基于局部相似屬性的初至自動拾取

劉百紅 李建華 鄭四連 宋志翔 張敬東 孫維昭(中國石化石油物探技術研究院地球物理軟件研究所，江蘇南京 211103； 東方地球物理公司研究院地質研究中心，河北涿州 072751； 東方地球物理公司研究院海外業務部，河北涿州 072751)

1 引言

在近地表調查中，初至層析是一種查明近地表速度結構非常有效而且常用的方法。而初至拾取又是初至層析的第一步，其準確與否會直接影響到層析反演結果。最初地震波初至是以人機交互的方式拾取，隨著采集數據量越來越大，人工初至拾取就成為一項費時而繁瑣的工作。近年來，出現了許多自動初至拾取方法，例如能量比法[1-5]、AIC法[6-8]，二分法[9]、分形分維法[10-12]等，并將神經網絡[13，14]、時頻分析[15-17]以及邊緣檢測[18]等計算方法與技術應用到自動初至拾取中。其中，能量比法因其簡單實用而被廣泛應用。但是在復雜近地表條件下，由于初至波能量特征、波形特征、相位特征變化大，又常常受噪聲干擾，初至波自動拾取方法的精度和效率仍然無法滿足要求，因此有許多基于能量比的改進方法被不斷提出[19-25]。

本文基于局部互相關相似屬性提出了一種能量比初至拾取改進方法。該方法首先計算地震道的局部互相關相似屬性道；然后根據粗略估計的近地表速度和炮檢距定義該道初至搜索范圍；最后將這些局部屬性道作為能量比法的輸入，計算局部相似屬性道的能量比曲線，取搜索范圍內能量比曲線的最大值所在位置為初至時刻。改進方法提高了初至波自動拾取的準確性、穩定性和抗干擾能力。

2 能量比法

傳統的能量比法利用初至波前、后能量上的差異進行初至拾取。

首先從地震道的第1個樣點開始，選擇一個合適的時窗長度l，計算該時窗的地震道能量

(1)

然后從第二個采樣點開始再取l個樣點數據，計算第2個窗口的能量

(2)

再計算相鄰兩個時窗的能量比

(3)

式中：E1、E2分別為地震道前、后兩個時窗的能量； ER為相鄰兩個時窗能量的比；si為地震數據，i為樣點序號；β為穩定因子。

前后兩個時窗同時向后滑動一個樣點，計算下一個時刻的能量比。依此類推，計算完整個地震道的能量比曲線。

能量比曲線最大值所對應的時間即為初至時間。該初至拾取方法快速、準確、應用廣泛，但對噪聲比較敏感。

3 改進的能量比法

首先，傳統的滑動時窗總是從每個地震道的起始時刻開始，一直到地震道結束。也就是說初至的搜索是在整個地震道內進行的。這一方面增加了計算時間，更重要的是，會產生“夜長夢多”的效應，如圖1中初至時間對應的并不是能量比曲線最大值時間，而是次極值時間。因此，本文首先對每一道設置一個初至搜索中心

(4)

式中：xj為第j地震道的炮檢距；v是近地表速度的一個粗略估計值。v的選擇要能夠使所有tj都小于初至時間，這實際上類似于線性動校。然后以tj為中心，設置相應道的搜索范圍L，例如L=100個采樣點，那么第j道的滑動窗口的起始點則為tj-L，終止點則為tj+L，從而將每一炮的初至搜索范圍限制在圖2所示的條帶范圍內。這樣不但減少了計算量，而且可以減少一些干擾。尤其是當地表起伏不大、地下近地表速度橫向變化不劇烈時，選擇合適的v可以使得搜索中心十分接近真實初至，有助于準確拾取初至位置。

圖1 合成地震道(a)及傳統能量比曲線(b)

圖2 初至搜索范圍的定義

R(i)=max[corr(a,b)]

(5)

式中：a和b分別為地震道上前、后兩個時窗內的信號； corr(·，·)表示兩個信號的互相關。前一個窗口從地震道上第i點開始，后一個時窗從地震道上第i+k點開始，這兩個時窗長度都為N，但是這兩個時窗的起始時間相差k個樣點，k一般取1或者2。兩個窗口內信號互相關結果的最大值被賦予到屬性道的第i點。這兩個窗口從地震道起始時刻依次向后移動一個步長，直到地震道末尾，完成整個屬性道的計算(圖3)。

圖3 圖1a地震道的局部互相關屬性

圖4 圖1a所示地震道的另外三種局部相似性曲線(a)局部余弦距離曲線； (b)局部歐氏距離曲線；(c)局部曼哈頓距離曲線

但是并不是所有的相似性計算方式都適用于初至拾取。圖4為圖1a所示地震道的局部余弦距離曲線、局部歐氏距離曲線和局部曼哈頓距離曲線。對比圖3和圖4可見，本文使用的局部互相關曲線能更好地壓制隨機噪聲。

計算局部互相關屬性道以后，用局部互相關屬性道而不是地震道作為能量比方法的輸入，從而計算出局部互相關屬性道的能量比(ER)曲線，并取能量比曲線最大值的位置為地震道初至時間。

4 模型試驗

首先將本文方法用于一道無噪聲的地震數據進行試驗。該道采樣間隔為2ms，道長為2s，初至清晰可見(圖5a上)。然后加入方差依次為0.05、0.10、0.15的隨機噪聲，使該道的信噪比依次為11.9、3.7、2.6，并用本文所述方法進行初至自動拾取(圖5)。由圖5可見，本文方法在較強的隨機噪聲干擾下，依然能準確地拾取初至。

圖5 不同信噪比地震數據(上)、傳統能量比曲線(中)以及基于局部互相關屬性的能量比曲線(下)(a)無噪； (b)信噪比為11.9； (c)信噪比為3.7； (d)信噪比為2.6

5 應用實例

首先應用高信噪比實際單炮地震數據進行試驗。該道集時間采樣間隔為2ms，道長為2s。分別用本文方法和傳統能量比法進行了初至自動拾取(圖6)。由圖可見，兩種方法拾取結果總體趨勢基本一致，驗證了本方法的可行性。但在35～45道之間以及105道附近，傳統能量比法的拾取結果抖動明顯，本文方法的拾取結果明顯優于傳統能量比法，表明本文方法更加穩健，而傳統的能量比法對噪聲更加敏感。

然后選用比較復雜的實際地震資料進行試驗。該資料時間采樣間隔為1ms，道長為4s。工區為中國西南山區，區內溝谷幽深、山勢陡峭、相對高差大，喀斯特地貌發育，多溶洞、暗河，地表巖石多為沉積巖和變質巖，近地表速度和厚度變化劇烈，因此資料的信噪比較低。實際單炮道集本文方法自動初至拾取結果如圖7所示，可見本文方法具有一定的抗噪能力，但是在強相干噪聲的干擾下拾取結果還有待改進。

圖6 高信噪比單炮實際資料不同方法拾取結果(a)本文方法； (b)傳統能量比法

圖7 低信噪比實際單炮數據不同方法拾取結果(a)本文方法； (b)傳統能量比法

6 結束語

本文在傳統能量比方法的基礎上，提出了一種地震波初至拾取方法。該方法基于地震道的局部相似性形成了一種新的地震屬性道，然后將該地震屬性道作為能量比值法輸入來拾取地震波初至，與常規的地震屬性道(如振幅絕對值、振幅包絡)能量比值法相比，具有抗隨機噪聲能力強、拾取精度高的特點。同時本文提出了限定搜索范圍策略，可以進一步提高本文方法的初至拾取質量。

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