對各次剩余靜校正迭代的數(shù)值進行對比。如果差異并不大,表示該方法至少已收斂于局部解或可能是全局解。

剩余時差的出現(xiàn)也會影響剩余靜校正量,許多剩余靜校正量技術都可解決該問題。如果不是這種情況,用差的疊加速度來估計最優(yōu)化的校正量是有可能的。如果在估計剩余靜校正量之前應用到數(shù)據(jù)中的疊加速度與應用了剩余靜校正后計算出的值明顯不同,這種情況也會出現(xiàn)。從剩余靜校正來發(fā)現(xiàn)靜校正可能存在的問題,根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題,重新修改計算靜校正量,然后再次進行剩余靜校正的計算以及檢查,即通過這樣反復的“迭代”,獲得真實正確的靜校正量。

4 應用效果

低速帶調(diào)查資料表明,試驗區(qū)低降速帶厚度大、厚度變化大、速度縱橫向變化大,從430 m/s到1 700 m/s。靜校正特別是長波長校正問題尤為突出,因此,做好靜校正是處理該區(qū)資料的關鍵。該區(qū)局部折射靜校正地表、折射層模型示意如圖1所示。

圖1 折射靜校正地表、折射層模型

4.1 靜校正計算處理

在進行層析靜校正處理前對該區(qū)進行多種模型建模方法對比,從速度反演結果以及靜校正效果來看,雖然直接調(diào)用折射靜校正模型建立的速度初始速度模型看似接近實際情況,但卻不利于速度反演計算,在此使用梯度模型建模方式。

三維層析靜校正軟件提供豐富實用的三維可視化成果檢查,利用速度數(shù)據(jù)體、HitCount數(shù)據(jù)體、剩余時差數(shù)據(jù)體,可以方便全面地對數(shù)據(jù)體各個方向,以及順層方向進行效果分析檢查。分析實際資料后認為層析靜校正能更好地解決低降速層對靜校正的影響。

4.2 靜校正應用

通過對單炮記錄以及初疊剖面分析后認為,該區(qū)存在較大的長波長校正量,折射靜校正能較好地解決短波長校正量,但無法解決長波長校正量;層析靜校正能較好地解決長波長靜校正量,但對于短波長校正量解決能力差。但后者通過后續(xù)的剩余靜校正計算,可以較好地解決層析靜校正短波長校正量的不足(剩余靜校正的模型基礎是道集已基本消除了長波長靜校正量影響)。

野外靜校正、折射靜校正、層析靜校正應用后疊加剖面對比如圖2所示。3種靜校正方法中,野外靜校正效果較差。折射靜校正與層析靜校正相對比,淺層反射波局部連續(xù)性前者好于后者,而深部反射波連續(xù)性則是后者好于前者,剖面整體形態(tài)合理性及連續(xù)性也是后者明顯好于前者。

圖2 疊加剖面對比

通過分別應用折射靜校正及層析靜校正校正量的數(shù)據(jù)進行剩余靜校正量計算處理,對比結果為,應用層析靜校正疊加數(shù)據(jù),剩余靜校正收斂系數(shù)穩(wěn)定收斂,反射波連續(xù)性、信噪比有較大改善;而應用折射靜校正疊加數(shù)據(jù),剩余靜校正計算易出現(xiàn)周期跳(主要原因為存在較大長波長剩余校正量),連續(xù)性及信噪比改善有限。

5 結語

(1)在實際的資料處理中往往會出現(xiàn)某些問題,需要處理人員充分地注意。并非全屬于靜校正問題,隨著地表條件的變化,常發(fā)生地層突變的現(xiàn)象,例如:無低降速層等。

(2)合格靜校正應有衡量標準,在一般條件下,常以相鄰炮之間是否初至平行,初至波是否被校直等作為檢驗靜校正正確與否的標準尺度,但是在地勢劇烈起伏、排列上變動很大的情形下,特別是在黃土塬地區(qū),上述標準就不再適合進行靜校正的檢驗。