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被动源地震虚炮集噪声压制及逆时偏移成像研究

王睿  
【摘要】:近年来,随着地震干涉技术的迅速发展,被动源地震勘探方法越来越受到研究人员的重视。尽管被动源地震数据通常存在频率低、能量弱、信噪比低等缺点,但是利用地震干涉技术重构的虚炮集中,仍然包含许多反映地下构造的有效信息。因此,在主动源勘探条件困难的目标区域,被动源地震勘探可以成为主动源地震勘探的低成本补充方法。相比于被动源面波勘探,被动源反射波勘探在速度信息提取、勘探深度以及高分辨率成像等方面更加具有潜力。因此,开展关于被动源反射波勘探的相关研究具有较好的理论研究意义和广泛的应用前景。虚炮集是一种类似于主动源激发的地震记录,使用常规的反射地震数据处理方法对其进行处理,可以实现被动源反射波勘探。偏移是获得地下构造成像的有效方法,在众多偏移算法中,逆时偏移具有不受倾角限制、适应横向强速度变化、对复杂构造成像准确等优势。然而,直接对虚炮集数据进行常规逆时偏移处理,通常难以获得满意的成像结果。为了提高被动源地震数据的逆时偏移成像质量,论文首先陈述了被动源地震干涉技术和逆时偏移的基本原理。然后,在被动源地震数据干涉实验过程中,论文讨论了虚炮集重构的影响因素,并进一步分析了常规被动源逆时偏移存在的问题。经过分析,论文明确了获得高品质的虚炮集是实现被动源反射波勘探的关键,被动源逆时偏移主要存在信噪比低、深层能量弱、分辨率低和偏移低频噪声严重等问题。因此,论文主要从被动源虚炮集噪声压制、偏移成像深层振幅能量恢复、高分辨率成像条件和偏移低频噪声压制等角度,提出针对性的解决方案。最后,本文提出了一套较为完备的被动源地震逆时偏移成像系列技术,主要包括被动源噪声压制、逆时偏移成像条件和低频噪声压制等算法,成功获得了高质量的被动源逆时偏移成像结果。具体研究内容可概括如下:被动源噪声是一种具有强相干性的复杂噪声,与有效信号的产生机制相同,均是由地震干涉重构产生的,而常规的滤波方法难以取得较好的压制效果。本文提出了一种基于局部相似系数的被动源噪声压制方法。通过多道集对比方法,分析了虚炮集中有效信号与噪声的特点。研究发现,在共炮点道集和共检波点道集之间,有效信号与噪声存在明显的相似性差异。根据计算获得的局部相似系数谱,构建出以局部相似系数为核心的加权滤波算子。在滤波算子中,有效信号的权重系数较大,而噪声的权重系数较小,通过对权重系数的阈值处理,能够对噪声起到衰减作用,提取有效信号。利用聚焦变换可以进一步提高滤波算子对相干噪声的压制能力,在聚焦域中,有效信号与噪声具有更好的可分离性。本文通过对滤波算子和去噪结果不断交替更新,设计了具体的迭代去噪流程,仅需要几次迭代计算即可获得满意的去噪结果。通过理论数据和实际数据试算,证明了本文提出的基于局部相似系数的被动源噪声压制方法能够有效地压制被动源噪声,从而获得高质量的虚炮集数据。此外,本文的滤波方法利用有效信号与噪声之间的相似度差异进行噪声压制,更加符合被动源数据的信号特征。因此,相比于常规滤波方法,更加适合在被动源数据中应用。常规被动源逆时偏移成像结果存在深层能量弱、分辨率低的问题。因此,本文在逆时偏移成像过程中,使用具有高分辨率优势的激发振幅成像条件进行成像,并进一步解决了常规激发振幅成像条件对复杂构造成像能力差的问题,最终提出了适合被动源数据成像的全局归一化多值激发振幅成像条件。通过振幅阈值、传播走时和传播方向等约束条件获得的激发振幅,更加符合激发准则的定义,能够有效保证成像结果的准确性。将多值激发振幅引入到成像条件中,能够克服常规激发振幅成像条件无法处理波场传播多路径的缺点。将成像条件的比值形式改写为互相关形式后,再进行全局震源归一化处理,既能够获得反射系数成像结果,又能够克服成像条件在被动源逆时偏移中应用时稳定性低的问题,同时提升深部成像能量。Marmousi和Sigsbee2a等复杂模型的被动源逆时偏移成像结果表明,相比于互相关成像条件,新成像条件能够有效地提高深层成像能量,并且偏移结果的分辨率更高,对于模型精细构造的刻画效果更好。有效地压制偏移结果中的低频噪声,能够进一步提高被动源逆时偏移成像质量。本文利用激发振幅的方向特性和低内存消耗特性,对基于Hilbert变换的全波场分解算法进行改进,提出了基于激发振幅时刻的检波点波场分解算法,避免了由于构建解析时间波场而增加额外计算量的问题。本文通过理论分析和数值模拟,验证了激发振幅是一种无噪声的下行震源波场成像信息,而偏移结果中的低频噪声是由于检波点波场的背向反射引起的。结合激发振幅的时间序列、波场稀疏存储以及加窗Hilbert变换,本文实现了基于激发振幅时刻的检波点波场分解算法,从而获得上行检波点波场成像信息。通过复杂模型的数值算例表明,在激发振幅成像条件下,仅对激发振幅时刻的检波点波场进行方向分解后,再与激发振幅进行成像,能够有效地压制偏移结果中的低频噪声,进一步提高被动源地震数据逆时偏移成像效果。


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