海上含涌浪噪声地震数据速度分析方法研究

王　博， 刘　财， 刘　洋

(1.吉林大学　地球探测科学与技术学院，长春　130026；2.河北地质大学　勘查技术与工程学院，石家庄　050031)



海上含涌浪噪声地震数据速度分析方法研究

王博1,2， 刘财1， 刘洋1

(1.吉林大学地球探测科学与技术学院，长春130026；2.河北地质大学勘查技术与工程学院，石家庄050031)

涌浪噪声是海上拖缆地震勘探中常见的强随机噪声干扰，会在原始地震记录上形成强烈的低频噪声背景。当地震数据受到涌浪噪声的干扰时，会导致传统速度分析方法无法获取准确的速度分析结果，尤其当实际地震资料中存在着AVO效应，甚至发生极性反转的情况下更加严重，所以在进行海上数据速度分析时，必须同时考虑涌浪噪声和AVO效应对速度分析精度的影响。这里提出采用AB相似系数法对含有涌浪噪声的地震数据进行速度分析，理论模型和实际资料的处理结果表明，与传统的水平叠加速度分析方法以及相似系数速度分析方法相比，AB相似系数速度分析法能够在涌浪噪声背景下获得更准确的结果。

AB相似系数法； 涌浪噪声； 速度分析； AVO效应

0　引言

涌浪噪声是海上拖缆地震勘探中常见的强随机噪声干扰，其特点是频率低，能量强且具有随机性，涌浪噪声通常会在原始地震记录上形成很强的低频噪声背景[1]。由于涌浪噪声对地震资料的质量产生较大的影响，如何避免和压制此类噪声的干扰是一个值得研究的问题。涌浪噪声作为随机噪声的一种，除了可以应用普通随机噪声的压制方法[2-4]对其进行压制，国内、外一些研究人员还针对涌浪噪声的产生机制与压制方法进行了相关研究。勾福岩等[5]采用基于波动方程炮检距连续(offset continuation，OC)算子的OC-Seislet变换方法对含涌浪噪声的地震数据进行消噪处理，在去噪的同时，较好地保护了复杂构造下的地震波信息，一般认为，产生涌浪噪声的主要原因是由于检波器挂上异物或电缆平衡不好而造成的干扰波；Parrish等[6]对涌浪噪声的特性进行了研究，发现拖缆弦波可能是涌浪噪声的来源之一，能够很好地解释涌浪噪声的特点；Elboth等[7]认为由天气原因造成的水流扰动与拖缆之间的相互作用是产生涌浪噪声的原因；宋家文等[8]采用地震道随机重排联合EM算法对高振幅涌浪噪声进行衰减压制；徐善辉等[9]使用HHT技术进行时频域滤波及低切方法压制涌浪噪声；刘财等[10]提出采用基于Duffing振子混沌系统的速度分析方法，利用Duffing混沌振子对随机噪声的免疫特性在涌浪噪声背景下获得了比较理想的速度分析结果。

在实际地震资料中，AVO效应也是影响速度分析精度的因素之一。传统的水平叠加速度分析方法是基于振幅不随炮检距变化的，当AVO效应存在时，叠加速度分析方法不能得到正确的速度分析结果。Taner和Koehler[11]提出采用相似系数法进行速度分析，使得速度分析技术得到了较快的发展。相似系数法的原理是对各道地震信号进行相似性的度量。但是，相似系数法所建立的的数学模型依然认为反射波同相轴的振幅与炮检距是不相关的，相似系数法同样无法应对AVO效应所带来的振幅变化。为此，很多相关学者[12-14]提出了许多改进相似系数法的算法；Fomel[15]采用AB相似系数法对含有AVO效应的地震数据进行速度分析，理论模型和实际资料的结果表明，AB相似系数法在处理振幅随炮检距变化的地震资料时，能够获取更加准确的速度分析结果。

这里提出采用AB相似系数法，对含有涌浪噪声的地震数据进行速度分析。通过对理论模型与实际数据进行验证，同传统的水平叠加和相似系数速度分析方法相比，AB相似系数法能够同时克服强噪声所导致的低信噪比以及由AVO效应所带来的振幅变化，从而获得更加准确的速度分析结果。

1　理论基础

1.1相似系数法

Taner和Koehler[11]提出采用相似系数法进行速度分析，使得速度分析技术得到了较快的发展。采用相似系数法进行速度分析的原理是对一个CDP道集上的各道地震信号进行相似性度量，相似系数法所建立的数学模型认为反射波同相轴的振幅在各道上是相同的，即振幅与炮检距无关。

设两个向量分别为a=a1、a2、…、aN，b=b1、b2、Λ、bN，则两个向量的相关系数如式(1)所示。

(1)

对于不含涌浪噪声的地震记录，若不考虑AVO效应，即地震记录的振幅值不随炮检距变换。故假设向量b是常数序列，即b=b、b、Λ、b，则相关系数可写成：

β(a)=γ(a,b)=

(2)

对式(2)进行平方，得式(3)。

(3)

式中：β2(a)为相似系数。

当向量a是均匀分布的时候，相似系数β2(a)取得最大值“1”。即地震波振幅沿同相轴均匀分布，当扫描速度等于地层真实速度时，相似系数趋近于“1”；当扫描速度不正确时，相似系数小于“1”。采用相似系数法进行速度分析的前提是假设地震波振幅不随偏移距变化，即各道振幅均匀分布。

1.2AB相似系数法[15]

1985年Shuey[16]通过近似Zoepprite方程证明，对于弹性参数变化不大，且入射角较小时，含有AVO效应的PP波反射系数可以由两个参数简化表示为式(4)。

RPP(θ)≈A+Bsin2θ

(4)

其中：A、B是和上下地层速度与密度相关的参数；θ是P波入射角与反射角的平均值。

AB相似系数法是由Sarkar[13-14]提出的。由于相似系数法在地震记录存在AVO效应，尤其存在极性反转时，其速度分析精度大大降低。AB相似系数法则能够解决AVO效应所带来的振幅不均匀分布的问题。AB相似系数法的推导过程如下：

假设参考序列b具有一定的趋势bi=A+Bφi，其中φi为已知函数。这样的趋势可以是由Shuey[16]给出的PP波反射系数关系，即A为截距，B为梯度，φi=sin2θi，θi为第i道的反射角度。根据最小二乘原理：

(5)

分别对A、B求偏导，并令导数等于零，可得式(6)、式(7)。

(6)

(7)

将式(6)、式(7)分别代入式(1)，并对等式两边平方，得到相似系数公式：

(8)

利用归一化的最小二乘目标函数来定义相似系数见式(9)。

(9)

2　模型分析

图1(a)是一个含有AVO效应的理论无噪声共中心点(CMP)合成地震记录。模型共80个记录道，最小炮检距为零，道间距为50 m，时间采样间隔为4 ms，记录时间长度为4 s。合成地震记录采用的子波是雷克子波，雷克子波主频fr=25 Hz。其中包含四条同相轴，在t0=0.8 s、1.8 s、2.4 s、3.1 s处，其所对应的均方根速度Vrms分别为2 000 m/s、2 300 m/s、2 700 m/s、3 200 m/s。在t0=1.8 s、2.4 s处的同相轴位置考虑AVO效应，即考虑振幅随炮检距变化。在如图1(a)的人工合成共中心点(CMP)地震记录中，加入人工合成涌浪噪声，信噪比约为-12.6 dB(图1(b))。从图1(b)中可以看出，由于涌浪噪声的加入，合成地震记录的信噪比较低。

图1　理论共中心点合成地震记录Fig.1　Synthetic CMP record with AVO(a)含有AVO效应的无噪声合成地震记录；(b)加入涌浪噪声后的合成地震记录

对叠加涌浪噪声的地震记录(图1b)分别进行水平叠加速度分析、相似系数速度分析以及AB相似系数速度分析。在速度扫描的参数选择上，三种方法均采用25 m/s的速度扫描步长，速度扫描范围均为1 000 m/s～4 000 m/s。图2(a)是水平叠加速度分析的结果，由于涌浪噪声的干扰，使得水平叠加速度谱的分辨率很低。其中，在t0=1.8 s、2.4 s处的同相轴由于存在AVO效应，致使其对应的位置没有出现可分辨的能量团。相似系数速度分析结果如图2(b)所示，相比于水平叠加速度分析的结果，相似系数速度分析方法有着更好的抗噪能力，速度谱分辨率较高。但是相似系数速度分析方法依旧无法解决振幅随炮检距变化的问题，在t0=1.8 s、2.4 s处同相轴对应的位置的能量团聚焦性较差。图2(c)是采用AB相似系数方法进行速度分析的结果，在图2(c)中t0=1.8 s、2.4 s处分别可以观察到比较清楚的能量团存在。相比于以上两种方法，AB相似系数法不但克服了涌浪噪声的干扰，并且能够解决AVO效应所带来的振幅变化问题。

3　实际数据处理

在实际资料处理中，选取海上某地区CMP数据体，如图3(a)所示。该记录由200个CMP道集组成，数据中包含较强的涌浪噪声。图3(a)中三个截面分别为，左下截面为炮检距为0.9 km时的共炮检距剖面，左上截面为1.8 s位置的时间切片，右下为1.32 km处的共中心点道集。从图3(a)中可以看到，由于存在涌浪噪声的干扰，数据体的信噪比较低。分别采用传统水平叠加方法和相似系数法以及AB相似系数法进行速度分析。图3(b)为采用AB相似系数法所获得的均方根速度拾取结果。为进行比较，选取1.32 km处的CMP道集，采用三种方法分别进行速度分析。

图4(a)是传统水平叠加速度分析所获得的速度谱，传统速度分析方法受涌浪噪声的干扰非常严重，导致其所获得的速度谱分辨率很低，没有明显的能量团存在，特别是在低速区的干扰导致自动速度拾取结果不正确。图4(b)为采用相似系数法进行速度分析所获得的速度谱。从图4(b)中可见，速度谱的聚焦性较差，尤其从浅层速度谱上很难拾取正确的速度曲线。图4(c)为采用AB相似系数法进行速度分析所得到的速度谱，与前两种方法相比，AB相似系数方法不但克服了涌浪噪声的干扰，同时考虑了振幅随偏移距的变化，获得了更准确的速度拾取结果。

图2　速度分析方法对比Fig.2　Comparison of different velocity analysis methods(a)水平叠加速度分析；(b)传统相似系数速度分析方法；(c)AB相似系数速度分析方法

图4　实际数据速度分析对比图Fig.4　Comparison of different velocity analysis(a)传统水平叠加速度分析；(b)传统相似系数速度分析方法；(c)AB相似系数速度分析方法

图5　水平叠加结果对比图Fig.5　Comparison of stacking results(a)传统水平叠加速度分析；(b)相似系数速度分析方法；(c)AB相似系数速度分析方法

采用三种不同速度分析方法所获得的速度拾取结果进行水平叠加，结果如图5所示。其中，采用AB相似系数法速度分析所得到的叠加剖面如图5(c)所示，与前两种方法所得到的叠加剖面(图5(a)，图5(b))相比，AB相似系数法能够获得更高信噪比的叠加结果。从图5(b)分析可以看到，尽管叠加剖面整体的信噪比较高，但受到共中心点位置0.2 km和2 km处的强涌浪噪声影响导致速度拾取的不准确性影响到地震波的同相叠加，叠加信号的同相轴连续性较差。

4　结论

作者提出采用AB相似系数方法对含有涌浪噪声的地震数据进行速度分析处理，AB相似系数法相比于水平叠加速度分析方法具有较强抗噪能力，同时还考虑到了振幅随偏移距的变化，使得该方法能够在强噪声干扰下取得比常规速度分析方法更为准确的速度分析结果。理论模型和实际数据进行处理的结果表明，相比于常规速度分析方法，该方法能够在涌浪噪声背景下取得更准确的速度信息，进而得到高信噪比的水平叠加结果。

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Research on velocity analysis method of marine seismic data with swell noise

WANG Bo1,2, LIU Cai1, LIU Yang1

(1.College of Geo-Exploration Science and Technology, Jilin University, Changchun130026, China;2.Exporation technology and Eenineering college,Hebei GEO University,Shijiazhuang050031，China)

The swell noise is a common strong random noise in marine explorations which always degrade the quality of seismic data and affect accuracy of velocity analysis. Meanwhile, the AVO anomalies cause the amplitudes vary with the offset, even the polarity reversal will lead worse accuracy of velocity analysis. It should be noticed that takes account in the swell noise and AVO anomalies during the velocity analysis process of marine seismic data. This paper proposed using AB semblance velocity analysis method to deal with seismic data contaminated by swell noise. The synthetic and field data examples demonstrate that compare to the traditional stack velocity analysis method the AB semblance velocity analysis method could acquire more reasonable velocity pick result.

AB semblance; swell noise; velocity analysis; AVO

2015-11-12改回日期：2016-01-12

国家自然基金项目(41430322，41522404)；国家973计划课题(2013CB429805)

王博(1985-)，男，博士，主要从事地震数据处理工作，E-mail: wb010@hotmail.com。

1001-1749(2016)04-0512-06

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.04.12