灰?guī)r裸露區(qū)地震資料信噪比低的原因分析

杜宏鈞,周 艷

(江漢油田分公司物探研究院,湖北武漢430035)

南方山地灰?guī)r裸露區(qū)經(jīng)歷了從古生代到新生代多期構(gòu)造運(yùn)動,中古生代老地層直接裸露于地表,受強(qiáng)烈的構(gòu)造抬升、擠壓作用,地下構(gòu)造斷裂及斷層眾多,深淺層巖石破碎嚴(yán)重,巖性變化差異較大,地層產(chǎn)狀變化多端。受風(fēng)化、淋漓、剝蝕作用,溶洞、裂縫、喀斯特地貌十分發(fā)育,使得地表巖石彈性變差。起伏劇烈、嚴(yán)重非均質(zhì)的地表特征造成地震波激發(fā)接收條件很差,近地表地層大量吸收地震激發(fā)的能量,不僅會造成地震波傳播路徑和地震波波場的復(fù)雜性,同時也會產(chǎn)生各種類型的強(qiáng)能量干擾波,進(jìn)而導(dǎo)致原始單炮記錄信噪比的降低和橫向上的明顯差異,因而必須了解灰?guī)r區(qū)影響資料信噪比的重要因素。為此,筆者對灰?guī)r裸露區(qū)地震資料信噪比低的原因進(jìn)行了探討。

圖1 實際記錄(左)和正演模擬記錄(右)

1 灰?guī)r區(qū)噪音特征

對灰?guī)r裸露區(qū)出露巖性、地表起伏、高陡構(gòu)造、溶洞等各種近地表模型進(jìn)行全波場正演模擬分析,噪聲的表現(xiàn)特征與實際單炮一致 (見圖1),主要強(qiáng)能量噪聲類型有多組面波、折射波、散射波及其多次。

近地表巖性和速度變化大,低降速層速度與高速界面產(chǎn)生多組的面波和折射,且有頻散現(xiàn)象。在自由地表條件下,來自起伏地表的散射波異常發(fā)育,地形變化尖滅點(diǎn)的諧振能量強(qiáng)。在無低降速層時,不產(chǎn)生面波。地表地層產(chǎn)狀劇烈變化時,各個方向的線性干擾交織在一起,噪音的線性特征不是很明顯。

在灰?guī)r裸露區(qū),三疊系灰?guī)r出露分布最廣泛,巖性組合也最復(fù)雜。灰?guī)r區(qū)單炮既有共同點(diǎn),也存在很大的差異。在低降速帶薄時,原始資料可見明顯反射,高頻信號衰減較慢。視主頻30Hz,頻帶寬度在10～100Hz。主要干擾波有:①淺層折射及其多次 (V=4600m/s);②2組面波帶干擾,頻率和有效波接近 (V1=2200m/s,V2=2900m/s)。另外還存在側(cè)向面波 (V=2410m/s),視主頻10Hz(見圖2(a))。風(fēng)化程度高時,低降速帶加厚,地震資料頻率低,傳播速度較低的多組面波淹沒了本來很弱的有效反射波,地震資料信噪比極低 (圖2(b))。

二疊系出露區(qū)多為喀斯特地貌,地層傾角大,地表風(fēng)化程度差異大。其地震資料頻率低,干擾波能量強(qiáng),有效反射極其微弱。石炭系出露多為巨厚灰?guī)r,電阻率極高,含水性極差,原始資料有效反射微弱,視頻率高,信噪比極低,主要為高頻隨機(jī)噪音。

通過對理論模型和實際資料進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)灰?guī)r區(qū)原始地震資料有以下特點(diǎn):①灰?guī)r的傳播速度大,下傳的能量弱,接收到的能量主要是干擾波,信噪比遠(yuǎn)小于1。②不同速度層之間產(chǎn)生面波,這是線性干擾的主要原因。速度差別越大,面波越強(qiáng),同時也產(chǎn)生強(qiáng)折射波。③干擾波通過激發(fā)和接收條件產(chǎn)生。接收條件的差異大,導(dǎo)致噪音差別大。④噪音主要在通過近地表淺層時產(chǎn)生。

圖2 三疊系灰?guī)r單炮

2 激發(fā)接收條件對原始地震資料的影響

高速層中激發(fā)信號能量最強(qiáng),噪聲能量最弱,所以野外激發(fā)時都選擇在深井高速層中激發(fā),激發(fā)條件相對穩(wěn)定,激發(fā)條件的變化包括激發(fā)巖性物性特征和復(fù)雜的巖性變化。炸藥爆炸過程中,沖擊載荷對介質(zhì)的影響從內(nèi)向外大體可分為破壞圈、塑性帶和彈性變形區(qū),化學(xué)能依次轉(zhuǎn)化為圍巖的破壞、介質(zhì)吸收和彈性波傳播[1]。在實際勘探過程中,能量消耗在對圍巖的破壞上,有效反射的飽和藥量小于總單炮能量分析得到的飽和藥量。密度越大,傳播速度越高;孔隙度越小,含水性越差,電阻率越高,對能量的屏蔽作用越強(qiáng)。灰?guī)r與下伏地層之間的阻抗小,反射系數(shù)小,接收的能量越弱,噪音越強(qiáng),信噪比越低。

從接收條件上看,不同的地層屬性、地表巖性、地層產(chǎn)狀、物性特征和風(fēng)化程度組合非常復(fù)雜,產(chǎn)生不同速度、頻率、強(qiáng)度的面波和折射波及其多次,另外還有槽波、散射、側(cè)面波、鳴震和高低頻隨機(jī)噪音,形成復(fù)雜的干擾波。在巨厚灰?guī)r出露時,電法剖面上顯示電阻率極高;在典型的喀斯特地貌,電法剖面上顯示電阻率很低。激發(fā)產(chǎn)生的能量大部分在淺層傳播和轉(zhuǎn)化,當(dāng)遇到巖溶特征地貌時,產(chǎn)生低頻鳴震或諧振波,從時間和空間方向上繼續(xù)向外傳播,單炮上表現(xiàn)為面波多次和側(cè)向散射。地表產(chǎn)狀高陡時,形成的干擾波物理特性發(fā)生改變,形成大量頻散,使噪音識別困難。而地下反射改變傳播方向,導(dǎo)致從地面接收不到真正來自地下的反射。地表巖性組合橫向變化大,不同灰?guī)r、泥灰?guī)r、頁巖、砂泥巖傳播速度縱橫向變化大,甚至出現(xiàn)傳播速度倒轉(zhuǎn),噪音表現(xiàn)為面波及其多次、逆向散射、槽波等[2]。

在灰?guī)r裸露區(qū),三疊系灰?guī)r激發(fā)條件是最好的 (見圖3),但原始地震資料的品質(zhì)和接收條件有直接的關(guān)系。在大號段,三疊系地層比較平緩,接收的資料可見明顯反射,頻率較高;在小偏移附近,地層陡峭、傾角大時,有效反射弱,噪音強(qiáng);在小號段,二疊系灰?guī)r地區(qū)盡管地層平緩,但接收的能量弱,原始單炮信噪比最低。

圖3 三疊系激發(fā) (不同巖性接收)

不同接收條件疊加剖面對比表明在泥盆系地層出露接收時,中深層有較強(qiáng)的反射 (見圖4)。在石炭系接收時,即使在泥盆系激發(fā),地震資料的信噪比依然很低。根據(jù)地面地質(zhì)調(diào)查,發(fā)現(xiàn)該段出露地層為石炭系巨厚灰?guī)r,其電阻率極高,含水性和接收條件差,由此決定了地震資料信噪比低。

圖4 不同接收條件疊加剖面對比

3 去噪關(guān)鍵技術(shù)

灰?guī)r裸露區(qū)疊前去噪的關(guān)鍵是根據(jù)信號與噪聲在能量、頻率和速度等方面的特征差異,做好強(qiáng)能量線性干擾波的壓制。能量較強(qiáng)的有以下3組:灰?guī)r和砂泥巖之間 (2600～2900m/s);高速層與降速層之間 (2000～2200m/s);高速層與低速層之間 (800～1500m/s)。利用均值加權(quán)法拾取相干噪音,在相干干擾區(qū)不同頻段和時窗下完成信噪分離,從而達(dá)到既去噪又保真的目的。去噪后的單炮,有效反射得以凸顯,2組強(qiáng)能量面波基本得到壓制,保真度高 (見圖5)。

圖5 均值加權(quán)消除相干干擾

4 結(jié) 語

通過對不同近地表模型的全波場正演模擬分析,結(jié)合地表地質(zhì)條件對實際記錄噪音進(jìn)行對比分析及對灰?guī)r區(qū)資料進(jìn)行處理,表明灰?guī)r區(qū)具有地表和地下地質(zhì)條件的雙重復(fù)雜性,而地面地質(zhì)條件導(dǎo)致接收條件差是原始地震資料信噪比低、干擾波發(fā)育的最主要原因。因此,在野外地震勘探中應(yīng)盡可能改善接收條件和優(yōu)化接收因素。

[1]陸基孟.地震勘探原理 [M].東營:石油大學(xué)出版社,1996.

[2]周錦明.地震數(shù)據(jù)精細(xì)處理 [M].北京:石油工業(yè)出版社,2003.