古士明，朱 峰，石一青，王 平，王 建，江 宏，張志橋

(中石化石油工程地球物理有限公司華東分公司，江蘇 南京 210009)

蘇北盆地從2015、2016年分別在海安凹陷XJ地區(qū)、金湖凹陷WLZ地區(qū)進(jìn)行了單分量數(shù)字檢波器高精度三維地震采集，主要目的是獲得主頻高、頻帶寬的高分辨率地震資料。XJ探區(qū)近地表結(jié)構(gòu)為含水流沙層，地震資料激發(fā)效果較好，數(shù)字采集單炮較老資料優(yōu)勢(shì)主頻和有效頻寬明顯提高[1]；WLZ探區(qū)近地表結(jié)構(gòu)復(fù)雜、膠泥之下為多組不同速度、不同性質(zhì)的火成巖，單炮折射波發(fā)育，對(duì)高頻信號(hào)存在不同的吸收衰減作用，此類地區(qū)的新采集地震資料較老資料在優(yōu)勢(shì)主頻和有效頻寬沒有取得預(yù)期的效果。

數(shù)字檢波器與模擬檢波器從頻譜和振幅特性方面相比，具有高保真、動(dòng)態(tài)范圍大、相位一致性好、頻帶寬等特點(diǎn)[2]。當(dāng)二者統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到速度域時(shí)，數(shù)字檢波器在0～600 Hz頻率范圍對(duì)信號(hào)的接收靈敏度高于模擬檢波器；當(dāng)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到加速度域，數(shù)字檢波器對(duì)比模擬檢波器具有全通放的優(yōu)勢(shì)(圖1)。

但是地震采集中數(shù)字檢波器為單點(diǎn)接收，模擬檢波器為組合接收，不同的接收方式對(duì)探區(qū)的信噪比有不同的要求。模擬檢波器的組合接收能夠較好壓制信噪比低地區(qū)各方向的干擾波，從而提高信噪比；單點(diǎn)接收的數(shù)字檢波器采集壓制干擾的能力較弱，只有在具有較好地震響應(yīng)的地區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)提高分辨率的效果。同時(shí)，單點(diǎn)數(shù)字檢波器的優(yōu)勢(shì)還依賴于激發(fā)時(shí)能否產(chǎn)生主頻較高、頻帶較寬的單炮信號(hào)及傳播過程中的吸收衰減問題，因此數(shù)字檢波器的應(yīng)用效果不僅與檢波器固有特性有關(guān)，還與工區(qū)近地表的地震地質(zhì)條件密切相關(guān)。

圖1 數(shù)字檢波器與模擬檢波器在不同域中頻率響應(yīng)特征(a：速度域；b：加速度域)

1 WLZ探區(qū)近地表結(jié)構(gòu)特征研究

該區(qū)自新生代古新世起至上新世，西北盱眙、南部六合地區(qū)玄武巖大規(guī)模噴發(fā)，在桂五、古城一帶大面積出露，向東傾覆逐漸掩埋于平原覆蓋層之下。其頂板埋深由15 m逐漸到110～126 m，厚度最大大于100 m。地震采集進(jìn)行2 km×2 km的網(wǎng)格布設(shè)50 m微測井調(diào)查，由西向東選取5個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行鉆井取芯及巖性物性測試，近地表表層結(jié)構(gòu)剖面顯示如圖2所示，全區(qū)近地表0～20 m基本為膠泥地層，膠泥之下出現(xiàn)多套多期玄武巖地層：上部為疏松的氣孔狀玄武巖，分布在工區(qū)西部及中部11～48 m深度范圍內(nèi)，推測是來自西部釜山近源的火成巖，由西向北東埋深加深；下部廣泛分布致密狀玄武巖，平均埋深25 m以上，由西向北東埋深逐漸加深，推測為來自北部的火山口熔巖。局部致密火成巖之下存在裂隙或大縫洞火成巖，呈條帶狀分布于工區(qū)中北部，近地表的火成巖分布呈現(xiàn)多源、多方向的特征。

結(jié)合對(duì)第四紀(jì)近地表地質(zhì)、精細(xì)近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查、鉆井錄井、以往地震資料的分析，確定火成巖分布為多組多套多期，鹽城組、三垛組及戴南組均有發(fā)育。其中，鹽城組存在氣孔狀、致密狀、裂隙狀等多組火成巖，且致密火成巖為多期次。由于區(qū)域上鹽城組西抬，在該工區(qū)已經(jīng)接近出露地表，因此鹽城組發(fā)育的多類型火成巖埋藏淺，且靠近激發(fā)深度，對(duì)激發(fā)信號(hào)傳播的影響最大。

圖2 工區(qū)近地表0～50 m表層結(jié)構(gòu)剖面

2 數(shù)字檢波器采集資料分析

通過開展精細(xì)表層結(jié)構(gòu)調(diào)查、老資料單炮分析、探井資料及近地表地質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)地震資料的品質(zhì)與近地表火成巖結(jié)構(gòu)存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖3)：

(1)上升盤區(qū)域(藍(lán)框)：表層結(jié)構(gòu)調(diào)查該區(qū)域存在中速火成巖(1 800 m/s≤v≤3 600 m/s),對(duì)中深目的層反射影響不大，淺層反射信息豐富；

(2)楊村斷裂帶區(qū)域(紅框)：火成巖地層隨著斷裂發(fā)育成斷塊狀，斷裂帶內(nèi)幕反射復(fù)雜；

(3)斷裂帶下降盤區(qū)域(綠框)：表層結(jié)構(gòu)巖性取芯調(diào)查證實(shí)，底部存在孔隙狀玄武巖(v<1 800 m/s)。該層對(duì)地震激發(fā)信號(hào)有吸收衰減作用，使得淺中層分辨率明顯降低。

(4)斜坡帶(黃框)：存在多套、多角度的高速火成巖(v>3 600 m/s)，影響地震激發(fā)信號(hào)的正常傳播，造成該區(qū)整體呈現(xiàn)低信噪比特征。

圖3 近地表火成巖結(jié)構(gòu)與地震資料關(guān)系對(duì)應(yīng)

2.1 近地表火成巖對(duì)地震信號(hào)影響的分析

表層結(jié)構(gòu)剖面顯示全區(qū)大部分地區(qū)20 m以上有較好的膠泥層分布，20 m以下由西向東逐漸出現(xiàn)火成巖地層且埋深加大，表現(xiàn)為低速孔隙狀以及多期中、高速致密狀，對(duì)地震激發(fā)信號(hào)具有一定的吸收衰減作用，直接影響其下伏地層的成像效果。

WLZ工區(qū)在北部斜坡帶區(qū)域出現(xiàn)了多套高速火成巖，與下伏地層形成不同倍數(shù)的速度反轉(zhuǎn)。正常地層速度是隨著深度增加逐步提高的，因此地震波能夠不斷透射傳播到深部地層中[3]。當(dāng)近地表火成巖相對(duì)于圍巖波阻抗差異增大時(shí)，就容易在淺層形成強(qiáng)折射或強(qiáng)反射，向下傳播的透射能量變少，造成目的層地震反射能量弱；同時(shí)也會(huì)形成各種干擾波，對(duì)目的層的信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，最終導(dǎo)致目的層的地震資料信噪比低。

采用微測井解釋數(shù)據(jù)建立表層模型，進(jìn)行不同倍數(shù)(2.6倍、3.1倍)的速度反轉(zhuǎn)差值(2.6倍模型上層速度3 951 m/s，下層速度1 520 m/s；3.1倍模型上層速度4 836 m/s,下層速度1 560 m/s)的正演模擬分析。

從模擬的原始及帶通濾波的單炮看出(圖4)：當(dāng)表層的高速地層與下部低速地層因速度差異大而發(fā)生速度反轉(zhuǎn)時(shí)(速度差倍數(shù)大于2.6)，形成了較強(qiáng)的負(fù)向波阻抗界面，地震波傳播受到阻礙，地震信號(hào)吸收衰減嚴(yán)重[4]，地震波下傳能量減弱，地震波能量幾乎沒有傳遞下去，影響了下伏地層目的層反射成像。

圖4 速度反轉(zhuǎn)不同倍數(shù)的模擬原始及帶通濾波單炮對(duì)比

從實(shí)際采集單炮同樣可以看出，近地表不同速度和物性火成巖區(qū)域的單炮品質(zhì)明顯不同、頻譜分析結(jié)果差異較大[5-6](圖5)。工區(qū)南部上升盤地區(qū)近地表存在一套中速火成巖(v=2 200 m/s)，單炮顯示該套火成巖對(duì)其下伏目的層反射影響較小，同相軸較為連續(xù)且反射信息豐富，主要目的層時(shí)窗分析顯示主頻較高(25 Hz)，優(yōu)勢(shì)頻寬8～42 Hz，有效頻寬0～58 Hz；中部斷裂帶下降盤部分區(qū)域近地表存在裂隙狀、大孔隙低速火成巖(v=1 340 m/s)，單炮顯示淺中層信噪比較差，反射信息雜亂，主要目的層時(shí)窗分析顯示主頻降低到15 Hz，優(yōu)勢(shì)頻寬8～30 Hz，有效頻寬0～43 Hz；北部斜坡帶近地表發(fā)育多組高速火成巖(v=3 947 m/s)，單炮顯示從淺到深目的層反射不連續(xù)，整體呈現(xiàn)低信噪比特點(diǎn)，主要目的層時(shí)窗分析顯示主頻12 Hz，優(yōu)勢(shì)頻寬10～27 Hz，有效頻寬0～42 Hz。說明不同速度和物性的近地表火成巖分布對(duì)地震資料品質(zhì)影響程度較大。

與以往資料相比，實(shí)際采集的地震資料單炮主頻僅局部有所提高，全區(qū)有效頻寬拓展有限，與部署需要的高分辨率資料存在較大的差距。通過上述分析認(rèn)為：其原因與近地表火成巖的分布存在直接關(guān)系，特別是近地表存在氣孔、裂隙及高速火成巖(v>3 800 m/s)的區(qū)域。

對(duì)此，在前述模型基礎(chǔ)上采用不同的激發(fā)頻率(5 Hz、10 Hz、20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz、60 Hz、80 Hz)進(jìn)行模擬分析。從模擬單炮對(duì)比來看(圖6)，由于近地表存在高速火成巖地層，低頻激發(fā)的單炮目的層反射好于較高頻率(40 Hz以上)激發(fā)的單炮，其中20～30 Hz激發(fā)頻率單炮信噪比和分辨率都好于其他激發(fā)頻率單炮。根據(jù)振幅衰減理論可知，當(dāng)信號(hào)頻率提高時(shí)，地層對(duì)其振幅衰減作用加強(qiáng)[3]。

圖5 不同位置實(shí)際地震采集單炮頻譜分析

圖6 不同激發(fā)頻率模擬單炮對(duì)比

頻率與振幅關(guān)系分析顯示(圖7)：隨著激發(fā)頻率增加，高速火成巖地層對(duì)地震信號(hào)的吸收衰減作用增強(qiáng)，相對(duì)振幅值下降很快。低頻端處(10 Hz以下)低頻激發(fā)單炮能量高于高頻激發(fā)單炮；中頻端處(20～35 Hz)，30、40 Hz激發(fā)頻率振幅值與50 Hz以上基本相當(dāng)；高頻端處(40 Hz以上)50 Hz以上的激發(fā)頻率單炮振幅值下降幅度較小，但是總體激發(fā)頻率單炮振幅值下降到20%以下，說明近地表存在高速火成巖地層時(shí)，激發(fā)信號(hào)的高頻部分已經(jīng)被削弱。

圖7 不同激發(fā)頻率模擬單炮的頻率-振幅關(guān)系

2.2 試驗(yàn)對(duì)比資料分析

復(fù)雜的近地表結(jié)構(gòu)使得本區(qū)地震資料的高頻信號(hào)存在缺失，局部信噪比降低。為了準(zhǔn)確對(duì)比數(shù)字檢波器和常規(guī)模擬檢波器在本區(qū)的采集效果，開展了數(shù)字檢波器與模擬檢波器的對(duì)比試驗(yàn)，在第一聯(lián)束試驗(yàn)線束位置區(qū)進(jìn)行二維試驗(yàn)線對(duì)比。采集參數(shù)完全相同：中間放炮，道距：20 m，炮距：80/100 m，接收道數(shù)：300/384道，覆蓋次數(shù)：30/48次；接收檢波器類型分別為：數(shù)字檢波器為DSU-1型號(hào)、單點(diǎn)接收；模擬檢波器為陸用20DX-10Hz，2串×12個(gè)、正方形面積組合。兩條排列線完全重合。

從實(shí)際對(duì)比試驗(yàn)的原始單炮資料來看(圖8)，單點(diǎn)接收的數(shù)字檢波器單炮信噪比低于模擬檢波器，特別是淺層反射信息掩蓋在干擾波中；中深層反射層間分辨率及弱反射信息稍強(qiáng)。模擬檢波器由于組合接收因此具有一定的壓制噪音作用，淺層信息明顯好于數(shù)字檢波器單炮，但在中深層，二者反射信息基本一致。單炮頻譜分析看出：兩種檢波器接收的主頻相當(dāng)、頻寬相差不大。

圖8 試驗(yàn)對(duì)比數(shù)字檢波器與模擬檢波器單炮及頻譜對(duì)比

從剖面品質(zhì)及信噪比頻率分布對(duì)比(圖9)可知：數(shù)字檢波器采集剖面與模擬檢波器采集剖面品質(zhì)相當(dāng)，信噪比分布基本一致。下降盤區(qū)域模擬檢波器采集剖面信噪比稍高于數(shù)字檢波器采集剖面；頻率分布上，數(shù)字檢波器剖面主頻略高于模擬檢波器剖面，但是提高幅度不大。對(duì)照近地表結(jié)構(gòu)，整體剖面品質(zhì)與近地表火成巖分布密切相關(guān)(圖9)。因此數(shù)字檢波器的性能特點(diǎn)在近地表存在復(fù)雜多類型火成巖的區(qū)域難以充分體現(xiàn)，地震資料主頻提高不明顯、頻寬拓展有限。

圖9 兩種檢波器采集剖面對(duì)比及與近地表結(jié)構(gòu)的關(guān)系

3 認(rèn)識(shí)與建議

在WLZ近地表存在多類型火成巖的地區(qū)，數(shù)字檢波器的應(yīng)用有以下認(rèn)識(shí)：

(1)當(dāng)近地表分布?xì)饪谞罨鸪蓭r、火成巖裂隙層時(shí)，由于其速度較低，孔隙較大、裂縫較多，對(duì)地震信號(hào)產(chǎn)生較強(qiáng)的吸收衰減作用，使得淺中目的層分辨率明顯降低；

(2)當(dāng)近地表存在多組致密高速火成巖(v>3 800 m/s)時(shí)，由于與下伏地層存在較大的速度差(倍數(shù)大于2.6)，形成較強(qiáng)的負(fù)向波阻抗界面，產(chǎn)生“屏蔽”作用，影響地震波能量的下傳，對(duì)高頻信號(hào)的下傳影響尤為嚴(yán)重，造成該區(qū)域地震資料分辨率和信噪比下降；

(3)當(dāng)表層發(fā)育中速火成巖與下伏地層速度差較小時(shí)(速度差小于2.6)，產(chǎn)生的“屏蔽”作用有限，對(duì)地震信號(hào)下傳影響較弱，該區(qū)域地震資料分辨率相對(duì)應(yīng)其他區(qū)域較高。

由于單點(diǎn)數(shù)字檢波器采集對(duì)干擾波通放的特性，限制了其在表層結(jié)構(gòu)復(fù)雜的低信噪比地區(qū)使用效果；其優(yōu)勢(shì)依賴于激發(fā)時(shí)能否產(chǎn)生主頻及頻寬較高的單炮信號(hào)，以及傳播過程中的吸收衰減作用。因此數(shù)字檢波器的應(yīng)用效果不僅與檢波器固有特性有關(guān)，還與工區(qū)近地表的地震地質(zhì)條件密切相關(guān)。只有在近地表結(jié)構(gòu)簡單、較高信噪比地區(qū)才能發(fā)揮其提高主頻、拓展頻寬的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而達(dá)到提高資料分辨率的目的。

因此在進(jìn)行地震采集部署時(shí)，應(yīng)充分考慮近地表結(jié)構(gòu)對(duì)地震信號(hào)激發(fā)與傳播的影響，進(jìn)而采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄔO(shè)計(jì)與采集技術(shù)對(duì)策。