地震分辨力的几个问题

地震分辨力的几个问题

1地震分辨率与分辨力在描述地震资料的分辨率能力方面，中国地球物理界有两种方法：分辨率和分辨率。在国外的文献中，也有“分离”和“分离”这两个类似词的词。相关的定量描述公式也有两类,一类是以距离或厚度等绝对值大小表示分辨能力的公式,它们的计算结果有量纲,而且计算所得数值与实际的分辨能力呈反对应关系,即数值越大,分辨能力越小;另一类则是以距离比、振幅比、能量比等相对值大小表示分辨能力的公式,其计算结果没有量纲,而且计算结果与实际分辨能力呈正对应关系。迄今为止,对于“分辨率”和“分辨力”以及“resolution”和“resolvingpower”这两组概念之间的细微差异,国内外地球物理界很少有人注意,通常都认为二者是一样的,即使在1989年石油工业出版社出版的《英汉石油技术词典》中关于“resolution”和“resolvingpower”两个词也并没有清楚地界定其必须译作“分辨率”或“分辨力”。相对而言,“分辨率”(resolution)→词的应用频度更大一些。事实上,如果没有两类不同的描述分辨能力的定量公式出现的话,采用“分辨率”或“分辨力”不会产生任何歧义,但由于不同的研究者对这两个概念存在理解上的偏差以及所用计算公式的差异,往往造成描述上的差异和混乱。笔者(2005)在“地震分辨率”一文中曾提到过这个问题,在此重新提出此问题,主要目的是期待地球物理界对有关地震资料的分辨能力建立一个规范的表述方法。考虑到其他研究领域(如计算机图形图像学等)中一般均采用“分辨率”一词来描述分辨能力的大小,而且是用相对值表示,笔者建议,在地震勘探研究中,可将目前普遍采用的以绝对值表示分辨能力的概念称为分辨力(resolvingpower),将以相对值表示分辨能力的概念,统称为分辨率(resolution)。这一方面迎合了人们的习惯认识,即分辨率值越大,分辨能力越强;另一方面保留了地震勘探中习惯采用绝对值大小来描述分辨能力的做法。使概念更清楚,理解更方便。下文主要采用地震分辨力概念来研究和说明地震资料划分薄层厚度的能力,但凡涉及到相对值的情形均采用分辨率一词来描述。地震分辨力一直是地震勘探研究的热点问题。在地震分辨力研究中,争论最为激烈的是垂直分辨力的“极限”问题。不同研究者从不同的观测角度出发,给出了不同的可分辨与不可分辨判别准则及垂直分辨力极限定义。如瑞利准则定义垂直分辨力极限为λ/4,Ricker、Widess和Farr则分别将垂直分辨力极限定义为λ/4.6、λ/8和λ/12(λ为波长)。目前,最流行且被大多数人普遍接受的是瑞利准则,即λ/4垂直分辨力定义。凌云研究组曾利用薄层振幅的调谐作用来探测地层厚度小于1/4波长的地质目标,在此基础上又对地震分辨力极限问题进行了研究,并对垂直分辨力极限提出质疑,指出“在相对保持振幅、频率、相位和波形的处理条件下,结合合理的井信息标定和地震属性提取,地震勘探是可以突破1/4波长地震分辨力极限的”。事实上,Sheriff也曾有过类似的提法。Widess在地震分辨力定量研究中,率先将噪声的影响与分辨力结合起来;随后,“噪声作为影响地震分辨力的主要因素之一”这一观点已经深入人心,并被人们普遍接受。长期以来,笔者对前人关于地震分辨力极限问题的认识持有不同的看法,希望能与从事地震分辨力研究的专家学者共同探讨。2分辨力准则的提出所谓分辨力一般是指分离两个十分靠近的物体的能力,通常用距离来表示。当两个物体间的距离大于某一特定距离时这两个物体可以被区分,而小于该特定距离时就难以辨认出是两个物体,则这个特定的距离就可用于表示分辨力。在地震勘探中,人们往往更关心垂直分辨力,即地震波可以区分地层顶、底界面的最小厚度间隔。尽管分辨力的概念已经清楚了,但如同确定人的视力必须建立一个标准视力测试表和测试方法一样,要客观地描述地震资料的分辨力,就必须首先确立一个分辨力的评价准则。只有这样才能更好地判定或者评价地震分辨力的大小或高低。考虑到地震子波脉冲均具有一定的延续长度,因此从严格意义上讲,垂直分辨力应当用地震子波脉冲的时间延续度来定义。当用波长表示时,垂直分辨力为n个半波长(n为地震脉冲的周期数),这是地震勘探早期所采用的分辨力定义,李庆忠院士将其称之为严格的分辨力定义。然而,实际情况是可分辨的条件并不一定要求两个地震子波彼此没有重叠,在有重叠的情况下地层顶、底有时还是可以区分的,为此一些学者提出了不同的分辨力准则。瑞利准则是根据光学成像原理给出的光学分辨力定义。地震勘探中沿用了该准则,并定义两个子波的到达时间差大于或等于子波的半个视周期,则两个子波可分辨,否则是不可分辨的。这半个视周期是子波主极值与相邻次极值的时间间隔。针对零相位雷克子波对单一楔状地质模型的地震响应特点,Ricker认为,当两个子波的到达时间差大于或等于子波主极值两侧的两个最大陡度点的时间间距时,这两个子波是可分辨的,此即雷克准则。这一时间间距相当于雷克子波一阶时间导数中两个异号极值点的间距,约为子波主周期的1/2.3。相比之下,瑞利分辨力相当于雷克子波一阶时间导数中两个过零点的间距或雷克子波二阶时间导数中两个负极大值点的间距,约为子波主周期的一半。当用零相位雷克子波波长λ来表示时,瑞利准则所给出的垂直分辨力为λ/4,而雷克准则为λ/4.6,两者的差别并不大。Widess准则认为,两个极性相反的子波到达时间差小于1/4周期,反射波波形非常接近于子波时间导数,此时极值位置不能反映时间间隔的变化,但复合波振幅与时间间隔近似成正比,因此将λ/8定义为垂直分辨力。Farr把从反射地震剖面上能检测出薄层的条件作为薄层可检测性分辨力定义,认为薄层形成的复合反射振幅与组成该薄层的单一界面的反射振幅相等时,该薄层可分辨。进一步,借助于Widess给出的薄层复合反射振幅的近似表达式,确定垂直分辨力为λ/12。到目前为止,地震勘探中较流行且被大多数人及教科书普遍接受的准则为瑞利准则,即垂直分辨力为λ/4,这并非完全是偶然的,而是一种客观必然的选择。其原因在于:①λ/4恰好处在地层顶、底反射波发生振幅调谐的位置,同时也近似为地层顶、底反射时间可分辨与不可分辨的分界线,而且其在地震剖面中的反映较其他准则更明显、更容易识别;②其他准则受反射界面极性影响较大,适用性受到限制,而瑞利准则基本不受反射界面极性的影响,具有普遍适用性;③瑞利准则基本迎合了人们试图定义一个“可分辨极限”的心理要求。3垂直分辨力极限的争论地震资料是利用地震波照射地下地质体所形成的客观影像,是地下地质现象的客观反映。地震资料所能反映或揭示地下地质现象的能力从根本上决定于地震资料的分辨力,但人们最终从已有的地震资料中能够了解和确定多少地质细节却取决于地震地质解释能力,即研究者对地震反射波所包含地质含义的认知和解析能力。事实上,自地震分辨力准则确立伊始,许多研究者就将地震分辨力与地震地质解释能力混为一谈。针对同一个地震记录,不同的研究者总是试图利用地震波波形及振幅变化等信息来揭示或解释地震记录反映地质细节的极限能力,并将其定义为“分辨力”。这种“分辨力”定义反映地质细节的极限能力的差别,并不反映地震资料实际分辨力的差别,而是反映不同研究者地质解释能力的差别。很明显,不同研究者对于可分辨和不可分辨的个体认知能力或标准是不同的。因此不能说Widess所定义的分辨力“极限”突破了瑞利分辨力“极限”,只能说对同一地震记录Widess定义显示了更高的地质解释能力。这好比人们在评价眼睛视力好坏需要建立一个标准视力表的过程中,陷入了人的眼睛究竟能看多远的争论一样。也许这个比喻不很恰当,但透过这个比喻可以清楚地发现,有关分辨力极限争论的根源在于大家对于可分辨的标准不一致,这样一来自然就会出现“仁者见仁”、“智者见智”的结果。所以,关于垂直分辨力极限的争论实际上是可分辨标准的争论。从前文分辨力的定义中可以看出,定义本身就已经决定了它是一个描述极限(最小距离)的概念,但习惯上人们总是喜欢在“分辨力”之后再加上“极限”二字,这实际上也是研究者主观上追求最大地质解释能力的一种体现。笔者认为,分辨力定义的核心是“可分辨准则”的确立,只有建立在同一可分辨准则下的分辨力讨论才是有意义的。而分辨力准则一旦确立,分辨力的定义就是惟一的。目前,瑞利准则的确立只是为人们提供一个评价地震资料分辨力的客观标准,但绝不表示地震地质解释能力的终结,更不意味着厚度小于λ/4的薄层完全不可识别,瑞利准则的作用类似于一个标准“视力表”。对于不同的地震资料,只要利用这一“标准”进行衡量就可以确定分辨力的高低。因此笔者认为,诸如文献和文献中关于“可以突破传统λ/4分辨力极限”的提法是不恰当的,因为其混淆了分辨力与地震地质解释能力两者的概念。能够从确定的地震记录中揭示微小的地质细节,并不表示地震分辨力的突破,仅仅意味着地震地质解释能力的提高。事实上,从地震分辨力准则建立伊始,研究者试图将分辨力定义为能够同时承担分辨力评价标准和地震地质解释极限能力双重任务的一个量,实际情况显然事与愿违。这也是造成目前众多研究者对地震分辨力和地震地质解释能力两者概念混淆的原因所在。从瑞利准则不难看出,地震分辨力决定于地震子波的波长,波长一定则分辨力一定,子波压缩波长减小,则分辨能力增大,可分辨的地层厚度减小,理想的分辨力是子波波长为零,即地震子波为δ-函数。因此,地震分辨力的极限应当是零。就实际地震记录而言,由于地层吸收衰减使得地震子波分辨地下地质体的能力总是有限的,也就是说,地震分辨力是有限的,要达到极限是不可能的。但通过采用各种技术手段进行子波压缩、频谱拓宽等特殊处理,是可以提高或者改善现有地震资料的分辨力的,但这种提高或改善也是有限的,其所能够达到的最佳分辨状态才是现有技术条件下真正意义上的地震分辨力。显然,地震分辨力的提高是以子波的不断改进为前提的。换言之,地震分辨力反映的是地震资料的一种客观实在。对于确定的地震子波,地震资料的分辨力应当是确定的,是不以观测者或解释者的主观意志为转移的。只要子波没有发生改变,地震资料的分辨力就不会发生改变,而且对于确定的分辨力准则,地震资料的分辨力也应当是惟一确定的。地震地质解释能力的极限,即众多研究者习惯上理解的“地震分辨力极限”,是指在确定的子波波长条件下(意味着地震分辨力已确定),利用现有地震资料信息能够推断、揭示地质细节的极限能力(或地质体的空间极限尺度)。显然,能揭示空间尺度无限趋近于零(但不为零)的地质体同样是其追求的理想最终目标。实际上地震地质解释所能推断出的最小厚度可能会大于或小于λ/4,这除了与地震记录本身分辨力有关外,在很大程度上还与地震记录的噪声水平、解释人员的解释能力(掌握相关知识的能力及解释方法、手段的选择能力)以及各种可供选用的辅助资料的完善程度等有关。从根本上讲,地震地质解释能力的提高是通过不断修改可分辨与不可分辨的判别标准为前提的,如当利用时间属性不可分辨的情形下,换用振幅信息或其他属性信息进行地质体的推断和识别。一般来说,借助于先进的技术,人们总是可以不断拓展和提高解释能力的,特别是在目前地震资料分辨力有限、提高地震分辨力十分困难的条件下,提高地震地质解释能力是深化认识地质细节的根本出路。综上所述,地震分辨力是反映地震子波区分两个十分靠近地质体能力的客观实在,是由地震子波本身的性质决定的,对于确定的地震资料,地震分辨力是确定的。地震地质解释能力则具有很大的主观性、相对性和不确定性。图1以调谐曲线示意图的形式简单地展示了两者的差异。4地震地质解释的准则与思路笔者认为,地震分辨力λ/4准则确立的作用和意义,主要表现在它不仅为地震分辨力的评价提供了一个较为客观统一的标准,而且也为地震薄层和厚层概念的划分提供了一个清楚的分界点。由于地震分辨力λ/4准则是建立在地震剖面时间可分辨的前提下的,因此从时间可分辨的角度而言,该准则蕴涵了“可分辨极限”的涵义,这或许是长期以来研究者一直将其称为“地震分辨力极限”的原因所在。但“极限”二字的内涵是有条件的,脱离了前提条件来应用这一定义必然会造成曲解和混淆。确切地讲,地震分辨力并不是一个绝对界限,只是一个特征显著性的分界点,因而将其视为地震解释推断地质细节的终结点是错误的。这一准则的确立从来就没有否定小于λ/4的薄层完全不可分辨,而仅仅说明时间不可分辨。20世纪70年代中后期人们就普遍利用振幅信息、三瞬信息、积分能谱等地震属性预测薄层厚度,其中也不乏许多成功的事例。随着勘探技术的进步,解释手段的改进,分析能力的增强,薄层解释精度也在不断提高。凌云研究组的研究成果说明了这一点。若因此认为“地震勘探可突破λ/4的分辨力极限”或者说“地震分辨力可小于λ/4”,甚至有人认为“垂向分辨力为λ/4的说法已经不实用了”等等,都是对地震分辨力概念和准则的曲解,是将λ/4地震分辨力极限绝对化的表现。事实上,所有这些成功的薄层解释实例均只能说明在地震资料分辨力一定的情况下,应用地震属性的空间变化是可以解释小于λ/4的薄层变化的,仅此而已。它们是地震地质解释推断能力提高的表现,而不是地震分辨力提高的结果。造成上述理解偏差的根本原因在于人们的主观意识中过多地强调了λ/4地震分辨力的“极限”内涵,并将其绝对化,而忽略了其作为分辨力大小评价的功能。同时,有意无意地在转换可分辨与不可分辨的判别标准,并将不同判别标准下的结果放在一起来讨论,必然会做出不恰当的认识和判断。此外,地震分辨力是一种客观实在,而对于薄层顶、底界面的识别或薄层厚度的确定则是一种主观行为。对于厚度小于λ/4的薄层的地质解释能力的大小,虽然与地震资料本身的分辨力有关,但更多地则取决于剖面的信噪比、保真度以及解释者所用方法、手段的优劣和解释人员自身解释水平的高低等。因此,在分辨力概念和准则的实际应用中,应当更多地关注其评价功能而不是固执地将其作为一个绝对极限来理解和对待。5地震地质解释中的噪声早在1982年,Widess在地震分辨力定量研究中,就曾将噪声和地震分辨力放在一起来讨论,并给出了一个定量计算公式。目前,在地震勘探中人们普遍接受了这一观点,认为信噪比是分辨力的基础,分辨力是由信噪比决定的。笔者认为,这样处理表面上似乎很合情理,但本质上仍然是对地震分辨力和地震地质解释能力的一种混淆,不能反映地震分辨力的实质。首先,在地震资料野外观测系统设计和地震资料质量评价中,研究者习惯上均采用瑞利准则来研究分辨力,而很少有人考虑噪声对分辨力的影响。特别是在地震资料质量评价中,分辨力和信噪比总是同时存在的,并不会由于通常认为“信噪比决定分辨力”而舍弃其中之一。这从一个侧面表明,现实中人们对分辨力和信噪比一直是作为两个彼此平等独立的地震评价参数来对待的。在讲分辨力时往往更多地强调地震波区分最小地质体的能力,即地震子波的主频、带宽、相位等特性,而信噪比则单独用来评价噪声对地震记录的影响。也就是说,人们只在理论研究中将二者联系在了一起,实际应用中又常常将二者分割开来,因此从实际应用的观点出发,将噪声排除在分辨力定义之外应当是合理的。其次,在分辨力定义以及分辨力准则的确立过程中均未将噪声考虑在内。λ/4分辨力准则是建立在理想的无噪声的条件下,并假定地震子波为零相位雷克子波(全频带)的前提下得出的。也就是说,在分辨力准则创立之初,就明确地将噪声排除在外。人们之所以认为噪声决定分辨力主要是由于在有噪声存在的剖面中比没有噪声存在的情况下更加难以解释或识别地质细节。这实际上反映了地质解释能力的大小,而不是地震子波本身分辨力大小的体现。也就是说,将噪声与分辨力联系起来,仅仅是一种主观愿望的体现,而不是客观必然。如果说这种联系是允许的,那么在影响地震分辨力的因素中是否还应当包括诸如地震资料显示方式、手段、地震解释人员解释水平的优劣等因素呢?由此可以设想,是否一个没有噪声的地震剖面对于一个瞎子而言,地震分辨力不存在呢?很显然,这是不现实的、也是不客观的。在Widess(1982)关于地震系统分辨力定量描述的研究中,其根本目的是试图建立一个全面评价地震系统特征分辨能力的参数,而不是传统意义上的分辨率概念。这或许正是为什么在其论文中不采用习惯上常用的“resolution”一词,而换用“resolvingpower”的缘故。此外,其公式推导首先是在假定地震记录不含噪声的情形下进行的,所得到的分辨率公式可以说是建立在另一个不同的可分辨准则—能量可分辨基础上的定量描述方法。在此基础上,假定噪声服从高斯随机分布,从而将信噪比概念引入到了分辨率公式中。在形式上,这个公式很完美,似乎能够很好地反映出噪声对分辨率的影响,而实际上,该公式忽略了这样一个事实:如果可以计算信噪比,说明信号和噪声是可以分离的,自然也就可以获得理想的无噪声记录,并由此来讨论分辨率。显然,分辨率估算问题又回到了起点。含有信噪比的分辨率计算公式也因此而显得多余了。无独有偶,对于李庆忠院士所提出的视觉分辨率概念,笔者认为也存在类似的问题。再者,除了地震学外,在其他有关学科中,分辨力的定义和分辨力准则的确立都是在没有任何外界干扰背景的情况下做出的,因为只有这样才能更好地体现分辨力的内在本质。对于相同的两个地质模型,采用相同的地震子波可以得到两个具有相同分辨力的合成记录,将其中之一加入一定量的噪声,这是否表明含有噪声的记录分辨力就低呢?笔者认为不是。因为噪声的存在只是使得地震地质解释的客观环境或者说背景发生了变化,进而降低了地震地质解释的能力。这好比将同一剖面采用黑白和彩色显示,结果可能会得出不同的解释结论一样,我们不能笼统地说彩色剖面比黑白剖面具有更高的分辨力或相反。因为这只是显示方式不同对解释人员的色彩分辨能力造成不同的影响而已。从根本上讲,所有这些偏差均是由于人们在有意无意间改变了可分辨的准则引起的,或者说,这是不同“可分辨”判别条件下的产物,其与前述分辨力极限的争论属于同一性质。笔者做一个也许不恰当的类比,众所周知,人的视力是由其眼球的光学结构决定的,对于一个正常视力为1.5的人,能说晴天和雾天这个人的视力不同吗?笔者认为不能。因为变化的是环境,而不是眼球本身,这种环境的变化通常用大气能见度来描述,也就是说是大气能见度的降低影响了人的正常视物,而不能说视力降低了。同样的道理,噪声的存在只是影响了人们对地震剖面所反映的地质特征的分析推断能力,这种影响程度可以通过信噪比来判定,而不应当将其与分辨力混为一谈。诚然,一个充满噪声的地震剖面可能会因为难于解释而