沈鴻雁,王 鑫,李欣欣

(1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安710065;2.陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點實驗室,陜西西安710065)

在地震勘探過程中,近地表是一個十分特殊的地層范疇,一般指地表以下未成巖的低速介質(zhì)區(qū),厚度從幾米至數(shù)百米不等[1]。實際上,除了地面以下復(fù)雜的低降速帶以外,近地表還包括起伏的地表因素。近地表地層除了結(jié)構(gòu)、物性、含水性、風化程度、形成年代等存在差異外,在環(huán)境、溫度、氣候等不同時,表現(xiàn)出來的彈性屬性也千差萬別。雖然近地表不是油氣勘探的目標層,但它的存在卻對深部油氣藏勘探有著重要意義,正因為有近地表低降速帶的存在,才使得各種高頻干擾被吸收,并保證了地震波能量能夠順利地傳播到地層深處。然而,復(fù)雜的近地表地震-地質(zhì)條件也嚴重影響著地震資料采集的品質(zhì)和最終的數(shù)據(jù)處理質(zhì)量,概括起來主要包括震源激發(fā)及接收條件差、地震波能量吸收與衰減和靜校正問題突出等[2-10]。具體來說,震源激發(fā)條件不理想必將導(dǎo)致地震子波的品質(zhì)下降;疏松的近地表地震-地質(zhì)條件則會引起地震波能量被強烈吸收和衰減,并由此產(chǎn)生諸如低頻面波等干擾噪聲,從而降低地震資料的信噪比和分辨率;起伏的地表及復(fù)雜的近地表地層結(jié)構(gòu)會帶來嚴重的靜校正問題,并由此影響到后續(xù)的速度分析、動校正、水平疊加和偏移成像等處理環(huán)節(jié)的質(zhì)量。如果上述問題得不到有效解決,必將造成最終的地震勘探成效下降。

要想消除復(fù)雜近地表因素帶來的影響,必須對近地表結(jié)構(gòu)有清晰的認識,并在此基礎(chǔ)上獲得準確的結(jié)構(gòu)參數(shù)模型(如品質(zhì)因子Q值模型、層速度模型等)。為此,人們在近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查[11-16]、近地表介質(zhì)的吸收衰減與補償[17-24]、近地表速度建模及靜校正[1,25-30]等方面開展了大量的研究工作。本文回顧了近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查的方法和手段,總結(jié)了當前近地表對地震波能量的吸收衰減與補償、近地表速度反演與結(jié)構(gòu)參數(shù)建模的研究現(xiàn)狀,分析了目前近地表結(jié)構(gòu)參數(shù)獲取及建模存在的問題和面臨的挑戰(zhàn),展望了近地表結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。

1 近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查方法與技術(shù)

近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查是指圍繞近地表介質(zhì)的地質(zhì)和物理特征開展相關(guān)的研究工作,調(diào)查內(nèi)容主要包括低降速帶的速度、厚度、埋深、橫向變化規(guī)律及近地表起伏狀況等。近地表結(jié)構(gòu)實際上就是低降速帶的結(jié)構(gòu),具體包括地表低速層和降速層兩個部分。低速層主要指暴露于大地表層不膠結(jié)的松散介質(zhì)層,厚度一般較小;降速層位于低速層之下,通常成不膠結(jié)或半膠結(jié)狀態(tài);而高速層則指成巖地層。在大部分地區(qū),由于地表接受連續(xù)或間斷的沉積,低降速帶具有良好的成層性,存在明顯的速度分界面;在山區(qū)或山前地帶,高速層頂界面起伏劇烈,近地表介質(zhì)在橫向或縱向上不存在明顯的連續(xù)性,速度變化大,甚至缺失低速層或降速層,或基巖直接出露地表;在沙漠覆蓋區(qū),往往沙層巨厚,介質(zhì)單一,低降速層之間并沒有明顯的速度界面,在壓實作用下,常常表現(xiàn)為速度隨深度遞增的連續(xù)介質(zhì)特征。實際上,低降速帶的劃分并沒有嚴格的定義,通常將近地表介質(zhì)按速度劃分為低速層(速度<1000m/s)、降速層(速度介于1000～2000m/s)和高速層(速度>2000m/s)[1]。

在地震數(shù)據(jù)采集過程中,近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查是一項非常重要的基礎(chǔ)工作。近地表的巖性不同會造成震源激發(fā)的子波、頻率、能量等存在較大差異,而接收條件不理想則會產(chǎn)生嚴重的干擾噪聲。為了能夠采集到高品質(zhì)的地震數(shù)據(jù),必須選擇合理的采集參數(shù),而近地表結(jié)構(gòu)是合理選取震源激發(fā)參數(shù)及地震波接收方式的重要依據(jù)[12,14-15]。此外,在地震波傳播過程中,受地面各種地質(zhì)因素及近地表地震-地質(zhì)條件的影響,地震波的傳播會發(fā)生相應(yīng)的改變,地震波的強度和穩(wěn)定性也隨之發(fā)生變化。不同的地表起伏情況、近地表結(jié)構(gòu)、物性、風化程度、含水性等表現(xiàn)出來的地震響應(yīng)特征顯著不同。為了有效消除近地表因素導(dǎo)致的地震波能量吸收衰減、波形畸變、旅行時延遲等問題,需要獲得準確的近地表結(jié)構(gòu)及諸如速度、品質(zhì)因子Q值等參數(shù)模型,選擇針對性方法和技術(shù),實施有效的補償、校正或處理。

目前廣泛使用的近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查方法主要有小折射和微測井兩種[31-32]。微測井是在穿過低降速帶的井中激發(fā)、地面接收(或反之)的地球物理調(diào)查方法,利用透射波垂直時距曲線來計算地層速度和厚度等參數(shù),進而劃分低降速帶[33]。實踐表明,該方法獲得的近地表結(jié)構(gòu)及參數(shù)較為準確,尤其對于低降速層較厚、速度變化大的表層結(jié)構(gòu),其計算精度優(yōu)于其它近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查方法,且該方法基本不受地表條件的限制,適用范圍廣。隨著近地表復(fù)雜地質(zhì)問題的不斷發(fā)現(xiàn),該方法技術(shù)也在不斷完善和拓展。例如,針對低速層、虛反射及近震源區(qū)導(dǎo)致的地震波衰減與補償,李子順[34]、于承業(yè)等[32]、張文等[22]先后采用雙井微測井調(diào)查近地表結(jié)構(gòu);翟桐立等[35]則提出了一種深井激發(fā)、淺井和地面短排列聯(lián)合接收的井地一體化調(diào)查方法;為了改善檢波器耦合特性及接收信號的一致性,李天樹等[16]提出了井中多極接收微測井調(diào)查方法;李桂花等[13]利用三分量微測井技術(shù)同時獲得縱、橫波速度。微測井方法成本較高,而且效率偏低,一般僅用于近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查的控制點測量。此外,該方法通常井深有限,當近地表速度橫向變化較大時,有限的微測井難以控制表層結(jié)構(gòu)的橫向變化。小折射是一種根據(jù)折射定律、通過直達波和折射波時距曲線計算近地表地層速度、厚度和埋深的近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查方法。該方法的優(yōu)勢在于操作簡單、成本低、效率高,適用于地表平緩、近地表結(jié)構(gòu)簡單且低降速帶變化較小的區(qū)域[36]。對于地形起伏劇烈、表層速度變化大、無明顯折射層、存在低速或高速夾層的地區(qū),該方法的應(yīng)用受到限制。隨著勘探技術(shù)的發(fā)展,在傳統(tǒng)縱波小折射的基礎(chǔ)上發(fā)展了聯(lián)合縱、橫波研究近地表結(jié)構(gòu)的三分量小折射技術(shù)[37]。

除上述兩種傳統(tǒng)的近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查方法外,淺層反射波法、面波法、高密度電法、瞬變電磁法、探地雷達、工程VSP以及地質(zhì)露頭調(diào)查等也在近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查中發(fā)揮了積極的作用,取得了一定的效果[11,31,38]。每一種調(diào)查方法均有各自的適用條件和應(yīng)用范圍,可視具體的近地表地質(zhì)-地球物理勘探條件來選擇使用。

2 近地表介質(zhì)的能量吸收衰減與補償

當?shù)卣鸩ù┻^地層時,會發(fā)生能量吸收和衰減,導(dǎo)致地震信號頻帶變窄、分辨率下降。地震波的能量吸收衰減和頻散特性與地層的物質(zhì)組成、孔隙度、充填物及飽和度等密切相關(guān),可通過地層品質(zhì)因子Q來描述[39]。近地表地層具有壓實作用弱、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且疏松、非均質(zhì)性強、各向異性發(fā)育、速度變化快、泊松比高等特點,地震波在其中傳播時受大地濾波作用的影響十分嚴重,往往會引起地震信號的高頻成分快速衰減和頻帶變窄,地震子波的能量也快速減弱并伴隨相位畸變,而且近地表地震-地質(zhì)條件越復(fù)雜,這種吸收衰減效應(yīng)越嚴重。

為了消除近地表因素造成的地震波能量吸收衰減帶來的不利影響,必須對能量進行補償。掌握地震波能量吸收與衰減的機制是準確描述地震波在近地表介質(zhì)中的傳播規(guī)律并進行地震波振幅和相位補償?shù)幕A(chǔ)[40]。早在20世紀60年代初,FUTTERMAN[17]就開展了相關(guān)研究工作,明確了巖石對地震波的吸收衰減是地層的基本特性。然而,不同地區(qū)的近地表地層結(jié)構(gòu)特征及物性存在不同程度的差異,即使同一地區(qū),低降速帶的變化也不一定相同,從而導(dǎo)致地震波的吸收衰減機制十分復(fù)雜。因此,全面弄清地震波吸收衰減的原因并對其進行補償不是一件輕而易舉的事。尹喜玲等[41]以沙漠覆蓋區(qū)的近地表吸收衰減問題為例,采用線性過渡體理論探討了近地表介質(zhì)的吸收衰減規(guī)律,認為近地表普遍存在速度界面,多次反射和透射損失是造成地震波能量衰減的重要原因;李合群等[5]認為,沙漠地區(qū)除沙層吸收衰減之外,震源子波差異、檢波器耦合差異等因素也是導(dǎo)致地震資料品質(zhì)下降的一個重要原因;此外,地震記錄中強烈的震源近場影響,也極大地增加了地震波衰減補償參數(shù)估算的難度[42]。

盡管如此,人們?nèi)匀蛔巫我郧?試圖全面揭開近地表因素導(dǎo)致地震波吸收衰減的機理并給予充分的補償。目前已經(jīng)認識到品質(zhì)因子Q值是描述介質(zhì)吸收衰減強弱的基本參量,其本身就反映了地表層的巖石物理特性,因此,提取近地表Q值參數(shù)并對地震信號進行反Q濾波,就可以有效消除近地表因素對地震波場造成的影響,達到補償能量、提高地震信號分辨率和進行相位校正的目的。該技術(shù)的關(guān)鍵是建立高精度的近地表Q值模型[43-44],由于地層吸收會導(dǎo)致能量衰減、改造地震子波并使其某些動力學(xué)特征發(fā)生變化,因此可以基于不同的子波特征變化實現(xiàn)相應(yīng)的Q值計算。在這一理論指導(dǎo)下,目前已發(fā)展了多種Q值估算方法,具體包括上升時間法[45]、振幅衰減法[46]、譜比法[18]、解析信號法[47]、質(zhì)心頻移法[48-52]、峰值頻率法[53-54]和能量比法[55]等。其中振幅衰減法和譜比法是兩種傳統(tǒng)的并被廣泛使用的Q值計算方法,它們均利用地震波能量的線性衰減速率定量估算品質(zhì)因子Q值。由于振幅受幾何擴散、反射、透射等效應(yīng)的影響較大,因此僅由振幅衰減很難準確估算出非彈性介質(zhì)對地震波的吸收情況[23],尤其對于Q值小于30的近地表強衰減情況,補償效果會更差。子波振幅譜質(zhì)心頻率下降或波形加寬等衰減特征受上述因素影響較小[23,56],因此,質(zhì)心頻移法可以獲得更加穩(wěn)定和可靠的Q值。目前認為該方法比較通用,且Q值計算精度比較高。王曉濤等[57]通過修正傳統(tǒng)的能量比法并利用地震波能量的指數(shù)衰減速率估算Q值,減小了常規(guī)方法的理論誤差,也取得了一定的補償效果。此外,基于波場外推原理的近地表吸收衰減補償[58]、震源與地震記錄波形互相關(guān)計算品質(zhì)因子Q值[59]、時間域利用Levinson算法及頻率域利用傅里葉變換求取近地表吸收補償因子[20]、改進的廣義S變換地層吸收衰減補償[60]、雙線性回歸估算Q值[61]和基于多信息融合估算Q值[23]等方法,均見到了有益的補償效果。

在近地表吸收衰減調(diào)查方面,微測井是一種應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)[62]。然而,由于激發(fā)巖性、能量大小等因素的影響,不同井深激發(fā)的地震子波存在明顯差異[35],加之檢波器耦合性不一致、震源近場和干擾波影響等因素的存在,基于微測井資料求取的品質(zhì)因子Q值實際應(yīng)用效果仍然欠佳。為此,李偉娜等[61]探索了基于微測井提高Q值估算精度的途徑。雙井微測井是求取近地表地層Q值的另一項技術(shù),李子順[34]利用雙井微測井資料計算Q值,并用其對地震資料實施確定性反褶積處理,在補償由近地表低速層、虛反射及近震源區(qū)導(dǎo)致的地震波衰減方面,優(yōu)于傳統(tǒng)方法的處理效果;于承業(yè)等[32]、張文等[22]利用雙井微測井資料、通過頻移法計算近地表Q值,并指出近地表衰減補償能夠在時間、空間和頻率三域內(nèi)有效消除近地表因素帶來的不利影響。從現(xiàn)有的技術(shù)來看,通過雙井微測井資料估算Q值的效果明顯優(yōu)于常規(guī)微測井。然而,雙井微測井同樣存在不同震源間的子波有差異、檢波器耦合一致性難以保證、容易受其它波場干擾等問題,影響其測量精度。針對常規(guī)微測井近地表Q值估算面臨著激發(fā)與接收耦合的一致性差、虛反射以及震源近場的影響等問題,翟桐立等[35]提出了一種深井激發(fā)、淺井和地面短排列聯(lián)合接收的井地一體化測量近地表Q值的方法,有效避免了低速層底部界面虛反射對子波的干涉,最大限度保證了激發(fā)和接收的耦合一致性。

除了傳統(tǒng)的利用透射波和直達波估算Q值以外,目前還發(fā)展了利用反射波、面波等計算Q值的方法。劉學(xué)偉等[63]、裴江云等[64]將面波進行幾何擴散校正后,用其反演風化層的Q值,進而補償風化層對反射波的吸收,有效提高了反射地震資料的分辨率;NIZARE等[65]利用折射波和反射波的振幅及頻率變化特征,基于表層模型反演估算近地表Q值;LI等[21]通過井地聯(lián)合地震觀測對近地表吸收進行實驗分析,并提出了一種不受激發(fā)因素影響的吸收參數(shù)層析反演方法。這些方法技術(shù)的出現(xiàn),極大地方便了近地表地震波能量的吸收衰減與補償,推動了高分辨率反射地震資料處理技術(shù)的向前發(fā)展。

3 近地表速度反演與建模

近地表地層在沉積時間、構(gòu)造形態(tài)、巖性、壓實程度、環(huán)境、含水量及地表起伏情況等方面的差異,導(dǎo)致了近地表異常,影響地震波在其中的傳播。除了發(fā)生能量吸收衰減效應(yīng)以外,還會產(chǎn)生傳播方向的改變,引起旅行時超前或延遲。地震波旅行時超前或延遲對于地震資料的處理及解釋極為不利,必須予以校正,這就是通常所說的靜校正。做好靜校正的前提條件和基本保障是獲得精確的低降速帶速度模型。如果構(gòu)建的近地表速度模型不準確,則會直接影響地震資料的靜校正處理質(zhì)量,并進一步影響到反射波速度分析、動校正、水平疊加及偏移成像等后續(xù)環(huán)節(jié)的處理質(zhì)量,從而導(dǎo)致地震成像質(zhì)量下降[29,66]。此外,精確的偏移成像高度依賴于速度模型的精確程度,不僅要求深層的速度精確程度高,而且也要求淺層的速度精確程度高。淺層速度模型不精確時,其對地震波場引起的誤差也會傳遞到深層,最終引起成像質(zhì)量下降[4,67-69]。因此,獲得精確的近地表速度模型對于復(fù)雜地區(qū)的地震成像精度具有十分重要的意義。

目前,近地表速度獲取方法和手段已經(jīng)取得了可喜的進展,并發(fā)展出多種方法技術(shù),總體上可歸結(jié)為測量方法和反演方法兩大類。測量方法包括微測井和小折射,反演方法則是利用地震波攜帶的信息重建地下速度及結(jié)構(gòu)模型。由于覆蓋次數(shù)不足和缺少近地表反射波,疊加速度分析和偏移速度分析一般很難得到有效的速度信息,而測量法因成本較高、效率偏低等受到限制,因此速度反演越來越受到人們的青睞和重視[70]。目前,近地表速度反演已發(fā)展了初至波走時層析反演、初至波波形層析反演、初至波走時-波形聯(lián)合層析反演、全波形反演和面波頻散曲線反演等多種方法[66]。

地震層析成像始于BIOS等[71]的井間速度結(jié)構(gòu)成像研究,由于層析成像能夠有效重構(gòu)目標介質(zhì)的物性參數(shù)分布特征及規(guī)律,該技術(shù)已成為研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的重要手段之一,并被廣泛應(yīng)用于地球物理勘探的各個領(lǐng)域[72]。目前該技術(shù)也逐漸被拓展應(yīng)用于近地表速度結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域。近地表層析速度反演依據(jù)費馬原理、利用實際數(shù)據(jù)和理論模型的初至波旅行時來反演近地表低降速帶的速度、埋深和厚度等信息,所用的初至信息包含直達波、折射波和回折波(潛波或潛水波)。不同性質(zhì)的初至波反映了不同近地表介質(zhì)模型及性質(zhì),直達波主要反映均勻介質(zhì)屬性,折射波反映均勻?qū)訝罱橘|(zhì)屬性,回折波(潛波或潛水波)則反映了連續(xù)介質(zhì)屬性,因此層析反演特別適用于較復(fù)雜的近地表速度結(jié)構(gòu)成像[26]。面波在反射地震勘探中通常被當作干擾波被剔除,近年來的研究表明,反射地震資料中的面波也是值得利用的一種有效波[73]。由于面波能量強,主要沿地表附近傳播,而且具有抗干擾能力強、對速度變化反應(yīng)敏感、探測精度高等優(yōu)點,因此這種傳統(tǒng)意義上的“干擾波”頻散曲線反演也逐漸在近地表結(jié)構(gòu)及速度建模中發(fā)揮了積極的作用。

3.1 走時層析反演成像

走時層析反演成像是一種利用地震初至波走時重建地下介質(zhì)速度及結(jié)構(gòu)的方法[74]。地震初至波是從震源出發(fā)、經(jīng)地下介質(zhì)最先到達接收點的地震波,主要在近地表傳播,其走時必然攜帶了大量的近地表結(jié)構(gòu)及速度信息[70],且能量強、易追蹤。初至波走時層析成像具有簡單、直觀和通用等優(yōu)點,因此在近地表結(jié)構(gòu)及速度反演中得到了廣泛的應(yīng)用。近地表速度建模的主要目的之一是獲得精確的靜校正量[75-78],層析成像可有效解決因近地表速度變化引起的靜態(tài)時移和構(gòu)造成像等問題[79]。李錄明等[80]研究表明,初至波層析反演能適應(yīng)速度橫向變化,獲得精度較高的近地表速度模型。陳云峰等[81]利用層析成像方法反演近地表速度模型,獲得了較為準確的近地表低降速帶速度變化情況;李福中等[82]將初至層析反演應(yīng)用于三維地震資料處理,精確重建了風化層和低降速帶的速度結(jié)構(gòu)模型。目前,走時層析反演已逐漸從高頻近似的射線理論[83]發(fā)展到更加精確的波動理論[84],從線性反演發(fā)展到了非線性反演[85-86]。

層析成像的理論基礎(chǔ)是Radon變換。受地震觀測方式的限制,層析成像解具有非唯一性,或非全空間投影特征[87]。數(shù)據(jù)和射線的不均勻覆蓋決定了層析反演在數(shù)學(xué)上是一個混定方程組,因此初至波走時層析成像在本質(zhì)上屬于不適定問題[70],在反演過程中必須采取有效的措施加以約束,才能防止可能出現(xiàn)的畸變,加快收斂速度,提高反演的穩(wěn)定性和精確性。常用的方法是在反演過程中加入先驗信息來約束反演進程,近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查資料(如微測井和小折射)是先驗信息的直接來源,這些信息除了直接用于構(gòu)建層析反演的初始模型外,還可用于限制反演過程中地層速度的分布范圍[88]。此外,為有效避免多解性,在反演過程中需要進行正則化處理并輔以適當?shù)淖顑?yōu)化。ZHANG等[85]提出了正則化非線性折射波走時層析成像方法,CLAPP等[89]利用正則化方法將已知地質(zhì)信息融入到層析成像反演算法中以提高成像精度,劉玉柱等[90]通過正則化方法將先驗信息引入到初至波層析成像方程中以取代傳統(tǒng)的外部約束,FOMEL[91]采用正則化方法對模型進行平滑處理,王薇等[92]采用非線性稀疏約束正則化方法并采用對偶方法求解稀疏約束泛函的極小值,有效提高了不連續(xù)介質(zhì)模型的邊緣識別能力,崔巖等[70]建立了Tikhonov正則化層析成像反演模型,并采用加權(quán)修正步長的梯度下降算法求解極小化問題。針對三維地震初至走時層析成像數(shù)據(jù)量大、計算速度慢等問題,NOBLE等[93]將伴隨狀態(tài)法引入到層析反演中,實現(xiàn)了并行運算,有效解決了大數(shù)據(jù)量計算的問題。

射線追蹤是走時層析的核心技術(shù)之一[94-95],射線追蹤正演算法的計算精度和速度直接影響著層析反演的精度和運算效率。目前,射線追蹤算法已經(jīng)發(fā)展了打靶法[96]、試射法[97]、有限差分求解程函方程法[98-99]、最短路徑法[100-101]、波前法[102]、走時線性插值法[103]和快速行進法(Fast Marching Methods,簡稱FMM法)[104]等。雖然方法很多,但不同方法適用的條件不盡相同,計算效率和精度也有所差異,在實際應(yīng)用中,需要綜合考量近地表結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、要求精度以及運算成本等因素之后,再加以選擇。

地震層析成像是非線性反演問題,具有非線性、多解性、局部病態(tài)等特點。此外,彎曲射線、大擾動、有限頻帶、數(shù)據(jù)覆蓋不均勻、有限觀測角及參考模型引起的非線性誤差等問題也不容忽視[105]。對于層析成像的目標函數(shù)求解,目前也發(fā)展了多種方法,如WHITE[83]通過阻尼最小二乘法求取近地表的速度和層厚度;李錄明等[106]將近地表模型離散成矩形單元網(wǎng)格,并采用阻尼最小平方QR分解(簡稱DLSQR算法)求解稀疏矩陣;張建中[107]利用雙線性函數(shù)表示近地表速度單元,并采用LSQR解非線性最優(yōu)化問題;韓曉麗等[108]采用非顯式射線追蹤算法并在全偏移距內(nèi)進行反演,明顯提高了近地表模型的計算精度;盧回憶等[109]將醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中的多模板快速進行法(Multi-stencils Fast Marching Methods,簡稱MSFM法)引入到層析反演中的走時計算,有效改善了FMM法在對角方向誤差大的缺陷,尤其對復(fù)雜地表模型具有很強的適應(yīng)能力。

網(wǎng)格劃分也是決定層析反演質(zhì)量的一個重要因素。受觀測系統(tǒng)的制約,野外獲得的地震記錄道數(shù)(或射線密度)有限,要想取得高質(zhì)量的成像效果,網(wǎng)格劃分不能太細,否則有些網(wǎng)格內(nèi)的射線覆蓋次數(shù)會過低甚至為零。但如果網(wǎng)格劃分太粗,則難以保證射線追蹤的計算精度,且無法對一些小構(gòu)造進行準確成像[110]。為此,ZHOU等[111]引入多尺度層析技術(shù)解決非均勻射線覆蓋問題,有效減少了層析反演中的多解性;趙連鋒等[112]提出并行化交錯網(wǎng)格層析成像方法,采用不同尺度的成像網(wǎng)格和射線追蹤網(wǎng)格,通過雙曲線插值實現(xiàn)網(wǎng)格節(jié)點上的速度關(guān)聯(lián);馬德堂等[113]則提出了雙重網(wǎng)格層析成像方法,將射線追蹤和層析反演的網(wǎng)格分離,在較細的網(wǎng)格上進行射線追蹤正演,而在射線覆蓋次數(shù)達到一定要求的較粗網(wǎng)格上進行層析反演。對于較復(fù)雜的異常體,在固定網(wǎng)格尺寸反演過程中,無論網(wǎng)格取大或取小均無法獲得滿意的效果,且反演中也無法優(yōu)化和評估網(wǎng)格尺寸。LIU等[114]將多尺度層析技術(shù)應(yīng)用到含高速夾層的近地表速度結(jié)構(gòu)成像中,李慶春等[110]則采用多尺度漸進反演策略,兩者在改善速度異常體成像質(zhì)量方面,均取得了明顯的效果。

起伏地表和復(fù)雜構(gòu)造條件下的近地表速度結(jié)構(gòu)精細成像是山區(qū)和山前地帶地震勘探面臨的難題之一。為了提高這類地區(qū)地震波旅行時正演計算的精度和效率,聶建新等[115]將旅行時二次插值與線性插值方法聯(lián)合,張賽民等[116]用拋物線插值取代線性插值,張東等[117]在正演過程中采用多方向循環(huán)的計算方法,王琦等[118]對完全矩形網(wǎng)格剖分的旅行時線性插值方法進行了改進。這些技術(shù)的應(yīng)用,均不同程度地降低了反演運算過程中的累積誤差。桑運云等[119]提出了基于拋物旅行時插值的最短路徑射線追蹤方法,有效克服了最短路徑方法中“之”字射線路徑的缺陷,并進一步提高了建模精度。胖射線概念的引入,也是一種提高運算效率、緩解多解性的有效策略,通過不同加粗射線的方式可有效降低層析反演矩陣的稀疏性,提高反演的穩(wěn)定性[72]。VASCO等[120]開展了胖射線走時層析方法研究,楊雪霖等[121]進一步提出基于多頻組合的胖射線概念,即通過調(diào)整射線胖瘦來反演不同尺度的速度趨勢。此外,為了克服走時層析成像的高頻局限,先后發(fā)展了菲涅爾體[122]、波路徑層析成像方法[123]和非線性菲涅爾體地震層析成像方法[124],均取得了一定的效果。

總體來說,走時層析是一種較為穩(wěn)健的地下速度結(jié)構(gòu)成像方法,具有非線性程度弱、計算效率高等優(yōu)點。但該方法以高頻近似假設(shè)為前提條件,而地震震源產(chǎn)生的子波是有限頻帶信號,當?shù)貙涌臻g變化尺度接近于地震子波的波長時,難以用走時層析方法進行速度成像。此外,走時層析僅利用初至波的旅行時,忽略了地震記錄中包含在振幅中的動力學(xué)信息,導(dǎo)致走時層析成像存在建?！懊^(qū)”,反演出來的速度模型是次優(yōu)的,在分辨率和精度上仍然存在些許不足[125]。

3.2 波形層析反演成像

對于地層結(jié)構(gòu)簡單的近地表來說,利用基于射線理論的走時層析成像就能夠取得較好的速度建模效果。然而,在地層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的情況下,僅靠運動學(xué)信息進行走時層析反演獲得的近地表速度模型仍然達不到提高靜校正精度和改善深層成像質(zhì)量的要求,為此,TARANTOLA[126]提出了波形層析反演方法。波形層析成像不僅利用初至波走時信息,而且利用與初至波動力學(xué)相關(guān)的信息來預(yù)測地下的速度、能量衰減和密度分布特征等信息[110]。與走時層析反演相比,該方法層析依據(jù)充分,能夠明顯減小振幅變化的影響,從而有效提高速度反演的可靠性。同時,由于波形層析不依賴于高頻近似假設(shè),且初至波波形都包含在殘差函數(shù)的極小化問題中,因此波形層析反演結(jié)果的分辨率遠遠高于走時層析反演。

目前,波形層析反演已逐漸從理論研究發(fā)展到實際應(yīng)用,形成了早至波波形反演技術(shù)[127],具體包括時域波形反演[126]和頻域波形反演[128]兩個方向。雖然波形層析反演方法在理論上具有更高的反演精度,但其對初始模型依賴程度高,對噪聲能量也較敏感,如果初始模型與實際模型相差較大,則容易陷入局部極值[129]。

3.3 聯(lián)合層析成像

在近地表速度建模方法研究的早期,近地表結(jié)構(gòu)相對簡單,初至波走時層析的目標函數(shù)中局部極值個數(shù)少,非線性程度相對較弱,計算和求解相對穩(wěn)定和簡單,同時初至波在地震記錄上比較明顯,初至波走時拾取也相對容易,因此走時層析成像得到了很好的應(yīng)用[130]。隨著近地表地震-地質(zhì)條件日趨復(fù)雜,在疊前地震記錄上獲得清晰的初至波形越來越困難,影響初至波形的各種干擾因素又無法得到有效去除[131],因此走時層析反演很難得到令人滿意的速度成像效果,人們也逐漸將近地表速度建模研究的重心由初至波走時層析轉(zhuǎn)向能夠利用地震記錄上多種信息的初至波波形層析成像,以期獲得更高分辨率的速度結(jié)構(gòu)模型。然而波形層析是局部尋優(yōu)的方法,對初始模型的依賴程度高,抗噪能力有限,面對復(fù)雜地質(zhì)條件下的低信噪比資料,經(jīng)常陷入難以適用、無法兼顧反演時效性與準確性的困境。為了克服波形層析反演面臨的困難,在保證反演穩(wěn)定性的前提下進一步提高反演模型的精度,發(fā)展了聯(lián)合層析反演的思路。目前聯(lián)合層析反演已形成了多類波型走時聯(lián)合層析反演和走時-波形聯(lián)合層析反演兩個方向。

3.3.1 多類波型走時聯(lián)合層析反演

地球物理反演是多參數(shù)的非線性問題,只利用單一波型信息難以準確、全面地重構(gòu)地下速度結(jié)構(gòu),多類波型聯(lián)合反演為復(fù)雜地質(zhì)問題的精確成像提供了一種有效的解決方案。學(xué)者們從反演的穩(wěn)定性、多參數(shù)之間的權(quán)衡系數(shù)等方面做了大量嘗試性研究工作,發(fā)展了Subspace反演算法[132]、參數(shù)歸一法[133]、參數(shù)分離法[134]、加權(quán)算法及其改進算法[135]等。RAJASEKARAN等[136]給出了基于反射波和折射波的約束層析速度建模方法并用于靜校正,取得了很好的應(yīng)用效果;BOONYASIRIWAT等[137]將時域多尺度波形層析成像用于擠壓構(gòu)造帶的速度估計,聯(lián)合利用反射波和折射波能量實現(xiàn)近地表及深部速度結(jié)構(gòu)的有效估算。研究結(jié)果表明:無論是成像深度,還是成像空間分辨率,初至波與反射波旅行時聯(lián)合層析的質(zhì)量均優(yōu)于單類波型旅行時層析[110,138]。

3.3.2 走時-波形聯(lián)合層析反演

理論上,速度場可分為長波長分量和短波長分量,長波長分量對應(yīng)于光滑的背景速度,而短波長分量則對應(yīng)于精細的速度結(jié)構(gòu)。在地表復(fù)雜地區(qū),近地表低降速帶的速度和厚度變化較大,速度建模時無法準確刻畫出近地表速度結(jié)構(gòu)是長波長靜校正問題產(chǎn)生的主要原因[27]。長波長分量可通過走時層析反演得到,并且該模型可以作為波形反演的初始模型,而短波長分量則可通過波形層析反演獲取[139],由此形成了走時-波形聯(lián)合反演方法。綜合應(yīng)用初至波走時層析和波形層析的方法被簡稱初至波WTW(Wave equation Travel-time and Waveform inversion)。當初始模型與實際模型差異較大時,走時-波形聯(lián)合層析反演可有效避免陷入局部極值[140]。

3.4 全波形反演成像

全波形反演被認為是勘探地球物理領(lǐng)域中進行速度建模的一項終極成像技術(shù)[141]。自20世紀80年代TARANTOLA[126,142]提出基于廣義最小二乘時間域全波形反演方法以來,全波形反演已得到了快速發(fā)展[143-145]。理想的全波形反演是一套全自動化的反演過程,只要輸入原始地震數(shù)據(jù),就可直接給出精確的速度模型[146]。然而,全波形反演在實際應(yīng)用中仍然面臨著諸多困難和挑戰(zhàn),該反演方法在數(shù)學(xué)上是一個高度病態(tài)的非線性問題,低頻數(shù)據(jù)與初始模型的耦合是在實際資料應(yīng)用中遇到的最大瓶頸問題[141],此外還面臨強烈依賴初始速度模型以及假頻、噪聲、各向異性等因素的制約問題[146]。

目前,全波形反演在海洋地震資料處理中已經(jīng)獲得了成功的應(yīng)用[147-148]。RATCLIFFE[147]研究指出,全波形反演能夠有效解決淺層、高精度、復(fù)雜構(gòu)造的速度建模問題,尤其擅長精細刻畫淺層速度結(jié)構(gòu)特征。陸地資料雖然見到了一些應(yīng)用例子,但缺乏代表性,尤其在陸上近地表速度建模領(lǐng)域,至今尚未見到成功的案例報道。就理論分析而言,要想完全解決近地表速度建模問題,除了全波形反演以外,目前似乎還找不到理論上更加合理而又廣泛適用的解決方案[146]。

3.5 瑞雷面波頻散曲線反演

自RAYLEIGH[149]發(fā)現(xiàn)瑞雷面波、HASKELL[150]發(fā)現(xiàn)面波在層狀介質(zhì)中具有頻散特性以來,瑞雷面波在地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究,尤其在近地表工程、環(huán)境探測等領(lǐng)域[151-154]已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。反射地震勘探受儀器、觀測系統(tǒng)和疏松的近地表地震-地質(zhì)條件等因素的制約,面波干擾已成為地震資料的重要組成部分。近年來,人們逐漸意識到這類“干擾波”也攜帶了豐富的近地表地質(zhì)信息,如何將這類干擾波變廢為寶,充分利用它們來提取近地表結(jié)構(gòu)及巖性橫向變化等信息并加以利用,已成為今后面波利用研究的一個重要發(fā)展方向。MARI[155]率先利用反射地震資料中的Love面波反演近地表S波速度結(jié)構(gòu),并用于橫波靜校正;席擁軍[156]對塔里木山地反射地震資料開展了利用面波信息進行反射波靜校正處理的研究;曾校豐等[157]以沙漠地區(qū)反射地震資料中的面波為例,深入探討了面波提取所需要的條件、存在的問題和提取方法技術(shù),并指出利用“大炮”地震記錄中的面波解決近地表問題具有良好的應(yīng)用前景;周熙襄等[158]、王振國等[159]深入分析了利用面波調(diào)查近地表結(jié)構(gòu)的可行性,并指出利用反射地震記錄中的面波調(diào)查近地表結(jié)構(gòu)是反射波靜校正和地震成像新的技術(shù)手段;顏俊華等[160]提取勘探地震記錄中的面波,并反演出低降速帶的橫波速度結(jié)構(gòu)模型;LAAKE等[161]利用中東和非洲兩個油氣田反射地震資料中的面波信息構(gòu)建出3D近地表速度結(jié)構(gòu)模型;STROBBIA等[162-164]結(jié)合大量實例,深入討論了面波的再利用問題,為反射地震資料中的面波分離和再利用提供了十分有用的思路;李子偉[165]利用瑞雷面波頻散信息調(diào)查油田近地表結(jié)構(gòu)和潛水面深度,取得了一些有實際意義的成果和認識;張向權(quán)等[166]通過提取反射地震資料中的面波反演近地表結(jié)構(gòu),并根據(jù)面波屬性與近地表結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系,建立了利用面波反演巨厚戈壁區(qū)表層結(jié)構(gòu)的技術(shù)流程;米曉利等[167]提取三維地震數(shù)據(jù)體中面波攜帶的信息用于表層結(jié)構(gòu)調(diào)查;沈鴻雁等[168]利用反射地震資料中的瑞雷面波反演出150m以淺的低降速帶結(jié)構(gòu),有效補充了反射波成像剖面中缺失的淺層信息;姜福豪等[169]探討了大炮面波頻散分析和反演中應(yīng)注意的問題,通過實際資料處理并與微測井和小折射調(diào)查結(jié)果比較,證明了大炮面波反演近地表結(jié)構(gòu)的可靠性。

上述研究充分表明,反射地震資料中的面波再利用潛力很大,目前已成為近地表結(jié)構(gòu)探測和速度參數(shù)來源的重要組成部分。

4 結(jié)論與展望

近地表對地震波場的影響主要體現(xiàn)在采集參數(shù)選擇、能量吸收衰減和靜校正等方面。如果近地表的影響不能得到有效消除,將導(dǎo)致地震資料信噪比和分辨率嚴重下降、速度分析精度和成像質(zhì)量難以得到保證,從而導(dǎo)致最終的油氣藏勘探成效下降。近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查和參數(shù)反演是高分辨率反射地震勘探的重要內(nèi)容和基礎(chǔ)保障,目前已經(jīng)建立了以微測井、小折射為主,淺層反射、工程面波、高密度電法、探地雷達等技術(shù)為輔的近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查技術(shù)系列,形成了以振幅衰減法、譜比法、質(zhì)心頻移法等多種方法估算品質(zhì)因子Q值以及層析成像構(gòu)建近地表速度模型為核心的近地表結(jié)構(gòu)參數(shù)反演方法體系。然而,隨著近地表地震-地質(zhì)條件的日趨復(fù)雜,尤其是地表高程起伏大、橫向速度變化劇烈、低降速帶巨厚等地區(qū),高分辨率地震勘探對地震資料的“三高”處理要求不斷提高,現(xiàn)有的近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查及參數(shù)反演方法、技術(shù)手段難以有效滿足實際生產(chǎn)的需求,未來仍然需要開展持續(xù)深入的研究,具體方向如下。

1) 目前近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查的方法手段已經(jīng)比較豐富和全面,未來發(fā)展的重點應(yīng)是針對具體的近地表調(diào)查情況,優(yōu)化技術(shù)的局部細節(jié)調(diào)查能力,以提高近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查的精細程度,同時兼顧野外調(diào)查的時效性。

2) 近地表地震波能量吸收衰減與補償是高分辨率地震資料處理的重要內(nèi)容之一。盡管目前已經(jīng)形成了多種估算Q值及補償?shù)姆椒ê褪侄?然而,復(fù)雜的近地表地質(zhì)因素下,不同地理環(huán)境、不同地震-地質(zhì)條件、不同地層特征等情況下的地震波傳播規(guī)律及能量吸收衰減機制不盡相同,要想徹底補償近地表因素造成的地震波能量吸收衰減,仍然需要持續(xù)加強近地表地震波傳播規(guī)律與吸收衰減機理的研究。因此,地震波能量吸收與補償仍然是未來高分辨率反射地震資料處理研究的重點內(nèi)容和難題。

3) 近地表速度建模方法和手段有待進一步完善和拓展。目前近地表速度建模主要利用初至波信息,充分利用地震波運動學(xué)和動力學(xué)信息的波形反演和走時-波形聯(lián)合反演的潛力還有待進一步挖掘。此外,全波形反演在理論上是建模精度最高的手段,對于要求精細刻畫速度結(jié)構(gòu)的近地表來說應(yīng)該是特別適合的方法,雖然有關(guān)方面的研究工作早已開展并取得了一系列重要進展,但在實用化過程中還存在諸多問題和挑戰(zhàn),因此全波形反演仍然是今后近地表速度建模研究的一個重要方向。

4) 線性反演已經(jīng)比較成熟并得到了推廣應(yīng)用,然而受波場分離的不完整性、假頻和噪聲引入的誤差、地震數(shù)據(jù)采集存在的固有缺陷等因素的制約,加之地球物理參數(shù)反演本身是一個多參數(shù)、多極值的高度非線性迭代優(yōu)化過程,理論上非線性反演更容易獲得地球物理反問題的全局最優(yōu)解,但非線性反演算法穩(wěn)定性差、反演效率低下的缺陷仍然有待進一步解決。此外,聯(lián)合反演也是一種解決近地表結(jié)構(gòu)參數(shù)反演問題的策略,波場類型之間的聯(lián)合反演和線性與非線性反演方法之間的聯(lián)合目前已有報道,但其潛力有待進一步挖掘,解決近地表問題的能力有待進一步提高。

5) 常規(guī)地面反射地震資料中的面波再利用已展現(xiàn)出良好的利用前景,但截至目前仍然沒有形成一套較為完備的面波成像處理技術(shù)。究其原因,是反射地震中的面波與工程面波相比頻率更低、傳播距離更大、穿透能力更強、波場更復(fù)雜,直接套用相對成熟的工程面波反演技術(shù)難以取得好的成像效果。因此,開發(fā)適合于大炮面波的處理及成像技術(shù)是這類面波再利用的關(guān)鍵所在,可以判斷,反射地震中的面波成像與近地表結(jié)構(gòu)研究仍然是未來的一個熱門研究課題。