近地表地震散射波分离方法

徐基祥，McLean B F，宋雪娟

（1.中国石油勘探开发研究院；2.北京勘源科技有限公司）

近地表地震散射波分离方法

徐基祥1，McLean B F2，宋雪娟1

（1.中国石油勘探开发研究院；2.北京勘源科技有限公司）

针对常规去噪处理无法压制近地表散射波的问题，通过分析近地表地震散射波特征，利用地震干涉测量理论，实现近地表地震散射波分离。山地地震资料信噪比普遍较低，有效波能量弱，近地表散射波能量强，地震数据处理中必须分离近地表散射波，提高地震资料信噪比。相邻炮集上的近地表地震散射波同相轴相互平行，根据近地表散射波运动学规律，通过地震干涉测量，消除地震波传播过程中相同路径的影响，近地表散射波得到相干加强，进而从原始地震记录中将其分离。以中国西部山地地震资料为例，通过直达波场与全波场地震干涉测量，加强散射波能量，进行散射波分离，处理后的地震资料基本消除了近地表散射波，验证了近地表地震散射波分离方法的有效性和可行性。图16参17

山地地震勘探；近地表；地震散射波；散射波分离；地震干涉测量

0 引言

地震勘探中，地震波从激发到接收一般要经过近地表两次。近地表为不均匀介质时，地震波要经历两次散射，这种散射为近地表散射。更严重的近地表散射是不均匀近地表对沿地表传播的地震波（如直达波、折射波和面波）的散射作用，由于这类波能量强，会使近地表散射影响更加明显。近地表散射波由近地表不均匀介质造成，与勘探目的层无关（或关系不大）。山地地震勘探中，不均匀近地表严重影响了地震波传播和散射，降低了地震资料品质，甚至造成复杂构造成像假象。

提高地震勘探成功率的首要任务是提高地震资料的信噪比。目前地震成像技术仅将一次反射波作为有效信号，将其他信号都当作噪声，因而提高地震资料信噪比的传统方法主要是根据一次反射波与噪声的差异进行噪声压制。进行噪声压制时，通常把近地表散射波当作随机噪声处理，然而近地表散射波有其自身规律，并非随机噪声。压制近地表散射噪声可用逆散射方法来衰减实际资料中的瑞雷波散射，但该方法反演计算量大，且只能衰减瑞雷波散射噪声[1-5]。

吴希光等[6-8]根据大量地震实例，总结了表层散射波的一些规律，认为近地表散射波是造成地震资料信噪比低的根本原因，并提出野外采集中“避强散射波，就弱散射波”的对策，指出增加检波器垂向组合是提高复杂地区地震资料信噪比的基本方法。本文从地震资料室内处理角度分析近地表地震散射波分离方法，针对近地表地震散射波同相轴特征，利用地震干涉测量原理，实现近地表地震散射波分离。

1 近地表地震散射波分离重要性

山地地震勘探中，粗糙起伏地形和不均匀近地表都会产生散射波。散射波严重影响地震数据成像质量：①降低地震资料信噪比；②近地表散射波在时间、空间和频率上都与体波重叠，若其参与常规偏移成像处理，将会产生假构造。研究近地表地震散射波分离方法具有理论和现实意义，不仅可提高地震资料信噪比，而且能避免复杂构造成像假象。

与常规地震资料相比，山地地震资料信噪比明显降低，同相轴连续性变差，体波信息模糊，散射波更加明显。图1所示为实际山前地震记录：炮点位于平坦区，240～410道为平坦区接收，411～440道为山坡区接收。地震记录上直观可见第410道为分界点：左侧初至波波形稳定、线性同相轴光滑连续；右侧初至波波形较稳定但同相轴随地形变化而跳跃。炮集中初至波信息反映地形起伏或近地表岩性变化情况，光滑地表对应高信噪比资料，粗糙地表会产生明显散射波，因此对应于低信噪比资料，必须分离近地表散射波与有效波。

图1 山前单炮地震记录

图2所示为山地近地表速度分布及其单炮地震记录：图2a为近地表速度分布图，表明该区地形有一定起伏；产生近地表散射波主要原因在于近地表速度突变，如图2b中Sp和Ss-p，Sp是向左传播的直达波遇到速度突变体产生的反向散射波，同相轴呈线性分布，Ss-p是Sp在向右传播过程中遇到速度突变体再次产生的散射波，同相轴呈双曲线分布，双曲线顶点对应近地表速度突变点，其旅行时为Sp到达该点的时间。从图2b中可清楚看出，近地表散射波叠置于地震体波中，且分布范围广，频带与体波频带相当。

图2 近地表速度分布及其单炮地震记录

近地表线性散射波比较容易识别并压制，而对于近地表双曲线散射波，由于其与复杂构造产生的一次反射波非常相似，往往误将其当成有效波，因此难以识别。若近地表散射波与有效波共同成像，必然产生构造假象，为此必须在成像处理前，分离近地表散射波。

2 近地表地震散射波运动学规律

高陡山体、崎岖地形、戈壁砾石、溶缝溶洞、岩性突变体等不均匀体都是强散射源，其产生的次生地震散射波向四周传播。以一个简单模型为例说明近地表散射波的运动学规律：模型为均匀介质，在近地表设置3个散射源。图3为近地表散射波传播路径示意图：S为震源，r1—r4为接收点，s1—s3为散射源，s1在测线上，s2在测线外地表上，s3在测线外地下，s2′是s2在测线上的垂直投影，s3′是s3在测线上的垂直投影。红色箭头代表沿地表或近地表传播的直达波、折射波或面波，蓝色箭头代表这些波遇到散射源后产生的散射波。

图3 近地表散射波射线路径示意图

对应于图3的地震波时距曲线如图4所示，红线代表沿地表或近地表传播的直达波、折射波和面波的时距曲线，蓝线代表散射波时距曲线，包括散射直达波、散射折射波和散射面波时距曲线。图4仅显示一次反向散射波和侧面散射波，没有考虑多次散射波和转换波，若考虑转换波，就能用不同斜率清晰表示正向散射波。图4中侧面散射波包括侧面散射折射波和侧面散射直达波。

图4 直达波、折射波和面波散射波同相轴示意图

以散射源s3为例，分析近地表散射波运动学规律。震源和接收点在同一水平面上，震源S的坐标为（0，0，0），散射源s3的坐标为（x0，y0，z0），接收点r3的坐标为（x，0，0），背景介质速度为v，以散射直达波为例，由空间几何关系可以得到散射波旅行时t为：

其中t1是从震源S到散射源s3的旅行时，t2是从散射源s3到接收点r3的旅行时。若震源和接收点不在同一水平面，接收点r3的坐标为（x，0，z），则散射波旅行时t为：

由此可知近地表地震散射波运动学规律（以散射直达波为例）：①地震波从震源到散射源的传播时间取决于震源和散射源位置，而从散射源到接收点的传播时间取决于散射源和接收点位置，与震源位置无关，因此改变震源位置，从散射源到接收点的传播时间保持不变；②当散射源位于测线上，此时侧面散射波的时距曲线从双曲线变成直线，包括正向散射波和反向散射波；③地震波从震源到散射源的传播时间决定散射波双曲线顶点对应的时间，也决定线性正向散射波和反向散射波的起始时间。

散射直达波运动学规律同样适用于散射折射波和散射面波，因此得到结论：相邻炮集上的近地表散射波同相轴平行。该结论具有普遍性，在复杂地表区同样成立，其为分离近地表地震散射波提供了物理基础。

3 近地表地震散射波分离理论分析

地震干涉测量法是近地表散射波分离的一种技术手段。2001年Schuster首次提出“地震干涉测量”概念，随后系统介绍了地震干涉测量的定义、原理和应用[9]，2002年Wapenaar等[10]给出了地震干涉测量格林函数表达式，2006年Dong等[11]用地震干涉测量法预测面波。2008年Halliday和Curtis[12]，2010年Forghani和Snieder[13]阐述了地震干涉测量预测面波的可行性，同时Fleury等[14]结合地震干涉测量和扰动理论，介绍了散射波重建，Snieder等[15-16]和Halliday等[17]用广义光学定理说明地震干涉测量可以分离侧面散射面波。

地震干涉测量理论研究已经历十多年发展，其研究和进展为近地表散射波分离提供了新思路。地震干涉测量技术加强并预测近地表散射波，采用多道匹配滤波方法从原始地震记录中自适应减去近地表散射波。简言之，近地表地震散射波分离就是利用近地表散射波运动学规律，采用地震干涉测量技术，使近地表散射波得到相干加强，进而分离近地表散射波。

3.1 地震干涉测量基本原理

地震干涉测量技术研究地震成对信号的干涉现象，即两个接收点的地震记录互相关，构建一个新的地震响应。该响应可看作是其中一接收点上激发，另一接收点接收的响应[9]，图5所示即为地震干涉测量基本原理。

图5 地震干涉测量基本原理示意图

图5a表示地表激发、地表接收的记录，S为炮点，g1和g2为接收点，分别接收来自炮点S的信号，旅行时分别为t1和t2。将g1和g2接收的地震记录互相关，得到其互相关记录（见图5b），其旅行时为t2－t1，此记录相当于在g1处放置震源S*，在g2处放置接收点g*。

互相关运算实质上是相位相减运算，因此互相关型地震干涉测量消除了地震波从S到g1传播过程的影响，而无需S与g1间介质的参数（假设信号从S传播到g2过程中经历了从S传播到g1的相同路径），无论其为均匀介质还是不均匀介质，也无论其为水平地表还是起伏地表，这就是地震干涉测量原理的核心思想。

3.2 散射波干涉测量原理分析

山地地震勘探中，由于山区地表起伏，因此震源和接收点并不在同一平面内。图6为观测系统平面示意图（俯视图），其中S1—S7为震源在平面上投影位置，A和B为接收点在平面上投影位置，s为散射源在平面上投影位置。

图6 近地表散射波分离中观测系统配置示意图

为便于讨论，假设震源和接收点在同一直线上，且仅考虑地震波传播旅行时。如图7所示，从震源S到接收点B的直达波旅行时为tSB、到接收点A的直达波旅行时为tSA。当A点直达波与B点直达波互相关时，得到从B到A直达波旅行时tBA（tBA= tSA－tSB）。A点直达波与B点直达波互相关，消除了地震波从S传播到B这段共同路径的影响。沿测线方向移动震源位置（向左或向右），如图7所示直达波时距曲线也随震源S移动。只要震源S在接收点B左侧，沿测线方向移动震源，则直达波时距曲线会向下或向上移动，但从B点到A点的直达波旅行时tBA保持不变。于是将B点左侧的所有炮在B点和A点上的直达波进行互相关并叠加，则直达波将会相干加强。

图7 直达波时距曲线示意图

散射波分为两种情况：①散射源在测线上，如图8所示；②散射源不在测线上，如图9所示（以直达散射波为例）。

图8 直达波及其散射波时距曲线示意图

图9 直达波及其侧面散射波时距曲线示意图

当散射源在测线上，如图8所示，将B点接收的来自散射源s的散射直达波的旅行时记为tSsB，将A点接收的来自散射源s的散射直达波旅行时记为tSsA。B点直达波和A点直达波互相关得到的旅行时为tBA，tBA=tSA−tSB，B点直达波和A点散射波互相关得到的旅行时为tBsA，tBsA=tSsA−tSB。由此看出，B点直达波与A点直达波及其散射波互相关，A点直达波及其散射波旅行时都减少了tSB，消除了从震源S到接收点B这段共同传播路径的影响。

只要S位于接收点B左侧，沿测线方向移动震源S，则直达波及其散射波时距曲线会平行向下或向上移动，而tBA和tBsA保持不变。将所有在B点左侧激发、B点接收的直达波，分别与A点接收的直达波和散射直达波互相关，每一炮的互相关结果对应相等，将其分别叠加就会相干加强。由此可知，近地表地震散射波分离正是利用了近地表散射波的运动学规律，通过地震干涉测量，使近地表散射波相干加强。

当散射源不在测线上，此时散射波为侧面散射波。如图9所示，s′为散射源在该测线上的垂直投影，黑线为来自震源S的直达波和来自散射源s的侧面散射直达波的时距曲线，红色虚线为当震源S位于B点时接收的直达波和侧面散射直达波的时距曲线。

依据近地表散射波运动学规律，沿测线方向移动震源S，直达波时距曲线与散射波时距曲线分别相互平行。图9中两直达波时差为tSB，而散射波时距曲线间的时差不是tSB，而是tSs−tsB，其中tSs为波从震源S到散射源s的传播时间，tsB为散射波从散射源s传播到B点的时间。

对于侧面散射源，将所有在B点左侧激发，B点接收的直达波与A点接收的侧面散射波（见图9）互相关，不能保证每一炮的互相关得到的波形相位相同。但由波形叠加原理可知，若两波形间的时差小于四分之一周期，则仍能形成同相叠加。因此当散射源在测线附近时，只要满足同相叠加条件，地震干涉测量也能加强侧面散射波。

对多个散射源情况，以上分析仍成立，甚至对多次散射波也可类似分析。同理可以分析侧面散射面波和侧面散射折射波。采用二维或宽线地震资料，利用地震干涉测量法可分离测线附近的侧面散射波，但不能完全分离所有侧面散射波。

3.3 散射波分离的稳相区分析

Halliday等[17]对震源稳相区分布给出了很好的解释，提出的地震干涉测量法分区采用互相关型和褶积型算法，有助于处理实际观测系统地震数据。

图10和图11分别为一次散射波互相关型和褶积型干涉测量中震源和散射源稳相区分布。图10a和图11a中震源S与接收点A、B及散射源s在同一直线上；图10b和图11b中震源S与散射源s在测线外。

图10 互相关型干涉测量震源和散射源稳相区分布

图11 褶积型干涉测量震源和散射源稳相区分布

对于互相关型干涉测量，震源S在接收点B的左边，震源S到达接收点B的直达波与到达接收点A的散射波经历了同样一段路径（见图10a），互相关得到的散射波就像是从B点激发经过散射源s、最后A点接收的散射波，消除了相同传播路径的影响。

分析震源分布的稳相区：当散射源s在测线上（见图10a），在震源稳相区内激发地震波，产生的地震记录经互相关型干涉测量能使散射波相干加强；当散射源s在测线外（见图10b），在震源稳相区内激发地震波，产生的地震记录经互相关型干涉测量也能使散射波相干加强。分析散射源分布的稳相区：当震源S在测线上（见图10a），散射源稳相区内散射源s产生的散射波，经互相关型干涉测量使散射波相干加强；当震源S在测线外（见图10b），互相关型干涉测量也能使散射源稳相区内散射源s产生的散射波相干加强。

同理可分析褶积型干涉测量的稳相区（见图11）。对于三维地震资料，地震干涉测量可分离散射波（包括部分侧面散射波）。

4 近地表地震散射波分离效果

基于近地表散射波地震干涉测量理论，以中国西部K地区山地实际地震资料为例，进行近地表散射波分离。

野外地震数据采集系统由3条炮线和3条接收线组成：炮线与接收线重合，道间距和线间距为30 m，炮间距为60 m，时间采样间隔2 ms，地震记录时间长度为8 s。

图12为K地区砾石区单炮地震记录，震源与接收点不在同一条测线上，炮点位于地形相对平坦的砾石区。从地震记录中看出面波及其混响丰富，反向散射波和侧面散射波清晰可见，而体波信息只在其间隐约可见。

图12 砾石区单炮地震记录

图13为从单炮地震记录中提取的直达波场，将其与全波场进行地震干涉测量，得到直达波地震干涉测量炮记录（见图14）。直达波地震干涉测量加强了反向散射波和侧面散射波能量，并预测了面波及其混响。虽然散射波分布在面波三角区，但是这些散射波是由于直达波和折射波在近地表传播过程中遇到不均匀体而产生的，所以在直达波干涉测量中得以加强。

图13 直达波场

图14 直达波地震干涉测量炮记录

分别采用常规噪声压制技术和近地表地震散射波压制与常规噪声压制组合技术，进行散射波分离。常规噪声压制技术（随机噪声和线性噪声压制技术）处理结果如图15所示。近地表地震散射波压制与常规噪声压制组合技术处理结果如图16所示，其中近地表地震散射波压制步骤为：①采用本文方法进行近地表散射波分离；②利用多道匹配滤波技术，从原炮集中自适应减去分离的近地表散射波。

图15 常规噪声压制技术获得的炮记录

图16 近地表地震散射波压制与常规噪声压制组合技术获得的炮记录

两种去噪方法都有效突出了体波信息，然而采用常规噪声压制处理，地震记录中仍然存在明显的反向散射波和侧向散射波（见图15），而采用近地表地震散射波压制与常规噪声压制组合技术得到的地震剖面中基本消除了近地表散射波（见图16）。

5 结论

地震勘探面临的首要问题就是消除复杂近地表对地震波的影响，尤其在山地地震勘探中，粗糙起伏地形和不均匀近地表产生的散射波不仅影响地震资料的品质，而且会在地震剖面上形成假构造形态，因此有必要分离近地表散射波。

沿不均匀地表传播的直达波、折射波和面波都会产生近地表散射波，在地震剖面上表现为线性同相轴和双曲线同相轴，相邻炮集上的近地表散射波同相轴相互平行。根据近地表散射波运动学规律，采用地震干涉测量技术，使近地表散射波相干加强，实现近地表散射波分离。理论分析和实际资料应用表明该方法不仅可分离线性散射波，而且可以分离部分侧面散射波以及多次散射波，提高了地震资料品质。该方法可适用于起伏地表和不均匀介质，且不需要近地表速度信息。

山地地震资料处理面临诸多问题，其中复杂近地表问题是研究难点之一，地震干涉测量技术为解决该问题提供了一种新思路。

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（编辑 林敏捷 绘图 刘方方）

A near-surface seismic scattered wave separation method

Xu Jixiang1,McLean B F2,Song Xuejuan1
(1.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration &Development,Beijing 100083,China;2.GeoScience Labs,Ltd,Beijing 100083,China)

Considering that near-surface scattered waves could not be suppressed by conventional denoise method,this paper analyzes the characteristics of scattered waves and achieves the near-surface scattered wave separation by the seismic interferometry theory.Seismic data in mountain area is generally characterized by low signal to noise ratio,weak effective wave energy and strong near-surface scattered wave energy,so the near-surface seismic scattered waves must be firstly separated to improve the signal to noise ratio of seismic data during seismic data processing.The events of the near-surface seismic scattered wave in the adjacent common shot gathers are parallel.According to the near-surface scattered wave kinematics,the seismic interferometry method is used to eliminate the influence of seismic wave propagation in the same path,coherently enhance near-surface scattered waves,and then separate them from original seismic records.Taking the seismic data in mountain area in west China as an example,the energy of near-surface scattered wave is enhanced by direct wave field and full wave field seismic interferometry to separate the waves.As a result,the seismic data after processing generally eliminates near-surface scattered waves,verifying the validity and feasibility of the near-surface seismic scattered wave separation method.

mountain seismic exploration;near-surface;seismic scattered wave;scattered wave separation;seismic interferometry

国家科技重大专项（2011ZX05003-003）；国家重大产业技术开发专项（发改办高技[2005]2372号）；中国石油勘探开发研究院院级项目（2011Y-006）

TE122

：A

1000-0747(2014)06-0705-07

10.11698/PED.2014.06.08

徐基祥（1966-），男，安徽东至人，博士，现为中国石油勘探开发研究院高级工程师，主要从事地震勘探资料成像技术研究工作。地址：北京市海淀区学院路20号，中国石油勘探开发研究院物探技术研究所，邮政编码：100083。E-mail：xjx6611@petrochina.com.cn

2013-12-09

2014-10-12