应用VSP观测的黄土塬地面地震干扰波研究

闫有平 赵军才 胡亚东 高 峻 谭 勇 王云朋

(中石化石油工程地球物理有限公司华北分公司，河南郑州 450000)

0 引言

黄土塬区大多覆盖巨厚疏松的黄土，该土层厚度纵、横向变化剧烈，对地震波的吸收和衰减严重[1]。而且还因含水性及岩性等差异产生明显的多次波以及沟塬之间巨大高差形成面波、浅层折射、侧面波、散射等干扰，且其能量强、衰减慢。其中许多干扰波与地震反射信号具有相似的物理特征，这些干扰波的复杂多样性使得对其在采集现场及室内进行压制非常困难[2]。因此，加强黄土塬区地震资料干扰波的分析，有助于地震数据采集阶段对其压制及后续去除处理。

黄土塬区地震单炮记录中常见一种较强的干扰波，在三维地震记录的非纵测线近排列呈“八字胡”状，非纵远排列呈双曲线形态，俗称“八字胡”[3]。目前，对该干扰波的产生机理有三种主流观点： ①斯通利波，从非纵测线近排列单炮记录看，它出现在面波区域，只是速度较高，因此有人认为该规则干扰是上覆黄土与潜水层分界面形成的一种瑞利型面波，即斯通利波[4-6]； ②潜水面折射波，由于其速度与潜水面以下地层速度接近，所以也有人认为是沿潜水面与上覆介质之间传播的折射波； ③回折波，黄土塬表层速度是随深度逐渐增加的，而黄土塬(黄土层)与潜水面、潜水面与基岩之间的某一层段可看作连续介质，它具备回折波产生的条件，因此刘宝国等[3]将其定义为回折波。

还有其他类似③的观点，如胡自多等[7-8]也认为是回折波，并按回折波时距曲线特征应用于黄土塬地震资料静校正处理。但刘明乾等[9]认为是直达波，并用时距曲线公式证明直达波和折射波在非纵测线地震记录中表现为弯曲相干噪声； 陈超群等[10]则认为是一种强折射噪声，采用基于随机函数数据重构的分频异常振幅衰减技术做去噪处理； 杨城增等[11]认为是浅层折射，应用加减法去噪技术压制该线性干扰； 牛中宁等[12]认为是线性噪声中的多次折射波； 窦伟坦等[13]经过黄土塬干扰波调查，认为是一种次生干扰； 李庆忠[14]认为是一组侧面次生面波； 张亚斌等[15]认为是斜干扰噪声。

可见，地球物理工作者根据该干扰波在地面地震资料中表现的部分动力学及运动学特征，对其机理、类型进行分析，得出不同结论。因缺乏极化特征这一关键信息，故上述结论可靠性不强。

该干扰波是黄土塬区地震资料中一种独特现象，在其他类型工区几乎不存在。本文首先分析了地面地震记录中“八字胡”干扰波的频率、时距关系及速度比等特征，认为它是一种折射波，且波场类型可能是横波； 其次从激发及接收环节对其成因进行分析，表明纵波地震勘探尽管采用垂直检波器接收，但也具备采集横波信息的条件。区分纵横波的一个关键因素是极化特征，而单分量记录不能进行极化分析。因此，文中提出一种基于VSP(垂直地震剖面)观测的地面地震记录干扰波研究方法。

由于该规则干扰波能量强，地面地震水平观测只能记录其上行传播过程。而VSP是在地面激发、井中不同深度接收地震波[16]，因此，在接收上行波的同时，还能记录从震源出发的所有下行波[17]。同时，VSP检波器在井下相对“安静”的环境中，可避免或减少地面上的自然干扰，利于波的记录和识别[18]。由于VSP是沿垂直方向观测地震波场，可更明显地观测各种波的运动学与动力学特征，也就能更好地研究与各个界面有关的对应波场的变化[19-20]。而且，三分量观测能对地震波的极化特征进行分析，从而识别其机理、类型。

通过综合分析多个工区的VSP资料，发现有别于其他工区，黄土塬区VSP资料中也存在一种对应的特殊下行波场，笔者倾向认为这二者是同一干扰波。因此，利用区内VSP资料的速度模型，通过正演模拟厘清了VSP记录中相应波场与地面记录中“八字胡”干扰波的对应关系； 再根据地震波场极化原理，将VSP记录转换到PRT坐标系，进行极化分离，并分析VSP记录中该波场在P、R、T分量中的能量分布，根据极化特征，确定其波场类型为纯横波； 模拟记录及实际资料均验证了该结论。

1 地面地震“八字胡”干扰波产生机理及成因分析

1.1 波场特征分析

“八字胡”干扰波在地面地震记录中有以下主要特征。

(1)时距曲线：在非纵测线的近排列为一直线，远排列为双曲线(图1a)，符合直达波与折射初至波时距特征[9]。

(2)能量：在非纵测线近道甚至强于初至折射波，远道弱于初至折射波； 与激发点位置相关，沟底激发能量最强，半坡次之，塬上能量较弱； 同时与排列所处高程相关，高部位能量弱，低部位能量强(图1b)。

图1 黄土塬区三维地震单炮记录

(3)速度：视速度大于面波速度，在2000m/s左右，约为P波折射波的1/2；

(4)频率：高于面波频率，非纵测线远排列记录中，高频端低于30Hz，在有效反射波频率范围内(图2)。

图2 远排单炮分频扫描记录

在非纵测线远排列地震记录中，“八字胡”干扰波出现在有效反射波区域，且与有效波主频相近。叠前去噪主要是采用人工拾取局部切除等常规二维相干噪声压制技术，但这些去噪技术的效果并不理想，同时对有效信号也会造成一定损害[9]；若进行多次线性去噪处理，则对有效信号损伤太大，空间假频现象严重[10]。因此，研究并厘清其机理、类型，可为后续处理阶段去噪技术的选择提供依据。

1.2 波场机理分析

根据“八字胡”干扰波在非纵测线近、远排列的时距曲线特征，认为它可能是直达波或折射波。黄土塬区表层速度结构复杂多变，干燥黄土速度为300～500m/s，潮湿黄土速度约为900m/s，含水黄土速度大致为1700m/s[1]。直达波速度与表层速度相关，而“八字胡”干扰波的速度约为2000m/s。另外，直达波(或回折波)在低速层中传播，能量快速衰减，在远排列(非纵距1450m)不可能表现强能量特征。“八字胡”干扰波的速度、能量特征都表明不是直达波，由此可确定它是一种折射波。“八字胡”干扰的非纵测线近排列时距曲线不能延伸到原点，只能延伸到P波折射初至波出现的近地震道(图1a红线向上的端点)，且有时间延迟。表明它是同一高速层(4170m/s)产生的折射波，其速度比为2.09，符合纵横波速度比特征。

图1显示：“八字胡”干扰波在近排列的远道、远排列以及排列高部位(图1b的右半支)的能量弱于初至折射波，说明随传播距离的增加其能量衰减快于P波折射波，这也符合横波能量衰减特征。

图2分频扫描记录显示：纵波初至折射波、反射波及侧面波等次生干扰波的高频端都超过50Hz，而“八字胡”干扰的高频端低于30Hz。若它是纵波折射波，由于速度低于初至折射波，则产生层位浅，传播路径短，高频成分衰减少，不可能呈现如此低频特征，只有折射横波才与该低频特征相符。

总之，综观“八字胡”干扰波的时距曲线、速度、能量、频率等波场特征，都表明其波场类型极有可能是横波折射波。

1.3 激发因素分析

1.3.1 转换横波

根据地震波动力学理论，地震波以一定角度入射到地层界面后，不但沿法线方向产生位移，还会沿切线方向引起位移，因此反射波中包含P波和P-SV波两种成份。而且在0°～90°范围内还存在两个特定入射角，当P波以该角度入射时，反射波中只包含P-SV而无P波。对泊松比σ=0.25而言，这两个角度为60°和77°13′[21]。因此，炸药震源激发时，向上传播的P波到达自由界面，部分能量转化为向下的反射P-SV波，再入射到高速层(P波折射产生地层)，形成P-SV折射波(图3)。由于激发井深一般约为10m，激发点与自由界面反射可视为组合震源，且黄土的泊松比恰好也约为0.25[21]，故“八字胡”干扰很可能是P-SV转换横波的折射波。

图3 P-SV转换折射横波传播示意图

1.3.2 纯横波

岩石爆破理论表明，只有点状炸药在均匀介质中才能激发出纯纵波，其他爆破过程都会同时激发P、S波。有学者分析了岩石爆破过程S波的产生机制，表明短柱状药包、炮孔周围岩体的开裂与破碎，以及装药偏离球形或柱形空腔中心，均可诱发S波。P波传播过程与介质界面的相互作用，可产生次生S波(P-SV)[22]； 也有人推导了短柱形空腔的应力解，证明短柱状药包可同时激发P、S波[23]。黄土塬区一般采用多井组合激发，单井药量4kg以上，药柱长度超过1m，而直径只有8cm； 同时，黄土塬区表层岩性变化剧烈，各向异性严重。柱状药包及非均质围岩的激发因素都为诱发S波提供了条件，这也可从微测井记录中得到验证。

图4a为双井微测井波场传播示意图，其中P1为下行直达纵波、P2为自由界面反射纵波、P3为地层界面反射纵波、S1为下行直达横波。采用的观测系统参数为：井间距5m，井深50m，逐点激发(0～10m，间距0.5m； 10～30m，间距1m； 30～50m，间距2m)。另一口井采用井底单分量垂直检波器接收，其井底道观测记录如图4b所示。由于炮检距只有5m，相对于50m的激发井段，大部分炮—检连线近似垂直，直达纵波可视为垂直入射，故不存在转换横波，但记录上可见明显的横波，说明在黄土塬区独特激发环境下，同时存在直达纵、横波。

图4 黄土塬区双井微测井记录

1.4 接收机制分析

在纵波地震勘探中，通常采用单分量垂直检波器接收数据，显然该类检波器只对质点在垂直方向振动的地震波敏感，理论上无法接收质点在水平方向产生位移的地震波。但因炮检距大多不为零，即地震波入射时并非完全垂直于地面，因此出射到地表的地震射线也不垂直于地面。在三分量记录中，z分量上记录到P波的同时也能记录到横波[24]。由于“八字胡”干扰是折射波，比反射波有更大的入射角，更可能被检测到。尽管单个垂直检波器接收的横波信号能量弱，但多个检波器的组合效应使规则的弱信号得到同相叠加。

图5为横波可控震源激发、纵波观测的试验记录，振子沿测线方向(X)搓动，垂直检波器接收，但记录到的S波比P波能量强得多。这就以实际地震数据说明，只要能量足够强，垂直检波器也能接收到横波。

图5 横波垂直检波器记录

1.5 地面地震资料分析结果

通过以上对激发及接收两方面因素的分析，说明黄土塬地震资料中，尽管是纵波震源激发、垂直检波器接收，但也可能记录到横波信息，此点可从“八字胡”干扰严重的记录(图6)得到验证。该记录面貌只有在横波可控震源激发时才出现，而实际是炸药震源激发、垂直检波器接收。这表明黄土塬区纵波地震勘探有可能同时记录到纵、横波信息。

京东&高至影像强强联手，针对入门级摄影爱好者推出了《摄影之友 · 时光》杂志。上京东购买影像产品，免费附赠一本。

图6 黄土塬区单炮记录[3](固定增益)

黄土塬区单炮地震记录中，“八字胡”干扰的波场特征表明它可能为横波折射波。但极化特征才是纵、横波判别的直接依据，而针对地面单分量地震记录不能进行极化分析。因此，本文提出一种基于VSP资料研究地面干扰波机理、类型的方法。

2 原理及方法

2.1 极化分析原理

三分量地震记录(x(t)，y(t)，z(t)，t>0)构成三阶协方差矩阵。协方差矩阵的特征值和特征向量定义了一个椭球，该椭球是对应协方差矩阵内质点振动的最小平方近似，其特征值从大到小依次为λ1、λ2、λ3。最大特征值λ1及其对应的特征向量u1=(l1，m1，n1)从数学上表征了质点振动的主要特征。质点振动极化特征可用于判别各种各样的波形。极化特征包括以下三个主要参数。

极化度η为

0≤η≤1

若极化度为0，表示质点是环形运动；若极化度等于l，表示质点是完全线性极化，接近于一个线性运动。根据椭圆率、极化度和极化方向，可构造不同极化滤波函数，进行纵横波场的极化分离[25-28]。

2.2 分析方法

2.3 VSP观测到的特殊波场与“八字胡”干扰对应关系

2.3.1 VSP波场分析

图7a为黄土塬三维工区内B1井非零井源距VSP垂直分量记录，其井源距为1500m，观测井段是860～3640m。图7b为相邻黄土塬工区X1井非零井源距VSP垂直分量记录，井源距为2127m，观测井段为420～3780m。从这两口井VSP的垂直分量记录都观测到一种特殊波场的同相轴(图7a、图7b黄线)，且有以下特点：①频率低，能量强，衰减比纵波快； ②当井源距变大，同相轴发生时间反转的接收深度增加，也比初至直达波时间反转的接收深度大(图7b)，表明其速度低于纵波； ③与P波初至不相交。但深部地层出现的转换横波，频率相对较高，能量弱，可追踪其产生层位。这与山地地表(图7c)及沙漠地表(图7d)条件下的VSP下行转换横波有相同特征(图7红色虚线)。

图7 不同工区非零井源距VSP垂直分量记录

2.3.2对应关系分析

因B1井VSP在860m深度以上未进行观测，故无法追踪这种特殊波场同相轴向上延伸情况。因此，利用该井的VSP速度模型(表1)得到正演模拟非零井源距VSP垂直分量记录(图8)。正演的VSP观测井段为0～3500m，级间距为50m，记录长度为4s。从正演模拟记录可看出，该特殊波场与P波初至波场的相对时距特征，与实际记录基本一致，表明模拟记录的合理性。且直达P波与特殊波在浅层因地层速度低都发生了时间反转，下行直达波在临界点处逐渐变为上行折射波。其射线路径(图9蓝线)表明，该波场在折射界面(深度450m)以下为下行直达波，折射界面以上为上行折射波。

图8 B1井非零井源距VSP垂直分量模拟记录

图9 水平与垂直观测射线示意图

表1 模型数据表

正演模拟的第一个检波器位于地面，即接收深度为零。因此，可将该波场的同相轴向上连续追踪至地面(如图9中Rc)。通过对比它与地面地震相应地震道的波场特征，从而建立VSP记录中特殊波场与地面地震记录中“八字胡”干扰的对应关系。

由于静校正处理参数不同，VSP观测与地面地震观测的同相轴时间难以直接对比，但两种波同相轴的相对时差在所观测记录上是固定的。在VSP正演模拟记录中，P波与特殊波场同相轴时差为455ms。地面地震实际记录中1500m炮检距的地震道(对应于1500m非零井源距VSP的地面接收道)的时差为463ms(图10)。在相同炮检距或井源距时，两种观测方式的时差都约为8ms，基本一致，可确定二者的对应关系。另外，这一强干扰波在其他工区的VSP和地面地震记录中基本不存在，而黄土塬区地震在水平及垂直方向观测时都出现了该干扰波，且都具有能量强、频率低、速度低等相同波组特征。因此，VSP记录中这一特殊波组就是地面地震资料中的“八字胡”干扰。

图10 VSP记录特殊波场与地面地震记录“八字胡”干扰波的同相轴时差对比

地面观测只能接收其上行波，井中观测则可接收其上行波及下行波(时间反转深度以下)。因此，可利用VSP资料中该波场的极化特征，判断“八字胡”波场的类型。

2.4 VSP记录的特殊波场类型识别

根据极化分析原理，对VSP三分量记录做极化分离，得到极化坐标系中的P、R、T分量(图11)。其中，P为射线平面内的炮检方向，R为射线平面内与P垂直的方向，T为水平面内与P、T垂直的方向。由于P波传播方向与偏振方向一致，而S波传播方向与偏振方向垂直，因此P分量主要包含下行直达P波、上行SV波，R分量中包含下行SV、上行P波，T分量在水平面内，且与射线平面垂直，只能是SH波。

非零井源距VSP垂直分量中的该特殊下行波，在P分量中几乎全部衰减，在R、T分量中得到加强(图11b、图11c)。因此，在非零井源距VSP记录中，根据其偏振特征判断它在折射界面以下接收的是下行横波，旅行时随深度增加而增大，表现为正的视速度，而在折射界面以上接收的是上行折射横波，旅行时随深度增加而减小，表现为负视速度。

图11 B1井VSP记录中P(a)、R(b)、T(c)分量示意图

根据弹性波理论，P波不能转化为SH波，除非地下有HTI介质存在，P-SV可分裂为快、慢横波S1和S2，从而产生P-SV-SH(S2)波。但图11的R分量中的下行SV波、T分量中的SH波显示，其能量、时差(相对P波初至)特征基本一致，说明它不是快、慢横波，只能是纯S波(SV+SH)。若是P-SV波，其能量在T分量中应该是大幅度衰减，而不是加强。因此，说明它并非转换横波，而是纯横波。

根据P-SV波产生机制可知，它一定是P波到达地下某一波阻抗界面才能产生。则它能与下行P波初至相交，可追踪其产生层位。而纯横波由于速度低于纵波，只要炮检距不为零，它不可能与P波初至相交。它的时距曲线在垂直及水平观测都显示不能与P波初至相交，也说明它是纯横波。

地震波频率与激发岩性的速度成正比，而黄土结构疏松、速度低，炸药爆炸后的振动转化为弹性波所用的时间较长，很难激发出高频信号[29]。纯横波在地表震源点直接产生，则具有低频、强能量特征。而P-SV波在地下速度较高的岩层界面转换产生，则频率高、能量弱。黄土塬区VSP垂直分量记录中都呈现该共同特征，也说明其纯横波的属性。

总之，根据以上偏振、源点、频率等三个特征分析，可认定VSP记录中特殊波场的类型为纯横波。结合地面地震记录分析结果，表明了“八字胡”是纯横波折射波。

3 验证及进一步研究思路

3.1 Walkaway VSP资料验证(非纵测线远排列)

由于Walkaway VSP的观测系统是检波点固定在某一观测井段，炮点以一定间距沿穿过井口的炮线布设[30]，可得到不同炮检距的共检波点道集记录(图12a)。根据炮—检互换原理，则与地面非纵测线远排列有相同的炮检关系。只是Walkaway VSP的“炮点”(实为检波点，深度1500m)是垂直方向偏移，而地面非纵远排列(非纵距1475m)的炮点为水平方向偏移。二者有相同的时距曲线特征，只是井中接收时，初至为下行直达波，而水平接收时初至为上行折射波(2.1.2中已说明二者为同一波组)。

Walkaway VSP记录中可见两组明显的下行横波，而且两组横波的源点、能量、频率等波组特征分别与非零井源距VSP中转换横波、纯横波相对应。说明波组Ⅰ为转换横波，波组Ⅱ为纯横波。由于地面记录的初至为上行折射波P波，则“八字胡”是上行波折射纯横波(图12b)。这就从“八字胡”干扰在非纵远排列地面地震记录中的时距特征，验证它是纯横波折射波的观点。另外，Walkaway VSP记录也说明纵波激发时同时产生了纯横波。

图12 非纵测线实际记录

3.2 理论模拟验证(非纵测线近排列)

利用表1的速度模型及三维地震相同的观测系统进行模型正演，分别得到弹性波及声波的模拟记录(图13)。由于弹性波为全波场，而声波只有纵波，从二者的对比可看出，前者出现了横波，并与实际单炮记录有较好对应关系。绿色虚线波组的视速度为2000m/s，与“八字胡”速度一致，因此从非纵近排列的观测方式进一步证明了“八字胡”是横波的折射波。

图13 非纵近排列单炮模拟记录

3.3 进一步研究思路

黄土源区干扰波复杂，“盒子波”、“方形排列”等常规干扰波调查方法有其局限性，应加强“倾斜法”、“三分量观测”等调查方法研究，才能全面掌握各种干扰波的机理及类型。后续拟设计一个小道距(5m)二维观测系统，采用三分量检波器接收(两线x分量同一位置反向布置，便于极性检测)，利用实际资料进一步验证文中观点。同时，也将从激发岩性、激发因素、近地表地层速度结构等方面加强理论研究，探索黄土塬区地震资料中横波的形成机制、接收机制。只有准确识别“八字胡”波场机理，才能在该类地区地震数据采集时采取针对性的措施加于压制，在后期资料处理中，可采取反演[31-33]、滤波[34]等针对性的技术措施，做到多源的压制、分离，提高地震资料品质。

4 结论

根据“八字胡”干扰波的运动学及动力学特征，人们对其机理、类型的认识出现了不同观点，甚至存在较大争议，主要原因是未分析其极化特征。为此，本文提出一种利用井中三分量VSP观测方式识别地面地震资料中“八字胡”干扰波机理、类型的方法，通过系统研究并利用理论模拟记录及实际资料进行验证，表明结果可靠性强，并形成以下认识和结论：

(1)通过对黄土塬区VSP记录中特殊波场的极化分析，确定其为纯横波。该波场能量强，便于准确拾取横波初至； 同时其传播路径比转换横波简单。因此，可利用该波场获取更准确的横波速度。有利于进一步提取地层岩性的剪切模量、压缩模量、杨氏模量和拉梅系数等物性参数，用于岩性解释、储层预测及油气检测等。

(2)基于VSP观测的地面地震资料波场研究方法，能较好地识别黄土塬地震资料中特殊干扰波的机理、类型，确定“八字胡”是纯横波折射波，为该区地震数据采集干扰波压制及资料处理去噪技术的选择提供依据，进而提高地震资料品质。

(3)黄土塬区纵波勘探地震记录中存在能量较强的横波折射波，当横波能量足够强时，可能会出现反射横波，在去噪处理时应充分考虑这一因素。