灰岩裸露区地震资料信噪比低的原因分析

杜宏钧,周 艳

(江汉油田分公司物探研究院,湖北武汉430035)

南方山地灰岩裸露区经历了从古生代到新生代多期构造运动,中古生代老地层直接裸露于地表,受强烈的构造抬升、挤压作用,地下构造断裂及断层众多,深浅层岩石破碎严重,岩性变化差异较大,地层产状变化多端。受风化、淋漓、剥蚀作用,溶洞、裂缝、喀斯特地貌十分发育,使得地表岩石弹性变差。起伏剧烈、严重非均质的地表特征造成地震波激发接收条件很差,近地表地层大量吸收地震激发的能量,不仅会造成地震波传播路径和地震波波场的复杂性,同时也会产生各种类型的强能量干扰波,进而导致原始单炮记录信噪比的降低和横向上的明显差异,因而必须了解灰岩区影响资料信噪比的重要因素。为此,笔者对灰岩裸露区地震资料信噪比低的原因进行了探讨。

图1 实际记录(左)和正演模拟记录(右)

1 灰岩区噪音特征

对灰岩裸露区出露岩性、地表起伏、高陡构造、溶洞等各种近地表模型进行全波场正演模拟分析,噪声的表现特征与实际单炮一致 (见图1),主要强能量噪声类型有多组面波、折射波、散射波及其多次。

近地表岩性和速度变化大,低降速层速度与高速界面产生多组的面波和折射,且有频散现象。在自由地表条件下,来自起伏地表的散射波异常发育,地形变化尖灭点的谐振能量强。在无低降速层时,不产生面波。地表地层产状剧烈变化时,各个方向的线性干扰交织在一起,噪音的线性特征不是很明显。

在灰岩裸露区,三叠系灰岩出露分布最广泛,岩性组合也最复杂。灰岩区单炮既有共同点,也存在很大的差异。在低降速带薄时,原始资料可见明显反射,高频信号衰减较慢。视主频30Hz,频带宽度在10～100Hz。主要干扰波有:①浅层折射及其多次 (V=4600m/s);②2组面波带干扰,频率和有效波接近 (V1=2200m/s,V2=2900m/s)。另外还存在侧向面波 (V=2410m/s),视主频10Hz(见图2(a))。风化程度高时,低降速带加厚,地震资料频率低,传播速度较低的多组面波淹没了本来很弱的有效反射波,地震资料信噪比极低 (图2(b))。

二叠系出露区多为喀斯特地貌,地层倾角大,地表风化程度差异大。其地震资料频率低,干扰波能量强,有效反射极其微弱。石炭系出露多为巨厚灰岩,电阻率极高,含水性极差,原始资料有效反射微弱,视频率高,信噪比极低,主要为高频随机噪音。

通过对理论模型和实际资料进行分析,发现灰岩区原始地震资料有以下特点:①灰岩的传播速度大,下传的能量弱,接收到的能量主要是干扰波,信噪比远小于1。②不同速度层之间产生面波,这是线性干扰的主要原因。速度差别越大,面波越强,同时也产生强折射波。③干扰波通过激发和接收条件产生。接收条件的差异大,导致噪音差别大。④噪音主要在通过近地表浅层时产生。

图2 三叠系灰岩单炮

2 激发接收条件对原始地震资料的影响

高速层中激发信号能量最强,噪声能量最弱,所以野外激发时都选择在深井高速层中激发,激发条件相对稳定,激发条件的变化包括激发岩性物性特征和复杂的岩性变化。炸药爆炸过程中,冲击载荷对介质的影响从内向外大体可分为破坏圈、塑性带和弹性变形区,化学能依次转化为围岩的破坏、介质吸收和弹性波传播[1]。在实际勘探过程中,能量消耗在对围岩的破坏上,有效反射的饱和药量小于总单炮能量分析得到的饱和药量。密度越大,传播速度越高;孔隙度越小,含水性越差,电阻率越高,对能量的屏蔽作用越强。灰岩与下伏地层之间的阻抗小,反射系数小,接收的能量越弱,噪音越强,信噪比越低。

从接收条件上看,不同的地层属性、地表岩性、地层产状、物性特征和风化程度组合非常复杂,产生不同速度、频率、强度的面波和折射波及其多次,另外还有槽波、散射、侧面波、鸣震和高低频随机噪音,形成复杂的干扰波。在巨厚灰岩出露时,电法剖面上显示电阻率极高;在典型的喀斯特地貌,电法剖面上显示电阻率很低。激发产生的能量大部分在浅层传播和转化,当遇到岩溶特征地貌时,产生低频鸣震或谐振波,从时间和空间方向上继续向外传播,单炮上表现为面波多次和侧向散射。地表产状高陡时,形成的干扰波物理特性发生改变,形成大量频散,使噪音识别困难。而地下反射改变传播方向,导致从地面接收不到真正来自地下的反射。地表岩性组合横向变化大,不同灰岩、泥灰岩、页岩、砂泥岩传播速度纵横向变化大,甚至出现传播速度倒转,噪音表现为面波及其多次、逆向散射、槽波等[2]。

在灰岩裸露区,三叠系灰岩激发条件是最好的 (见图3),但原始地震资料的品质和接收条件有直接的关系。在大号段,三叠系地层比较平缓,接收的资料可见明显反射,频率较高;在小偏移附近,地层陡峭、倾角大时,有效反射弱,噪音强;在小号段,二叠系灰岩地区尽管地层平缓,但接收的能量弱,原始单炮信噪比最低。

图3 三叠系激发 (不同岩性接收)

不同接收条件叠加剖面对比表明在泥盆系地层出露接收时,中深层有较强的反射 (见图4)。在石炭系接收时,即使在泥盆系激发,地震资料的信噪比依然很低。根据地面地质调查,发现该段出露地层为石炭系巨厚灰岩,其电阻率极高,含水性和接收条件差,由此决定了地震资料信噪比低。

图4 不同接收条件叠加剖面对比

3 去噪关键技术

灰岩裸露区叠前去噪的关键是根据信号与噪声在能量、频率和速度等方面的特征差异,做好强能量线性干扰波的压制。能量较强的有以下3组:灰岩和砂泥岩之间 (2600～2900m/s);高速层与降速层之间 (2000～2200m/s);高速层与低速层之间 (800～1500m/s)。利用均值加权法拾取相干噪音,在相干干扰区不同频段和时窗下完成信噪分离,从而达到既去噪又保真的目的。去噪后的单炮,有效反射得以凸显,2组强能量面波基本得到压制,保真度高 (见图5)。

图5 均值加权消除相干干扰

4 结 语

通过对不同近地表模型的全波场正演模拟分析,结合地表地质条件对实际记录噪音进行对比分析及对灰岩区资料进行处理,表明灰岩区具有地表和地下地质条件的双重复杂性,而地面地质条件导致接收条件差是原始地震资料信噪比低、干扰波发育的最主要原因。因此,在野外地震勘探中应尽可能改善接收条件和优化接收因素。

[1]陆基孟.地震勘探原理 [M].东营:石油大学出版社,1996.

[2]周锦明.地震数据精细处理 [M].北京:石油工业出版社,2003.