雄安新區及周邊深反射地震高精度成像技術

岳航羽 王 凱 張 杰劉建勛 王小江 張保衛③

(①中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，河北廊坊 065000；②國家現代地質勘查工程技術研究中心，河北廊坊 065000；③中國地質調查局地球物理調查中心，河北廊坊 065000；④中國地質大學(北京)地球物理與信息技術學院，北京 100083；⑤吉林大學地球探測科學與技術學院，吉林長春 130000)

0 引言

深反射地震是地球物理學的重要研究方向，具有成像精度高、探測信息可靠等優點，是研究大尺度地球構造的先鋒技術，也是獲得精細地殼結構最先進的方法，現今正被越來越多地應用于大陸地殼精細結構探測[1-4]。一些歐美國家早在20世紀70～80年代就已成功運用深反射地震技術對地球內部的精細結構進行探測和研究，并獲得了極具意義的觀測結果，為大地構造的研究提供了精確的地殼圈層乃至上地幔的地震波反射特征，為人們研究巖石圈內部結構、核幔邊界，乃至地球的整體構造提供了全新認識[5-12]。2008年開始實施的“中國深部探測技術與實驗研究”專項(SinoProbe)，標志著中國正式、全面開始大面積地在國內進行深反射地震探測研究，將中國的深反射地震剖面探測推向一個新高度，極大地推動了國內巖石圈形成、演化領域的研究，更為礦產資源勘查、地球深部動力學、深淺構造關系、地震災害預測等提供了重要證據[13-17]。

陳志德等[18]提出并實現了深反射地震資料χ2分布處理技術，從反射結構與能量的角度突出深部構造；李文輝等[19]提出一種快速識別深地震反射剖面構造格架的方法；朱小三等[20-21]綜述了當前深反射地震資料的噪聲衰減方法并介紹了深反射地震資料疊前偏移方法；李洪強等[22]針對大、中炮數據聯合處理中的靜校正、資料凈化、速度求取、AVO加權疊加等技術進行了闡述；鄧攻等[23]將S變換譜分解技術應用于深地震疊加剖面，顯著提高了深部弱反射信號的信噪比和分辨率；戴曉峰等[24]分析并確定了疊前與疊后聯合、組合壓制多次波的思路，有效壓制川中超深層低角度席狀多次波強反射能量；徐泰然等[25]結合實例展望了深反射地震數據處理的未來發展方向。

雄安新區的設立(2017年4月1日)是千年大計、國家戰略。根據雄安新區總體規劃與建設的需求，中國地質調查局決定在該區構建世界一流水平的“透明雄安”基礎平臺(詳查地下0～10000m)。基于在雄安新區及周邊采集的三條滿覆蓋(共270km)深反射地震數據，本文開展了系統性的深反射地震高精度成像技術研究。根據該區深反射地震資料特點及難點，制訂了一套能有效提高資料分辨率和信噪比的深反射地震高精度成像方法技術組合，細致對比各環節成像效果，以最大程度地恢復該區深部弱信號地質信息，為詳查該區域基底形態、斷裂構造、隱伏巖體、莫霍面起伏特征及巖石圈殼幔結構等服務，并為雄安新區的規劃、建設提供基礎地質資料。

1 研究區概況

研究區位于雄安新區及周邊河北省保定市、廊坊市和滄州市的毗鄰部分，區域上可劃分為太行山隆起、冀中坳陷、滄縣隆起、黃驊坳陷等四個二級構造單元，區域構造走向整體呈北東向。在圖1所示的研究區布設了主測線Line2018、Line2019及聯絡測線Line2020三條深反射地震測線，長度依次為滿覆蓋130km、100km及40km。其中Line2018、Line2019兩條測線近平行分布，均呈北西—南東方向，自西北向東南依次橫穿雄安新區中部及南部區域；Line2020測線呈北東—南西方向，縱貫雄安新區西部地區，并跨越Line2018和Line2019兩測線。此外，D12為Line2018測線中部容城縣內的一口淺層地熱井。

圖1 雄安新區及周邊深反射地震測線位置圖

從地質構造單元看，Line2018測線自西北向東南依次穿過太行山隆起、徐水凹陷、容西斜坡、容城凸起、牛北斜坡、牛駝鎮凸起、霸縣凹陷、文安斜坡及大城凸起等九個構造單元；Line2019測線自西北向東南依次跨越太行山隆起、保定凹陷、高陽低凸起、饒陽凹陷、文安斜坡及大城凸起等六個構造單元；Line2020測線自北向南依次串聯容城凸起、容西斜坡、保定凹陷及高陽低凸起等四個構造單元。

針對該區深部地質結構，通過對比試驗，最終確定采用“兩高一寬一長”(高密度、高覆蓋次數、寬頻帶、長排列)方式采集深反射地震數據。主要采集因素包括：中間放炮兩邊接收，道間距20m，排列長度1440道，炮間距120m，最大覆蓋次數120次，采樣率2ms，記錄長度30s。為了提高深反射地震的有效頻帶和能量，在平坦區采用單井激發，井深32～40m，藥量16～20kg；山地硬巖區采用雙井組合激發，單井井深20～24m，藥量20～24kg。

2 深反射地震數據質量分析

由于研究區內深反射地震測線較長，地表激發條件差異大、干擾因素眾多，在研討深反射地震高精度成像關鍵技術前，應對現場采集到的深反射地震數據質量進行分析，依次從靜校正量、能量、干擾波及有效頻率四個方面細致分析，為深反射地震高精度成像流程的制定奠定基礎。

2.1 能量分析

在該區深反射地震勘探數據采集中，由于地表激發條件的差異、球面擴散、地層吸收衰減和透射損失等因素影響，縱向上深反射地震波能量隨時間衰減，使得該區深反射地震淺、中、深層能量的差異大，深層反射能量弱；橫向上因區內各井炮之間的能量也存在差異，激發與接收點處近地表條件的一致性差，造成地震資料在炮集之間、共檢波點道集之間振幅能量差異較大，這種能量差異對該區深反射地震疊加效果有很大影響。

圖2為該區深反射地震不同位置的單炮記錄，對比發現不同位置的單炮記錄及同一炮不同道的能量差異明顯：山區地帶激發的單炮記錄(圖2a)，僅在激發點附近有較強能量；山前過渡帶的單炮記錄(圖2b)不同道之間能量差異較大，隨著目的層的不斷加深，能量下傳越來越弱，接收到的深反射地震有效信號也越來越差；在平原區激發的單炮記錄(圖2c)，因莫霍面埋深較大，在單炮記錄上很難識別，存在“深部目的層信號弱”的問題。

2.2 干擾波分析

該區地處中國華北腹地，區內人口稠密、交通流量大，受地表激發、接收條件及區內機械、高壓電網、公路、機動車輛等因素影響，深反射地震原始單炮記錄上有較強干擾波，嚴重影響資料品質。從圖2易見深反射地震單炮記錄上廣泛分布能量較強的面波及聲波干擾、線性噪聲、外源機械振動、50Hz工業電、高低頻隨機干擾及脈沖野值等。

圖2 雄安新區及周邊深反射地震不同位置的單炮記錄

這些噪聲干擾主要特征包括：面波干擾在全區范圍內均有分布，呈“掃把狀”，能量強，視速度為300～1400m/s，頻率分布在15Hz以下；聲波干擾在全區較發育，視速度約為340m/s；線性噪聲在全區范圍內普遍發育，能量強，特別是在山地線性噪聲嚴重影響單炮記錄的信噪比；外源機械振動主要是由區內主干道路上的車輛、產油區抽油機等產生，在全區較為發育；因處于工業、農業較發達的華北平原，遍布50Hz工業電網，在單炮記錄上干擾范圍集中在某幾道至某幾十道，且頻率恒定，能量在中深層較強；高低頻隨機噪聲在全區較嚴重，隨機分布于深反射單炮記錄。此外，在深反射地震單炮記錄上還可見脈沖野值等。

2.3 有效頻率分析

有效頻率分析是該區深反射地震資料高精度成像的關鍵環節，若未厘清深反射地震原始數據中干擾波及有效波的頻率分布情況，就很難擬定適用方法和處理流程。抽取該區各測線上不同激發巖性的原始記錄進行頻譜分析，結果如圖3所示。從整體上看，由于強噪聲的掩蓋，全區單炮記錄上有效波主頻集中在9～13Hz，50Hz工業電干擾在全區廣泛分布。西部山區礫石出露，受激發因素影響，單炮記錄(圖3a)主頻稍低；平原區地表被第四系黃土覆蓋，單炮記錄(圖3c)主頻略高。因此，做好不同位置的炮、道頻率一致性處理是深反射地震高精度成像處理的重要環節之一，也是確保該區深反射地震疊加質量并提高其分辨率的關鍵步驟。

圖3 雄安新區及周邊深反射地震不同位置單炮記錄的頻譜特征

2.4 靜校正分析

該區深反射地震測線跨越不同的地形、地貌，自西向東依次穿越山地、山前過渡帶、平原區。圖4為測線上不同位置的深反射地震單炮記錄局部放大圖。平原區基本以第四系沉積為主，海拔高程變化不大，一般不足10m；Line2018和Line2019測線自東南向西北進入太行山區后，海拔高程逐漸增大，從20m升至170m，地形切割較嚴重，相對高差可達150m，再加上低降速帶的速度和厚度變化不均，使該區深反射地震單炮上靜校正問題普遍存在，如在山區(圖4a)和山前過渡帶(圖4b)，深反射地震單炮記錄上初至畸變，靜校正問題較突出。

圖4 測線上不同位置的深反射地震單炮記錄局部放大

3 深反射地震高精度成像流程制定

雄安新區及周邊深反射地震高精度成像的主要問題包括西部山區及山前過渡帶靜校正、低信噪比資料成像、淺深層兼顧、深層弱信號增強、頻率差異、線性干擾、高能面波壓制及偏移速度場建立等。需建立一套針對該區的深反射地震高精度成像流程，逐步剔除深反射地震干擾波、增強有效反射信號，真實還原該區地下介質結構。

圖5為該區深反射地震高精度成像流程，擬從靜校正、疊前噪聲壓制、真振幅恢復、反褶積、高精度速度分析、剩余靜校正、深層弱信號增強、偏移成像等幾個方面，逐步提高信噪比和分辨率，并分別應用了以下針對性技術。

圖5 雄安新區及周邊深反射地震高精度成像流程

采用高程靜校正與層析靜校正相結合，消除地形起伏及低降速帶的影響；利用自適應面波衰減、分頻去噪、T-X域濾波、F-K域噪聲衰減等方法做好多域、多步疊前噪聲衰減；從球面擴散補償和地表一致性振幅補償兩方面恢復深反射地震數據的能量；利用地表一致性反褶積、預測反褶積等方法，做好深反射地震子波一致性處理和提高深反射地震分

辨率；基于高精度速度分析，采用速度掃描與交互速度分析相結合，加密速度控制點，建立準確的深反射地震速度模型；求取剩余靜校正量，消除資料中殘存的中、短波長靜校正量；深層弱信號增強是為了進一步突顯深部地質信息，特別是莫霍面的特征；利用有限差分偏移方法使地下繞射波、斷面波收斂，促使深反射地震波場歸位到其真實位置。

4 深反射地震高精度成像關鍵技術

采用針對性的深反射地震高精度成像關鍵技術，逐步改善該區深反射地震數據質量，從復雜的地震波場里逐步提取出與地層界面、構造特征相關的深反射地震有效信號，為該區深反射地震資料綜合解釋奠定基礎。

4.1 靜校正

深反射地震靜校正是獲取高精度地震波場速度和高質量疊加剖面的關鍵環節。為了解決該區存在的靜校正問題，特別是長波長靜較正問題，根據目前靜校正技術的發展和對研究區內深反射地震數據質量的認識，通過試驗確定采用高程靜校正與層析靜校正相結合的方法，并選用1800m/s的替代速度和100m的高程，分別得到應用靜校正前、后的深反射地震單炮記錄(圖6)和疊加剖面(圖7)的對比數據。可見應用靜校正后的深反射地震單炮記錄及疊加剖面效果明顯，單炮記錄上“扭曲”現象得到顯著改善，初至變得光滑、連續(圖6b)，疊加剖面(圖7b)上綠色箭頭指示的同相軸更連續，信噪比得到一定程度的提高，有效消除了該區地形起伏及低降速帶對深反射地震剖面質量的影響。

圖6 靜校正前(a)、后(b)的深反射地震單炮記錄對比

圖7 靜校正前(a)、后(b)的深反射地震疊加剖面對比

4.2 疊前噪聲壓制

疊前噪聲壓制效果直接制約著該區深反射地震成像剖面的質量。針對研究區內干擾波特點，在疊前道集上選用保真保幅去噪方法，多域多方法聯合應用，逐步消除干擾波影響，最大程度地保留深反射地震有效波。

采用自適應面波衰減方法有效去除該區發育廣泛的面波干擾；通過分頻去噪、T-X域濾波、F-K域噪聲衰減等方法從不同頻率、視速度、函數域等角度逐步衰減聲波干擾、線性噪聲、外源機械振動、脈沖野值等干擾；利用單頻噪聲壓制衰減該區遍布的50Hz工業電；最后，采用隨機噪聲衰減方法去除高低頻各類隨機噪聲。

對比區內典型的疊前噪聲壓制前、后的深反射地震單炮記錄(圖8)和疊加剖面(圖9)，可見經過疊前噪聲壓制，該區深反射地震單炮記錄(圖8b)上的噪聲干擾得到有效壓制，“雙曲線”型的反射波得到顯現，11s處的莫霍面反射特征得到進一步凸顯，深反射地震單炮記錄整體上的信噪比和分辨率都得到大幅度的提高；同時，“淹沒”在噪聲干擾里的同相軸得到顯現(圖9b)，保證了該區深反射地震資料的可靠性。

圖8 深反射地震疊前噪聲衰減前(a)、后(b)的單炮記錄對比

圖9 深反射地震疊前噪聲衰減前(a)、后(b)的疊加剖面對比

4.3 真振幅恢復

采用球面擴散補償和地表一致性振幅補償相結合的方法對研究區深反射地震波進行真振幅恢復，使橫向和淺、中、深層能量變化合理，真實地反映該區深部地下介質的變化。圖10和圖11分別為該區深反射地震不同位置上真振幅恢復前、后的單炮記錄對比及疊加剖面對比。

對比典型的單炮記錄和疊加剖面，可見經真振幅恢復后單炮內橫向和縱向能量都得到有效補償，不同炮集間的能量也基本一致(圖10b、圖11b)；深反射地震疊加剖面上(綠色箭頭所示)淺層強能量受到一定程度的壓制，深層莫霍面(黃色箭頭處)部分有效信息得到顯現，整個深反射地震疊加剖面的能量更加均衡合理。

圖10 深反射地震真振幅恢復前(a)、后(b)的單炮記錄對比

圖11 深反射地震真振幅恢復前(a)、后(b)的疊加剖面對比

4.4 反褶積

反褶積的主要作用是壓縮深反射地震子波，拓寬頻帶，穩定波形，提高分辨率。依次采用地表一致性反褶積、多道預測反褶積等反褶積方法，兼顧該區淺、中、深層，最終參數采用28ms的預測距，400ms的時窗長度。圖12～圖15依次為該區深反射地震數據應用反褶積前、后的單炮地震記錄、疊加剖面、頻譜特征及其自相關的對比。從整體效果上看，深反射地震單炮記錄(圖12b)的波組特征得到明顯改善，疊加剖面(圖13b)的分辨率得到顯著提高；深反射地震的主頻由圖14a中的13Hz有效提升至圖14b中的19Hz，可見有效頻帶得到顯著拓寬，進一步證實提高了深反射地震剖面的分辨率；通過自相關譜，可見反褶積處理后深反射地震子波的主瓣更突出，子波旁瓣被壓制，深反射地震子波的一致性更好(圖15b)。

圖12 深反射地震反褶積前(a)、后(b)的單炮記錄對比

圖13 深反射地震反褶積前(a)、后(b)的疊加剖面對比

圖14 深反射地震反褶積前(a)、后(b)的頻譜對比

圖15 深反射地震反褶積前(a)、后(b)的自相關對比

4.5 高精度速度分析

準確的深反射地震速度場不僅是解決剩余靜校正問題的關鍵，也決定了深反射地震偏移成像精度。因此，通過高質量超道集及其在優勢頻帶范圍內生成速度譜，最大程度地保障深反射地震速度譜的質量。通過減小速度譜時窗長度、增加色帶分級等，提高速度譜的精度；同時，輔助以動校正道集、常速掃描疊加剖面、變速掃描疊加段及動態疊加段等方法，精確識別該區深反射地震速度場，保證速度的拾取精度。圖16、圖17分別為研究區內Line2019測線的深反射地震疊加速度剖面及CDP4269(圖16白色豎線)處深反射地震高精度速度分析的速度譜及質控道集。

圖16 深反射地震Line2019測線疊加速度剖面

圖17 深反射地震高精度速度分析

由于該區深反射地震測線橫向跨度大、縱向時長大，采用速度譜分析時，不僅需要分時段進行速度拾取，檢查動校正拉伸畸變，達到速度分析和切除參數的統一，同時還要監視CDP道集是否拉平、疊加效果的變化。在跨越研究區內不同構造單元時，要橫向加密速度分析控制點，縱向上加密目的層段控制點，并兼顧層間弱相位和速度倒轉的拾取，建立合理的深反射地震速度場，提高深反射地震疊加剖面效果。經過多輪速度迭代，區內Line2019測線深反射地震疊加速度場由淺至深速度逐漸增大，上地殼速度成層較好，中下地殼速度變化較緩；橫向上速度局部變化較明顯，反映其跨越了多個構造單元，構造較復雜。

4.6 剩余靜校正

一方面，不準確的深反射地震速度會造成存在較大的剩余靜校正量，剩余靜校正量的估算會受到很大影響；另一方面，當存在靜校正量時，疊加速度分析也會受到較大影響，嚴重影響最終深反射地震疊加剖面的質量。因此，準確的深反射地震速度需要高精度速度分析與剩余靜校正多次迭代，使靜校正量逐步收斂。

待該區深反射地震速度場確定準確后，計算其剩余靜校正量，再進行速度分析。通過多次迭代得到該區深反射地震剩余靜校正后(圖18b)的疊加剖面。從圖18b中不難發現藍色橢圓形框的不整合反射特征更加明顯，黃色箭頭指示的反射波同相軸更加連續，綠色箭頭處的區域整體信噪比得到顯著提高。

圖18 深反射地震剩余靜校正前(a)、后(b)的疊加剖面對比

4.7 深層弱信號增強

研究區深反射地震深層弱反射信號的提高與保護是本文重點，在做好疊前噪聲壓制、真振幅恢復及反褶積的基礎上，采用基于深層地震波信號隨機噪聲衰減方法，引入圖像處理中的自適應技術、多級中值濾波技術，并與二維中值濾波技術相結合，實現該區深反射地震數據自適應隨機噪聲衰減的目的，達到深層弱信號的保護與去噪的最佳平衡。

圖19為該區深反射地震深層弱信號增強前、后的疊加剖面對比，通過進一步壓制隨機噪聲，深層疊加剖面的信噪比和分辨率都顯著提升，莫霍面的起伏和連續特征更加顯著。圖19b綠色箭頭所示的深反射地震深部信號得到一定程度的增強，藍色箭頭指示的莫霍面同相軸連續性得到明顯改善，黃色箭頭處的深反射剖面振幅得到較好保持，為后續深反射地震資料解釋，特別是對莫霍面特征的刻畫與分析提供了可靠的數據支撐。

圖19 深反射地震深層弱信號增強前(a)、后(b)疊加剖面對比

4.8 偏移成像

由于該區深反射地震測線橫向上穿過的地質構造單元較多，地下地質構造復雜，因此確定合理的偏移速度場、偏移參數和偏移方法是關鍵。結合該區目標層陡傾角構造和效果，在其深反射地震疊加速度場基礎上優化初始偏移速度場，采用有限差分疊后時間偏移方法得到深反射地震偏移剖面(圖20)。

相較于圖20a所示的深反射地震未偏移的疊加剖面，圖20b所示的偏移后的剖面目標層波組接觸關系更清晰，綠色箭頭處的繞射波、斷面波收斂較好，黃色箭頭指示的傾斜地層的波場歸位更準確，剖面整體的深反射地震同向軸更聚焦，斷層更清晰，構造形態更真實可靠。

圖20 深反射地震疊加(a)與偏移(b)剖面的對比

5 成像效果分析

圖21為研究區深反射地震三條測線的最終成像結果，從剖面的整體上不難發現深反射地震高精度成像效果較好。主測線Line2018與Line2019及聯絡測線Line2020深反射地震剖面的波組特征明顯，同向軸連續性較好，層間信息豐富，構造特征清晰，層次分明，易識別，剖面的信噪比和分辨率都較高。此外，該區莫霍面連續性較好，較平緩，無深大斷裂，深部地質結構穩定。莫霍面多處于10～12s范圍，按照地殼平均速度6km/s換算，該地區莫霍面深度范圍在30～36km，與前人推測的華北地區莫霍面深度吻合較好[26-30]，揭示了研究區深反射地震成像效果的有效性。

圖22為上述深反射地震成像剖面在交會點上的匹配圖，通過橫向及縱向分析比較，發現Line2020分別與Line2018及Line2019在交會點上的匹配程度高，交會點兩側各套地層橫向吻合度高、連續性好，莫霍面反射特征真實可靠，進一步說明了該區深反射地震成像效果的準確性。

圖22 深反射地震成像剖面Line2020與Line2018(a)、與Line2019(b)交會點匹配圖

圖23所示為深反射地震Line2018測線附近D12地熱井的淺層井震標定結果，通過測井的聲波時差曲線與密度曲線，得到地層的波阻抗曲線，利用雷克子波與波阻抗曲線進行褶積得到合成地震記錄。將實際地震記錄轉換到深度域并與模擬合成記錄進行比對，所得結果的吻合率極高，驗證了深反射地震成像剖面淺層的可靠性，并為深部結構與構造推測提供真實有效數據支撐。

圖23 深反射地震Line2018測線附近D12地熱井的淺層井震標定

6 結論

針對雄安新區及周邊深反射地震數據深層信號弱、跨構造單元多、干擾因素復雜等問題，開展了深反射地震高精度成像關鍵技術研究，分別從靜校正量、能量、干擾波及有效頻率四個方面做了細致分析，兼顧該區深反射地震淺、中、深層，從靜校正、疊前噪聲壓制、真振幅恢復、反褶積、高精度速度分析、剩余靜校正、深層弱信號增強、偏移成像等方面，逐步提高深反射地震資料的信噪比、分辨率及保真度，從復雜的深反射地震波場逐步提取與深部地層界面、構造特征相關的地質信息。

最終深反射地震高精度成像剖面從淺至深波組特征明顯，構造形態清晰，斷點斷面易識別，深部莫霍面同相軸連續性和可追蹤性較好，有效探測了該區淺中深部地質結構與構造，為該區深部地球動力學研究、深部地熱調查評價提供物探數據支撐，為建設綠色生態宜居新城示范區貢獻地質力量，著力打造萬米“透明雄安”、服務其基礎地質建設。