叠前深度偏移技术在城市活动断层探测中的优势

王志辉，韩立国，贺文静，周积响

（1. 吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026；2. 北京市地质调查研究院，北京 102206；3.江西应用技术职业学院，赣州 341000）

叠前深度偏移技术在城市活动断层探测中的优势

王志辉1，2，韩立国1，贺文静2，周积响3

（1. 吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026；2. 北京市地质调查研究院，北京 102206；3.江西应用技术职业学院，赣州 341000）

本文介绍了Kirchhoff积分法叠前深度偏移和波动方程叠前深度偏移两种偏移方法，并通过对Marmousi数据模型和实际数据资料处理，对比叠前深度偏移成像与叠后时间偏移成像和常规叠加剖面的应用效果。实际结果表明：对于速度横向变化剧烈的复杂地质体，叠前深度偏移成像精度更高，适合于城市活动断层的高精度探测。

Kirchhoff积分法叠前深度偏移；波动方程叠前深度偏移；活动断层

0 前言

活动断层是指晚第四纪以来活动的断层，常导致地裂缝、地面沉降、滑坡和崩塌等地质灾害。活动断层对城市发展的危害性评价日益受到人们的重视。城市大多处于平原和盆地地区，地表由第四系松散的堆积物覆盖，活动断层的勘查更多依赖于地球物理勘查方法。在各种地球物理勘探方法中，浅层地震勘探方法是最有效的方法之一。随着研究问题的深入，人们对地震勘探结果的要求也越来越高，特别是对于复杂的构造的研究，人们更希望应用偏移处理技术使地下反射信号归位，该技术成为国内外地震专家、学者研究的热点。伴随着巨型机、向量计算机和微机群在地震数据处理中的广泛应用，地震偏移技术已由以往的时间偏移发展到目前的深度偏移。叠前深度偏移技术已经成功地应用到油气勘探领域，与时间偏移相比，其地下构造信息的成像更为精确。

1 叠前深度偏移的方法介绍

叠前深度偏移概念在20世纪70年提出，但是由于当时地震叠前记录的信噪比较低，偏移的初始模型难以确定，加之当时的计算机无法承受叠前偏移较大的计算量，直到20世纪90年代叠前偏移才开始应用于高分辨地震勘探数据处理中。目前，常用的叠前深度偏移方法可分为两类：第一类是基于绕射扫描叠加原理的Kirchhoff积分法，另一类是基于波动方程的偏移方法。

1.1 Kirchhoff积分法叠前深度偏移

Kirchhoff积分法叠前深度偏移是以Hagedoorn(1954)提出的 最大凸面法 原理为基础建立的叠前深度偏移方法。它的本质是Green函数的射线近似，处理时分别进行震源点和接收点到地下可能成像点进行射线追踪，得到射线从震源点到地下反射点再到接收点的射线时间，然后把相应激发点和接收点道上等于射线时间的振幅累加到该地下点上，对所有道和所有地下点重复进行这种积分。这样在地下真实的位置上，反射波振幅得到同相加强，而在其他地下点上，反射波振幅相互抵消，从而进行成像。该方法具有无频散、占用资源少和实现效率高的特点，并且能够适应变化的观测系统和起伏的地表，特别是优化的射线追踪法和改进的有限差分法能够在速度场变化的情况下快速准确地计算绕射波和反射波旅行时，从而使积分法能够适应复杂的构造成像。

1.2 波动方程叠前深度偏移

波动方程叠前深度偏移是建立在波场反向外推基础上,研究多波至的一种偏移方法。按照算法实现的原理主要分有限差分偏移方法和Fourier偏移方法。波动方程有限差分算法是借助于差分计算，把速度、密度等介质参数的影响体现在差分计算的矩阵方程中；Fourier偏移算法一般借助快速Fourier变换来进行波场延拓计算。波动方程叠前深度偏移是处理复杂地质构造成像的有效方法，它不仅能够对陡倾角构造和地层进行成像，而且能够适应横向速度的任意变化，并且有利于振幅和相位保持，从根本上解决了多路径问题以及由速度变化所引起的焦散效应，成像精度更高。

2 模型试算

为了检验叠前深度偏移的数据处理效果，选择国际测试复杂构造成像方法惯用数据模型：Marmousi数据模型。该模型是基于西非安哥拉实际地质情况建立的，模型中包括多个反射层和三个陡倾角的断裂，速度在横向和纵向梯度变化较大（见图1），是检验成像方法的理想模型。本文中所使用的数据来自SEG/ EAGE提供的声波模拟记录，共240炮记录，每炮记录由96道组成，每道记录长度为3s，采样间隔为4ms，炮点间距、道间距均为25m，偏移距为200m（见图2）。

图1 Marmousi速度模型

图2 声波模拟的单炮记录

2.1 水平叠加剖面

目前在城市地震资料解释中使用最多的仍为水平叠加剖面，它是经过水平叠加处理后得到的时间剖面，相当于在各点自激自收的零偏距剖面。在地倾角较小、构造简单的地区，这种水平叠加剖面可以直观地反映出地下地质体的构造形态。但是如果界面倾角较大时，水平叠加剖面实际上是共中心点叠加而不是共反射点叠加，这样会造成剖面上的反射点向地层下倾的方向发生偏离，降低了横向分辨率；此外当地下界面由于受到构造运动和沉积的不均匀性造成的地层中断或弯曲时，常常会产生绕射波和回转波。图3看出，在剖面两边速度界面比较平缓的区域，水平叠加剖面的反映的情况与实际模型（图1）相吻合；而在速度横向变化距剧烈的地方，水平叠加剖面不能够清晰地反映出模型的形态，并且出现绕射波。

图3 水平叠加剖面

2.2 叠后时间偏移剖面

叠后时间偏移是以基于水平叠加剖面利用爆炸反射层原理将倾斜的反射层归位并使绕射波的收敛。经过偏移处理后剖面反射点沿着界面向上倾方向移动，解决了当地层倾斜时真实反射点的位置偏离共中心点下方的铅垂线问题。如图4，当地层倾角较缓，水平叠加剖面上存在绕射波时，应用叠后偏移可以对地下地质体进行快速成像，叠后偏移对速度模型要求不高，较易操作。但是当地下构造复杂、横向速度变化大时,共中心点道集中的反射波旅行时已不再是双曲线形式，水平叠加的结果也不完全等价于自激自收的零炮检距剖面，叠后偏移已不能使地下构造正确成像，采用倾角时差校正(DMO)也难以得到真正零炮检距剖面。

2.3 Kirchhoff叠前深度偏移剖面

Kirchhoff叠前深度偏移对速度模型要求不是过于严格，计算效率高，适应不同的野外观测系统，能做地下目标体或任意目标线的偏移，适合二维/三维、叠前/叠后、时间/深度等不同类型的偏移处理，是目前三维地震数据处理中主流的偏移方法。从图4中可以看出Kirchhoff叠前深度剖面成像效果较叠加剖面和叠后时间剖面有了较大的改善，它消除了绕射的影响，使地下反射层得到归位，清晰地反映出模型的形态，但同时也可以看出对于速度横向和纵向梯度变化较大的区域，Kirchhoff叠前深度偏移剖面并不能够进行精确的成像，且高频信号损失严重。

图4 叠后时间偏移剖面

2.4 波动方程叠前深度偏移剖面

波动方程法叠前深度偏移由于研究多波至，用波动方程精确计算振幅，所以它的精度更高，图5中可以看出无论对于陡倾角的断层还是速度梯度变化较大的区域它都能进行精确的成像，特别是对于三条断裂位置的反映更加清晰准确。对比图5和图6不难发现波动方程法叠前深度偏移比Kirchhoff叠前深度偏移有更好的成像结果，但是相对于Kirchhoff叠前深度偏移其计算量大，要求完全规则的观测系统，对偏移速度较敏感，较小的速度误差就可能影响成像效果。

3 实例

现以某地区活动断层探测地震资料处理为例，说明叠前深度偏移处理的应用效果。该地区地表被第四系覆盖，地势平坦，野外施工时采用可控震源激发，每道由6个60Hz的检波器组合接收，接收道数为60道，道间距3m，炮点距6m，采样间隔0.5ms,记录长度1024ms。

图5 Kirchhoff叠前深度偏移剖面

图6 波动方程叠前深度偏移剖面

数据处理时首先使用常规的地震数据处理方法得到叠加时间剖面（图7）,为了便于叠前深度偏移成像与叠加剖面的对比，应用波动方程叠前深度偏移方法对数据进行成像处理（图8），结果表明波动方程叠前深度偏移成像方法更具优势。

（1）叠前深度偏移剖面归位准确，断层清晰；

（2）叠前深度偏移使用了更加准确的速度-深度模型，且实现了真正意义上的共反射点（CRP）道集叠加，因而具有更高的分辨率和信噪比。

4 结论

通过对Marmousi模型的数据处理和实际资料的应用，我们不难发现叠前深度偏移方法对于地下介质的成像较常规的叠前剖面有着明显的优势：它不仅可以使反射波归位，而且有助于干涉带的自动分解，提高地震记录信噪比和分辨率；此外叠前深度偏移解决速度陷阱问题时，其地质层位标定更加准确、合理，避免了时深转换所用速度不准而带来的误差。

图7 叠加时间剖面

图8 波动方程叠前深度偏移剖面

综上所述，无论是Kirchhoff积分法叠前深度偏移还是波动方程叠前深度偏移，它们都是一种高精度的地震成像方法，在不同的应用条件下均具有良好的成像效果。目前城市活动断层地震勘探解释仍以叠加剖面为主，而城市活动断层的精确定位，已成为当今城市规划和地震稳定性评价亟需解决的难题，将叠前深度偏移技术从油气地震勘探领域推广到浅层地震勘探中，可满足活动断层高精度定位需要，提高城市地震勘探技术水平。

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[3] 兰晓雯.城市隐伏活动断层地震勘探方法研究进展，地壳构造与地壳应力文集（18），2006，54～60.

[4] 刘喜武,刘洪.波动方程叠前偏移成像方法的现状与发展,地球物理学进展.

[5] 马淑芳，李振春.波动方程叠前深度偏移方法综述，勘探地球物理进展，2007，30（2），154～161.

[6] 尹军杰，吴子泉，李文慧.叠前深度偏移技术在活动断层探测中的应用，地震研究，2004，27（2），191～197.

[7] 杨瑞娟，吕秀华等.叠前偏移方法述评，小型油气藏，2008，13（3），27～31.

The Advantage of Prestack Depth Migration Technique in Urban Active Fault Detection

WANG Zhihui1,2, HAN Liguo1, HE Wenjing2, ZHOU Jixiang3

(1. College of Geo-Exploration Science and Technology, Jinlin University, Changchun 130026; 2. Beijing Geological Survey, Beijng 102206; 3.Jiangxi College of Applied Technology, Ganzhou 341000)

The paper introduces two migration methods: Kirchhoff depth migration and wave equation prestack depth migration, and compares the imaging result of prestack depth migration with conventional stacked profle and post-stack time migration profle by processing the data model of the Marmousi and the actual data. The result shows that prestack depth migration is more accurate for complex structure imaging in media of strong laterally varying velocity, and suitable for the more accurate detection of urban active fault.

Kirchhoff depth migration; Wave equation prestack depth migration; Active fault

P631.4+43

A

1007-1903(2011)01-0052-04

王志辉（1982- ）男，硕士研究生，主要从事城市地球物理勘探与方法研究工作。E-mail:wang15806@sina.com