黄土塬区三维地震勘探静校正处理思路

张 岩,杨艳萍

(陕西省煤田物探测绘有限公司,陕西 西安 710005)

0 引言

陆上地震勘探中的诸多技术难点中,其中之一就是复杂地表区的静校正。黄土塬地区地表地质条件主要特点为塬、梁、坡、峁、沟交替出现,沟壑纵横交错、塬面破碎,沟谷相对高差较大,研究区内相对高差一般在150～250 m,塬面窄小;低降速层变化巨大,速度极不稳定,塬上由黄土构成的低降速层的厚度可达200 m,并且沟谷中有出露基岩、砾石层、黄土等,岩性不同,风化程度不一,情况较为复杂;潜水面深度变化极大,塬上基本无明显潜水面,沟谷中偶有地表水。上述因素导致反射波因巨厚疏松的黄土的强烈吸引影响,能量较小,同时各种噪声、多次波、折射波、侧面波和干扰信号也相对强烈,因此产生很大的静校正量差和不适当的动校时差等影响结果,造成黄土塬区资料处理难度极大。

根据黄土塬资料特点,除资料处理的一般性之外,还要具备黄土塬地区资料处理的特殊性。需要解决以下问题:一是消除复杂地形起伏影响,使地震观测数据近似地回归到水平观测界面,从而使得以水平观测面为理论基础的数据处理模块可以得到应用。二是有效解决长波长静校正问题,提高短波长静校正精度,保证地震剖面的成像效果和构造的准确清晰。三是消除时间剖面上串相位的现象,提高时间剖面品质。

1 黄土塬区静校正处理的难点

1.1 浮动及统一基准面的选取困难

黄土塬区因冲沟发育、沟壁陡峻、相对高差大,从而导致浮动基准面、统一高程基准面的选择非常艰难。

1.2 存在严重的低频校正量误差

黄土塬区浅层低降速层在纵横方向上的厚度、速度通常有着明显的变化,静校正量出现了强烈的长波段(低频)校正量误差,而由高差和低降速层速度差异所产生的静校正量,在同一个排列最大炮检距区域内,时常超过最浅目的层反射信号的1/4。

1.3 表层静校正建模困难

浅表层岩性的变化使得低降速层的形态、速度变化剧烈,对构建表层模型造成很大的难度。

2 处理思路

黄土塬区特殊的地形地貌,决定静校正处理必须分步、多方法进行。黄土塬区除了存在静校正量难以计算的问题外,还存在浮动基准面的选取问题。

关于静校正量计算上的问题,通常采用野外一次静校正、折射静校正、层析反演静校正、折射剩余静校正等多手段、多方法联动进行,静校正效果的检验应以叠加剖面为准,而不能简单的通过单炮的初至形态确定(由于黄土塬区受高差、低降速层突变的影响,造成单炮初至已不再是简单的线性关系)。

因为浮动基准面的形态所产生的时差,必将直接影响其动校准确度,所以应该根据勘探区最具有代表性的多个测线(区域)进行测试处理后来判断,选取最佳悬浮面和统一面参数,而不要盲目地以点带面。此外应注意以下两点:①对于全区使用同一个统一面参数而引起剖面形态畸变的地区,应考虑使用折线或折面统一面参数;②处理中分步使用静校正量,或直接使用浮动面校正量,在叠后再进行统一面校正。

黄土塬区提高和改善资料质量的首要问题是解决好静校正等问题,必须引起足够的重视。

3 主要处理技术方法

3.1 静校正方法的选择

选择3种静校正的方法进行比较分析:一是传统的常规静校正,二是功能比较强大目前应用最广的初至折射静校正,三是层析静校正。下面针对各种静校正方法及各自的优缺点,结合实际效果进行分析。

3.1.1 常规静校正

优点:如果低速带资料质量高,计算精度准确,低速带点相对较密的情况下效果较好。

缺点:低速带点距稀,在低降速带速度厚度变化大的地段,不能代表整个勘探区低降速带的变化趋势。若低速带点距密,则成本增大。

3.1.2 初至折射静校正

优点:一般来讲,每一炮都有初至折射波,能连续追踪地下折射界面,能较理想地求取近地表模型,对短波长分量的静校效果比较好。

缺点:对于煤层埋藏浅的地区不太适宜。也不适用于表层模型速度横向变化大、下层速度小于上层速度的情况。另外,由于算法忽略折射层倾角的存在,给解决静校正的长波长分量带来了先天不足。

3.1.3 层析静校正

优点:符合实际地质情况,速度模型可以任意变化;初至波的拾取不受其波类型限制(如:直达波、折射波、回折波等)。提高反射记录信息的利用率,也避免了处理人员对初至波类型的判断,提高效率、降低人为误差;具有垂直时移特征;观测系统适应性强。

缺点:初始模型影响求解的唯一性;对初至时拾取的精度要求高;模型的底界多变;算法复杂,计算量大。

黄土塬区由于地表起伏剧烈,静校正处理一般采用以下2种方法。首先采用高程静校正,初步消除高程、低速层影响,在此基础上再进行折射波静校正。常规折射静校正方法无法解决层内的速度变化及横向速度的突变,需要人工提供风化层速度(V0)等限制。为此在使用该方法前首先解决高程静校正问题,弥补该方法的不足。其次反演静校正方法采用层析法,作为一种非线性模型反演技术,该方法的优点是不依赖于野外采集的低降速带数据,可以反演复杂的表层模型;缺点是对初始模型依赖性较高,同时对于初至波的容错性较低。对于2种方法的选择使用应依据勘探区的浅表层地震地质条件择优选择而定。

3.2 层析静校正的计算参数

地震层析静校正反演处理,基于全三维层析反演建立近地表速度模型并依次计算静校正量。该技术适用于二维、三维地震勘探。利用层析反演建立最接近实际情况的近地表速度数据体。处理过程包含初至时拾取、模型空间参数以及初始速度定义、射线追踪、剩余时差计算、速度模型修正等。

在层析反演过程中,首先要在反演的地质区域内建立初始速度模型,并对其网格化,即速度模型网格面元划分,也就是建立一个初始化的有限速度空间场,使反演迭代过程在其中进行。网格面元的大小决定反演的速度和精度,网格面元划分增大,运算速度提高,反演结果精度降低,反之,网格面元划分减小,运算速度降低,反演结果精度提高。

面元的大小,应取决于介质的复杂程度,在实际资料处理过程中,应通过不断地试验确定面元的大小。横向采样间隔,也就是网格面元横向距离值,建议初始测试值为道间距的2倍;纵向采样间隔,也就是纵向距离,应该根据测区内低降速的空间形态确定。低降速层较厚并且分布较为规律的区域一般选择15 m左右,而低降速层较厚和分布较为规律盆地边缘的戈壁区以及山前区一般选择约5 m,可以在反演速度与反演结构精度间达到很好的平衡。

层析反演的第一步是根据初始速度模型,对任意介质模型网络初至波射线正演。通过对初始速度模型和反演计算后得到的表层结构模型分析可知,表层的速度和厚度变化在表层结构模型里刻画得很精细。

3.3 基准面的选择

静校正量是相对于某一种基准面的,因为在具体处理中必须确定一个基准面,这就是浮动基准面,而浮动基准面的选用关系到最终静校正的结果,所以通常情况下浮动基准面选择必须遵从如下原理。一是浮动基准面通常为近地表的平滑表面,且在高速层顶界面之上。二是浮动基准面上起伏的波长量,不应小于排列最大炮检距的2倍。三是在最大炮检距区域内,所产生的静校正量应等于最浅目的层反射波频率周期的1/4。四是关于最终统一基准面的选取要注意填充速率和统一面高程这2个参数的应用,一般遵循2个原则,要统一面高于全区降速层顶界面,并且填充速度不大于降速层速度。

3.4 静校正量的分频使用

通常静校正方法所得到的静校正量基本上是统一面校准量,在这样的情况下可以将静校正量划分为长波段分量与短波段分量,2个分量可分步使用。由于多方面因素,在叠前先采用短波段校准量,叠后再运用长波段校准量,主要用于以下方面:一是速度分析方法、剩余静校正等方式都构建在近地表激发接收的基础上,叠前仅采用了短波段校准量就相当于在近地表面消除了高频校准分量,从而达到了速度分析、剩余静校正应用的理论前提条件。二是有利于对中间剖面的研究和利用,也有利于钻孔标定。三是对于表层结构较复杂、地形起伏很大的区域,在进行高程基准面静态修正后,尤其是进行区域静校正量修正后(及一次采用全部静校正分量),静校正量修正对动校正速度产生的负面影响非常明显,其动校正速度在地质解释时会产生较大误差。

当然中长波长静校正量容易导致构造形状畸变,短波长静校正量影响剖面信噪比,但有些情形下,为在最终叠加前更精确掌握复杂构造形状,可不再局限上述使用方式,而采用一步应用所有静校正分量。

3.5 剩余静校正

剩余静校正和速度分析的反复迭代,能够更有效地改善研究剖面的连续性、信噪比等。并非静校正不能解决的问题都能交给剩余静校正来解决,如何判定最终剖面已完全或近乎完全地解决了静校正问题,是否还有与静校正有关的问题仍需要解决。应该对各次剩余静校正迭代的数值进行对比。如果差异并不大,表示该方法至少已收敛于局部解或可能是全局解。

剩余时差的出现也会影响剩余静校正量,许多剩余静校正量技术都可解决该问题。如果不是这种情况,用差的叠加速度来估计最优化的校正量是有可能的。如果在估计剩余静校正量之前应用到数据中的叠加速度与应用了剩余静校正后计算出的值明显不同,这种情况也会出现。从剩余静校正来发现静校正可能存在的问题,根据发现的问题,重新修改计算静校正量,然后再次进行剩余静校正的计算以及检查,即通过这样反复的“迭代”,获得真实正确的静校正量。

4 应用效果

低速带调查资料表明,试验区低降速带厚度大、厚度变化大、速度纵横向变化大,从430 m/s到1 700 m/s。静校正特别是长波长校正问题尤为突出,因此,做好静校正是处理该区资料的关键。该区局部折射静校正地表、折射层模型示意如图1所示。

图1 折射静校正地表、折射层模型

4.1 静校正计算处理

在进行层析静校正处理前对该区进行多种模型建模方法对比,从速度反演结果以及静校正效果来看,虽然直接调用折射静校正模型建立的速度初始速度模型看似接近实际情况,但却不利于速度反演计算,在此使用梯度模型建模方式。

三维层析静校正软件提供丰富实用的三维可视化成果检查,利用速度数据体、HitCount数据体、剩余时差数据体,可以方便全面地对数据体各个方向,以及顺层方向进行效果分析检查。分析实际资料后认为层析静校正能更好地解决低降速层对静校正的影响。

4.2 静校正应用

通过对单炮记录以及初叠剖面分析后认为,该区存在较大的长波长校正量,折射静校正能较好地解决短波长校正量,但无法解决长波长校正量;层析静校正能较好地解决长波长静校正量,但对于短波长校正量解决能力差。但后者通过后续的剩余静校正计算,可以较好地解决层析静校正短波长校正量的不足(剩余静校正的模型基础是道集已基本消除了长波长静校正量影响)。

野外静校正、折射静校正、层析静校正应用后叠加剖面对比如图2所示。3种静校正方法中,野外静校正效果较差。折射静校正与层析静校正相对比,浅层反射波局部连续性前者好于后者,而深部反射波连续性则是后者好于前者,剖面整体形态合理性及连续性也是后者明显好于前者。

图2 叠加剖面对比

通过分别应用折射静校正及层析静校正校正量的数据进行剩余静校正量计算处理,对比结果为,应用层析静校正叠加数据,剩余静校正收敛系数稳定收敛,反射波连续性、信噪比有较大改善;而应用折射静校正叠加数据,剩余静校正计算易出现周期跳(主要原因为存在较大长波长剩余校正量),连续性及信噪比改善有限。

5 结语

(1)在实际的资料处理中往往会出现某些问题,需要处理人员充分地注意。并非全属于静校正问题,随着地表条件的变化,常发生地层突变的现象,例如:无低降速层等。

(2)合格静校正应有衡量标准,在一般条件下,常以相邻炮之间是否初至平行,初至波是否被校直等作为检验静校正正确与否的标准尺度,但是在地势剧烈起伏、排列上变动很大的情形下,特别是在黄土塬地区,上述标准就不再适合进行静校正的检验。