地震勘探中的常见地震干扰波及压制方法

论文提要

在地震勘探中激发地震波时，由于激发、接收条件，自然环境和地表条件的影响，我们所采集到的地震数据中，既有有效波也有干扰波。根据干扰波的物理特征、形成机理和形态，常把地震数据上的噪声分为规则噪声和随机噪声两大类 。规则噪声具有明显的运动学特征 ,如：面波、线性干扰、平行折射、声波、多次波干扰等，可以根据其运动学特征选择针对性的衰减方法 ；随机噪声是一种无规律的噪音，如：自然界风吹草动所产生的猝发脉冲、野值等 。为了提高地震勘探的精度，完成在各种复杂地区的勘探任务 ，使地震资料能更真实地反映地下的地质情况，如何突出有效波，压制干扰波就成为一个极其重要的问题 。通过暑假的实践，本论文中针对地震勘探中的常见地震干扰波进行总结、分类、衰减，并在国产软件GRISYS平台上，针对不同的干扰波进行分析，总结针对不同噪音的衰减方法。

正文

一、 规则干扰波

规则干扰波是指有一定的主频和一定视速度的干扰波。例如面波、声波、线性干扰波、多次波等。下面就规则干扰波中的面波、声波、多次波和50Hz交流电干扰进行介绍。 （一）面波

图1 面波的形成机理及实际地震记录上的面波

从震源发出的波动分为两种: 一种是质点振动方向与传播方向一致的波，称为纵波。另一种是质点振动方向与传播方向垂直的波，称为横波。纵波的传播速度较快，在远离震源的地方这两种波动就分开，纵波先到，横波次之。因此纵波又称P波，横波又称S波。在没有边界的均匀无限介质中，只能有P波和S波存在，它们可以在三维空间中向任何方向传播，所以叫做体波。但地球是有限的，有边界的，在界面附近，体波衍生出另一种形式的波，它们只能沿着界面传播，只要离开界面即很快衰减，这种波称为面波。面波实际上是体波在地表衍生而成的次生波, 面波是一种很强并广泛存在的规则干扰波 ,在炮集上呈线性分布 ,其特征为低频、低速 且振动延续时间长 ,严重影响中深层有效反射 ,大大降低地震资料的信噪比 ，如图1所示。 1.面波的特点

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面波是地震勘探中常见的噪声，分为三种：分布在自由界面附近的瑞雷面波。在表面介质和覆盖层之间存在的SH型的勒夫面波；以及在深部两个均匀弹性层之间存在的类似瑞雷面波型的史东尼面波。在地震勘探中观测的面波，主要是沿地表传播的瑞雷面波，如图1的作图所示，其特点为： （1）低频，一般在15Hz以内。

（2）低速，其速度为纵波的0.5倍，横波的0.9倍,视速度一般为100～1200 m/ s ,以200～600m/s的视速度最为常见。

（3）面波速度随频率变化而变化。面波随着传播距离的增大，振动延续时间也越长，形成“扫帚状”，即深层频散。

（4）能量强，衰减慢，这也是低频波的特点。面波能量的强弱与激发岩性、激发深度以及表层地震地质条件有关。

（5）面波时距曲线是直线，因此在近炮点排列（100～150米）的波形记录上面波同相轴是直的，其视速度与真速度相近。 2.面波压制

要得到高信噪比的地震记录 ,面波的压制是一项重要的环节 。常见的面波压制方法有以下几种 :

(1) 通过分析相邻道的频率差异 ,结合面波速度和频率资料 ,应用频率空间域 f - k滤波方法 ,对面波进行衰减。但 f-k滤波要求有规则的空间采样间隔 ,适用于地层倾角较缓的地区 ,对于复杂条件下的面波去除效果不佳 ,混波现象很严重。 (2) 低截滤波或高通滤波：这种方法会严重损失中深层的低频有效信号。

(3) 内切除：该方法在切除面波的同时,也将包含在面波中的有效信息切除掉 ,不可恢复。

(4) τ-p变换：τ-p 变换是依据有效波和干扰波的视速度符号和大小的不同来达到压制干扰波的目的,面波虽然是一种规则的线性干扰 ,但它在地震记录上的分布从浅到深会出现严重的扫帚装特征 ,它的速度和频率从浅到深都有可能变化 ,将含有面波的地震数据变换到τ-p 域 ,面波并不是一个点 ,从而也很难完全去除面波 。

(5) 小波变换：小波变换是基于在较低频率外面波的能量强于反射波 、在小频率范围和小空间范围内面波能量变化缓慢的假设条件下 ,先用面波的视速度对面波做线性时移 ,使面波逐道相干 ,再利用 KL 分解或沿 x 方向进行小波变换的方法来提取面波 ,并将其从原始资料中减去 ,由于面波的扫帚装特征 ,将面波作线性时移时不可能完全对齐 ,也很难达到完全去除面波的目的 。

在GRISYS平台上，有两种面波衰减方法，一种为局域滤波去面波，适应于低频、低速、规律性较强的面波；另一种为自适应面波衰减，利用时频分析的方法，根据面波和反射波在频率分布特征、空间分布范围、能量等方面的差异，检测出面波在时间和空间上的分布特征，再根据面波固有特征对确定的面波进行二次分析，以确定面波能量的频率分布特征，并根据这种特征对其进行加权压制，适应于有效波与面波有一定频率差

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异的资料，两种方法对面波的压制效果如图2－3所示。

图2 局域滤波去面波方法

图3自适应面波衰减方法

针对该地震数据，两种方法都能很好的去除面波，达到压制面波，突出有效波的目的，在面波压制后的炮记录上看，由于没有选择面波压制后的振幅补偿选件，出现了能量不均。 （二） 声波

声源体发生振动会引起四周空气振荡，这种振荡方式就是声波。声以波的形式传播着,我们把它叫做声波.声波借助空气向四面八方传播。除了空气，水、金属、木头等也都能够传递声波，它们都是声波的良好媒质。在坑中 、河中 、浅水池中、干井中激发时，容易出现较强的声波 。 1.声波的特点

声波是空气中传播的弹性波 ,速度为 340 m/ s 左右 ,比较稳定，频率较高 ,一般大于100 Hz ,延续时间较短 ,在地震记录上形成尖锐的强初至 ,呈窄带出现。采用井中注水 、埋井 、多坑 、深坑 、减少单坑的炸药量 、大偏移距接收等方法可以避开声

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波干扰 。 2.声波的压制

声波的压制方法一般有以下几种：

(1)反褶积：在以往的地震资料处理流程中 ,由于处理手段和设备限制 ,主要通过反褶积技术对声波进行压制 。在声波主频较高时 ,此压制方法往往不是很理想。 (2)切除法：使用内切除法将声波完全剔除 ,虽能从根本上消除声波对地震数据的影响 ,可更好的提高信噪比 ,但湮没在强噪声干扰中的有效信号也会损失掉。 (3)分频自适应检测与压制：该方法不仅可有效的压制声波干扰 ,而且可以保证有效信号不受太多畸变。 （三）多次波

多次波一直是常规地震资料处理中常见的干扰波 ,由于地表及地下结构的变化 ,多次波的周期、频率、分布规律等具有多变性 ,多次波和一次波在频谱和视速度上都相近，多次波的主频和视速度偏低，但差异不大。多次波的传播速度比同时到达的一次反射波的传播速度较低。多次波比反射波多了一个或多个上行反射界面，因且多次波常常和一次有效反射波相干涉 ,使地震剖面出现假的地质现象进而影响对剖面的解释 。为了解决多次波的识别、压制问题，就要分析多次波产生的条件、特点，找出它与一次反射波之间的差异。 1. 多次波的产生

产生多次反射波要有良好的反射界面。因为一般反射界面的反射系数较小，一次反射波的强度比较弱，经过多次反射后，多次波就很微弱了。只有在反射系数较大的反射界面上发生的多次反射波，才比较强且能被记录下来、属于这类界面的有基岩面、不整合面、火成岩（如玄武岩）和其它强反射界面（如石膏层、岩盐、石灰岩等）。例如 :当地震波经过地下界面反射后传播到地面时 ,由于地面与空气的分界面是一个波阻抗差别很明显的界面 ,所以是一个良好的反射界面 ,地下界面反射波有可能从这个界面反射向下传播 ;当遇到地下反射界面时 ,又可以在此发生反射返回地面 。如此往复就形 成了多次波 。如果浅 、中层存在良好的反射界面并产生了多次波 ,就有可能掩盖中深层的一次反射波 。

2. 多次波的类型

按照其反射方式的不同 , 多次波一般分为以下几类 : (1) 全程多次反射波

在某一深层界面发生反射的波在地面又发生反射 ,向下在同一界面发生反射 ,来回多次 。又称简单多次波 (如图 4 ) 。

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图 4 全程多次波模型图

（2）短程多次波

地震波从某一深部界面反射回来后 ,再在地面 向下反射 ,然后又在某一个较浅的界面发生反射。又称局部多次波 (如图 5 ) 。

图 5 短程多次波模型图

（3） 微屈多次波

在几个界面上发生多次反射 ,多次反射的路径是不 对称的 ,或在一个薄层内受到多次反射。(如图 6)。（2）和（3）两类多次波并没有很严格的差别。

图 6 微屈多次波模型图

（4）虚反射

进行井中爆炸激发时 ,激发能量的一部分向上传播 ,遇 到地面再反射向下 ,这个波称为虚反射。它与直接由 激发点向下传播的地震波相差一个延迟时间τ；τ等于波从井底到地面的双程传播时间 (如图7) 。

图 7 虚反射模型

3. 多次波的压制

多次波衰减一直是地震数据处理中的难题,随着地震勘探向岩性勘探与油藏描述等的深入,多次波问题越来越引起人们重视。 (1) 预测反褶积技术

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预测反褶积的作用：是压缩地震子波 ,提高时间分辨率；是消除虚反射、回响和其他类型多次波,提高资料信噪比。对于周期性的多次波的压制,该方法的最大优点是不受一次波和多次波速度的影响。理论上,预测距离的长度为一次波与所要滤掉的多次波之间的时间间隔 ,算子长度至少应为多次波的一个周期。在实际处理中,由于多次波的多样性和无规律性,需要反复谨慎的试验这两个参数,并结合地震剖面 ,根据地质构造形态来判断是否精确合理到位。 (2) F-K域多次波衰减技术

该技术主要作用是压制CMP道集中能量强的多次波，出弱的有效反射能量团 ,提高速度拾取精度，而提高叠加剖面的品质。利用F-K滤波压制多次波的基本思路为：在CMP道集上进行速度分析 ,并对数据进行NMO校正,校正速度介于一次波与多次波之间, 这时一次波同相轴校过 头 ,而多次波校正不足 ,校正后的记录在时空域中表现为一次波向上翘 ,多次波仍向下弯；校正后的数据进 行二维傅里叶变换 ,由于一次波与多次波视速度不同 ,在 F - K空间它们分别位于零波数轴的两侧 ,设计 F -K 滤波器，多次波进行切除；进行二维傅里叶逆变换 ,把数据返回到时空域 ,用相同的动校正速度进行反

动校 ,这样就可得到压制多次波处理后的 CM P 道集 。F - K 滤波压制多次波的优点: 凡是低于所选 NMO速度的多次波均能得到压制 ,这对于多次波速度具有一定区间的资料 ,其效果是明显的 。F - K 滤波压制多次波 的关键环节是拾取介于一次波与多次波之间的校正速 度 。在实际资料处理中 ,应遵守多次波速度变化较平缓 的规则 ,在时间方向上考虑反射同相轴能量的强弱 ,在空 间方向考虑构造的横向变化 ,避免校正速度在空间上大 幅度的跳跃 。否则 ,将会造成压制多次波的同时也会损 失有效的反射信息 ,降低原始资料的信噪比 。 (3) 近道内切法多次波衰减技术

通过分析认为 , 当反射界面水平 ,地下介质为分区均匀介质时 ,动校正 量的大小随着炮检距的变化而变化 ,当炮检距较小时 ,动校正量相对较小 ,这时有效波和多次波的动校正量时 差也较小 ,所以很难用动校正方法分离有效波和多次 波 。这时可采用中深层近道内切法限制近道对叠加剖 面的影响 。

图8 减去法多次波衰减前（左）后（右）的叠加效果

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(四) 50Hz交流电干扰

这种噪声是通过感应或电缆漏电耦合到电路 ,同地震信号一起被送到地震仪而被记录下来 。频率恒定为 50 Hz 。是野外施工中常见的不可避免的干扰 。 1. 50Hz交流电干扰的特点

（1）频率稳定 ,一般都在50 Hz ±3 Hz 左右 。

（2）在输电线下面的一道或几道上的交流电干扰特别强 ,其它道 较弱 ,而被干扰的道从头至尾都有 50 Hz 干扰信号 。 （3）随排列的移动而移动。 2.50Hz交流电干扰的压制

（1）提高仪器 、组合线 、大线和检波器的绝缘度。 （2）设计滤掉 50 Hz 的滤波因子进行数字滤波，即陷波。

（3）由于50Hz的单频干扰，在实际记录中是50HZ左右，为此我们为了提高单频波压制的精度，设计在单频波较强的深层统计其主频，模拟单频波的噪音，然后从记录中减去，这样会有效提高去噪精度，如图9所示，为目前在GRISYS平台上针对单频波压制的效果。

图9 单频波压制前后的炮记录效果

二、无规则干扰波

地震勘探中经常遇到一类特殊的干扰，既没有一定的频率，也没有一定的速度，称为随机干扰或无规则干扰。 （一）随机干扰的种类

(1)地面的微震。如风吹草动及人为噪声 。它来自地表的各个方向 ,频谱很宽 ,振幅大小变化无规律 。

(2) 井中激发的微震干扰。当采用井中爆炸时，爆炸产生的高频高压气体和泥浆在井中翻腾，冲击井壁，在井口附近几个记录道上造成杂乱的干扰波。通常 ,在砂层中激发易产生气泡干扰 ,在粘土层中激发易产生喷出物的杂乱干扰，在坚硬的老地层中激发易产

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生锯齿状的高频干扰 。

（3) 大气电离层的噪声。由于空间电场的扰动,感应到大地产生电流 ,通过电缆和检波器被传输到地震仪器的数据采集系统记录下来的干扰波。它的频谱很宽 ,在时间域上是一个很常见的经典脉冲 。

（4) 仪器噪声。任何电子系统在没有输入的情况下 ,在输出端都可以观测到其自身的最小输出电压 ,即系统自身存在的噪声 。 （二）随机干扰的压制

（1）f - x域随机噪声衰减 :该方法是对叠后地震剖 面上的线性同相轴 (包括有效信号和线性噪声) 进行预 测 , 分离信号与噪声 , 压制剖面上的随机噪声 , 以增强 有效信号 ，如图10－11所示。在 f - x 域进行随机噪声衰减时 , 选择去噪参数应注意计算时窗和混波比两个关键参数 。其中混波比给得太大 , 去噪效果不明显 ; 混波比给得太小 , 会使资料太呆板 。

图10 随机噪音衰减前（左）后（右）的炮记录效果

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图11 随机噪音衰减前（左）后（右）的叠加效果

三、GRISYS处理系统的去噪总结

叠前多域迭代去噪：针对噪音的能量、频率特征和在炮域、共检波点域、共炮检距域、CMP域的分布，进行分频、分域来实现不同域的迭代去噪方法。

噪音是多种多样的，在一张记录上，往往存在多种噪音的叠合，因此在室内处理中我们不可能使用一种方法就可以解决问题，而要根据实际情况，使用不同的方法组成一个处理流程，对地震资料中不同的噪音进行针对性的压制，从而达到压制干扰波，突出有效波，提高信噪比的目的。

在方法选择和处理流程的制定上，必须注意模块使用的先后顺序，不能随意安排。要根据模块设计的前提条件及噪音的强度和分布特征，科学地选择去噪顺序。原始资料分析，尤其是各种干扰波的分析工作要细致，搞清楚干扰波的生成的机理、分布范围以及特征，在对原始资料充分分析和试验的基础上，选择不同的模块组合，组织科学合理的去噪流程。噪音衰减要遵循能量优先的原则，即先强后弱、频率由低到高；先压制规则干扰、后压制随机噪音。下面是在实践中的一个迭代多域去噪流程及效果。

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图12 去噪流程

图13 原始炮记录 原始叠加剖面

图14炮域线性干扰压制后的炮记录（左）和叠加剖面（右）

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图15检波点域线性干扰压制后的炮记录（左）和叠加剖面（右）

图16面波衰减及高能干扰压制后的炮记录（左）和叠加剖面（右）

该资料是一条山前带、低信噪比测线，通过原始资料分析得知，原始炮记录上以线性干扰为主，能量最强，几乎见不到有效的反射波，所以，首先在炮域进行了线性干扰压制，之后又在共检波点域进行了线性干扰压制，通过分频扫描，合理的选取了面波衰减和高能干扰压制参数，最后通过自适应面波衰减和高能干扰压制，达到了逐步突出有效波，压制干扰波的目的。

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致谢

感谢指导老师朱颖红在毕业设计中对我的关心、支持和帮助！感谢同学王功峰在学习及毕业设计中对我的关心、支持和帮助！

参考文献

《GRISYS系统编码手册》 《地震勘探原理》 陆基孟 著

《地震数据处理方法系统思维》 熊翥 著 《高分辨率地震勘探》 俞寿朋 著

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