一種反射同相軸自動拾取算法

黃興輝

?

一種反射同相軸自動拾取算法

黃興輝

本文針對地震海洋學研究中反射同相軸的提取問題，提出了一套自動拾取算法。在海洋能量傳遞的地震海洋學研究中起到重要的基礎性作用。

海洋是太陽向地球傳輸能量的紐帶。能量在海洋內部的傳遞是地球能級中一個重要的環節。但是，由于海洋學觀測數據的缺乏，能量在不同尺度海洋學現象之間的傳遞機制尚不完全清楚。地震海洋學可以為海洋能量研究提供大量的高橫向分辨率的數據，而反射同相軸的提取是其中一項重要的基礎工作。

拾取反射同相軸是地震海洋學的一項重要的基礎工作。本文針對地震海洋學數據的特征提出了一套反射同相軸自動拾取算法。該算法以數據段和震源子波的互相關以及數據段波峰的振幅能量作為判斷其是否為有效反射的標準；基于橫向追蹤算法完成整條同相軸的拾取。拾取之前，首先對地震數據做傾角濾波處理，以提高數據的信噪比，增強同相軸的橫向連續性。實際的應用效果表明，本方法的成功率和準確率都很高，是地震海洋學研究的有力工具。

地震海洋學是一門新興的反射地震學和物理海洋學的交叉學科。它利用傳統的反射地震學的數據和方法研究物理海洋學的現象和問題。這門學科探索性的工作最早出現在20世紀60年代，甚至更早；但是，其后發展一直較為緩慢。直到2003年，Holbrook等里程碑式的文章發表之后，這門學科才開始快速發展，日趨完善。時至今日，地震海洋學已經成熟為一門獨立的學科，它不僅可以直接根據地震剖面上的反射特征識別海洋學現象，討論它們的空間形態和尺度；還可以使用傳統的反射地震學反演方法將反射地震數據轉換為物理海洋學參數，然后進行進一步的研究。另外，在與等密線平行或重合的假設條件之下，反射同相軸還可以用來計算海洋的內波譜、耗散率和地轉剪切等海洋學參數，進而討論海洋內部能量傳遞過程及耗散機制。在這類工作中，第一步，也是最關鍵的一步需要將反射同相軸拾取出來，然后才能進行后續的計算。在長度為幾十公里的地震剖面上可能存在數百條反射同相軸，累計長度一般超過幾百公里；單純靠人工拾取，工作量是不可想象的。因此，同相軸拾取的自動算法必不可少。

傳統的反射地震勘探中，拾取同相軸是地震資料解釋工作的基礎。長期的工作經驗也積累了多種同相軸自動拾取的算法，例如神經網絡方法、鏈匹配算法、基于四階累積量的同相軸自動拾取方法以及能量比與互相關法等。但是，這些算法都是針對來自于固體彈性介質的反射地震數據的特征設計的；而地震海洋學研究使用的反射地震數據來自于海水層，有其自身的特點，上述這些方法并不完全適用。液體介質不能傳播剪切波；因此，地震海洋學數據的地震波類型單一，只有P波，波形也較為穩定。海水內部不存在突變的結構面；因此，反射同相軸都是逐漸出現和消失。海水內部波阻抗整體變化不大，反射強度一般較弱；因此，反射同相軸中間可能存在間斷。另外，海水的流動性也決定了海水層反射同相軸整體較為平緩，傾角較小。本文根據海水層反射數據的上述特點，提出了一套簡單有效的反射同相軸自動拾取算法。實際的應用效果表明，本方法對海水層反射同相軸的識別成功率非常高，結果也具有很好的橫向連續性，是地震海洋學內波譜分析、耗散率和地轉剪切的計算以及其他相關工作的有力工具。

方法

拾取算法的整體思路如下：首先在地震剖面上識別出一條反射同相軸的起點；然后進行橫向追蹤，直至其尾端；最后根據其長度判定這條同相軸是否有效。實際操作中，對于一個給定的反射地震數據體，逐道進行處理；首先追蹤已經找到并存儲的同相軸，然后尋找新的同相軸加入記錄，流程如圖1a所示。

圖1　（a）拾取算法的整體流程 （b）追蹤同相軸的流程

假設在處理當前的地震道之前已經找到并存儲了N條同相軸；處理該道數據的時候首先對這N條同相軸進行追蹤，流程如圖1b所示。對于一條已經存在的同相軸，在以它上一道的時間點為中心的給定寬度的時間窗內搜索有效反射，示意圖如圖2所示。如果搜索到有效反射，則將其加入記錄之中；如果搜索不到，則增加該條同相軸當前缺失的地震道數。考慮到海水內部的反射較弱，且存在隨機噪聲，允許同相軸有幾道（大約幾十米）的反射空缺。如果連續幾道都沒能搜索到有效信號，那么認為同相軸已經到了尾端；之后，根據其長度進行取舍。

圖2　追蹤同相軸操作的示意圖

圖3　（a）某段來自于海水層的反射地震剖面（b）（a）數據傾角濾波后的結果

圖4　圖3 b中黑色方框內地震數據的反射同相軸自動拾取效果圖

紅色粗線為已存儲的同相軸；虛線框為搜索的時間框；框內藍色的實線和虛線為移動匹配的震源子波追蹤完所有的現有同相軸之后，再遍歷當前的地震道，尋找新的同相軸加入記錄。無論是追蹤現有的同相軸，還是尋找新的同相軸，都需要判斷給定的一段數據是否為有效反射。這里定義有效反射滿足兩個條件：第一，數據的形態與震源子波吻合。這個條件使用數據與震源子波的互相關來判斷。震源子波可以通過兩種方式給出：第一種為從本道數據中選擇振幅最大的一段完整子波；第二種為給定主頻構建Ricker子波。實際應用中發現，這兩種方法拾取的結果差別不大。第二，數據要滿足能量的要求。用戶根據需要給定一個百分比。數據的波峰振幅與本道數據最大振幅之比大于給定的百分比才認為其有效。

上面的描述顯示，以下幾個重要的參數控制著這個算法的使用效果：判斷是否為有效反射的階段，需要給定Ricker子波的主頻和容許的能量百分比；追蹤同相軸的階段，需要給定搜索時間窗的寬度、容許的最大缺失道數以及有效同相軸的最短長度。實際應用中發現，Ricker子波的主頻一般在30Hz左右即可；由于海水層的反射同相軸較為平緩，搜索時間窗的寬度一般選擇12ms，對應于大約9m；容許的最大缺失道數通常選擇3道，也可以根據反射數據的連續性進行調整。能量百分比和有效同相軸的最短長度則需要根據具體情況靈活選擇。

實際數據的應用效果

圖3a給出了一段具有海水層反射典型特征的地震剖面。剖面顯示，反射信號的強度較弱；某些區域連續性較差，存在同相軸間斷；整個剖面的數據都包含隨機噪聲。直接使用這樣的數據進行同相軸拾取，效果會受到影響。考慮到海水層反射同相軸都較為平緩，在拾取之前對數據進行了傾角濾波處理。處理之后，原本肉眼可以識別但機器難以拾取的同相軸就變得清晰起來，拾取也就變得非常容易。處理之后的地震剖面如圖3b所示。

使用以下參數對處理后的地震數據進行了拾取：Ricker子波的主頻為32.5Hz；容許的能量百分比為20%；搜索時間窗的寬度為12ms（～9m）；最大缺失道數為3道（～20m）；有效同相軸的最短長度為2km。圖3中黑色方框內數據的拾取結果如圖4所示。從中可以看出，拾取的同相軸光滑連續，與實際的層位一致。拾取的準確率高，不存在竄行現象；拾取的成功率高，少有漏拾的情況；可以為地震海洋學相關的計算提供基礎數據。

總結

地震海洋學研究使用海水層的反射地震數據。拾取反射同相軸是其中一項重要的基礎工作。海水層反射的強度一般較弱，易受隨機噪聲影響，同相軸的連續性較差；海水內部不存在突變的結構面，反射同相軸通常較為平緩。本文針對地震海洋學數據的這些特征提出了一套反射同相軸自動拾取算法。該算法以數據段和震源子波的互相關以及數據段波峰的振幅能量作為判斷其是否為有效反射的標準；基于橫向追蹤完成整條同相軸的拾取。拾取之前，首先對地震數據做傾角濾波處理，以提高數據的信噪比，增強同相軸的橫向連續性。實際的應用效果表明，本方法的成功率和準確率都很高，是地震海洋學研究的有力工具。

致謝：地震數據處理中用到了Seismic Unix （CWP / SU；Cohen and Stockwell， 2008）工具包，畫圖中用到了Generic Mapping Tools （GMT； Wessel and Smith， 1998）工具包，在此一并表示感謝。

黃興輝

中國地震臺網中心

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.006