層析成像法靜校正在老撾華潘桑怒地區應用實例

劉 璐，崔占鋒

（河南省煤炭地質勘察研究總院，河南鄭州450052）

桑怒地區位于老撾北東部，區內構造復雜、地勢陡峭，切割深，植被茂盛，海撥一般在1000~1400m左右，地形起伏較大，最大高差超過300m，山巒起伏，溝壑縱橫，風化層的厚度變化也比較大，表層橫向波速變化較為劇烈，這些均影響地震資料的品質，也影響數據處理的效果，因此本區靜校正問題尤為突出。假如這個問題得不到很好的解決，將會影響后續地震資料的處理效果，降低地震剖面的垂向分辨率、信噪比以及解釋精度。要做好靜校正就要了解不同的靜校正方法，通過分析不同方法的原理、優缺點、適應能力，才能針對本區找到最適合的處理辦法。

1 常見的靜校正方法

目前地震勘探行業中所使用的靜校正方法主要有三種，分別是野外基準面靜校正、初至折射波靜校正以及層析成像法靜校正。

野外靜校正：又把它稱作基準面靜校正，該方法能將地震勘探布設的炮點和檢波點校準到基準面上，來消除地表高程和低速層對地震波走時的影響。這種方法需要測出炮點和檢波點的高程以及通過小折射或微測井來獲得低速帶的厚度和速度，通過這些數據來建立近淺層地表速度模型，然后通過相關算法計算得出靜校正量。但這個地區地表條件較為復雜，需要通過加密小折射或微測井來獲得較為精確的低速帶空間分布，一來在這樣地形較為復雜的區域施工較為困難，二是施工成本將會提高不少,很顯然這個地區不能采用該種方法。

初至折射波靜校正：這種方法需要拾取地震記錄上的折射波初至，這種波是來自風化層下高速層頂板的折射，然后對延遲時間進行計算來獲得低速層的速度和厚度，通過高斯—賽德爾（Gauss-Seidel）迭代法來獲得近地表風化層的速度模型，從而計算出所需的靜校正量，但這種靜校正會隨著地層傾角增加或者橫向速度變化而產生較大的計算誤差。本區地表起伏較大，使得風化層的厚度和地震波的傳播速度變化也隨之變大，本區地震資料顯示折射波不發育，無法找到直達波和折射波的拐點，得不到折射波初至時間，這種方法也不可用。

層析成像法靜校正：這種方法首先需要對地層進行網格化處理，利用拾取的地震波初至和最小走時射線路徑的全局算法，構建網絡中的最小走時樹[1]，根據初至波走時來反演出表層速度模型。波速模型的橫向或縱向速度劇烈變化不會影響算法的實現，該方法適用于各種復雜地區，并且在近地表速度連續變化且表層調查方法難以控制的地區也能獲得不錯的效果。但該方法較為依賴初至拾取的精度，參數設置也較為靈活，需要一定的經驗才能把控好。

綜合上述三種處理方法的特點，本區屬于表淺層地震地質條件復雜地區，低速層厚度不穩定，橫向波速變化較大，最終選擇了層析成像靜校正法。

2 層析成像法靜校正基本流程和基本原理

層析成像法靜校正能夠利用地震波的走時和路徑反演出地下介質的速度模型，這種反演方法有精度高、適應性強等特點，能夠適應介質的橫向波度變化和速度倒轉等情況，使得這種方法在任意地表模型的情況下都能獲得不錯的效果。

層析靜校正首先需要通過拾取炮點和檢波點的初至時間來計算出地震波由炮點出發到檢波點接收的旅行時間，然后刪除拾取的零時檢波點和互換差較大的炮點來獲得更為精確的地震波旅行時間。將初至時間按照炮檢偏移距排列形成接收點集合，并根據顯示拐點將其分層（圖1），根據這個分層集合建立初始速度模型，這是層析反演迭代的初始模型。

圖1 炮檢距排列接收點集合分層示意圖

根據炮檢旅行時間結合初始速度模型用射線追蹤反演算法反演出新的地下介質速度模型，這是一個多次迭代的過程，通過多次迭代將誤差逐漸收斂，最終得到可靠的速度模型（圖2）。如果初至時間拾取不準確，將會直接影響迭代的收斂性從而影響速度模型的準確性。

圖2 可靠的速度模型

2.1 關鍵技術——成像網格化

層析反演的一個關鍵技術就是成像網格化，把地震波由炮點出發再到檢波點接收這個過程當成一條射線，在對這些射線進行網格化處理，大炮檢距觀測系統一般選擇長方形網格較好，通過網格的射線最終反演成介質速度，每個網格的速度是一個常數，最終由這些網格速度形成近地表速度模型。小網格可以很好地解決短波長突出的靜校正問題，但小網格內沒有足夠的射線通過會導致反演結果不收斂，最終得到的速度模型不可靠；大網格中有足夠的射線通過，反演結果能夠很好很快的收斂，誤差較小，但速度模型分辨率較為低（圖3），能夠很好解決影響大的構造形態的長波靜校正問題，適合區內較為平坦、近地表速度變化不大的地區使用，但是對局部構造復雜的地區卻無能為力。

圖3 大網格下分辨率較低的速度模型

2.2 射線追蹤反演算法

1987年Um和Thurber提出了最大速度梯度射線追蹤三維算法，這種算法以計算效率高著稱，它進行內插計算，巖性邊界可以是不連續的水平層面，這樣就使得算法的可行性和可操作性在實際勘探中有所增強。

這種算法根據地震學中的費馬原理（Fermat's principle），即地震波沿射線傳播的旅行時和沿其他路徑傳播的旅行時相比為最小，亦是波沿旅行時最小的路徑傳播。以費馬原理為原則進行炮點到檢波點的射線追蹤，得到一條射線路徑，接著對追蹤射線進行分割，通過這個過程計算了射線路徑的長度，得到了該射線在網格中的橫縱深方向上的坐標。層析過程中，射線長度和坐標信息為網格中的速度更新提供依據。把每個網格中射線的旅行時間求和可以得出整個射線路徑的旅行時間，用以下方程表示：

式中：tm——地震波走時；

Vijk——第ijk網格中的速度；

Dijk——第ijk網格射線路徑長度。

層析完之后就是反演，它是一個反復迭代的過程，給定一個初始速度模型V，通過以上算法獲得射線旅行時間tm，根據射線追蹤的算法可以得到射線路徑矩陣A，再利用拾取初至時觀測得到的旅行時間與ΔT的差值ΔT來不斷修正每個網格的速度：

式中：ΔV——初始速度模型V的修正量。

通過迭代不斷減小誤差最終得到較為可靠的速度模型。

2.3 計算靜校正量

有了較為可靠的速度模型，計算靜校正就相對簡單了，首先選擇一個等速界面為低速層底界面（圖2中黑線所示），然后用等速界面的速度去替換界面以上低速層的速度，從而求出因低速層存在而產生的延遲時間，根據這個延遲時間和炮檢點高程數據在速度—深度模型上就可以計算出觀測點的總校正量。

3 層析靜校正應用效果

本勘探區位于老撾北部山區，地形起伏較大，根據原始單炮記錄看，煤層同相軸較為明顯，但因地形影響同相軸有所扭曲，這將會直接影響剖面的疊加效果，從而難以獲得地下煤層的真實形態反映。

本次靜校正處理首先進行了初至時間編輯，去除了拾取時間為0的道，并用互換法刪除互換差較大的炮點從而保證了炮檢旅行時間的可靠性。嘗試了在不同網格大小下反演速度模型，最終選擇橫向5×縱向2.5的網格大小，迭代次數為15次，既保證了迭代誤差曲線的收斂性又保證了速度模型的分辨率。計算靜校正時為保證校正量值適中，采用海拔高程1300m作為處理基準面，此替換速度2500m/s。

圖4 為地震原始單炮記錄靜校正處理前后的效果對比，地震波初至和目的層同相軸變得較為光滑，有效地消除了因地表崎嶇不平及淺部低速帶橫向變化帶來的影響。

圖4 靜校正前后單炮記錄對比圖

圖5 為靜校正前后疊加剖面效果對比。剖面的反射波同相軸明顯得到加強，煤層反射波連續性增強，提高了地震剖面的垂向分辨率和信噪比，為下一步精細處理和解釋提供了可靠的依據。

圖5 靜校正前后疊加剖面對比圖

4 結論

該地區地表高程起伏，淺層巖性變化較大，第四系很薄，區內有新近系、三疊系初露區域，導致地表低速帶分布不均勻，橫向速度變化較大。地震原始記錄顯示本區折射波不發育，分析幾種靜校正的適用特點最終采用了層析靜校正。該方法適用性較強，在本區取得了較為理想的效果。通過層析成像法靜校正在本區的應用，了解到影響其效果的幾個因素：①準確的初至拾取是層析反演迭代誤差收斂的關鍵。②選擇合適的網格大小，找到速度模型可靠性與分辨最小地質體的平衡點，一般橫向取道距的1/2，縱向取道距的1/4。③把射線密度的底界面覆蓋到速度模型上，如果替換速度的層位均在此界面上，則計算的靜校正量較為可靠。④選擇測區內最高海拔高程點作為基準面高度，防止炮檢點校正到高于零值的位置而丟失。