图1 原始单炮数据及其频谱
纸质出版日期:2022-01-25,
网络出版日期:2021-12-13,
收稿日期:2021-07-23,
录用日期:2021-10-27
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南海深海盆区海底和基底崎岖、地下地质构造复杂,这些因素使得地震资料发育大量的复杂多次波和绕射波,同时,受鬼波影响,深反射地震剖面低频信号损失严重,这给中深层目标成像带来了巨大挑战。针对南海二维深反射地震资料深层低频信息能量弱、复杂多次波发育、复杂绕射波干扰严重问题,采用自适应鬼波去除、组合法复杂多次波压制、多属性联合复杂绕射波衰减3项关键技术进行攻关处理,最终实际资料处理结果表明,深部弱反射信号低频成分5~13 Hz能量得到明显增强,深部地层信噪比从5提高到10,疑似莫霍面成像改善明显,为后续综合地质研究奠定了坚实基础。
The seabed and base of the deep-sea basin area of the South China Sea are rugged and have complex underground geological structures. These factors make a large number of complex multiple-waves and diffraction waves of seismic data develop. Meanwhile, caused by ghost waves, the low-frequency signal loss of deep reflection seismic profile is severe, which brings great challenges to the imaging of middle and deep targets. Concerning the problems of weak energy of deep low-frequency signal, the development of complex multiples and serious interference of diffraction waves in the 2D seismic data of the South China Sea, three key processing techniques, namely adaptive ghost wave removal, complex multiple wave combination suppression method and multi-attribute constrained complex diffraction attenuation, are adopted. The actual seismic data processing results show that: the deep 5-13 Hz low-frequency signal energy has been significantly enhanced, the signal-to-noise ratio has been increased from 5 to 10, and the suspected Moho imaging has improved significantly, which provides reliable basic data for subsequent comprehensive geological research.
南海深海盆区勘探潜力巨大[
海上常规水平拖缆地震采集的记录受海水面的鬼波影响,存在陷波特性,使得地震记录的频带变窄[
针对上述鬼波压制、复杂多次波及绕射波衰减,国内外专家学者做了大量的研究工作。目前,鬼波压制主要集中在采集和处理两个阶段,采集阶段通过宽频采集压制鬼波,基本思想是通过设计观测方式控制陷波点分布,再采用针对性的数据处理方法压制鬼波。部分宽频采集技术取得了很好的效果,但由于采集工程技术要求较高、成本较大等原因,常规水平拖缆采集仍然是业界主流[
多次波衰减方法的研究一直都是海洋地震资料处理重点,目前已发展了大量有效的方法,Weglein[
本文结合南海超过2 000 km二维深反射地震资料,详细梳理了影响中深部地层成像的三方面难点,即鬼波导致的低频信息能量弱、复杂多次波和绕射波发育降低了深部资料信噪比,并在前人研究基础上,针对上述难点,对现有处理方法和流程进行了甄选和优化,研究测试了自适应鬼波去除、组合复杂多次波压制和多属性联合复杂绕射波衰减3项关键技术,最终有效改善了深反射地震资料的深层成像质量。
研究区位于南海东北部,跨越了陆坡、海盆和海沟,水深2 000~4 600 m,其深部地质构造特征、地壳结构变化、热流分布都具有独有的特征,该区域地震成像研究对于研究南海形成演化具有重要作用。
地震信号低频信息相对高频具有衰减慢、穿透能力强的特点,因此,增强南海深反射地震资料低频能量对中深层成像至关重要。海洋地震勘探中,消除鬼波影响是提高地震频带宽度的最主要因素。
图1 原始单炮数据及其频谱
Fig.1 Original single shot data and its frequency spectrum
受复杂的海底地貌及地质条件影响,多次波的类型及特征较复杂。如
图2 原始叠加剖面
Fig.2 The original seismic stack profile
从
图3 原始共偏移距剖面
Fig.3 The original common offset profile
Rickett[
图4 去鬼波前后单炮及频谱
Fig.4 Single shot and spectrum before and after ghost wave removal
图5 去鬼波前后叠加剖面对比
Fig.5 Comparison of stack before and after ghost wave removal
针对南海深海盆区地震资料多次波特征的复杂性,首先对多次波进行分类,针对每一类特征的多次波,分步采用适用的衰减方法。对于与自由表面有关的多次波,采用SRME方法进行衰减;对于剩余的中远偏移距动校时差较大的多次波,采用CMP域高精度Radon变换方法衰减。对于不规则多次和复杂绕射多次波,采用F-X预测滤波方法进行衰减。具体处理流程如
图6 组合复杂多次波压制流程
Fig.6 Combined complex multiple suppression flow
2.2.1 SRME规则多次波衰减
SRME去多次波方法[
SRME衰减多次波包含两步,一是多次波模型预测,二是自适应相减。本次在SRME处理前,首先对涌浪噪音等异常大值振幅干扰进行了去除,然后采用Radon变换的方法对数据的近偏移距进行了补道和插值,从而提高SRME预测多次波模型的精度。自适应相减基于最小二乘方法,采用先大时窗后小时窗反复修正多次波模型再相减的方法。
图7 组合压制多次波单炮效果图
Fig.7 Combination suppression multiple single shot effect
图8 组合压制多次波叠加剖面效果图
Fig.8 Combination suppression multiple stack profile effect
2.2.2 Radon中远偏移距多次波衰减
SRME自由表面多次波衰减后,记录中仍残留较强多次波,考虑中远偏移距一次波和多次波存在明显动校时差差异,因此采用高精度Radon变换方法来进行中远偏移距多次波压制。实际处理中,为了提高Radon变换滤波衰减多次波的保幅性,首先利用Radon变换将多次波模型提取出来,再变换到时间-空间域,然后应用自适应相减的方式从原始数据中减掉中远偏移距多次波。由于Radon变换提取多次波的效果依赖于动校速度的精度,因此采用了速度和Radon迭代的方式进行了多次波衰减,具体实现过程是首先对存在大量多次波干扰的数据进行第一次速度分析,然后在Radon域选择较为保守的切除参数提取部分多次波,从数据中去除部分多次波,然后再利用去除部分多次波的数据进行第二次速度分析,得到相对准确的动校速度,再动校变换到Radon域,此时由于动校速度较为准确,因此可以大胆选择合理的切除参数提取多次波,最后从原始数据中彻底衰减多次波。本次这种迭代的处理方式,可以避免因动校速度不准,导致去除多次波过程中伤害一次反射。本次采用的Radon迭代去多次波方法是一种更保幅的去多次波方法。
2.2.3 F-X预测滤波残留多次波衰减
由于深水复杂地质条件、崎岖海底、海山发育等因素影响,经过SRME和Radon处理后的地震数据,仍然残留许多复杂的绕射多次波。针对残留绕射多次波在炮域具有的能量较强、相干、与一次波存在动校时差差异的特点,采用了基于F-X预测滤波的复杂绕射多次波衰减方法[
1)首先对数据进行动校正,然后将数据按
图9 数据体d(t,x,y)组合方式和时窗选择示意图
Fig.9 Seismic data d(t,x,y) combination diagram and time window selection diagram
2)选定较小时窗(例如10炮×5道×500 ms),做时间方向的一维傅里叶变换得到数据d(f,x,y);
3)对每一个频率数据,给定频率切片阈值和相邻炮阈值,如果当前炮平均振幅值和这个频率切片的平均振幅值之比超过频率切片阈值,同时,当前炮平均振幅值和相邻4炮的平均振幅值之比也超过相邻炮阈值,那么认为这炮存在残留绕射多次波。对所有频率切片数据均做上述处理,直到检测出所有的含有残留绕射多次波的炮数据;
4)构建三点预测误差滤波器,并对含有绕射多次波的单炮进行滤波处理,滤波器的作用类似于从当前道子波减去左右相邻两道子波的平均。
实际处理中,频率切片阈值和相邻炮阈值的选取极为关键,太小的阈值容易损伤一次反射,太大的值噪音衰减不彻底,本次处理对阈值进行了详细的扫描,最终根据噪音去除效果选择频率切片阈值1.1,相邻炮阈值为1.2。同时,为进一步改善去噪效果,对提取的绕射多次模型再次进行了大值相干信号提取,然后再从原始数据中将噪音减掉,提高了该方法的保幅性。
图10 组合压制多次波前后叠加剖面对比
Fig.10 Comparison of stack before and after combined suppression of multiples
崎岖不平的海底存在众多的绕射点,地震波到达绕射点后,产生大量的绕射波,这些绕射波传播到二维地震测线后,在剖面上形成了大量的双曲线型绕射波场,传播时间在海底和海底全程多次波之间,能量较强,互相混叠,速度约为1 600 m/s,这类绕射波与崎岖海底的绕射多次波发育的时间范围有所不同,大部分能量集中在海底和海底全程多次波之间。目前,常规基于单一倾角、能量、频率属性的去噪方法,很难去除。本文采用了一种联合利用倾角、能量、信噪比属性提取复杂绕射波模型的方法,首先从数据中提取高精度复杂绕射波模型,然后再从数据中自适应减去复杂绕射波,从而达到保幅衰减复杂绕射波的目的。该方法具体实现步骤为:
1)根据复杂绕射波倾角范围,给定倾角范围和空间道数确定扇形时窗;
2)在扇形时窗内扫描计算每个倾角的非归一化相关能量,具体计算方法见公式(1)
S=∑k+N2j=k-N2[∑Mi=1fij]2 , | (1) |
其中S为相关能量;fij为第i道的第j个样点值;M为总道数;N为以样点数k为中心的时窗长度。
3)非归一化相关能量大于给定阈值的,提取相应的复杂绕射波能量;
4)将提取的复杂绕射波能量通过最小二乘自适应从原始数据中减去。
倾角范围、空间道数和阈值是影响复杂绕射波提取的关键参数。倾角范围尽量按照要提取的复杂绕射波倾角范围给定,保证在较小的倾角范围内提取复杂绕射波,本次经过实际对复杂绕射波倾角范围的测量,给定-15到15;太大的空间道数计算效率低,太小的空间道数不能准确提取噪音,本次根据实际数据中信噪比较低的特点,选择空间道数25。此外,阈值控制提取复杂绕射波的能量大小,需要根据所要提取的绕射波能量大小综合给定,本次经过测试,选定阈值0.005。
图
图11 复杂绕射波衰减前后共偏移距剖面(偏移距3 825 m)对比图
Fig.11 Comparison of common offset profile (offset 3 825 m) before and after
图12 复杂绕射波衰减前后叠前时间偏移对比图
Fig.12 Comparison of pre-stack time migration before and after the attenuation of complex diffracted waves
图13 5~13 Hz新老叠前时间偏移对比
Fig.13 Comparison of previous and current pre-stack time migration (5-13 Hz )
图14 新老叠前时间偏移成果频谱对比
Fig.14 Comparison of previous and current pre-stack time migration spectrum
图15 新老叠前时间偏移成果及信噪比对比
Fig.15 Comparison of previous and current pre-stack time migration results and signal-to-noise ratio
有效恢复深部地层低频信号能量、压制复杂多次波及衰减复杂绕射波是改善南海深海盆区地震中深层成像的关键,本文针对南海深海盆区地震资料特点,采用3项关键处理技术,增强了南海深部弱反射信号的低频能量,提高了深部地层的信噪比,改善了深部地层的成像质量,取得了较好的应用效果,结论如下:
1)自适应鬼波去除技术有效增强了深层地震数据低频信息的能量,改善了中深层成像质量;
2)组合法复杂多次波衰减思路,对SRME、Radon、F-X预测滤波3种方法进行了合理组合,较好去除了南海深海盆区复杂多次波;
3)倾角、能量、信噪比3种地震属性联合应用提高了复杂绕射波模型的识别精度,最终有效衰减了复杂绕射波。
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