复杂山前带地震初至拾取方法应用研究

徐凯驰，吕景峰，裴广平，李 平，钟 海，刘衍贵

(1.中国石油塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 841000;2.东方地球物理公司塔里木物探处，新疆 库尔勒 841000)

0 引言

复杂山前带区域地表类型和岩性多变，地势起伏较大，低、降速带的厚度和速度在纵、横向上不稳定，存在较为突出的静校正问题[1-3]。共激发点、共接收点道集上表现为初至不连续、不光滑，时间叠加剖面上难以保证地震波同相叠加和成像准确可靠[4-7]。为了消除由于地表高程不同以及低、降速带厚度和速度的差异带来的影响[8-12]，目前一般采用适应能力强、应用广泛、基于初至波信息的层析速度反演与静校正技术[13-21]，因此初至波高精度、高效率拾取就成为静校正和地震资料处理环节必不可少的基础工作，决定着后续静校正的精度及处理的质量。由于山前带地震资料能量弱，受噪声发育、吸收衰减严重以及信噪比低等因素的影响，初至难以准确拾取。初至波拾取的方法一直在持续改进，程仲平等[22]提出的空变时窗约束初至拾取方法认为临近炮点地理位置相差不大，前一炮的初至可以作为约束条件拾取后一炮的初至，能够快速、准确地拾取地震波初至，但是在两炮位置或岩性相差较大的情况下不能准确确定初至的位置;许银坡等[23]利用初至评价方法自动优选可信度高的初至并对异常初至进行二次拾取，提高了初至拾取的精度和效率，但是对于整体初至信噪比较低的资料不易得到可信度较高的初至;詹毅[24]和岳龙[25]等在正确选择小波函数和变换尺度的前提下，采用连续小波变换方法能够提高准确初至的识别能力;刘志成[26]模拟人机交互初至半自动拾取，提高了低信噪比区初至拾取的精度，但是很难解决初至脱相的问题;梁上林等[27]基于稳相叠加原理，通过超级虚折射干涉，加强了弱初至信号，但是该方法对时窗的选取要求较高;唐杰等[28]提出一种自适应间隔阈值去除固有模态中噪声成分的方法提高了资料的信噪比。

这些研究围绕着提高自动初至拾取精度，取得了一定的效果，在生产中发挥了重要的作用。但是复杂山前带地震初至拾取工作仍面临以下问题:一是由于近地表条件以及波场复杂等原因，地震初至经常呈现为不连续的错断现象，对于错断的初至不清楚该如何处理;二是对于采用可控震源激发的地震资料，由于存在微震和互相关旁瓣噪声等干扰，初至波形变化较大，再加上吸收衰减严重、能量弱等原因，很难识别初至的准确位置;三是为了提高地震原始资料信噪比，高密度、宽方位三维采集技术得到了越来越广泛地应用[29-31]，致使初至拾取工作量越来越大，严重制约了处理周期，满足处理需求且适宜的初至拾取范围还不明确。

该文在前人研究的基础上，通过波动方程正演模拟方法指导复杂山前带的初至拾取工作，对可控震源资料进行预处理，消弱背景噪声从而提高单炮记录的初至波信噪比，选择不同偏移距初至范围开展层析反演，确定了满足浅表层速度场及静校正精度所需的最优初至范围，并用波动方程正演模拟数据和实际地震资料分别对该研究结果予以验证。

1 方法技术

1.1 波动方程正演模拟指导初至拾取工作

复杂近地表区，由于地势的起伏及低、降速带结构的不稳定，导致地震记录的初至形态并不完全是连续、光滑的，往往存在初至错断现象(如图1a所示)。通过分析接收点的近地表结构发现，地表高程(如图1b所示)、风化层厚度(如图1c所示)以及风化层平均速度(如图1d所示)都是连续变化的，不存在突变现象，此时错断两端的初至时间是否都需要进行拾取存在争议。

图1 远偏移距缺失初至地震单炮记录及其接收点近地表结构Fig.1 Single shot record of missing first arrival in far offset and near-surface structure of receiver

波动方程正演方法能够模拟复杂近地表及地下构造情况下的单炮记录，并可分析复杂波场的成因与机理，据此可指导野外地震单炮记录的初至拾取工作。根据实际地表高程及近地表结构建立了2个理论正演模型，如图2所示:模型长度为12 km、深度为1.5 km，网格尺寸沿测线方向及垂向均为2.5 m，模型的风化层厚度为3.4～118.5 m，速度为800 m/s。第一高速层速度为2 000 m/s，厚度为9.6～102.5 m;下伏为3 000 m/s的第二高速层。2个模型的差异表现在最后一层的速度:图2a的第三高速层速度为3 500 m/s，而图2b在第三高速层的下伏还存在4 000 m/s的速度层。

图2 正演模型Fig.2 Forward modeling

采用黏滞弹性波动方程正演模拟方法对存在4 000 m/s速度场的理论模型2进行正演模拟，检波点间距为20 m，检波点个数为601个;炮点间距40 m，共计300炮;排列方式为7190-10-20-10-7190。位于水平距离2 970 m激发的单炮记录，在5 920 m处的初至时间存在错断现象(如图3a所示)，加载理论静校正量后初至变得平整(如图3b所示)，但是“陡坎”依然存在，局部放大后发现初至波形是逐渐变化并过渡的(如图3c所示)。但是在不包含4 000 m/s的理论模型1正演的单炮上就不存在“陡坎”现象(如图4所示)。由此可以判断，第285～297道的初至波是3 500 m/s速度层的折射波，第298～313道的初至波是由3 500 m/s与4 000 m/s速度层的折射波干涉而成的复合波。分别拾取300炮的全排列初至以及只拾取到出现“陡坎”处位置的初至，层析反演后，以2 000 m/s的理论速度界面为高速顶界面，对比采用不同初至范围的反演结果差异，发现风化层速度误差为-73～79 m/s，静校正量的误差为-1.4～1.5 ms。所以，单炮初至出现“陡坎”现象后，在错断位置以后的初至可以不再拾取，并不影响层析反演的浅表层速度场及静校正的精度。

图3 正演模型2在2 970 m处的正演模拟记录Fig.3 Forward modeling record of model 2 at 2 970 m

图4 正演模型1在2 970 m处的正演模拟记录Fig.4 Forward modeling record of model 1 at 2 970 m

1.2 可控震源单炮的处理

复杂山前带区可控震源的施工区域主要集中在戈壁砾石区。由于堆积、洪积作用，山前带戈壁砾石区风化层巨厚，一般超过30 m，甚至达到200 m以上，地震波在该区域传播过程中，能量吸收、衰减严重。在地震资料采集过程中，由于“天电”(50 Hz)干扰、随机干扰以及固定源等干扰的存在，导致可控震源单炮记录背景噪声发育，初至波信噪比低，初至很难准确识别。

对于初至难以准确分辨的可控震源单炮记录，可采用调整增益、显示方式以及宽频滤波、适当的噪声压制等处理措施来增强初至的可识别度[32]。而通过小相位化处理，能够有效抑制互相关旁瓣噪声干扰，得到初至波信噪比更高的最小相位单炮记录，有利于准确识别初至位置。但是可控震源单炮记录滤波处理后，往往会引起初至波的畸变(如图5a所示);而小相位化处理有时也会导致单炮记录产生异常初至(如图5b所示)。这时需去伪存真、仔细甄别，拾取正确的初至。

图5 可控震源带通滤波及小相位化处理单炮记录Fig.5 Single shot records of vibroseis band pass filtering and small phasing processing

与原始相位的可控震源单炮记录相比，经过小相位化处理后，初至会产生时移。为了讨论小相位化处理前后初至时移对层析反演精度造成的影响，根据复杂山前带二维测线实际的浅层近地表结构及深层构造样式构建了理论正演模型:模型长度为21.2 km、深度为15.2 km，高速顶界面高程为1 167.1～2 068.0 m，风化层的厚度为3.0～185.6 m，风化层速度为716～1 424 m/s，模型网格尺寸为5 m×5 m。在高速顶界面下伏速度为1 995～3 120 m/s的高速层，其厚度为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)的观测系统进行波动方程正演模拟，共计529炮、1 061道。

对正演单炮记录进行小相位化处理，拾取小相位化处理前后的单炮记录初至并对比，发现小相位化处理前后的初至时间存在6～10 ms的时移量(如图6a所示)。由于初至存在一定的时移量，导致层析反演结果也存在差异。将理论模型数据计算的静校正量作为标准进行对比，结果表明:采用原始相位的初至时间进行层析反演后，静校正量的误差偏大，误差值为-6.2～0.6 ms，平均误差为-2.6 ms;而采用经过小相位化处理、与原始相位存在时移的初至时间进行层析反演后，静校正量的误差相对偏小，为-5.5～0.5 ms，平均误差只有-1.6 ms，误差趋势线总体上更加靠近0线(如图6b所示)，可见其反演结果精度更高。

图6 正演模拟记录不同相位的初至时间及反演结果对比Fig.6 First arrival time with different phases recorded by forward modeling and comparison of inversion results

在地震勘探数据采集过程中，因为道距和炮距相对较大，所以造成近地表的数据采样不足;同时采用的是平面观测系统，导致穿过近地表的射线方位有限;再加上在层析反演过程中需要对模型进行平滑处理，这些因素导致初至波走时层析反演得到的浅层速度比实际的速度大。可控震源单炮记录经过小相位化处理后，大炮的初至时间会向后微量时移，也就是射线走时增大，在射线传播路径不变的情况下，层析反演获得的浅层速度相对变小，更加接近实际的近地表条件。

1.3 优选初至拾取的合适偏移距范围

初至走时射线层析反演是由地震波在地下介质中传播旅行时实现的，远、近偏移距的旅行时对反演近地表速度场的贡献有所不同，初至偏移距越大，旅行时对反演浅表层模型的作用也越小。又因为初至波能量衰减严重以及强背景噪声等原因，致使远偏移距的初至波能量较弱，很难保证初至波的拾取精度。初至数据的精度直接影响最终的层析反演结果，不能保证精度的初至数据不应参与到层析反演计算中。而且参与运算的初至数据越多，层析反演的周期就越长。为了保证层析反演的精度及效率，可以根据实际的近地表特征，用试验对比的方法来确定参与层析反演最为适宜的初至时间范围。

1.3.1 不同初至范围对层析反演结果的影响

2019年度在塔里木盆地某复杂山前带实施了高密度三维地震勘探采集项目，野外观测系统为36L3S720R，即每炮36个排列、每个排列720道，每炮共计25 920道接收，接收线距为180 m。通过工区内典型单炮记录分析可知，戈壁砾石区可简单的分为三层结构:偏移距在0～200 m内的低速约为800 m/s;偏移距在200～750 m内的降速约为1 700 m/s;偏移距大于750 m为折射层，速度约为2 500 m/s。砂泥岩山体的单炮基本为两层结构:偏移距在0～250 m内的低速约为600 m/s;偏移距大于250 m以后就出现了折射层，第一折射层的速度约为2 500 m/s;偏移距大于2 km后出现了第二折射层，其速度约为4 200 m/s。通过人机交互拾取的方式完成了该项目的大炮初至拾取工作，拾取的初至最大偏移距范围为4.5 km。

首先采用4.5 km偏移距的初至时间进行层析反演，获得层析反演速度场及每条射线在速度场中的走时路径，由此可计算出每一炮的正演初至时间。由于该初至数据是根据反演的速度场及射线走时路径计算所得，是理论初至数据，所以能够保证不同偏移距范围的初至精度，由此能够客观地分析不同偏移距初至范围对层析反演精度的影响。由三维正演初至时间与偏移距统计分析可知，工区的表层结构可简单划分为3层:低速层速度为800 m/s，初至时间的偏移距是0～300 m;降速层速度为1 400 m/s，初至时间的偏移距为300～800 m;初至时间在偏移距大于800 m后是稳定的折射层，速度为2 500 m/s。根据正演的理论初至时间，在保证层析反演其他参数相同的前提下，对比选用1.0 km，2.0 km，3.0 km和4.5 km偏移距范围内的初至层析反演结果，以采用偏移距4.5 km范围内初至的层析反演结果为对比标准，优选满足层析反演精度的初至时间范围。速度场差值对比结果表明，采用偏移距为0～2.0 km，0～3.0 km，0～4.5 km的初至层析反演后，地表以下500 m范围内的浅表层速度场精度相当(如图7a和图7b所示)，相同位置处的速度值差异甚微，基本不超过50 m/s。但采用1.0 km与4.5 km偏移距范围内的初至开展层析反演后，结果有较大的差异。在理论模型的水平位置9～15 km内，浅表层的相同位置处，二者之间的速度差值超过100 m/s，如理论模型的水平位置11 km、地表以下10 m处，速度差值高达386 m/s(如图7c所示)。基准面静校正量对比结果也是如此，采用2.0 km，3.0 km，4.5 km偏移距范围内的初至开展层析反演并计算基准面静校正量，三者之间的静校正量值差异非常小，不超过1.8 ms;但采用1.0 km与4.5 km偏移距范围内的初至开展层析反演后，以4.5 km偏移距离范围内的初至反演结果计算的静校正量为标准，计算的静校正量存在-10.3～7.3 ms的误差(如图8所示)。可见，用于层析反演的初至偏移距范围不能选择0～1.0 km，需选择0～2.0 km偏移距范围的初至才能满足该区层析反演的精度需求。

图7 初至范围反演速度场差Fig.7 Inversion of velocity field difference in initial arrival range

图8 静校正量差值对比Fig.8 Comparison of static correction difference

1.3.2 不同初至范围对折射波剩余静校正的影响

在复杂山前带，经过基准面静校正后，因为已消除了地表起伏、表层结构在纵横向上的差异以及物理点偏移所带来的影响，那么理论上源自相同折射层不同域的折射波初至形态应该是连续、渐进、较为平直的;如果共激发点、共接收点、共中心点及共炮检距域相同折射层的折射波初至存在不连续的抖动、甚至错断现象等不规则变化，表明基准面静校正中仍然存在短波长乃至中波长静校正量的残差[33-34]。可通过在不同域中开展折射波时移校正来消弱这种不规则变化所造成的影响，从而提高基准面静校正的精度。在开展折射波剩余静校正计算过程中，采用不同的初至时间范围数据，剩余静校正量的值会有一定量的差异，尤其是在满覆盖边框以外的区域更为明显。将采用1.0～4.5 km偏移距的初至时间范围计算的折射波剩余静校正量作为标准进行对比，以确定满足折射波剩余静校正计算精度的初至时间范围。

通过采用不同偏移距的初至时间范围计算所得的折射波剩余静校正量误差对比发现，采用偏移距的初至时间范围越小，与标准折射波剩余静校正量的差值越大;采用偏移距的初至时间范围越大，与标准折射波剩余静校正量的差值越小。采用1.0～1.5 km偏移距的初至时间计算的折射波剩余静校正量，与标准折射波剩余静校正量的差值较大，剩余静校正量差值小于4 ms的占93.2%，而且在满覆盖面积内也存在着差值大于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偏移距的初至时间计算的折射波剩余静校正量，与标准折射波剩余静校正量的差值逐渐减小，剩余静校正量差值小于4 ms的所占比重非常高，分别为96.1%，96.3%，97.3%，98.9%以及99.9%，并且差值大于4 ms的均分布在炮点边框以外，对最终剖面的成像影响非常有限。可见，为保证该区折射波剩余静校正的精度，初至时间范围不能选择过小，但也无须过大，选择1～2 km偏移距范围内的初至时间即可满足折射波剩余静校正的精度需求。

2 实例

2020年度，塔里木盆地某复杂山前带区实施了三维地震勘探采集工作，选取其中的30束线资料对该文方法进行验证。工区主要有3种地表类型:山体、山前戈壁以及村庄，山体中存在着河流及冲沟等。地表高程为1 300～2 300 m，最大相对落差达1 000 m;低、降速带厚度变化较大，老地层出露的山体区一般不超过10 m，但是冲积扇的厚度一般在40 m以上，甚至达到150 m，对地震波能量的吸收、衰减作用强烈;低、降速带速度为450～1 550 m/s;高速层速度在1 950～3 500 m/s内变化。总体表现为单炮记录初至异常现象突出，可控震源单炮记录初至旁瓣干扰严重，信噪比低，初至的精度难以保证。

首先，针对初至表现为异常的野外原始单炮记录(如图9a所示)，根据其近地表结构(如图9b、图9c、图9d所示)建立正演模型(如图9e所示)，采用黏滞弹性波动方程的方法获得正演模拟记录(如图10a所示)。与野外单炮记录对比发现，正演模拟记录近炮点位置存在连续的初至，说明野外单炮记录的初至形态不正确。采用100 ms较小时窗的自动增益显示后，野外单炮的近道初至呈现出来(如图10b所示)。通过理论模型波动方程正演模拟，查明了单炮复杂波场的形成机理，准确地识别了初至，避免了“漏拾”“误拾”初至的现象，保证了参与层析反演的初至涵盖了所需的有效信息。

图9 近偏移距缺失初至地震单炮记录及其接收点近地表结构和正演模型Fig.9 Near offset missing first arrival seismic single shot record and near-surface structure and forward modeling of its receiver

图10 正演单炮记录与自动增益显示的野外单炮记录Fig.10 Single shot record of forward modeling and field single shot record with auto gain

其次，对于近道旁瓣干扰严重、噪声发育、初至无法准确识别的可控震源单炮(如图11a所示)，通过采用反褶积和最小相位化等处理手段，有效压制了近道旁瓣干扰以及背景噪声等(如图11b所示)，初至信噪比得到提高，能够准确判定初至的真实位置，保证了初至拾取的精度。

图11 正演单炮记录与自动增益显示的野外单炮记录Fig.11 Single shot record of forward modeling and field single shot record with auto gain

最后，在人际交互初至拾取的基础上，根据初至数据冗余量大的特点，采用偏移距0～2 km的初至(横向24条接收线、纵向100道)进行层析反演并计算折射波剩余静校正量。与以往方法相比，该文方法提高了初至的精度，能够在保证层析反演精度的前提下，缩短初至拾取与层析反演的周期。通过初叠剖面效果对比可知，采用相同的地震资料处理流程及层析反演参数，该文方法大大提高了静校正精度，有效改善了剖面的成像效果(如图12所示)。

图12 时间初叠剖面效果对比Fig.12 Effect comparison of time initial stack section

3 结论

1)波动方程正演模拟方法能够查清复杂波场的形成机理，辅助判定初至的真实位置，有效指导初至拾取工作。

2)对可控震源单炮记录开展反褶积和最小相位化处理，能够消弱背景噪声以及近道旁瓣噪声等干扰，有效地提高初至波信噪比，有利于提高初至拾取的精度。

3)对于浅表层速度场反演及静校正精度而言，用于层析反演的初至，只需含有低、降速带信息的初至时间以及随后800～1 300 m的折射层初至时间即可满足需求。