王　博， 劉　財， 劉　洋

(1.吉林大學(xué)　地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春　130026；2.河北地質(zhì)大學(xué)　勘查技術(shù)與工程學(xué)院，石家莊　050031)

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海上含涌浪噪聲地震數(shù)據(jù)速度分析方法研究

王博1,2， 劉財1， 劉洋1

(1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春130026；2.河北地質(zhì)大學(xué)勘查技術(shù)與工程學(xué)院，石家莊050031)

涌浪噪聲是海上拖纜地震勘探中常見的強隨機(jī)噪聲干擾，會在原始地震記錄上形成強烈的低頻噪聲背景。當(dāng)?shù)卣饠?shù)據(jù)受到涌浪噪聲的干擾時，會導(dǎo)致傳統(tǒng)速度分析方法無法獲取準(zhǔn)確的速度分析結(jié)果，尤其當(dāng)實際地震資料中存在著AVO效應(yīng)，甚至發(fā)生極性反轉(zhuǎn)的情況下更加嚴(yán)重，所以在進(jìn)行海上數(shù)據(jù)速度分析時，必須同時考慮涌浪噪聲和AVO效應(yīng)對速度分析精度的影響。這里提出采用AB相似系數(shù)法對含有涌浪噪聲的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行速度分析，理論模型和實際資料的處理結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的水平疊加速度分析方法以及相似系數(shù)速度分析方法相比，AB相似系數(shù)速度分析法能夠在涌浪噪聲背景下獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。

AB相似系數(shù)法； 涌浪噪聲； 速度分析； AVO效應(yīng)

0　引言

涌浪噪聲是海上拖纜地震勘探中常見的強隨機(jī)噪聲干擾，其特點是頻率低，能量強且具有隨機(jī)性，涌浪噪聲通常會在原始地震記錄上形成很強的低頻噪聲背景[1]。由于涌浪噪聲對地震資料的質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響，如何避免和壓制此類噪聲的干擾是一個值得研究的問題。涌浪噪聲作為隨機(jī)噪聲的一種，除了可以應(yīng)用普通隨機(jī)噪聲的壓制方法[2-4]對其進(jìn)行壓制，國內(nèi)、外一些研究人員還針對涌浪噪聲的產(chǎn)生機(jī)制與壓制方法進(jìn)行了相關(guān)研究。勾福巖等[5]采用基于波動方程炮檢距連續(xù)(offset continuation，OC)算子的OC-Seislet變換方法對含涌浪噪聲的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪處理，在去噪的同時，較好地保護(hù)了復(fù)雜構(gòu)造下的地震波信息，一般認(rèn)為，產(chǎn)生涌浪噪聲的主要原因是由于檢波器掛上異物或電纜平衡不好而造成的干擾波；Parrish等[6]對涌浪噪聲的特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)拖纜弦波可能是涌浪噪聲的來源之一，能夠很好地解釋涌浪噪聲的特點；Elboth等[7]認(rèn)為由天氣原因造成的水流擾動與拖纜之間的相互作用是產(chǎn)生涌浪噪聲的原因；宋家文等[8]采用地震道隨機(jī)重排聯(lián)合EM算法對高振幅涌浪噪聲進(jìn)行衰減壓制；徐善輝等[9]使用HHT技術(shù)進(jìn)行時頻域濾波及低切方法壓制涌浪噪聲；劉財?shù)萚10]提出采用基于Duffing振子混沌系統(tǒng)的速度分析方法，利用Duffing混沌振子對隨機(jī)噪聲的免疫特性在涌浪噪聲背景下獲得了比較理想的速度分析結(jié)果。

在實際地震資料中，AVO效應(yīng)也是影響速度分析精度的因素之一。傳統(tǒng)的水平疊加速度分析方法是基于振幅不隨炮檢距變化的，當(dāng)AVO效應(yīng)存在時，疊加速度分析方法不能得到正確的速度分析結(jié)果。Taner和Koehler[11]提出采用相似系數(shù)法進(jìn)行速度分析，使得速度分析技術(shù)得到了較快的發(fā)展。相似系數(shù)法的原理是對各道地震信號進(jìn)行相似性的度量。但是，相似系數(shù)法所建立的的數(shù)學(xué)模型依然認(rèn)為反射波同相軸的振幅與炮檢距是不相關(guān)的，相似系數(shù)法同樣無法應(yīng)對AVO效應(yīng)所帶來的振幅變化。為此，很多相關(guān)學(xué)者[12-14]提出了許多改進(jìn)相似系數(shù)法的算法；Fomel[15]采用AB相似系數(shù)法對含有AVO效應(yīng)的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行速度分析，理論模型和實際資料的結(jié)果表明，AB相似系數(shù)法在處理振幅隨炮檢距變化的地震資料時，能夠獲取更加準(zhǔn)確的速度分析結(jié)果。

這里提出采用AB相似系數(shù)法，對含有涌浪噪聲的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行速度分析。通過對理論模型與實際數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，同傳統(tǒng)的水平疊加和相似系數(shù)速度分析方法相比，AB相似系數(shù)法能夠同時克服強噪聲所導(dǎo)致的低信噪比以及由AVO效應(yīng)所帶來的振幅變化，從而獲得更加準(zhǔn)確的速度分析結(jié)果。

1　理論基礎(chǔ)

1.1相似系數(shù)法

Taner和Koehler[11]提出采用相似系數(shù)法進(jìn)行速度分析，使得速度分析技術(shù)得到了較快的發(fā)展。采用相似系數(shù)法進(jìn)行速度分析的原理是對一個CDP道集上的各道地震信號進(jìn)行相似性度量，相似系數(shù)法所建立的數(shù)學(xué)模型認(rèn)為反射波同相軸的振幅在各道上是相同的，即振幅與炮檢距無關(guān)。

設(shè)兩個向量分別為a=a1、a2、…、aN，b=b1、b2、Λ、bN，則兩個向量的相關(guān)系數(shù)如式(1)所示。

(1)

對于不含涌浪噪聲的地震記錄，若不考慮AVO效應(yīng)，即地震記錄的振幅值不隨炮檢距變換。故假設(shè)向量b是常數(shù)序列，即b=b、b、Λ、b，則相關(guān)系數(shù)可寫成：

β(a)=γ(a,b)=

(2)

對式(2)進(jìn)行平方，得式(3)。

(3)

式中：β2(a)為相似系數(shù)。

當(dāng)向量a是均勻分布的時候，相似系數(shù)β2(a)取得最大值“1”。即地震波振幅沿同相軸均勻分布，當(dāng)掃描速度等于地層真實速度時，相似系數(shù)趨近于“1”；當(dāng)掃描速度不正確時，相似系數(shù)小于“1”。采用相似系數(shù)法進(jìn)行速度分析的前提是假設(shè)地震波振幅不隨偏移距變化，即各道振幅均勻分布。

1.2AB相似系數(shù)法[15]

1985年Shuey[16]通過近似Zoepprite方程證明，對于彈性參數(shù)變化不大，且入射角較小時，含有AVO效應(yīng)的PP波反射系數(shù)可以由兩個參數(shù)簡化表示為式(4)。

RPP(θ)≈A+Bsin2θ

(4)

其中：A、B是和上下地層速度與密度相關(guān)的參數(shù)；θ是P波入射角與反射角的平均值。

AB相似系數(shù)法是由Sarkar[13-14]提出的。由于相似系數(shù)法在地震記錄存在AVO效應(yīng)，尤其存在極性反轉(zhuǎn)時，其速度分析精度大大降低。AB相似系數(shù)法則能夠解決AVO效應(yīng)所帶來的振幅不均勻分布的問題。AB相似系數(shù)法的推導(dǎo)過程如下：

假設(shè)參考序列b具有一定的趨勢bi=A+Bφi，其中φi為已知函數(shù)。這樣的趨勢可以是由Shuey[16]給出的PP波反射系數(shù)關(guān)系，即A為截距，B為梯度，φi=sin2θi，θi為第i道的反射角度。根據(jù)最小二乘原理：

(5)

分別對A、B求偏導(dǎo)，并令導(dǎo)數(shù)等于零，可得式(6)、式(7)。

(6)

(7)

將式(6)、式(7)分別代入式(1)，并對等式兩邊平方，得到相似系數(shù)公式：

(8)

利用歸一化的最小二乘目標(biāo)函數(shù)來定義相似系數(shù)見式(9)。

(9)

2　模型分析

圖1(a)是一個含有AVO效應(yīng)的理論無噪聲共中心點(CMP)合成地震記錄。模型共80個記錄道，最小炮檢距為零，道間距為50 m，時間采樣間隔為4 ms，記錄時間長度為4 s。合成地震記錄采用的子波是雷克子波，雷克子波主頻fr=25 Hz。其中包含四條同相軸，在t0=0.8 s、1.8 s、2.4 s、3.1 s處，其所對應(yīng)的均方根速度Vrms分別為2 000 m/s、2 300 m/s、2 700 m/s、3 200 m/s。在t0=1.8 s、2.4 s處的同相軸位置考慮AVO效應(yīng)，即考慮振幅隨炮檢距變化。在如圖1(a)的人工合成共中心點(CMP)地震記錄中，加入人工合成涌浪噪聲，信噪比約為-12.6 dB(圖1(b))。從圖1(b)中可以看出，由于涌浪噪聲的加入，合成地震記錄的信噪比較低。

圖1　理論共中心點合成地震記錄Fig.1　Synthetic CMP record with AVO(a)含有AVO效應(yīng)的無噪聲合成地震記錄；(b)加入涌浪噪聲后的合成地震記錄

對疊加涌浪噪聲的地震記錄(圖1b)分別進(jìn)行水平疊加速度分析、相似系數(shù)速度分析以及AB相似系數(shù)速度分析。在速度掃描的參數(shù)選擇上，三種方法均采用25 m/s的速度掃描步長，速度掃描范圍均為1 000 m/s～4 000 m/s。圖2(a)是水平疊加速度分析的結(jié)果，由于涌浪噪聲的干擾，使得水平疊加速度譜的分辨率很低。其中，在t0=1.8 s、2.4 s處的同相軸由于存在AVO效應(yīng)，致使其對應(yīng)的位置沒有出現(xiàn)可分辨的能量團(tuán)。相似系數(shù)速度分析結(jié)果如圖2(b)所示，相比于水平疊加速度分析的結(jié)果，相似系數(shù)速度分析方法有著更好的抗噪能力，速度譜分辨率較高。但是相似系數(shù)速度分析方法依舊無法解決振幅隨炮檢距變化的問題，在t0=1.8 s、2.4 s處同相軸對應(yīng)的位置的能量團(tuán)聚焦性較差。圖2(c)是采用AB相似系數(shù)方法進(jìn)行速度分析的結(jié)果，在圖2(c)中t0=1.8 s、2.4 s處分別可以觀察到比較清楚的能量團(tuán)存在。相比于以上兩種方法，AB相似系數(shù)法不但克服了涌浪噪聲的干擾，并且能夠解決AVO效應(yīng)所帶來的振幅變化問題。

3　實際數(shù)據(jù)處理

在實際資料處理中，選取海上某地區(qū)CMP數(shù)據(jù)體，如圖3(a)所示。該記錄由200個CMP道集組成，數(shù)據(jù)中包含較強的涌浪噪聲。圖3(a)中三個截面分別為，左下截面為炮檢距為0.9 km時的共炮檢距剖面，左上截面為1.8 s位置的時間切片，右下為1.32 km處的共中心點道集。從圖3(a)中可以看到，由于存在涌浪噪聲的干擾，數(shù)據(jù)體的信噪比較低。分別采用傳統(tǒng)水平疊加方法和相似系數(shù)法以及AB相似系數(shù)法進(jìn)行速度分析。圖3(b)為采用AB相似系數(shù)法所獲得的均方根速度拾取結(jié)果。為進(jìn)行比較，選取1.32 km處的CMP道集，采用三種方法分別進(jìn)行速度分析。

圖4(a)是傳統(tǒng)水平疊加速度分析所獲得的速度譜，傳統(tǒng)速度分析方法受涌浪噪聲的干擾非常嚴(yán)重，導(dǎo)致其所獲得的速度譜分辨率很低，沒有明顯的能量團(tuán)存在，特別是在低速區(qū)的干擾導(dǎo)致自動速度拾取結(jié)果不正確。圖4(b)為采用相似系數(shù)法進(jìn)行速度分析所獲得的速度譜。從圖4(b)中可見，速度譜的聚焦性較差，尤其從淺層速度譜上很難拾取正確的速度曲線。圖4(c)為采用AB相似系數(shù)法進(jìn)行速度分析所得到的速度譜，與前兩種方法相比，AB相似系數(shù)方法不但克服了涌浪噪聲的干擾，同時考慮了振幅隨偏移距的變化，獲得了更準(zhǔn)確的速度拾取結(jié)果。

圖2　速度分析方法對比Fig.2　Comparison of different velocity analysis methods(a)水平疊加速度分析；(b)傳統(tǒng)相似系數(shù)速度分析方法；(c)AB相似系數(shù)速度分析方法

圖4　實際數(shù)據(jù)速度分析對比圖Fig.4　Comparison of different velocity analysis(a)傳統(tǒng)水平疊加速度分析；(b)傳統(tǒng)相似系數(shù)速度分析方法；(c)AB相似系數(shù)速度分析方法

圖5　水平疊加結(jié)果對比圖Fig.5　Comparison of stacking results(a)傳統(tǒng)水平疊加速度分析；(b)相似系數(shù)速度分析方法；(c)AB相似系數(shù)速度分析方法

采用三種不同速度分析方法所獲得的速度拾取結(jié)果進(jìn)行水平疊加，結(jié)果如圖5所示。其中，采用AB相似系數(shù)法速度分析所得到的疊加剖面如圖5(c)所示，與前兩種方法所得到的疊加剖面(圖5(a)，圖5(b))相比，AB相似系數(shù)法能夠獲得更高信噪比的疊加結(jié)果。從圖5(b)分析可以看到，盡管疊加剖面整體的信噪比較高，但受到共中心點位置0.2 km和2 km處的強涌浪噪聲影響導(dǎo)致速度拾取的不準(zhǔn)確性影響到地震波的同相疊加，疊加信號的同相軸連續(xù)性較差。

4　結(jié)論

作者提出采用AB相似系數(shù)方法對含有涌浪噪聲的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行速度分析處理，AB相似系數(shù)法相比于水平疊加速度分析方法具有較強抗噪能力，同時還考慮到了振幅隨偏移距的變化，使得該方法能夠在強噪聲干擾下取得比常規(guī)速度分析方法更為準(zhǔn)確的速度分析結(jié)果。理論模型和實際數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的結(jié)果表明，相比于常規(guī)速度分析方法，該方法能夠在涌浪噪聲背景下取得更準(zhǔn)確的速度信息，進(jìn)而得到高信噪比的水平疊加結(jié)果。

[1]劉洋，F(xiàn)omel Sergey，劉財,等.高階seislet變換及其在隨機(jī)噪聲消除中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)報，2009，52(8)：2142-2151.

LIU Y，F(xiàn)OMEL SERGEY，LIU C，et al.High-order seislet transform and its application of random noise attenuation[J].Chinese J.Geophys，2009，52(8)：2142-2151.(In Chinese)

[2]林紅波，李月，徐學(xué)純.壓制地震勘探隨機(jī)噪聲的分段時頻峰值濾波方法[J].地球物理學(xué)報，2011，54(05)：1358-1366.

LIN H B，LI Y，XU X C.Segmenting time-frequency peak filtering method to attenuation of seismic random noise[J].Chinese J.Geophys，2011，54(05)：1358-1366.(In Chinese)

[3]劉洋，王典，劉財,等.局部相關(guān)加權(quán)中值濾波技術(shù)及其在疊后隨機(jī)噪聲衰減中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)報，2011，54(02)：358-367.

LIU Y，WANG D，LIU C，et al.Weighted median filter based on local correlation and its application to poststack random noise attenuation[J].Chinese J.Geophys，2011，54(02)：358-367.(In Chinese)

[4]郭建卿，張保慶，趙貽水,等.墨西哥灣海洋地震數(shù)據(jù)處理案例分析[J].石油地球物理勘探，2007，42(增刊)：132-135.

GUO J Q，ZHANG B Q，ZHAO Y S，et al.Case analysis of offshore seismic data processing in Mexico Bay[J].Oil Geophysical Prospecting，2007，42(Supplement):132-135.(In Chinese)

[5]勾福巖，劉財，劉洋,等.基于OC-Seislet變換的海洋涌浪噪聲衰減方法[J].吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版，2015，45(3)：962-970.

GOU F Y，LIU C，LIU Y，et al.Swell Noise Attenuation Method Based on OC-Seislet Transform[J].Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2015，45(3)：962-970.(In Chinese)

[6]PARRISH J F. Streamer string waves and swell noise[J].2005 SEG Annual Meeting.Society of Exploration Geophysicists，2005，72-75.

[7]ELBOTH T，B A REIF,?ANDREASSEN.Flow and swell noise in marine seismic data[J].Geophysics，2009，74(2)：17-25.

[8]宋家文，陳小宏，劉國昌.地震道隨機(jī)重排聯(lián)合EM算法衰減高振幅涌浪噪聲[C].中國地球物理學(xué)會第二十七屆年會論文集，2011:667.

SONG J W，CHEN X H，LIU G C.High-amplitude swell noise attenuation using seismic trace reording and EM algorithm[C].27th annual general assembly of the Chinese geophysical society，2011:667.(In Chinese)

[9]徐善輝.基于Hilbert-Huang變換的地震噪聲衰減與薄層預(yù)測技術(shù)研究[D].長春：吉林大學(xué)，2012.

Xu S H.The study of seismic noise attenuation and thin-layer prediction technique based on Hilbert-Huang transform[D].Changchun：Jilin University，2012.(In Chinese)

[10]劉財，王博，劉洋.基于Duffing振子混沌系統(tǒng)的地震速度分析方法[J].地球物理學(xué)報，2015，58(6)：2057-2068.

LIU C，WANG B，LIU Y.Seismic velocity analysis based on the Duffing oscillator chaotic system[J].Chinese J.Geophy，2015，58(6)：2057-2068.(In Chinese)

[11]TANER T，KOEHLER F.Velocity spectra-Digital computer derivation and applications of velocity functions[J].Geophysics，1969，34(6)：859-881.

[12]RATCLIFFE A，ADLER F.Accurate velocity analysis for Class II AVO events[C].70thSEG meeting,Calgary,Canada,Expanded Abstracts，2000:232-235.

[13]SARKAR D，CASTAGNA J P,LAMB W.AVO and velocity analysis[J].Geophysics，2001，66：1284-1293.

[14]SARKAR D，BAUMEL R T,LARNER K L.Velocity analysis in the presence of amplitude variation[J].Geophysics，2002，67：1664-1672.

[15]FOMEL S.Velocity analysis using AB semblance[J].Geophysical Prospecting，2009，57(3)：311-321.

[16]SHUEY R T.A simplification of the Zoeppritz-equations[J].Geophysics，1985，50：609-614.

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

國家自然基金項目(41430322，41522404)；國家973計劃課題(2013CB429805)

王博(1985-)，男，博士，主要從事地震數(shù)據(jù)處理工作，E-mail: wb010@hotmail.com。

1001-1749(2016)04-0512-06

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.04.12