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作者简介:

刘睿琪,女,2000年生,硕士研究生,勘查地球物理专业;E-mail: liurq0709@163.com。

通讯作者:

刘志伟,男,1976年生,正高级工程师,主要从事含油气盆地地球物理勘探综合研究;E-mail: zwliu007@163.com。

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目录contents

    摘要

    青藏高原羌塘盆地存在永久性冻土层和中生界高陡海相地层,复杂的地表与地下地质条件导致地震数据具有较低信噪比和复杂波场,以致地震成像与构造解释面临极大挑战。共反射面元(CRS)叠加技术基于旁轴射线理论突破了水平层状模型假设,可实现零偏移距剖面高信噪比成像,在含冻土层低信噪比地区技术优势明显。利用羌塘盆地实际二维地震数据,首次开展了冻土区提高信噪比CRS叠加与常规叠前随机噪声衰减(PreRNA)、面元均化和倾角时差校正(DMO)地震处理技术对比。对比分析表明,CRS叠加不仅在信噪比和保真度方面优于常规面元均化和PreRNA,而且叠前道集利于后续偏移速度分析(MVA)质控。CRS叠加取得零偏移距剖面的质量优于DMO剖面,中、长孔径绕射波更加丰富,利于断裂、断点偏移归位。笔者等通过方法对比和处理实践证明,CRS叠加可作为提升冻土层区信噪比的地震处理关键技术之一,将有利改善复杂构造区深度域地震成像精度,加快羌塘油气勘探进程。

    Abstract

    Objectives: The Qiangtang Basin on Tibetan Plateau is characterized by near-surface permanent permafrost and steep Mesozoic strata. These geological condition results in a low seismic signal-to-noise ratio (SNR) and complex wavefields, which pose significant challenges for seismic imaging and structural identification.

    Methods: Based on the theory of Paraxial Ray, which loosens the assumption of a horizontal layered model, the common-reflection-surface (CRS) stack applied in seismic processing, offers the potential for high-SNR prestack gathers and poststack profiles and exhibits obvious advantages in permafrost zones.

    Results: Using real 2D seismic data from the Qiangtang Basin, this paper first compares the CRS stack with conventional seismic processing technologies, including CMP flexbinning, Prestack random noise attenuation (PreRNA), and Dip Moveout (DMO), to improve the SNR. The results indicate that the prestack gathers derived from the CRS stack are optimal not only in terms of SNR and signal fidelity but also in terms of MVA quality control. Furthermore, the CRS zero-offset profile exhibits richer diffractions at middle and long apertures compared to those processed using DMO, PreRNA, and flexbinning, which is beneficial for future imaging of faults and strata breakouts.

    Conclusions: For improving the seismic SNR in permafrost zones, the above comparisons and applications demonstrate that the CRS stack can be effectively utilized as one of the key technologies in seismic processing. It favorably achieves depth—domain imaging of complex structures and accelerates oil and gas exploration in the Qiangtang Basin.

  • 近30年地质调查和油气勘探表明,青藏高原羌塘盆地具有良好油气勘探前景,但自20世纪90年代至今未取得实质性突破(吴珍汉等,20142019李高杰等,2020王剑,2020王剑等,20202022)。究其原因,除了一些基础石油地质问题未解决外,地震勘探作为圈闭评价、目标优选的关键技术之一,一直面临近地表冻土层和强风噪、低信噪比和复杂构造成像问题,制约着油气成藏要素配置关系的确立,例如构造保存条件、优质烃源岩展布等(李忠雄等,2017王剑等,2022)。不同于北美阿拉斯加北坡和东西伯利亚高寒区,位于“世界第三级”的羌塘盆地具有更复杂的冻土层近地表,季节性和永久性的冻土层均发育,最大层厚近百米(吴珍汉等,2014Liu Zhiwei et al.,2022)。同时,受燕山期特提斯洋扩张—闭合和喜山期印度—欧亚碰撞构造运动控制,盆内广泛发育逆冲、推覆、冲断构造(刘池洋等,2002吴珍汉等,20142019)。自2015年以来,羌塘二维地震采集多采用宽线、小道距、长排列观测系统,覆盖次数已由早期几十次提升至数千次,但地震信噪比仍未得到明显改善(李忠雄等,2017)。除了低降速带横向剧烈变化外,近地表高陡地层出露,导致地震数据具有极其复杂的反射、绕射和散射波场,大大增加了偏移成像与构造解释的难度(李忠雄等,2017)。基于以上地震地质条件可以看出,羌塘冻土区地震处理至少面临两大技术难题,一是如何提升信噪比,二是实现复杂构造成像,前者又是后者的基础,因而开展冻土层区提高信噪比地震处理技术攻关非常必要。

  • 众所周知,地震处理中提升信噪比的技术手段有很多。根据羌塘地震采集中强风噪、近地表冻土层和地下复杂构造情况,很明显,地下岩层结构已严重偏离水平层状模型(李忠雄等,2017张辉等,2020),这使得一些发挥反射波多次覆盖优势的常规处理技术应用效果较差或受到制约,例如共中心点(Common Middle Point,CMP)叠加、叠前随机噪声衰减(Prestack Random Noise Attenuation,PreRNA)、倾角时差校正(Dip Moveout,DMO)、覆盖次数与偏移距间隔一致性面元均化等。近十几年来,在一些含油气盆地复杂构造带,共反射面元(Common Reflection Surface,CRS)叠加技术针对冲断构造内部、(超)深层、火山岩岩下低信噪比区得到一定的应用,并取得较好的成像效果(覃天等,2006;Von Steht et al.,2007; Yoon et al.,2007,2009; 张金淼等,2011)。该技术基于光学旁轴射线理论,通过法向出射角、法向入射波前曲率半径和法向波前曲率半径三参数的优化实现高信噪比成像,突破了水平层状模型假设条件(Garabito et al.,2012a2012b)。笔者等利用来自青藏高原羌塘盆地的实际二维地震数据,特别针对冻土层区和复杂构造带,开展了提升信噪比地震处理CMP叠加、CRS叠加、PreRNA、面元均化和DMO技术理论分析与技术对比试验。实践表明,CRS叠加能有效提高地震剖面信噪比和增强速度分析可靠性,为后续叠前深度偏移提供优质叠前道集和初始速度模型,可作为冻土区提升地震信噪比的一项关键处理技术,将有利于挖掘数据潜力,支撑油气地震部署、加快羌塘勘探进程。

  • 1 CRS叠加技术

  • 1.1 CRS叠加技术原理

  • 目前,地震勘探正转向复杂近地表和复杂构造区,无论是信噪比提升还是真地表成像,常规地震处理技术限于水平层状模型假设,在解决起伏地表和横向速度剧烈变化方面能力受限(李振春等,2006Asgedom et al.,2011; Garabito et al.,2012a2012b),导致地震解释多解性增强。为了突破水平层状模型假设,一些非常规时域成像技术和真地表叠前偏移技术应运而生,CRS叠加便是其中的一种。

  • CRS叠加思想最早来源于Hurbal教授(1983),其理论基础依然是几何地震学,类似光学旁轴射线近似理论,考虑地震反射点局部和第一菲涅耳带全部反射波,利用解析式(1)表达了非均匀介质弯曲界面的运动学响应特征(倪瑶等,2013王征等,2015Birgin et al.,1999; Menyoli et al.,2004)。在式(1)中,通过建立地震波法向出射角α、法向入射点(NIP)波前曲率半径RNIP、和法向(N)波前曲率半径RNIP 3个参数优化了反射波旅行时,利用多次覆盖反射信息,更为准确地实现零偏移距成像剖面(Endrias et al.,2011; Benjaminet al.,2011; Garabito et al.,2011)。因而,可得出以αRNIPRNIP三参数表示的双曲近似时距曲线方程。在以中心点x0和半炮检距h建立的坐标系中,CRS面元的反射波双曲走时近似公式为:

  • t2xm,h=t0+2sinαv0xm-x02+2t0cos2αv0xm-x02RN+h2RNIP
    (1)
  • 其中,v0是近地表速度,α是零偏射线出射角,RNIP是法向入射波前曲率半径,法向入射波波前对应反射界面上点源产生的波前,RNIP是法向波前曲率半径,法向波波前对应爆炸反射面产生的波前(图1)。正如图1所示,蓝色曲线族代表了地下曲面的各炮检距旅行时响应,曲面上单点R的各炮检距旅行时响应为由P0向远偏移距引出的绿线族,如图1a中,CMP叠加实现的是从零偏到远偏的绿色曲线族,可见到远炮检距曲线偏离粗绿线较大,而CRS叠加实现了从零偏到远偏均沿着蓝色曲线族叠加,这样即可以很好地拟合曲面上P0点的各炮检距旅行时响应,这就是CMP叠加与CRS叠加的本质区别。

  • 在实际处理中,根据公式(1)需对剖面上每一点P0xmt0)确定最佳三参数αRNIPRNIP。求取这些参数的一种方法就是试验所有组合,选取具有最大能量相干值的三参数。考虑到菲涅尔带孔径和计算因素,一般局限在有限的三维网格内,以最短时间求取最大相干值(作为三参数αRNIPRNIP的函数),这属于典型全局优化问题(李振春等,2003孙小东等,2019戴军文,2009Yang Wencheng et al.,2015)。通常预先设定一组初始参数作为优化算法的起点,迭代找出最佳的三参数,通过这种旅行时近似,便可以获得较为准确的零偏移距剖面(孙小东等,2019Jäger et al.,2001)。由图1可见,CRS叠加基于地下弯曲层状介质模型,考虑了菲涅尔带内所有反射点(沿构造倾向的CMP面元),脱离单一反射点限制,在第一菲涅耳带实现反射点(面元)同相叠加,因而提高了地下复杂构造的零偏移距剖面精度。

  • 1.2 CRS叠加与DMO叠加

  • 在非水平层状介质模型下,随着地层倾角或者曲率的变化,反射波双程旅行时公式(2)中叠加速度Vnmo与地层倾角有关。当断层两侧同相轴呈不同倾角交叉时,Vnmo分析只能选择能量占优的单值,而不是两个,因此基于水平层状模型和叠加速度的CMP叠加不能使断点绕射波准确成像,叠加剖面不等同于“自激自收”的零偏移距剖面(Garabito et al.,2012a; Baykulov et al.,20092011)。为解决地层倾角或褶皱曲率变化问题,20世纪末期更多学者提出由叠后转向叠前的处理思路,1980年Yilmaz和Claerbout首先提出叠前部分偏移(PSPM)技术解决纵横向速度变化和绕射波成像问题,后续学者在频率—波数域引进DMO算子处理所有倾角和偏移距反射,可以部分校正倾斜反射叠加的反射点模糊现象(李振东等,2006;Garabito et al.,2012a; Benjamin et al.,2014)。在实际处理中,在经过NMO的叠前数据T—XF—K域上应用DMO算子,使不同倾角地层在叠加中保持各自不同的叠加速度,比常规只应用了NMO处理的CMP叠加剖面更接近于零偏移距剖面。

  • 图1 CMP与CRS叠加原理示意图:(a)CMP偏移到零偏移距(MZO)叠加范围(ZO isochrone:零偏移距等时线); (b)CRS叠加零偏移距范围

  • Fig.1 Diagram of stacking theory between CMP and CRS: (a) stacking range from CMP migration to Zero-offset (ZO) Migration; (b) ZO range of CRS stacking

  • t2=t02+4h2vnmo2=t02+4h2v2cos2α
    (2)
  • 虽然,解决“倾角不一致造成叠加速度不同”的处理方法是DMO加上叠后偏移,但与全波场叠前时间偏移共反射点(Common reflection point,CRP)归位相比,如图2中P点,通过DMO校正并没有实现真正偏移归位,成像精度还有待提升,如图2中N点和P点的区别。但是,在DMO后的叠前道集上再次进行速度分析,均方根速度场精度会得到一定提升,因而,叠前时间偏移预处理流程常常包含了DMO处理(Baykulov et al.,2009; Pussak et al.,2014)。De Bazelaire(1988)和Gelchinsky(1988)指出,若考虑菲涅尔带内地层倾角影响和叠加效应,与其将记录数据同一个CRP点联系,不如将记录数据同CRS联系起来;同样,在叠加处理时与其在单个CMP范围内进行振幅求和,不如利用多个炮点和接收点将数据聚焦到CRS上,正如图1所示的MZO叠加和CRS叠加(Pruessmann et al.,2008; Gelius et al.,2014)。因此,为了获得较为准确的零偏移距,相比DMO处理,CRS叠加针对低信噪比数据和非水平反射段叠加,具有反射地震数据多次覆盖的技术优势。

  • 1.3 CRS叠加与面元均匀化处理

  • 由1.2中CRS叠加考虑了菲涅尔带的叠加效应和地层倾角,那么这与CMP域的面元均化(Flexbinning)处理区别如何呢。我们知道,CMP面元均化来源于一种“借道叠加”的思想,按照适当扩展CMP面元尺度、面元内偏移距分布均匀的原则,将数据从相邻面元“借”到处理面元中,以达到覆盖次数、偏移距分布均匀叠加的目的(戴军文等,2009)。在进行面元均化时,通常需要选择适当的均化参数,如扩展面元大小、数据分布方式和精度控制参数等。这些参数选择需要根据具体的数据特点和处理要求进行合理设置,以保证均化后的数据能够最大限度地反映反射波界面“源”的实际情况。

  • 图2 水平倾斜界面下反射波旅行时示意图

  • Fig.2 Diagram of reflections’ traveltime on a horizontal oblique interface

  • 面元均化处理主要目的是降低覆盖次数分布不均,保持叠前数据的空间分辨率。注意,在地下反射界面为水平、不存在地层倾角的情况下,由相邻CMP点或者一个CMP间隔内所有反射点上得到的反射波,若地震子波横向一致的情况下均能实现同相叠加。其优点是,这种基于统计平均处理保留了信号的主要特征,而减小随机噪声的影响。如此,在提升信噪比方面CMP面元均化处理似乎与CRS叠加作用相似(Garabito et al.,2011; Bergler et al.,2002; Dell et al.,2011)。然而,当地下地层存在一定倾角时,即便给出一个相对准确的校正速度,由于相邻CMP点或者一个CMP间隔内所有反射点的旅行时存在细微差别,进而CMP面元均化处理必然发生混叠效应,导致反射波同相轴信噪比、分辨率双双降低,损失更多的同相轴细节。因此,在面元均化处理应用中,需要根据地层倾角、偏移距分布情况进行最优化试验。

  • 1.4 CRS叠加与叠前噪音衰减

  • 针对1.3中提到的一个CMP间隔内所有反射点的叠加,随机噪声的压制也是提高地震信噪比不得不考虑的因素,笔者等针对PreRNA与CRS叠加中的噪声衰减做出简要分析。众所周知,为了给叠前时间/深度偏移和偏移速度分析(Migration velocity analysis,MVA)提供优质的叠前道集,地震处理中适当进行PreRNA是必要的,目的是用于减少地震数据中的随机噪声,从而提高地震资料的信噪比和横向分辨率。PreRNA根据地震数据的方差、均值和标准差统计特性,建立随机噪声的数学模型,通过设计滤波器对地震数据进行滤波,以达到衰减随机噪声的目的(李振春等,2006)。由1.1节内容可知,CRS叠加方法的理论基础是几何地震学,同时考虑反射层(沿构造倾向)的局部和第一菲涅尔带内全部反射,用反射面替代反射点,结合多个参数来确定这一反射面的旅行时。由于地震波的频率是有限的,所以反射面假设比反射点假设更适合于描述地下界面的实际情况。CRS叠加在相干区域内依据相邻CMP数据生成的超CMP道集,仅在第一菲涅尔带 “微小”覆盖范围内压制随机噪声,相比PreRNA处理,CRS叠加对于叠前道集处理更具有一定的保幅性,众多学者基于CRS叠加输出的CMP道集或者叠前偏移后的CRP道集开展AVO反演和储层预测均取得良好效果(Eisenberg-Klein et al.,2008)。因而,从理论和实践中表明,CRS叠加相比PreRNA处理在提升叠前道集信噪比的同时,更具有保幅性。

  • 2 应用实例

  • 2.1 羌塘盆地地震地质条件

  • 羌塘盆地位于青藏高原腹部,平均海拔近5000 m,冬季和春季极度寒冷,近地表存在季节性和永久性冻土层(层厚超过100 m)。地表出露中生界海相地层多形成飞来峰、构造窗构造,低降速带横向变化剧烈。如此近地表与地下构成了“双复杂”构造系统,尽管盆地受东特提斯构造域控制,经历燕山、喜山多期构造运动及变形,最新地质调查与研究表明盆地仍具有良好的油气勘探前景,特别是北部坳陷南缘阿木错—托纳木地区存在多个生烃凹陷,具备一定构造圈闭与储油构造。然而,受地震采集处理技术限制,圈闭评价和储层预测工作粗略、地震解释多解性强。在2008~2015年期间,中国地质调查局成都中心在托纳木地区部署了多条二维地震测线,从采集和处理效果上来看,地震剖面主要存在信噪比和分辨率低、构造解释模式多解性强等问题(李忠雄等,2017)。近几年针对羌塘盆地冻土层地震处理技术攻关表明,通过微测井模型约束层析反演方法基本解决了中长波长近地表静校正问题(Liu Zhiwei et al.,2022; 张辉等,2020),如何提升地震信噪比和开展地震偏移成像是地震勘探技术亟待解决的关键问题之一。笔者等基于托纳木地区2008年采集的地震试验线(TS2008-SN##)数据,进行了提升信噪比处理技术攻关,开展了CRS叠加技术对比以及应用试验。试验线地震采集观测系统如下表1所示。

  • 表1 地震采集观测系统

  • Table1 Seismic acquisition and observation system

  • 2.2 CRS叠加应用及方法对比

  • 笔者等在开始CRS叠加技术对比之前,详细分析了采集观测系统和原始单炮记录振幅、频率、相位特征,在获得最大信噪比的条件下,精细制定了近地表静校正、非规则及线性噪声压制、地表一致性振幅补偿及反褶积预处理流程。其中,针对冻土层近地表,静校正采用了微测井模型约束层析反演方法重点解决中、长波长静校分量,而采用最大能量相干法反射波剩余静校正解决中、短波长静校分量;依据“①先异常、后规则,②先线性、后随机,③先炮检域、后CMP域”的原则,最大限度地对叠前道集异常振幅/频率、面波、次生折射、随机噪音等非反射波噪声进行了压制;基于地表一致性原理,分别对叠前数据振幅/频率和地震子波进行了一致性补偿和子波旁瓣压缩处理。

  • 由图3a和图4a可以看出,预处理后炮集和CMP道集双曲线反射特征明显,纵、横向振幅和频率保持基本一致,中生界海相地层在叠前道集上严重偏离零偏移距,显示出突出的高陡构造特征。基于该预处理道集,笔者等开展了CRS叠加关键参数试验,其中,最终选择参数近地表速度为2500 m/s,菲涅尔带孔径为40 m(0 s)~120 m(0.5 s)~200 m(1.0 s)~400 m(2.0 s)~800 m(4.0 s),最大构造倾角限制为45°,偏移距规则化处理参数60~7180(80 m),CRS叠加处理后的炮集和CMP道集详见图3b和图4b所示,具体CDP位置和炮点见CDP标号和图5剖面,其中测线上微测井揭示的冻土层存在位置位于剖面CDP 2050和CDP 3060。

  • 图3 CRS叠加前后的CMP道集对比:(a)CRS叠加前原始CMP道集;(b)CRS叠加后CMP道集偏移距规则化

  • Fig.3 Comparing CMP gathers after and before applied the CRS stacking: (a) a raw CMP gather before CRS stacking; (b) the CMP gather applied CRS stacking

  • 图4 CRS叠加前后炮集对比:(a)CRS叠加前的原始单炮; (b)CRS叠加后的对应单炮

  • Fig.4 Comparing shot gathers after and before applied CRS stacking: (a)a raw shot gather before CRS stacking; (b) the shot gather applied CRS stacking

  • 由图3b中位置CMP 3250道集可见,CRS叠加处理后CMP道集存在3个方面变化。其一,CRS叠加后CMP道集偏移距分布更加均匀,原始CMP道集中缺失的偏移距道得到了一定弥补,这种规则化道集非常有利于实现基于Kirchhoff算法的叠前时间或深度偏移。其二,CRS叠加CMP道集上双曲线反射特征十分明显,特别是远偏移距同相轴更加连续平滑,反射频率略有降低,绕射波特征清晰。其三,CRS叠加处理后,2.5~3.0 s深层反射特征也突显出来,从近偏移距至远偏移距均有存在,如右下角方框中红色箭头所示。图4b展示了CRS叠加后的炮集效果,正如图中红色箭头标记所示,CRS叠加后炮集信噪比也得到大幅改善,无论是反射波同相轴横向连续性,还是绕射波“尾巴”,都得到明显提升;最为引人注意的是图中左下角两套反射波组交叉位置,原始炮集图4a左下侧的2.5~3.0 s深层反射极不清晰,CRS叠加后深层反射信噪比得到明显改善,与右侧高信噪比的同相轴交叉在一起,中间隐含的地质断裂特征十分清晰,同时右侧的高陡构造内部显示出砂泥岩薄互层的弱反射特征。由此可见,针对冻土层区浅层与深层,CRS叠加进一步提升了叠前炮集与CMP道集的地震信噪比;从反射波组振幅强弱关系和频率变化来看,CRS叠加处理后叠前道集具有一定的保幅性。

  • 基于以上CRS叠加前后的叠前道集,笔者等又进行了精细速度分析对比,剖面位置CDP 1400、CDP 2000、CDP 2600和CDP3200的速度谱详见图6所示,上部4幅图利用了预处理后的CMP道集数据,下部4幅图利用了CRS叠后的CMP道集数据。由上下对比后可见,浅层和深层能量团分布均有变化,速度分布趋势明显。对于浅层而言,速度谱能量团更加集中,4个位置横向上基本可以对比追踪,结合图5叠加剖面,发现CDP 2600位置浅层能量团更偏向较高的速度值,这与图5叠加剖面上CDP1600位置的高陡构造一一对应,恰好显示由高陡构造地层倾角而引起的叠加速度值偏高,由此说明CRS叠加提升反射波信噪比是可靠的。对于深层,如红色箭头标记所示,深层信噪比也得到大幅改善,在最大偏移距7180 m位置,深层的能量团也更为集中,叠加速度基本小于5500 m/s。从速度谱上能量团分布来看,除了浅部受冻土层影响外,基本上,阿木错—托纳木地区的地下速度是递增的,几乎没有速度反转,局部存在深凹的有效反射波真实可靠。

  • 图5 含冻土区CRS叠加前后剖面段对比:(a)CMP叠加剖面;(b)CRS叠加剖面

  • Fig.5 Comparing stacking sections involved with permafrost after and before applied the CRS stacking: (a) a segment ofsectionafter CMP stacking; (b) the section derived from CRS stacking applied

  • 图5展示了TS2008_SN##地震测线上CDP 2050~3250之间的一段叠加剖面,微测井解释和地表填图证实该段剖面两侧均有冻土层分布、中间存在高陡北倾构造,地层倾角小于45°,图5a和图5b分别展示了CRS叠加前后的叠加剖面。从图5a预处理后CMP叠加剖面看,剖面中间高陡构造浅层信噪比很低,深层断裂结构不清晰,尤其2.0 s以下两侧地层的接触关系不明。从图5b展示了CRS叠加后剖面来看,剖面两侧冻土区下的同相轴连续性得到一定改善,砂泥岩薄互层和灰岩层间信息、断面绕射更加丰富,信噪比提升效果明显;相比CMP叠加而言,最为明显的变化是深层的成像,无论是断点(面)绕射波,还是逆冲断块的下盘反射波,信噪比方面都有明显增强。

  • 基于相同的预处理CMP道集和叠加速度,笔者等进行了CRS叠加与面元均化、PreRNA和DMO叠加处理对比试验分析,以下通过叠加剖面的方式展示效果对比,处理结果详见图7所示。其中,面元均化关键参数为相邻CMP间隔为3,图7a是处理后的叠加剖面,相比图5a CMP叠加剖面,中部高陡构造浅层信噪比有一定的改善,但深层改进不大;PreRNA处理选用了CMP-共偏移距3D RNA处理流程,算子长度500 ms,横向CMP个数21,纵向采样数15,叠加剖面效果详见图7b所示,相比面元均化处理后的叠加剖面图7a,总体而言,深层信噪比有所提高,剖面看起来更加“干净”,波阻特征清晰。相比图7a和图7b,图7c DMO叠加在高陡构造、倾斜反射和绕射“尾巴”方面有所增强,断面特征清晰;图7d是CRS叠加剖面,相比前面三者,无论是浅层还是深层,在信噪比方面均有明显提升,依此表明CRS叠加技术对处理冻土层区低信噪比数据具有一定的技术优势。

  • 图6 CRS叠加前后速度谱对比:(a)CRS叠加前4个CMP点的速度谱;(b)CRS叠加后4个CMP点的速度谱

  • Fig.6 Comparing velocity analysis ensembles after and before applied CRS stacking: (a) velocity analysis ensembles derived from raw CMP gathers; (b) the ensembles applied CRS stacking

  • 图7 CRS叠加与其他处理方法剖面对比:(a)面元均化CMP叠加;(b)PreRNA后CMP叠加; (c)DMO后叠加;(d)CRS叠加

  • Fig.7 Comparing CRS stacking section with other conventional CMP stacking sections: (a) CMP stacking applied the flexbinning; (b) CMP stacking applied the PreRNA; (c) CMP stacking applied the DMO; (d) CRS stacking

  • 根据以上CMP道集、单炮、速度谱和叠加剖面对比和不同方法试验表明,利用前期预处理叠前道集,应用CRS叠加进一步提升冻土层区地震信噪比取得了良好的效果。

  • 2.3 CRS叠加偏移成像对比

  • 基于CRS叠加输出高信噪比的、规则化的叠前道集和可靠的RMS叠加速度场,笔者等开展了叠后与叠前时间/深度偏移成像实验。叠前深度偏移使用了经典的波动方程Kichhoff积分解算法,利用DIX公式转换RMS速度为时间域层速度,获得PSTM偏移速度模型;经过PSTM与CRP道集“层拉平”迭代之后,平滑时间域层速度后再转化为深度域层速度,获得最终的PSDM偏移速度模型。图8展示了CRS叠加剖面与3种方法偏移成像实验的结果。

  • 从4条剖面成像效果来看,构造样式发生明显变化的是④位置。不论是否经过偏移成像,④位置时间域剖面均显示为水平界面,由绕射收敛情况表明,该界面横向存在小断裂,而深度域剖面表现为较为复杂的褶皱构造。查阅相关文献(张金淼等,2011),地震测线TS2008_SN##恰好经过羌塘盆地龙木错—双湖缝合带,这种褶皱构造极其可能代表龙木错—双湖洋闭合的构造响应特征。其二明显变化的是①位置,经过CRS叠加处理较好的保护了复杂绕射波,通过Kirchhoff叠前时间/深度偏移成像,获得了明显的深凹构造特征,详见图8c与图8d所示。其三,②与③位置证明了不同成像算法对复杂构造成像的不同效果,依托CRS叠加处理后的高信噪比道集,针对复杂构造,叠前偏移仍然能保持与叠后偏移相当的信噪比。

  • 由此表明,针对冻土区复杂构造,叠前道集经过CRS叠加处理后,通过速度分析迭代过程与输出高信噪比的炮集数据,有利支撑了后续叠前深度偏移成像中速度建模和道集规则化,可以提高成像精度和构造解释可靠性。

  • 3 讨论

  • 通过以上理论分析与应用实践表明,CRS叠加提升冻土区地震信噪比具有一定的技术优势,同时为地震偏移成像提供了品质较好的叠前道集和初始偏移速度,羌塘盆地双程旅行时2.0~3.0 s深部高陡构造及其绕射地震成像效果获得一定改善。羌塘托纳木地区地震试验线(TS2008-SN##)横跨隐伏的羌塘盆地龙木错—双湖缝合带,从地震成像效果来看,深部缝合带特征较为明显,特别是在图8d中①至④之间(地下6~10 km),可能代表着古缝合带闭合的构造特征。关于古缝合带内部构造解释,仍有待细化构造样式,下一步需要联合地质调查与重磁电等多种地球物理手段提出构造模式。

  • 图8 CRS叠加剖面与偏移剖面对比:(a)CRS叠加剖面;(b)CRS叠加后的叠后时间偏移剖面; (c)CRS叠加后的叠前时间偏移剖面;(d)CRS叠加后的叠前深度偏移剖面

  • Fig.8 Comparing CRS stacking section with migration sections after applied CRS satcking: (a) CRS stacking; (b) poststack time migration applied CRS stacking; (c) prestack time migration applied CRS stacking; (d) prestack depth migration applied CRS stacking

  • 在笔者等开展CRS叠加处理关键参数试验过程中,选择菲涅尔带孔径40 m(0 s)~120 m(0.5 s)~200 m(1.0 s)~400 m(2.0 s)~800 m(4.0 s)、最大构造倾角45°、偏移距规则化处理60~7180(80 m)参数非常关键,针对低地震信噪比的高陡、逆冲、推覆构造反射波成像,这三项参数的敏感性很高。其一,限定时空变化的菲涅尔带半径和地层倾角大小对剖面深浅层成像均有影响。例如,关于图5b和图7d剖面中的深层反射同相轴,参数不合适会引起倾斜或者弯曲界面的绕射波缩短或者增长变化,导致最后偏移归位不精确、断裂不清晰、解释难度增强。其二,在时间域偏移剖面图8b和图8d中左侧深部,深凹内部及其边缘反射同相轴存在交叉现象,一方面受二维侧面波影响干扰了成像效果,另一方面也可能是CRS叠加处理孔径参数过大导致;然而,在深度域剖面中,这种现象较弱,表明利用CRS叠加处理后的叠前道集进行叠前深度偏移能够改善成像效果、保持一定的高信噪比。其三,限定剖面中倾角的大小也会对CRS叠加三参数求取和扫描计算产生影响,以致倾角分布范围、时间窗口间隔非常关键,这两个参数需经过多次试验和根据成像效果才能确定。

  • 随着地震勘探技术水平的提高,高覆盖次数、大数据体的高计算量对CRS叠加处理技术提出挑战,CRS叠加能否应用到现今羌塘盆地平均3000次覆盖次数的新一轮二维地震数据值得试验与讨论。根据前面技术理论分析与羌塘地震数据偏移距规则化处理参数60~7180(80 m)应用效果,笔者等认为,针对二维或者较窄方位的宽线地震数据,在CRS叠加之前进行CMP域偏移距规则化处理是可行的,这样可以降低覆盖次数达到CRS处理效果。

  • 4 结论

  • 笔者等针对冻土区低地震信噪比和复杂构造特征,首次开展了基于CRS叠加技术的地震成像实践。技术理论分析与方法应用表明,CRS叠加突破常规水平均匀层状介质模型假设,在提升冻土区地震信噪比和复杂构造成像方面具有一定的技术优势,羌塘盆地冻土区的成像结果基本反映了研究区的地质构造特征。

  • (1)在地震成像之前预处理中,CRS叠加基于限定菲涅尔带半径和地层倾角等关键参数,相比常规面元均化、DMO叠加和PreRNA等处理,能够有效提升叠前道集深浅层信噪比、保护断面(点)绕射波、改善叠加速度分析精度。

  • (2)在地震偏移中利用CRS叠加处理输出的规则化CMP道集和炮集便于开展叠前深度偏移和MVA以及成像,有利于提高地震剖面的可解释性。通过冻土区地震成像实践,证明CRS叠加可作为提升冻土层区信噪比的地震处理关键技术之一,将有效改善复杂构造区深度域地震成像精度,值得在类似羌塘盆地的含冻土层高寒地区应用。

  • 致谢:感谢中国地质调查局成都中心谭富文研究员、李忠雄研究员在本研究中给与的数据帮助和技术讨论;同时,也感谢帮助完成初至拾取的中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院的硕士研究生吴怡、丁玲、吴昊董。

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