关于提高地震勘探纵向分辨率若干方法的探讨

喻兵良

（安徽省勘查技术院，安徽合肥 230031）

0 引言

在诸多物探方法中，地震勘探以其勘探精度高、分层能力强等特点广泛应用在煤田地质勘探领域。近年来，随着勘探和开采程度的提高，可开采煤层往往面临煤层厚度薄，小断层、小陷落柱和砂岩透镜体发育等问题，地质构造情况复杂，开采难度大。目前国内煤矿采掘大多采用机械化采煤方法，断层、陷落柱等煤层构造对巷道的布设影响非常大。因此在煤矿安全开采过程中，对地质构造的精细解释有着更高的要求，从而对地震资料的成像精度，特别是纵向分辨率提出了新的要求。

地震信号纵向分辨率是指地震子波在相邻两个地质界面上反射干涉叠加后，通过两个子波主峰所能区分的最小薄层厚度、断层上下盘最小落差或最小时间差等。业内普遍认可的地震资料纵向分辨能力为1/4波长，即：

式中：B为地震资料分辨的最小地层厚度（m）；λ为反射波波长（m）；V为地层波速（m/s）；Tm为反射波周期（s）；fm为反射波主频（Hz）。

为了有效提高地震成像资料的纵向分辨率，首先要在地震勘探数据采集过程中切实提高反射信号的能量、主频和频带宽度；其次在数据处理阶段优选提高资料频率的处理方法、处理模块和参数。本文力求从这两个方面来探讨如何提高地震资料的纵向分辨率。

1 野外数据采集影响资料纵向分辨率的主要因素

如何在野外采集到有较高信噪比和较高主频的原始地震数据，是最终能否获得高分辨率地震成像资料的关键。

1.1 激发因素

要想采集到高频宽带的地震信号，首先要求激发出高频地震波。当前煤田领域地震勘探激发以炮井炸药激发为主，其中井深、药量和岩性是地震勘探中的主要激发要素，而影响激发频率的主要因素是岩性和药量。

一般认为炸药爆炸产生的地震波频率与炸药爆炸后的破坏半径成反比，与激发岩层的地震波波速成正比，即：

式中：F为地震波频率（Hz）；V为围岩的弹性波速度（m/s）；R为破坏半径（m）。

可见，密度大、波速高的介质是理想的激发岩性。在致密的岩石中（如灰岩）激发时的破坏半径小，激发耦合介质的速度大，激发的地震波频率就高。相反，在松软或干燥的地层（如黄土）中激发爆炸破坏空间大，介质速度小，其激发的地震波频率就低。

当激发井深、岩性等参数不变时，地震波的频率与药量成负相关关系：

式中：F为地震波频率（Hz）；Q为药量（kg）；V为围岩弹性波速度（m/s）；K为比例系数。

可见，药量越小，对激发高频地震信号越有利[1]，因此数据采集时希望减少药量以保证地震子波有较高的主频。可是，我们在选择药量时，还必须面对另外一个问题，即激发能量与激发药量是成正相关关系的。所以，既需要激发大能量的地震波，又需要地震波具有较高的分辨率，显然这是一对矛盾。实际生产中，只能兼顾二者的关系，通过试验来选择合适的激发药量。

另外，激发频率还与几何耦合和阻抗耦合有一定的关系。几何耦合是指药柱半径和炮井半径之比，阻抗耦合是指炸药阻抗（炸药密度和爆速的乘积）与激发介质的波阻抗之比。当药柱半径和炮井半径相等、炸药阻抗和介质阻抗相等时，激发所产生的能量和频率都是最大的。

1.2 接收因素

目前广泛使用的动圈式检波器其幅频响应是高通的，当接收的地震波频率低于谐振频率时，便会按一定的陡度压制低频。检波器自然频率越低，接收深部低频信号的能力越强，但是压制面波的能力越弱。因此接收高分辨率地震信号需采用自然频率相对较高的检波器，压制低频噪音，突出高频信号（图1 为不同主频检波器接收的地震资料频谱对比）。当然，检波器型号的选择，还要考虑勘探目的层深度以及对低频信号的保护等。一般来说，要求探测的深度越大，采用的检波器频率就越低，如当探测深度要达到2000 m以下时，一般采用10～30 Hz频率的检波器，当探测深度低于1000 m时，一般采用40～60 Hz的检波器[2]。

图1 不同主频检波器（左：10 Hz，中：35 Hz，右：60 Hz）接收的地震资料频谱比较Figure 1. Spectrum comparison of seismic data received by geophones with different dominant frequencies (left: 10 Hz,middle: 35 Hz, right: 60 Hz)

数字检波器具有动态范围大、信号畸变小的优势，对高、低频信息均具有较强的录制能力，这种宽带特征为提高地震数据的纵向分辨率提供了条件。数字检波器接收的原始资料其高频成分明显比模拟检波器丰富[3]。因此，采用数字检波器进行接收，是今后地震勘探特别是全三维高精度地震勘探的发展趋势。

为了提高抗干扰能力，目前地震勘探基本上采取组合检波。组合检波的目的是压制规则干扰和随机干扰，提高采集资料的信噪比，是地震野外采集提高资料品质的重要手段，特别是在低信噪比地区尤为明显。但是，组合内各检波器之间的相位差、地表高程变化引起的时差及信号组合时存在的高截频效应，地震波的高频衰减明显高于低频[4]，使分辨率降低。因此，组合检波是一把双刃剑，它在提高资料信噪比的同时，也衰减了高频信号。为了获得高分辨率地震资料，拓宽资料频带宽度，需重新采用单点接收技术。因此，在地表比较简单、激发接收条件较好的地区开展高分辨率地震勘探，采用单点接收是一个较理想的选择。至于单点接收对信噪比的损失，可以用合适的覆盖次数进行弥补。

1.3 观测系统因素

观测系统对地震数据的影响可概括为四种效应，即方向效应、统计效应、平均效应和相关效应。影响地震资料纵向分辨率的是平均效应和相关效应，高分辨率观测系统应具有较小的相关效应和平均效应[5]。目前我国煤田三维地震勘探采用的基本上都是横（排列宽度）纵（排列长度）比小于0.5 的窄方位束线状观测系统，导致纵向排列过长，炮检偏移距过大。炮检距越大，对高精度地震采集越不利，表现在三个方面：一是地震波入射角增大，传播路线变长，地层对高频能量吸收增大（图2 为不同排列长度采集的地震资料叠加剖面及其频谱比较）。二是由于动校正拉伸率与炮检距成正比，炮检距越大，对反射波同相轴特别是浅层反射波同相轴的动校正拉伸量越大。动校正拉伸的结果使得反射信号的频谱向低频移动，从而降低了分辨率[6]。三是反射波的反射系数随入射角的变化而变化，当入射角接近临界角时，反射系数急剧增加，引起振幅不均匀。可见炮检距是影响地震分辨率的主要因素之一，无论是纵向还是横向，零炮检距地震道的分辨率最高，小炮检距地震道的分辨率大于大炮检距地震道[7]。故野外采集时最大炮检距不宜过大，一般要小于或等于勘探目的层深度。因此，高分辨率地震勘探宜采用小道距、小线距、小排列、宽方位、覆盖次数适中的三维观测系统。

图2 不同排列长度采集的地震资料（左：600 m，右：1200 m）的叠加剖面及其频谱比较Figure 2. Stacked section and spectral comparison of seismic data acquired at different array lengths (left: 600 m, right:1200 m)

2 数据处理阶段提高纵向分辨率的主要措施

地质人员主要是通过对地震同相轴的追踪和对比来对地震资料进行地质解释的。只要目的层同相轴的频率足够高或者说其波长足够短，就可以对微地质体和小构造进行解释。因此，通过各种数学手段对野外采集的原始地震数据进行处理，获得能够反映地下地质构造的高分辨率成像剖面，一直是地震资料处理工作者追求的目标。

由于受地震波激发、传播和接收等因素的影响，数据采集阶段提高地震数据的主频和带宽的能力是有限的。为了进一步提高资料的纵向分辨率，就需要在处理阶段对信号进行提高主频和拓宽频带的处理。

众所周知，资料处理中提高地震资料的分辨率往往可能造成其信噪比的下降。因此，处理人员为了不至于过分伤害信噪比，提升高频端的幅度只能适可而止，子波也就只能压缩到某一个程度就不能再改进，所以提高地震资料分辨率的首选应该是改进高频端的信噪比[8]。处理阶段提高地震资料的分辨率，可以从两个方面来考虑：第一是提高资料信噪比，如做好静校正处理和叠前去噪处理等，为提高资料分辨率打好基础；第二是直接对资料进行提高主频和拓宽频带的处理。

2.1 静校正处理

由地表高程变化、低降速带厚度和速度横向的不均匀及井深的不同给原始地震资料带来的静校正量，如果不加以去除，将影响地震资料的信噪比、分辨率和构造的准确性。其中静校正量的高频分量（局部范围内低速层变化引起的短波长静校正量）造成共中心点道集内各道的反射波到达时间影响不一，叠加道集内各个反射点经动校正后不能实现同相叠加，不仅降低叠加剖面的信噪比，也影响到高频信号的叠加，从而降低资料分辨率。不仅如此，静校正量的存在也影响速度资料的正确求取，而动校正速度的不准确将影响叠加效果，同样会造成高频能量的损失。静校正分为野外一次静校正和剩余静校正，前者用来消除由于地形起伏和地表低降速层带来的低频静校正量和高频静校正量对地震波传播时间的影响，使时距曲线满足动校正需要的双曲线方程；后者用来消除剩余高频静校正量对资料的影响。

2.2 叠前数据反褶积处理

由于炸药激发时产生的地震波为一尖脉冲，理想的地震记录应该是一系列尖脉冲，其中每个脉冲代表地下存在的一个反射界面。但实际情况是，地震波在传播过程中，经过大地滤波之后，变成具有一定时间延迟的地震子波，原始地震记录是各种反射波叠加的结果，即地震记录是地震子波与反射系数序列的褶积（假定无噪音）。在资料处理时，主要采用反褶积处理来压缩子波，提高地震资料的纵向分辨率。反褶积的实现原理是把地震记录分解成为一个反映反射系数的一系列窄的脉冲信号，每个信号的强弱和反射系数的大小呈正相关。反褶积的实现过程是通过地震记录求出地震子波，再求出反子波，把反子波与地震记录褶积，然后计算出反射系数序列。图3 为反褶积处理前后的单炮及其频谱比较。

图3 反褶积处理前（左）后（右）的炮集记录及其频谱比较Figure 3. Shot set record and spectral comparison before(left) and after (right) deconvolution

反褶积方法比较多，常用的有脉冲反褶积和预测反褶积，它们各有其优缺点。反褶积处理时，需根据资料的实际频率和信噪比选择合适的反褶积类型、反褶积参数，往往需要测试几个反褶积效果，选择利用。

2.3 叠后数据提频处理

一方面，地震数据在进行叠加处理时具有一定的降频作用，使叠前展宽的频带又在一定程度上变窄，有必要在叠后数据上再一次进行提频处理。另一方面，多次覆盖数据的叠加处理有压制噪音的作用，叠后资料信噪比得到大幅度提高，为叠后提频处理提供了良好的基础。

叠后提频处理的方法主要有两种，一种是反Q滤波，另一种是谱白化。

由于地层介质不是完全弹性的，地震波在地下介质中传播时部分机械能转换为热能被消耗，即地层对地震波具有衰减作用，并且对高频能量的衰减大于低频能量。反Q滤波是一种补偿地层吸收衰减效应的技术，它不仅可以补偿振幅衰减和频率损失，而且可以改善地震资料的相位特性，从而改善同相轴的连续性。

Q是地层介质的品质因素，其物理意义是地震波传播一个波长后，原能量与损耗能量之比，其估算公式为：

式中：E为原始能量；ΔE为一个波长后消耗的能量；η为衰减系数；λ为地震波的波长。

可见，Q值与地层衰减系数成反比，衰减系数越大，Q值越小，地震波传播一个波长后损耗能量越大。反Q滤波是利用各个地层的Q值来恢复被地层吸收的能量，达到抬升高频信号能量、提高纵向分辨率的目的。图4为Q补偿前后的叠加剖面及其频谱比较。

图4 Q补偿前（左）后（右）的叠加剖面及其频谱比较Figure 4. Stacked section and spectral comparison before(left) and after (right) Q compensation

谱白化处理也是提高叠后地震资料分辨率的有效方法。谱白化是把地震记录的振幅谱进行白化（即在有效频带内将振幅谱拉平），从而达到使地震资料分辨率提高的目的。其实质是对分频后的地震记录进行时变增益控制，把各自振幅的平均能量调整到一个水平上，也就相当于对地震波传播过程中被衰减的高频振幅进行了增强，然后把增益补偿后的分频记录再相加就得到了相当于高频加强的记录。谱白化的一个优点是，在提高地震资料分辨力的同时，不会过分降低信噪比。

在资料处理过程中，除了上述几种方法外，还有一些处理手段能间接或辅助提高地震资料纵向分辨率，如合适的去噪手段、精准的速度场分析以及浅部动校拉伸畸变切除等。

3 结论

提高地震资料的纵向分辨率需要加强两个方面的工作：首先要在野外数据采集阶段，选择最佳激发层位，优选激发、接收设备以及合适的观测系统，获得具有主频高、频带宽和反射信号强的第一手原始数据；其次在数据处理阶段，在做好静校正处理、叠前噪音压制、精准速度分析、提高叠前和叠后资料信噪比的基础上，采取诸如反褶积、反Q滤波和谱白化等处理手段，提升资料主频和拓宽资料频带，从而达到进一步提高地震资料纵向分辨率的目的。