在复杂的地震地质条件下, 为提高地震记录的信噪比, 常采用高叠加次数的地震方法技术。地震叠加包括垂直叠加和水平叠加:垂直叠加, 即把可控震源在每个物理点多次振动的结果叠加在一起, 也就是把多次扫描振动激发后检波器接收到的信号叠加在一起; 水平叠加, 即把属于不同激发点、不同接收点, 但属于同一个CDP点的反射信号叠加在一起。

在青藏高原起伏不平的地表使得可控震源激震板与地表面的耦合变差, 可控震源在同一物理点不同时刻的激震会产生差别明显的耦合, 不一致的耦合会产生不同的相位畸变, 这些数据叠加在一起严重影响了地震数据采集的质量。为改善激发效果, 可通过实施一次空振, 待地表压平、压实后再进行常规扫描叠加, 这样做可提高地表与震源的耦合度; 与此同时, 通过合理调高相位控制增益, 以实现对强相位畸变的控制。

相对于冻土层, 近地表冻土层融化后的地震波速度较低, 近地表低速融化层与下伏高速冻土层之间存在较大波阻抗差, 形成一个很强的反射界面, 该反射界面产生能量屏蔽, 使得地震波能量下传困难, 如图1所示。由于强反射界面S₁的存在, 入射波在很小的入射角度处就发生了折射现象, 能量无法继续下传, 而是生成折射、多次折射等干扰波。能够下传的能量只集中在入射角较小的一小块区域上, 即图1上的透视窗。由于透视窗面积过小, 下传能量较弱, 激发效果不理想。

图1

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	图1 激发能量屏蔽分析

为避开表层高速屏蔽层对地震波下传的影响, 在永久冻土区开展地震数据采集最好选择在冬季。在冬季, 地表已完全结冻, 图1中的非冻土层已变为高速冻土层, S₁界面对地震波下传的影响自然减弱或消失。此外, 夏季施工还易陷车。

在永久冻土区可控震源地震数据采集中, 由于震源本身的机械特性、震源与地表的耦合效应以及震源参数选择不当等原因使得谐波干扰已成为可控震源地震数据采集的主要干扰因素之一。

谐波干扰的产生与可控震源连续振动和特殊的地表条件有关, 当高速层地表下面存在低速层时, 且振动频率与大地固有频率一致时, 地表与可控震源之间的藕合就会产生谐振(图2)。

图2

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	图2 谐波干扰记录

可控震源与地表组成的耦合系统及地表受力情况如图3 所示。可控震源振动时向大地施加外力为:

R=R0sin2π(f1+αt/2)t, (1)

式中:R₀为振幅, f₁为频率, α 为相位, t为时间。

对地下任意截面积为ds, 长度为dl, 且柱轴线平行受力方向的柱形小体元, 经理论推导, 可控震源振动与大地的耦合响应关系为:

B=R14b2ω12+(k2+ω12)2。(2)

式中:

R1=R0ρ0dsdl, b=ρ0v0+ρ1v12ρ0, k=E/ρ0, ω1=2π(f1+αt/2)。

其中:ρ 为密度; v为速度; E为杨氏模量。

通过对式(2)分析, 只有当v₀ρ ₀> v₁ρ ₁时, B值有极大值。此时, 大地与可控震源系统为谐振耦合响应系统。当振动频率与大地固有频率一致时, 即产生谐振。

在永久冻土区, 地表冻土层为一相对高速层, 在冻土层下面的非冻土层是一个相对低速层, 这一地表结构正好符合式(2)产生耦合响应的条件。

图3

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	图3 可控震源与地表组成的耦合系统及大地受力情况

文献^[13]研究了谐波干扰能量和信号相位畸变与地表硬度的关系, 研究结果表明, 随着地表硬度的增加, 谐波干扰能量逐步增强, 而信号相位畸变则逐渐减小。要想获得理想的激发效果, 既要保证有效信号相位畸变小, 又要使得谐波干扰能量弱, 最佳的激发地表条件应接近“ 半刚度” 的地表。在青藏高原地区, “ 半刚度” 的地表接近为半结冻条件下的地表。在青藏高原半解冻条件下获得的地震记录如图4所示, 在该记录上, 几乎看不到谐波干扰。

图4

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	图4 在“ 半刚度” 条件下获得的炮集记录a— 炮记录1; b— 炮记录2

如果地表完全结冻, 震源激发产生的谐波干扰能量较强。在这种情况下, 由于其相位畸变小, 适当调低相位控制增益有助于抑制谐波干扰。

野外数据采集时, 采用变相位扫描技术有利于压制谐波干扰^[14], 所谓变相位扫描技术就是通过改变激发信号的初始震动相位, 采用先相关后叠加方式消除谐波的影响。在改变初始扫描信号相位的同时, 参考信号的相位也要随之发生相应的改变。

在室内数据处理时采用倾角滤波技术也能对该干扰进行有效压制。

在陆域天然气水合物地震勘探中, 除震源在地表高速层上激发产生的谐波干扰外, 还由于浅层地震勘探采用的道间距小、排列长度短, 声波、面波、多次波、浅层折射波、折射多次波、直达波和随机噪声等干扰波对浅层反射波都有不同程度的影响。

图5表示了在天然气水合物地震勘探中所取得的共炮集记录和有关波组的频谱, 由此看出:反射波的速度高, 有效主频在20~80 Hz之间, 干扰波主要有声波、面波、折射波、震源干扰波和随机干扰, 这些干扰波的视速度相对较低, 频带较宽。如:面波的频率10~25 Hz, 视速度约1 000~2 100 m/s; 折射波的频率5~40 Hz, 视速度约4 000 m/s, 震源谐波干扰的视主频约50~95 Hz, 随机干扰的主频与反射波相当。地震记录谱分析结果为后续选取去噪处理参数提供了依据。

图5

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	图5 共炮集记录和有关波组的频谱

对于表层高速冻土层引起的谐波干扰, 采用二维f-k滤波技术能够对其进行压制。

二维f-k滤波技术首先对噪声的频率和视速度进行分析, 根据其频率和视速度特征在干扰波的优势频段内分组建立噪声模型, 然后从原始资料中将噪声减去, 这样消除的噪声都集中在干扰波覆盖的区域, 其他部分不受影响。f-k滤波不仅可以压制视速度较低的线性干扰, 也适用于消除视速度较高的折射波等线性噪声, 对正、负低视速度谐波干扰都有较好的压制效果。

对常规地震记录上的噪声压制已有不少文献对此进行了论述^{[15, 16]}, 下面针对陆域天然气水合物地震记录上的噪声压制技术简述如下。

2.3.1 高能压噪处理技术

野外地震数据采集时, 外界随机噪声干扰严重。这些随机噪声是非相干的、频带较宽, 频率成分丰富, 常规的频率滤波、视速度滤波难以对其衰减, 而高能压噪处理技术正是消除强能量随机噪声的有效手段。

2.3.2 低频阵列滤波技术

低频阵列滤波技术是消弱炮集记录地滚波干扰的有效手段, 是通过低速、低频带进行滤波的去噪技术。在滤波过程中, 先要分析出面波干扰的速度和频带范围, 把炮集记录从时间— 空间域变换到频率— 空间域, 在频率— 空间域删除低速、低频噪声干扰后, 再把保留的部分反变换到时间— 空间域即为去噪后的记录。

低频阵列滤波方法从低频和低速两个方面对干扰因素进行界定和衰减, 能很好地保留高频、高速的有效信息, 可适用于消除与信号频带相重叠的低速规则干扰波, 去噪效果较好。

2.3.3 倾角滤波技术

二维倾角滤波也称为视速度滤波, 是有效的二维滤波处理技术, 可用于多种道集记录或叠加剖面, 对线性干扰进行压制。该处理技术类似于FK滤波, 只是选用的处理参数不同。

2.3.4 组合处理衰减声波技术

声波是在空气中传播的弹性波, 比较稳定、能量强、频率较高、频带较宽, 速度低, 延续时间较短, 呈窄时窗出现, 如图5所示。由于声波频带与有效波频带相互重叠, 且能量强, 采用单一压噪技术难以对其压制, 需联合采用多项处理技术才能有效衰减声波, 即首先应用高频压噪处理技术, 针对声波所在的区域设置窗口, 对窗口内所有的波形进行能量均衡, 衰减局部强振幅的能量团; 得到信号S₁和含有信号的噪声S₂。对S₂采用倾角滤波和信号增强技术继续对声波进行分频衰减得到信号S₃, 然后将S₁和S₃相加得到最终的声波衰减后的地震记录。该处理过程在有效衰减声波干扰的同时最大限度的保护了有效信号, 效果明显。

图6a为带有谐波干扰的共炮集记录, 对该谐波干扰进行二维谱分析得到的二维谱如图6b所示。

由此看出该谐波干扰在二维谱上十分有规律, 其绝对值呈现低波数。在实际处理中, 首先对地震记录进行f-k变换, 在地震记录的f-k二维谱上切除该谐波干扰后, 再从f-k域反变换到t-x域, 就很容易去掉谐波干扰。在对图6a去除谐波干扰的同时, 对该记录上的声波、面波、浅层折射波和随机噪声等干扰波也进行了压制处理, 得到去噪后的地震记录如图6c所示。对比去噪处理前(图6a)后(图6c)的地震记录可以看出, 经去噪处理后, 地震记录上的干扰得到了极大压制, 地震记录的信噪比得到了显著提高。

图6

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	图6 去除谐波及其他震源干扰波前(a)后(c)的炮集记录及其谐波干扰二维谱(b)