一种反射同相轴自动拾取算法

黄兴辉



一种反射同相轴自动拾取算法

黄兴辉

本文针对地震海洋学研究中反射同相轴的提取问题，提出了一套自动拾取算法。在海洋能量传递的地震海洋学研究中起到重要的基础性作用。

海洋是太阳向地球传输能量的纽带。能量在海洋内部的传递是地球能级中一个重要的环节。但是，由于海洋学观测数据的缺乏，能量在不同尺度海洋学现象之间的传递机制尚不完全清楚。地震海洋学可以为海洋能量研究提供大量的高横向分辨率的数据，而反射同相轴的提取是其中一项重要的基础工作。

拾取反射同相轴是地震海洋学的一项重要的基础工作。本文针对地震海洋学数据的特征提出了一套反射同相轴自动拾取算法。该算法以数据段和震源子波的互相关以及数据段波峰的振幅能量作为判断其是否为有效反射的标准；基于横向追踪算法完成整条同相轴的拾取。拾取之前，首先对地震数据做倾角滤波处理，以提高数据的信噪比，增强同相轴的横向连续性。实际的应用效果表明，本方法的成功率和准确率都很高，是地震海洋学研究的有力工具。

地震海洋学是一门新兴的反射地震学和物理海洋学的交叉学科。它利用传统的反射地震学的数据和方法研究物理海洋学的现象和问题。这门学科探索性的工作最早出现在20世纪60年代，甚至更早；但是，其后发展一直较为缓慢。直到2003年，Holbrook等里程碑式的文章发表之后，这门学科才开始快速发展，日趋完善。时至今日，地震海洋学已经成熟为一门独立的学科，它不仅可以直接根据地震剖面上的反射特征识别海洋学现象，讨论它们的空间形态和尺度；还可以使用传统的反射地震学反演方法将反射地震数据转换为物理海洋学参数，然后进行进一步的研究。另外，在与等密线平行或重合的假设条件之下，反射同相轴还可以用来计算海洋的内波谱、耗散率和地转剪切等海洋学参数，进而讨论海洋内部能量传递过程及耗散机制。在这类工作中，第一步，也是最关键的一步需要将反射同相轴拾取出来，然后才能进行后续的计算。在长度为几十公里的地震剖面上可能存在数百条反射同相轴，累计长度一般超过几百公里；单纯靠人工拾取，工作量是不可想象的。因此，同相轴拾取的自动算法必不可少。

传统的反射地震勘探中，拾取同相轴是地震资料解释工作的基础。长期的工作经验也积累了多种同相轴自动拾取的算法，例如神经网络方法、链匹配算法、基于四阶累积量的同相轴自动拾取方法以及能量比与互相关法等。但是，这些算法都是针对来自于固体弹性介质的反射地震数据的特征设计的；而地震海洋学研究使用的反射地震数据来自于海水层，有其自身的特点，上述这些方法并不完全适用。液体介质不能传播剪切波；因此，地震海洋学数据的地震波类型单一，只有P波，波形也较为稳定。海水内部不存在突变的结构面；因此，反射同相轴都是逐渐出现和消失。海水内部波阻抗整体变化不大，反射强度一般较弱；因此，反射同相轴中间可能存在间断。另外，海水的流动性也决定了海水层反射同相轴整体较为平缓，倾角较小。本文根据海水层反射数据的上述特点，提出了一套简单有效的反射同相轴自动拾取算法。实际的应用效果表明，本方法对海水层反射同相轴的识别成功率非常高，结果也具有很好的横向连续性，是地震海洋学内波谱分析、耗散率和地转剪切的计算以及其他相关工作的有力工具。

方法

拾取算法的整体思路如下：首先在地震剖面上识别出一条反射同相轴的起点；然后进行横向追踪，直至其尾端；最后根据其长度判定这条同相轴是否有效。实际操作中，对于一个给定的反射地震数据体，逐道进行处理；首先追踪已经找到并存储的同相轴，然后寻找新的同相轴加入记录，流程如图1a所示。

图1　（a）拾取算法的整体流程 （b）追踪同相轴的流程

假设在处理当前的地震道之前已经找到并存储了N条同相轴；处理该道数据的时候首先对这N条同相轴进行追踪，流程如图1b所示。对于一条已经存在的同相轴，在以它上一道的时间点为中心的给定宽度的时间窗内搜索有效反射，示意图如图2所示。如果搜索到有效反射，则将其加入记录之中；如果搜索不到，则增加该条同相轴当前缺失的地震道数。考虑到海水内部的反射较弱，且存在随机噪声，允许同相轴有几道（大约几十米）的反射空缺。如果连续几道都没能搜索到有效信号，那么认为同相轴已经到了尾端；之后，根据其长度进行取舍。

图2　追踪同相轴操作的示意图

图3　（a）某段来自于海水层的反射地震剖面（b）（a）数据倾角滤波后的结果

图4　图3 b中黑色方框内地震数据的反射同相轴自动拾取效果图

红色粗线为已存储的同相轴；虚线框为搜索的时间框；框内蓝色的实线和虚线为移动匹配的震源子波追踪完所有的现有同相轴之后，再遍历当前的地震道，寻找新的同相轴加入记录。无论是追踪现有的同相轴，还是寻找新的同相轴，都需要判断给定的一段数据是否为有效反射。这里定义有效反射满足两个条件：第一，数据的形态与震源子波吻合。这个条件使用数据与震源子波的互相关来判断。震源子波可以通过两种方式给出：第一种为从本道数据中选择振幅最大的一段完整子波；第二种为给定主频构建Ricker子波。实际应用中发现，这两种方法拾取的结果差别不大。第二，数据要满足能量的要求。用户根据需要给定一个百分比。数据的波峰振幅与本道数据最大振幅之比大于给定的百分比才认为其有效。

上面的描述显示，以下几个重要的参数控制着这个算法的使用效果：判断是否为有效反射的阶段，需要给定Ricker子波的主频和容许的能量百分比；追踪同相轴的阶段，需要给定搜索时间窗的宽度、容许的最大缺失道数以及有效同相轴的最短长度。实际应用中发现，Ricker子波的主频一般在30Hz左右即可；由于海水层的反射同相轴较为平缓，搜索时间窗的宽度一般选择12ms，对应于大约9m；容许的最大缺失道数通常选择3道，也可以根据反射数据的连续性进行调整。能量百分比和有效同相轴的最短长度则需要根据具体情况灵活选择。

实际数据的应用效果

图3a给出了一段具有海水层反射典型特征的地震剖面。剖面显示，反射信号的强度较弱；某些区域连续性较差，存在同相轴间断；整个剖面的数据都包含随机噪声。直接使用这样的数据进行同相轴拾取，效果会受到影响。考虑到海水层反射同相轴都较为平缓，在拾取之前对数据进行了倾角滤波处理。处理之后，原本肉眼可以识别但机器难以拾取的同相轴就变得清晰起来，拾取也就变得非常容易。处理之后的地震剖面如图3b所示。

使用以下参数对处理后的地震数据进行了拾取：Ricker子波的主频为32.5Hz；容许的能量百分比为20%；搜索时间窗的宽度为12ms（～9m）；最大缺失道数为3道（～20m）；有效同相轴的最短长度为2km。图3中黑色方框内数据的拾取结果如图4所示。从中可以看出，拾取的同相轴光滑连续，与实际的层位一致。拾取的准确率高，不存在窜行现象；拾取的成功率高，少有漏拾的情况；可以为地震海洋学相关的计算提供基础数据。

总结

地震海洋学研究使用海水层的反射地震数据。拾取反射同相轴是其中一项重要的基础工作。海水层反射的强度一般较弱，易受随机噪声影响，同相轴的连续性较差；海水内部不存在突变的结构面，反射同相轴通常较为平缓。本文针对地震海洋学数据的这些特征提出了一套反射同相轴自动拾取算法。该算法以数据段和震源子波的互相关以及数据段波峰的振幅能量作为判断其是否为有效反射的标准；基于横向追踪完成整条同相轴的拾取。拾取之前，首先对地震数据做倾角滤波处理，以提高数据的信噪比，增强同相轴的横向连续性。实际的应用效果表明，本方法的成功率和准确率都很高，是地震海洋学研究的有力工具。

致谢：地震数据处理中用到了Seismic Unix （CWP / SU；Cohen and Stockwell， 2008）工具包，画图中用到了Generic Mapping Tools （GMT； Wessel and Smith， 1998）工具包，在此一并表示感谢。

黄兴辉

中国地震台网中心

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.006