一种可控震源非线性扫描信号设计方法及应用

图1 影响采集信号各类因素及频谱改造示意^[2]

基于目的层反射波频率特征的扫描信号设计方法是根据探区VSP测井目的层反射波频谱综合分析,以各目的层反射波频谱的包络作为扫描信号设计的目标频谱特征曲线,看作期望的可控震源输入大地的地震波场频率—能量关系。其设计方法:

对探区VSP测井浅、中、深目的层反射波进行频谱分析,并拟合出频谱曲线A(f);根据探区目的层反射频率—能量分布特征和要求,设计扫描信号起始和终止频率、扫描长度和斜坡长度;根据A(f)计算每个采样频率所对应的时间函数t(f);将时间函数t(f)进行反变换求取时频函数f(t);通过对时频函数f(t)进行积分求取瞬时相位,进而求取S(t)即基于目的层反射波频率特征的可控震源非线性扫描信号。

计算每个采样频率所对应的时间函数t(f):

(1)

t (f) = k \cdot \int_{f_{1}}^{f} A (f) d f,

取t=T、f=f₂的边界条件,可得:

(2)

T = k \int_{f_{1}}^{f_{2}} A (f) d f,

由式(1)、(2)可得:

(3)

t (f) = T \int_{f_{1}}^{f} A (f) d f / [\int_{f_{1}}^{f_{2}} A (f) d f] 。

式中:T为可控震源扫描信号长度,k为计算比例常数,f₁为扫描信号的起始频率,f₂为扫描信号的终止频率,A(f)为子波频谱,f为扫描信号瞬时频率,df为扫描信号瞬时频率微分。

(4)

S (t) = B (t) \cdot \sin [2 π \int_{0}^{t} f (t) d t] 。

式中:S(t)为可控震源扫描信号,B(t)为布莱克曼斜坡(Blackman)斜坡函数。

2 正演模拟与试验分析

2.1 基于目的层反射波频率特征的非线性扫描信号设计

由于地面接收到的地震波经过两次地层吸收与衰减作用,VSP测井资料接收的下行波,只经历了单次的地层作用,反映的频率特征更加准确,因此,基于目的层频率特征扫描信号设计主要采取VSP测井资料提取频谱曲线进行设计。

图2为西部某区VSP测井资料提取的浅、中、深目的层的反射波频谱,提取各目的层反射波频谱包络曲线,并将其包络作为设计扫描信号的目标频谱特征曲线。按照以上方法得到基于目的层反射波频率特征的可控震源非线性扫描信号,扫描频率6~84 Hz,扫描长度26 s,其扫描频率随时间呈非线性变化(图3所示)。

图2

图2 西部某区VSP浅、中、深目的层反射波频谱及频谱包络曲线

图3

图3 基于目的层反射波频率特征的非线性扫描信号

采取相同的扫描频率(6~84 Hz)和扫描长度(26 s),对设计的基于目的层反射波频率特征的可控震源非线性、常规线性和常规非线性扫描信号进行时频曲线、频谱以及自相关子波计算,图4所示。3者比较分析,由于基于目的层反射波频率特征的可控震源非线性扫描信号进行了频率、能量重新分配,因此在低频和高频段扫描速率高,驻留时间较短,能量稍低,中间优势频带(20~60 Hz)扫描速率较低,驻留时间长,能量较强,其频谱曲线与目的层频谱一致;从自相关子波来看,基于目的层反射波频率特征的可控震源非线性扫描信号的子波形态较好,旁瓣小,分辨能力强,清晰度较高。

图4

图4 3种扫描信号对比

a—时频曲线;b—频谱曲线;c—自相关子波

2.2 正演模拟分析

图5所示,根据西部某区典型地质模型,针对以上可控震源3种扫描信号分别进行正演模拟^[17] ,得到扫描信号波场模拟快照及扫描信号正演模拟单炮母记录。分别利用3种扫描信号与相应的正演模拟单炮母记录相关,得到图6正演单炮记录,分析看出:基于目的层反射波频率特征的非线性扫描信号正演模拟单炮记录目的层反射能量更强。

图5

图5 正演模拟

a—西部某区地质模型及本方法设计信号波长模拟快照;b—本方法设计信号正演模拟单炮母记录

图6

图6 正演单炮记录

a—线性扫描信号;b—常规非线性信号;c—本方法设计信号

2.3 野外试验分析

利用以上3种扫描信号在西部某沙漠地区进行野外试验,得到图7单炮记录,基于目的层反射波频率特征的扫描信号的单炮记录信噪比有明显改善。

图7

图7 西部某沙漠地区单炮记录

a—线性扫描信号单炮记录;b—常规非线性扫描信号单炮记录;c—基于目的层反射波频率特征非线性扫描信号

对图7单炮记录目的层反射波进行量化计算分析,得到图8中3种扫描信号单炮记录目的层反射波的能量、信噪比和频谱,分析看出:线性扫描信号的单炮记录优势频宽为4~41 Hz,常规非线性扫描信号的单炮记录优势频宽为4~43 Hz。相比之下,基于目的层反射波频率特征非线性扫描信号单炮记录的优势频宽为4~48 Hz,优势频带更宽、能量更强、信噪比更高。

图8

图8 3种扫描信号单炮记录目的层反射波量化分析

a—能量分析柱状图;b—信噪比估算柱状图;c—频谱分析图

3 应用效果分析

在西部某沙漠地区,对常规线性、常规非线性和基于目的层反射波频率特征的可控震源非线性扫描信号进行应用试验,开展地震资料成像剖面对比。野外采集方法选取宽线观测系统3L1S240T,固定排列接收,覆盖次数800次,扫描信号起止频率为6~84 Hz,扫描长度为26 s, 3台1次施工720炮。分别获得线性扫描信号、常规非线性扫描信号和基于目的层反射波频率特征非线性扫描信号的可控震源地震剖面(图9) 可以看出,基于目的层反射波频率特征非线性扫描信号的可控震源地震剖面在主要勘探目的层反射波特征更清晰,信噪比较高,取得较好的资料效果。

图9

图9 3种不同方法下地震剖面对比

a—线性扫描信号地震剖面;b—常规非线性扫描信号地震剖面;c—基于目的层反射波频率特征非线性扫描信号

4 结论与认识

1)论文基于目的层反射波频率特征的非线性扫描信号设计方法经过正演模拟、野外试验和应用,验证了该方法的正确性和有效性,对较强吸收衰减区和低信噪比目的层勘探具有明显效果。

2)通过控制扫描信号不同频率的驻留时间,实现可控震源扫描频率能量分布的再分配,是一种简单实用的非线性扫描信号设计方法;

3)文中非线性扫描信号设计方法依据VSP测井资料不同埋深目的层反射信号频谱分析,考虑了探区实际目的层反射频率的特征;

4)本方法使可控震源有限的扫描能量更多集中到地震资料的优势频率,试验应用结果显示,提高了目的层反射优势频带的能量及信噪比,是强吸收衰减地区、低信噪比地质目标勘探的优选方法。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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正20世纪80年代末期,随着城市化进程的不断加快,利用地球物理方法解决城市地下工程探测和环境地质调查问题已是地球物理探测的新的研究分支。浅层地震探测在工程与环境地球物理中起着重要作用,但由于城市环境的特殊性,在人口稠密的地区进行浅层地震勘查,由于炸药和枪击震源具有较大的破坏性而被禁止使用,研制非破坏性震源就变得十分重要。地震信号的激发是地震勘探的第一个环节,激发信号的质量是影响勘探分辨率的“先天因素”,如果“先天不足”,则后续的数据处理再好也难以从根本上补救。本文针对浅层地震勘探,重点介绍用于产生弹性波的可控震源信号设计问题。

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