黄土塬地区地震资料处理浮动基准面的选择及应用

徐蔚亚，赵艳平，陈世军

（中国石化 石油勘探开发研究院，北京 100083）

鄂尔多斯盆地南部黄土塬地区沟壑纵横，为塬、峁和树枝状冲沟并存的复杂地貌，表层结构变化大，黄土覆盖厚度可达250 m，部分地形起伏高差可超过300 m；河谷、冲沟两侧出露白垩系砂泥岩，河道表面覆盖有砾石和泥沙；研究区干旱少雨，潜水面深浅不一。复杂的近地表条件，一方面给地震施工带来很大难度，另一方面严重降低了地震资料的品质，静校正误差大，不利于地震资料的处理。

几十年来，地球物理学家通过对黄土塬地区勘探理论及方法的创新和发展，新的方法和技术不断被用于黄土塬地区地震资料的采集和处理，有效提高了该地区地震资料处理的水平[1]。在地震资料采集中，使用浅井岩性取心、高密度层析近地表结构调查进行表层调查，调查结果用于地震采集的井深设计和建立静校正初始模型[1-2]；采用非纵地震勘探技术，利用相关采集和静校正处理技术提高地震资料的信噪比和分辨率[3-5]；针对弱弹性黄土介质开展震源激发研究，并根据地表特征逐点逐片进行观测系统设计[6]等。在地震资料处理中，通过标志层控制的静校正方法解决长波长静校正问题[7]；利用层析静校正和初至波剩余静校正，计算长波长和短波长静校正量[8]；利用近道约束层析反演，提高表层速度反演精度[5]；综合使用多种静校正方法，采用分步逐级静校正技术提高静校正效果[9-10]；针对黄土塬地区地震资料中噪声的分布规律及特点，有针对性地进行叠前去噪处理[11]；在近地表的平滑浮动基准面上进行地震资料处理，以应对复杂近地表情况[12]；地表起伏较大地区，在浮动基准面上通过速度分析和剩余静校正的迭代提高成像质量[13-14]；在具有稳定折射界面的地区，开展以基岩顶界面作为折射面进行模型约束的折射波静校正[15]。

综上所述，现有的方法主要以提高近地表速度模型精度的方式，解决复杂近地表静校正误差大的问题。本文从浮动基准面的定义出发，总结了常用的浮动基准面及其特点，使用模型分析复杂地表情况下不同浮动基准面对地震资料处理的影响，并通过实际资料进行了验证，说明在复杂近地表情况下，采用合适的浮动基准面进行地震资料处理的效果更好。

1 浮动基准面定义及分类

1.1 静校正量的计算

对于地表一致性静校正，假设近地表速度较低，地震波在低降速层中沿垂直方向传播，此时炮点或检波点处的静校正量可通过先减去地震波在低降速层中的传播时间，再加上地震波以替换速度从高速层顶界面传播到固定基准面的时间[16]，可表示为

对于一个地震道，静校正量包含2 部分，即炮点处的静校正量和检波点处的静校正量。当近地表速度存在横向变化时，根据（1）式可得到一个地震道的静校正量：

1.2 浮动基准面分类

在地表起伏较大的地区，地震资料处理常常在浮动基准面上进行[17-19]。浮动基准面有以下3 个特点：①浮动基准面对应的高程面是随空间变化的；②在浮动基准面上，同一个共中心点道集内的所有地震道的炮点和检波点，都在该共中心点道集对应的浮动基准面高程上；③浮动基准面上的地震数据，即使对应于相同炮点或检波点，其浮动基准面在不同共中心点道集中对应的高程可以是不同的，是随着共中心点在浮动基准面上的高程变化而变化的。

在地震资料处理中，常用的浮动基准面确定方法可分为2 类，第一类通过直接计算浮动基准面对应的起伏高程面来确定[20]，第二类通过对静校正量的计算来确定[17，21]。前者包括平滑地表高程法、平滑低速带底面法、人为给定法以及最小静校正误差浮动基准面法，后者主要是平均静校正量法。

第一类浮动基准面确定方法的4 种方法都直接确定了浮动基准面对应的高程面，物理意义明确，为了和其他浮动基准面进行区分，本文称之为高程浮动基准面。为了将地震数据校正到高程浮动基准面，需要计算每一个共中心点道集从固定基准面到浮动基准面的静校正量。某个共中心点道集的静校正量的计算公式为

为了将地震数据校正到浮动基准面，针对原始共中心点道集，首先需要去除低降速层的影响，然后将地震数据从高速层顶界面按照替换速度校正到固定基准面，最后将数据从固定基准面再次校正到高程浮动基准面，校正量即为（3）式计算得到的共中心点道集静校正量。

第二类浮动基准面确定方法为平均静校正量法，也就是两步法静校正方法，先将静校正量分解成高频量和低频量，然后将高频量应用到地震数据中，实现浮动基准面校正；在叠加之后的数据上应用低频量，可将其从浮动基准面校正到最终的固定基准面。其中，低频量是共中心点道集的平均静校正量，即从浮动基准面向固定基准面校正的时间量；高频量为每个地震道的静校正量与该道对应的共中心点道集内所有地震道的静校正量平均值之差。一个共中心点道集的平均静校正量的计算公式为

通过时间量的校正，平均静校正量法实现了地震数据由地表到浮动基准面的校正，整个过程与高程无关，虽然难以直接观察到对应的起伏地表面，但由于该方法计算简单，使用方便，因此广泛用于常规时间域处理中。为了简化说明，本文称之为平均静校正量浮动基准面。

2 不同浮动基准面处理结果对比

为了分析剧烈起伏地表、巨厚黄土覆盖等条件对不同浮动基准面地震资料处理的影响，根据鄂尔多斯盆地南部某黄土塬地区的近地表情况，设计近地表模型（图1a）。其中，固定基准面海拔高程为1 300 m，高速层顶界面海拔高程为800 m，沟深为350 m，低降速层平均速度为1 800 m/s，替换速度及高速层速度为3 300 m/s。设计观测系统为中间放炮两侧接收方式，炮点距和检波点距均为40 m，最大偏移距为3 480 m。

水平地表情况下，地层反射波时距曲线可以定义为

当将地震数据校正到浮动基准面时，地层反射波时距曲线的形态没有变化，但是位置有纵向移动，也就是自激自收时间改变了，此时，反射波时距曲线表示为

图1 近地表模型及不同浮动基准面上处理结果Fig.1.Near⁃surface model and processing results on different floating datums

在浮动基准面上进行速度分析实际是用（5）式来拟合（6）式，速度分析误差和叠加误差由此而产生[20]。因此，分析不同浮动基准面情况下的高速层顶界面自激自收时间的横向变化及其影响，可以为地震资料处理中浮动基准面的选择提供参考依据。

从高程浮动基准面到固定基准面的剩余校正量较小，为30.30～54.55 ms，在高程浮动基准面上已经去掉了低降速层的影响；从平均静校正量浮动基准面到固定基准面的剩余校正量较大，为-141.41～-52.52 ms（图1b），在该浮动基准面上并没有完全去掉低降速层的影响。

地表到高速层顶界面的自激自收时间，水平部分为444.44 ms，沟底为55.55 ms；平均静校正量浮动基准面到高速层顶界面的自激自收时间，距离深沟较远处与地表相同，为444.44 ms，沟底为355.55 ms；高程浮动基准面到高速层顶界面的自激自收时间，最大为272.72 ms，最小为248.48 ms；固定基准面高速层顶界面的自激自收时间均为303.03 ms（图1c）。不同基准面到高速层顶界面的自激自收时间存在较大差异。由于对地震道集自激自收时间的改变，就意味着在叠加和速度分析时改变了地震反射波的时距曲线，由此会引起速度分析的误差[20]，因此，在不同基准面上进行地震资料处理，会造成不同的误差。对于平均静校正量浮动基准面，在地势平坦地区，可以保持原有自激自收时间不变，在地震资料处理中最具优势；但在存在深沟地区，其对自激自收时间的改变最大，如深沟处平均静校正量浮动基准面上的自激自收时间和地表自激自收时间相差约300.00 ms。对于固定基准面，其自激自收时间是常数，对自激自收时间的改变依赖于固定基准面的高程，本例所选固定基准面在深沟处对自激自收时间的改变量为247.48 ms。高程浮动基准面上的自激自收时间受替换速度的影响，一般介于地表自激自收时间的最小值和最大值之间，本例中高程浮动基准面在深沟处对自激自收时间的改变量为192.93 ms。

平均静校正量浮动基准面到高速层顶界面的自激自收时间偏差较地表、固定基准面和高程浮动基准面的变化大，为-42.86～46.02 ms。固定基准面完全消除了横向速度变化的影响，自激自收时间偏差为0。高程浮动基准面上的自激自收时间偏差为-11.68～12.55 ms（图1d）。

通过分析不同浮动基准面到高速层顶界面自激自收时间及偏差可知，各个浮动基准面都改变了原始反射波的自激自收时间。其中，在平均静校正量浮动基准面上，在地势平坦处，原始反射波的自激自收时间可以很好地保留下来，但是在存在较大高程差的地方，对原始反射波自激自收时间有较大的改变，会影响反射波叠加精度；与此对应的是，地下水平地层反射波的自激自收时间偏差变化较大，这为速度分析增加了难度，需要根据地表复杂程度加密速度分析的网格密度。采用固定基准面时，地下水平地层反射波的自激自收时间偏差为0，易于进行速度分析，但其自激自收时间对原始反射波的自激自收时间有一定改变，会影响反射波叠加精度。因此，为了得到较好的地震资料处理结果，需要对基准面高程和替换速度进行测试。采用高程浮动基准面时，地层反射波的自激自收时间相对地表记录中的自激自收时间来说，同样存在一定改变，可以选择合适的平滑地表作为浮动基准面，降低自激自收时间变化对叠加精度的影响[20]；此外，水平地层反射波的自激自收时间偏差小于平均静校正量浮动基准面对应的偏差，在其上进行速度分析的难度介于平均静校正量浮动基准面和固定基准面之间。

3 应用效果分析

黄土塬地区覆盖较厚黄土层，地表塬、峁和冲沟并存，相当于数个上述地表模型的随机组合，静校正误差大。在研究区内通过初至波层析反演得到近地表模型（图2），该模型较好地反映了黄土塬地区近地表特征，即高程及速度横向变化剧烈。如在塬顶A点和沟底E点水平距离仅为3 500 m，但高程差达到280 m，塬顶A点处的黄土层速度约600 m/s，沟底E点处速度可达1 600 m/s。尽管近地表情况复杂，但在叠加剖面（图3）上，0.4～0.8 s 的地层反射同相轴在横向上呈较稳定的水平分布。此外，由于目的层埋深较浅，其反射时间约为1.0 s，覆盖次数低，信噪比低，地震资料处理难度大。

图2 鄂尔多斯盆地黄土塬地区近地表模型Fig.2.Near⁃surface model of the loess plateau area in Ordos basin

图3 鄂尔多斯盆地黄土塬地区叠加剖面Fig.3.Stacked section on elevation floating datum in the loess plateau area in Ordos basin

本次测试主要针对平均静校正量浮动基准面和高程浮动基准面的时间域处理。通过分析目的层反射波自激自收时间在横向上的变化对速度分析和动校拉伸畸变切除的影响，说明高程浮动基准面在黄土塬地区地震资料处理中的优势。

3.1 降低速度分析难度

选择浮动基准面进行处理的原因之一是为了保证对反射波的自激自收时间改变最小。为了对比在不同浮动基准面上进行速度分析的难度，从图2 中选择海拔高程由高到低的B点、C点和D点3 个点处进行对比，3 个黑点（对应的反射时间差小于7 ms）在同一地层的反射同相轴上，且分别位于B点、C点和D点处的共中心点道集中（图3 中黄线所示）。根据对研究区的地质认识认为，该地层较稳定且在横向上变化较小。使用高程浮动基准面进行速度分析时，速度控制点网格间距为800 m，B点、C点和D点处的速度谱及共中心点道集动校正结果见图4。在高程浮动基准面上，图3 中黑点所在地层在B点、C点和D点处的反射时间分别为518 ms、490 ms 和480 ms，均方根速度分别为3 828 m/s、3 828 m/s 和3 849 m/s（图4 中红色箭头所指位置），3 点处最大的时间差和速度差分别为38 ms和21 m/s，差异较小，速度拾取较简单。

使用平均静校正量浮动基准面进行速度分析时，速度控制点网格间距也为800 m。从图5 中可以看到，由于在塬顶处存在较厚的黄土层，其速度较低，导致在计算静校正量时低降速层剥离的时间量远大于替换速度的填充量，因此在高低频分离之后导致靠近沟壑处的B点处自激自收时间较大，而D点处由于没有黄土层的影响，其自激自收时间较小。在平均静校正量浮动基准面上，图3 中黑点所在地层在B点、C点和D点处的反射时间分别为749 ms、681 ms和587 ms，均方根速度分别为3 308 m/s、3 421 m/s和3 795 m/s（图5中红色箭头所指位置），B点和D点处的时间差和速度差分别达到162 ms 和487 m/s。较大的速度差异，增加了速度分析的难度，而目前主要是通过加密速度分析控制点来降低速度分析误差。

图4 研究区基于高程浮动基准面的速度谱和动校正结果Fig.4.Velocity spectrum and NMO stretching on elevation floating datum in the study area

图5 研究区基于平均静校正量浮动基准面的速度谱和动校正结果Fig.5.Velocity spectrum and NMO stretching on average statics floating datum in the study area

由此可见，在黄土塬复杂近地表地区，在使用相同速度控制点网格大小的情况下，使用高程浮动基准面进行时间域的处理可以明显降低速度分析的难度，并可提高地震资料处理的效率。

3.2 降低动校拉伸畸变切除难度

高程浮动基准面在黄土塬地区的另一个优势在于对动校拉伸畸变切除的控制较为容易。对B点和D点处共中心点道集在高程浮动基准面和平均静校正量浮动基准面的动校正结果（图4、图5）进行分析，对于高程浮动基准面，B点和D点处基本可以使用相同的切除线进行控制，而对于平均静校正量浮动基准面，由于B点和D点处共中心点道集中来自相同地层反射波的自激自收时间差异较大，一般需要对切除控制点进行加密，才能确保切除效果较好。而在沟壑纵横的黄土塬地区，进行精细切除会增加巨大的工作量，且即便如此，对于切除控制点之外的地方也难以根据具体的塬或沟的位置进行控制。若将塬顶部位的切除参数应用在沟壑处，则会导致切除过度。在切除控制点网格间距为800 m 的情况下，对不同浮动基准面上的共中心点道集切除后的叠加剖面（图6）进行分析，在高程浮动基准面上进行切除较为容易，能够保留较多的浅层反射信息；在平均静校正量浮动基准面上，由于切除控制点网格无法兼顾所有的塬和沟，在地势较低且没有切除控制点的地方会导致切除过度，使得部分浅层反射信息被切除。

图6 研究区不同浮动基准面上基于相同切除网格参数的叠加剖面Fig.6.NMO stacked sections on different floating datums with same mute grid parameters in the study area

4 结论

（1）在黄土塬地区，当地表高程剧烈变化时，不管使用哪一种基准面进行时间域处理，都会明显改变地下反射波的自激自收时间。

（2）基于高程浮动基准面的地震资料处理方式，消除了部分高程及低降速层的影响，在速度分析和动校拉伸畸变切除处理中存在一定的优势。

（3）在地震资料处理工作中，应结合不同浮动基准面的适用条件，对不同浮动基准面处理结果进行对比及质控，对处理结果中的差异进行及时分析，以便提高地震资料处理的效果。

符号注释

Hcmp——共中心点道集对应的浮动基准面高程，m；

Hd——固定基准面高程，m；

Hh——炮点或检波点处高速层顶界面高程，m；

Hhg——检波点处高速层顶界面高程，m；

Hhgi——共中心点道集中第i道对应的检波点处高速层顶界面高程，m；

Hhs——炮点处高速层顶界面高程，m；

Hhsi——共中心点道集中第i道对应的炮点处高速层顶界面高程，m；

Hs——炮点或检波点地表高程，m；

Hsg——检波点地表高程，m；

Hsgi——共中心点道集中第i道对应的检波点地表高程，m；

Hss——炮点地表高程，m；

Hssi——共中心点道集中第i道对应的炮点地表高程，m；

i——共中心点道集中第i道；

n——共中心点道集总道数；

t0——自激自收时间，ms；

tcmp——共中心点道集静校正量，ms；

tf——浮动基准面上反射波在地层中的传播时间，ms；

tg——检波点处静校正量，ms；

tgi——共中心点道集中第i道对应的检波点处静校正量，ms；

tlr——炮点或检波点某位置处的静校正量，ms；

tr——水平地表情况下反射波在地层中的传播时间，ms；

ts——炮点处静校正量，ms；

tsi——共中心点道集中第i道对应的炮点处静校正量，ms；

tt——地震道的总静校正量，ms；

v——地震波在地层中的传播速度，m/s；

vl——炮点或检波点处低降速层等效速度，m/s；

vlg——检波点处低降速层等效速度m/s；

vlgi——共中心点道集中第i道对应的检波点处低降速层等效速度，m/s；

vls——炮点处低降速层等效速度，m/s；

vlsi——共中心点道集中第i道对应的炮点处低降速层等效速度，m/s；

vr——炮点或检波点处高速层顶界面到固定基准面替换速度m/s；

x——炮检距，m；

Δt——由于基准面不同而引起的反射波同相轴平移量，ms。