基于相邻虚拟道叠加的超虚折射干涉法在远偏移距折射波增强中的应用

基于相邻虚拟道叠加的超虚折射干涉法在远偏移距折射波增强中的应用

0相邻虚拟道叠加的超虚折射干涉法在地震图像的三维成像中，初始位移折射对提高速度模型的深部结构的成像精度起着重要作用。折射波干涉法是一种较为有效的折射波增强方法,它通过对不同炮的地震道做互相关和叠加,达到压制噪声的效果然而,SRI方法效果依赖于叠加炮点数量,参与互相关产生虚拟道的炮点数量越少,虚拟道叠加次数越少、抗噪能力越差、准确度越低,最终的增强效果越差.在广角OBS探测中,由于OBS数量有限,导致长测线中的OBS间距通常在数公里甚至十几公里针对此问题,本文提出基于相邻虚拟道叠加的超虚折射干涉法(SupervirtualRefractionInterferometrybasedontheStackingofNeighborVirtual-traces,SRI-SNV),通过引入相邻虚拟道叠加,以有效提高虚拟道叠加次数.本文将在介绍SRI-SNV方法基本原理的基础上进行理论实验和实际资料应用,并将SRI-SNV方法结果与SRI方法结果进行对比分析,以显示SRI-SNV方法对OBS数据折射波的增强效果.1相邻虚拟道叠加SRI方法的目标是重构高信噪比的折射波.该方法先通过互相关建立参考地震道(高信噪比地震道)与目标地震道(低信噪比地震道)之间的关系,然后在此关系基础上将参考地震道数据叠加以重构目标地震道(上述步骤显示,SRI方法在增强折射波信噪比过程中有两次叠加操作,一次是虚拟道叠加,另一次是新目标地震道叠加.虚拟道叠加次数越多,降噪效果越好.由于SRI方法的虚拟道叠加次数依赖于台站数量,因此参与同一折射波增强的台站数量越多,对地震道信噪比的改善效果越好.但在实际OBS数据采集中台站分布稀疏,同一炮所激发折射波的有效接收台站数量较少,导致可参与虚拟道叠加的台站数较少,使虚拟道产生过程中的抑噪效果降低.因此,提高虚拟道叠加次数是广角OBS数据折射波增强的关键.对于广角OBS数据,SRI方法选择共台站集上的两道进行互相关,从而产生虚拟道.由于不同台站所对应虚拟道的峰值应该在相同时刻,因此可以通过叠加来提高虚拟道的信噪比.若近道和远道的折射波前近似平行,选择近道的邻近道和远道的邻近道,并保持这两个邻近道具有与原来远近道相同的道间距差,那么这两个邻近道的折射波互相关所产生的虚拟道与SRI所产生虚拟道的峰值应该在相同位置,因此同样可以参与叠加以提高虚拟道信噪比.需要注意的是,由于实际地下界面存在起伏,上述假设只在小的空间范围内才能近似成立,所以只有与SRI所选择地震道相邻的地震道才能产生与SRI虚拟道足够相近的虚拟道,我们称之为相邻虚拟道.相邻虚拟道参与叠加后,虚拟道的叠加次数成倍增加,有助于提高增强后折射波的信噪比.该操作可以添加到SRI方法互相关产生虚拟道的步骤中(图1),我们将新方法称为基于相邻虚拟道叠加的超虚折射干涉法(SRI-SNV).下面介绍SRI-SNV方法中相邻虚拟道叠加的原理.图2展示了SRI-SNV方法的相邻虚拟道叠加过程,它包含两个基本步骤:相邻地震道互相关生成相邻虚拟道和不同台站所对应的相邻虚拟道叠加.图2a显示,在mSRI方法的互相关和叠加过程可以用如下公式表示(其中,*为复共轭;m为整数,代表台站的序号,M为台站的总个数;φ(m,i)和φ(m,j)对应于炮点i和j激发,m点接收的折射波记录;虚拟道ψ(i,j)SRI-SNV方法将目标虚拟道和相邻虚拟道进行叠加,生成叠加虚拟道.其中,目标虚拟道由所选参考地震道和目标地震道在不同台站集中的折射波记录经互相关后产生,相邻虚拟道则由与所选道同侧等距相邻道的折射波经互相关后产生.然后将目标虚拟道与相邻虚拟道进行叠加.针对共台站集记录,假设目标虚拟道对应于不同台站集中第i、j两点的折射波互相关,则相邻虚拟道ψ(i-n,j-n)其中,m为台站的序号;M为台站的总个数;n为整数,代表单个台站所对应目标虚拟道和相邻虚拟道的参考地震道序号间隔;N为相邻虚拟道总数,本文选择的相邻虚拟道对称分布,故N为偶数,N/2为整数;φ(m,i-n),φ(m,j-n)分别代表生成虚拟道的不同偏移距折射波记录.当N=0时,无相邻虚拟道叠加,对应于SRI方法叠加生成虚拟道的过程,此时目标虚拟道ψ(i,j)由于叠加次数增加,SRI-SNV方法对噪声的压制能力优于SRI方法,下文将通过数值实验和实际数据测试来展示这一点.2价格测试2.1时窗时窗提取为了测试SRI-SNV方法对折射波的增强效果,本文设计了折射界面起伏的速度模型,如图3所示.模型的上层和下层的纵波速度分别为2500m·s正演采用弹性波伪谱法(干涉法互相关步骤的输入数据要使用时窗截取,每道数据的时窗设置按如下步骤执行:首先,粗略估计初至时间,设定时窗位置;然后,利用估计的初至时间直接截取一定长度的折射波,截取时窗宽度的选择要足够宽,以保证折射波在截取的范围之内,本文选择的截取时窗宽度为1.4s;最后,在截取的边缘处以高斯函数作为衰减函数平滑过渡到0值,高斯函数f(t)的表达式如下:其中,a为常数1;e为自然常数;b为高斯系数,本文取100;t为时间;t需要注意的是,本文干涉法的卷积步骤的输入均采用了原始地震数据,并未进行时窗截取,以保证不会遗漏重要的震相信息.2.2虚拟道叠加次数将图4黑色虚矩形框中的折射波作为输入数据,利用SRI和SRI-SNV分别增强后的结果如图5所示.图5a显示,使用SRI方法对折射波进行增强后,所生成的折射波虽然得到一定的增强,但其附近仍然存在较强噪声.相比之下,图5b中SRI-SNV方法增强后的折射波形的连续程度明显改善,并与图4a中的无噪声波形接近.这种增强效果的差异主要来源于虚拟道叠加次数的不同.图6展示了SRI-SNV方法和SRI方法的虚拟道叠加效果.在SRI方法中虚拟道仅有3次叠加(图6a),而在SRI-SNV方法中虚拟道叠加次数达到39次(图6c),叠加次数是SRI方法的13倍.虚拟道叠加次数λ的取值需要选择恰当的邻近道范围,过小或者过大的λ值均不利于增强效果的改善.这是因为,当λ的取值偏小时,虚拟道叠加次数仍然较低,导致虚拟道叠加过程的抑噪效果有限;而当λ的取值偏大时,虽然虚拟道叠加次数较多,但由于用于叠加的虚拟道距离原始虚拟道较远、差异较大,难以满足相邻虚拟道叠加的假设条件,这些较大差异的虚拟道参与叠加后将导致波形的叠加相消不充分而引入更多噪声.对于本文情况,选择λ=39较为恰当.对比SRI方法(图6b)和SRI-SNV方法(图6d)的叠加结果可见,充足的虚拟道叠加次数使最终生成的虚拟道信噪比明显改善,其在峰值处与理论虚拟道形态相似,更加接近于脉冲函数.由于虚拟道代表了高信噪比参考地震道与低信噪比目标地震道之间的关系,因此准确地构建虚拟道将提高重构目标地震道的精度.2.3走时走时比较为显示折射波增强对初至拾取精度的影响,采用STA/LTA与多道互相关结合的方法拾取增强后的初至,并与无噪声理论数据的初至拾取结果作对比,如图7a和7b所示.可以看出,SRI方法增强后的初至拾取结果与无噪声数据拾取结果的吻合度较差,有相当一部分的初至发生了偏离.而SRI-SNV方法增强后的初至拾取结果与无噪声数据匹配较好,初至基本上能与无噪声数据初至重合.进一步将两种方法增强后的初至拾取结果与对应无噪声数据初至拾取结果作差,拾取误差如图8所示.一般而言,T/4(T为主周期)是判断初至拾取误差精度的标准,如果拾取误差小于T/4,则认为该初至能应用于层状模型中的走时层析成像(2.4加噪声水平不高时为进一步分析方法的抗噪性,我们采用信噪比不同的理论数据对SRI方法和SRI-SNV方法进行了测试.将不含噪声数据施加振幅由低至高的随机噪声,分别生成五组数据.图9显示了不同方法在不同程度信噪比情况下的折射波增强效果.从图中可以看出,当施加噪声水平较低(如25%)时,SRI方法和SRI-SNV方法对折射波的增强效果较好,说明高信噪比情况下两种方法都可行;当施加噪声水平达到一定程度(如75%、125%)时,SRI方法对折射波的增强效果较差,而SRI-SNV方法对折射波的增强效果较好,易于进行初至拾取;当施加噪声水平过高(如175%、225%)时,SRI方法的结果中完全无法识别折射波,而SRI-SNV方法的结果中仍然可以看到折射波的趋势,但两种方法增强后的折射波信噪比都过低而难以用于拾取初至.上述对比分析表明,相比于SRI方法,本文的SRI-SNV方法更适用于低信噪比情况下的折射波增强.3初至波形增强效果为检验SRI-SNV方法在实际资料中的增强效果,本文将其应用到南黄海北部某区域采集的广角OBS数据.野外采集的炮间距为125m,台站间距为6km,具体观测系统见地震波形增强效果与互相关虚拟道的准确程度直接相关.虚拟道准确程度的一个衡量标准是其与脉冲函数的相似程度.图12对比了SRI方法和本文SRI-SNV方法的虚拟道叠加效果.结果显示,SRI-SNV方法所得到的虚拟道在42.5s附近的峰值更尖锐,更接近脉冲样式.这种脉冲形式的虚拟道在用于卷积生成目标地震道的过程中会减少旁瓣的产生,就像图11b中显示的那样.为对比SRI和SRI-SNV两种方法对初至拾取的影响,我们采用STA/LTA与多道互相关结合的自动拾取方法(4增强折射波的效果针对广角OBS数据远偏信噪比较低和台站分布稀疏的问题,本文提出了基于相邻虚拟道叠加的超虚折射干涉法(SRI-SNV方法).该方法通过叠加相邻虚拟道大幅增加了生成虚拟道过程中的叠加次数,提高了虚拟道计算的准确度,可以用于增强较大台站间距和