地表數(shù)據(jù)驅動的層間多次波消除方法

地表數(shù)據(jù)驅動的層間多次波消除方法

0ce-relesdvi對多次波的預測傳統(tǒng)地震資料處理通常只包括一次反射波，而地震資料中的實際地震數(shù)據(jù)往往存在許多干擾。特別是在具有強反射界面的情況下，多波的存在對地震資料的處理和對后續(xù)地質解釋的解釋存在許多問題。有效消除多波影響一直是地震數(shù)據(jù)處理的重要步驟。目前,人們已提出多種方法對多次波進行消除,其中基于波動方程的以數(shù)據(jù)為驅動的多次波消除方法能更好地適應復雜構造情況且無需地下速度信息,因而得到人們的重視并快速發(fā)展.該類多次波消除方法主要包括基于散射理論的逆散射級數(shù)法和基于反饋模型的多次波消除方法.這些方法首先被應用于地表相關多次波的消除并取得了較好的應用效果.由于層間多次波的產(chǎn)生過程更加復雜,所以對層間多次波的預測與消除相對也更加困難.Araujo等(1994)、Coates和Weglein(1996)、Weglein等(1997)對逆散射級數(shù)層間多次波消除方法進行了理論研究.基于逆散射原理的多次波消除方法可以同時對所有的層間多次波進行處理,不需要地下先驗信息,但不足在于該方法的運算量過大.基于反饋模型的地表相關多次波消除方法SRME(Surface-RelatedMultipleElimination)由Berkhout和Verschuur提出,該方法基于波動理論并利用數(shù)據(jù)矩陣的概念進行多次波的預測,并利用反饋迭代的方法將所預測的多次波減去(Berkhout,1982;Verschuur,1991;Verschuuretal.,1992;BerkhoutandVerschuur,1997;VerschuurandBerkhout,1997).該方法對地表相關多次波的消除取得了較好的效果,已在工業(yè)上得到了廣泛的應用.為了進一步解決層間多次波的干擾,Berkhout和Verschuur(1997)提出利用波場外推技術在產(chǎn)生多次波邊界處重新定義半接受面,進而將SRME算法擴展至層間多次波,其中用于重建基準的算子可以利用共聚焦點(CFP,CommonFocusPoint)算子修正技術精確地求得(Berkhout,1997a;Thorbecke,1997).Berkhout和Verschuur(2005)對基于CFP技術的與邊界相關和與層相關的兩種層間多次波消除方法進行了理論上的詳細闡述,Verschuur和Berkhout(2005)對所提方法的實際數(shù)據(jù)應用進行了詳細討論.Jakubowicz(1998)基于多次波的運動學特性(Keydaretal.,1997),提出基于地表數(shù)據(jù)驅動的層間多次波消除方法,該方法無需延拓地震數(shù)據(jù)以構建CFP道集,可直接利用在地表觀測的地震數(shù)據(jù)預測與某一邊界相關的層間多次波,有效減少了預測層間多次波的計算量.宋家文等(2014)、葉月明等(2014)通過模型數(shù)據(jù)及實際數(shù)據(jù)驗證了該方法的有效性.VanBorselen(2002)將這一方法進一步擴展,在兩個反射軸之間定義一個偽邊界,從而預測所有穿過這一偽邊界的層間多次波.地表數(shù)據(jù)驅動的層間多次波消除方法幾乎不受人為因素影響完全由地表數(shù)據(jù)驅動進行多次波預測,同時具有較高的運算效率.最近,Ypma和Verschuur(2013)基于稀疏反演法預測一次波的原理(VanGroenestijnandVerschuur,2009a,b),將層間多次波消除的過程作為一種全波形反演的過程.Song等(2013)對比了三種基于反饋模型的層間多次波消除方法:基于CFP的方法,地表數(shù)據(jù)驅動的方法和基于反演的方法.基于反演的方法預測的層間多次波更加清晰連續(xù),但從運算效率來看地表數(shù)據(jù)驅動的方法更加高效.基于CFP的方法的運算量是地表數(shù)據(jù)驅動方法的兩倍,而基于反演的方法的運算量則是地表數(shù)據(jù)驅動方法的數(shù)十倍.Jakubowicz(1998)提出的地表數(shù)據(jù)驅動的層間多次波消除方法屬于與邊界相關的算法,每次只能處理一個邊界的向下散射,而且需要在疊前數(shù)據(jù)上選擇一個正確的一次反射波.VanBorselen(2002)進一步將地表數(shù)據(jù)驅動的層間多次波消除方法拓展至與層相關的算法,提高了運算效率,并給出了應用實例,但并沒有給出該方法嚴格的推導過程.本文在CFP方法的理論基礎上進一步推導了地表數(shù)據(jù)驅動的與層相關的層間多次波消除方法,從波場理論的角度解釋了基于地表數(shù)據(jù)的層間多次波消除方法的原理,從而明確其與基于CFP技術的層間多次波消除方法之間的內(nèi)在聯(lián)系.對模型數(shù)據(jù)和野外實際數(shù)據(jù)的應用實例都表明了所提方法的有效性.1方法原理1.1cfp道集的基本原理地震數(shù)據(jù)在空間上是離散的,在二維情況下,單一頻率成分的所有疊前數(shù)據(jù)可以組成一個數(shù)據(jù)矩陣(Berkhout,1982),如圖1所示.通常用P表示某單一頻率的數(shù)據(jù)矩陣.Verschuur等(1992)提出的SRME算法利用數(shù)據(jù)矩陣的表達方式對地表相關的多次波進行預測,公式為其中,M為地表相關的多次波,A(f)為地表算子,體現(xiàn)了震源和檢波器的特性,PBerkhout和Verschuur(1997)提出通過迭代方式進行地表相關的多次波消除,公式為其中P為消除層間多次波引入了CFP道集的概念.一個CFP道集代表炮點位于地下同時所有檢波點位于地表的聚焦數(shù)據(jù)(對于共檢波點道集反之).利用CFP道集按SRME方法的原理就能預測得到與該邊界相關的層間多次波,如圖4所示.對檢波點聚焦可表示為在公式(3)中,z類似地,對炮點聚焦過程可表示為其中P(z根據(jù)反饋迭代算法,與邊界z在公式(5)中,PBerkhout和Verschuur(1999)提出了與層相關的層間多次波消除方法,該方法不指定特定的產(chǎn)生層間多次波的邊界,而是選擇一個邊界中間的某個深度面.同樣利用CFP技術得到三種數(shù)據(jù):第一種是炮點在地表,檢波點延拓至指定深度面的半重定基準面的虛檢波點道集(圖6中紅色路徑),第二種是炮點和檢波點都延拓至指定深度的全重定基準面數(shù)據(jù)(圖6中黃色路徑),第三種是炮點在所制定的深度,檢波點在地表的半重定基準面的虛炮點道集(圖6中藍色路徑).這里對于半重定基準面數(shù)據(jù)需將選定深度以上介質中傳播的波場切除,對于全重定基準面數(shù)據(jù)只需用到選定深度以上介質傳播的波場,需對全重定基準面數(shù)據(jù)進行逆時處理.首先將虛檢波點道集與全重定基準面數(shù)據(jù)進行褶積,然后與虛炮點道集進行褶積.通過兩次褶積即預測得到了相應的層間多次波.最后將所預測的層間多次波從原始數(shù)據(jù)中自適應減去就實現(xiàn)了層間多次波的消除.另外,如果令ΔQ(z1.2基于數(shù)據(jù)驅動的算子更新基于CFP技術的層間多次波算法需要對地震數(shù)據(jù)進行聚焦運算,這大大增加了多次波預測過程的計算量.另外,與邊界相關的層間多次波算法需要準確的聚焦算子對地震數(shù)據(jù)進行聚焦運算.為避免對準確地下速度的需要,雖然可以通過一個數(shù)據(jù)驅動的過程對有誤差的聚焦算子進行算子更新(Berkhout,1997b;Thorbecke,1997),但這仍需要交互性操作.與層相關的層間多次波算法不需要準確的聚焦算子,算子的誤差可在計算過程中抵消.但其涉及的計算量是與邊界相關算法的兩倍.為了避免聚焦算子更新所涉及的交互操作以及聚焦運算導致的額外計算量,我們進一步推導出地表數(shù)據(jù)驅動的層間多次波消除方法,與基于CFP技術的層間多次波消除方法類似,這種方法也可以分為與邊界相關和與層相關的兩種算法.1.2.1設計面波的褶積函數(shù)與邊界相關的層間多次波消除方法中多次波的預測過程是通過兩個半重定基準面數(shù)據(jù)的褶積實現(xiàn)的.根據(jù)公式(5),在頻率域中用數(shù)據(jù)矩陣可將多次波的預測過程表示為將公式(3)和公式(4)代入上式,公式(7)可以寫為其中:兩個聚焦算子的褶積等價于相關邊界的一次反射ΔP1.2.2地表數(shù)據(jù)驅動的層間多次波消除方法2.為了實現(xiàn)基于地表數(shù)據(jù)的與層相關的算法,我們對公式(7)做進一步擴展.同樣地,我們將公式(3)和公式(4)代入公式(7),即用包含地表數(shù)據(jù)的表達式替換原來的虛炮點和虛檢波點數(shù)據(jù).另外,對于全重定基準面數(shù)據(jù)有:其中ΔP(z將公式(9)也代入公式(7),我們能得到:同時,Thorbecke(1997)指出[F(z根據(jù)公式(11),我們即可直接利用地表觀測數(shù)據(jù)實現(xiàn)與層相關的層間多次波預測.根據(jù)以上的推導我們不難發(fā)現(xiàn)地表數(shù)據(jù)驅動的層間多次波消除方法與基于CFP技術的層間多次波消除方法具有相同的本質.區(qū)別只是在于地表數(shù)據(jù)驅動的層間多次波消除方法將原CFP道集的波場分解再合并從而巧妙地將聚焦算子相互抵消進而避免了聚焦運算,這樣即可直接利用地表觀測數(shù)據(jù)進行層間多次波的預測.2地表數(shù)據(jù)驅動的層間多次波預測在多次波去除的實際處理過程中,需分析具體情況選擇不同算法.Verschuur和Berkhout(2005)對在不同情況下選擇與邊界相關的算法還是與層相關的算法做了詳盡的討論.本文以二維背斜模型為例討論了在具體情況下如何選擇應用兩種算法.模型如圖8所示,其中共有4個反射邊界.淺層沉積速度變化較小,是兩個弱反射邊界.深部存在高速的背斜構造,因此產(chǎn)生兩個強反射邊界.這種情況下,淺層沉積的波阻抗較弱,而在弱反射邊界之間其產(chǎn)生的層間多次波能量會更弱.在實際資料中這些微弱的多次波能量甚至會湮沒在噪聲之中,所以我們可忽略這種能量微弱的層間多次波.但要注意弱反射邊界與強反射邊界之間產(chǎn)生的層間多次波能量會較強,有必要對這種類型的層間多次波進行消除.因此我們以圖8中所示的虛線作為重定基準面,利用與層相關的算法預測淺部兩個弱反射邊界與深部兩個強反射邊界之間產(chǎn)生的層間多次波.另外,兩個強反射邊界之間產(chǎn)生的層間多次波具有更強的能量,這類層間多次波需進行針對性重點消除.對此我們選擇與邊界相關的算法預測深部強反射邊界之間產(chǎn)生的層間多次波.根據(jù)速度模型,通過有限差分方法進行正演得到模擬地震記錄(正演過程忽略地表相關多次波).圖9所示炮集炮點位于x=5000m處.數(shù)據(jù)中包含的各種一次波和層間多次波已在圖上進行了標注.其中層間多次波按反射順序(向上-向下-向上,等)在圖中進行標示.利用地表數(shù)據(jù)驅動的層相關算法預測與淺層弱反射邊界相關的層間多次波.首先,通過對地表數(shù)據(jù)進行簡單的內(nèi)切處理我們可得到只包含重定基準面之上的反射數(shù)據(jù)(如圖10a所示),通過外切處理我們可得到只包含重定基準面之下的反射數(shù)據(jù)(如圖10b所示).利用這兩套數(shù)據(jù)我們應用地表數(shù)據(jù)驅動的層相關算法預測得到與淺層兩個弱反射邊界相關的層間多次波(如圖10c所示).注意為了方便說明,這里只展示了整個數(shù)據(jù)體中的一個炮集數(shù)據(jù),運算過程需用到整個數(shù)據(jù)體進行多次波的預測.之后將預測得到的層間多次波以自適應相減的方式從原始數(shù)據(jù)中去除,與邊界1和2相關的層間多次波得到了有效地消除(圖11).針對與深層強反射邊界3相關的層間多次波,我們可通過地表數(shù)據(jù)驅動的邊界相關算法對其進行預測并消除.類似地,我們將已消除與邊界1和2相關的層間多次波的數(shù)據(jù)進行切除處理可得到下一步層間多次波預測所需的數(shù)據(jù)(如圖12a、b所示).通過地表數(shù)據(jù)驅動的邊界算法預測得到與邊界3相關的層間多次波(圖12c).通過自適應相減我們可以得到去除所有層間多次波的結果(圖13b),圖13c為去除的所有層間多次波.3地表數(shù)據(jù)驅動的層間多次波消除技術以某陸上地區(qū)的實際地震資料對地表數(shù)據(jù)驅動的層間多次波消除方法進行實例應用.從該地震資料的疊加剖面(圖14a)我們能發(fā)現(xiàn)圖中箭頭所指位置的反射能量較強,在這種強反射邊界存在的情況下層間多次波對地震資料會產(chǎn)生較為明顯的影響.疊加剖面的自相關結果(圖14d)也顯示出較為明顯的周期性能量,這也驗證了地震資料中確實存在著層間多次波影響.另外,圖15顯示了經(jīng)預處理后的CMP道集(圖15a)及其對應的速度譜(圖15b).從速度譜上看,在1.1s、1.4s及2.3s附近都有明顯的相對低速能量,這些相對低速能量意味著多次波的存在.Weglein(1999)指出層間多次波經(jīng)常具有與一次波相似(甚至更高)的速度.層間多次波的這種特性使得根據(jù)多次波與一次波速度差異進行的多次波消除手段(如Radon變換)難以取得滿意的效果.根據(jù)資料特點,首先以圖14a中所示的黃色虛線作為重定基準面,利用地表數(shù)據(jù)驅動的層相關算法對與黃色基準面之上的邊界相關的層間多次波進行消除;之后針對箭頭所指的強反射邊界,利用地表數(shù)據(jù)驅動的邊界相關算法對與該強邊界相關的層間多次波進行消除;最后以紅色虛線作為重定基準面,利用地表數(shù)據(jù)驅動的層相關算法對與強反射邊界與紅色重定基準面之間的邊界相關的層間多次波進行消除.通過這樣的層間多次波去除策略地震資料中的層間多次波得到了有效消除.多次波消除后的疊加剖面如圖14b所示,其自相關(圖14e)中的周期性能量得到了明顯的消除.在速度譜上看,消除多次波后的地震數(shù)據(jù)的CMP道集(圖16a)對應的速度譜(圖16b)中位于1.1s、1.4s及2.3s附近的低速能量(紅色箭頭所示)得到了有效消除