基于绕射波的断层识别方法应用

引用本文

徐德奎, 何玉, 郑江峰. 基于绕射波的断层识别方法应用[J]. 物探与化探, 2016,40(4): 783-787.
XU De-Kui, HE Yu, ZHENG Jiang-Feng. A method based on diffraction wave for fault identification and its application[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(4): 783-787.
Doi:10.11720/wtyht.2016.4.23 复制到剪切板

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基于绕射波的断层识别方法应用

徐德奎, 何玉, 郑江峰

中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津 300452

作者简介: 徐德奎(1984-),男,工程师,2011年毕业于中国石油大学(北京),获地球探测与信息技术专业硕士学位,主要从事地震资料处理及储存预测方面的研究工作。E-mail:xudk2@cnooc.com.cn

收稿日期: 2015-10-04

基金: 国家科技重大专项项目(2011ZX05023-005)

摘要

基于相干和方差体识别断层的方法都是利用地震资料中的强信号,受地震资料分辨率的限制这些方法对断距较小的小断层无法准确识别。在地震资料中大型地质体的边界具有明显的反射特征,尺度较小的地质体如尖灭点、小断层等以绕射波或残留绕射的形式存在,能量较弱,被强反射所淹没。本方法利用平面波破坏滤波技术提取绕射波信息,该技术通过正则化反演迭代算法求取反射波倾角体,然后利用均值滤波的方法得到反射能量较强的平面波,将其从地震数据中去除,即可得到绕射波信息。利用绕射波信息则可以判断断层的发育程度及断裂系统组合样式。通过理论模型分析和实际资料应用验证了该方法的可行性和有效性。该方法具有一定的实际应用价值。

关键词: 绕射波; 破坏滤波; 平面波; 小断层; 断裂系统组合

中图分类号:P631.4 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)04-0783-05 doi: 10.11720/wtyht.2016.4.23

A method based on diffraction wave for fault identification and its application

XU De-Kui, HE Yu, ZHENG Jiang-Feng

Tianjin Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300452, China

Abstract

The methods based on coherent and variance are used to determine faults, which take advantage of the strong signals in seismic data; nevertheless they are limited by seismic resolution and hence fail to accurately identify small faults. In the seismic data, the boundary of large-sized geological body has obvious reflection characteristics. However, in the case of smaller geological bodies such as pinchouts and small faults, their weak reflection energy exists in the form of diffraction or residual diffraction, which is overwhelmed by the strong reflection. In this paper, plane wave destruction method is used to extract diffraction. The reflected wave angle body is calculated using regularization iterative algorithm. And then the mean filter method is used to extract strong energy reflection, which is subtracted from seismic data to get the diffraction wave information. Using diffraction wave information, we can decide the development extent and combination style of the faults. Theoretical model analysis and actual data application show that this method is practicable and effective in identifying faults. This method has a certain value for industrial application.

Keyword: diffraction wave; destructive filter; plan-wave; small fault; fault system

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通常认为地震反射是地层界面的反映, 地震反射包括连续反射和非连续反射两种特征, 前者反映地层的缓慢变化, 而后者反映的是地层或岩性的突变^[1]。对于地层突变的识别地震勘探提供了多种技术手段, 如方差体技术、曲率体技术、蚁群算法等。这些技术都是基于地层反射信息进行相邻道的相似性计算或者同相轴几何属性的变化特征等 $\begin{matrix} ^{[23]} \end{matrix}$ , 但是每一种方法都会受到地震资料分辨率的影响, 当所勘探的断块或其他特殊岩性体的大小远大于地震波长时应用反射波可以进行有效的识别, 但当特殊地质体尺度较小时反射波无法准确识别, 应当使用绕射波动理论 $\begin{matrix} ^{[45]} \end{matrix}$ 。由于小尺度目标体的绕射波能量较弱, 常常被能量较强的反射波所淹没, 因此利用绕射波信息必须要将绕射波与反射波进行分离 $\begin{matrix} ^{[69]} \end{matrix}$ 。为了探测小断距断层笔者提出应用绕射信息对断裂的发育程度进行判断, 引入平面波破坏滤波(Plan-wave destruction, 简称PWD)技术, 其基本原理是通过PWD滤波器估算出反射波连续光滑同相轴的局部斜率, 从全波场中去除强反射波, 分离得到只含绕射波的波场记录, 在此绕射波剖面上进行断层等地质体的识别 $\begin{matrix} ^{[1013]} \end{matrix}$ 。

1 基本原理

目前地震勘探所用地震资料是经过偏移归位后的资料, 在工业应用中最为广泛的偏移方法是克希霍夫叠前时间偏移, 其基本原理类似于绕射叠加, 使地下每个绕射点源的绕射波都收敛到绕射点位置从而实现地下界面的正确成像^{[1, 4]}。但要使绕射波归位到真正的地下界面需要有准确的速度, 而实际资料处理过程中速度不可能完全准确, 因此偏移后在绕射点位置会有残留绕射^[15]。这种残留绕射的波形及振幅都不稳定, 可以利用相干算法将其与反射波进行分离。此外在断层处一部分归位的绕射波以断面波的形式存在, 断面波的倾角与地层的倾角往往会有较大差异, 因此可以首先利用PWD技术估算出地层倾角, 然后利用相干算法沿着反射波倾角方向将绕射波或断面波与反射波进行分离, 利用提取出的绕射波和断面波对断层进行识别。

1.1 平面波破坏滤波基本原理

局部平面波可以用微分方程

$\begin{matrix} \frac{\partial u}{\partial x} + σ \frac{\partial u}{\partial t} = 0 (1) \end{matrix}$

表示。其中:u(x, t)代表波长函数, x代表偏移距或水平方向的距离, t为时间, σ 为连续时空域的局部斜率。

在离散采样的地震记录中我们定义空间斜率为水平距离与时间间隔的函数, 因此相邻地震道之间具有一定的可预测性, 可以用函数将后一地震道用前一地震道表示, 该函数的Z变换可以表示为:

$\begin{matrix} (1 - Z_{x} Z_{t}^{p}) U (Z_{x}, Z_{t}) = 0 。 (2) \end{matrix}$

式中:U(Z_x, Z_t)是u(x, t)的Z变换, Z_t代表单位时间延迟因子, Z_x是单位空变因子; (1-Z_x $\begin{matrix} Z_{t}^{p} \end{matrix}$ )是平面波破坏因子。引入Thrian全通滤波器, 将上式变成斜率p的一个非线性方程:

$\begin{matrix} C (p, Z_{x}, Z_{t}) U (Z_{x}, Z_{t}) \approx 0 。 (3) \end{matrix}$

U(Z_x, Z_t)是u(x, t)的Z变换, u(x, t)为地震道, 其数据已知, 因此C(p, Z_x, Z_t)可以看做是斜率p的函数。

平面波破坏滤波的关键是局部斜率p的求取, 或者局部倾角σ 的求取。

在最小平方意义下, 局部斜率的估算可转化为求解目标函数式(3)的最小二乘解。对于大规模的地震数据而言, 高斯— 牛顿线性迭代法是一个相对高效的计算方法, 其求解过程可以表示为:

$\begin{matrix} C' (p_{0}) Δpu + C (p_{0}) u \approx 0 。 (4) \end{matrix}$

式中, p₀为初始斜率, Δ p为斜率增量, C'(p₀)为滤波器算子C(p)对Δ p的偏导数。求解式(4)可以得到Δ p, 通过迭代可以求得地震数据的倾角信息。在该过程中为了避免局部斜率值出现异常抖动, 在每次迭代过程中会引入平滑处理^{[13, 15]}。

1.2 均值滤波与绕射波的提取

大型地质体的地震反射特征一般较为稳定, 具有较强的相关性, 而小地质体的反射特征相干性较弱, 沿着估算出的倾角方向对相邻地震道进行均值滤波就可以将平面波从地震数据中提取出来, 进而将其减去留下能量相对较弱的剩余绕射波。其原理如下:

以地震数据中的第j道为中心, 两侧各取N道进行求和, 并计算这些道的平均值

式中, a_k(i)为第k道的第i个样值点, n_t为采样点数; 令a_j(i)=M_j(i)即完成第j道第i个采样点的均值滤波, 对输入的每一道地震数据均进行上述操作即得到沿倾角体的均值滤波结果; 最后将输入的地震数据减去均值滤波提取出的平面波即得到绕射波数据。

2 理论模型试验

为了验证该方法的效果, 首先利用地质模型数据进行了试验。建立图1所示的正演模型, 背景速度为2 000 m/s, 其中镶嵌一高速地层, 速度为 2 500 m/s, 该地层被三条断层所切割, 其中断层断距从左至右依次为5、8、12 m。所用子波为40 Hz雷克子波, 正演所用网格大小为1 m× 1 m。

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	图1 地质模型

利用平面波激发得到自激自收地震记录如图2所示。在断层处同相轴出现错断, 且有明显的绕射波。利用PWD对其倾角进行估算后分离的绕射波如图3所示。

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	图2 平面波激发自激自收剖面

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	图3 自激自收剖面中提取的绕射波

3 实际应用效果分析

所选工区位于渤海海域南部, 莱州湾凹陷中央隆起带的中部, 是受东西向大型滑脱断层控制又被北东向调节断层分割的断块构造^[16]。该油田目前处于ODP设计阶段, 需要对该区断层提出风险认识以帮助后续开发过程中井位的部署, 因此断裂系统分析成为该区地球物理工作的一个重点。目的层段沙三段地震资料频宽8~25 Hz, 主频17 Hz, 地层层速度约为3 000 m/s, 按照四分之一波长的假设, 地震资料纵向分辨率约为45 m, 因此小断层的识别又是该区一个工作难点。受地震资料分辨率的限制在方差切片上部分断层的展布不清晰, 尤其是小断层, 基于方差体无法有效判断其是否存在。

本次尝试开展了平面波破坏滤波的试验。图4为该区过A井叠前时间偏移剖面, 目的层所在时间深度为1.4~2.2 s之间。从剖面上可以看出该区“ Y” 字型和“ X” 型断层异常发育。图5为该区1 700 ms处方差切片。在方差切片上大型断裂的展布清晰可见, 但部分小断层的发育程度以及断层组合样式不清晰, 给ODP设计阶段对断层风险认识带来很大困难。

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	图4 渤海海域南部某区过A井主测线

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	图5 该区过A井主测线1 700 ms方差切片

按照绕射波提取思路, 首先基于PWD技术计算出地层倾角体。图6为利用该技术计算出的过A井的主测线方向的倾角剖面, 计算结果与剖面上大型断层的展布基本一致, 地层(包括断层)最大倾角约为43° 。

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	图6 过A井主测线方向的倾角剖面

基于该倾角体利用均值滤波的方法提取出的绕射波如图7所示。提取出的绕射波主要集中在断层处, 这正是笔者基于绕射波识别断层的依据。叠前时间偏移将大部分绕射波归位到绕射点, 比如断点处, 但归位的精度与速度有关, 受速度精确度的影响绕射点处仍然会有残留绕射。用PWD提取出的绕射波在断层处有时表现为一个条带。图8为偏移剖面和绕射波提取结果的局部放大。图中黑框中既有断面波又有残留绕射。如图中蓝色椭圆所示, 在叠前时间偏移剖面中该断层下部有明显的断点, 但断层上部断距较小, 断层不明显; 在提取出的绕射波剖面中断层上部有明显的断面波, 对局部小断层的解释有着重大的参考价值。

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	图7 过A井主测线方向绕射波

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	图8 偏移剖面(a)与提取的绕射波剖面(b)局部放大

通过对实际资料的应用可以看出能量较弱的绕射波可以较好地反映小断距的断层, 结合相干体可以对实际资料的断裂系统进行更为精细地刻画。

4 结论与认识

通过对PWD技术的理论分析以及理论模型和实际资料的应用效果分析认为该技术可以有效地反映小尺度异常体, 在应用过程中得出以下几点结论和认识:

1) 断层等小尺度异常体在偏移后的地震资料上常常会有残留绕射, 利用PWD方法可以突出这种绕射信息以辅助断裂系统的解释;

2) 利用平面波破坏滤波方法计算地层倾角, 在此基础上利用均值滤波的方法可以有效地去除平面波继而提取绕射波;

3) 提取出的残留绕射波的位置会受到偏移的影响, 与真实位置存在偏差, 但实际资料中速度不可能完全准确, 提取出的绕射波信息为在基于当前偏移数据中断层解释提供了一种参考;

4) 利用该技术提取出的绕射波会受到噪声的影响, 在实际应用过程中还要综合地质情况和对地震资料的认识;

5) 通过模型数据和实际资料的测试验证了该方法的可靠性和有效性。该技术可以有效地识别小尺度的异常体, 具备较好的应用前景。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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... 通常认为地震反射是地层界面的反映,地震反射包括连续反射和非连续反射两种特征,前者反映地层的缓慢变化,而后者反映的是地层或岩性的突变^[1] ...

... 1 基本原理目前地震勘探所用地震资料是经过偏移归位后的资料,在工业应用中最为广泛的偏移方法是克希霍夫叠前时间偏移,其基本原理类似于绕射叠加,使地下每个绕射点源的绕射波都收敛到绕射点位置从而实现地下界面的正确成像^[1,4] ...

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王世星. 高精度地震曲率体计算技术与应用[J]. 石油地球物理勘探, 2012, 47(6): 965-972.

地震曲率分析法能根据致密脆性岩石的地震反射同相轴的弯曲程度(曲率)，预测裂缝发育程度。曲率在数学上可以通过倾角与倾角的导数表示，由此利用地震数据体的二次倾角计算就可以获得地震曲率体。目前基于倾角的地震曲率体计算方法适应于连续反射面的曲率计算，但在错断与中断等不连续部位，由于在时窗内不能扫描到精确的倾角而导致曲率计算的模糊，从而降低断层两盘地段曲率的准确预测。本文提出基于直平面与曲界面相结合的二次倾角扫描方法，结合保持边缘的多窗口扫描技术，实现连续反射、错断反射两类同相轴弯曲程度的准确检测，进而实现高精度地震曲率体的计算。实际资料的检测结果表明，文中所提方法提取的曲率异常能更加准确地反映微起伏构造，精细检测与刻画断裂带细节。

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王军, 李艳东, 甘利灯. 基于蚂蚁体各向异性的裂缝表征方法[J]. 石油地球物理勘探, 2013, 48(5): 763-769.

纵波振幅方位各向异性已广泛应用于裂缝发育带的定量化预测。但对于碳酸盐岩溶缝、洞储层及多组裂缝的预测，该方法遇到了困难。为此，本文提出了基于蚂蚁体方位各向异性的裂缝表征方法，该方法将蚂蚁追踪算法和基于纵波振幅方位各向异性的方法结合起来表征裂缝，即由多方位蚂蚁体结合裂缝发育规律得到裂缝发育带的分布范围，在裂缝发育带内应用基于振幅各向异性的裂缝检测方法确定裂缝的密度和方向。该方法既克服了基于纵波振幅方位各向异性裂缝预测受溶洞影响大、对多组裂缝预测困难的缺点，又克服了常规蚂蚁追踪方法对裂缝描述不全面、不能定量预测的缺点。实际应用表明，该方法能对复杂的岩溶储层裂缝发育带进行量化预测，预测结果准确可靠。

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黄建平, 李振春, 孔雪, 等. 基于PWD的绕射波波长分离成像方法综述[J]. 地球物理学进展, 2012, 27(6): 2499-2510.

The imaging method on the diffraction wave field is an effective way to identify the subsurface small scale geological discontinuities such as faults, fractures, coarse rock boundary and watercourse, thus the separation about the diffraction and reflection from the original wave field plays an important part in the high resolution imaging. In recent years, the methods on the diffraction extraction and image are gradually becoming the research focus. In this paper, we systematically review the development history of the separation and imaging method about the diffraction wave field, analyze the characteristics of the reflection and diffraction wave field, and then mainly provide the recommended flowchart of applying PWD to separate and image diffraction wave field on both post-stack and pre-stack record, as well as some application prospects of PWD in future.

绕射波成像方法能有效地对地下小尺度不连续地质体如断层、裂缝、粗糙岩丘边缘、河道等高精度成像,成像优劣的关键在于如何有效地从原始波场记录中分离反射波和绕射波波场.目前,绕射波分离及绕射波成像方法已逐步成为研究热点.本文系统地回顾了绕射波分离及成像方法的发展历程,分析了反射波和绕射波波场特征,并着重介绍了PWD(平面波分解)解构滤波器及其在叠前、叠后分离并成像绕射波的方法原理,探讨了绕射波成像方法的应用前景.

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李学良, 孙晨, 袁义鸣, 等. 利用最小二乘自适应滤波实现绕射波分离[J]. 地球物理学进展, 2013, 28(2): 777-784.

尺度目标体的绕射波能量较弱,常被能量较强的反射波淹没,与反射波一起成像难度较大.因而,实现绕射波成像的核心问题之一为绕射波与反射波分离.通常建立反射波模型的方法有Radon变换等域变换类方法,但该类方法在减去反射波能量上存在问题.为更彻底实现压制反射波目的,本文引入自适应滤波方法,该方法较简单的减去法能更好预测反射波能量.实际资料应用效果表明,最小二乘自适应滤波方法能更好突显单炮记录上绕射波特征,得到的叠加剖面中反射波去除更为彻底干净,偏移剖面中小断层、断点、尖灭点等小尺度地质体成像清晰.

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朱生旺, 李佩, 宁俊瑞. 局部倾角滤波和预测反演联合分离绕射波[J]. 地球物理学报, 2013, 56(1): 280-288.

It is of great significance to separate seismic diffractions from seismic data and apply the imaged results of these separated diffractions to the research of some complicated reservoirs, the karst reservoir for example. On the planar decomposition section, the dip difference between specular reflection events and diffraction events is remarkable in the case that the dips of reflection interfaces are small. Based on the above facts, we propose a hybrid method for diffraction separation, (1) We divide each planar decomposition section into two portions by local dip filtering: the portion d(1) mainly containing diffraction information with high dip and the portion (r) over tilde (1) containing the specular reflection r and residual diffraction information with low-dip (d(2)); (2) The separation of specular reflection r and residual diffraction information d(2) from (r) over tilde (1) obtained in step (1) is conducted by prediction inversion in F-X domain; (3) d(2) added to d(1), makes the estimation of diffractions. This separation method can get relatively complete diffraction information, which effectively avoids the problem appearing in the general filter methods based only on dip attribute that low dip portion of diffraction is lost and thus narrowing the spatial bandwidth of the diffraction which will damage the lateral resolution. The feasibility of the proposed method is proven by both theoretical and real data tests.

地震绕射波源于介质非连续性,从地震记录中将绕射波分离出来并进行成像,其结果对研究诸如碳酸盐岩缝洞储层这类复杂非均质储层具有重要意义.对炮集记录进行平面波分解,在地层倾角不大的假设下,反射波和绕射波同相轴在平面波分解剖面上存在较大的倾角差异.基于此,我们提出分步进行绕射波分离的方法:(1)利用局部倾角滤波方法将绕射波的较大倾角信息成分分离出来,此时,余下的部分包含有反射波和残留的低倾角绕射波信息;(2)利用频率-空间域预测反演方法从上述含有反射波和残留的低倾角绕射波信息中分离出残留绕射波成分;(3)将两次分离的绕射波信息相加得到最终的绕射波估计.用该方法能够得到相对完整的绕射波信息,有效地克服了靠单一的倾角差异进行绕射波分离时明显损失低倾角信息,从而影响绕射波成像结果横向分辨率这一问题.理论与实际资料试算验证了该方法的有效性.

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蒋波, 赵金玉, 邬达理, 等. 基于反射波层拉平的绕射波分离与成像方法[J]. 石油物探, 2014, 53(2): 137-141.

在碳酸盐岩缝洞储集体为主要地质目标的探区,可以通过绕射波分离与成像来提高对溶洞、裂缝等特殊异常体的刻画精度.基于常规的地震资料处理模块,提出了一种基于反射波层拉平的绕射波分离与成像新方法.利用空间属性建立的共深度点CDP与炮集中各道记录的一一对应关系,完成将叠加数据体层位拉平时间信息映射到叠前炮集中各道记录上,进行叠前炮记录的反射波组拉平处理;在层拉平的基础上根据炮集记录中反射波与绕射波同相轴轨迹的规律性几何差别,采用FK滤波等技术将强反射波分离出去.介绍了关键处理技术,给出了详细的处理流程,并展示了针对物理模型观测数据和实际三维地震资料的应用效果.

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... 在该过程中为了避免局部斜率值出现异常抖动,在每次迭代过程中会引入平滑处理^[13,15] ...

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赵惊涛, 李明, 张妍. 基于绕射波的储层预测方法及其应用[J]. 石油学报, 2014, 35(5): 901-907.

碳酸盐岩缝洞、孔洞型油气藏在石油勘探中占有很大比重,其中储层预测是难题。反射波勘探时由于假设反射界面为光滑且无限大平面,因此受到纵向、横向分辨率限制,不能有效识别碳酸盐岩缝洞、孔洞型油气藏等该类地质体。基于绕射波的储层预测方法可从地震数据中去除反射波后,只利用地震波场中的绕射信息进行分析。绕射波利用的难点在于绕射波为弱信号,掩盖在强反射背景下,因此,需要去除反射能量以突显绕射信息。基于反射波与绕射波的相关性差异,给出了一种绕射波分离方法。该方法结合平面波破坏滤波与中值滤波,利用正则化反演迭代算法求取反射波平滑倾角场,同时沿着估计出的倾角进行中值滤波,进而计算出波形、振幅稳定的反射数据,最后由地震数据减去预测出的反射波,实现绕射波提取。数值模型及实际应用效果表明,该方法能够有效提取层间岩溶、溶洞、孔洞等地质信息,对碳酸盐岩缝洞型油气藏研究具有重要意义。

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断层、盐丘、溶洞、裂缝等非均质构造已成为现阶段碳酸盐岩高精度成像、构造及岩性解释的主要目标。然而，常规地震数据处理通常将这些非均质地质体引起的绕射波作为噪声而进行压制，即使偏移成像可以收敛归位绕射波，也因绕射波的弱振幅值和能量的快速衰减而湮没在反射能量中，因而未被有效地利用。本文根据绕射波和反射波在平面波记录上的时距曲线差异，利用平面波解构滤波方法压制平滑连续的拟线性反射波，保护和突出曲率较大、连续性较差的拟双曲绕射波，从而提高非均质绕射目标体的成像分辨率。通过对断陷模型和2D SEG/EAGE盐丘模型的试算，表明该方法可以有效改善盐丘、断层及其他小尺度非均质构造的成像质量，提高地震资料解释的精度。

... 但要使绕射波归位到真正的地下界面需要有准确的速度,而实际资料处理过程中速度不可能完全准确,因此偏移后在绕射点位置会有残留绕射^[15] ...

... 在该过程中为了避免局部斜率值出现异常抖动,在每次迭代过程中会引入平滑处理^[13,15] ...

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... 3 实际应用效果分析所选工区位于渤海海域南部,莱州湾凹陷中央隆起带的中部,是受东西向大型滑脱断层控制又被北东向调节断层分割的断块构造^[16] ...