徐凱馳，呂景峰，裴廣平，李 平，鐘 海，劉衍貴

(1.中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000;2.東方地球物理公司塔里木物探處，新疆 庫爾勒 841000)

0 引言

復(fù)雜山前帶區(qū)域地表類型和巖性多變，地勢起伏較大，低、降速帶的厚度和速度在縱、橫向上不穩(wěn)定，存在較為突出的靜校正問題[1-3]。共激發(fā)點、共接收點道集上表現(xiàn)為初至不連續(xù)、不光滑，時間疊加剖面上難以保證地震波同相疊加和成像準(zhǔn)確可靠[4-7]。為了消除由于地表高程不同以及低、降速帶厚度和速度的差異帶來的影響[8-12]，目前一般采用適應(yīng)能力強(qiáng)、應(yīng)用廣泛、基于初至波信息的層析速度反演與靜校正技術(shù)[13-21]，因此初至波高精度、高效率拾取就成為靜校正和地震資料處理環(huán)節(jié)必不可少的基礎(chǔ)工作，決定著后續(xù)靜校正的精度及處理的質(zhì)量。由于山前帶地震資料能量弱，受噪聲發(fā)育、吸收衰減嚴(yán)重以及信噪比低等因素的影響，初至難以準(zhǔn)確拾取。初至波拾取的方法一直在持續(xù)改進(jìn)，程仲平等[22]提出的空變時窗約束初至拾取方法認(rèn)為臨近炮點地理位置相差不大，前一炮的初至可以作為約束條件拾取后一炮的初至，能夠快速、準(zhǔn)確地拾取地震波初至，但是在兩炮位置或巖性相差較大的情況下不能準(zhǔn)確確定初至的位置;許銀坡等[23]利用初至評價方法自動優(yōu)選可信度高的初至并對異常初至進(jìn)行二次拾取，提高了初至拾取的精度和效率，但是對于整體初至信噪比較低的資料不易得到可信度較高的初至;詹毅[24]和岳龍[25]等在正確選擇小波函數(shù)和變換尺度的前提下，采用連續(xù)小波變換方法能夠提高準(zhǔn)確初至的識別能力;劉志成[26]模擬人機(jī)交互初至半自動拾取，提高了低信噪比區(qū)初至拾取的精度，但是很難解決初至脫相的問題;梁上林等[27]基于穩(wěn)相疊加原理，通過超級虛折射干涉，加強(qiáng)了弱初至信號，但是該方法對時窗的選取要求較高;唐杰等[28]提出一種自適應(yīng)間隔閾值去除固有模態(tài)中噪聲成分的方法提高了資料的信噪比。

這些研究圍繞著提高自動初至拾取精度，取得了一定的效果，在生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用。但是復(fù)雜山前帶地震初至拾取工作仍面臨以下問題:一是由于近地表條件以及波場復(fù)雜等原因，地震初至經(jīng)常呈現(xiàn)為不連續(xù)的錯斷現(xiàn)象，對于錯斷的初至不清楚該如何處理;二是對于采用可控震源激發(fā)的地震資料，由于存在微震和互相關(guān)旁瓣噪聲等干擾，初至波形變化較大，再加上吸收衰減嚴(yán)重、能量弱等原因，很難識別初至的準(zhǔn)確位置;三是為了提高地震原始資料信噪比，高密度、寬方位三維采集技術(shù)得到了越來越廣泛地應(yīng)用[29-31]，致使初至拾取工作量越來越大，嚴(yán)重制約了處理周期，滿足處理需求且適宜的初至拾取范圍還不明確。

該文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過波動方程正演模擬方法指導(dǎo)復(fù)雜山前帶的初至拾取工作，對可控震源資料進(jìn)行預(yù)處理，消弱背景噪聲從而提高單炮記錄的初至波信噪比，選擇不同偏移距初至范圍開展層析反演，確定了滿足淺表層速度場及靜校正精度所需的最優(yōu)初至范圍，并用波動方程正演模擬數(shù)據(jù)和實際地震資料分別對該研究結(jié)果予以驗證。

1 方法技術(shù)

1.1 波動方程正演模擬指導(dǎo)初至拾取工作

復(fù)雜近地表區(qū)，由于地勢的起伏及低、降速帶結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，導(dǎo)致地震記錄的初至形態(tài)并不完全是連續(xù)、光滑的，往往存在初至錯斷現(xiàn)象(如圖1a所示)。通過分析接收點的近地表結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，地表高程(如圖1b所示)、風(fēng)化層厚度(如圖1c所示)以及風(fēng)化層平均速度(如圖1d所示)都是連續(xù)變化的，不存在突變現(xiàn)象，此時錯斷兩端的初至?xí)r間是否都需要進(jìn)行拾取存在爭議。

圖1 遠(yuǎn)偏移距缺失初至地震單炮記錄及其接收點近地表結(jié)構(gòu)Fig.1 Single shot record of missing first arrival in far offset and near-surface structure of receiver

波動方程正演方法能夠模擬復(fù)雜近地表及地下構(gòu)造情況下的單炮記錄，并可分析復(fù)雜波場的成因與機(jī)理，據(jù)此可指導(dǎo)野外地震單炮記錄的初至拾取工作。根據(jù)實際地表高程及近地表結(jié)構(gòu)建立了2個理論正演模型，如圖2所示:模型長度為12 km、深度為1.5 km，網(wǎng)格尺寸沿測線方向及垂向均為2.5 m，模型的風(fēng)化層厚度為3.4～118.5 m，速度為800 m/s。第一高速層速度為2 000 m/s，厚度為9.6～102.5 m;下伏為3 000 m/s的第二高速層。2個模型的差異表現(xiàn)在最后一層的速度:圖2a的第三高速層速度為3 500 m/s，而圖2b在第三高速層的下伏還存在4 000 m/s的速度層。

圖2 正演模型Fig.2 Forward modeling

采用黏滯彈性波動方程正演模擬方法對存在4 000 m/s速度場的理論模型2進(jìn)行正演模擬，檢波點間距為20 m，檢波點個數(shù)為601個;炮點間距40 m，共計300炮;排列方式為7190-10-20-10-7190。位于水平距離2 970 m激發(fā)的單炮記錄，在5 920 m處的初至?xí)r間存在錯斷現(xiàn)象(如圖3a所示)，加載理論靜校正量后初至變得平整(如圖3b所示)，但是“陡坎”依然存在，局部放大后發(fā)現(xiàn)初至波形是逐漸變化并過渡的(如圖3c所示)。但是在不包含4 000 m/s的理論模型1正演的單炮上就不存在“陡坎”現(xiàn)象(如圖4所示)。由此可以判斷，第285～297道的初至波是3 500 m/s速度層的折射波，第298～313道的初至波是由3 500 m/s與4 000 m/s速度層的折射波干涉而成的復(fù)合波。分別拾取300炮的全排列初至以及只拾取到出現(xiàn)“陡坎”處位置的初至，層析反演后，以2 000 m/s的理論速度界面為高速頂界面，對比采用不同初至范圍的反演結(jié)果差異，發(fā)現(xiàn)風(fēng)化層速度誤差為-73～79 m/s，靜校正量的誤差為-1.4～1.5 ms。所以，單炮初至出現(xiàn)“陡坎”現(xiàn)象后，在錯斷位置以后的初至可以不再拾取，并不影響層析反演的淺表層速度場及靜校正的精度。

圖3 正演模型2在2 970 m處的正演模擬記錄Fig.3 Forward modeling record of model 2 at 2 970 m

圖4 正演模型1在2 970 m處的正演模擬記錄Fig.4 Forward modeling record of model 1 at 2 970 m

1.2 可控震源單炮的處理

復(fù)雜山前帶區(qū)可控震源的施工區(qū)域主要集中在戈壁礫石區(qū)。由于堆積、洪積作用，山前帶戈壁礫石區(qū)風(fēng)化層巨厚，一般超過30 m，甚至達(dá)到200 m以上，地震波在該區(qū)域傳播過程中，能量吸收、衰減嚴(yán)重。在地震資料采集過程中，由于“天電”(50 Hz)干擾、隨機(jī)干擾以及固定源等干擾的存在，導(dǎo)致可控震源單炮記錄背景噪聲發(fā)育，初至波信噪比低，初至很難準(zhǔn)確識別。

對于初至難以準(zhǔn)確分辨的可控震源單炮記錄，可采用調(diào)整增益、顯示方式以及寬頻濾波、適當(dāng)?shù)脑肼晧褐频忍幚泶胧﹣碓鰪?qiáng)初至的可識別度[32]。而通過小相位化處理，能夠有效抑制互相關(guān)旁瓣噪聲干擾，得到初至波信噪比更高的最小相位單炮記錄，有利于準(zhǔn)確識別初至位置。但是可控震源單炮記錄濾波處理后，往往會引起初至波的畸變(如圖5a所示);而小相位化處理有時也會導(dǎo)致單炮記錄產(chǎn)生異常初至(如圖5b所示)。這時需去偽存真、仔細(xì)甄別，拾取正確的初至。

圖5 可控震源帶通濾波及小相位化處理單炮記錄Fig.5 Single shot records of vibroseis band pass filtering and small phasing processing

與原始相位的可控震源單炮記錄相比，經(jīng)過小相位化處理后，初至?xí)a(chǎn)生時移。為了討論小相位化處理前后初至?xí)r移對層析反演精度造成的影響，根據(jù)復(fù)雜山前帶二維測線實際的淺層近地表結(jié)構(gòu)及深層構(gòu)造樣式構(gòu)建了理論正演模型:模型長度為21.2 km、深度為15.2 km，高速頂界面高程為1 167.1～2 068.0 m，風(fēng)化層的厚度為3.0～185.6 m，風(fēng)化層速度為716～1 424 m/s，模型網(wǎng)格尺寸為5 m×5 m。在高速頂界面下伏速度為1 995～3 120 m/s的高速層，其厚度為9.8～114.4 m。采用20 m道距、40 m炮距、最小偏移距10 m、最大偏移距8 150 m(8 150-10-20-10-8 150)的觀測系統(tǒng)進(jìn)行波動方程正演模擬，共計529炮、1 061道。

對正演單炮記錄進(jìn)行小相位化處理，拾取小相位化處理前后的單炮記錄初至并對比，發(fā)現(xiàn)小相位化處理前后的初至?xí)r間存在6～10 ms的時移量(如圖6a所示)。由于初至存在一定的時移量，導(dǎo)致層析反演結(jié)果也存在差異。將理論模型數(shù)據(jù)計算的靜校正量作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，結(jié)果表明:采用原始相位的初至?xí)r間進(jìn)行層析反演后，靜校正量的誤差偏大，誤差值為-6.2～0.6 ms，平均誤差為-2.6 ms;而采用經(jīng)過小相位化處理、與原始相位存在時移的初至?xí)r間進(jìn)行層析反演后，靜校正量的誤差相對偏小，為-5.5～0.5 ms，平均誤差只有-1.6 ms，誤差趨勢線總體上更加靠近0線(如圖6b所示)，可見其反演結(jié)果精度更高。

圖6 正演模擬記錄不同相位的初至?xí)r間及反演結(jié)果對比Fig.6 First arrival time with different phases recorded by forward modeling and comparison of inversion results

在地震勘探數(shù)據(jù)采集過程中，因為道距和炮距相對較大，所以造成近地表的數(shù)據(jù)采樣不足;同時采用的是平面觀測系統(tǒng)，導(dǎo)致穿過近地表的射線方位有限;再加上在層析反演過程中需要對模型進(jìn)行平滑處理，這些因素導(dǎo)致初至波走時層析反演得到的淺層速度比實際的速度大?？煽卣鹪磫闻谟涗浗?jīng)過小相位化處理后，大炮的初至?xí)r間會向后微量時移，也就是射線走時增大，在射線傳播路徑不變的情況下，層析反演獲得的淺層速度相對變小，更加接近實際的近地表條件。

1.3 優(yōu)選初至拾取的合適偏移距范圍

初至走時射線層析反演是由地震波在地下介質(zhì)中傳播旅行時實現(xiàn)的，遠(yuǎn)、近偏移距的旅行時對反演近地表速度場的貢獻(xiàn)有所不同，初至偏移距越大，旅行時對反演淺表層模型的作用也越小。又因為初至波能量衰減嚴(yán)重以及強(qiáng)背景噪聲等原因，致使遠(yuǎn)偏移距的初至波能量較弱，很難保證初至波的拾取精度。初至數(shù)據(jù)的精度直接影響最終的層析反演結(jié)果，不能保證精度的初至數(shù)據(jù)不應(yīng)參與到層析反演計算中。而且參與運(yùn)算的初至數(shù)據(jù)越多，層析反演的周期就越長。為了保證層析反演的精度及效率，可以根據(jù)實際的近地表特征，用試驗對比的方法來確定參與層析反演最為適宜的初至?xí)r間范圍。

1.3.1 不同初至范圍對層析反演結(jié)果的影響

2019年度在塔里木盆地某復(fù)雜山前帶實施了高密度三維地震勘探采集項目，野外觀測系統(tǒng)為36L3S720R，即每炮36個排列、每個排列720道，每炮共計25 920道接收，接收線距為180 m。通過工區(qū)內(nèi)典型單炮記錄分析可知，戈壁礫石區(qū)可簡單的分為三層結(jié)構(gòu):偏移距在0～200 m內(nèi)的低速約為800 m/s;偏移距在200～750 m內(nèi)的降速約為1 700 m/s;偏移距大于750 m為折射層，速度約為2 500 m/s。砂泥巖山體的單炮基本為兩層結(jié)構(gòu):偏移距在0～250 m內(nèi)的低速約為600 m/s;偏移距大于250 m以后就出現(xiàn)了折射層，第一折射層的速度約為2 500 m/s;偏移距大于2 km后出現(xiàn)了第二折射層，其速度約為4 200 m/s。通過人機(jī)交互拾取的方式完成了該項目的大炮初至拾取工作，拾取的初至最大偏移距范圍為4.5 km。

首先采用4.5 km偏移距的初至?xí)r間進(jìn)行層析反演，獲得層析反演速度場及每條射線在速度場中的走時路徑，由此可計算出每一炮的正演初至?xí)r間。由于該初至數(shù)據(jù)是根據(jù)反演的速度場及射線走時路徑計算所得，是理論初至數(shù)據(jù)，所以能夠保證不同偏移距范圍的初至精度，由此能夠客觀地分析不同偏移距初至范圍對層析反演精度的影響。由三維正演初至?xí)r間與偏移距統(tǒng)計分析可知，工區(qū)的表層結(jié)構(gòu)可簡單劃分為3層:低速層速度為800 m/s，初至?xí)r間的偏移距是0～300 m;降速層速度為1 400 m/s，初至?xí)r間的偏移距為300～800 m;初至?xí)r間在偏移距大于800 m后是穩(wěn)定的折射層，速度為2 500 m/s。根據(jù)正演的理論初至?xí)r間，在保證層析反演其他參數(shù)相同的前提下，對比選用1.0 km，2.0 km，3.0 km和4.5 km偏移距范圍內(nèi)的初至層析反演結(jié)果，以采用偏移距4.5 km范圍內(nèi)初至的層析反演結(jié)果為對比標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)選滿足層析反演精度的初至?xí)r間范圍。速度場差值對比結(jié)果表明，采用偏移距為0～2.0 km，0～3.0 km，0～4.5 km的初至層析反演后，地表以下500 m范圍內(nèi)的淺表層速度場精度相當(dāng)(如圖7a和圖7b所示)，相同位置處的速度值差異甚微，基本不超過50 m/s。但采用1.0 km與4.5 km偏移距范圍內(nèi)的初至開展層析反演后，結(jié)果有較大的差異。在理論模型的水平位置9～15 km內(nèi)，淺表層的相同位置處，二者之間的速度差值超過100 m/s，如理論模型的水平位置11 km、地表以下10 m處，速度差值高達(dá)386 m/s(如圖7c所示)?；鶞?zhǔn)面靜校正量對比結(jié)果也是如此，采用2.0 km，3.0 km，4.5 km偏移距范圍內(nèi)的初至開展層析反演并計算基準(zhǔn)面靜校正量，三者之間的靜校正量值差異非常小，不超過1.8 ms;但采用1.0 km與4.5 km偏移距范圍內(nèi)的初至開展層析反演后，以4.5 km偏移距離范圍內(nèi)的初至反演結(jié)果計算的靜校正量為標(biāo)準(zhǔn)，計算的靜校正量存在-10.3～7.3 ms的誤差(如圖8所示)。可見，用于層析反演的初至偏移距范圍不能選擇0～1.0 km，需選擇0～2.0 km偏移距范圍的初至才能滿足該區(qū)層析反演的精度需求。

圖7 初至范圍反演速度場差Fig.7 Inversion of velocity field difference in initial arrival range

圖8 靜校正量差值對比Fig.8 Comparison of static correction difference

1.3.2 不同初至范圍對折射波剩余靜校正的影響

在復(fù)雜山前帶，經(jīng)過基準(zhǔn)面靜校正后，因為已消除了地表起伏、表層結(jié)構(gòu)在縱橫向上的差異以及物理點偏移所帶來的影響，那么理論上源自相同折射層不同域的折射波初至形態(tài)應(yīng)該是連續(xù)、漸進(jìn)、較為平直的;如果共激發(fā)點、共接收點、共中心點及共炮檢距域相同折射層的折射波初至存在不連續(xù)的抖動、甚至錯斷現(xiàn)象等不規(guī)則變化，表明基準(zhǔn)面靜校正中仍然存在短波長乃至中波長靜校正量的殘差[33-34]?？赏ㄟ^在不同域中開展折射波時移校正來消弱這種不規(guī)則變化所造成的影響，從而提高基準(zhǔn)面靜校正的精度。在開展折射波剩余靜校正計算過程中，采用不同的初至?xí)r間范圍數(shù)據(jù)，剩余靜校正量的值會有一定量的差異，尤其是在滿覆蓋邊框以外的區(qū)域更為明顯。將采用1.0～4.5 km偏移距的初至?xí)r間范圍計算的折射波剩余靜校正量作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，以確定滿足折射波剩余靜校正計算精度的初至?xí)r間范圍。

通過采用不同偏移距的初至?xí)r間范圍計算所得的折射波剩余靜校正量誤差對比發(fā)現(xiàn)，采用偏移距的初至?xí)r間范圍越小，與標(biāo)準(zhǔn)折射波剩余靜校正量的差值越大;采用偏移距的初至?xí)r間范圍越大，與標(biāo)準(zhǔn)折射波剩余靜校正量的差值越小。采用1.0～1.5 km偏移距的初至?xí)r間計算的折射波剩余靜校正量，與標(biāo)準(zhǔn)折射波剩余靜校正量的差值較大，剩余靜校正量差值小于4 ms的占93.2%，而且在滿覆蓋面積內(nèi)也存在著差值大于4 ms的;而采用1.0～2.0 km，1.0～2.5 km，1.0～3.0 km，1.0～3.5 km及1.0～4.0 km偏移距的初至?xí)r間計算的折射波剩余靜校正量，與標(biāo)準(zhǔn)折射波剩余靜校正量的差值逐漸減小，剩余靜校正量差值小于4 ms的所占比重非常高，分別為96.1%，96.3%，97.3%，98.9%以及99.9%，并且差值大于4 ms的均分布在炮點邊框以外，對最終剖面的成像影響非常有限。可見，為保證該區(qū)折射波剩余靜校正的精度，初至?xí)r間范圍不能選擇過小，但也無須過大，選擇1～2 km偏移距范圍內(nèi)的初至?xí)r間即可滿足折射波剩余靜校正的精度需求。

2 實例

2020年度，塔里木盆地某復(fù)雜山前帶區(qū)實施了三維地震勘探采集工作，選取其中的30束線資料對該文方法進(jìn)行驗證。工區(qū)主要有3種地表類型:山體、山前戈壁以及村莊，山體中存在著河流及沖溝等。地表高程為1 300～2 300 m，最大相對落差達(dá)1 000 m;低、降速帶厚度變化較大，老地層出露的山體區(qū)一般不超過10 m，但是沖積扇的厚度一般在40 m以上，甚至達(dá)到150 m，對地震波能量的吸收、衰減作用強(qiáng)烈;低、降速帶速度為450～1 550 m/s;高速層速度在1 950～3 500 m/s內(nèi)變化。總體表現(xiàn)為單炮記錄初至異?，F(xiàn)象突出，可控震源單炮記錄初至旁瓣干擾嚴(yán)重，信噪比低，初至的精度難以保證。

首先，針對初至表現(xiàn)為異常的野外原始單炮記錄(如圖9a所示)，根據(jù)其近地表結(jié)構(gòu)(如圖9b、圖9c、圖9d所示)建立正演模型(如圖9e所示)，采用黏滯彈性波動方程的方法獲得正演模擬記錄(如圖10a所示)。與野外單炮記錄對比發(fā)現(xiàn)，正演模擬記錄近炮點位置存在連續(xù)的初至，說明野外單炮記錄的初至形態(tài)不正確。采用100 ms較小時窗的自動增益顯示后，野外單炮的近道初至呈現(xiàn)出來(如圖10b所示)。通過理論模型波動方程正演模擬，查明了單炮復(fù)雜波場的形成機(jī)理，準(zhǔn)確地識別了初至，避免了“漏拾”“誤拾”初至的現(xiàn)象，保證了參與層析反演的初至涵蓋了所需的有效信息。

圖9 近偏移距缺失初至地震單炮記錄及其接收點近地表結(jié)構(gòu)和正演模型Fig.9 Near offset missing first arrival seismic single shot record and near-surface structure and forward modeling of its receiver

圖10 正演單炮記錄與自動增益顯示的野外單炮記錄Fig.10 Single shot record of forward modeling and field single shot record with auto gain

其次，對于近道旁瓣干擾嚴(yán)重、噪聲發(fā)育、初至無法準(zhǔn)確識別的可控震源單炮(如圖11a所示)，通過采用反褶積和最小相位化等處理手段，有效壓制了近道旁瓣干擾以及背景噪聲等(如圖11b所示)，初至信噪比得到提高，能夠準(zhǔn)確判定初至的真實位置，保證了初至拾取的精度。

圖11 正演單炮記錄與自動增益顯示的野外單炮記錄Fig.11 Single shot record of forward modeling and field single shot record with auto gain

最后，在人際交互初至拾取的基礎(chǔ)上，根據(jù)初至數(shù)據(jù)冗余量大的特點，采用偏移距0～2 km的初至(橫向24條接收線、縱向100道)進(jìn)行層析反演并計算折射波剩余靜校正量。與以往方法相比，該文方法提高了初至的精度，能夠在保證層析反演精度的前提下，縮短初至拾取與層析反演的周期。通過初疊剖面效果對比可知，采用相同的地震資料處理流程及層析反演參數(shù)，該文方法大大提高了靜校正精度，有效改善了剖面的成像效果(如圖12所示)。

圖12 時間初疊剖面效果對比Fig.12 Effect comparison of time initial stack section

3 結(jié)論

1)波動方程正演模擬方法能夠查清復(fù)雜波場的形成機(jī)理，輔助判定初至的真實位置，有效指導(dǎo)初至拾取工作。

2)對可控震源單炮記錄開展反褶積和最小相位化處理，能夠消弱背景噪聲以及近道旁瓣噪聲等干擾，有效地提高初至波信噪比，有利于提高初至拾取的精度。

3)對于淺表層速度場反演及靜校正精度而言，用于層析反演的初至，只需含有低、降速帶信息的初至?xí)r間以及隨后800～1 300 m的折射層初至?xí)r間即可滿足需求。