如何获得高分辨率的地震资料始终是地震勘探领域的重点研究内容之一。除了改进采集方式获得高精度宽频资料外, 对所获得的资料进行高分辨率处理也是一条重要途径。近年来, 国内外学者提出了多种提高分辨率的处理方法, 如反褶积^[1-2]、谱白化^[3-4]、宽带约束反演^[5]、反Q滤波^[6-8]、井地联合处理^[9-13]、叠前分角度处理^[14]等, 均取得了明显的应用效果。反褶积^[1-2]类方法通过对地震记录中的地震子波进行压缩达到提高分辨率的目的, 是目前提高叠后地震资料分辨率重要且有效的手段。目前该类方法已经发展了很多实用算法, 但为了实现稳定的反褶积, 需作子波最小相位假设。然而, 由于实际资料中的地震子波多为混合相位, 该方法的应用效果受到限制, 同时, 为了减少噪声对反褶积算子的影响, 发展了时频域反褶积方法, 并取得一定的进展^[15]。

工业界常用的谱白化方法^[3-4]具有操作简单、鲁棒性强等优点, 缺点是保真性较差。宽带约束反演方法^[5]是将地震资料、测井信息和先验地质知识有机结合起来的叠后迭代反演方法, 可以大幅度提高地震剖面的分辨率, 尤其是在井资料比较密集的情况下, 效果明显优于反褶积方法。但是此类方法强烈依赖于初始模型, 反演结果往往具有多解性。反Q滤波方法^[6-8]通过补偿地震波在地下介质中传播时产生的衰减效应来提高地震信号分辨率, 其应用效果直接取决于地层品质因子Q值模型和Q值估计精度, 如何较为准确地估计Q值是该方法需要解决的难题。CHOPRA等^[9]利用井中不同深度VSP资料获得地震波的幅度和频率衰减特性, 成功地恢复了地震资料中被衰减的高频分量。程亮等^[13]给出了一种井地联合的提高地震资料分辨率方法, 并利用实际资料验证了方法的有效性。张明振^[14]根据叠前道集小角度数据及大角度数据同源的机理, 提出一种压制大角度数据调谐效应, 进而提高叠加数据分辨率的方法。

利用小波变换提高地震资料分辨率也一直是业界的研究热点。吴爱娣等^[16]应用二维连续小波变换提高地震资料分辨率, 方法是利用信号及噪声在时间、频率、空间及波数域的差异来提高地震资料信噪比, 同时通过调整各尺度信号能量大小提高地震资料分辨率。陈文超等^[17]在连续小波域大幅度提高了过井地震剖面的分辨率, 指出井震资料匹配程度限制了该方法的应用效果。王西文等^[18]将井旁地震道及合成地震记录在小波域分频展开, 提出了一种参考合成地震记录优化实际地震数据小波重构系数的方法, 该方法能明显地提高地震资料分辨率。此外, 王西文等^[19]构造了能提高地震资料分辨率、提取瞬时属性的导数小波函数方法, 取得了明显的应用效果。邱庚香等^[20]对地震记录进行二进小波多分辨率分解, 通过补偿高频分量来提高地震记录分辨率, 然而, 该方法的应用效果受制于原始资料信噪比。SMITH等^[21-22]利用连续小波变换拓展地震资料的有效带宽, 明显提高了地震资料的分辨率。该方法不仅能对信号的高频段进行补偿, 而且能对信号的低频段进行补偿, 在提高地震资料分辨率的同时, 使地震信号保真度明显高于常用的谱白化等方法。陈文超等^[23]进一步发展了连续小波域提高地震资料分辨率的方法, 利用时变信号在时间-尺度域的多分辨特性, 基于宽频带高分辨率地震信号振幅谱能量近似水平的假设, 在连续小波变换域拓展地震资料的有效带宽。

本文研究了连续小波域自适应地震资料频谱拓展方法, 给出了方法的具体实现步骤及主要参数选择策略, 利用准噶尔盆地高密度采集三维叠前时间偏移数据验证了方法的有效性。

地震波在地下介质中传播时, 高频信号相对低频信号吸收衰减更快, 形成了地震信号主频低、带宽窄的特点。若将地震信号分解到连续小波域, 则表现为高频信号的小尺度小波系数能量相对较弱。基于宽频带高分辨率地震信号振幅谱能量近似水平的假设, 在连续小波域补偿传播损失的高频能量, 可以恢复地震资料的高分辨率特征。

首先, 对单道地震信号做连续小波变换。将单道地震数据分解到时间-尺度域, 即获得拓频前地震信号的小波变换系数:

式中, f(t)为单道地震信号, Ψ(t)为母小波, τ和s为平移因子及尺度因子。连续小波变换在时频平面(即时间-尺度平面)内具有良好的局部化特性和冗余特性, 为频率域拓展频带提供了可能性。连续小波变换的时频分辨率受不确定性原理的约束, 同时与尺度相关:尺度增大时, 时间分辨率较低, 频率分辨率较高; 反之, 尺度减小时, 时间分辨率较高, 频率分辨率较低。

其次, 在原始地震信号的振幅谱中选择一个基准频率, 计算所需要拓展频率的范围。由于信号的有效频宽按照倍频变化时, 时间域观察到的信号分辨率变化最明显, 因此, 频谱拓展范围的计算采用倍频程的方式。图 1为拓展频率范围选择示意图, A表示所选择的高频端基准频率, 即原始地震数据有效频宽的高截频对应的频率值, B为A/2, B到A之间的频率段为与拓展高频段对应的基础频率。下文例子中, 基准频率A(即高频基准频率)约为20 Hz, 则B约为10 Hz。拓展的高频分量的频率称为谐波(一次谐波、二次谐波等), 基础频率段为B(即A/2)到A之间, 一次谐波频率段为A到2A之间, 二次谐波为2A到4A之间, 以此类推。利用基础频率段的振幅谱预测谐波的振幅谱, 即通过计算基础频率段的能量密度校正谐波的能量密度, 使得谐波能量密度与基础频率段能量密度基本一致, 从而达到拓展带宽的目的。低频端拓展频率范围选择与高频端类似, 图 1虚线即为拓展低频端的基准频率(假设为C)。下文例子中, 低频基准频率约为5 Hz(即低截频对应的频率值)。拓展的低频分量的频率称为次谐波(一次次谐波等), 其中一次次谐波频率段在C/2到C之间。低频端(次谐波)频谱拓展与高频端(谐波)频谱拓展类似。以上校正过程均需在连续小波域完成。

图 1(Fig. 1)

图 1 拓展频率范围选择

最后, 在时频域(即时间-尺度域)得到已拓展带宽的信息, 方法是:将谐波、次谐波频率段对应的时间域尺度下的小波系数W(τ, s)乘以一个相应的权值因子, 得到加权后的小波系数$\widetilde{W}(\tau, s)$。权值因子根据数据的特征给出, 取值大约为0.5~1.0。对$\widetilde{W}(\tau, s)$进行连续小波变换的逆变换, 根据(2)式重建已扩频的时间信号$\widetilde{f}( t)$:

式中:C_Ψ为满足可允许性条件的常数, 其数值由母小波决定。另外, 本文采用了Morlet小波作为小波母函数。

M6三维工区位于准噶尔盆地腹部沙漠地区。勘探目的层包括侏罗系(J)、三叠系(T)、二叠系(P)、石炭系(C), 以二叠系、石炭系为主。地表沙丘对地震波有很强的吸收衰减作用, 严重降低了地震分辨率; 同时, 目的层埋深大, 进一步增加了目的层识别的难度。该工区的地震资料为可控震源高密度高效采集资料, 采用宽频带震源激发(扫描频率为1.5~84.0 Hz)、宽方位接收(主要目的层段观测系统横纵比约为0.78)、高覆盖次数(大约1 000次)以及基于表层精细调查的吸收补偿等。在数据处理阶段, 采用分类、分阶段、多域等多种手段压制各种噪声^[24-26], 提升了地震资料的信噪比。但该工区叠前时间偏移数据存在低频信息丰富、主频低、高频弱的问题, 影响了地质目标的识别。为此, 采用本文方法进行了提高分辨率处理。

图 2对比了过M6井线地震剖面应用本文方法处理前后的结果, 图 2a为处理前的叠前时间偏移剖面, 图 2b为本文方法提高分辨率处理后的结果。可以看出, 应用连续小波变换自适应拓频方法后, 剖面时间方向分辨率得到了明显提升, 且保持了较高的信噪比。时间分辨率的提高使白垩系(K)、侏罗系(J)、三叠系(T)、二叠系(P)、石炭系(C)地震反射接触关系更加清楚, 断裂特征改善, 断点清晰。尤其是在大幅度提高侏罗系强反射同相轴分辨率的同时, 改善了石炭系顶界与二叠系不整合接触关系的成像, 为后续高精度属性分析提供了良好的数据, 也为石炭系构造研究提供了丰富的信息。

图 2(Fig. 2)

图 2 过M6井线地震剖面应用本文方法处理前(a)后(b)的结果对比

图 3是图 2对应数据的多道归一化振幅谱, 其中红线为应用本方法前的归一化振幅谱, 绿线为本文方法拓频后数据的归一化振幅谱。可以看出, 本文方法明显拓展了地震记录的有效频宽(包括高频段及低频段), 尤其是对低频段有效能量具有良好的保持能力, 为后续与反演相关的处理环节提供了有力保障。

图 3(Fig. 3)

图 3 过M6井线地震剖面应用本文方法处理前后归一化振幅谱对比

以下参照原始数据的多道归一化振幅谱具体说明本文方法的参数选择问题。如图 3所示, 原始资料高截频约20 Hz, 即基准频率A=20 Hz。经过分析发现, 原始数据有较高的信噪比, 且在60 Hz频段还存在有效信息, 因此可将原始数据高频截止频率由20 Hz扩展至80 Hz。应用本文方法, 即可扩展一次谐波段(A至2A)及二次谐波段(2A至4A)的高频能量。原始数据低频能量的拓展与高频能量拓展类似。在利用本文方法进行实际资料处理时, 可根据具体情况对频谱拓展后的数据进行低通滤波, 以保持数据的信噪比。例如, 虽然本文方法可将高频端拓展到80 Hz, 但考虑到60 Hz以上基本没有有效信息, 因此可利用高截频为60 Hz的滤波器进行低通滤波。由图 3可以看出, 如果低频按2 Hz计算, 则提高分辨率处理后数据频宽约为5个倍频程。也就是说, 该区域利用低频震源勘探得到了宽频成果数据(5个倍频程), 这与目前工业界关于宽频带高分辨率地震数据采集、处理的认识是一致的。

MZ三维工区位于准噶尔盆地玛湖西斜坡中段, 为玛湖地区高密度三维高分辨率勘探攻关的重点区域, 主要地质目标是三叠系和二叠系。对该目标的勘探主要存在以下难题:①地震资料主频低、频带窄、整体分辨率低; ②储层薄导致岩性目标边界难以落实; ③断裂不清晰影响圈闭识别。为获得高品质宽频原始地震资料, 该工区三维地震采用井炮采集, 并开展了精细的近地表激发岩性与深度调查。然而, 经攻关处理得到的叠前时间偏移数据分辨率还是难以满足地质目标研究的需求。

为此, 我们抽取过MZ4井主测线的叠前时间偏移数据进行了小波域提高分辨率处理试验。图 4对比了过MZ4井主测线三维地震剖面应用本文方法处理前后的结果, 可以看出, 本文方法在明显提高三叠系和二叠系等主要目的层反射同相轴分辨率的同时, 保持了较高的信噪比。与本文方法处理前的叠前时间偏移结果相比, 处理后的结果具有三个显著特点:①三叠系及以上地层分辨率明显提高; ②改善了断裂成像质量, 断点更加清晰干脆; ③三叠系白碱滩组(T₃b)、百口泉组(T₁b)油层所在砂层组的空间展布变得清晰, 有利于识别圈闭边界。

图 4(Fig. 4)

图 4 过MZ4井主测线三维地震剖面应用本文方法处理前(a)后(b)的结果对比

图 5为本文方法应用前后过MZ4井线归一化平均振幅谱。可以看出, 经本文方法处理后的结果频宽拓展明显, 35~60 Hz范围的信号能量得到提高, 主频从20 Hz提高到35 Hz左右。同时, 本文方法处理后较好地保持了低频信号的能量, 说明本文方法具有显著的保持振幅能力。

图 5(Fig. 5)

图 5 图 4对应数据归一化平均振幅谱对比

本文研究了连续小波域提高分辨率处理方法, 对准噶尔盆地高密度宽频采集的三维叠前时间偏移数据进行了频带拓展, 同时拓展了原始数据的高、低频有效信号, 取得以下成果与认识:

1) 沙漠区M6工区的实际资料拓频处理使白垩系、侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系地震反射接触关系更加清楚, 断裂特征改善, 断点清晰, 尤其是在大幅度提高侏罗系强反射同相轴分辨率的同时, 改善了石炭系顶界与二叠系不整合接触关系成像。

2) 玛湖地区MZ工区实际资料拓频处理较好地提高了侏罗系至三叠系地层分辨率, 改善了断裂成像, 使断点更加清晰干脆, 三叠系白碱滩组、百口泉组油层所在砂层组的空间展布变得清晰, 有利于识别圈闭边界。

3) 本文方法对于宽频采集的地震资料有良好的适应能力, 采用基于低频震源的陆上宽频采集技术并结合高分辨率处理方法, 获得宽频地震资料切实可行。

4) 目前常规勘探技术用于沙漠、黄土源探区或者深层目标很难进一步拓展高频信息, 建议采用宽频采集技术, 即尽量提高低频有效信息能量, 获得宽频成果资料。另外, 将叠后拓频方法推广至叠前, 配合保真去噪、高精度速度估计及各向异性校正等, 也可进一步拓展地震资料的高频有效信息。