引用本文
张保卫, 王小江, 张凯. 新疆喀拉通克铜镍矿地震资料噪声分析与压制[J]. 物探与化探, 2016,40(4): 771-777.
ZHANG Bao-Wei, WANG Xiao-Jiang, ZHANG Kai. Analysis and suppression of seismic data noise in the Kalatongke copper-nickel deposit,northern Xinjiang[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(4): 771-777.
Doi:10.11720/wtyht.2016.4.21  
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新疆喀拉通克铜镍矿地震资料噪声分析与压制
张保卫, 王小江, 张凯
中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所,河北 廊坊 065000

作者简介: 张保卫(1980-),男,2007年毕业于长安大学,硕士,工程师,现主要从事金属矿地震勘探方法技术的研究工作。

收稿日期: 2016-03-30
基金: 地质大调查项目(12120113100700)
摘要

金属矿地震勘探中原始数据的信噪比较低,多种干扰波混杂在地震记录中,严重影响了金属矿地震资料的成像质量。因此,选择有效的去噪方法是提高资料品质的关键。以新疆喀拉通克铜镍金属矿区地震资料处理为基础,在FOCUS5.4处理软件平台下采用多方法联合去噪技术压制单频波、声波、面波以及机械振动等干扰。通过模块测试和参数调试,找到适合该金属矿区的去噪方法技术。经过去噪处理,大幅提高了金属矿地震资料的信噪比。

关键词: 金属矿地震; 信噪比; 串联去噪; 单频波; 线性噪声
中图分类号:P631.4 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)04-0771-07 doi: 10.11720/wtyht.2016.4.21
Analysis and suppression of seismic data noise in the Kalatongke copper-nickel deposit,northern Xinjiang
ZHANG Bao-Wei, WANG Xiao-Jiang, ZHANG Kai
Institute of Geophysical & Geochemical Exploration,Chinese Academy of Geological Sciences,Langfang 065000,China
Abstract

The signal-to-noise ratio (SNR) of raw data from seismic exploration in the metallic deposit is very low,and various sorts of interference waves are mixed in the record,which seriously influences the quality of image formation for mineral seismic data.Therefore,an effective method of de-noising is the key to improving data quality.Based on seismic-data processing of the Kalatongke copper-nickel deposit in northern Xinjiang,the authors adopted multi-method combinational de-noising of FOCUS5.4 software to suppress mono-frequency noise,acoustic interference,surface wave and mechanical oscillating interference.Based on module experiment and parameter test,the authors found noise removal methods which are adapted to the contact mineral zone.This de-noising processing improves greatly SNR of mineral seismic data.

Keyword: mineral seismic; signal-to-noise ratio; serial de-noise; mono-frequency noise; linear-noise

多年来, 金属矿勘探的主要方法为电磁法、激发极化法和重力勘探等非地震地球物理方法, 这些方法在近地表矿产勘查中发挥着重要的作用。但随着矿产资源勘查工作的不断深入, 找矿方向不得不转向深部及覆盖区较厚的地区, 而上述重、磁、电等非震方法难以满足探测深度和精度的要求。与之相比, 地震方法具有精度高、探测深度大、分辨率高和探测结果准确可靠等优点, 可以弥补重、磁、电方法在寻找深部隐伏矿方面的不足[1, 2]。

由于金属矿区地表条件复杂, 岩性、构造多变, 地震地质条件相对复杂, 地层界面的横向连续性差, 地层倾角一般较陡, 隐伏金属矿体的几何尺度一般较小, 且形状极不规则[3]。与一般沉积地层的石油地震资料相比, 金属矿地震资料具有波场复杂, 干扰严重, 信噪比低等特点, 地震记录双曲线形态特征不明显, 且连续可追踪性较差, 部分反射信息较弱。而金属矿地震勘探的一个重要领域是危机矿山, 危机矿山地震勘探资料中经常会遇到由矿区生产带来的机械振动、工业电等干扰, 从而极大的降低了资料的分辨率, 使有效信息难以识别。如何有效地压制各种规则和不规则噪声、提高地震记录信噪比和分辨率是处理金属矿地震资料的关键。徐明才、高景华等 47对金属矿地震的多种噪声来源进行了分析, 并对多个金属矿区进行了常规去噪处理; 孙明和林君[8]利用τ -p变换方法对金属矿地震资料的线性干扰进行了有效压制; 李阳、吕庆田等[9]优选F-K滤波、Radon变换及Curvelet域组合变换等去噪方法设计了串联去噪流程。以新疆喀拉通克铜镍多金属矿区地震反射资料为例, 通过分析该金属矿区地震资料的噪声特征, 在FOCUS5.4处理系统平台上采用多方法联合去噪技术, 探讨金属矿区地震反射资料的去噪思路。

1 工区地震— 地质条件及数据采集

测区地层之间主要有三个密度界面, 分别为新生界与下伏地层、石炭系与泥盆系和下泥盆统与中泥盆统之间。各类岩石间均有一定的密度差, 中基性岩与火山碎屑岩、中酸性岩及沉积岩之间有比较明显的密度差。超基性岩常沿深大断裂分布, 整体上表现为高磁、高密度的特征。在这些具有密度差的界面之间, 均可产生具有一定强度的反射波。

测区岩矿体不同岩性的地震波阻抗属性如表1所示, 岩体与围岩之间、岩体内各岩性之间的波阻抗差异较小, 反射系数较弱, 形成的反射信号振幅较弱, 当外界干扰较强时, 有效反射信号受背景噪声压制, 难以识别, 为突出有效反射信号, 提高该测区金属矿地震资料的成像质量, 有效的压制噪声尤为重要。

表1 测区岩矿体的地震波阻抗属性

地震资料采集采用法国Sercel 428XL遥测地震数据采集系统。激发震源采用炸药震源, 多次覆盖观测的采集方法采集地震数据, 采用自然频率为 35 Hz 的2串3并组合纵波检波器接收。通过野外井深、药量试验确定激发参数为:井深10 m, 药量 10 kg。通过野外观测系统试验确定剖面采集参数为:道间距3 m, 偏移距0 m, 岩体地段炮间距15 m, 其他地段炮间距39 m, 在岩体地段覆盖次数约104次, 其他地段覆盖次数约40次。本次采用全通频带采集, 采样间隔0.5 ms, 记录长度4 s。

2 噪声类型分析

干扰波类型与测区地层结构和采集环境有关, 测区地势相对平坦, 高程在950~1 050 m之间。主要地表类型大致可分为:平坦农牧区, 岩石裸露区, 村庄地表第四系覆盖区。地下潜水位埋藏较深, 在潜水面以上激发, 低降速带对高频地震波吸收衰减严重, 浅部分布的砾石层不利于地震波向下传播, 另外测区采矿、牧区牲畜以及多风的气候条件等各种因素对地震勘探数据采集也有较大的影响。

图1为该金属矿区地震资料野外静校正及折射波静校正处理后的单炮记录以及干扰波的频谱分析, 可以看到, 由于面波、声波、工业电干扰、机械振动等各种强能量干扰的存在, 使得单炮记录信噪比很低, 严重影响剖面的成像质量。

图1 静校正后的单炮记录面貌特征及干扰波频谱分析

该金属矿区单炮记录的噪声及其特点以及对地震记录的影响主要有:

1) 面波。面波干扰呈全区分布, 在0~1 500 ms内面波的扇面覆盖范围较广, 有效波信息完全被面波压制, 难以识别。其特点为能量强, 频率、速度较低, 能量衰减较快; 分析得知, 其主频在10~20 Hz, 视速度以1 400~1 800 m/s为主, 部分面波的视速度可以达到2 000 m/s。

2) 声波干扰。这类干扰表现为高频且频带较宽, 能量较强。从图1可见声波对中深层影响比较严重, 虽然覆盖面积较小, 但金属矿地震资料反射信息较弱, 较强的声波有可能影响地下尺度较小矿体的成像结果, 因此有效衰减强声波干扰可以提高金属矿地震资料的成像效果。

3) 50 Hz工业电干扰。由于金属矿区村庄、选矿厂及冶炼厂分布较多, 因此部分单炮记录上50 Hz工业电干扰出现较多, 对资料有一定的影响。

4) 机械振动干扰。金属矿区的选矿厂和冶炼厂进行生产产生的干扰, 其特点是随机性强, 规律性差, 通过频谱分析可知, 机械振动干扰的频带与有效波重叠。

此外, 还存在由环境因素引起的随机干扰, 比如风噪及牲畜带来的干扰, 虽人为避开强风带来的影响, 但部分地震记录中仍存在高频风噪随机干扰。

3 去噪方法及效果分析

通过对金属矿区地震资料噪声分析得知, 影响本地区信噪比的主要是面波干扰、声波干扰、50 Hz工业电干扰以及机械振动干扰, 其他类型的干扰波虽然在部分单炮记录上有所分布, 但对最终的成像结果影响不大。

FOCUS5.4处理系统提供了多种去噪方法, 能有效压制面波, 线性干扰, 多次波以及随机噪声等各种叠前、叠后规则、不规则的干扰。主要去噪模块有高能噪声衰减(AMPSCAL)、空间时间域倾角滤波(COHERE)、F-K滤波(FKFILT)、低频低速面波衰减(LFAF)、倾角滤波(TMDDF)、时频域噪声压制(TFCLEAN)、信号增强(SIGNAL+DIGISTK)、带通噪声衰减(SUPPRES)等方法。根据本工区资料特点, 采用不同去噪方法进行试验及参数调试, 对新疆喀拉通克铜镍金属矿区反射地震资料上不同类型的噪声进行压制。

3.1 自适应单频波衰减

对地震记录中单频波进行频谱分析得知其频率为50 Hz, 来自金属矿区内的高压传输线产生的电磁干扰, 该类噪声特征明显, 容易识别, 目前应用的消除方法主要有带阻滤波法及余弦函数逼近法, 带阻滤波法在消除噪声的同时也压制了有效波在该频段的能量, 而在时间域内采用的余弦函数逼近法其核心思想是利用标准余弦函数来逼近干扰, 然后在时间域内减去它, 就能达到去除单频干扰的目的。但其应用的假设前提是单频波在一个地震道上的振幅、频率和相位是保持不变的, 不具有自适应性。在此次处理流程中, 选用了新的自适应单频噪声抑制滤波处理技术, 即ANFS模块去除单频波, 其核心思想依据噪声的窄频带在频率域内建立有效的探测包络, 对能量谱进行中值平滑处理, 得到一个平滑的振幅谱, 然后将给定的含有单频干扰频带的振幅与之相比较, 超出其给定相应倍数的视为干扰波进行压制, 该方法衰减单频干扰波能有效的保留具有相同频率的有效信息。图2为单炮记录中50 Hz工业电干扰经ANFS模块衰减后的效果对比, 有效地消除了单频干扰, 并没有伤害单频干扰附近的有效信号, 提高了单频干扰附近有效信号的信噪比。

图2 50 Hz工业电单频噪声压制前(左)、后(右)的单炮记录

3.2 声波衰减

地震记录中的声波表现为非相干高频干扰, 频带相对较宽, 呈窄带式出现, 比较稳定且能量较强。经频谱分析得知, 该地震记录上声波的频率为70~120 Hz。单一模块衰减声波难以取得理想效果, 笔者通过对多个模块串联测试后得到声波衰减的流程:首先应用高频压噪处理模块(AMPSCAL模块), 在声波所在的区域以道数和时间段为边界设置窗口, 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, 剔除的声波噪声信号为S2, 此模块虽能较好地衰减声波, 但其缺陷是在衰减声波的过程中损失了部分有效信号, 为了弥补损失掉的有效信号, 对信号S2采用TMDDF(倾角滤波)模块和SIGNAl+DIGISTK(信号增强)模块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3为声波衰减处理前、后的效果, 由图可见, 强能量的声波得到了有效衰减, 被声波干扰淹没的有效地震信号不仅被清楚地反映出来, 其能量也得到了很好的保护。图4为声波噪声衰减前、后局部记录的频谱分析, 可见, 声波衰减前被淹没的有效信号主频, 衰减后也被清晰地反映出来。

图3 声波噪声衰减前(左)、后(右)单炮记录

图4 声波噪声衰减处理前(左)、后(右)的局部频谱分析

3.3 面波压制

由图1可以看出共炮点域的面波干扰集中在 1 500 ms以上区域, 能量强, 且其扇形区域范围较大, 浅层有效信号几乎完全被强能量的面波干扰淹没, 因此如何有效地去除面波是提高浅层成像质量的关键环节。本文面波压制的方法是:在面波存在的扇形区域范围内, 主要采用低频阵列滤波技术, 首先分析出面波干扰的低速度和低频带范围, 把炮集记录从时间— 空间域转换到频率— 空间域, 删除低速、低频的噪声干扰, 保留部分再反变换到时间空间域, 该处理技术可适用于消除与信号频带相重叠的低速规则干扰波。根据面波的速度、频率差异, 经过模块测试及参数调试后设计组成了LFAF(低频低速面波衰减)、FKFILT(F-K滤波)、SUPPRES(带通噪声衰减)、SIGNAl+DIGISTK(信号增强)模块串联滤波流程, 识别并分离出面波, 得到去除面波后的地震记录。图5为面波噪声压制前后的单炮记录, 可以看到浅层扇形区域内的面波得到了有效压制, 被面波淹没的有效地震信号清晰地显现出来, 同时从噪声记录上可以看出, 有效信号得到了很好的保护。

图5 面波噪声压制前后的效果对比

3.4 机械振动噪声压制

部分地震记录上的机械振动噪声干扰是由金属矿区的选矿厂和冶炼厂生产过程中产生的, 该类噪声的特点是随机性强, 规律性差, 频率与有效信号重叠, 容易识别但难以剔除, 常规处理手段有两种, 一种是在覆盖次数较高的前提下将该类干扰在道编辑时等同于坏道编辑充零, 但在信噪比较低的金属矿地震勘探中该手段不适用; 另一种是在地震资料中反射同相轴连续性较好地前提下采用多道拟合技术来消除振动干扰, 但金属矿地震资料反射同相轴连续性较差, 多道拟合技术效果不好。因此为了提高金属矿地震资料的成像质量, 需要选用其他手段对机械振动干扰进行压制。在详细分析该地震记录上机械振动干扰的特点后, 选用的处理手段为:首先在时间空间域应用倾角滤波技术, 滤除机械振动干扰两侧与反射信号存在速度差异的部分, 如图 6b所示, 该处理技术无法消除振动干扰中速度与反射信号重叠的部分。笔者将该重叠部分噪声假设为多次波, 而多道反褶积技术压制多次波效果较好, 应用MCDECON(多道反褶积)模块, 经模块测试及参数调试后得到图6c的结果, 对振动干扰中间与反射信号重叠的部分进行了有效压制。通过应用时空域倾角滤波和多道反褶积技术, 如图6a和图 6c, 可以看到机械振动干扰得到了有效压制, 被淹没的反射信息清晰地反映出来, 信噪比得到大幅提高。

图7是去噪前后的叠加剖面, 对比可见去噪处理后同相轴连续性明显变好, 且有效信息得到了很好的保护。尤其200~600 ms信噪比得到了明显的增强, 去噪前能量较弱的同相轴在去噪后清晰的显现出来。结果表明针对喀拉通克金属矿地震资料采用的降噪手段效果明显, 且满足金属矿地震资料高分辨率、高保真度的要求。

图6 机械振动噪声压制过程中单炮记录效果对比

图7 噪声压制前(a)、后(b)叠加剖面的对比

4 结论与认识

同油气地震勘探相比, 金属矿地震地质条件要复杂得多, 主要表现为:金属矿床形态复杂, 矿体规模小, 地层界面连续性差, 往往难以满足现有地震反射方法的镜面反射条件; 目的层界面波阻抗差一般较小, 有效信号振幅弱; 表层结构复杂, 岩性多变, 从而引起弹性波的激发接收条件及表层的波场图像复杂多变。基于以上特点, 金属矿地震资料的有效信号较弱, 再加上各种干扰因素的存在, 致使金属矿地震资料的信噪比较低, 因此, 如何有效地去除噪声、提高金属矿地震资料的信噪比直接影响着解释人员对地下地质构造及隐伏金属矿体的认识程度, 对确定钻井位置至关重要。

笔者对新疆喀拉通克铜镍金属矿区地震资料的噪声特征进行了系统分析, 在FOCUS5.4处理系统平台上, 针对干扰波的特点选用不同的去噪方法或多种方法组合使用, 重点对单频波、面波、声波、机械振动干扰及随机干扰等噪声进行了降噪处理, 取得了以下四方面的结论和认识。

1) 自适应单频噪声抑制滤波处理技术在去除单频波方面优于常规的限波滤波技术, 该处理技术在消除单频波的同时有效地保护了有效波在该频段的能量, 没有损害干扰波附近的有效信号。低频阵列滤波技术适用于削除与有效信号频带相重叠的低速规则干扰波, 该处理手段从低频低速两个方面对干扰波进行界定和衰减, 能很好地保留高频、高速的有效信息, 去噪效果较好。

2) 采用高能压噪处理技术压制声波干扰时采用了“ 回加” 的处理手段, 将高能压噪处理技术去除的噪声再进行降噪处理, 得到的有效信息“ 回加” 到高能压噪处理技术降噪后的有效记录中, 可有效地减少有效信息在降噪处理过程中的损失。

3) 地震记录中的机械振动干扰常规处理手段为多道拟合或编辑清零, 但金属矿地震资料信噪比较低, 常规处理手段不适用, 针对喀拉通克铜镍金属矿地震资料中的机械震动干扰, 将其分解为两种干扰波, 即与有效波存在速度差异的干扰波和多次波, 应用倾角滤波和多道反褶积处理技术分别对其压制, 得到了比较理想的处理效果。

4) 金属矿地震记录中的有些干扰波采用单一的去噪手段很难满足要求, 需多种去噪方法组合使用, 反复进行参数调试, 才能达到保幅、保真的去噪处理效果, 提高金属矿叠前地震资料的信噪比。

由于金属矿地震资料的地震、地质条件复杂, 使得原始记录中的噪声复杂多变, 笔者只是针对喀拉通克铜镍金属矿区地震资料的叠前去噪进行了研究, 金属矿地震的叠前去噪仍有许多问题需要解决。

The authors have declared that no competing interests exist.

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