刘家豪,严加永* ，王栩,陈淼,张文文，佘京瑾，姜昶旭
(1.中国地质科学院，北京 100037；
2.中国地质调查局中国地质科学院深部探测中心，北京 100037;3.中国地质大学中国地质科学院，北京 100083)
地球在为人类提供赖以生存的资源能源的同时，也存在着毁灭人类的灾害，如地震、火山和海啸等。这些都与地球内部物质组成、结构及动力学过程息息相关，因此需要采用各种方法对地球内部特别是地球深部进行探测。地球物理学研究是20世纪40年代逐步发展起来的一门交叉学科，是探索和研究现代地球内部结构和地球动力学演化过程的主要方法，其中深反射地震探测技术被公认为探测大陆岩石圈精细结构、大陆基底、上地幔精细结构等深部问题的有效手段[1-5]。
目前中外学者利用深反射地震方法对地球深部开展了探测工作并取得了许多重要的成果，如美国的COCORP(the Consortium for Continental Reflection Profiling)和EarthScope计划、欧洲的EuroProbe计划等。在中国，对地球深部的探测可以追溯到1958年，采用地震勘探在柴达木盆地开展的深部探测，自此中国大陆深部结构和动力学过程研究的大门打开了。自20世纪90年代以来，中国学者在青藏高原、秦岭、昆仑山、大别山、松辽盆地等地，开展了深反射地震勘探；
以及在2008年启动了国家深部探测专项(SinoProbe)使中国进入了深部探测大国行列[6-16]。这些研究在揭示Moho面结构、深部找矿、灾害预测、构造演化等方面发挥了重要的作用[17-18]。
近些年来，深反射地震地震得到了长足发展，在震源激发方面不但有传统的大药量激发的炸药震源，也将可控震源引进深反射地震勘探中；
在接收方面从单线接收发展到宽线接收，以及大偏移距和检波器多组合接收方式；
在数据处理方面，如在静校正和去噪方面采用多域多方法结合的方式提高数据的信噪比；
在解释上，有Skeletonization技术、图像处理技术和χ2分布处理等。但这些方法都有着限制性，并不能达到高精度的深部探测的要求，目前深反射地震勘探面临的难题有如改进激发震源与接收方法进一步提高勘探深度和地震数据的质量；
得到的数据与石油地震勘探的数据有着很大的不同，面对这些数据如何改进和创新处理手段，如结合深度学习进行智能去噪；
以及改进和发展解释方法，提高对数据的解释精度等，现系统总结目前深反射地震数据采集、处理以及解释的方法，在此基础上对未来的发展做出展望。
通过地震波在地球内部的传播，可以得到地球内部的结构构造、变化过程和未来的发展方向等。如利用天然地震记录得出的地球内外核旋转速度不同[19]。目前，与其他勘探方法对比，采用地震勘探是探测地球内部构造的最有效的手段，尤其是在探测地球深部结构构造方面[20]。在地震勘探中，采集是重要的基础环节，它直接影响着后续数据的处理和解释的工作。
1.1 震源
深反射地震勘探主要采用主动震源激发，在震源激发的位置、方式和时间以及仪器的接收等方面可以精准把控。因此与被动源探测相比最大的优势是具有可控性甚至与其他地球物理方法相比，主动源探测技术(如深反射地震)对深部结构构造的刻画更加精细，探测成果解释更加准确，对地球深部精细结构的研究具有特殊意义，在深部探测中得到广泛应用，在青藏高原腹地及其周边完成的典型地震剖面约24条，累计长度达15 000 km左右[21-24]。
随着技术的进步，出现了各种类型的人工震源，人工震源的能量如图1所示[25]，根据不同的特点其应用领域也不同，目前深反射地震勘探的震源主要有炸药震源和可控震源。
ACROSS(accurately controlled routinely operated signal system)表示精密可控常时震源系统图1 几种人工震源释放能量比较[25]Fig.1 Comparison of energy released by several artificial sources[25]
1.1.1 炸药震源
目前在地震勘探中炸药震源激发的地震波的脉冲性质较好，探测距离较远，适合应用于深部结构的勘探，同时炸药震源使用的时间最长、用途也较广，可以在前人研究的基础上进一步发展炸药震源的激发效果，因此炸药震源在深部勘探中得到了广泛的应用，且采集到的数据质量较好，经过处理能对深部构造进行了较好的解释[26-28]。但是地球内部不是均匀的介质而且随着传播距离的增加，地震波的振幅呈现出不同的衰减特征，频带及相位也会发生显著变化，爆炸产生的地震波在传播过程中能量逐渐减少。因此采用炸药震源激发时，需要根据探测目的选择合适的炸药量和震源组合方式。
(1)不同的探测深度使用的炸药量不一样，在探测浅部构造时使用数十千克级炸药量，要探测深部构造，实现数百千米的探测距离，必须加大震源能量，使用上百千克乃至吨级炸药[29]。以探测地壳和上地慢结构的地震测深为例，通常使用吨级药量，1999年完成的青藏高原东北缘和鄂尔多斯深地震宽角反射折射剖面使用的单炮药量为2 t出动200台数字地震仪，最大接收距离为300 km[30]。但王冠等[31]在花海盆地的深反射地震采集试验中，通过对比不同炸药量，得出炸药量增大的同时也增大了干扰波的能量，增加了后续处理和解释的误差，因此并不是炸药量越大所探得的数据质量越好。所以为得到高质量的地震数据，可以事先通过系统性的试验得到勘探区不同激发条件下的药量-振幅曲线(图2)[32]，确定饱和激发的药量。
图2 典型的单井激发药量-振幅曲线[32]Fig.2 Typical single-well excitation dose-amplitude curve[32]
(2)而且根据研究区域和探测目的，深部地震数据的采集通常按照“浅深兼顾、大中小炮结合”的原则设置激发组合方式，针对浅、中、深部不同目的层采用大、中、小3种药量激发。通过与常规剖面对比分析发现小炮适合中上地壳成像，大炮和中炮深部信噪比较高，适合中下地壳和上地幔成像[33]。同样符伟等[34]采用不同药量作为激发震源，得出小炮药量可以提供更多的高频信息，用于对中、上地壳的精细成像，而中炮以及大炮则主要用于深部地壳以及上地幔顶部的成像。
(3)目前在深部探测中多采用深井以及多个井中组合激发的方式。深井和组合井激发的方式可以避免虚反射，突出增强有效波，压制干扰波[32，34-35]。组合方式的不同得到的结果也不相同，如贾海青等[36]在辽西地区对比了4种井组合的方式得出单井和三井组合相结合更有利于该地区的深部数据采集。
因此在实际勘探中需要根据工区的地质情况和勘探目的，选择合适的激发方式，为确定最佳采集参数，在采集前需开展点试验，进行激发参数的对比优选，获得的最佳采集参数将有利于深部地震探测工作的开展，降低采集成本同时获取高分辨率的地震剖面。但是炸药震源花费较高，重复性较低，且破坏了当地的环境，并且随着城市化的发展和对环保的考虑，炸药作为激发震源进行勘探逐渐的不可取，同时炸药震源的能量转化率偏低，频带宽，各频带能量都比较丰富，但是对于深部探测而言，高频的能量大多损失在传播中，存在能量的浪费。
1.1.2 可控震源
可控震源技术源于20世纪50年代，与炸药震源相比可控震源具有安全环保、重复性、经济等特点。可控震源主要有液压式、电磁式、精密控制机械震源。液压式可控震源研制最早在陆上油气地震勘探中应用较广，电磁式可控震源在解决工程勘探上发挥着重要的作用[37]，精密控制机械震源主要应用在浅层地震勘探中，同时在对地壳结构探测中该震源也有应用的例子[38-39]。
可控震源的激发能量从早期16 000磅级发展到现在80 000磅级，但是能量的提高并没有显著的提高资料的信噪比，反而在激发高频信号时缺失了高频能量[40]。而低频地震信号在介质中传播距离远，不易衰减和散射，因而在深部勘探中多采用低频可控震源。顾庙元等[41]采用高精度可控震源EV56低频多次激发、密集台阵接收，深反射地震有效信号在50 km范围内能清晰地提取到。王海波等[42]同样采用高精度可控震源激发，采用串联低频检波器的接收方式，获得的数据信噪比较高，经过处理后得到的叠加剖面上地壳和莫霍界面的反射特征清楚(图3)，为高精度可控震源进行深部探测积累了经验和依据。吴多平等[43]采用低频可控震源点群激发以及高覆盖次数观测技术，提高了激发能量以及数据的信噪比。
图3 叠加剖面(修改自文献[42])Fig.3 Stacked sectiont(modified according to ref.[42])
可控震源激发探测是深反射地震采集的有效激发方式之一，更加符合绿色环保、安全和经济的发展趋势，但同样可控震源受激发能量有限和有效信号频带窄的限制仍然具有局限性，因此除了考虑能量级的增加，更应改善激发信噪比和频带宽度，提高地震信号对地质目标的分辨能力。
1.2 接收
1.2.1 宽线接收
在深反射地震勘探初期，中外多使用单线接收方法，当勘探深度和震源确定时，单线接收的效果主要取决于覆盖次数。当莫霍面较浅时低覆盖次数也可得到高质量的地震记录，但是当莫霍面较深时单线接收方法得到的数据信噪比较低、能量较弱。而宽线接收方法可以大幅度的提高覆盖次数和叠加次数，如若是采用三排检波点、三排炮点可获得9线144次叠加的地震资料，而且当接收线之间的线间距大于勘探区内随机干扰的相关半径，噪声在不同线剖面上的特征不同时，宽线接收方法可数倍的提高地震数据的信噪比。但该方法受地形影响较大且费用较高，因此可考虑小宽线工作方法，部署一条激发线和多条接收线，该方法在东秦岭深反射地震中取得了高质量的深反射地震剖面[44]。
1.2.2 大偏移距和检波器组合
在深反射地震勘探中大偏移距和检波器接收组合的方式也影响着数据的质量。检波器接收长度应与探测的层深度相当，而深反射地震勘探勘探深度较深因此多采用大偏移距，如大炮的最大偏移距最大可达到50 km以上，小炮的最大偏移距也有十几千米。检波器接收组合也是压制干扰波提高数据信噪比的一种方法，检波器接收组合方式主要有点组合、线形组合、梭形组合和矩形组合等。可根据实际勘探区的情况选择合适的组合方式，如卢占武等[45]针对青藏高原羌塘盆地地质条件，得出线形组合在波组连续性、能量以及数据信噪比等方面效果较好。贾海青等[36]对正方形组合、线性组合以及点组合进行采集试验，综合考虑能量大小、同相轴连续性、组合覆盖范围以及勘探区的地质情况，认为点组合方式为最优的组合方式。而检波器的连接方式对数据的采集也有重要的影响，连接方式有串联、并联和两者结合的方式，根据研究区域的不同选择不同的连接方式，在干扰严重的地区，可选择并联组合方式，对高精度勘探目标地区，应选择串联组合方式，如张尚坤等[46]在对沂沭断裂带岩石圈结构进行精细探测时采用6只检波器串联组合的方式。
数据处理是深地震反射剖面探测的第二步骤，它是采集和解释之间的桥梁，数据处理的好坏直接决定着后续解释的可靠性。因此对数据处理的改进一直是科学家们大力研究的关键内容之一。目前，深地震反射数据处理步骤主要包括静校正、能量补偿、噪声压制、反褶积、速度分析、动校正、叠加、偏移等，根据深反射地震资料的特点，在处理过程中，采用的方法与常规反射地震略有差异[47]。
2.1 深反射地震数据特点
由于深反射地震剖面探测深度大，深层的有效信号弱，且剖面长，跨越多个构造单元，复杂的地质条件会对原始地震记录形成强干扰，降低信噪比，给数据处理和解释工作带来困难。深反射地震数据一般有以下特点：①由于探测的深度大使得测线的剖面过长，进而使得岩性和地表起伏变化较大，造成干扰波发育以及引起严重的静校正问题；
②由于球面扩散以及地层的吸收衰减作用，使得深部的信号能量较弱，背景干扰较强，资料的信噪比非常低；
③为采集到浅、中、深层高质量的数据，采取的激发和接收条件不一致，使得地震数据在振幅、能量和相位等方面的差异较大[48]；
④由于地质构造复杂，如地表起伏落差大、褶皱和断层发育、地层倾角大以及切割性强等，使得在纵横向上地层速度变化较大，进而导致反射界面物性分辨较差。
虽然更具经济性的可控震源已验证可以在深部反射地震勘探中应用，但是由于地形条件和技术的限制，目前多数的深部反射地震多采用的是炸药震源，采集花费较大，使得重复采集可能性大大降低。因此在采集到数据后，就需要针对数据的特点和研究区域的地质构造特点开展处理工作，采用合理的处理方法，去除干扰波，提取和增强深部弱反射信号，提高信噪比、分辨率和成像精度，更好地为解释深部构造的特征做好准备。
2.2 深部反射地震数据处理
2.2.1 组合静校正
由于测线过长，经过的区域地质构造复杂、地表起伏较大而且岩性也不尽相同等原因，使采集到的深反射地震数据静校正问题严重，降低了数据的信噪比和对深部地质构造的分辨率，也严重影响了速度分析的质量，进而影响着数据解释的可靠性[49-51]。静校正可分为基准面静校正和剩余静校正。基准面校正包括了高程静校正、折射静校正和层析静校正和改进后的无射线层析成像静校正技术等。高程静校正不考虑低速带，仅对物理点与固定基准面的高程差进行校正，计算效率高，能较好地解决长波长静校问题，但适应范围局限在无低速带或低速带横向无变化的地区[52]，而且对短波长静校正问题上表现较差。折射波静校正利用地震波的初至时间计算折射层速度和延迟时，结合表层信息反演近地表模型，进而计算静校正量的一种静校正技术，在低信噪比地区，折射静校正能能解决低速带静校正问题，但若是地质条件复杂，缺少稳定的折射层区域内，折射波静校正应用效果较差[53-54]。而层析静校正利用初至波走时和路径反演速度模型，并根据模拟和实际勘探之间的初至时间的误差，不断对模型进行迭代改正，最终得出高精度速度模型，在这个过程中不受地表和近地表地质结构变化的约束，因此可以用于在复杂的地质条件的情况下，但同时层析静校正也受限于实测数据的影响。改进后的无射线层析成像静校正技术，迭代得出的静校正量更准确，更加适应于复杂地区[55]。
上述可知，各个静校正方法的优缺点不同，结合深反射地震的特点，在深反射地震数据处理中多采用组合静校正的方法，解决全线的静校正问题，刻画地下构造形态[45-56]。如徐泰然等[57]对比不同岩性区域使用不同的静校正方法，如图4所示，得出在左侧的花岗岩出露区内层析静校正明显好于折射静校正和高程静校正，在右侧的沉积区内折射静校正的效果明显好于层析静校正和高程静校正，因此可组合使用静校正技术进行数据的处理。高磊等[58]为解决兴蒙造山带深反射地震数据的静校正问题，对比多种静校正方法，确定了不同区域采用不同静校正方法的组合静校正技术，通过测试发现在测线1～20 km，折射静校正效果优于层析，在20～80 km区域层析静校正效果相对优于折射效果，故对该区域应用组合静校正，在两个区域重叠部分根据折射和层析的校正量用最小二乘法拟合静正量。
图4 组合静校正效果对比(修改自文献[57])Fig.4 Combined static correction effect comparisont(modified according to ref.[57])
在基准面静校正后，仍有短波长静校正量的存在，而剩余静校正是去除短波长静校正量、提高信噪比和叠加成像质量的重要方法[59]。剩余静校正利用折射波或反射波的空间相干性和道间时差来解决残余静校正问题[60]。剩余静校正有地表一致性和非地表一致性剩余静校正，可进一步分为分频剩余静校正技术、Stack-Power剩余静校正、模型迭代剩余静校正、模拟退火法剩余静校正等。由于地震波传播规律使得深反射地震数据具有深部信号低频丰富，而中高频较少，不同频率成分对剩余静校正量的精度要求不同，如高频成分精度要求更高，因此，在处理中可采用分频剩余静校正技术[61]，去除低频段的剩余静校正量，然后去除中高频段的。模拟退火算法是利用全局寻优问题和物理的退火过程具有相似性，将退火的思想引入到组合优化问题中，发展起来的一种全局最优化算法[62]，如高磊等[58]通过对比常迭代剩余静校正和模拟退火法剩余静校正，后者的校正效果较好。同时剩余静校正技术可与高精度速度分析相结合，速度分析提取速度的准确性严重影响着剩余静校正效果，如Stack-Power剩余静校正技术可以在选定的时窗内最大限度地获取道时移量，从而获得剩余静校正量进行校正，该方法与高精度速度分析迭代分析，剩余静校正后的剖面品质得到明显提升[55]。但在复杂地表区，存在与地表一致性假设不符的实际情况，在剖面上会表现为同相轴存在时差，信噪比较低，特别是对深反射地震而言，区域地质更加复杂，因此，在实际数据处理中还需结合非地表一致性静校正求取小的高频分量，以解决最后剩余的短波长静校正量问题。
2.2.2 能量补偿
地震波在传播过程中会发生能量衰减和相位的畸变。尤其是在深反射地震勘探中，纵向上探测目标较深和地下介质的非均匀性以及球面扩散作用等，导致振幅能量损失严重；
横向上因跨越的构造单元复杂，使得激发和接收点位置以及近地表结构的差异较大，造成数据在炮与炮之间、道与道之间的能量差异较大[63-64]。使得到的深部地震数据信噪比和成像分辨率较低，因此，在深反射地震数据处理中，能量补偿十分重要。
针对纵横上导致能量变化原因的不同，分别采用不同的方法进行能量补偿。在纵向上，多采用球面扩散和吸收补偿的方法。球面扩散补偿是利用水平层状模型得到速度参数和恢复系数，然后补偿地震数据中纵向能量的衰减[65-66]。吸收补偿的方法包括反Q滤波法、反Q偏移方法时频分析法、谱白化方法等。其中反Q滤波法针对单道记录，利用地下介质的品质因子Q，通过多次褶积补偿频率，但是其关键在于得到准确的Q值，而且对传播路径上的吸收衰减缺少考虑，容易造成能量补偿不足。反Q偏移方法通过精准的传播算子，对地下介质的吸收衰减进行高效补偿[67-68]。时频分析法无需用到Q值，结合时间域和频率域的信息进行能量补偿，有基于短时傅里叶变换、S变换、小波变换以及基于Curvelet等变换的能量补偿法。谱白化是对振幅谱的信号展平进行衰减的补偿，并不改变信号的相位谱。
在横向上，多采用地表一致性的方法进行补偿，包括地表一致性振幅补偿和地表一致性反褶积。地表一致性振幅补偿是通过计算某一时窗内的能量，根据振幅归一化标准计算共炮点、共检波点、共偏移距的振幅调整因子，并对各自的地震道进行调整，使地震记录在空间上达到能量均衡，从而消除地表非一致性对炮点及接收点的影响[69]。地表一致性反褶积是多道计算反褶积，消除了混合效应，更好的压缩地震子波，提高分辨率。各种能量补偿的方法都有其适用范围，因此在纵横向上采取不同方法综合使用，补偿地震波在时空上振幅和能量的衰减，平衡纵横向上的能量，最终得到高质量的深反射地震数据(图5)[70]。
图5 振幅补偿前后(修改自文献[70])Fig.5 Before and after amplitude compensationt (modified according to ref.[70])
2.2.3 多域组合去噪
反射地震资料的噪声是指除一次反射波以外的任何其他地震能量[71]，噪声的产生及性质与接收环境、观测方式、震源类型、复杂的地表和地下地质条件等息息相关。在深反射地震勘探中，上述原因更加突出，噪声更加发育。噪声可分为相干噪声和随机噪声，相干噪声主要有面波、声波和多次波等，在地震剖面上表现出规律性；
随机噪声没有固定的频率和视速度，主要包括低频干扰、微震和高频干扰等，在剖面上表现出无规律性[72-73]。深反射地震剖面去噪的主要目的是提高全地壳地震反射的信噪比，提取、保护以及增强来自地壳深部和地幔的有效弱反射信息。因此，需要根据噪声特征、种类和形成机制，干扰波与有效波在频率、时间、视速度、空间分布区域和振幅等方面存在的差异，采用多域多方法结合的去噪方法来压制干扰波突出有效波，提高深反射地震数据的信噪比。
首先对深反射地震数据进行预处理，通过人机交互包括坏道和废炮的去除、极性反转以及振幅异常道的剔除，减少强振幅随机干扰对有效深反射信息的影响。去除噪声也可在采集时通过激发和接收的设置进行压制，大的激发药量会导致面波干扰严重，因此需要确定饱和激发的药量；
当井深较深时，面波较弱，较浅时，面波增强；
在接收方面，通常采用检波器的排列组合方式来减少噪声的干扰，因此，在野外需先调查该区域噪声发育、分布特征，设计合适的观测系统[74]。在数据处理方面不同类型的噪声去除的方法也不一样。
(1)去除面波。面波是一种低频、低速、高振幅且频带变化范围大，在原始地震剖面上多以“扫帚状”形式出现，降低了地震数据的信噪比[75-76]。在深反射地震数据处理中，去除方法有高通滤波、自适应面波压制方法、区域异常振幅衰减、定向滤波、频率-波数 (frequency-wavenumber,F-K)滤波和小波变换等。高通滤波是在频率域滤波，保留高频，但破坏了低频成分。而自适应面波压制方法，定义了面波和有效信号的主频，对面波具有更好的识别压制，对有效信号破坏较小，并具有加强剖面一致性的作用[77]。同时，针对面波和有效信号能量存在差异明显的地震数据，特别是在大偏移距，深层的深反射地震中，面波能量与有效信号能量存在数量级的差异，可以采用区域异常振幅衰减，该方法通过在时间域计算均方根振幅、平均绝对振幅和数据的主频等进行去噪，压制效果较好。但是当近道、浅层，有效波能量与面波能量接近，此时单纯用能量差异的办法无法压制面波干扰[78]。定向滤波是指在给定的时窗利用定向滤波法进行面波预测和压制，区域外的信息不受影响，保护了目的层的低频有效信息，于常青等[79]通过区域异常振幅衰减和定向滤波的方法对面波进行压制，得到了质量较高的地震剖面。F-K滤波方法利用视速度的差异，从时间空间域到频率波数域的转换分开有效信号与干扰信号，进而去除干扰信号，但是，随着接收时间的增长，面波频散加剧，面波的速度线性关系丢失，该方法对于深部域面波和有效信号分离能力有限，同时，该方法也不可避免的会损失深部目的层的信号，而且若是观测数据不够规则，随着道间距和倾角增大，数据产生假频概率逐渐增大。面波的去除可以在小波域中进行，一维小波变换可以将地震道变换到二维的时间频率域上，然后去除面波[80]，为在更高的维数空间上去除面波，Zhang等[81]提出了新的二维小波变换，利用深部有效信号和面波在空间分布的差异来滤除面波，邓攻[35]根据羌塘的深反射地震资料特点，经过对比认为二维小波变换去除面波的效果要好于常规的F-K滤波方法。
(2)去除线性干扰。线性干扰具有能量强、宽频、速度范围广、频率比面波高与有效波的频率相差不大的特点。目前去除线性干扰的方法主要有以下几种：F-K滤波、τ-p变换、预测滤波、径向道域滤波和T-X(时间-空间)域去噪等。采用F-K滤波方法会产生假频和折叠效应，对强线性干扰的消除能力有限，因此多在动校正后使用该方法去除线性干扰[82]。τ-p变换是通过函数投影变换方法，根据地震数据射线参数的差异，实现信噪分离，与F-K滤波方法相比τ-p变换去除线性干扰的能力更强，但易破坏有效信号。深反射地震勘探的道间距一般较大，为保护有效信号避免假频的出现，在去噪前对数据可进行插值处理，然后采用自动识别技术找出线性干扰波的位置并确定其视速度，用预测滤波方法去除线性干扰波，但若构造复杂情况下则会引起有效信号的畸变[83]。20世纪末Henley[84]将径向道变换技术用于消除相干噪声，该方法易实现，滤波效果明显具有较好的保幅性且不受假频的影响以及波形不发生畸变，因此可以应用在深反射地震数据的去噪中。在径向道域中，通过不同的径向道参数，降低线性干扰的频率，然后再利用带通滤波去除线性干扰，随后进行径向道反变换得到压制后的结果，对有效信号的破坏极小且连续性得到加强，在深反射地震数据应用中，为保证变换精度，需要适量增加径向道数[47-48]。根据线性干扰波的特点可在T-X域采用倾斜叠加和向前、向后线性预测的方法去除线性干扰，与F-K滤波相比具有保持振幅、波形无畸变和蚯蚓化现象等特点[57，85]。韩淼等[86]在炮点域和检波域采用多倾角滤波方法进行串联去噪。
(3)去除随机噪声。随机噪声的强度变化大、频带范围广，最高频率可以达到150 Hz，低频干扰的频率范围为10～30 Hz，高频干扰频率范围为80～200 Hz，随机噪声的存在降低了信号的相干性和信噪比[87-88]。叠加可以压制部分随机噪声，但残留的噪声仍会对地震数据的解释产生干扰，特别是对深反射地震数据而言。因此，研究人员提出了众多的去除方法。有采用F-X(频率-空间)域去除随机噪声，该方法首先使同相轴的连续性得到增强，然后对线性同相轴进行预测，而随机噪声的相干性与有效信号相比较弱，根据相干性差异可分离出随机噪声进行压制，但是该方法会增强相干噪声，而且在复杂地质条件下，不满足该方法的使用条件；
可采用依据有效信号相似性，利用多道相关的多项式拟合方法去除随机噪声[89-90]。F-X反褶积和中值滤波相结合以及小波变换与空间频率域预测去噪技术相结合对去除随机噪声也得到了较好的结果[48，91]。通过Shearlet稀疏变换对深反射地震数据进行高精度分解，再通过分角度和分尺度的自适应阈值方法去除随机噪声，该过程不破坏有效信号，如图6所示，采用该方法后得到的叠加剖面成像效果较好，中深层的构造细节和莫霍面的走势都得到清晰呈现[92]。
图6 叠加剖面对比图(修改自文献[92])Fig.6 Overlay profile comparison diagramt (modified according to ref.[92])
(4)其他干扰去除方法。对于其他干扰如50 Hz工业交流电可采用陷频滤波去除，对于多次波可以根据与一次波的瞬时视速度差采用相干滤波法去除[71，93-94]。利用线性或非线性Radon变换也可以对多次波和随机噪声进行压制，相对于相干滤波法该方法对多次波压制时不需考虑多次波和一次波的速度，但是会在压制时引入新的噪声。而且随着技术的发展越来越多的去噪方法应用到地震数据中。曲中党等[95]根据深反射地震数据的非平稳且能量弱低信噪比的特点，通过S变换，利用软阈值滤波方法压制了有效频带范围内的混频干扰。随着技术的不断进步，各种去噪方法层出不穷，地震数据去噪方法还有F-X域拟线性变换法[96]、F-X域EMD(empirical mode decomposition)和多道奇异谱分析结合法[97]、结合深度学习去除随机噪声[98-99]以及基于改进的CEEMD(complementary ensemble empirical mode decomposition)自适应小波熵阈值地震随机噪声压制算法[100]等，这些方法主要应用在常规地震数据去噪中，但是也为深反射地震数据去噪提供了新的思路。
在深反射地震中，噪声的类型多样且复杂，在去噪过程中要在不同域中采用不同的组合去噪方法，压制噪声的同时保护有效信号，另外，叠前的去噪并不一定能满足后续处理的需求，因此还需要进行叠后去噪，叠后去噪一般去除的主要是线性干扰和随机干扰，从而进一步提高深反射地震数据的信噪比和成像质量。
2.2.4 反褶积
地震记录是地震子波与地下反射系数褶积的结果，反褶积是通过优化时窗和参数，压缩地震子波，压制交混回响和短周期多次波来提高地震剖面的分辨率，并给出地下反射系数序列[101-102]，自从Peacock等[103]提出预测反褶积以后，此技术广泛地应用在地震资料处理中。目前在深反射地震中主要应用的有地表一致性反褶积、多道预测反褶积、地表一致性预测反褶积等。地表一致性反褶积是一种多道反褶积[104-106]，该方法能够矫正反褶积算子的畸变，达到保真保幅的要求，消除了激发和接收条件以及穿越构造单元复杂等因素造成的波形差异，也解决了剩余静校正时差问题[13，63]。但是非地表一致性噪音的存在使得该方法具有局限性，而地表一致性稳健反褶积在保证反褶积效果的同时，也对噪声进行了压制[107]。马昭军等[108]根据超深层资料低分辨率、低频率以及子波不稳定等特点对比不同的反褶积的方法，得出稳健反褶积在兼顾信噪比、波组特征和成像等方面效果较好，更适用于超深层地震数据的处理，不同反褶积方法的对比对深反射地震数据的处理具有一定的启发意义。徐泰然等[109]和罗文强等[69]根据实际地质情况、原始资料情况，选择了地表一致性预测反褶积，提高了分辨率，但是在选择参数的时候要谨慎，避免损失有效信号。而反褶积方法组合使用也得到了实践应用，并得到了较好的效果[110]。
2.2.5 速度分析
从观测系统的优化到叠加偏移都有着速度参数的参与，速度分析的结果影响着解释成像的质量和可靠性。深反射地震剖面处理中采用的速度主要指叠加速度，进行速度分析时对速度谱进行放大逐步分析，同时显示速度剖面，以其上速度趋势来控制速度谱不好的点，并参考CDP(common depth point)动校正道集以及谱点附近的叠加效果来控制当前谱点速度的准确性，保证速度拾取的精确程度[57]。在一般的地震地质条件下，速度谱能给出的叠加速度，一般可以满足后续处理的要求。但由于深反射地震剖面长，信噪比低、时间长、有效信号能量弱、地下构造复杂以及速度横向变化大，仅靠速度谱方法难以准确求取其叠加速度。而百分比速度提取方法，利用速度扫描出速度百分比叠加剖面，并根据对横向和垂向的成像估计进行搜索的方法，从而得到有效速度，解决了能量谱不收敛，构造倾角估算困难，速度参数误差大的问题，在低信噪比资料上拾取优于常规速度分析方法，提高了低信噪比地震数据的处理效率。变速扫描与速度谱结合交互速度分析，速度谱和百分比速度扫描相结合，或者是叠加速度扫描、百分比扫描和精细切除相结合方法进行精细速度分析，也取得了较好的结果[14，111]。动校正速度的精度直接影响后续叠加和偏移的成像质量，而动校正速度随炮检距对动校正速度影响较大，而深反射地震采用的炮检距较大，为保证动校正的精度，在速度分析时采用人机交互和高阶动校正联合的方法进行速度分析，特别是对复杂山区的地震数据处理中，该方法提高了速度分析精度，取得了良好的效果[35，112]。速度模型和剩余静校正值相互影响与制约，如反射波分频剩余静校正以速度模型为基础，对校正量的计算采用的是NMO(normal moveout correction)后的道集，而速度的估算与分析又要求在道集上的数据不存在静校正量，当存在静校正量时，速度分析的质量和精度会大大降低；
因此，处理过程中，始终遵循着校正、压噪、速度分析循环迭代，逐次逼近的处理思路，可提高速度分析的精度[61]；
高精度交互速度分析及Stack-Power剩余静校正技术相互循环进行得到更精准的速度模型和去除剩余校正量。在地震勘探的早期，通常采用基于双曲线型时距方程的叠加速度分析技术，后又发展了适用于大偏移距的非双曲线速度分析技术，以及各向异性介质的速度分析、转换波速度分析等。
2.2.6 叠加
叠加可将反射信号归为到产生的位置上，并消除时差，用于后续的偏移，同时也是对前期处理效果的质检，在地震数据处理中处于重要的地位[113-114]。常规的NMO叠加，假设地表无起伏为水平状态，且地下的介质横向速度变化不大，是一种常用的成像方法。但实际的地下情况是复杂的，因此该方法并不能实现所有同相轴的叠加，特别当地层的倾角过大的情况下，该方法并不适用。而DMO(dip-moveout processing)叠加方法解决了倾角导致同相轴不连续的问题，并有一定的去除噪声的作用，在深反射地震数据处理中DMO叠加使得有效波能量得到加强，线性干扰得到提高，绕射波较丰富，更有利于偏移成像，在多断裂，绕射波发育地区该方法较为适用[14]。但是深反射地震数据传播路径复杂，得到的叠加剖面还做不到精细追踪与解释，而Hubral等[115]提出的CRS(common reflection surface)叠加将有效信号分布在多个CMP(common middle point)道集上然后进行叠加，能处理任何形状的反射界面，适用于更加复杂地质条件下。刘金凯等[55]对庐枞多金属矿集区的深反射地震数据进行了CRS叠加对比处理，如图7所示，CRS叠加处理的刻画能力较强。另外，CRS叠加可以通过高覆盖次数来压制随机噪音,进而提高数据的信噪比。然而在CRS叠加中，波场运动学参数控制着叠加效果的好坏，因此参数的搜索尤为重要，孙小东等[116]采用PSO(particle swarm optimization)算法实现对CRS参数的搜索，在保证叠加效果的基础上，提高了参数搜索效率，并通过模型和实际数据处理结果验证了该方法在保证叠加质量的基础上，提高了处理效率。
图7 精细处理常规NMO叠加与CRS叠加对比(修改自文献[55])Fig.7 Fine processing of conventional NMO superposition is compared with CRS superposition(modified according to ref.[55])
2.2.7 偏移
偏移在地震数据处理中处于核心的地位，可以使反射波和绕射波收敛到相应的位置，消除倾斜界面和构造的影响，提高成像横向分辨，从而展现地下形态和构造的变化情况。影响深反射地震资料偏移结果的因素较多有偏移速度、偏移参数以及前期的去噪等，因此建立高精度的速度模型、选择合适的偏移孔径，对偏移成像的结果对构造解释有着十分重要的作用[65，83，117-120]。
根据叠加方式的不同，可分为叠前和叠后偏移。①叠后偏移是假设地下为水平层状介质，在共中心点叠加剖面的基础上进行零偏移距剖面偏移。叠后偏移主要包括相移偏移、有限差分波动方程偏移、频率-波数偏移等多种方法[121]。于常青等[79]在塔里木盆地深反射地震数据处理中采用有限差分波动方程偏移，得到的剖面分辨率较高。②叠前偏移是对共反射点反射波的叠加，依据任意的非水平层状的速度模型，具有复杂的非双曲线时差或不同叠加速度的相冲突叠加地层可使用叠前偏移。叠前偏移可分为叠前时间偏移和叠前深度偏移，目前叠前时间偏移越来越多地应用到了深地震反射数据[122-125]。Kirchhoff叠前时间偏移是建立在起伏地表基础上的，该方法为弯曲射线偏移，具有高精度和高保真度的优势。对于地下构造复杂，有效信号质量差，信噪比低且难以确定准确的地下速度的深反射地震数据而言，偏移方法的选择尤为重要。而各向异性Kirchhoff叠前时间偏移，结合岩石的各向异性参数，将水平层状介质视作为垂向横向各向同性介质，采用各向异性射线追踪消除各向异性效应，从而改善大偏移距的成像，该方法在针对该地区的深反射地震资料得到了应用，得到的各向异性的偏移叠加剖面成果的信噪比更高，地震成像得到改善，构造形态更清晰，如图8所示[126]。
图8 各项同性与各项异性叠前时间偏移效果对比(修改自文献[126])Fig.8 Comparison of the effect of homogeneity and specificity presuperposition time offset(modified according to ref.[126])
叠前深度偏移技术可分为Kirchhoff积分法、波动方程法[127]、多聚焦成像技术、逆时偏移法[128]等。其中Kirchhoff积分法通过在偏移剖面输出点处定义绕射曲线为双曲线，然后计算加权因子，同时进行去假频滤波处理，对绕射曲线上的能量加权求和，将求和结果放在偏移剖面的输出点上，对每一个输出点重复这一过程直至完成整个剖面的偏移，是应用最广泛的偏移方法。该方法能够对局部目标成像，并具有效率高、无散射、对速度精度要求低以及网格剖分灵活等优势，和波动方程法一样可以高效解决横向速度变化的能力，对于复杂的观测系统和起伏地表情况下，Kirchhoff积分法偏移效果较好。由于深反射地震资料的测线太长一般为(300～700 km)，记录的时间也长，所以主要利用Kirchhoff积分法进行偏移成像，如朱小三等[129]采用该方法对四川盆地的华南深反射地震资料进行偏移影响因素的对比说明。针对复杂非均匀介质成像效果差的问题，Hill[130]对Kirchhoff积分法偏移进行了改进，提出了束偏移的方法，该方法提高了成像质量以及计算的效率和精度。McMechan[131]首次提出了逆时偏移的概念，被公认为目前最精确的深度偏移成像方法，该方法在差分中采用了声波方程本身，且计算从最大的时间开始向最小的时间方向计算，不存在倾角限制，适用于复杂区域和高陡构造成像，但该方法计算和存储量大、存在偏移假象、效率低、对速度模型精度要求高等问题[132]。
此外，偏移按照维数，可分为二维、三维偏移；
根据地下介质，可以分为声介质偏移、弹性介质偏移以及各向异性偏移等。但是这些方法在深反射地震数据处理中应用较少，而且偏移方法需要针对实际地震资料的特点具体问题具体分析，选择合适的偏移方法。
地震资料解释为地震勘探的最后一个环节，它为勘探提供最终成果[133]。由于勘探区地质条件的复杂、采集方法的局限性，得到的地震数据信噪比较低，虽然经过处理，但得到的反射界面上同相轴的能量仍然较弱具有不连续、呈现出带状和交织状的特点，给地质人员的精确解释带来了极大困难。在深反射地震剖面解释中有以下解释方法。
(1)Skeletonization技术。目前对深反射地震勘探深度过深，对剖面的解释无法由钻井数据约束，因此以构造解释为主，Skeletonization技术是基于模式识别针对深反射地震剖面同相轴提取的技术，最初是为了提取剖面信息进而简化剖面，实现对同相轴的自动识别，后添加了空间属性分析功能，通过该方法将剖面转化为线条图进行人工构造解释。在同相轴识别方面，首先将描述波形的特征参数，按照波峰波谷关系及与相邻道的关系构成的准则将每道数据分离成独立的模式基元；
建立目标函数，衡量模式基元间的连接代价,得到最优的连接方式，最终形成同相轴，绘制剖面。属性技术的提出为地震数据的解释提供了新的思路和方法，Li等[134]在属性技术的启发下，建成了模式基元和同相轴属性的属性关系表，并在此基础上对同相轴的长度、倾角和能量等属性进行统计分析和空间分析。对于注重构造解释的深地震反射剖面而言，Skeletonization技术得到广泛应用，如在加拿大的Lithoprobe计划中，剖面均以线条图的形式发布[8，34，135]。虽然该方法应用效果较好，但是算法较为复杂、计算量较大，需要后续的改进。
(2)数字图像处理技术。目前为提取地震剖面中的信息，各种方法应用而生，不再仅仅地球物理这单独的学科，而是多学科交叉融合，其中数字图像处理技术主要有提高处理的精度、人机互动潜力大和灵活性增强等优势[136-137]。如在地震资料解释上，图像处理边缘检测技术是识别断裂的重要方法，它能减小人工解释时间，降低噪声干扰，增强解释准确性。针对深反射地震数据的特点和对剖面解释中存在的问题，李文辉等[138]提出了可用于深反射地震剖面解释的图像处理方法，通过截图局部剖面作为实验数据，然后优化改进空域增强、频域增强、图像分割等方法，最终形成了适用于深反射地震剖面解释的图像处理流程。该方法基本能够提取剖面上表示的深部地质结构，增强剖面分辨率，并可以对特殊的构造信息进行识别增强和挖掘。
χ2分布处理针对深反射地震资料特点，应用图像处理的研究成果，从反射结构与能量的角度，突出深部构造。将深反射剖面作为灰度图处理，在最优相干属性指导下应用模式识别、边缘检测等技术。根据深反射地震剖面的灰度概率密度分布满足自由度的不同，将深反射地震剖面视为线条图剖面或构造与能量叠合剖面。在松辽盆地以及塔里木盆地，该方法都得到了较好的应用效果[79，139]。数字图像处理技术现在快速的发展着，特别是在引入人工智能的情况下，但是在采用人工智能数字图像处理技术在深反射地震剖面的解释上的研究现在还不多见。
(3)深反射地震剖面构造格架识别方法。实现自动线条图的方法可归纳为基于数字图像处理和基于模式识别两大类，如上所述，但是数字图像处理方法仅考虑地震波的振幅信息，但其对复杂情况的识别效果一般；
模式识别方法经验参数多，实现过程复杂。因此李文辉等[140]结合两种方法提出了新的深反射地震剖面构造格架识别方法，该方法通过数据预处理、振幅提取、对象识别、连续性计算和连续性滤波实现深地震反射剖面线条化，同时还可通过对象倾角计算对复杂区域进行属性分析。过程可分为四个步骤：①根据振幅分布特征，按照一定阈值，提取强振幅信息；
②对提取的信息进行对象识别，按照经典8方向flood-fill(漫水填充)算法通过对图像进行逐元素连通性搜索来实现，生成对象关系表；
③以像元为单位，通过计算对象长度来衡量同相轴的连续性，并通过连续性滤波获得剖面线条图；
④针对复杂区域采用标准差椭圆法进行倾角计算，并通过统计其分布规律达到定量分析的目的，对解释起到辅助的作用。针对庐枞地区深地震反射剖面进行该方法的应用，如图9所示[140]，与原始剖面相比，应用该方法得到的剖面简洁清晰对同相轴识别效果更好。
图9 庐枞地区深地震反射剖面(修改自文献[140])Fig.9 Deep seismic reflection profile in Luzong area(modified according to ref.[140])
(4)时深转换技术。地震剖面可以分为时间域剖面和深度域剖面，而采集到的地震数据是时间域剖面，虽然处理方法得到了很大的进步和改进，但是目前处理方法大多是基于时间剖面进行的，得到的叠加或偏移剖面虽然可以进行解释，但是时间域剖面仍然存在着直观性和交互性较差的缺点。而时深转换通过速度模型实现了时间域向深度域的转换，相比时间域，深度域剖面对构造的显示和解释更直观。杨瑨[141]在松辽盆地深部结构研究中通过时间域向深度域转换得到的结果更加真实深度信息准确，实现了构造倾角和接触关系的校准，达到了深部构造归位的目的，如图10所示。
图10 长岭-梨树段优化后速度场时深转换结果[141]Fig.10 Speed field deep conversion results after Changling-Lishu section[141]
(5)地震相分析。地震相可以理解为沉积相在该地震剖面上表现的总和，是岩相的地震波或声波的响应，地震相内的反射层代表地层层面、有地层意义的不整合面和可能的流体接触面。地壳随着深度的变化其岩性、物性都会发生一定的变化。随着深度的变化，岩石的密度存在着一定的变化范围[142]。由于地壳内岩性、物性的纵向变化，在深反射地震剖面上表现出不同的地震相特征，虽然纵向岩性的变化是渐变的，其相变的特征不明显，在深反射地震剖面上看不到代表相变界面的强反射同相轴，但当地壳受到外力作用在不同方向发生片理化时，在不同方向上可以看到能够对比的地震相特征。这种地震相特征的变化通常并不十分明显，需要反复对比相应的纵、横剖面才能做出判断。由于深反射地震资料有限,在不同地区的地震相特征对比分析还需进一步研究。该方法在青藏高原南部的深反射地震剖面得到了应用，得出地震相不仅能够反映不同的沉积相特征，而且对地壳的结构构造特征也有良好的反映[143]。
(6)综合解释。依据对剖面解释得到对深部构造的特征、演化过程以及对地表的影响等方面的认识，难以通过钻探进行验证，因此为得到精准的认识，可以联合深反射地震勘探、重磁和航磁以及地球化学等方法，进行对深部数据的综合利用和解释。如可以借助勘探区的地磁场特征和地震剖面的综合解释，得到存在于深部的能反映地球内部结构活动的证据——构造活动的形迹和岩性分布。重力异常与深反射地震结果相结合，可以进一步研究造山带的形成和演化，圈出成矿远景带。此外，也可结合放射性资料和电阻率和地球化学资料对深反射地震剖面进行综合解释，提高解释精度。
(1)在数据采集方面，主动源探测技术对深部结构构造的刻画更加精细，探测成果更加准确。炸药、可控震源为深反射地震主要使用的震源，其中炸药震源按照“浅深兼顾、大中小炮结合”的原则设置激发组合方式，可控震源具有绿色环保、安全、经济的优势。在深反射地震勘探中多采用大偏移距和检波器接收组合的方式进行数据的接收。高密度地震采集技术增加采样率，主被动源同时采集接收，以及对宽线接收的优化改进，采用多方法处理提高资料，并提高分辨率，获得更丰富的速度信息是地球深部采集和接收重要的发展方向。
(2)目前深地震反射地震数据处理步骤主要包括静校正、能量补偿、噪声压制、反褶积、速度分析、动校正、叠加及偏移等，随着对深部探测的重视，这些处理方法得到了有效的发展，根据勘探区域的不同，学者提出了具有针对性的处理方法，但方法仍然具有局限性。而且随着技术的进步，人工智能在地震勘探取得一定的突破和效果，显示出巨大潜力和应用价值，但是在深反射地震数据处理上，人工智能应用较少，而且深反射地震数据在逐渐的增多，和对勘探精度要求的提高，需要加强机器学习等人工智能在数据处理中的应用攻关。
(3)目前深反射地震剖面数据解释以构造解释为主，解释方法有Skeletonization技术、χ2分布处理、时深转换、数字图像处理技术、地震相分析以及综合解释等。其中Skeletonization技术在中外应用较广，虽然Skeletonization技术能够使得剖面更加清晰，提高了解释的精度，降低了解释的难度，但是该技术算法较为复杂、计算量较大，这也是后面该技术克服的方向。χ2分布处理的应用为深反射地震数据的解释提供了新的方法。时深转换对速度模型的要求较高，在目前的大数据时代，获取高精度速度方法较多，常规的是通过正演模拟获取。而且三维可视化、不透明显示和属性分析以及人工智能等，在反射地震剖面的解释中得到了广泛的应用，但在深反射地震剖面解释中应用较少，需要发展多学科结合的深反射地震剖面解释方法。
猜你喜欢 震源信噪比剖面 ATC系统处理FF-ICE四维剖面的分析中国科技纵横(2022年17期)2022-10-25两种64排GE CT冠脉成像信噪比与剂量对比分析研究现代仪器与医疗(2022年1期)2022-04-19Pusher端震源管理系统在超高效混叠采集模式下的应用*石油管材与仪器(2020年2期)2020-05-11基于深度学习的无人机数据链信噪比估计算法北京航空航天大学学报(2019年9期)2019-10-26低信噪比下基于Hough变换的前视阵列SAR稀疏三维成像雷达学报(2017年3期)2018-01-19震源的高返利起步知识经济·中国直销(2017年11期)2017-11-28复杂多约束条件通航飞行垂直剖面规划方法北京航空航天大学学报(2016年6期)2016-11-16船体剖面剪流计算中闭室搜索算法船舶标准化工程师(2015年5期)2015-12-03保持信噪比的相位分解反褶积方法研究西南石油大学学报(自然科学版)(2015年5期)2015-04-16同步可控震源地震采集技术新进展物探化探计算技术(2015年2期)2015-02-28