浅地层剖面的自由界面多次波预测与衰减.docxVIP

1、第47卷第8期2017年8月中国海洋大学学报PERIODICALOFOCEANUNIVERSITY()FCHINA浅地层剖面的自由界面多次波预测与衰减基金项目：国家自然科学基金项H(41574105；41674118)；国家谊大科技专项(2016ZX05027-002)；W岛海洋科学与技术国家实抱室聚山科技创新计划项目(2016ASKH3)资助SupportedbytheNationalScienceFoundationof(.hina(41574105；41674118)；theNationalScienceandTechnologyMajorProject(2016ZXO5O27-OO2)

2、jtheScientificandTechnologicalInnovationProjectFinanciallySupportedbyQingdaoNationallaboratory(ojMarineScienceandTechnology(2016ASKJ13)收稿日期：2017-01-21；修订日期：2017-03-22作者简介：赵波(1979-),男，硕士.E-mail:boz通讯作者：Email：tanjun0532浅地层剖面的自由界面多次波预测与衰减基金项目：国家自然科学基金项H(41574105；41674118)；国家谊大科技专项(2016ZX05027-002)；W岛海洋

3、科学与技术国家实抱室聚山科技创新计划项目(2016ASKH3)资助SupportedbytheNationalScienceFoundationof(.hina(41574105；41674118)；theNationalScienceandTechnologyMajorProject(2016ZXO5O27-OO2)jtheScientificandTechnologicalInnovationProjectFinanciallySupportedbyQingdaoNationallaboratory(ojMarineScienceandTechnology(2016ASKJ13)收稿日期：

4、2017-01-21；修订日期：2017-03-22作者简介：赵波(1979-),男，硕士.E-mail:boz通讯作者：Email：tanjun0532赵波微,3,谭军李金山】,2,3,宋浩,2,3(1.中国海洋大学海洋地球科学学院.山东青岛266100；2.海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室.山东青岛266071；3.中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室.山东青舶266100)摘要：本文基于仅包含一次波和自由界面多次波的原始浅剖资料地震波场,推导出适应于单道数据的自由界面多次波预测方程，并提出基于同相轴追踪的多次波剔除与多道维纳滤波相结合的组合匹配衰减方法，实现了

5、高精度的浅剖数据自由界面多次波预测与衰减,理论模型与实际浅地层剖面的处理实验均证明了该多次波预测与匹配衰减方法的有效性。关键词：浅地层剖面；自由界面多次波预测；多次波组合匹配衰减;短时窗FK滤波中图法分类号：P315.3文献标志码：A文章编号：1672-5174(2017)08112-07DOI：10.16441/ki.hdxb,20170041引用格式：赵波，谭军，李金山，等.浅地层剖面的自由界面多次波预测与衰减J.中国海洋大学学报(自然科学版)，2017,47(8)：112-118.ZHAOBo.TANJun,LIJin-Shan,etal.Surface-relatedmultiplep

6、redictionandattenuationofsub*bottomprofilcJ2.PeriodicalofOceanUniversityofChina,2017,47(8)：112-118.浅地层剖面测量是一种基于声学原理的连续走航自由界面多次波衰减(SRME)方法MJ。视速度滤波类式探测水下浅地层结构和构造的地球物理方法，是进行海洋地球物理调查的常用手段之一，它利用声波在海水和海底沉积物中的传播和反射特性及规律对海底沉积物结构和构造进行连续探测，从而获得直观的海底浅部地层结构剖面。浅地层剖面方法能够快速地探测水下地层的地质特征及其分布，且纵向分辨率较高，因此其在海洋调查中得到了广泛的

7、应用。由于在海洋中存在海平面和海底这两个较大反射系数的界面，因此浅地层剖面中会产生与一次反射波伴生的海底多次反射波。多次波的存在，严重地降低了浅地层剖面资料的信噪比，对后续的地质解释工作造成困难甚至产生“误导。由于浅地层剖面是单炮激发、单道接收，且其无法直接提供地下地层的速度信息，这为浅地层剖面数据的多次波剔除工作带来困难，迄今为止,关于浅地层剖面资料的多次波剔除方法研究或多次波剔除成功示例鲜有报道。油气地震勘探中常用的多次波压制方法主要有视速度滤波类方法方、拉冬变换法“勺以及基于反馈环理论的方法通常需要地下地层的速度信息，并且数据具有较高的覆盖次数,因此难以适应浅地层剖面资料的多次波剔除。S

8、RME方法不依赖海底以下介质的任何信息，基于外业数据采集得到的地震记录直接进行多次波的预测分析，而且其压制多次波的效果较好，因此近年来，中国应用SRME技术在地震勘探数据处理方面的研究成果屡见不鲜。史文英等在我国南部某浅水海区，通过应用串联SRME的技术方法，对大的短周期海底多次波进行衰减剔除，得到了明显效果。马继涛等加研究提出一种基于SRME理论的海底电缆多次波压制方法,其通过共炮点道集的褶积运算即可预测出所有与自由界面相关的多次波，然后利用自适应相减算法消除多次波。郝振江等2通过改进后的SRME对OBC数据自由界面多次波进行衰减,也取得了一定的效果。SRME是一种基于反馈环理论的数据驱动的

9、多次波预测与衰减方法，其不需要速度信息，因此理论上其同样适应于单道数据的多次波处理。然而传统的反愤环理论仅给出了迭代形式的自由界面多次波衰减过程,其要求在每次迭代过程中采用自适应减去法进行多次波的压制,并且该过程不适应于每炮仅具有单道的浅地层剖面的多次波压制处理(一次波信号损伤或波形畸变极易导致多次迭代衰减过程不稳定)。为此,本文在假设原始浅地层剖面的地震波场中仅含有一次波与各阶自由界面多次波的前提下，推导出适应于单道数据的自由界面多次波预测方程，并旦针对浅地层剖面多次波匹配衰减困难的问题(极易损伤一次波信号)，提出了基于同相轴追踪的多次波剔除与多道维纳滤波KM相结合的组合匹配衰减方法，以实现

10、高精度的浅剖数据自由界面多次波剔除与衰减，理论模型与实际浅地层剖面的处理结果验证了本文方法的有效性。1浅地层剖面的自由界面多次波预测海面通常为极强的波阻抗界面(反射系数近于一1的自由界面)，导致海上地震记录中的多次波绝大多数都与自由界面有关。若浅剖资料中各炮记录的最小偏移距为。，则抽取剖面中各道数据分别为道号与旅行时)均可形成适合自由界面多次波预测的独立地震波场。抽取剖面中的第i道做傅立叶变换可得8(旬，o)=jd(i,z)eAdt。(1)式中：尸表示原始地震波场;2表示深度/=%说明是在自由界面位置进行的波场测量W为频率。一般来说，原始记录d(iu)中的层间多次波因振幅较弱可被忽略，则相应地

11、震波场中可视为由一次波与自由界面多次波组成，即NO,3)NO,3)(2)若=0时，P。为一次波波场，当1时，Pn表示第+1阶自由界面多次波的波场。由于浅剖资料均是在海面采集的，波场测量的深度N恒等于N。，则式(2)中Z0可被忽略，即8P(3)=:Pn(CO)on-0(3)根据Berkhout和Verschuur的反馈理论，原始地震波场中的第+1阶自由界面多次波Pn可表示为彼P”(o)=Po(3)A(3)了Po(3)O(4)式中，1，自由界面因子AM为A(/)=S4-(s)TR(3)T(w)T(5)其中：S表示位于自由界面Z0处的下行震源波场，其包括震源组合特性和震源虚反射效应；R为自由界面位置

12、向下反射的反射因子;算子D描述了检波器组合特性及其虚反射影响。式(4)说明了自由界面多次波的形成过程:一次波的上行波场在自由界面位置发生向F反射，经地下各波阻抗界面的向上反射将形成2阶自由界面多次波的上行波场;2阶自由界面多次波的上行波场经自由界面的向下反射将形成3阶的自由界面多次波；依次类推，即一次波的上行波场在自由界面处历经了次向下反射,形成第+1阶的自由界面多次波。将式(4)代入式(2)中，则原始地震波场可表示为P(s)=Po(3)+SP。(S)A(s)P(s)=Po(3)+SP。(S)A(s)”Po(s)。(6)现以原始地震记录的波场F作为初始波场进行自由界面多次波预测，则所得地震记录

13、的波场为PmM=P(s)A(s)PMo(7)将式(6)代入式(7),得PP)=8Po(3)+SPo(O)A(ty)Po(o)A(co)Po(3)+n1oo、Po(qA(s)”Po(3)。.W=1可进一步展开为P(a)=PoMA(w)Po(G+2P(s)A(o)J2Pq(o)+3Po(|)A(o)3Po(tt)+(n1)Po(3)人(a)Pq(切)+nPo(a)A(z)Jpz(i，t)=MCWFCdez)其中:MCWF(MultichannelWienerFiltering)表示多道维纳滤波算子中包含的是由剖面d*,t)中滤出的一次波信息庭讨)为消除剖面dm(iu)中复杂多次波的结果。最终衰减多

14、次波后的剖面为式中滤波结果的和，即p(i,t)=pi。(15)式中为组合匹配衰减的最终结果。式(14)中包含了两项不同目的多道维纳滤波处理,第一项的目的是去除准多次波剖面中的残余多次波,而第二项旨在克服多次波与一次波时差较小时导致的有效信号损伤。在实际处理时，这两个处理过程均为可选步骤，其可在对浅地层剖面特征与多次波初次衰减结果分析的基础上确定是否予以选用。3模型数据处理实验建立如图2所示的速度模型，其包含速度由低到高变化的7套地层，此模型的第36个反射界面发生了不同程度的弯曲，其中界面3与5存在着背斜与凹陷构造，而界面4与6则为倾斜界面.这些复杂构造为多次波的预测与衰减带来一定困难。利用声波

15、方程有限差分法进行正演模拟震源采用主频为100。Hz的雷克子波（见图3）,共创建了1000炮单道记录，其炮间距和最小偏移距分别为1和0m,而记录的时间采样间隔为0.05ms。图1某于同相轴迫踪的多次波组合匹配衰减流程Fig.1Theprocessingflowchartofcombinedmultiplematchingattenuation图2速度模型Fig.2VelocitymodeldEV彖时间Timezms00.511.522.533.51IIIa0.5-0.0-0.5-1图3主频为1000Hz的雷克于波波形图Fig.3Waveformof1000HzmainfrequencyRick

16、erwavelet在抽取各炮记录的地震道所组成的浅地层剖面（见图4）中，箭头指向的均为多次波同相轴.其与同时段的一次波同相轴相交.且在局部位置与一次波同相轴近乎重合。3. 1自由界面多次波预测在进行自由界面多次波预测之前.首先需要求取自由界面因子。对于浅地层剖面自由界面多次波预测而言，其自由界面因子可通过针对原始剖面的子波估计来计算.获得的包含虚反射效应的地震子波（与实际震源子波不同，其逆可视为自由界面因子）如图5所示，由于海面向下的反射系数接近一1该地震子波与剖面中反射信号的波形反相。SEHM-Mk湾MW距岛Distancem200300400500600700800900图4原始剖面Fig

17、.4Originalsection距离Distancem图6预测的多次波剖面Fig.6Predictedmultiplesectionooo50511着HM-UBlt澹3o输入原始剖面进行n由界面多次波预测.获得了仅包含多次波干扰的浅地层剖面（见图6）。通过对比可知.多次波剖面中的同相轴旅行时与原始剖面中的基本一致.从而可利用基于同相轴追踪的多次波组合匹配衰减方法予以消除。时间Timems00.511.522.533.544.55iso距离Distancc/m0，0-200300.400河SO.A。8。卯。图7衰减多次波后的浅地层剖面Fig.7Sectionaftermultipleatten

18、uation50100SEH.MW潺M图5蓊于原始剖面求取的包含虚反射效应的地震子波Fig.5Seismicwaveletincludingghosteffectextractedfromoriginalsection3.2自由界面多次波的组合匹配衰减根据组合多次波匹配衰减方法的处理流程，本文首先基于多次波剖面追踪出原始剖面中的主要多次波同相轴然后对其实施短时窗FK视速度滤波处理后获得准一次波剖面，再利用多道维纳滤波法进一步消除所得剖面中振幅较弱的残余多次波.最终的多次波组合匹配衰减结果见图7,而去除的多次波干扰（原始剖面与衰减多次波后剖面的差）如图8所示。比较图4、图7和图8可知.原始剖面中

19、的多次波信号受到明显压制.其中箭头指向的多次波同相轴已被完全消除.而原剖面中的一次波几乎未受损伤。距腐Distance/m200300400500600700800900图8去除的多次波干扰Fig.8Subtractedmultiple500050nn4野外资料处理实验黄海海域为硬海底区域.海底较为平坦，水深约45m.导致相应的浅地层剖面中发育有极强的自由界面多次波。对测线L的原始剖面进行带通滤波、非零偏移距消除、涌浪时差校正、振幅平衡与宜达波切除、子波整型等步骤的预处理所得剖面如图9所示,其中箭头指向的为较强的海底全程多次波及海底以下强反射界面的微屈多次波.而在“蓝色”框矩形区域范围内，海底

20、的全程多次波同相轴与海底以下地层的一次波同相轴登合在一起.从而掩盖了下部构造中的地层信息，这无疑会给地质人员对地下构造的精确解释分析带来一定的困扰。经过预处理之后.浅地层剖面野外观测过程可满足如下3个假设:各炮的震源子波相差不大;地震波在海面发生向下反射的反射系数恒为一1；检波器组合特性完全一致。在这种悄况下，利用预处理之后的剖面(见图9)估计出“平均震源子波.然后基于公式(5)和公式(7)的口由界面多次波预测方程进行自由界面多次波的预测.得到的多次波剖面如图1。所示，其包含了图9中所显示出的全部多次波信息.而且两剖面中箭头指向的多次波同相轴的旅行时基本一致。距离Distancekm距离Dis

21、tancekm100150200图9经过预处理后的剖血Fig.9Sectionafterpreprocessing50距离Distancekm7N9图10预测的多次波剖面Fig.10PredictedmultiplesectionSEf-.ss潺MR获得多次波剖面之后.利用组合匹配衰减方法进行多次波的剔除,相应的结果如图11所示。与图9相比,原始剖面中箭头指向的多次波同相轴已被消除，一次波信息得以突显出来.从而使相应的地质构造更易于解释分析。距府Distancekm506789距府Distancekm506789100150200图11衰减多次波后的剖面Fig.11Sectionaftermu

22、ltipleattenuation5结语本文首先推导出以原始浅地层剖面波场作为输入的日由界面多次波预测方程.得到其多次波预测波场中第+1(1)阶“自由界面多次波”的能址具有倍增幅畸变的结论作为下一步多次波匹配衰减的指导,然后为在保持一次波不受损伤的前提下有效衰减预测的多次波.提出r基于同相轴追踪的多次波剔除与多道维纳滤波相结合的多次波组合匹配衰减方法.从而显著提高了浅剖资料的多次波匹配衰减精度。模型实验和实际数据处理结果表明.本文提出的多次波预测与衰减方法适合于高分辨率的浅地层剖而数据的多次波压制.同时该方法也适应于单道地震数据的多次波剔除处理。参考文献：1 王方飒.浅地层制面仪的电用及资料解

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