虚源成像技术在深部地质中的应用

虚源成像技术在深部地质中的应用

在传统的地震勘探中，对海洋层和复杂地表的影响往往会降低深度地质目标的成像质量。笔者在射线分析的基础上,研究了不同地震采集参数对虚源成像质量的影响,给出了单层水平介质条件下虚源成像地震观测系统设计的定量表达式,并从运动学的角度定量解释了固定相位的概念;同时,笔者揭示的调谐采样间隔,可为反射波信息的准确重构提供一种有效评价方法。1实际震源点x激发和积分假设存在一常密度、具有任意边界的非均匀各项同性3D声学介质体,在Wapenaar逆辐射条件从式(1)分析可得,由虚震源点A激发、检波点B接收的格林函数G(B|A),可以通过实际震源点X激发,A、B两点接收的格林函数做互相关,然后对整个震源曲面进行积分得到。当震源点X位于固定相位点时(图1),检波点A接收的直达波与检波点B接收的反射波做互相关,可以得到虚震源点A激发,检波点B接收的反射波场,对此重构得到的虚源记录进行预处理、偏移成像而在实际地震勘探中,震源点无法实现连续分布,因此,需要对式(1)进行离散化处理,可以得到:在炮点的采样间隔过于稀疏的情况下,式(2)会产生空间假频,在重构的虚源数据里引入假象2同相叠加与反射波信息的恢复为了避免不同反射层信息相互干涉所产生的波场假象,采用单层反射介质,研究影响虚源成像质量的关键因素炮点S通过式(2)可得,由炮点S定义相邻炮点分别重构的虚源波场的旅行时差为Δτ[图3(a)、图3(b)],由炮点S进一步整理化简可得:在炮点采样间隔Δs远远小于x+Δr和x的条件下,可以推导出以下近似式:由式(12)分析可得,在炮点的采样间隔足够小的情况下,Δτ与炮点采样间隔、反射波的入射角以及直达波的入射角成正比,与介质的速度成反比。而反射波、直达波的入射角则和检波点的位置,以及地质目标体的埋藏深度有关。在反射波入射角等于直达波入射角的情况下,即:此时由不同炮点重构产生的虚源波场能够建设性的同相叠加,保证了反射波场提取的准确性,把这样的炮点位置称之为固定相位点。当炮点位置不在固定相位点上,即反射波的入射角不等于直达波的入射角时(图2),Δτ不等于零,即相邻两炮重构的虚源波场存在旅行时差,当旅行时差超过震源子波的1/4周期时,就不能保证同相叠加,破坏了反射波信息的提取。如图3(c)所示,由于Δτ较大,叠加后的波场中出现了两个波峰值,无法分辨出真实的反射波信息。假设震源子波为主频35Hz的雷克子波,则可以得到不同Δτ下,通过叠加产生的反射波场的变化剖面(图4)。当Δτ逐渐增大时,叠加波场也逐渐由单个波峰转变成两个波峰,即由同相叠加转变为非同相叠加。由雷克子波的主频可以计算出其周期:在1/4波长的分辨能力下,可以看到,当Δτ不大于震源子波的1/4周期时,才能保证重构的反射波能量因为同相叠加而增强,否则会由于非同相叠加而产生多个伪同相轴,干扰反射波信息的准确重构。类似于楔形体模型中的调谐厚度,当由炮点采样间隔Δs所引起的旅行时差Δτ等于震源子波的1/4周期时,把该炮点采样间隔称之为调谐采样间隔。由式(12)可知,炮点采样间隔Δs与Δτ成正比,即当Δs不大于调谐采样间隔时,Δτ不大于震源子波的1/4周期,保证了反射波场通过不同震源点的同相叠加而增强。随着Δs的不断增大,Δτ也不断增大,当Δτ增大到大于震源子波的1/4周期时,重构的反射波场开始出现伪同相轴,破坏反射波信息的恢复。因此为了准确重构出反射波场,应该保证炮点的采样间隔不大于调谐采样间隔。3反射波场重构的基本原理图5为一具有水平反射层的单层均匀介质。炮间距和检波点间距分别为10m和500m,两个检波点埋深均为100m,其中R针对该模型,分别利用式(10)和式(12)计算出不同震源点处的旅行时差曲线,如图6(a)所示,其中蓝色实线代表了利用式(10)计算出的精确解,绿色虚线代表了利用式(12)计算出的近似解,红点代表了利用式(10)计算出的固定相位点,即当震源点位于x=-10m处时,旅行时差Δτ为零。从图6中可见,随着震源位置与固定相位点之间距离的不断加大,旅行时差Δτ的绝对值也在不断增大,直至最大值6ms,然后随着震源位置与固定相位点之间距离的进一步加大,旅行时差Δτ的绝对值不断减小,不断趋近于2ms。图6(b)为图6(a)中所示的精确值和近似值之间的误差曲线,可以看到,两者的误差在震源位置x=5m处达到最大绝对值0.34ms,随着震源位置的不断变化,两者的误差急剧减小,逐渐趋近于0ms,而实际地震数据的采样间隔一般为1~2ms,所以在一定近似条件下,可以用式(12)来研究炮间距对反射波信息重构的影响。图7(a)为不同炮点处,通过R在不改变模型参数以及震源子波主频的情况下,利用式(2)对不同炮间距下的反射波场进行重构,得到图9所示图形,分析可知,在10m炮间距下所重构的反射波场质量最好,随着炮间距的不断增大,由不同道集叠加产生的谐振波形强度不断增大,导致恢复的反射波信息的质量不断降低,直至完全淹没在谐振波场中。从图6(a)分析中可知,调谐采样间隔约为10m,因此为了准确恢复出反射波场,必须保证炮点采样间隔不大于调谐采样间隔,但同时,在大于调谐采样间隔的15m和20m的炮间距下,反射波场依然可以得到较好恢复。这是因为虽然在重构的波场中已经开始出现如图4所示的伪同相轴,但是由于该伪同相轴的强度还远远小于恢复的反射波场能量强度,因此并未影响反射波信息的拾取。随着炮间距的增大,同相叠加所重构的反射波场能量逐渐减弱,伪同相轴的能量相对增强,逐步干扰直至完全破坏反射波信息的恢复。因此把已经出现伪同相轴,并且伪同相轴的能量强度已经影响反射波的重构和拾取时的采样间隔称为可允许的最大采样间隔。如图9所示,虽然调谐采样间隔约10m,但是可允许的最大采样间隔达到20m范围,此时重构的反射波场信噪比为11。由于重构的波场在20m的范围内变化最为剧烈,因此在之后的反射波场提取中,均采用20m的炮间距,以研究式(11)中其他参数对重构反射波场的影响。由式(12)分析可知,炮点的采样间隔可以通过影响旅行时差Δτ,进而影响反射波场恢复的质量。对于给定的介质参数和检波点的埋藏深度而言,这些因素对旅行时差Δτ的影响程度就已确定,因此只能通过减小炮间距来减小旅行时差Δτ,进而提高虚源成像的质量。3.1调谐采样间隔持续增长原因及须年由式(10)分析可知,旅行时差Δτ与介质的速度成反比关系,在只改变图5所示模型的介质速度条件下,可以通过式(10)计算出旅行时差Δτ随介质速度的改变而变化的情况,如图10(b)所示。在固定相位点附近,旅行时差Δτ的变化最剧烈,随着介质速度的不断增大,旅行时差Δτ曲线的最大和最小值之差不断减小,而且其减小的速率也会随着速度的不断增大而变小,导致调谐采样间隔也在不断增大。图10(a)所示为不同偏移距下重构的互相关道集随介质速度的变化曲面,可以看到,随着介质速度的不断增大,互相关道集曲线的变化程度逐渐趋于平缓,同相性增强。图11是对图10(a)所示的互相关道集叠加后的结果,可以看到,当介质速度为1000m/s时,谐振波形的强度已经干扰了反射波信息的识别,此时应减小炮点采样间隔,进而减弱谐振噪音的干扰。当介质速度增大到1500m/s时,虽然依旧存在一定程度的谐振噪音,但是重构的反射波场信噪比已经达到12,反射波信息并没有被干扰和破坏掉。随着介质速度的不断增大,信噪比仍为12,并未发生明显改变,这与图10(b)所示的旅行时差的减小速率随速度的增大而变小相一致。3.2反射层深度对互相关道集曲线稳定性的影响在只改变图5所示模型目标反射层深度的条件下,可以通过式(10)计算出旅行时差Δτ随反射层深度的改变而变化的情况[图12(b)]。在固定相位点附近,旅行时差Δτ变化最剧烈。随着反射层深度的不断增大,旅行时差曲线并未发生明显改变,其中Δτ的最大和最小值之差也基本保持稳定,导致调谐采样间隔也基本保持不变。图12(a)为不同偏移距下所重构的互相关道集随反射层深度的变化曲面,可以看到,随着反射层深度的不断增大,互相关道集曲线的变化程度并未发生显著改变。图13是对图12(a)所示的互相关道集叠加后的结果,可以看到,虽然存在一定程度的谐振干扰,但是反射波信息依旧获得了较好恢复,信噪比为13。随着目标反射层深度的不断增大,信噪比一直保持在13附近,并没有发生明显改变,这与图12(b)所示的旅行时差曲线并未发生明显改变相一致。3.3影响探测点的深度假设图5所示模型的反射层深度为4000m,不断改变检波点R3.4检测点r的影响在只改变图5所示模型检波点R4基于taper滤波的转换波观测系统设计技术(1)基于射线分析的手段,可以推导出虚源成像观测系统设计的定量表达式,并在炮间距足够小的情况下,获取物理意义更加明确的近似表达式。(2)从运动学的角度定量解释固定相位点的概念,即满足反射波入射角等于直达波入射角的炮检点空间分布。同时通过互相关道集的Taper滤波,解决由于炮检点有限性产生的伪同相轴的影响。(3)当炮间距不大于调谐采样间隔时,旅行时差Δτ小于震源子波的1/4周期,可以