虛源成像技術(shù)在深部地質(zhì)中的應(yīng)用

虛源成像技術(shù)在深部地質(zhì)中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的地震勘探中，對海洋層和復(fù)雜地表的影響往往會降低深度地質(zhì)目標(biāo)的成像質(zhì)量。筆者在射線分析的基礎(chǔ)上,研究了不同地震采集參數(shù)對虛源成像質(zhì)量的影響,給出了單層水平介質(zhì)條件下虛源成像地震觀測系統(tǒng)設(shè)計的定量表達(dá)式,并從運(yùn)動學(xué)的角度定量解釋了固定相位的概念;同時,筆者揭示的調(diào)諧采樣間隔,可為反射波信息的準(zhǔn)確重構(gòu)提供一種有效評價方法。1實(shí)際震源點(diǎn)x激發(fā)和積分假設(shè)存在一常密度、具有任意邊界的非均勻各項(xiàng)同性3D聲學(xué)介質(zhì)體,在Wapenaar逆輻射條件從式(1)分析可得,由虛震源點(diǎn)A激發(fā)、檢波點(diǎn)B接收的格林函數(shù)G(B|A),可以通過實(shí)際震源點(diǎn)X激發(fā),A、B兩點(diǎn)接收的格林函數(shù)做互相關(guān),然后對整個震源曲面進(jìn)行積分得到。當(dāng)震源點(diǎn)X位于固定相位點(diǎn)時(圖1),檢波點(diǎn)A接收的直達(dá)波與檢波點(diǎn)B接收的反射波做互相關(guān),可以得到虛震源點(diǎn)A激發(fā),檢波點(diǎn)B接收的反射波場,對此重構(gòu)得到的虛源記錄進(jìn)行預(yù)處理、偏移成像而在實(shí)際地震勘探中,震源點(diǎn)無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)分布,因此,需要對式(1)進(jìn)行離散化處理,可以得到:在炮點(diǎn)的采樣間隔過于稀疏的情況下,式(2)會產(chǎn)生空間假頻,在重構(gòu)的虛源數(shù)據(jù)里引入假象2同相疊加與反射波信息的恢復(fù)為了避免不同反射層信息相互干涉所產(chǎn)生的波場假象,采用單層反射介質(zhì),研究影響虛源成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素炮點(diǎn)S通過式(2)可得,由炮點(diǎn)S定義相鄰炮點(diǎn)分別重構(gòu)的虛源波場的旅行時差為Δτ[圖3(a)、圖3(b)],由炮點(diǎn)S進(jìn)一步整理化簡可得:在炮點(diǎn)采樣間隔Δs遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于x+Δr和x的條件下,可以推導(dǎo)出以下近似式:由式(12)分析可得,在炮點(diǎn)的采樣間隔足夠小的情況下,Δτ與炮點(diǎn)采樣間隔、反射波的入射角以及直達(dá)波的入射角成正比,與介質(zhì)的速度成反比。而反射波、直達(dá)波的入射角則和檢波點(diǎn)的位置,以及地質(zhì)目標(biāo)體的埋藏深度有關(guān)。在反射波入射角等于直達(dá)波入射角的情況下,即:此時由不同炮點(diǎn)重構(gòu)產(chǎn)生的虛源波場能夠建設(shè)性的同相疊加,保證了反射波場提取的準(zhǔn)確性,把這樣的炮點(diǎn)位置稱之為固定相位點(diǎn)。當(dāng)炮點(diǎn)位置不在固定相位點(diǎn)上,即反射波的入射角不等于直達(dá)波的入射角時(圖2),Δτ不等于零,即相鄰兩炮重構(gòu)的虛源波場存在旅行時差,當(dāng)旅行時差超過震源子波的1/4周期時,就不能保證同相疊加,破壞了反射波信息的提取。如圖3(c)所示,由于Δτ較大,疊加后的波場中出現(xiàn)了兩個波峰值,無法分辨出真實(shí)的反射波信息。假設(shè)震源子波為主頻35Hz的雷克子波,則可以得到不同Δτ下,通過疊加產(chǎn)生的反射波場的變化剖面(圖4)。當(dāng)Δτ逐漸增大時,疊加波場也逐漸由單個波峰轉(zhuǎn)變成兩個波峰,即由同相疊加轉(zhuǎn)變?yōu)榉峭喁B加。由雷克子波的主頻可以計算出其周期:在1/4波長的分辨能力下,可以看到,當(dāng)Δτ不大于震源子波的1/4周期時,才能保證重構(gòu)的反射波能量因?yàn)橥喁B加而增強(qiáng),否則會由于非同相疊加而產(chǎn)生多個偽同相軸,干擾反射波信息的準(zhǔn)確重構(gòu)。類似于楔形體模型中的調(diào)諧厚度,當(dāng)由炮點(diǎn)采樣間隔Δs所引起的旅行時差Δτ等于震源子波的1/4周期時,把該炮點(diǎn)采樣間隔稱之為調(diào)諧采樣間隔。由式(12)可知,炮點(diǎn)采樣間隔Δs與Δτ成正比,即當(dāng)Δs不大于調(diào)諧采樣間隔時,Δτ不大于震源子波的1/4周期,保證了反射波場通過不同震源點(diǎn)的同相疊加而增強(qiáng)。隨著Δs的不斷增大,Δτ也不斷增大,當(dāng)Δτ增大到大于震源子波的1/4周期時,重構(gòu)的反射波場開始出現(xiàn)偽同相軸,破壞反射波信息的恢復(fù)。因此為了準(zhǔn)確重構(gòu)出反射波場,應(yīng)該保證炮點(diǎn)的采樣間隔不大于調(diào)諧采樣間隔。3反射波場重構(gòu)的基本原理圖5為一具有水平反射層的單層均勻介質(zhì)。炮間距和檢波點(diǎn)間距分別為10m和500m,兩個檢波點(diǎn)埋深均為100m,其中R針對該模型,分別利用式(10)和式(12)計算出不同震源點(diǎn)處的旅行時差曲線,如圖6(a)所示,其中藍(lán)色實(shí)線代表了利用式(10)計算出的精確解,綠色虛線代表了利用式(12)計算出的近似解,紅點(diǎn)代表了利用式(10)計算出的固定相位點(diǎn),即當(dāng)震源點(diǎn)位于x=-10m處時,旅行時差Δτ為零。從圖6中可見,隨著震源位置與固定相位點(diǎn)之間距離的不斷加大,旅行時差Δτ的絕對值也在不斷增大,直至最大值6ms,然后隨著震源位置與固定相位點(diǎn)之間距離的進(jìn)一步加大,旅行時差Δτ的絕對值不斷減小,不斷趨近于2ms。圖6(b)為圖6(a)中所示的精確值和近似值之間的誤差曲線,可以看到,兩者的誤差在震源位置x=5m處達(dá)到最大絕對值0.34ms,隨著震源位置的不斷變化,兩者的誤差急劇減小,逐漸趨近于0ms,而實(shí)際地震數(shù)據(jù)的采樣間隔一般為1~2ms,所以在一定近似條件下,可以用式(12)來研究炮間距對反射波信息重構(gòu)的影響。圖7(a)為不同炮點(diǎn)處,通過R在不改變模型參數(shù)以及震源子波主頻的情況下,利用式(2)對不同炮間距下的反射波場進(jìn)行重構(gòu),得到圖9所示圖形,分析可知,在10m炮間距下所重構(gòu)的反射波場質(zhì)量最好,隨著炮間距的不斷增大,由不同道集疊加產(chǎn)生的諧振波形強(qiáng)度不斷增大,導(dǎo)致恢復(fù)的反射波信息的質(zhì)量不斷降低,直至完全淹沒在諧振波場中。從圖6(a)分析中可知,調(diào)諧采樣間隔約為10m,因此為了準(zhǔn)確恢復(fù)出反射波場,必須保證炮點(diǎn)采樣間隔不大于調(diào)諧采樣間隔,但同時,在大于調(diào)諧采樣間隔的15m和20m的炮間距下,反射波場依然可以得到較好恢復(fù)。這是因?yàn)殡m然在重構(gòu)的波場中已經(jīng)開始出現(xiàn)如圖4所示的偽同相軸,但是由于該偽同相軸的強(qiáng)度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于恢復(fù)的反射波場能量強(qiáng)度,因此并未影響反射波信息的拾取。隨著炮間距的增大,同相疊加所重構(gòu)的反射波場能量逐漸減弱,偽同相軸的能量相對增強(qiáng),逐步干擾直至完全破壞反射波信息的恢復(fù)。因此把已經(jīng)出現(xiàn)偽同相軸,并且偽同相軸的能量強(qiáng)度已經(jīng)影響反射波的重構(gòu)和拾取時的采樣間隔稱為可允許的最大采樣間隔。如圖9所示,雖然調(diào)諧采樣間隔約10m,但是可允許的最大采樣間隔達(dá)到20m范圍,此時重構(gòu)的反射波場信噪比為11。由于重構(gòu)的波場在20m的范圍內(nèi)變化最為劇烈,因此在之后的反射波場提取中,均采用20m的炮間距,以研究式(11)中其他參數(shù)對重構(gòu)反射波場的影響。由式(12)分析可知,炮點(diǎn)的采樣間隔可以通過影響旅行時差Δτ,進(jìn)而影響反射波場恢復(fù)的質(zhì)量。對于給定的介質(zhì)參數(shù)和檢波點(diǎn)的埋藏深度而言,這些因素對旅行時差Δτ的影響程度就已確定,因此只能通過減小炮間距來減小旅行時差Δτ,進(jìn)而提高虛源成像的質(zhì)量。3.1調(diào)諧采樣間隔持續(xù)增長原因及須年由式(10)分析可知,旅行時差Δτ與介質(zhì)的速度成反比關(guān)系,在只改變圖5所示模型的介質(zhì)速度條件下,可以通過式(10)計算出旅行時差Δτ隨介質(zhì)速度的改變而變化的情況,如圖10(b)所示。在固定相位點(diǎn)附近,旅行時差Δτ的變化最劇烈,隨著介質(zhì)速度的不斷增大,旅行時差Δτ曲線的最大和最小值之差不斷減小,而且其減小的速率也會隨著速度的不斷增大而變小,導(dǎo)致調(diào)諧采樣間隔也在不斷增大。圖10(a)所示為不同偏移距下重構(gòu)的互相關(guān)道集隨介質(zhì)速度的變化曲面,可以看到,隨著介質(zhì)速度的不斷增大,互相關(guān)道集曲線的變化程度逐漸趨于平緩,同相性增強(qiáng)。圖11是對圖10(a)所示的互相關(guān)道集疊加后的結(jié)果,可以看到,當(dāng)介質(zhì)速度為1000m/s時,諧振波形的強(qiáng)度已經(jīng)干擾了反射波信息的識別,此時應(yīng)減小炮點(diǎn)采樣間隔,進(jìn)而減弱諧振噪音的干擾。當(dāng)介質(zhì)速度增大到1500m/s時,雖然依舊存在一定程度的諧振噪音,但是重構(gòu)的反射波場信噪比已經(jīng)達(dá)到12,反射波信息并沒有被干擾和破壞掉。隨著介質(zhì)速度的不斷增大,信噪比仍為12,并未發(fā)生明顯改變,這與圖10(b)所示的旅行時差的減小速率隨速度的增大而變小相一致。3.2反射層深度對互相關(guān)道集曲線穩(wěn)定性的影響在只改變圖5所示模型目標(biāo)反射層深度的條件下,可以通過式(10)計算出旅行時差Δτ隨反射層深度的改變而變化的情況[圖12(b)]。在固定相位點(diǎn)附近,旅行時差Δτ變化最劇烈。隨著反射層深度的不斷增大,旅行時差曲線并未發(fā)生明顯改變,其中Δτ的最大和最小值之差也基本保持穩(wěn)定,導(dǎo)致調(diào)諧采樣間隔也基本保持不變。圖12(a)為不同偏移距下所重構(gòu)的互相關(guān)道集隨反射層深度的變化曲面,可以看到,隨著反射層深度的不斷增大,互相關(guān)道集曲線的變化程度并未發(fā)生顯著改變。圖13是對圖12(a)所示的互相關(guān)道集疊加后的結(jié)果,可以看到,雖然存在一定程度的諧振干擾,但是反射波信息依舊獲得了較好恢復(fù),信噪比為13。隨著目標(biāo)反射層深度的不斷增大,信噪比一直保持在13附近,并沒有發(fā)生明顯改變,這與圖12(b)所示的旅行時差曲線并未發(fā)生明顯改變相一致。3.3影響探測點(diǎn)的深度假設(shè)圖5所示模型的反射層深度為4000m,不斷改變檢波點(diǎn)R3.4檢測點(diǎn)r的影響在只改變圖5所示模型檢波點(diǎn)R4基于taper濾波的轉(zhuǎn)換波觀測系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)(1)基于射線分析的手段,可以推導(dǎo)出虛源成像觀測系統(tǒng)設(shè)計的定量表達(dá)式,并在炮間距足夠小的情況下,獲取物理意義更加明確的近似表達(dá)式。(2)從運(yùn)動學(xué)的角度定量解釋固定相位點(diǎn)的概念,即滿足反射波入射角等于直達(dá)波入射角的炮檢點(diǎn)空間分布。同時通過互相關(guān)道集的Taper濾波,解決由于炮檢點(diǎn)有限性產(chǎn)生的偽同相軸的影響。(3)當(dāng)炮間距不大于調(diào)諧采樣間隔時,旅行時差Δτ小于震源子波的1/4周期,可以