地震资料数字处理方法

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地震资料数字处理方法

The method for seismic data processing

张白林

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地震资料数字处理的目的、任务和特点

利用数字计算机对野外地震勘探所获得的原始资料进行加工.改造,以期得到高质量的.可靠的地震信息,为下一步资料解释提供可靠的依据和有关的地质信息. 特点:借助于计算机或数字化设备

根本目的:提高信噪比、提高分辨率、提供岩性参数

无论方法多么先进,技术如何发展,地震资料数字处理的根本目的仍然是:提高信噪比.提高分辨率.提供岩性参数

第一章 数字滤波 第1-1节 数字滤波基础 第1-2节 二维滤波 第1-3节 二维滤波的实现

频谱： 组成一个复杂振动的所有简谐振动成份的振幅、初相位与频率关系的总和。 信号按随时间变化的特点

频谱分析：就是利用付立叶方法（付氏级数、付氏积分）来振动信号进行分解并进而对它进行研究和处理的过程。

反射波与面波、声波和微震等干扰波，在频谱上有明显差别，故利用这种差别，可进行频率滤波，以便减少干扰波的能量，提高信噪比。

滤波：对信号(或波形)进行加工、改造的过程。

不同类型的波具有不同的频率分布范围,我们可以利用有效波和干扰波在频谱上的差异,去掉干扰波,保留有效波,最终达到提高信噪比的目的; 频率滤波:对信号的频谱进行修正的过程.

方法:

物理频率滤波：利用电子元器件的组合对信号频谱进行改造的过程；

数字频率滤波：利用数学手段,在计算机上对信号的频谱成分进行修正的过程. 其目的:压制干扰信号,突出有效信号,也即是提高信噪比.

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数字频率滤波的实现: ①时域褶积: x(t)*h(t)= y(t) ②频域乘积: X(f)?H(f) = Y(f)

地震资料数字滤波的关键是选择恰当的滤波器，也即确定h(t)或 H(f)。

实现数字滤波的步骤 ⑴时域 ①根据工区内有效波和干扰波的频谱分布情况设计滤波器的频率特性H(f)； ②由H(f)作傅氏反变换，得到h(t)； ③褶积：y(t)=x(t)﹡h(t)，其中x(t)是待处理的地震道， y(t)是滤波后的地震道。 类似地，也可得到频率域实现滤波的相应步骤。

先决条件:有效信号和干扰信号的频谱截然分开

数字滤波与物理滤波相比,有几个优点:灵活性强,不受信号动态范围的限制;能实现零相位滤波. 存在的不足：由其特殊性所造成的两个特殊现象:Gibbs现象、伪门现象. 信号数字处理具有两大特点:有限性、离散性。

Gibbs现象：由于滤波因子的有限性而造成滤波器频率响应曲线发生畸变的现象.

导致Gibbs现象产生的原因

内因：理想滤波器的频率特性曲线是一不连续函数的图形（由于它的有限性，造成对应的时间函数的无限性）；

外因：滤波因子hM(t)或 hM(n)的有限性（数字信号处理的必然）→造成有限性和无限长的矛盾

Gibbs现象造成的危害

由于Gibbs现象使得滤波器频率特性曲线发生畸变，使得原来设想通过滤波器滤掉的干扰波得不到完全的压制，而原来想保留的有效波发生畸变，从而不能完全达到滤波的目的——压制干扰波，突出有效波。

减小Gibbs现象影响的方法

针对Gibbs现象产生的原因可以采用以下方法设法减小其影响： ①针对其内因是原―门式‖滤波器的频率特性曲线H(?)的不连续性，考虑将其改造成一连续函数——频域―镶边‖法； ②针对其在时间域由于只能取有限长而进行截断而造成的截断误差，设法降低截断误差——选择合适的―窗‖函数进行截断，以减小截去部分对截断误差的影响，即所谓的―窗函数‖法。

但应注意:由于有限性是数字处理的固有特点,所以Gibbs现象只能减小其影响,无法根本消除.

―伪门‖现象 产生的原因：由于滤波因子的离散化而造成其对应的频域周期化（时域离散化<=>频域周期化）。由此可知：

伪门现象就是由于滤波因子离散化而导致的滤波器频率特性发生周期性变化的现象。

给数字滤波带来的危害：使干扰波有可能从―伪门‖通过,从而达不到所设想的滤波效果→使滤波效果变

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差

注意:伪门现象也是数字滤波固有的,无法根本消除,只能设法减弱其影响. 减轻―伪门‖现象影响的方法有两种：

1．适当选择采样间隔? ，使―伪门‖出现在干扰波频带之外；

2．在资料进行处理前，先通过―去假频‖滤波器滤掉高频干扰部分。

一维数字频率滤波能够滤掉与有效波频谱截然不同的干扰波,达到提高信噪比的目的。 存在两个特殊问题: Gibbs现象、伪门现象

使滤波效果受到影响，且只能削弱其影响，无法根本避免。

需要强调的是:在地震勘探工作中,提高信噪比是一项贯穿始终的关键任务,无论是野外采集.资料处理还是资料解释阶段,都要考虑这一问题;而数字滤波是最常用的提高信噪比的方法,所以要在第一章中介绍。

提高信噪比的处理技术与资料采集中的提高信噪比的方法一样,有一个共性:利用有效波和干扰波的差异.

资料采集中的提高信噪比方法:组合法、多次覆盖法。 组合：利用有效波和干扰波在传播方向上的差异

多次覆盖：利用一次反射波和多次反射波在剩余时差上的差异; 频率滤波:利用有效波和干扰波在频谱上的差异

地震勘探中的一维波数滤波是通过野外工作中的组合来完成的。 组合：以多个检波器组成一个地震道的输入或多个震源同时激发构成一个总的震源，前者称为组合检波，后者称为组合激发。

组合法：利用波的传播方向的不同来压制干扰的一种(野外工作)方法。

组合是一空间滤波,它是利用有效波和干扰波在传播方向上的差异来压制干扰波的;

但由于k*=f/v*的作用,组合又相当于一个低通频率滤波器,这就使得组合后输出信号频谱与组合前信号频谱不相同,即信号发生了畸变.

应注意的是:我们不是,也不可能利用组合的这种频率选择作用来进行频率滤波

组合的这种低通频率滤波作用会给我们的地震勘探带来什么影响?这种影响和野外采集中的那些参数有关?

如果有效波的视速度沿测线发生变化时,就会造成在不同地点组合时,其?t随炮检距增大而变小,从而使组合后的波形延续时间加大.相位数增多,引起有效波的动力学特点改变,影响我们对地层岩性的研究. 由此可见,一维波数（空间域）滤波也存在缺陷,使得其应用不能保证把全部干扰波滤掉而且完整保留有效波的全部信息.这就势必需要引入新的滤波方法,这就是我们下面要介绍的二维滤波.

一维频率滤波：不能滤掉与有效波频谱重叠的干扰波，且存在Gibbs现象、伪门现象，使滤波效果变差； 一维空间滤波（波数滤波、视速度滤波）：只能压制视速度差异大的规则干扰波，且存在低通频率滤波作用，使滤波后信号发生畸变。

为什么要引入二维滤波?

原因很简单,因为两种一维滤波(频率、波数)都不能独立承担起滤掉全部干扰波的重任,而且本身又都存在一些缺陷,故而必须采用新的更全面的滤波方法来提高地震记录的信噪比.

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由图可知,这个特殊信号的能量集中范围是依赖于视速度V*和最大炮检距xN的,特别是V*控制方向, xN控制分布范围.

一般地震信号,可以看成是由若干这些特殊信号的叠加,不过各组成分量的视速度和最大炮检距的范围不同.由于各分量的频波谱的能量集中范围依赖于V* 和xN,,我们就可以根据这些量的不同,在频率-波数域把它们区分开来,并根据需要压制干扰成分,保留有效成分.这就是地震资料处理中二维滤波的基本设计思路.

如果不满足时域抽样定理,就会造成频域混叠现象

一维空间抽样定理:若连续信号u(x)满足空间带限和空间抽样间隔不能超过信号最小波长的一半两个条件,则可以由其离散形式完全恢复出原始连续信号.

如果不满足这两个条件之一,则会产生所谓空间假频现象。

空间假频:这是借助于时间域的假频之称谓对由于空间抽样间隔?x选取不当所造成的一种虚假现象的命名.

带来的影响:二维滤波后的输出剖面上出现与实际不相符的深同相轴.对于偏移剖面,则可能使得在错误的方向上移动具有空间假频的频率分量,从而产生削弱剖面质量的散射噪声.

造成空间假频产生的因素之一（ ?x=25M）

在其它因素固定的前提下,频率越高,越容易产生空间假频;另一方面,倾角越陡,空间假频出现的频率越低。

注意:空间假频在时间剖面上的反映：产生一组方向相反的同相轴.

造成空间假频产生的因素之二(频率、道距不变）

在其它条件固定的情况下,倾角越大,越容易产生空间假频.

启示:在t-x域中具有相同倾角的同相轴,不管其位臵如何,在f-k域都表示为单一的射线.

影响产生空间假频的因素之三

在其它因素固定的情况下,道间距越大越容易产生空间假频.

可以在资料处理前利用空间高截去假频滤波器来消除折叠波数以外的虚假成分,从而避免空间假频的出现

归纳:

空间假频的产生与频率、倾角、速度和道距都有关系,但在实际生产中人们能够控制的只有道距,故而在考虑野外采集参数时,就应充分考虑到空间假频的影响,尽量减小其影响. 问题:空间假频现象能否根本消除?为什么? 现场生产中,往往通过①缩小道间距(势必增加道数)②道内插(trace-interpolation)来解决空间假频问题(特别是三维勘探中非纵测线方向的道间距问题).

1.空间假频在时间剖面上的表现(给资料解释带来的陷阱) 2.倾角的规定(从小炮检距向大炮检距倾斜的方向为正); 3.产生空间假频的因素多,但人们能控制的只有道距.

鉴于地震信号中有效波和干扰波主要是在产状(也即时间剖面上的倾角)的不同,故而人们常把f-k域滤波第4页 共17页

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叫做倾角滤波.

第二章 反滤波

第2-1节 反滤波的概念

第2-2节 反子波

第2-3节 地震子波的提取* 第2-4节 最小平方反滤波 第2-5节 预测反滤波 第2-6节 反滤波中的参数选择 第2-7节 反滤波中的假设与实际*

由于震源爆炸是岩石破坏圈和岩石塑性圈的作用，使得震源发出的尖脉冲到达弹性区时变成了一个具有一定延续时间的稳定波形b（t）（通常称为地震子波）。地层对震源脉冲的改造作用就相当于一个滤波器，通常叫做大地滤波器。

由于大地滤波器的作用，子波的高频成分损失，脉冲频谱变窄，从而使激发时产生的尖脉冲经过大滤波后其延续时间加大了。这样一来，地震记录就变成了若干子波叠加的结果。即地震记录等于地震子波与反射系数的褶积。

因为大地滤波器的作用，使地震脉冲变成了有一定持续时间的子波了，从而使本来可以清晰反映地层层序的尖脉冲序列―模糊化‖了，降低了地震记录对地层的纵向分辨能力。显然，要想利用地震记录划分岩层（主要是区分薄层），就必须去掉大地滤波器的作用，把延续几十至一百毫秒的地震子波压缩成原来的尖脉冲形式，地震记录变成反映反射系数序列的窄脉冲组合，这就是反滤波要完成的工作。 由此可知，反滤波的目的就是：

把地震子波压缩成尖脉冲，使地震记录变成反射系数序列?(t)?提高地震记录的纵向分辨率。

如已知子波，利用数学的方法求出a(t),再让a(t)与地震记录x(t)做褶积,就可以求出反射系数序列?(t) 。这样一个过程就叫做反褶积。经过这样的处理,就可以达到把地震子波压缩成尖脉冲,从而提高地震记录纵向分辨率的目的。

反滤波仍然是一个滤波过程,不过由于其作用恰好和某个滤波过程的作用相反,所以就叫做反滤波. 由于滤波和反滤波在数学上都是通过褶积来实现的,所以,又可以把反滤波叫做反褶积。

子波反褶积:已知子波b(t)求反子波a(t),再用反子波a(t)和地震记录x(t)做褶积的过程.

1.Z变换法

求反子波最简单的方法就是利用A(?) = 1/ B(?)的Z变换A(Z) = 1/ B(Z)来完成a(t)的求取

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