复杂地区地震资料低信噪比的原因及对策（二）——表层散射波的基本性质及形态特征

吴希光 李志荣 李正佳 殷 军 杨志超

川庆钻探工程公司地球物理勘探公司

复杂地区地震资料低信噪比的原因及对策（二）
——表层散射波的基本性质及形态特征

吴希光 李志荣 李正佳 殷 军 杨志超

川庆钻探工程公司地球物理勘探公司

为了对散射波有进一步的认识以及为压制技术提供基础依据，采用从散射源与对应散射波都比较简单、直观的记录入手，由简单到复杂、由个别到一般的基本方法，对其基本性质及形态特征进行研究。对三维空间而言，当散射源位于测线或离测线很近时，单个散射波形态是线性或近于线性的，且可分为正向散射、反向散射和双向散射；当散射源距离测线较远时，散射波形态是双曲型的；散射波的顶点位于散射源在测线的投影点；两翼趋势线与面波平行或基本平行。散射波主要分布于面波所夹的三角区内；散射波频率多为几个赫兹到约30 Hz；速度与面波速度相当。实际记录的复杂干扰背景主要是众多单个散射波的叠加结果。在复杂地区，散射干扰是导致记录低信噪比的根本原因。上述结论是对干扰波（散射波）认识的重大进展，对散射波的压制有指导意义。

散射波 形态 特征 单向散射 双向散射 线性散射 双曲型散射 信噪比

为对散射波有进一步认识，为压制技术提供基础依据，必须对散射波的性质及形态特征进行研究。但是，复杂地区的记录往往具有很复杂的干扰背景，要直接从这类记录分析散射波的某些性质与形态特征，几乎是不可能的。因此，还是遵循从简单到复杂、由个别到一般的的基本认识规律，从散射源与对应散射波都比较简单、直观的记录入手，在解剖分析简单散射波形态特征的基础上，再对比较复杂记录进行推理分析。

大量实例资料表明，炮记录的散射干扰波主要是由表层散射源产生并沿表层传播的，所以散射波本质上是一种面波。为了便于讨论并避免概念上的混淆，把由震源产生并沿表层直接传向检波点（或散射源）的面波称为源生面波，简称面波；把由震源产生的面波传到散射源，再由散射源产生、传向检波点的面波，称为散射面波，简称散射波。

1 散射波与反射波的基本区别

地球的非均匀性尺度差别很大，可达数个数量级。不同尺度的不均匀体对地震波具有不同的效应。对地震勘探而言，地震波入射到不均匀体一般会产生三种响应［1］：散射、绕射、反射。散射是最普遍的，产生条件最为宽泛；绕射次之；反射条件最为严格，不均匀性必须是大尺度的。

散射波与反射波的传播都遵循惠更斯—菲涅尔原理，这是两者的共同之处。对反射波而言，层状介质的分界面在一大范围内缓慢变化，换言之，是大尺度非均匀性引起的走时和振幅变化，点散射波的定向排列干涉叠加结果就是反射波。对于地下某一点来说，入射波与反射波是一一对应的，它遵循斯奈尔定理，入射角等于反射角。所以不管从几何地震学还是物理地震学来研究反射波都是可行的。而笔者讨论的散射波，与反射波的反射界面的起伏缓慢变化和延伸规模相比，引起散射的不均匀体个体很小，形态复杂，入射波与“反射波”不遵循斯奈尔定理，入射角与“反射角”是多对应的，一个方向的入射波对应若干个方向的“反射波”。因此，散射波是一个更为广义的概念，反射波是惠更斯—菲涅尔原理在入射角等于反射角情况下的一个特例，或者说反射波是散射波的特例［2］。

2 散射波的形态特征及分类

根据测线观察到的散射波的形态分类，比按散射体大小、散射次数分类，更有利于实际应用。从比较简单的散射波记录入手，观察单个散射波的基本形态特征。认识了单个散射波的基本形态，也就能更好地理解低信噪比记录复杂干扰的本质与原因了。

2.1 单个散射波的形态特征

单点散射波是散射波的基本形式［1］。为便于讨论散射波的形态特征，引入正向散射、反向散射、双向散射、双曲型散射等术语（图1）：

正向散射——散射波与初至波传播方向一致的散射，称正向散射。

反向散射——散射波与初至波传播方向相反的散射，称反向散射。

双向散射——散射波同时有正向、反向的散射，称双向散射。

双曲型散射——散射波的形状呈“双曲型”的散射，称双曲型散射。

图1 散射波形态类型示意图

按散射波时距曲线形态分为线性散射和双曲型散射。正向散射、反向散射和双向散射都属线性散射。要指出的是，双曲型的散射波形态，它不是严格的双曲线，动校正不能拉平，其动校时差比反射波时差要大，而且大得多。

2.2 散射波的顶点、形态与散射源位置的关系

散射波的顶点、形态与散射源位置的关系见图2。

2.2.1 散射波的顶点位置

当散射源在测线上时，散射源的位置就是散射波的顶点位置；当散射源不在测线上时，其散射波顶点位于散射源在测线的投影点。这里散射源“在测线上”和“不在测线上”是对三维空间而言的。

图2 散射波形态、顶点位置与散射源位置关系示意图

2.2.2 散射波的形态与散射源位置的关系

当散射源在检波线AB时（如散射源1），散射波是线性的，由于散射源的大小、形态不同，散射可以是正向的、反向的或双向的；当散射源不在三维空间检波线上时（如散射源2、3），散射波是双曲型的。散射源到检波线的距离越近，曲线越狭窄，反之越开阔。线性散射和双曲型散射两翼的趋势线与面波基本平行。

2.2.3 散射波的叠加特征

严格来说，在实际记录中是很难找到单个散射波的，前面讨论的单个散射波形态，是个别情况下，散射源较少或干扰背景虽然比较复杂，但单个散射波能量仍占有明显优势，笔者就把它看成单个散射波罢了。在低信噪比地区，会形成十分复杂的散射源系统，那些炮记录的强复杂背景是众多“散射体集合”结果［3］或把它看成是众多散射波的叠加结果。这类地区，不少记录往往具有由众多“线性短轴”构成的“网状”背景。这些短轴并不都是由在测线散射源形成的线性散射，更多是双曲型散射翼部被干涉的结果。

3 散射波的频率、速度及其分布

3.1 频率

在新疆库车、喀什、叶城、乌什地区，青海冷湖，陕西吴忠，甘肃靖远等地区的散射波进行过大量的扫描观察。结果表明，大多数散射波的频率比有效波频带偏窄、偏低，一般由数赫兹到30 Hz，部分达40 Hz。但是，在新疆阿图什出露Q1x的地段，散射波频率超过60 Hz。看来，散射波的频率分布与表层地质结构有关。总体而言，散射波的频率成分通常在有效频带范围内。

3.2 速度

由于众多散射波的叠加形成比较复杂的记录背景，往往不能直接从记录上求取散射波速度。由于散射波本质上是一种面波，且从线性散射波和双曲型散射波两翼趋势线与面波平行看，可以将面波速度看着是散射波的速度。具体速度与地区的表层介质性质有关。不同地区或不同地段，散射波速度可能不尽相同，要根据当地实际资料拾起统计确定。

3.3 在记录的分布

大量记录表明，不管是简单的还是复杂的散射波，主要分布于面波所夹的三角区内。三角区外由直达波、反射波等形成的散射干扰，要少得多、弱得多，西北地区记录的这一特点更为典型。西北厚黄土区和四川石灰岩区的记录，其三角区外的干扰也比较强，但三角区内的散射强度、复杂程度仍占优势地位。散射波在记录的这一分布特点说明，散射波主要是由面波产生的，也进一步支持了在《天然气工业》2012年第1期中“散射波的主要能源是面波”的基本结论［4］。

4 散射波形态特征实例记录

下面选择部分典型记录说明散射波的形态特征，这些例子也是对《天然气工业》2012年第1期中有关散射源的实例补充，有助于更好理解散射波与散射源的关系。

图3是散射波的典型实例，地形剖面简单，但特征典型。图中A是左、右不同时期形成的第四系结合部，A、D处为陡坎，BC段呈锯齿状地形，主要散射波如下：①、②、③分别为在A由折射波、面波产生的正向散射波和由面波产生的反向散射波；④主要为在BC段由面波产生的反向散射波带；⑤、⑥是在斜（陡）坡D由折射波产生的正向散射波和面波产生的反向散射波；⑦是由离测线较远的侧向散射源产生的大量双曲型散射。该记录是不同岩性结合部、陡坎产生散射波的例子，尽管直达波也产生散射波，但简单、较弱。

图3 线性散射和双曲型散射图

图4是新疆却勒112线记录，散射波与图3明显不同。在激发点以左戈壁与岩层结合部由于平面形态的复杂性，在Q1x分布地段，因陡坎、沟中砾石平面分布复杂，在炮点以左三维空间构成了复杂的散射源系统，众多散射波叠加在左三角区形成了复杂的干扰背景，也是高速岩层山区的复杂干扰例子；在右三角区，上部椭圆所示①为戈壁与岩层结合部产生的线性散射，下部近于线性的大量干扰波主要为炮点以左产生的双曲型散射波的翼部。

图4 山体区、砾石与岩层结合部形成复杂散射波图

图5是同一测线不同激发点的两炮记录。由图5可见：AB段对应的起伏地形、河沟陡坎为强散射源，炮点移动，散射源位置不变；图5－a记录两翼都存在大量反向线性散射及多次散射，两翼散射构成了三角区内的网状背景；图5－b记录三角区内同时存在线性反向散射和双曲型散射。这里看到，砾石的不均匀性（图5－a中①）、起伏地形、陡坎成为强散射源。

图6为同一测线不同激发点的两炮记录。除两炮都发育面波外，三角区都有较强的双曲型散射（位置不变）和大量正反向散射及多次散射，河沟陡坎也成为横向能量的明显分界线。对这类比较清晰的双曲型散射波，根据其顶点位置、时间和面波速度可以追踪具体散射源。

图7可见双曲型散射、大量强反向散射及相对较弱的多次散射。

图8可见明显的双向线性散射。调查表明，双向散射顶点附近测线横穿铁路，以左为植被、村庄，以右为戈壁，在戈壁的凸起梯形路基很可能是双向线性散射的散射源。

图5 同一测线不同激发点记录的线性散射与双曲型散射图

图6 同一测线不同激发点记录的双曲型散射和线性散射图

图9是喀什凹陷①号03－560记录。据现场观察，表层基本地质特点是：从现场平面看，中左地段，有Q2、Q3形成的狭窄山墚，沟中有Q4堆积；沟中砾石粒度大致近米，小至毫米；颗粒从上至下逐渐变细；中右地段，有由Q2、Q3形成的丘形凸起和陡坎。这些物质构成了斜坡带厚层第四系堆积，在大范围形成了如四边形内的强散射干扰。这也是表层厚砾石区不均匀地质结构产生的强散射波的典型实例，类似记录多达60余炮。在如左上角现场照片的陡坎处，折射波、面波都形成了如三角形所示的双向散射波，由面波形成的散射能量明显较强。

生产实际中，如图3、5、6、7、8所示的典型简单散射波形态并不多见，即使如此，也导致了对信噪比的恶劣影响，几乎见不到有效反射的痕迹。在复杂地区，散射源不会如此简单，由于在表层三维空间分布有形形色色的众多散射源，绝大多数记录往往都具有复杂的干扰背景（如图4的Q1x段、图9中四边形所示）。由于众多散射波的叠加，导致了记录的低信噪比。

由上述实例可见，散射波也具有主要分布于面波所夹三角区内的基本特点，进一步证实了散射波的主要能源是面波的基本结论。

图7 双曲型散射和线性射图

图8 双向散射和双曲型散射图

5 结论

1）根据记录散射波，按形态可分为线性和双曲型两大类，其中线性散射又可分为正向散射、反向散射和双向散射。散射源在测线的投影点即散射波的顶点位置。

2）对三维空间而言，当散射源在检波线上时，散射波是线性的；当散射源不在检波线上时，散射波是双曲型的。散射源和检波线的距离越近，曲线越狭窄，反之越开阔。线性散射、双曲型散射两翼的趋势线与面波平行或基本平行。

图9 复杂散射和双向散射图

3）散射波的速度与面波相当，散射波的频段位于有效波的频段范围内。

4）本文实例进一步支持了《天然气工业》2012年第1期中的重要结论：散射波主要分布于面波所夹的三角区内，面波是形成散射波的主要能源；在复杂地区，散射波是导致记录低信噪比的根本原因。

成文过程中得到了川庆钻探工程公司地球物理勘探公司的支持和关心，在此表示衷心感谢！

［1］李灿苹，刘学伟，王祥春，等.地震波的散射理论和散射特征及其应用［J］.勘探地球物理进展，2005，28（2）：81－89.

［2］勾丽敏，刘学伟，雷鹏，等.金属矿地震勘探技术方法研究综述——散射波地震勘探方法［J］.勘探地球物理进展，2007，30（2）：85－91.

［3］吴如山.地震波散射：理论与应用［J］.地球物理学进展，1989，4（4）：1－23.

［4］吴希光，李亚林，张孟，等.复杂地区地震资料低信噪比的原因及对策（一）——表层散射波是导致地震资料低信噪比的根本原因［J］.天然气工业，2012，32（1）：27－32.

Causes and solutions of a low signal－to－noise ratio of seismic data in complex areas，PartⅡ：Basic property and shape features of surface scattered waves

Wu Xiguang，Li Zhirong，Li Zhengjia，Yin Jun，Yang Zhichao
（Geophysical Ex ploration Company of Chuanqing Drilling Engineering Co.，Ltd.，CNPC，Chengdu，Sichuan 610213，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 2，pp.38－42，2／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

This paper aims to further understand the nature of scattered waves and provide basic data for the development of scattered wave suppression techniques.Therefore，from simple to complex and from specific to general，we studied the basic properties and shapes of scattered waves，beginning with the simple and visualized seismic records of both scattering sources and corresponding scattered waves.In 3－D space，a single scattered wave is in linear or near linear shapes and can be classified into forward scattered wave，reverse scattered wave，and bidirectional scattered wave when the scattering source is located on or close to seismic lines.In contrast，scattered waves show hyperbolic curve shape when the scattering source is far away from the seismic lines.The crest of a scattered wave is located at the subpoint of the scattering source on seismic lines.The trend lines on both sides are parallel or subparallel to surface waves.Scattered waves mainly occur in the triangle area between surface waves，their frequencies are in the range from several to 30 Hz or so，and their velocities are similar to those of surface waves.The complex interference setting of real seismic records is resulted from the superimposition of numerous single scattered waves.Scattered wave interference is the basic cause of a low signal－to－noise ratio in complex areas.These understandings can contribute to the suppression of scattered waves.

scattered wave，shape，feature，single directional scattering，bidirectional scattering，linear scattering，hyperbolic scattering，signal－to－noise ratio

吴希光，1940年生，高级工程师；长期从事地球物理勘探方法等研究工作，享受国务院政府特殊津贴。地址：（610213）四川省成都市华阳镇华阳大道一段1号。电话：（028）85608302。E－mail：wuxiguang－sc＠163.com

吴希光等.复杂地区地震资料低信噪比的原因及对策（二）——表层散射波的基本性质及形态特征.天然气工业，2012，32（2）：38－42.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.01.008

2011－08－04 编辑 韩晓渝）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.02.008

Wu Xiguang，senior engineer，born in 1940，has long been engaged in research of geophysical exploration methods.

Add：No.1，Sec.1，Huayang Street，Huayang County，Chengdu，Sichuan 610213，P.R.China

Tel：＋86－28－8560 8320 E－mail：wuxiguang－sc＠163.com