上海近岸浅海单道地震多次波特征及压制方法研究

刘 伍，司永峰，王治华，王 远，廖文新，曾 来，王正霞（上海市地质调查研究院，上海 200072）



上海近岸浅海单道地震多次波特征及压制方法研究

刘 伍，司永峰，王治华，王 远，廖文新，曾 来，王正霞
（上海市地质调查研究院，上海 200072）

摘 要：为保障上海城市和海岸工程安全，为未来城市规划提供基础资料，近年来在上海近岸海域开展了大量地质调查工作，而单道地震以其分辨率高、探测实施快速方便成为海底地质结构调查的主要手段。上海近岸海域由于具有水浅、硬砂底质分布广等特点，单道地震探测数据中多次波比较发育，严重降低了单道地震的信噪比和分辨率。本文对上海近岸海域常见的多次波特征进行了分析总结，在此基础对预测反褶积法和模型拟合法压制高分辨率单道地震中的多次波的参数选择及有效性进行了研究，实践证明两种方法在合适的参数选择下能显著地压制单道地震中的多次波干扰，可大大提高单道地震探测的数据质量。

关键词：近岸海域；地球物理探测；高分辨率单道地震；多次波压制；预测反褶积法；模型拟合法

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高分辨率单道地震以其施工快速便捷工作效率高、分辨率高等特点，在越来越多的海洋地质调查、海洋地质灾害、海岸工程以及天然气水合物等资源调查中得到广泛运用［1，2］。高分辨单道地震为了能达到高分辨能力，其探测信号通常具有主频高、频带宽、横向采样密集等特点，同时震源及拖缆入水较浅。

上海市近岸海区水深较浅，浅海沉积环境复杂多样，多次波发育，是浅海海区地震勘探的主要干扰之一，工区内不同区域多次波种类和特征存在差异，另外气枪震源与电火花震源对应的多次波特征也存在差异。本文根据相关调研及现有探测资料，在对海洋地震勘探常见的多次波特征研究的基础上，对上海市近岸海域内高分辨率单道地震中的多次波进行针对性分析研究，并提出相应的压制方法和技术。

1 高分辨率单道地震多次波压制研究现状

多次波衰减的方法均是基于多道地震发展而来，大部分方法仅适用于叠前处理，如F-K滤波和拉冬变换都是利用叠前数据多次波和一次波的视速度差异，而预测相减法中逆散射级数法、反馈迭代法和恒定内插法都是通过叠前反演来预测出多次波［3］。而单道地震相当于多道地震经速度分析和动校正之后进行叠加的叠后数据，它没有速度信息。根据这一特点，目前单道地震多次波衰减的主要研究方法是预测反褶积法，同时也有部分研究者提出了利用预测减去法衰减单道地震中多次波的方法［4～6］。两种方法中前者运用的时间比较久，理论及实践均较为成熟，在衰减具有周期性多次波效果较好［7，8］，但同时由于方法本身的运用前提是基于几个基本假设，对于部分复杂条件下，可能存在不满足这些假设条件，导致衰减效果不理想。因此也有学者沿用多道地震多次波衰减的思路，在单道地震中提出预测相减法衰减其中多次波方法［9］，而此类方法目前研究较少，相关的文献及案例较为少见。

2 上海近海海岸单道地震多次波干扰特征

上海市近岸海域水深整体较浅，海底底质差异较大，全区总体上多次波干扰显著［10］，各类多次波均有发育，类型齐全，如图1～图5。部分海域特别是长江口附近砂层致密、厚度大，震源产生的能量大部分经海底与海面多次反射产生强烈的海底多次或鸣震现象，透射进入海底以下地层的能量少，导致探测深度小、信噪比低（图3、图4）。近岸海区内基岩的速度和密度显著大于上部地层，因此其分界面是个强反射面，而气枪震源能量强、穿透深度大，在其探测数据中基岩多次波比较发育（图5）。

电火花震源子波频率高、频带宽，能量较气枪小很多，主要用于探测浅部地层。而近岸区浅部（50m以浅）地层结构复杂多变，部分海域浅层气发育［11］，在某些区域，除了海底多次较为发育而外，海底浅部的部分地层的层间多次更为发育，常常比海底多次波能量更强，并伴随有多个波组连续发育，同时在横向上常出现突变不连续现象（图2）。

图1　海底多次波（电火花震源）Fig.1 The sea-bottom multiple （sparker）

图2　海底多次波、简单多次微屈多次波（电火花震源系统）Fig.2 The sea-bottom multiple， simple multiple and pre-leg multiple（sparker）

图3　海底多次波（气枪震源系统）Fig.3 The sea-bottom multiple （air gun）

图4　海底鸣震（气枪震源系统）Fig.4 The sea-bottom ringing （air gun）

图5　基岩多次及层间多次（气枪震源系统）Fig.5 The bed rock multiple and interbed multiple （air gun）

3 单道地震多次波的压制方法

3.1 预测反褶积法

3.1.1 预测反褶积原理

在地震资料数字处理中所用的预测反褶积使用预测的方法，根据地震记录一次反射和干扰信息预测出纯干扰部分，得到消除干扰后的一次反射信号，以消除一次反射受到的海上鸣震等多次干扰［12］。在预测反滤波问题中，设计一个预测因子c（t），对输入的地震记录x（t）的过去值x（t-m）、x（t-m-1）、……、x（t-1）和现在值x（t）进行预测，所得到的未来的预测值是海上鸣震等多次波的干扰，把它从包括一次反射和干扰的地震记录x（t+a）中减去，所得到的预测误差

就是消除干扰后的一次反射信号。

设地震记录的数字模型为

其中E为数学期望。

根据（2）式可以写出时刻t+a时x（t+a）表达式

为了用t时刻及以前的值x（t）、x（t-1）、x（t-2）等求得未来某个时刻t+a的预测值 ，就必须将（6）表示为与x（t）、x（t-1）、x（t-2）、……等的关系，而不是与ζ（t）、ζ（t-1）、ζ（t-2）、……等的关系。

由平稳时间序列的预测分解定理知，在满足（3）的条件下，地震子波b（t）必然存在一个反子波a（t），使得

将（7）代入（6）得到

令t+s=l，则（8）写为

式中的x（t-l）（l=0，1，2，3，……）为t时刻及以前的值x（t），x（t-1），x（t-2），……等，c（1）为预测因子。（9）式表明未来某个时刻的预测值为t时刻以及以前的值x（t）与预测因子c（1）的褶积。在确定预测因子c（1）时，仍然按照最小平方原理，使未来的预测值

与实际的未来值x（t+a）之间的预测误差

最小，或使预测误差的平方和为最小。

得到

或

令：

分别表示延迟时间为l-s和s-a的地震记录x（t）的自相关函数，则（14）式可以写成一个方程组

把上述方程写成矩阵形式，得到

由输入地震记录x（t）求出自相关函数，解矩阵方程（16），即可求出预测因子c（l），然后用预测因子c（l）与输入地震记录x（t）进行褶积运算，得到未来t+a时的预测值：

这就是海上鸣震多次波干扰。把未来的预测值从实际未来值中减去，得到预测误差 就得到了消除海上鸣震等多次波干扰的地震记录。

预测误差表示为：

上式表明，预测误差就是地震子波c（l）和反射系数x（t）的褶积，即一次反射有效信号，消除了海上鸣震等多次波干扰，用预测步长为m的滤波将地震子波c（l）的长度从原来的n压缩为m-1。

3.1.2 预测反褶积的参数选择

预测反褶积是一种比较常用且效果较好的一种压制多次波的方法，但取得良好的压制效果的前提是选择合适的预测参数。预测反褶积的主要参数包括算子长度和预测步长，两个参数均需根据资料的特征，特别是多次波的特点，通过试验选择最佳值。

（1）预测步长试验

图6为预测步长试验过程记录。图6（a）中反褶积前原始剖面多次波干扰明显，从自相关剖面可以看出，多次波的周期约20ms。图6（b）～图6（f）分别是在算子长度80ms下，步长取值分别为4ms、10ms、20ms、30ms、40ms时反褶积剖面及相应的自相关剖面，对比各图可以看出，当预测步长取值20ms时，多次波明显被压制，有效波层位清晰，信噪比较高。而步长取较小值4ms、10ms时，多次波虽然也明显被压制，但是有效波层位也被不同程度地压制，信噪比较低；而当步长取较大值30ms、40ms时，多次波压制效果减弱，多次波压制效果不理想。

图6　预测步长试验地震剖面及自相关剖面（气枪震源）Fig.6 The seismic profle and the autocorrelation profle of the experiment on the prediction step （air gun）

图7　预测反褶积算子长度试验地震记录剖面及自相关剖面（气枪震源）Fig.7 The seismic profle and the autocorrelation profle of the experiment on the prediction operator length （air gun）

（2）算子长度试验

图7为预测反褶积算子长度试验过程记录，从图7（a）～图7（e）可以看出，算子长度对压制多次波的有效性不敏感，即当算子长度分别取20ms、40ms、80ms、120ms、160ms时多次波均能较好地被压制，但它与反褶积后的噪音水平有直接关系。根据反褶积的算法原理可知，反褶积后的道会出现许多虚假的小振幅脉冲，尾随在每一个实际脉冲之后，给褶积后的数据带来高频噪声，合适的算子长度能够最大程度地减少这种虚假脉冲。图7显示，算子长度太小，在剖面上会不同程度出现许多高频噪音（虚假脉冲），导致数据信噪比降低，数据质量差，如图7（a）、图7（b）；而到算子长度取到80ms时，整个剖面没有明显的高频噪声；而随着算子长度逐步增大到120ms、160ms时褶积剖面上又出现高频噪声，而且数量更多，如图7（d）、图7（e）。通过上述试验，取80ms作为算子长度为宜。

综上所述，预测反褶积能够很好的压制多次波，但需要选择好算子长度和预测步长，其中预测步长的选择敏感且对压制多次波起到了更为重要的作用，算子长度与褶积后的噪音水平直接相关，合理的预测步长应根据相应剖面的自相关剖面上多次波分布状况并通过试验选取，适合的算子长度也应通过试验根据褶积后的信噪比情况加以选择。通过初步试验处理，预测反褶积能够很好地压制气枪震源单道地震资料中的各类多次波（图8），部分测线的电火花震源探测资料的多次波也能很好的压制（图9）。

图8　单道地震多次波压制效果对比图（气枪震源）（红色箭头指向典型多次波）Fig.8 The contrast diagram of the multiples suppression （air gun）（the typical multiple indicated by the red arrow）

图9　多次波压制效果对比图（电火花震）（红色箭头指向典型多次波）Fig.9 The contrast diagram of the multiples suppression （sparker）（the typical multiple indicated by the red arrow）

3.2 模型拟合法

在实际探测工作中发现部分浅水区的电火花震源单道地震资料中多次波能量强、主频高、频带宽，浅层地质条件较为复杂，可能存在不满足预测反褶积基本假设情况，预测反褶积压制多次波效果不佳。针对此类剖面我们采用模型拟合法，该方法主要用来压制连续性好、能量强的海底多次波。

3.2.1 模型拟合法原理

模型拟合方法思路与预测相减法思路相同，即先预测再减去。可用来消除某个特定反射层产生的多次波，它是f-x域中的一种时空滤波方法。借助模型利用褶积预测多次波，然后将预测结果和实际数据对比拟合，最后从原始地震数据中减去多次波。通过空间模式分析建立多次波模型，并由道与道之间相位和振幅变化的运动学和动力学形状特征来定义［13］。任何与模型有相似反射特征的反射波都被当作多次波进行压制，因此适用于衰减与同位置一次反射波不相似的多次波，但也可能识别和压制与模型反射特征相类似的一次反射波。

3.2.2 模型拟合法应用过程及参数选择

模型拟合方法应用过程如下：拾取产生多次波的一次反射波同相轴的时间；对数据进行静校正以拉平一次反射波；根据一次反射层数据特征建立其产生的水底多次波的时空模型；模型与实际数据对比拟合，再从原始数据中减去拟合后的多次波。

图10　模型拟合法压制海底多次波时窗长度试验对比图（电火花震源）Fig.10 The contrast experiment diagram of the time window length of the model-ftting （sparker）

该方法使用过程中主要参数为多次波时窗长度，图10为时窗长度试验对比过程记录，从图10（a）中可以看出海底及浅部地层多次波明显，图10（b）～图10（h）分别为模型拟合法时窗取4ms、8ms、12ms、16ms、20ms、30ms、40ms时的压制剖面图，对比各图可以看出时窗取值较小时，多次波压制效果弱。虽然海底多次波被较好压制，但海底浅部地层多次波还明显存在，如图10（b）、图10（c）；当时窗取值较大时，海底多次波以及浅部地层多次波均得到了压制，但是部分有效波组也被一定程度压制，如图10（e）～图10（h）。根据此试验可以看出，时窗长度取值主要决定于拟压制多次波组的时间宽度，不同区域的探测数据此时间宽度可能不同，因此时窗长度应根据各测线多次波特征来选择相应的值。

图11分别为长江口横沙岛南侧海域和杭州湾北部海域的电火花震源单道地震数据剖面，从图中可以看出处理前剖面上的海底二次波明显，经模型拟合法压制后，剖面基本见不到海底二次波痕迹，海底二次波压制良好。

图11　模型拟合法压制海底多次波示意图（电火花震源）Fig.11 The contrast diagram of the pre-suppression and after-suppression by the model-ftting （sparker）

4 结论

本文在基于对多道地震多次波压制方法技术研究以及上海近岸海域单道地震多次波特征分析总结的基础上，提炼出适合于上海近岸海域单道地震多次波压制的预测反褶积方法和模型拟合法两种方法，并对两种方法的原理及重点参数进行了试验阐述。预测反褶积法由于不需要速度和偏移距信息，与单道地震数据自身特点切合，能有效压制气枪震源单道地震及部分电火花震源单道地震资料中的海底多次、简单多次、层间多次等多次波。但该方法能够有效压制各类多次波的前提是选择合适的参数，合理的参数需要根据数据特征及自相关剖面通过反复试验获取。

另外，部分电火花震源单道地震数据由于浅部结构复杂等多方面原因，预测反褶积法对其海底及浅层部分地层的多次波压制效果有限，针对此种情况下的多次波干扰，模型拟合法压制较为理想，实践证明该方法能比较有效地压制海底多次波和部分浅部地层的多次反射，但压制效果的好坏与计算时窗长度直接相关，运用中也要通过细致的对比试验获取最佳参数。

上述两种方法由于其原理的差异，运用过程中有一定针对性，实际使用过程中应根据数据的特点合理选择。

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The characteristics and suppression method of multiple waves in the high resolution single channel seismic system in the offshore Shanghai area

LIU Wu， SI Yong-Feng， WANG Zhi-Hua， WANG Yuan， LIAO Wen-Xin， ZENG Lai， WANG Zheng-Xia
（Shanghai Institute of Geological Survey， Shanghai 200072， China）

Abstract:In recent years， we have conducted signifcant geological survey work in the offshore Shanghai area in order to provide data to engineers to ensure safety in the city and coastal areas.A high resolution single channel seismic system has become the main approach for detecting the stratum structure under the seabed because of its high resolution and convenience.Due to the shallow water and the hard sandy seabed， multiple waves are generated in most regions， which reduce the S/N ratio and the resolution of the seismic data.This study summarizes the characteristics of the multiple waves in the single channel seismic data in the offshore Shanghai area.Based on these characteristics， we researched the preferred methods and the validity of the predictive deconvolution and model-ftting methods.Practice shows that the methods can suppress the multiple waves markedly and improve the seismic data quality greatly by using the correct numerical methods.

Key words:offshore area； geophysical exploration； high resolution single channel seismic； multiples suppression；predictive deconvolution； model-ftting method

中图分类号：P631.4

文献标志码：A

文章编号：2095-1329（2016）02-0089-07

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.02.021

收稿日期:2015-11-17

修订日期:2016-01-20

作者简介:刘伍（1982-），男，硕士，工程师，主要从事近岸海域地球物理勘探研究.

基金项目:中国地质调查局国家海洋保障工程工作项目“长江三角洲海岸带综合地质调查与监测”（GZH201200506）