《地震勘探原理》§5 地震組合法

地震勘探原理§5地震組合法在野外數(shù)據(jù)采集中，常常遇到各種干擾波的影響，尤其是表面波的影響更為嚴重，為了壓制干擾波、突出有效波，充分利用干擾波與有效波在傳播方向、視速度及頻率上的差異來達到這一目的。解決這個問題，在野外階段和處理階段都采取措施。地震組合法是利用有效波與干擾波的傳播方向不同來壓制干擾波的一種方法。它主要用于壓制面波之類的低視速度的規(guī)則干擾及無規(guī)則的隨機干擾。所謂組合，指的是用多個檢波器接收的信號組成一個地震道的輸入或者多個震源同時激發(fā)構(gòu)成一個總震源。前者稱為檢波器組合；后者稱為震源組合。按照互換原理，震源組合與檢波器組合是等價的?！?地震組合法地震組合法能夠最大壓制水平面波、提高垂直入射波能量，提高信噪比。此外組合后的總相位同組合中間點相位?！?地震組合法5.1

組合檢波的方法原理5.1.1有效波與干擾波的主要差別要提高地震勘探的精度，完成各種復雜地區(qū)的勘探任務，如何突出有效波、壓制干擾波是一個極其重要的問題。要解決此問題，必須首先深入地觀察和分析有效波與干擾波的差別，然后才能找出解決問題的方法。通過總結(jié)和分析大量地震勘探實踐資料，了解到有效波和干擾波的差別主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)有效波和干擾波在傳播方向上可能不同。例如，水平界面的反射波差不多是垂直從地下反射回地面的，而面波則是沿地面?zhèn)鞑サ?。這實質(zhì)上就是視速度的差別?！?地震組合法5.1

組合檢波的方法原理5.1.1有效波與干擾波的主要差別(1)有效波和干擾波在傳播方向上可能不同。針對這一類型的干擾波，在野外施工時往往采用檢波器組合的方法來壓制；在進行資料處理時，還可以采用視速度濾波(fk濾波)進行去除。(2)有效波和干擾波可能在頻譜上有差別。此類干擾波的壓制方法主要是在野外記錄時有目的地進行濾波和在室內(nèi)進行頻率濾波處理?！?地震組合法5.1

組合檢波的方法原理5.1.1有效波與干擾波的主要差別(3)有效波和干擾波經(jīng)過動校正后的剩余時差可能有差別。例如，多次波在經(jīng)過動校正后，剩余時差仍不為0，如今廣泛使用的野外多次覆蓋、室內(nèi)水平疊加技術能較好壓制多次波。另外，預測反褶積方法對多次波也有良好的壓制效果。

(4)有效波和干擾波在它們出現(xiàn)的規(guī)律上可能有差異。例如，風吹草動等引起的隨機干擾的出現(xiàn)規(guī)律就與反射波的很不相同。對于隨機干擾，主要是利用其統(tǒng)計規(guī)律進行壓制，如多次疊加、組合法等都是有效的方法。另外，相關濾波、相干疊加等室內(nèi)處理方法對隨機干擾也有很好的壓制效果?！?地震組合法5.1

組合檢波的方法原理5.1.2組合法原理設有n個檢波器沿直線等距排列，等靈敏度的檢波器間距為⊿x。為簡化討論，設地震波是平面波，波前與地面所成角度為α，地震波速度為v。將第1個檢波器接收到振動的時間記為0，振動函數(shù)為f(t)。又設組內(nèi)各檢波器接收到的振動波形和振幅都一樣，只是有相對時差。§5地震組合法5.1

組合檢波的方法原理5.1.2組合法原理那么，第2個檢波器接收到的振動相對于第1個要晚⊿t。這個時差⊿t與參數(shù)⊿x，v，α有關。第2個檢波器接收到的振動是f(t-⊿t)同理第3個檢波器接收到的振動為f(t-2⊿t)，……，第n個檢波器接收到的振動為f[t-(n-1)⊿t]?！?地震組合法5.1

組合檢波的方法原理5.1.2組合法原理所謂組合，就是把這n個檢波器的輸出疊加起來作為一道的信號。§5地震組合法5.1.2組合法原理設f(t)的譜為g(jω)，則根據(jù)頻譜定理中時延定理，可知等比級數(shù)§5地震組合法5.1.2組合法原理組合系統(tǒng)特性函數(shù)§5地震組合法5.1.2組合法原理檢波器組合系統(tǒng)在頻率域中主要為振幅特性和相位特性：①K(j)的振幅特性（即方向特性）為：②K(j)的相位特性：組合后輸出振動的相位與組合中心點相位相同組合后信號的譜等于原來單個檢波器接收到的信號的譜乘上特性函數(shù)K(j)?！?地震組合法5.1.2組合法原理組合為一線性系統(tǒng)，可視為一個濾波過程，其系統(tǒng)特性為K(j)，單個檢波器信號為該濾波器的輸入，多個檢波器組合后的信號為該濾波器的輸出。即:組合后信號的譜等于原來單個檢波器接收到的信號的譜乘上特性函數(shù)K(j)。組合系統(tǒng)§5地震組合法5.2

簡單線性組合的方向-頻率特性5.2.1簡單線性組合的方向-頻率特性要提組合后的效果決定于該組合系統(tǒng)的函數(shù)K(j)的頻率特性和方向特性。當固定某一頻率=i時，即只研究某一頻率的簡諧波的組合效果時，此時K(i，△i)就是方向特性，反應了組合對來自不同方向的頻率為i的簡諧波的組合效果；若固定△=△i時或△t=△ti，即只研究來自某一方向不同頻率的組合效果時，此時K(i，△i)就是頻率特性。在地震勘探中討論組合問題，主要討論組合的方向特性?！?地震組合法5.2.1簡單線性組合的方向-頻率特性在討論檢波器組合時，通常用組合后總振動的振幅與組合前單個檢波器接收到的振動的振幅的n倍的比值來表示組合對來自不同方向的波的相對加強或壓制效果，稱之為組合的方向特性?！?地震組合法5.2.1簡單線性組合的方向-頻率特性

簡單線性組合的方向特性按照計算并繪圖λa波沿組合基線的視波長定義：對某一波若組合后的，則y

的這個變化范圍就是通放帶。討論:⑴當⊿t/T=0，即y=0，(n,y)=1，為最大值（一次極大）；組合方向特性曲線§5地震組合法⑵當y=1/n，2/n，…，(n-1)/n時,(n,y)=0,零點個數(shù)n-1個,落入零點的波有最大的壓制。⑶在壓制區(qū)(y)也有周期性，有極值。在0≦y≦1范圍內(nèi)，極值的個數(shù)為n-2。當⊿t=0時，即=0，由深層來的反射波獲得最大加強。組合方向特性曲線§5地震組合法n

越大y越小，即通放帶越窄，特性曲線越尖銳，相應的壓制帶也就越寬。組合次數(shù)越多通放帶越窄壓制帶越寬選擇性越好組合方向特性曲線§5地震組合法§5地震組合法5.2.1簡單線性組合的方向-頻率特性組合的方向效應，即估計組合對信噪比的改善程度。設組合前有效波s(t)與規(guī)則干擾波p(t)的振幅比be為：設ys為有效波的組合參量，yp為干擾波的組合參量，則組合后有效波與干擾波的振幅比be∑為：5.2.1簡單線性組合的方向-頻率特性則組合后的的方向效應Ge為：當干擾波落入壓制帶時：§5地震組合法5.2.1簡單線性組合的方向-頻率特性若此時有效波落入通放帶，即：在最有利條件下，組合的方向效應與組內(nèi)檢波器個數(shù)相等。檢波器個數(shù)n越多，信噪比的改善越大?！?地震組合法§5地震組合法5.3

組合的頻率效應n=7組合相當于一個低通濾波器：組合后信號的頻譜與組合前單個檢波器的信號的頻譜是不同的，也就是說波形發(fā)生了畸變?！?地震組合法5.3

組合的頻率效應組合是為了利用地震波在傳播方向上的差異來壓制干擾波，突出有效波，但組合本身也具有一定的頻率選擇作用。我們不是，也不可能利用這種頻率選擇作用進行頻率濾波。因為原來設計組合方案時只考慮到有效波與干擾波在傳播方向上的差異，而未考慮到它們在頻譜上的差別，所以組合的這種低通頻率特性只能起著使有效波波形畸變的不良作用。我們根本不是利用它，而是要盡量避免這種低通濾波特性。為此，對于有效反射波應盡可能通過野外工作方法增大視速度，即減小△t，以獲得最佳的組合效果。當波垂直入射時,所有頻率的波均得到最大的加強,其它入射方向得到不同程度的壓制48個水聽器組合陣列方向特性§5地震組合法5.4

組合的統(tǒng)計效應通過統(tǒng)計規(guī)律，組合后檢波器接收的隨機干擾的總振幅為單個檢波器接收的倍，即：組合的信噪比問題：信噪比——有效波與隨機干擾波相對強弱的比較。（至于信噪比的嚴格定義，在不同問題里有不同的定義）設隨機干擾振幅同有效振幅相等，§5地震組合法5.4

組合的統(tǒng)計效應5.5

組合的平均效應組合的平均效應包括兩方面的內(nèi)容：一是對地面的平均效應；二是對地下界面的平均效應。關于地面的平均效應，如果組內(nèi)檢波器存在安置條件的差異或地表地質(zhì)條件的高程差，通過組合后可以削弱這些差異，便于有效波的識別和追蹤。從這個意義上來說，組合對地表的平均效應是有利的?！?地震組合法5.5

組合的平均效應地下界面的平均效應通常這樣來理解：因為組內(nèi)各檢波器接收的反射波不是來自同一個反射點，而是來自反射面上的許多點，如果各點位于一個平面上，則組合后的反射點可以認為處于這些點的中心；如果各反射點不在同一平面上，而是高低不平的(如在斷層兩側(cè))，則組合后所得的波是起伏不平的反射面或斷層兩側(cè)反射波平均的結(jié)果。這對細致研究斷塊特點不利，高分辨率或高精度地震勘探要求小組合基距就是為了避免組合對地下界面的平均效應?！?地震組合法5.6

組合參數(shù)的確定生產(chǎn)實際中所要確定的組合參數(shù)包括：組內(nèi)檢波器個數(shù)；組內(nèi)距；組合基距(組內(nèi)檢波器分布長度)；組合方式等。在此主要討論確定這些組合參數(shù)的方法步驟和基本原則，具體組合參數(shù)的確定取決于勘探目標或生產(chǎn)任務，通常由試驗和分析決定?！?地震組合法5.6

組合參數(shù)的確定5.6.1方法步驟確定組合參數(shù)的方法步驟包括如下幾項內(nèi)容：1)干擾波調(diào)查要用組合來壓制干擾波，必須先了解干擾波的特點，為此進行干擾波調(diào)查就必不可少。通過野外試驗工作要獲得下列資料：干擾波的視速度、主周期、隨機干擾的相關半徑，還包括工區(qū)內(nèi)有幾組規(guī)則干擾波以及它們相應的特點、出現(xiàn)的地段、強度的變化與激發(fā)條件的關系等。這些資料是設計組合參數(shù)時進行理論分析和相應計算，最終確定合理有效的組合參數(shù)的依據(jù)?！?地震組合法5.6

組合參數(shù)的確定2)理論分析與計算根據(jù)有效波與規(guī)則干擾波的視速度、主周期等數(shù)據(jù)，假設一些組合參數(shù)，分別計算組合的方向特性曲線，由此選取能使有效波落在通放帶、規(guī)則干擾波陷入壓制帶的最佳組合方案。有時還可以根據(jù)得到的干擾波波形資料，按初步確定的組合參數(shù)，根據(jù)組合的檢波器個數(shù)、相鄰檢波器之間的旅行時差、組合方式等進行手工或計算機編程來了解各種組合方案的方向效應和統(tǒng)計效應?！?地震組合法5.6

組合參數(shù)的確定2)理論分析與計算設計組合方案時，要同時兼顧壓制干擾波和突出有效波兩方面，如果只顧一頭，通常效果不佳。由組合的方向特性曲線可知，組合數(shù)較多時，通放帶窄，壓制帶寬，此時要注意不要使有效波落人壓制帶內(nèi)；組合數(shù)較少時，通放帶變寬，壓制帶相對變窄，此時特別要注意不要使規(guī)則干擾波落人通放帶內(nèi)。如果地下地層傾斜且傾角較大，則規(guī)則干擾波與傾斜層反射波的視速度可能相近，此時應特別注意不要使干擾波落人通放帶內(nèi)。§5地震組合法5.6

組合參數(shù)的確定2)理論分析與計算組合的方向效應和統(tǒng)計效應的公式是理論分析的依據(jù)，大量生產(chǎn)實踐證實這些理論是符合實際的，因而基本上是正確的。有了理論分析和計算結(jié)果，就可以避免盲目試驗所造成的人力、物力和時間上的浪費。但是，這些理論公式都有相應的假設條件，例如假設地震波是平面波、簡諧波等，而實際條件千差萬別，錯綜復雜，遠不是理論假設那么簡單。因此，設計組合方案時應該遵循理論與實際相結(jié)合的原則。§5地震組合法5.6.1方法步驟2)理論分析與計算生產(chǎn)實踐告訴我們，當干擾波視速度變化范圍較大時，組合數(shù)不宜過少；當干擾波視速度變化范圍較小時，可適當少用組合數(shù)。組合數(shù)大時，壓制帶極值小，壓制干擾波的效果好，但此時組合對界面的平均效應大，不利于研究斷層等復雜地質(zhì)現(xiàn)象；組合數(shù)過小時，又會增大壓制帶極值，壓制規(guī)則干擾波的效果不好。因此，在野外采集時要取得最佳信噪比和組合效應，應該綜合考慮上述因素?！?地震組合法5.6.1方法步驟3)組合效果檢驗通過理論分析和計算而初步確定的組合方案，其組合效果的好壞必須要經(jīng)過野外試驗加以檢驗，根據(jù)試驗結(jié)果再合理調(diào)整組合參數(shù)。在決定最終組合方案時，必須同時考慮組合的效果和生產(chǎn)效率，應以達到地質(zhì)效果為主，但是在效果相近時，應采用能提高生產(chǎn)效率的組合方案。在地震勘探工作已經(jīng)開展得較多的探區(qū)，前期工作已積累了許多經(jīng)驗，因此在探區(qū)內(nèi)每一個新區(qū)塊開始工作時常常不需要重復上述工作，一般只針對新工區(qū)的實際情況做少量的干擾波調(diào)查，再參考相鄰工區(qū)的資料和組合方案，進行適當?shù)男薷?，通過野外試驗來確定最佳的組合方案，而不必進行大量的計算工作?！?地震組合法5.6

組合參數(shù)的確定5.6.2確定參數(shù)的基本原則通過上面的討論可知，組合效果的好壞與組合參數(shù)有關。為此，在確定組合參數(shù)時應遵循如下基本原則：(1)盡可能使有效波落人通放帶，使干擾波落人壓制帶，要求組內(nèi)距⊿x為：（干擾波）（有效波）式中，且λamin和λamax分別為最小視波長和最大視波長。(2)適當增加檢波器的組合數(shù)目，但不宜過多。(3)既要考慮方向特性，又要兼顧統(tǒng)計效應，組內(nèi)距應大于隨機于擾波的相關半徑?！?地震組合法5.6

組合參數(shù)的確定5.6.2確定參數(shù)的基本原則

(4)從壓制干擾波的角度出發(fā)，組合基距應為：vamax和fmin分別為最大視速度和頻譜中的最低頻率。(5)理論計算結(jié)果與實際生產(chǎn)條件相結(jié)合?！?地震組合法5.7

組合的其他形式實際生產(chǎn)中的組合形式是多樣的，除了簡單線性組合，還有加權組合(不等靈敏度組合)、反向組合、面積組合等。簡單線性組合是基礎，因為無論哪種組合形式都可用分解法化為簡單線性組合的疊加。5.7.1不等靈敏度組合等靈敏度組合認為組內(nèi)各檢波器的靈敏度一樣，接收到的信號幅度一樣，只存在到達時差。不等靈敏度組合就是采用某些辦法使同一組內(nèi)務檢波器接收到的信號幅度不一樣。實現(xiàn)這種要求的最簡單的做法是在同一點放2個或更多個檢波器?！?地震組合法§5地震組合法5點的簡單線性組合是每點放1個檢波器如果在中心點放3個檢波器，第2和第4點各放2個，兩端各放1個，就構(gòu)成一種靈敏度呈等腰三角形分布的不等靈敏度組合。壓制帶極值比簡單線性組合的小得多，對干擾波壓制效果更佳5.7

組合的其他形式5.7.2面積組合實際的地震勘探野外工作中經(jīng)常采用面積組合，即組合時檢波器不是布置在一條線上，而是布置在一個面積上。這是因為簡單線性組合只能壓制沿測線方向傳播的規(guī)則干擾波，而不能壓制垂直或斜交于測線方向到達的規(guī)則干擾波。因此，當工區(qū)內(nèi)存在來自不同方向的規(guī)則干擾波時，采用面積組合較為合適。例如，當規(guī)則干擾波主要沿測線方向傳播但別的方向也有時，一般采用矩形面積組合，沿測線方向的檢波器多一些，垂直測線方向的少一些?！?地震組合法5.7