雄安新区及周边深反射地震高精度成像技术

岳航羽 王 凯 张 杰刘建勋 王小江 张保卫③

(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国家现代地质勘查工程技术研究中心，河北廊坊 065000；③中国地质调查局地球物理调查中心，河北廊坊 065000；④中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院，北京 100083；⑤吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林长春 130000)

0 引言

深反射地震是地球物理学的重要研究方向，具有成像精度高、探测信息可靠等优点，是研究大尺度地球构造的先锋技术，也是获得精细地壳结构最先进的方法，现今正被越来越多地应用于大陆地壳精细结构探测[1-4]。一些欧美国家早在20世纪70～80年代就已成功运用深反射地震技术对地球内部的精细结构进行探测和研究，并获得了极具意义的观测结果，为大地构造的研究提供了精确的地壳圈层乃至上地幔的地震波反射特征，为人们研究岩石圈内部结构、核幔边界，乃至地球的整体构造提供了全新认识[5-12]。2008年开始实施的“中国深部探测技术与实验研究”专项(SinoProbe)，标志着中国正式、全面开始大面积地在国内进行深反射地震探测研究，将中国的深反射地震剖面探测推向一个新高度，极大地推动了国内岩石圈形成、演化领域的研究，更为矿产资源勘查、地球深部动力学、深浅构造关系、地震灾害预测等提供了重要证据[13-17]。

陈志德等[18]提出并实现了深反射地震资料χ2分布处理技术，从反射结构与能量的角度突出深部构造；李文辉等[19]提出一种快速识别深地震反射剖面构造格架的方法；朱小三等[20-21]综述了当前深反射地震资料的噪声衰减方法并介绍了深反射地震资料叠前偏移方法；李洪强等[22]针对大、中炮数据联合处理中的静校正、资料净化、速度求取、AVO加权叠加等技术进行了阐述；邓攻等[23]将S变换谱分解技术应用于深地震叠加剖面，显著提高了深部弱反射信号的信噪比和分辨率；戴晓峰等[24]分析并确定了叠前与叠后联合、组合压制多次波的思路，有效压制川中超深层低角度席状多次波强反射能量；徐泰然等[25]结合实例展望了深反射地震数据处理的未来发展方向。

雄安新区的设立(2017年4月1日)是千年大计、国家战略。根据雄安新区总体规划与建设的需求，中国地质调查局决定在该区构建世界一流水平的“透明雄安”基础平台(详查地下0～10000m)。基于在雄安新区及周边采集的三条满覆盖(共270km)深反射地震数据，本文开展了系统性的深反射地震高精度成像技术研究。根据该区深反射地震资料特点及难点，制订了一套能有效提高资料分辨率和信噪比的深反射地震高精度成像方法技术组合，细致对比各环节成像效果，以最大程度地恢复该区深部弱信号地质信息，为详查该区域基底形态、断裂构造、隐伏岩体、莫霍面起伏特征及岩石圈壳幔结构等服务，并为雄安新区的规划、建设提供基础地质资料。

1 研究区概况

研究区位于雄安新区及周边河北省保定市、廊坊市和沧州市的毗邻部分，区域上可划分为太行山隆起、冀中坳陷、沧县隆起、黄骅坳陷等四个二级构造单元，区域构造走向整体呈北东向。在图1所示的研究区布设了主测线Line2018、Line2019及联络测线Line2020三条深反射地震测线，长度依次为满覆盖130km、100km及40km。其中Line2018、Line2019两条测线近平行分布，均呈北西—南东方向，自西北向东南依次横穿雄安新区中部及南部区域；Line2020测线呈北东—南西方向，纵贯雄安新区西部地区，并跨越Line2018和Line2019两测线。此外，D12为Line2018测线中部容城县内的一口浅层地热井。

图1 雄安新区及周边深反射地震测线位置图

从地质构造单元看，Line2018测线自西北向东南依次穿过太行山隆起、徐水凹陷、容西斜坡、容城凸起、牛北斜坡、牛驼镇凸起、霸县凹陷、文安斜坡及大城凸起等九个构造单元；Line2019测线自西北向东南依次跨越太行山隆起、保定凹陷、高阳低凸起、饶阳凹陷、文安斜坡及大城凸起等六个构造单元；Line2020测线自北向南依次串联容城凸起、容西斜坡、保定凹陷及高阳低凸起等四个构造单元。

针对该区深部地质结构，通过对比试验，最终确定采用“两高一宽一长”(高密度、高覆盖次数、宽频带、长排列)方式采集深反射地震数据。主要采集因素包括：中间放炮两边接收，道间距20m，排列长度1440道，炮间距120m，最大覆盖次数120次，采样率2ms，记录长度30s。为了提高深反射地震的有效频带和能量，在平坦区采用单井激发，井深32～40m，药量16～20kg；山地硬岩区采用双井组合激发，单井井深20～24m，药量20～24kg。

2 深反射地震数据质量分析

由于研究区内深反射地震测线较长，地表激发条件差异大、干扰因素众多，在研讨深反射地震高精度成像关键技术前，应对现场采集到的深反射地震数据质量进行分析，依次从静校正量、能量、干扰波及有效频率四个方面细致分析，为深反射地震高精度成像流程的制定奠定基础。

2.1 能量分析

在该区深反射地震勘探数据采集中，由于地表激发条件的差异、球面扩散、地层吸收衰减和透射损失等因素影响，纵向上深反射地震波能量随时间衰减，使得该区深反射地震浅、中、深层能量的差异大，深层反射能量弱；横向上因区内各井炮之间的能量也存在差异，激发与接收点处近地表条件的一致性差，造成地震资料在炮集之间、共检波点道集之间振幅能量差异较大，这种能量差异对该区深反射地震叠加效果有很大影响。

图2为该区深反射地震不同位置的单炮记录，对比发现不同位置的单炮记录及同一炮不同道的能量差异明显：山区地带激发的单炮记录(图2a)，仅在激发点附近有较强能量；山前过渡带的单炮记录(图2b)不同道之间能量差异较大，随着目的层的不断加深，能量下传越来越弱，接收到的深反射地震有效信号也越来越差；在平原区激发的单炮记录(图2c)，因莫霍面埋深较大，在单炮记录上很难识别，存在“深部目的层信号弱”的问题。

2.2 干扰波分析

该区地处中国华北腹地，区内人口稠密、交通流量大，受地表激发、接收条件及区内机械、高压电网、公路、机动车辆等因素影响，深反射地震原始单炮记录上有较强干扰波，严重影响资料品质。从图2易见深反射地震单炮记录上广泛分布能量较强的面波及声波干扰、线性噪声、外源机械振动、50Hz工业电、高低频随机干扰及脉冲野值等。

图2 雄安新区及周边深反射地震不同位置的单炮记录

这些噪声干扰主要特征包括：面波干扰在全区范围内均有分布，呈“扫把状”，能量强，视速度为300～1400m/s，频率分布在15Hz以下；声波干扰在全区较发育，视速度约为340m/s；线性噪声在全区范围内普遍发育，能量强，特别是在山地线性噪声严重影响单炮记录的信噪比；外源机械振动主要是由区内主干道路上的车辆、产油区抽油机等产生，在全区较为发育；因处于工业、农业较发达的华北平原，遍布50Hz工业电网，在单炮记录上干扰范围集中在某几道至某几十道，且频率恒定，能量在中深层较强；高低频随机噪声在全区较严重，随机分布于深反射单炮记录。此外，在深反射地震单炮记录上还可见脉冲野值等。

2.3 有效频率分析

有效频率分析是该区深反射地震资料高精度成像的关键环节，若未厘清深反射地震原始数据中干扰波及有效波的频率分布情况，就很难拟定适用方法和处理流程。抽取该区各测线上不同激发岩性的原始记录进行频谱分析，结果如图3所示。从整体上看，由于强噪声的掩盖，全区单炮记录上有效波主频集中在9～13Hz，50Hz工业电干扰在全区广泛分布。西部山区砾石出露，受激发因素影响，单炮记录(图3a)主频稍低；平原区地表被第四系黄土覆盖，单炮记录(图3c)主频略高。因此，做好不同位置的炮、道频率一致性处理是深反射地震高精度成像处理的重要环节之一，也是确保该区深反射地震叠加质量并提高其分辨率的关键步骤。

图3 雄安新区及周边深反射地震不同位置单炮记录的频谱特征

2.4 静校正分析

该区深反射地震测线跨越不同的地形、地貌，自西向东依次穿越山地、山前过渡带、平原区。图4为测线上不同位置的深反射地震单炮记录局部放大图。平原区基本以第四系沉积为主，海拔高程变化不大，一般不足10m；Line2018和Line2019测线自东南向西北进入太行山区后，海拔高程逐渐增大，从20m升至170m，地形切割较严重，相对高差可达150m，再加上低降速带的速度和厚度变化不均，使该区深反射地震单炮上静校正问题普遍存在，如在山区(图4a)和山前过渡带(图4b)，深反射地震单炮记录上初至畸变，静校正问题较突出。

图4 测线上不同位置的深反射地震单炮记录局部放大

3 深反射地震高精度成像流程制定

雄安新区及周边深反射地震高精度成像的主要问题包括西部山区及山前过渡带静校正、低信噪比资料成像、浅深层兼顾、深层弱信号增强、频率差异、线性干扰、高能面波压制及偏移速度场建立等。需建立一套针对该区的深反射地震高精度成像流程，逐步剔除深反射地震干扰波、增强有效反射信号，真实还原该区地下介质结构。

图5为该区深反射地震高精度成像流程，拟从静校正、叠前噪声压制、真振幅恢复、反褶积、高精度速度分析、剩余静校正、深层弱信号增强、偏移成像等几个方面，逐步提高信噪比和分辨率，并分别应用了以下针对性技术。

图5 雄安新区及周边深反射地震高精度成像流程

采用高程静校正与层析静校正相结合，消除地形起伏及低降速带的影响；利用自适应面波衰减、分频去噪、T-X域滤波、F-K域噪声衰减等方法做好多域、多步叠前噪声衰减；从球面扩散补偿和地表一致性振幅补偿两方面恢复深反射地震数据的能量；利用地表一致性反褶积、预测反褶积等方法，做好深反射地震子波一致性处理和提高深反射地震分

辨率；基于高精度速度分析，采用速度扫描与交互速度分析相结合，加密速度控制点，建立准确的深反射地震速度模型；求取剩余静校正量，消除资料中残存的中、短波长静校正量；深层弱信号增强是为了进一步突显深部地质信息，特别是莫霍面的特征；利用有限差分偏移方法使地下绕射波、断面波收敛，促使深反射地震波场归位到其真实位置。

4 深反射地震高精度成像关键技术

采用针对性的深反射地震高精度成像关键技术，逐步改善该区深反射地震数据质量，从复杂的地震波场里逐步提取出与地层界面、构造特征相关的深反射地震有效信号，为该区深反射地震资料综合解释奠定基础。

4.1 静校正

深反射地震静校正是获取高精度地震波场速度和高质量叠加剖面的关键环节。为了解决该区存在的静校正问题，特别是长波长静较正问题，根据目前静校正技术的发展和对研究区内深反射地震数据质量的认识，通过试验确定采用高程静校正与层析静校正相结合的方法，并选用1800m/s的替代速度和100m的高程，分别得到应用静校正前、后的深反射地震单炮记录(图6)和叠加剖面(图7)的对比数据。可见应用静校正后的深反射地震单炮记录及叠加剖面效果明显，单炮记录上“扭曲”现象得到显著改善，初至变得光滑、连续(图6b)，叠加剖面(图7b)上绿色箭头指示的同相轴更连续，信噪比得到一定程度的提高，有效消除了该区地形起伏及低降速带对深反射地震剖面质量的影响。

图6 静校正前(a)、后(b)的深反射地震单炮记录对比

图7 静校正前(a)、后(b)的深反射地震叠加剖面对比

4.2 叠前噪声压制

叠前噪声压制效果直接制约着该区深反射地震成像剖面的质量。针对研究区内干扰波特点，在叠前道集上选用保真保幅去噪方法，多域多方法联合应用，逐步消除干扰波影响，最大程度地保留深反射地震有效波。

采用自适应面波衰减方法有效去除该区发育广泛的面波干扰；通过分频去噪、T-X域滤波、F-K域噪声衰减等方法从不同频率、视速度、函数域等角度逐步衰减声波干扰、线性噪声、外源机械振动、脉冲野值等干扰；利用单频噪声压制衰减该区遍布的50Hz工业电；最后，采用随机噪声衰减方法去除高低频各类随机噪声。

对比区内典型的叠前噪声压制前、后的深反射地震单炮记录(图8)和叠加剖面(图9)，可见经过叠前噪声压制，该区深反射地震单炮记录(图8b)上的噪声干扰得到有效压制，“双曲线”型的反射波得到显现，11s处的莫霍面反射特征得到进一步凸显，深反射地震单炮记录整体上的信噪比和分辨率都得到大幅度的提高；同时，“淹没”在噪声干扰里的同相轴得到显现(图9b)，保证了该区深反射地震资料的可靠性。

图8 深反射地震叠前噪声衰减前(a)、后(b)的单炮记录对比

图9 深反射地震叠前噪声衰减前(a)、后(b)的叠加剖面对比

4.3 真振幅恢复

采用球面扩散补偿和地表一致性振幅补偿相结合的方法对研究区深反射地震波进行真振幅恢复，使横向和浅、中、深层能量变化合理，真实地反映该区深部地下介质的变化。图10和图11分别为该区深反射地震不同位置上真振幅恢复前、后的单炮记录对比及叠加剖面对比。

对比典型的单炮记录和叠加剖面，可见经真振幅恢复后单炮内横向和纵向能量都得到有效补偿，不同炮集间的能量也基本一致(图10b、图11b)；深反射地震叠加剖面上(绿色箭头所示)浅层强能量受到一定程度的压制，深层莫霍面(黄色箭头处)部分有效信息得到显现，整个深反射地震叠加剖面的能量更加均衡合理。

图10 深反射地震真振幅恢复前(a)、后(b)的单炮记录对比

图11 深反射地震真振幅恢复前(a)、后(b)的叠加剖面对比

4.4 反褶积

反褶积的主要作用是压缩深反射地震子波，拓宽频带，稳定波形，提高分辨率。依次采用地表一致性反褶积、多道预测反褶积等反褶积方法，兼顾该区浅、中、深层，最终参数采用28ms的预测距，400ms的时窗长度。图12～图15依次为该区深反射地震数据应用反褶积前、后的单炮地震记录、叠加剖面、频谱特征及其自相关的对比。从整体效果上看，深反射地震单炮记录(图12b)的波组特征得到明显改善，叠加剖面(图13b)的分辨率得到显著提高；深反射地震的主频由图14a中的13Hz有效提升至图14b中的19Hz，可见有效频带得到显著拓宽，进一步证实提高了深反射地震剖面的分辨率；通过自相关谱，可见反褶积处理后深反射地震子波的主瓣更突出，子波旁瓣被压制，深反射地震子波的一致性更好(图15b)。

图12 深反射地震反褶积前(a)、后(b)的单炮记录对比

图13 深反射地震反褶积前(a)、后(b)的叠加剖面对比

图14 深反射地震反褶积前(a)、后(b)的频谱对比

图15 深反射地震反褶积前(a)、后(b)的自相关对比

4.5 高精度速度分析

准确的深反射地震速度场不仅是解决剩余静校正问题的关键，也决定了深反射地震偏移成像精度。因此，通过高质量超道集及其在优势频带范围内生成速度谱，最大程度地保障深反射地震速度谱的质量。通过减小速度谱时窗长度、增加色带分级等，提高速度谱的精度；同时，辅助以动校正道集、常速扫描叠加剖面、变速扫描叠加段及动态叠加段等方法，精确识别该区深反射地震速度场，保证速度的拾取精度。图16、图17分别为研究区内Line2019测线的深反射地震叠加速度剖面及CDP4269(图16白色竖线)处深反射地震高精度速度分析的速度谱及质控道集。

图16 深反射地震Line2019测线叠加速度剖面

图17 深反射地震高精度速度分析

由于该区深反射地震测线横向跨度大、纵向时长大，采用速度谱分析时，不仅需要分时段进行速度拾取，检查动校正拉伸畸变，达到速度分析和切除参数的统一，同时还要监视CDP道集是否拉平、叠加效果的变化。在跨越研究区内不同构造单元时，要横向加密速度分析控制点，纵向上加密目的层段控制点，并兼顾层间弱相位和速度倒转的拾取，建立合理的深反射地震速度场，提高深反射地震叠加剖面效果。经过多轮速度迭代，区内Line2019测线深反射地震叠加速度场由浅至深速度逐渐增大，上地壳速度成层较好，中下地壳速度变化较缓；横向上速度局部变化较明显，反映其跨越了多个构造单元，构造较复杂。

4.6 剩余静校正

一方面，不准确的深反射地震速度会造成存在较大的剩余静校正量，剩余静校正量的估算会受到很大影响；另一方面，当存在静校正量时，叠加速度分析也会受到较大影响，严重影响最终深反射地震叠加剖面的质量。因此，准确的深反射地震速度需要高精度速度分析与剩余静校正多次迭代，使静校正量逐步收敛。

待该区深反射地震速度场确定准确后，计算其剩余静校正量，再进行速度分析。通过多次迭代得到该区深反射地震剩余静校正后(图18b)的叠加剖面。从图18b中不难发现蓝色椭圆形框的不整合反射特征更加明显，黄色箭头指示的反射波同相轴更加连续，绿色箭头处的区域整体信噪比得到显著提高。

图18 深反射地震剩余静校正前(a)、后(b)的叠加剖面对比

4.7 深层弱信号增强

研究区深反射地震深层弱反射信号的提高与保护是本文重点，在做好叠前噪声压制、真振幅恢复及反褶积的基础上，采用基于深层地震波信号随机噪声衰减方法，引入图像处理中的自适应技术、多级中值滤波技术，并与二维中值滤波技术相结合，实现该区深反射地震数据自适应随机噪声衰减的目的，达到深层弱信号的保护与去噪的最佳平衡。

图19为该区深反射地震深层弱信号增强前、后的叠加剖面对比，通过进一步压制随机噪声，深层叠加剖面的信噪比和分辨率都显著提升，莫霍面的起伏和连续特征更加显著。图19b绿色箭头所示的深反射地震深部信号得到一定程度的增强，蓝色箭头指示的莫霍面同相轴连续性得到明显改善，黄色箭头处的深反射剖面振幅得到较好保持，为后续深反射地震资料解释，特别是对莫霍面特征的刻画与分析提供了可靠的数据支撑。

图19 深反射地震深层弱信号增强前(a)、后(b)叠加剖面对比

4.8 偏移成像

由于该区深反射地震测线横向上穿过的地质构造单元较多，地下地质构造复杂，因此确定合理的偏移速度场、偏移参数和偏移方法是关键。结合该区目标层陡倾角构造和效果，在其深反射地震叠加速度场基础上优化初始偏移速度场，采用有限差分叠后时间偏移方法得到深反射地震偏移剖面(图20)。

相较于图20a所示的深反射地震未偏移的叠加剖面，图20b所示的偏移后的剖面目标层波组接触关系更清晰，绿色箭头处的绕射波、断面波收敛较好，黄色箭头指示的倾斜地层的波场归位更准确，剖面整体的深反射地震同向轴更聚焦，断层更清晰，构造形态更真实可靠。

图20 深反射地震叠加(a)与偏移(b)剖面的对比

5 成像效果分析

图21为研究区深反射地震三条测线的最终成像结果，从剖面的整体上不难发现深反射地震高精度成像效果较好。主测线Line2018与Line2019及联络测线Line2020深反射地震剖面的波组特征明显，同向轴连续性较好，层间信息丰富，构造特征清晰，层次分明，易识别，剖面的信噪比和分辨率都较高。此外，该区莫霍面连续性较好，较平缓，无深大断裂，深部地质结构稳定。莫霍面多处于10～12s范围，按照地壳平均速度6km/s换算，该地区莫霍面深度范围在30～36km，与前人推测的华北地区莫霍面深度吻合较好[26-30]，揭示了研究区深反射地震成像效果的有效性。

图22为上述深反射地震成像剖面在交会点上的匹配图，通过横向及纵向分析比较，发现Line2020分别与Line2018及Line2019在交会点上的匹配程度高，交会点两侧各套地层横向吻合度高、连续性好，莫霍面反射特征真实可靠，进一步说明了该区深反射地震成像效果的准确性。

图22 深反射地震成像剖面Line2020与Line2018(a)、与Line2019(b)交会点匹配图

图23所示为深反射地震Line2018测线附近D12地热井的浅层井震标定结果，通过测井的声波时差曲线与密度曲线，得到地层的波阻抗曲线，利用雷克子波与波阻抗曲线进行褶积得到合成地震记录。将实际地震记录转换到深度域并与模拟合成记录进行比对，所得结果的吻合率极高，验证了深反射地震成像剖面浅层的可靠性，并为深部结构与构造推测提供真实有效数据支撑。

图23 深反射地震Line2018测线附近D12地热井的浅层井震标定

6 结论

针对雄安新区及周边深反射地震数据深层信号弱、跨构造单元多、干扰因素复杂等问题，开展了深反射地震高精度成像关键技术研究，分别从静校正量、能量、干扰波及有效频率四个方面做了细致分析，兼顾该区深反射地震浅、中、深层，从静校正、叠前噪声压制、真振幅恢复、反褶积、高精度速度分析、剩余静校正、深层弱信号增强、偏移成像等方面，逐步提高深反射地震资料的信噪比、分辨率及保真度，从复杂的深反射地震波场逐步提取与深部地层界面、构造特征相关的地质信息。

最终深反射地震高精度成像剖面从浅至深波组特征明显，构造形态清晰，断点断面易识别，深部莫霍面同相轴连续性和可追踪性较好，有效探测了该区浅中深部地质结构与构造，为该区深部地球动力学研究、深部地热调查评价提供物探数据支撑，为建设绿色生态宜居新城示范区贡献地质力量，着力打造万米“透明雄安”、服务其基础地质建设。