滤波技术在煤田断层精细检测中的应用

张少青，戴方尧

（中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏徐州 221116）

滤波技术在煤田断层精细检测中的应用

张少青，戴方尧

（中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏徐州 221116）

中值滤波技术可以有效地去除随机噪声，增强水平同相轴的连续性，但其未考虑地层倾角的变化。断层/边缘增强滤波技术考虑到地层倾角的变化因素，能够突出细微差别，改善低信噪比资料，显著提高地震剖面质量。实践证明，断层/边缘增强滤波技术能更加突出地层接触关系，可以有效提高小断层的解释精度，提高煤田三维地震勘探资料解释的精度和准确性。

中值滤波；断层/边缘增强滤波；地层倾角；信噪比

0 前言

地震资料存在各种随机噪音，对构造解释造成困难。使用中值滤波技术可以去除随机噪声，提高信噪比，增加地震资料的品质。但是，由于中值滤波技术未考虑地层倾角的变化，不能突出每个采样点（尤其是断层附近的采样点）附近同相轴倾角和方位角所发生的微小变化，所以也达不到断层精细检测的要求。

断层/边缘增强滤波技术，将中值滤波与倾角滤波相结合，充分考虑到地层倾角的变化因素，并且利用数学和逻辑关系运算，突出异常区域的细微差别，从而最大限度地挖掘地震资料中有效信息，达到断层精细检测的目的。

1 断层增强滤波技术

由于断层对地震波的吸收衰减作用，使得断层附近地震资料品质较低，断层的形状和大小都会受到影响。为了得到高精度的断层分析效果，同时保证没有断层区域的平滑性，可以将倾角中值滤波和倾角扩散滤波联合使用，以提高断层的分辨力，这就是断层增强滤波的思想。

1.1 倾角中值滤波技术

倾角中值滤波技术将中值滤波和倾角滤波结合，其效果是一个边缘保持控制滤波器，通过沿倾角方向的滤波，可以删除随机噪声，加强反射波同相轴的横向连续性。

倾角中值滤波的处理流程步骤是：

（1）定义搜索半径。

（2）从开始位置提取首个振幅。

（3）沿着倾角和方位角指向下一道。

（4）在该点提取振幅。

（5）在搜索半径内对所有道的振幅，重复步骤（3）、步骤（4）。

（6）把所有拾取振幅按值的大小排序，并用位于中间的振幅值替换起始位置的振幅。

（7）对体内所有样本重复操作步骤（2）～步骤（6）。

中值应该定义成一系列中心点位置相关的值因此，如果从最小到最大列出N个振幅，就可以取（N＋1）/2处的位置值作为中值，这里的N是一个奇数。

图1（见下页）是步长为4的倾角中值滤波，定义（圆）域是一个曲面（也称倾角控制体圆盘），曲面半径与地层倾角有关。

中值滤波响应为：…、0、0、1、0、0、1、1、3、0、11、…。

图1 倾角中值滤波Fig.1 Dip median filtering

步长为4的倾角中值滤波响应为：…、0、0、0、0、0、1、1、1、1、1、1、…。

对比两种滤波结果可以看出，倾角中值滤波的优势：

（1）短于半个滤波的相位被清除（左侧1和右侧0）。

（2）噪音也被清除（振幅3）。

（3）边界被保留。

倾角中值滤波后的地震数据体中，连续相位被加强，并且随机分布的嗓音被压制，提高了倾斜地层自动追踪的可执行性，有利于提高地震资料的横向分辨率。

1.2 倾角扩散滤波技术

倾角扩散滤波（Dip－steered diffusion filter），又称作各向异性扩散滤波。这里的“各向异性”是沿用了图像处理中的称谓，其含义是在数据或图像处理中，由于噪声、干扰等引起的图像局部性质的差异。

在地球物理中，由于各向异性所引起的地震响应，同样也可以反映为数据或图像的局部特征。各向异性加强扩散滤波可将各向异性特征扩散消除，使相干特征加强。这对于构造解释和层序体内部结构的成像，都具有积极意义。

目前，应用最广泛的扩散滤波理论是Perona和Malik所提出的非线性各向异性扩散方程

在零交叉点（即u）处，当u＞k2时，梯度得到增强；当u＜k2，由于扩散系数较大，梯度得到削弱。因此，经过多次迭代之后，原始地震数据只有明显的阶跃边缘，并且大面积的区域信息被保留，从而更加突出断层处信息。

在应用倾角扩散滤波后，断层上下盘两侧附近的振幅（以及其它信息），会朝着断层方向偏移。断层附近即断层面的两侧地震数据，将被高质量的数据所取代，从而使得断层变得更清晰，进而达到突出断层的目的。

1.3 断层增强滤波技术

倾角中值滤波在没有断层的区域平滑性较好但是不能创建像倾角扩散滤波那样分辨率高的断层显示。倾角扩散滤波可以评估在倾角控制体圆盘内地震数据的质量，但是将会产生不必要的环状现象的显示。

断层增强滤波（Fault enhancement filter）的思想是根据倾角控制体内地震数据质量的不同而选取不同的滤波方法。如果质量高（相似性就高），则可采用倾角中值滤波；如果质量低（靠近断层），则采用倾角扩散滤波，从而达到对断层高分辨的识别力。

断层增强滤波沿倾角方向进行中值和扩散滤波，锐化边缘（断层）。在得到断层增强滤波体的基础上，通过计算相似性属性（或其它属性），可以得到更高质量的断层形态。

2 边缘增强滤波技术

作者使用边缘增强滤波技术估计振幅值方差然后输出方差最小的平均振幅，如图2所示。

图2 边缘增强滤波Fig.2 Edge enhancement filtering

边缘增强滤波对比四个方向相似性的差异正常区域评价点并没有异常值，但当穿过断层时就会在垂直断层方向（A－A’）表现出最大的差异。哪一点所在方向上具有最低的相似性，就输出该方向的值（A－A’），并将其作为边缘增强滤波属性输出，其结果会使断层轮廓更加清晰。从边缘增强滤波后的数据体中提取相似性参数，利用该参数可以更好地刻画断层分布。

3 应用实例

淮南张集煤矿西三采区是全隐蔽含煤区，主采煤层为13－1煤层、11－2煤层、8煤层。其中，13－1煤层的构造形态为一走向近东西，倾向南西的单斜，地层倾角9°～14°，褶曲发育不明显，整套地层较为平。区内断裂构造以近东西走向的中、小正断层为主，同时伴生少部份近东西走向的小正断层，规律性较强。

对该采区三维地震数据体应用断层增强滤波技术和边缘增强滤波技术，可以获得更加精确的断层分布图。在图3中，作者将原始地震数据的沿层切片（图3（a）），与经过断层增强滤波的沿层切片（图3（b））进行比较；将基于原始地震数据的相似性（图3（c）），基于断层增强滤波技术的相似性（图3（d）），基于边缘增强滤波技术的相似性（图3（e）三者进行了比较。

（1）通过图3（a）与图3（b）的对比不难看出，断层增强滤波通过沿倾角方向的滤波，达到了锐化边缘，删除随机噪声，加强地震同相轴横向连续性的作用。

（2）在图3（c）中，由于断层对地震波的吸收衰减作用，使得断层附近的地震资料不好，显示出来的断层的形状和大小都会受到影响。

（3）在图3（d）中，连续相位被加强并且随机分布的嗓音被压制，滤波增加了地震数据的输出的可解释性，提高了水平层自动追踪的可执行性，更好地突出断层的形态。

（4）图3（e）可以围绕每一个评价点，计算四个方向的相似性属性，得到数学逻辑样本，然后在不同的方向寻找评价点与其旁边点的响应之间的最大差，该最大差方向即为垂直断层的方向。

图3 沿层切片对比Fig.3 Comparison of layer slices

4 结论

很多煤田地震数据的信噪比和清晰度，都不能满足断层精细检测的要求，因此通过选择断层增强滤波技术和边缘加强滤波技术，可以达到以下目标：

（1）抑制随机噪声，提高地震数据信噪比。

（2）增强反射波同相轴连续性，提高资料的横向分辨率。

（3）考虑到地层倾角的影响，是真正意义上的三维滤波。

（4）强化细微地震特征，突出小断层的大小和形态，得到理想的目标地质体。

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book=76,ebook=76

1001—1749（2012）03—0249—04

P 631.4＋43

A

10.3969/j.issn.1001－1749.2012.03.02

张少青（1988－），女，江苏宿迁人，硕士主要从事煤田地震勘探理论与方法研究。

国家自然基金项目（40874054）；中央高校基本科研业务专项资金项目（2010ZDP01A07）

2011－07－27改回日期：2012－02－25