黃興輝

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一種反射同相軸自動拾取算法

黃興輝

本文針對地震海洋學研究中反射同相軸的提取問題，提出了一套自動拾取算法。在海洋能量傳遞的地震海洋學研究中起到重要的基礎性作用。

海洋是太陽向地球傳輸能量的紐帶。能量在海洋內(nèi)部的傳遞是地球能級中一個重要的環(huán)節(jié)。但是，由于海洋學觀測數(shù)據(jù)的缺乏，能量在不同尺度海洋學現(xiàn)象之間的傳遞機制尚不完全清楚。地震海洋學可以為海洋能量研究提供大量的高橫向分辨率的數(shù)據(jù)，而反射同相軸的提取是其中一項重要的基礎工作。

拾取反射同相軸是地震海洋學的一項重要的基礎工作。本文針對地震海洋學數(shù)據(jù)的特征提出了一套反射同相軸自動拾取算法。該算法以數(shù)據(jù)段和震源子波的互相關以及數(shù)據(jù)段波峰的振幅能量作為判斷其是否為有效反射的標準；基于橫向追蹤算法完成整條同相軸的拾取。拾取之前，首先對地震數(shù)據(jù)做傾角濾波處理，以提高數(shù)據(jù)的信噪比，增強同相軸的橫向連續(xù)性。實際的應用效果表明，本方法的成功率和準確率都很高，是地震海洋學研究的有力工具。

地震海洋學是一門新興的反射地震學和物理海洋學的交叉學科。它利用傳統(tǒng)的反射地震學的數(shù)據(jù)和方法研究物理海洋學的現(xiàn)象和問題。這門學科探索性的工作最早出現(xiàn)在20世紀60年代，甚至更早；但是，其后發(fā)展一直較為緩慢。直到2003年，Holbrook等里程碑式的文章發(fā)表之后，這門學科才開始快速發(fā)展，日趨完善。時至今日，地震海洋學已經(jīng)成熟為一門獨立的學科，它不僅可以直接根據(jù)地震剖面上的反射特征識別海洋學現(xiàn)象，討論它們的空間形態(tài)和尺度；還可以使用傳統(tǒng)的反射地震學反演方法將反射地震數(shù)據(jù)轉換為物理海洋學參數(shù)，然后進行進一步的研究。另外，在與等密線平行或重合的假設條件之下，反射同相軸還可以用來計算海洋的內(nèi)波譜、耗散率和地轉剪切等海洋學參數(shù)，進而討論海洋內(nèi)部能量傳遞過程及耗散機制。在這類工作中，第一步，也是最關鍵的一步需要將反射同相軸拾取出來，然后才能進行后續(xù)的計算。在長度為幾十公里的地震剖面上可能存在數(shù)百條反射同相軸，累計長度一般超過幾百公里；單純靠人工拾取，工作量是不可想象的。因此，同相軸拾取的自動算法必不可少。

傳統(tǒng)的反射地震勘探中，拾取同相軸是地震資料解釋工作的基礎。長期的工作經(jīng)驗也積累了多種同相軸自動拾取的算法，例如神經(jīng)網(wǎng)絡方法、鏈匹配算法、基于四階累積量的同相軸自動拾取方法以及能量比與互相關法等。但是，這些算法都是針對來自于固體彈性介質的反射地震數(shù)據(jù)的特征設計的；而地震海洋學研究使用的反射地震數(shù)據(jù)來自于海水層，有其自身的特點，上述這些方法并不完全適用。液體介質不能傳播剪切波；因此，地震海洋學數(shù)據(jù)的地震波類型單一，只有P波，波形也較為穩(wěn)定。海水內(nèi)部不存在突變的結構面；因此，反射同相軸都是逐漸出現(xiàn)和消失。海水內(nèi)部波阻抗整體變化不大，反射強度一般較弱；因此，反射同相軸中間可能存在間斷。另外，海水的流動性也決定了海水層反射同相軸整體較為平緩，傾角較小。本文根據(jù)海水層反射數(shù)據(jù)的上述特點，提出了一套簡單有效的反射同相軸自動拾取算法。實際的應用效果表明，本方法對海水層反射同相軸的識別成功率非常高，結果也具有很好的橫向連續(xù)性，是地震海洋學內(nèi)波譜分析、耗散率和地轉剪切的計算以及其他相關工作的有力工具。

方法

拾取算法的整體思路如下：首先在地震剖面上識別出一條反射同相軸的起點；然后進行橫向追蹤，直至其尾端；最后根據(jù)其長度判定這條同相軸是否有效。實際操作中，對于一個給定的反射地震數(shù)據(jù)體，逐道進行處理；首先追蹤已經(jīng)找到并存儲的同相軸，然后尋找新的同相軸加入記錄，流程如圖1a所示。

圖1　（a）拾取算法的整體流程 （b）追蹤同相軸的流程

假設在處理當前的地震道之前已經(jīng)找到并存儲了N條同相軸；處理該道數(shù)據(jù)的時候首先對這N條同相軸進行追蹤，流程如圖1b所示。對于一條已經(jīng)存在的同相軸，在以它上一道的時間點為中心的給定寬度的時間窗內(nèi)搜索有效反射，示意圖如圖2所示。如果搜索到有效反射，則將其加入記錄之中；如果搜索不到，則增加該條同相軸當前缺失的地震道數(shù)?？紤]到海水內(nèi)部的反射較弱，且存在隨機噪聲，允許同相軸有幾道（大約幾十米）的反射空缺。如果連續(xù)幾道都沒能搜索到有效信號，那么認為同相軸已經(jīng)到了尾端；之后，根據(jù)其長度進行取舍。

圖2　追蹤同相軸操作的示意圖

圖3?。╝）某段來自于海水層的反射地震剖面（b）（a）數(shù)據(jù)傾角濾波后的結果

圖4　圖3 b中黑色方框內(nèi)地震數(shù)據(jù)的反射同相軸自動拾取效果圖

紅色粗線為已存儲的同相軸；虛線框為搜索的時間框；框內(nèi)藍色的實線和虛線為移動匹配的震源子波追蹤完所有的現(xiàn)有同相軸之后，再遍歷當前的地震道，尋找新的同相軸加入記錄。無論是追蹤現(xiàn)有的同相軸，還是尋找新的同相軸，都需要判斷給定的一段數(shù)據(jù)是否為有效反射。這里定義有效反射滿足兩個條件：第一，數(shù)據(jù)的形態(tài)與震源子波吻合。這個條件使用數(shù)據(jù)與震源子波的互相關來判斷。震源子波可以通過兩種方式給出：第一種為從本道數(shù)據(jù)中選擇振幅最大的一段完整子波；第二種為給定主頻構建Ricker子波。實際應用中發(fā)現(xiàn)，這兩種方法拾取的結果差別不大。第二，數(shù)據(jù)要滿足能量的要求。用戶根據(jù)需要給定一個百分比。數(shù)據(jù)的波峰振幅與本道數(shù)據(jù)最大振幅之比大于給定的百分比才認為其有效。

上面的描述顯示，以下幾個重要的參數(shù)控制著這個算法的使用效果：判斷是否為有效反射的階段，需要給定Ricker子波的主頻和容許的能量百分比；追蹤同相軸的階段，需要給定搜索時間窗的寬度、容許的最大缺失道數(shù)以及有效同相軸的最短長度。實際應用中發(fā)現(xiàn)，Ricker子波的主頻一般在30Hz左右即可；由于海水層的反射同相軸較為平緩，搜索時間窗的寬度一般選擇12ms，對應于大約9m；容許的最大缺失道數(shù)通常選擇3道，也可以根據(jù)反射數(shù)據(jù)的連續(xù)性進行調整。能量百分比和有效同相軸的最短長度則需要根據(jù)具體情況靈活選擇。

實際數(shù)據(jù)的應用效果

圖3a給出了一段具有海水層反射典型特征的地震剖面。剖面顯示，反射信號的強度較弱；某些區(qū)域連續(xù)性較差，存在同相軸間斷；整個剖面的數(shù)據(jù)都包含隨機噪聲。直接使用這樣的數(shù)據(jù)進行同相軸拾取，效果會受到影響?？紤]到海水層反射同相軸都較為平緩，在拾取之前對數(shù)據(jù)進行了傾角濾波處理。處理之后，原本肉眼可以識別但機器難以拾取的同相軸就變得清晰起來，拾取也就變得非常容易。處理之后的地震剖面如圖3b所示。

使用以下參數(shù)對處理后的地震數(shù)據(jù)進行了拾?。篟icker子波的主頻為32.5Hz；容許的能量百分比為20%；搜索時間窗的寬度為12ms（～9m）；最大缺失道數(shù)為3道（～20m）；有效同相軸的最短長度為2km。圖3中黑色方框內(nèi)數(shù)據(jù)的拾取結果如圖4所示。從中可以看出，拾取的同相軸光滑連續(xù)，與實際的層位一致。拾取的準確率高，不存在竄行現(xiàn)象；拾取的成功率高，少有漏拾的情況；可以為地震海洋學相關的計算提供基礎數(shù)據(jù)。

總結

地震海洋學研究使用海水層的反射地震數(shù)據(jù)。拾取反射同相軸是其中一項重要的基礎工作。海水層反射的強度一般較弱，易受隨機噪聲影響，同相軸的連續(xù)性較差；海水內(nèi)部不存在突變的結構面，反射同相軸通常較為平緩。本文針對地震海洋學數(shù)據(jù)的這些特征提出了一套反射同相軸自動拾取算法。該算法以數(shù)據(jù)段和震源子波的互相關以及數(shù)據(jù)段波峰的振幅能量作為判斷其是否為有效反射的標準；基于橫向追蹤完成整條同相軸的拾取。拾取之前，首先對地震數(shù)據(jù)做傾角濾波處理，以提高數(shù)據(jù)的信噪比，增強同相軸的橫向連續(xù)性。實際的應用效果表明，本方法的成功率和準確率都很高，是地震海洋學研究的有力工具。

致謝：地震數(shù)據(jù)處理中用到了Seismic Unix （CWP / SU；Cohen and Stockwell， 2008）工具包，畫圖中用到了Generic Mapping Tools （GMT； Wessel and Smith， 1998）工具包，在此一并表示感謝。

黃興輝

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10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.006