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金属矿地震高精度成像与数据处理方法研究

巩向博  
【摘要】:采用地震方法进行深部金属矿的探测,可以弥补重磁电传统方法探测深度不足的缺点,为第二找矿空间提供了物探技术可能性。但金属矿区地质条件往往复杂多变;地下矿体形态复杂、倾角大、尺度小;矿体与围岩之间的波阻抗差异较小;且矿体内部常呈现非均匀体性质,使得后续地震资料处理面临很多难题。本文针对金属矿地震数据的这些特点,研究了一系列提高地震分辨率和信噪比的处理技术,有些技术是首次提出,有些技术是应用研究,旨在综合运用以提高金属矿地震数据的分辨率和信噪比,从而为我国深部矿产资源的探测与开发提供技术保障。 金属矿地震勘探中的分辨率分为垂直分辨率和水平分辨率,一般认为垂直分辨率为调谐厚度——“四分之一波长”,水平分辨率为第一菲涅尔带半径。现代叠前深度偏移技术从波动方程出发,或为积分成像或为延拓成像,可以将菲涅尔带收敛为点,从而大幅提高地震记录中的分辨率,理论上深度偏移成像结果的分辨率仅与空间采样率有关。我们首先对二维复杂Marmousi模型进行了三种叠前深度偏移方法的对比研究,其中有Kirchhoff积分偏移、单程波延拓偏移、逆时偏移。通过对比发现,逆时偏移的成像精度最高,对标准Marmousi模型中的大断裂、小断块、陡倾角断层、高速楔状体、背斜构造、目标储层成像准确清晰,因而适用于大倾角、小尺度、速度陡变的金属矿地质模型。 我们对逆时偏移成像技术进行了深入研究,总结了目前逆时偏移面临的问题与难点:1、由于时间一致性成像条件多解性,互相关成像条件将折射波、回折波、逆散射波错误互相关而造成低频假象,恶化了浅层的成像效果;2、高计算量与高内存开销;3、数值计算中面临的所有问题。同时也总结了解决这些问题与难点的方案:1、采用多种成像条件综合应用及偏移后剖面多种滤波方法,以压制低频假象;2、平面波偏移技术,多步偏移策略以及采用高性能科学计算技术,包括多节点并行计算技术、GPU通用计算技术等,以应对高计算量、高内存开销问题;3、采用高阶有限差分求解波动方程、吸收边界等技术提高数值计算精度。我们针对金属矿地震勘探的特点,选用了上述消除假象、提高计算效率的一些技术与方法,主要有高阶差分延拓波场、归一化成像条件、成像结果滤波、高性能并行计算等方法,并进行了金属矿模型的逆时偏移试算。以湖北某铜矿和铜铁矿共生的隐伏矿床模型为例,进行了逆时偏移成像,成像后的结果可以清晰的分辨细长隐伏在矿床中的共生铜矿体,铜铁矿与铜矿体的分界面已经可以明显分辨,许多细节特征都可以被刻画出来。 叠前深度偏移技术相对于叠后和时间偏移,对速度的依赖更为严重,速度误差引起的成像误差已经超过偏移算法本身,研究一种效率高、精度高的速度建模方法十分重要。我们研究了上文介绍的三种叠前深度方法对速度的敏感性问题,给出了速度误差引起深度误差的解析式,分析了在深度偏移剖面和偏移后共成像点道集(CIG)出现“微笑”和“皱眉”现象。通过水平层状模型、高速体模型以及复杂Marmousi模型在相同速度误差下的深度误差,CIG同相轴误差及弯曲程度的分析,得出三种叠前深度偏移方法在简单地质模型下对速度敏感性一致,在复杂地质模型下速度敏感性相似;在简单地质构造情况下,偏移速度分析(MVA)中偏移方法的选择对速度分析准确性的影响不大。根据这个结论,我们提出了联合速度建模方法,这种方法集成了Kirchhoff积分偏移计算效率高、逆时偏移计算精度高的优点。建模的流程如下:第一步,常规速度分析方法估计最佳初始速度模型;第二步,初始速度模型下使用Kirchhoff偏移进行成像;第三步,抽取CIG或者ADCIG(角度域CIG),根据CIG的剩余曲率(深度误差)计算速度扰动,进而更新速度模型;第四步,新速度模型下重复二、三步,将主要构造速度界面估计准确,一般需迭代运算2-3次;第五步,使用逆时偏移进行成像;第六步,抽取CIG或者是ADCIG(角度域CIG),根据CIG的剩余曲率(深度误差)计算速度扰动,进而更新速度模型;第七步,新速度模型下重复五、六步得到最终偏移速度模型,需迭代运算1-2次,将小尺度复杂构造速度界面估计准确,输出最终偏移速度模型;第八步,使用逆时偏移在最终偏移速度模型下进行成像,输出偏移结果。以某蘑菇状高速金属矿模型为例,进行了联合速度建模方法试算,采用逐层分析策略,每层选择适量的速度分析点,其余点通过内插和平滑得到,更新速度时采用剩余曲率分析(RCA)方法,根据CIG同相轴的弯曲曲率反算速度误差。经联合速度建模后,有效地得到了高质量金属矿成像剖面及金属矿体速度模型。 金属矿地震数据另一特点是信噪比较低,噪声较多且强,有效信号相对较弱,地震数据信噪比低会直接降低地震剖面的分辨率,我们给出了地震数据信噪比与分辨率之间的关系,分析得出金属矿地震数据中保持信噪比大于2是必要的。Radon变换是将地震数据通过一定的路径积分,变换到另一个域中,使得t-x域内耦合的信号和噪声在Radon域内得到分离,经噪声切除后反变换,得到去噪后的地震数据。根据积分路径不同,可将Radon变换分为线性、抛物、多项式、双曲、相移双曲、椭圆Radon变换;其中线性、抛物、多项式Radon变换算子具有时不变特性,可以在频率域求解,这样做的好处是避免了求解t-x域所有慢度采样构成的大矩阵求逆问题,从而提高了计算速度,算子矩阵还具有Toeplitz结构,可以用莱文森递推算法快速求解。基于贝叶斯原理的高分辨率Radon变换技术,运用了频域空间稀疏约束算法进行迭代计算,利用加权矩阵将前一次计算结果联系起来,更新加权矩阵以得到Radon域的高分辨率结果,这种算子矩阵可以使用双共轭梯度算法求解。 地下介质往往是各向异性的,在Radon变换的积分路径中考虑各向异性参数,符合真实地下介质模型,对于实际数据处理去噪可以收到更好的效果,我们从非双曲时差公式出发,定义了各向异性Radon正变换公式,相比于常规Radon变换公式,增加了各向异性参数(非椭圆率)η,这个参数可以用Thomson各向异性参数ε、δ表示,重新写成τ关于t的形式,得到各向异性反变换公式。Radon域信噪分离时,直接切除噪声方法容易损失有效信号,采用二维蒙版滤波技术可以自动拾取聚焦能量剪切线外侧的能量残余,利用Radon域截断效应的轨迹拾取剪切线外侧的能量残余,这样可以将干扰噪声更好的分离,使有效波的能量更好的保留。使用加入高斯随机噪声的模拟记录,对常规Radon变换、高分辨率Radon变换和二维蒙版滤波去噪进行了对比分析,可以得出后者有更好的压制随机噪声效果;对某中间放炮记录进行了多种方法对比研究,分别使用了FK域滤波、高分辨率线性Radon变换、高分辨率抛物Radon变换以及二维蒙版滤波去噪,比较得出采用Radon变换结合蒙版滤波去噪的结果最佳;对庐枞实际金属矿地震数据进行了去噪处理,通过去噪结果和差值剖面分析,Radon变换及蒙版滤波技术压制了强面波及强线性干扰波,大幅提高了地震数据的信噪比。 对金昌镍铜矿区地震试验数据进行了特色处理研究。我们根据此地区地质调绘资料制作了镍铜矿的地质模型,其中镍铜矿体呈50-60。倾斜层状分布在围岩之中。在此地质模型下使用高阶差分波动方程进行了数值模拟及波场特征分析,倾斜层引起的倾斜同相轴由于层距微小产生相互干涉现象,其中混杂耦合了来自尖灭点、突变点引起的绕射波能量,使得波场特征十分复杂。模拟数据分别进行了常规地震处理和叠前深度偏移处理,前者得到的叠加剖面矿脉被严重拉伸,细长矿体整体向左上方移动,绕射波和散射波仍严重影响叠后的剖面质量,造成解释上的误差;后者得到的偏移图像有很高的分辨率,已将矿脉、矿体位置正确还原,可以清晰分辨矿脉边界,结合地质资料容易进行地质解译。针对金昌镍铜矿区观测系统方式及地震数据特点,我们使用了自主知识产权的处理软件系统及多种自主开发的特色处理模块对实际数据进行了处理,其中包括:高分辨率速度分析技术,以提高速度谱拾取的精度;Gabor变换地表一致性反褶积技术,以消除由于近地表风化严重,地震检波器与基岩耦合不佳的影响,并提高了地震资料的频带;Curvelet域组合变换法压制随机噪声技术,以提高地震记录信噪比;Radon变换及蒙版自适应切除滤波去噪技术,压制强线性干扰、提取弱反射信号。对比常规处理后的叠加剖面,综合使用这些特色处理技术,可以大幅提高金属矿地震数据的分辨率和信噪比,获得高质量的地震叠加剖面,为指示深部金属矿体的延伸和分布形态提供了技术支持。


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