繞射波與地下斷裂系統(tǒng)分布規(guī)律

斷裂帶的地震響應(yīng)主要表現(xiàn)為激發(fā)波，因此，地震數(shù)據(jù)中的激發(fā)波可以用來識別斷層。但由于繞射波和反射波具有不同的時差特征,常規(guī)地震處理中繞射波往往被濾除,即使是傳統(tǒng)的繞射疊加技術(shù)也是更傾向于成像反射波而忽略繞射波為了充分利用地震數(shù)據(jù)中的繞射波,國內(nèi)外許多學(xué)者對繞射波分離與成像方法進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[4]通過相位校正和定性分析,在共偏移距剖面上實現(xiàn)繞射目標(biāo)定位;文獻(xiàn)[5]根據(jù)共炮點(diǎn)記錄中反射波與繞射波雙曲同相軸頂點(diǎn)橫向位置的差異,利用雙曲拉東變換將炮記錄變換到拉東域,實現(xiàn)波場分離;文獻(xiàn)[6]提出的繞射多聚焦疊加方法利用一種新的局部時差校正方程參數(shù)化繞射波旅行時曲線,進(jìn)而得到信噪比較高的繞射波疊加剖面;文獻(xiàn)[7]在繞射假設(shè)下對傳統(tǒng)的共反射面元疊加技術(shù)進(jìn)行修正,進(jìn)一步結(jié)合多信號分類法和相似度分析法實現(xiàn)了繞射波分離;鑒于反射波能量集中在第一菲涅爾帶、繞射波能量較發(fā)散的特征,文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[8]先后通過修改克?；舴蚱品e分公式中的加權(quán)函數(shù),實現(xiàn)反穩(wěn)相繞射波成像;根據(jù)傾角域共成像點(diǎn)道集上反射波雙曲、繞射波擬線性的形態(tài)差異,文獻(xiàn)[9]—文獻(xiàn)[12]利用平面波解構(gòu)濾波、反射頂點(diǎn)壓制、混合拉東變換、反射波能量預(yù)測等方法在傾角域通過壓制反射波來突出繞射波。在平面波記錄上,反射波表現(xiàn)為平滑的擬線性同相軸,而繞射波呈現(xiàn)出曲率較大的雙曲形態(tài)1反射波和繞射波的基本特征在圖1a所示的介質(zhì)結(jié)構(gòu)中,反射界面的傾角為φ,其上分布一點(diǎn)繞射體D,地面和反射界面之間充填速度為v的均勻介質(zhì)。與常規(guī)的點(diǎn)震源不同,此處采用平面波震源L(雙實線表示)入射,其波前面與x軸的夾角為θ.設(shè)平面波震源與x軸的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O,且坐標(biāo)原點(diǎn)到點(diǎn)繞射體的距離為h.則由反射波射線路徑求得S由繞射波射線路徑求得S由(1)式和(2)式繪制的反射界面和點(diǎn)繞射體的時距曲線(圖1b)可看出:當(dāng)平面波震源入射時,反射響應(yīng)表現(xiàn)為平滑的擬線性,而繞射響應(yīng)表現(xiàn)為大曲率的雙曲形態(tài)。因此,可以在平面波記錄上利用二者的形態(tài)差異實現(xiàn)繞射波場分離。2垂直橫向傳播模型繞射波與反射波在平面波記錄上的形態(tài)差異明顯,利于二者的分離。然而,野外采集的地震數(shù)據(jù)都是點(diǎn)震源激發(fā)的球面波記錄,因此,需要對地震數(shù)據(jù)進(jìn)行變換以獲取平面波記錄。在圖2a所示的觀測系統(tǒng)中,地面等間距布設(shè)一排炮點(diǎn)和一個檢波器,地面和地下反射界面之間充填速度為v的均勻介質(zhì),同時激發(fā)所有炮點(diǎn)產(chǎn)生一系列向下傳播的球面波。由疊加原理可知:在理想情況下,當(dāng)布設(shè)的炮點(diǎn)數(shù)為無窮個時,同時激發(fā)將產(chǎn)生無窮個球面波,將這些球面上距離地面最遠(yuǎn)的各點(diǎn)連起來得到一個傾角為0的平面狀波前面,該波前面即可模擬垂直向下傳播的平面波。如果地面炮點(diǎn)不是同時激發(fā),而是相鄰炮間按照一定的時間延遲逐一激發(fā)(圖2b),由疊加原理將得到沿一定傾角β向下傳播的平面波,這個傾角β由炮間距和時間延遲共同確定,二者的不同組合即可產(chǎn)生一系列不同傾角的平面波。平面波記錄的合成基于共接收點(diǎn)道集,而野外的資料采集通常是單炮激發(fā)、多道接收,因此,對于實際的共炮點(diǎn)道集,可以利用互易原理將炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)的位置交換。此時,將一個共炮點(diǎn)道集的所有道不經(jīng)任何時間延遲水平疊加得到的記錄看作在所有檢波點(diǎn)位置同時激發(fā)產(chǎn)生的平面波垂直地面入射,并在炮點(diǎn)位置接收到的地震記錄。對所有共炮點(diǎn)道集重復(fù)上述操作,即可得到垂直向下傳播的平面波震源產(chǎn)生的記錄。在疊加前對每個單炮記錄進(jìn)行線性時移,則得到沿一定傾角方向傳播的平面波震源產(chǎn)生的記錄。對于野外采集到的地震記錄,先用(3)式所示的拉東變換實現(xiàn)平面波分解:利用(3)式對每個單炮記錄沿著不同射線參數(shù)確定的方向進(jìn)行傾斜疊加,得到截距時間—射線參數(shù)域的全波場傾斜疊加記錄,然后從不同傾斜疊加記錄中抽取具有相同射線參數(shù)的記錄道,并按照炮點(diǎn)位置的先后順序排列,即可得到沿不同方向傳播的平面波震源產(chǎn)生的波場,從而實現(xiàn)了平面波記錄的合成。在平面波域利用繞射波與反射波的運(yùn)動學(xué)差異實現(xiàn)繞射波場分離,從分離的繞射平面波記錄中抽取具有相同炮點(diǎn)位置的記錄道,并按射線參數(shù)排列得到截距時間—射線參數(shù)域的繞射波場傾斜疊加記錄,應(yīng)用(4)式所示的拉東逆變換即可得到繞射波場共炮點(diǎn)記錄。3基于平面波方法的同相分離在平面波記錄上反射波同相軸曲率較小、連續(xù)性較好,繞射波同相軸曲率較大、連續(xù)性較差,而平面波解構(gòu)濾波技術(shù)平面波解構(gòu)濾波技術(shù)利用局部平面波的疊加表征地震數(shù)據(jù),是多維時空域預(yù)測誤差濾波技術(shù)的一種替代形式,可通過局部平面波物理模型構(gòu)建?；诰植科矫娌ㄎ锢砟Ｐ蜆?gòu)建的局部平面波微分方程為同相軸局部斜率σ(t,x)是時間和空間變量的函數(shù),利用局部斜率信息可以由當(dāng)前地震道預(yù)測相鄰地震道。假設(shè)地震剖面s為一系列地震道的集合:在線性算子表示下,可以將平面波解構(gòu)殘差表示為其中,將(7)式所示的解構(gòu)殘差最小化,即可實現(xiàn)地震剖面的局部斜率估計,進(jìn)而可以利用估計的局部斜率信息構(gòu)建任意相鄰地震道間的預(yù)測因子。對于不相鄰的地震道間的預(yù)測可以通過遞歸預(yù)測來實現(xiàn),例如,由第1道預(yù)測第k道的預(yù)測因子可以表示為文獻(xiàn)[16]利用平面波預(yù)測方法預(yù)測地震同相軸的走向;文獻(xiàn)[17]利用平面波預(yù)測方法構(gòu)建冗余的預(yù)測數(shù)據(jù)體,并結(jié)合局部相關(guān)加權(quán)中值濾波技術(shù)實現(xiàn)疊后隨機(jī)噪聲衰減。本文利用平面波預(yù)測方法在平面波記錄上預(yù)測反射波同相軸,進(jìn)而實現(xiàn)繞射波場的分離。根據(jù)(8)式利用不同的相鄰地震道預(yù)測當(dāng)前地震道,將原始數(shù)據(jù)由二維擴(kuò)展到三維,新增加的信息為預(yù)測步長,由于平面波解構(gòu)濾波算子對連續(xù)性較好且曲率較小的擬線性同相軸預(yù)測精度高,可以很好地對反射波同相軸進(jìn)行預(yù)測,對預(yù)測數(shù)據(jù)體沿著預(yù)測步長方向疊加即可得到主要包含反射波的記錄;而繞射波同相軸由于其曲率較大、能量較弱且連續(xù)性較差等特點(diǎn),不能由平面波解構(gòu)濾波算子準(zhǔn)確預(yù)測。因此,將原始地震記錄與預(yù)測的反射波記錄做差,即可得到繞射波記錄。4使用示例4.1分離的繞射波共炮點(diǎn)的成像為了驗證繞射波分離成像技術(shù)的正確性,選用圖3所示的二維鹽丘模型進(jìn)行試算。模型橫、縱網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為645×300,間隔分別為24m和12m.其正演記錄共325炮,每炮176道接收,炮間距36m,道間距24m,每道采樣點(diǎn)數(shù)為626,采樣間隔8ms.模型中包含的幾條大尺度斷裂以及許多小斷階邊界可以產(chǎn)生豐富的繞射波,是要成像的繞射目標(biāo)。首先,利用拉東變換將所有單炮記錄變換到截距時間—射線參數(shù)域,然后抽取具有相同射線參數(shù)的記錄道,并按照所在炮記錄的炮點(diǎn)位置的先后順序排列,得到平面波記錄。圖4a展示了射線參數(shù)為0的合成平面波記錄,可以看出:大尺度平緩構(gòu)造產(chǎn)生的反射波同相軸能量強(qiáng)、曲率小且連續(xù)性好;而斷裂、小尺度斷階邊界等產(chǎn)生的繞射波同相軸曲率大、能量相對弱,通常被強(qiáng)反射波能量掩蓋而不易識別。對合成平面波記錄應(yīng)用平面波預(yù)測方法得到的反射平面波記錄如圖4b所示,其中曲率小且連續(xù)性較好的反射波同相軸得到了準(zhǔn)確的預(yù)測,而繞射波同相軸曲率較大、連續(xù)性差,不能由平面波解構(gòu)濾波算子準(zhǔn)確預(yù)測,因而在預(yù)測的反射平面波記錄上幾乎沒有繞射波同相軸。用合成平面波記錄減去反射平面波記錄得到繞射平面波記錄(圖4c),在該繞射平面波記錄中,能量強(qiáng)的反射波同相軸被很好地壓制,能量相對較弱的繞射波同相軸凸顯出來,另外,高陡鹽丘產(chǎn)生的大傾角地震響應(yīng)也因預(yù)測不準(zhǔn)而保留下來。因此,波場分離后的繞射平面波記錄包含有鹽丘邊界、斷裂、小尺度斷階邊界等構(gòu)造的地震響應(yīng)。將分離的繞射平面波記錄重新排序回到截距時間—射線參數(shù)域并做拉東逆變換,即可得到繞射波共炮點(diǎn)記錄。利用相同的疊前深度偏移方法分別對波場分離前、后的共炮點(diǎn)記錄進(jìn)行成像,得到的偏移剖面如圖5所示。在全波場成像剖面(圖5a)中,大尺度的平緩地層以及鹽丘輪廓得到很好的成像,小尺度斷階邊界、斷裂面等構(gòu)造由于強(qiáng)反射波能量的掩蓋不易識別。而在繞射波場成像剖面(圖5b)中,由于能量強(qiáng)的大尺度反射構(gòu)造被有效壓制,小尺度斷階邊界得到清晰的成像,斷裂面刻畫得更加清楚,在一定程度上提高了繞射目標(biāo)定位的準(zhǔn)確性。因此,應(yīng)用本文方法得到的繞射波成像剖面對小尺度構(gòu)造的刻畫更加清晰,有助于對斷階邊界、斷裂面等構(gòu)造的準(zhǔn)確解釋。4.2探區(qū)波場分離將繞射波分離成像技術(shù)應(yīng)用于準(zhǔn)噶爾盆地某探區(qū)的實際資料中。由于繞射波分離成像技術(shù)在平面波域根據(jù)繞射波和反射波同相軸的形態(tài)差異實現(xiàn)繞射波場分離,對輸入地震數(shù)據(jù)的信噪比要求較高,因此,在應(yīng)用該技術(shù)前應(yīng)當(dāng)對地震數(shù)據(jù)進(jìn)行針對性的噪聲壓制,確保波場分離的精度。圖6所示為探區(qū)波場分離前、后的成像剖面,可以看出:在全波場成像剖面(圖6a)中,箭頭所指位置的斷裂比較模糊,不易識別;而在繞射波場成像剖面(圖6b)中,斷階邊界和斷裂刻畫更加清楚。圖7是對侏羅系頂附近的時間切片對比,可以看出,箭頭所指的幾組斷裂在繞射波場成像切片中清晰可見。進(jìn)一步對波場分離前、后的斷裂解釋進(jìn)行對比。由于缺少大尺度構(gòu)造,繞射波場成像剖面容易受到背景噪聲的干擾,致使斷裂解釋不可靠。因此,將繞射波場與全波場成像剖面進(jìn)行融合顯示。圖8a是探區(qū)波場分離前的全波場成像剖面,可以很好地識別3組大斷裂,其他小斷裂由于斷距不明顯,識別難度大;而在繞射波場與全波場融合顯示剖面(圖8b)中,除了3組大斷裂,4組斷距不明顯的小斷裂也得到了很好的解釋。5繞射波場特征的應(yīng)用(1)在平面波記錄上,反射響應(yīng)表現(xiàn)為平滑的擬線性同相軸,繞射響應(yīng)則呈現(xiàn)出曲率較大的雙曲形狀,二者明顯的形態(tài)差異是繞射波分離的基礎(chǔ)。(2)平面波預(yù)測方法可以在平面波域有效地預(yù)測出反射波同相軸,對曲率較大、能量較弱且連續(xù)性差的繞射波同相軸不能準(zhǔn)確預(yù)測。因此,從全波場記錄中減去預(yù)測的反射波記錄即可得到繞射波場記錄。(3)繞射波成像剖面能有效突出掩蓋在反射波能量之下的地層細(xì)節(jié)特征,對斷階邊界的刻畫更加清楚,但是繞射波成像剖面易受背景噪聲干擾。因此,將繞射波場和全波場成像剖面進(jìn)行融合顯示。融合剖面信噪比高,可有效凸顯繞射目標(biāo),從而有助于斷裂識別,對斷裂解釋具有一定的指導(dǎo)意義。(4)地震數(shù)據(jù)中的噪聲會影響波場分離的精度。因此,在應(yīng)用繞射波分離成像技