分频处理技术在金属矿地震勘探中的应用

李颜贵 ，刘子龙，雍　凡，罗水余，蒋正中

(1.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，河北 廊坊 065000；2.中国地质大学 地球物理与信息技术学院，北京 100083)



分频处理技术在金属矿地震勘探中的应用

李颜贵1，刘子龙1，雍凡2，罗水余1，蒋正中1

(1.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，河北 廊坊 065000；2.中国地质大学 地球物理与信息技术学院，北京 100083)

为了解决金属矿地震勘探原始数据信噪比低、干扰强、目标层反射信号弱，常规去噪手段处理的地震叠加剖面难以解释的问题；针对金属矿地震数据的特点，采用分频处理技术，叠前处理通过抬升主频后，利用小波变换多尺度和时移性分频段去噪，重构数据；叠后采用小波变换分频处理。通过应用安徽运漕金属矿地震实际数据，提高地震剖面质量，准确识别和定位火成岩侵入接触带。结果表明，金属矿分频处理能提高数据的信噪比和地震资料分辨率，突出了目标层反射信号。

金属矿；分频处理；火成岩；小波变换

1　引　言

分频处理目前应用比较广泛，叠前去噪、拓展频谱带宽等，叠后分频处理主要进行地震属性分析，目前分频处理主要是利用短时傅里叶变换、小波变换和S变换等数学算法。在煤田地震勘探数据处理上，张本爱[1]采用分频处理方法，充分利用各个频带的反射能量，在每个频带内进行分频精细处理，达到分辨较小构造的目的。在石油地震勘探数据处理上，刘文霞[2]采用分频反褶积，兼顾高、低频成分，较好地解决了信噪比与反褶积之间的矛盾；蔡希玲[3,4]提出一种非线性分频自适应噪声检测及压制方法，对嗓声进行衰减处理，重构地震记录。王西文[5]使用小波域分频去噪，处理与重构的方法，在提高目的层反射同相轴分辨率及同时兼顾中、低频信息的前提下，拓宽地震数据频带，效果明显；还有大量的文献，利用小波的多尺度去噪[5-15]。由于金属矿地震勘查的特殊性，分频处理，应用研究程度较低，目前没有看到相应的文献。中国在金属矿勘查中，地震方法的应用研究已越来越多，我国地球深部探测技术与实验研究专项(SinoProbe)金属矿地震勘探取得了较好的地质效果，如SinoProbe研究团队、董树文等确定长江中下游成矿带庐江-枞阳白垩纪火山岩盆地和铁、硫矿集区深部构造和地壳结构，探讨成矿深部控制条件[16-26]。将来金属矿的发展趋势是从二维到三维地震勘探；完善金属矿地震的理论及解释方法研究；扩大地震找矿的应用范围；充分利用油气勘探获取的地震资料，实现盆地中心及边缘地震找矿的重点突破；将目前油气新技术新方法应用到金属矿勘查中，特别是数据处理与解释方面；建立金属矿地震找矿示范区[27-28]，从多参数和多学科角度建立金属矿示范区，为金属矿找矿提供理论依据。

2　地质背景

本区整体的深部结构已大体清楚[25-26]，地构造位置属扬子准地台、下扬子台坳、沿江拱断褶带之安庆段褶束，宁芜和芜繁两个中生代火山岩盆地接壤部位之西缘。区域构造线方向为北东北—北东向，地震剖面上会有较明显的反应。区内地表均为第四系松散冲积物覆盖，下伏地层有上第三系(N)，三叠系上统范家塘组(T3f)，中统黄马青组一至三段(T2h1—T2h3)及徐家山组(T2x)。上第三系(N)地层呈北东及北北东向线状展布于下埠圩—龙塘沿—裕溪口一带。范家塘组(T2f)和黄马青组三段(T2h3)主要分布于无为县汤沟镇一带，其他各组(段)地层在区内均广泛分布。本区的褶皱构造主要有一个复式背斜-裕汤复背斜，其核部位于裕溪口—龙塘沿—下埠圩—汤沟一线，轴向由北东至南西，由50°～60°渐变为20°左右，呈向西突出的弧形展布。核部由三叠系中统徐家山组成；两翼地层为三叠系中统黄马青组各段，以及三叠系上统范家塘组；两翼地层产状平缓，倾角一般在20°左右，其枢纽有起伏，且常被北西—近东西向的断层切割，沿核部常有岩浆岩侵入破坏。

齐落山—二坝背斜：其核部位于齐落山—二坝一线，轴向呈北北东，核部地层为三叠系中统徐家山组，两翼由黄马青组各段组成，在本区范围内两翼地层产状较平缓，一般为20°～30°左右，其核部基本被岩浆岩吞噬破坏，南西倾伏端被近南北向的断层切割。唐家跳—长安向斜：位于裕汤复背斜与齐落山—二坝背斜之间，其轴部在唐家跳—长安一线，轴向约50°左右，核部地层为三叠系中统黄马青组二段，两翼由黄马青组一段及三叠系中统徐家山组地层组成，两翼地层产状约20°～30°。本区燕山晚期的岩浆活动，主要沿背斜核部上侵，形成一个近北东向的岩浆侵入隆起带，主要分布于裕溪口—刘家拐—太平村—龙塘沿、小六房—下埠圩一线，隆起带的中心和两侧侵入体顶面垂向高差可达200～650m。

在隆起带上，岩体的顶面也高低起伏，大体与复背斜枢纽起伏一致，这样在隆起带内就出现一系列的局部相对隆起和凹陷，其隆起部位即为岩浆穹窿体，它是侵入隆起带中的次一级接触带构造[29]。

3　数据处理

3.1资料情况

通过分析原始资料如图2所示，有效波和低频面波、折射波、多次反射波、线性干扰等干扰波混合在一起，频率很低，主频在15Hz；处理思路从拓展频率，在噪声中分离反射信号入手。从图2能看到，浅部有反射信号，中、深层反射信号较弱，在侵入地区，反射波主频较高，经过叠加后，主频降低，地层局部倾角较大，影响叠加效果，需要DMO叠加处理，解决侵入区域共反射点发散，提高信噪比，使多个倾角的同相轴能正确叠加；通过反Q滤波和谱白化抬升中高频率后，能看到较清晰的构造及地层的多层结构；抬升的频率较宽，但深部资料较差，需要确定深部反射信号的主要频带范围，压制深部局部强振幅，减弱浅部低频面波、折射波等干扰波，能突出中深层反射。

3.2叠前分频处理的几个技术关键问题

处理流程[1]如图1所示，叠前分频处理的几个关键技术问题如下：

1)分频拓频处理：通过有效波频率范围、能量分布和时频分析结果，确定小波变换步长，进行分频拓频处理，拓展的频带在15～90Hz，突出中高频信号。

2)叠前去噪：根据不同噪音类型，使用针对性的方法和参数，面波采用三角窗的小波变换去噪和参考模型道组合去噪；线性噪音采用LIFT模块组合去噪，分频F—K域二维去噪，DMO叠前和叠后去噪能较好地解决剩余的线性干扰问题。

3)反Q滤波和谱白化：通过反Q滤波，补偿振幅衰减和频率损失，改善记录的相位特性，从而改善同相轴的连续性，提高弱反射波的能量和地震资料的信噪比、分辨率。

图1　处理流程Fig.1　Processing flow

4)反褶积：通过子波整形，提高子波的稳定性，而后进行褶积；反褶积根据分频频带，不同频带反褶积参数和预测步长不同，进行分频反褶积[2]，扩宽和抬升有效波主频。

5)DMO去噪：DMO处理流程为初始速度分析，NMO校正，DMO校正，第二次速度分析，剩余NMO校正，叠加；在处理过程中进行2次速度分析，而基于主要反射波和多次波速度差异的多次波衰减技术对经过DMO校正的近道集剖面变化不大，远道集剖面水平层的反射波和倾斜层的多次波相交，通过DMO的速度分析和叠加，衰减金属矿侵入区域的多次波和线性干扰。

6)静校正：采用折射静校正和层析静校正；由于没有小折射资料，采用单炮记录中的面波获得的面波速度，转换为纵波速度，作为折射静校正和层析静校正的参数源进行静校正处理，效果理想(图2(b)和图2(c))。

7)分频数据重构：采用小波变换对分频后的数据进行重构，重点在分频后的中高频带。

3.3叠后分频处理

叠后资料，采用分频时频分析处理，分析目的层地震属性。

金属矿地震叠后资料其频谱成分及信号的各种统计特性随时间发生显著变化，这种变化包含了反映地下反射层序特征的丰富信息。因此，金属矿地震剖面不同时间层段内具有不同的频谱特征。在分频处理之前，根据火成岩主要发育层段，进行发育层段的地震数据频谱分析，其数据为分频叠加的数据和分频叠加重构数据；频谱分析方法采用小波变换，小波变换重构后的数据包含了分频的全部信息，并且数据频段较宽，频率丰富，采用时频分析能较准确分辨相邻频率的反射波，通过分析地震剖面的瞬时相位、瞬时能量和瞬时频率，研究分频后低、中高主频频率属性，进行金属矿地震属性分析。

4　分频处理效果分析

针对研究区金属矿地震资料特点，采用针对性的处理技术。去噪处理过程中，根据各种噪音的存在形式和分布规律不同分别去除面波、线性强干扰、高能噪音等；静校正问题，采用分频段处理，加入面波横波转换纵波速度的表层静校正量，减弱干扰波，突出火层岩侵入区域反射波振幅、能量，效果较好(图2(a)中)蓝线区域，对不同频带内的数据分别进行处理，选取分频后中高频带30～80Hz(图3)的频带数据进行叠加，如图4所示，叠后CDP：1910处单道记录的时频谱，选取火成岩发育层段频谱图，分频处理前主频分布在30Hz左右，频带范围在10～50Hz之间；采用小波变换分频处理后，主频分布在45Hz左右，频带范围在15～75Hz之间，频带宽度明显增大，主频提升15Hz左右，因不同的地质目标对地震资料的不同频率成分的敏感程度不同，深层目标和单层厚度较大的地质体突出低频成分，浅层目标和单层厚度小的地质体则突出高频成分。由椭圆处两者对比可知，小波变换在能量上的分辨能力比常规处理要高很多，分频处理可以提高地震有效信号的频宽，更真实地反应地层信息的地震能量特征；在图4椭球标注区域，地震信号频谱分析结果显示：长、短时窗的振幅谱频率响应差别很大，且短时窗的振幅谱响应与时窗内地层的声波特性、厚度有着本质的内在关系。时窗越短，时窗所涵盖的地层信息的随机性就越少，地震道的振幅谱不再与子波频谱类似，而是更接近于地震子波频谱与局部地层的褶积，即目的层段小时窗内的地震响应作用于一个类似反射子波的局部滤波器，造成子波频谱随时间厚度变化而变化，从而提供了目标层地质信息。CWT变换的能量谱频带比FFT变换的要宽，CWT变换能分辨8ms的薄层，因为时间厚度与频率厚度成反比，所以可从频谱分解结果得到的频率数据中估计地层厚度。从频率道集识别目的同相轴调谐临界处的频率，然后将两个数值相减获取频率范围。如该层频率范围的倒数得到时间，小波变换在400ms处时间1/50Hz= 0.02s，岩层速度乘以时间得到地层厚度，即：0.02s×4 000m/s= 80m，调谐频率之间的差值越大，地层就越厚，可以推断与火成岩接触地层厚度。根据已验证CMP1820～CMP850段解释结论，浅部存在一显著波阻抗界面，深部反射波凌乱，和剖面其他部分有着明显的波阻抗反射特征差异，除浅部反射波阻抗界面外，深部无明显波阻抗界面，推断其为超基性岩侵入体，从400ms以下，反射轴能量差异较大，频率衰减，测线剖面上为不规则面积状块体，在边界处频率突变，在两侧反射波同相轴有中断，地震波的能量、频率、相位发生突变；其500ms以下，能量减弱，频率变低，频带变窄，相位杂乱。

图2　振幅补偿效果对比Fig.2　Comparison of amplitude compensation(a) after frequency-division processing application; (b) general amplitude compensation; (c) amplitude of the raw shot

图3　分频前和分频重构7个频段对比Fig.3　Comparison of frequency division processing (a) before and (b) after application and reconstruction 7 frequency band

图4　常规叠加和分频叠加对比Fig.4　Comparison of general stack and frequency division stack (a) general stack and (b) frequency division stack

图5　CDP:1500～2050段CWT变换分频主频为40 HzFig.5　CWT transform of 40 Hz time-frequency distribution from 1500～2050 CDP point

图6　CDP:1600～2200段40 Hz瞬时相位Fig.6　Instantaneous phase of 40 Hz from 1600～2200 CDP point

利用相位谱上相位的不稳定性，可以识别横向上地层的不连续性，如层间小断层、裂隙及沉积相带变化，再结合振幅谱、相位谱上相关的干涉现象，就能对地下的岩性、物性变化进行快速有效的定量识别和成图。如图6所示，红色线在地层横向上左右和上下相位发生变化，在拱形的上面为沉积地层，拱形的下面为火成岩侵入带，在接触面有相应的干涉现象，在0.6s处红线两边有些相位在接触带发生变化，这与前期资料解释相对应，图中黄色虚线区域是根据相位特征分频处理发现的新的区域；其次，由于接触带频谱的相位特征对地震波属性特征的微小变化十分敏感，因此，相位特性对检测接触带上横向上的非连续性变化非常有效。同时，时窗内相位响应的稳定性与岩性密切相关，图6选择的时窗是10ms平均振幅，采用均方根振幅变化较小，通过对比横向上岩性的非连续性，使得相位谱在非连续的部分变得不再稳定。

5　结　论

通过金属矿分频处理，得出如下结论：

1) 根据原始资料主频低、干扰波强等特点，处理思路从提高原始资料频率入手，处理过程中采用了分频段处理，采用小波变换进行分频处理，较好地解决了低频信号中的反射波噪声的分离、中高频信号的复原、叠前去噪等方面存在的问题。

2) 在叠后进行小波变换分频时间频谱分析，小波变换重构后的数据包含了分频的全部信息，并且数据频段较宽，频率丰富，采用时频分析能较准确地分辨相邻频率的反射波。

3) 对金属矿火成岩反射区域与周围围岩能量差异，相位变化和频率差异等方面进行分频段分析，解决了单一频率上的分析异常的局限性，提高了解释的可靠性。

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The Application of Frequency-division Processing for Seismic Survey in Metal Mine

Li Yangui1,Liu Zilong1,Yong Fan2,Luo Shuiyu1,Jiang Zhengzhong1

(1.Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, China Academy of Geological Science,Langfang Hebei 065000, China;2.School of Geophysics and Information Technology, China University of Geosciences, Beijing10083, China)

Sincethesignaltonoiseratio(SNR)ofrawdatafromseismicsurveyinmetalmineislow,itisdifficulttogetaninterpretableseismicstackedprofilethroughconversionaldenosiemethods.Toimprovethequalityofseismicimage,frequency-divisionprocessingwasappliedtoseismicsurveyinmetalmine.Afterraisingthedomainfrequency,pre-stackmulti-scalecontinuouswavelettransform(CWT)andtimeshiftingfrequency-divisionde-noiseareused.Wavelettransformfrequency-divisionprocessingwasalsoappliedtopost-stackseismicdata.AnapplicationtoseismicdatainYuncaomentalmine,Anhuiprovince,showedthatthisprocessingmethodscouldimprovethequalityofseismicprofileandwashelpfultoidentifyandlocatetheigneousintrusivecontactzone.Theresultsshowedthatfrequency-divisionde-noisemethodscouldimproveSNRandresolutionofseismicdatainmentalmine,whichhighlightedthereflectionofobjectlayer.

metalmine;frequency-divisionprocessing;igneousrockcontinuouswavelettransform

1672—7940(2016)03—0338—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.03.016

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(编号：AS2013J02，AS2014J04)

李颜贵(1978-)，男，工程师，硕士，主要从事地球物理勘探方法研究。E-mail:liyangui@igge.cn

P631.4

A

2015-11-13