低信噪比微地震事件初至拾取方法研究

宋維琪，喻志超，楊勤勇，郭全仕，王 瑜

（1.中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島266580；2.中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院，江蘇南京211103）

微地震事件尤其是低信噪比微地震事件的高精度初至自動拾取，既是微地震監(jiān)測的核心問題又是難點問題。到目前為止，地震信號的自動拾取或震相識別方法主要有能量比法、赤池信息準(zhǔn)則（Akaike Information Criterion AIC）算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、分形維法等［1－2］。其中，能量比法是最為快捷、應(yīng)用最廣泛的一種自動拾取方法，已有多種改進型的算法被先后提出。Chen［3］提出計算微地震數(shù)據(jù)的絕對值、能量或包絡(luò)面的長時窗（LTA）與短時窗（STA）作為識別有效事件的特征函數(shù)，通過計算長、短時窗的比值來拾取微地震事件的初至。目前，這種長、短時窗比法已成為多個微地震監(jiān)測商業(yè)軟件中常用的方法。不過，這種方法的缺陷在于受短時窗的影響較大，難以在高振幅噪聲中分辨出有效信號。

AIC算法是基于自回歸模型假設(shè)的一種算法，在地震監(jiān)測中常用于信號識別，早期根據(jù)自回歸模型假設(shè)設(shè)計的AR－AIC準(zhǔn)則，用于天然地震中P波和S波初至的拾取。王海軍等［4］對利用該方法拾取反射地震初至進行了研究。宋維琪等［5］將基于AIC準(zhǔn)則的初至拾取方法應(yīng)用于微地震資料處理，發(fā)現(xiàn)在噪聲較強的情況下AIC值的最低點為初至點并不準(zhǔn)確，而AIC曲線的拐點通常對應(yīng)著信號的初至，在此基礎(chǔ)上提出了對AIC曲線進行校正的方法，這種方法的最基本假設(shè)是噪聲與地震信號都可以用不同的自回歸模型表示出來，在算法設(shè)計時自回歸方法和模型階數(shù)是需要考慮的兩個主要因素。實際試算發(fā)現(xiàn)，初至拾取結(jié)果受模型階數(shù)的影響較大。張范民等［6］根據(jù)地震信號的初動特征與震源位置和地震波傳播方向有關(guān)的性質(zhì)，將瞬時矢量模作為系統(tǒng)的輸入來進行地震信號初至拾取，對確定地震震相和到時比較有效。常旭等［2］引入廣義分維來進行初至拾取，這種方法中所利用的廣義維不再具有物理意義，而是表示了地震記錄在某種測量方式下的相對特征值，利用這個相對特征值為在高噪聲背景下拾取地震初至提供了合理的依據(jù)。

我們針對低信噪比微地震資料的特點，在總結(jié)借鑒眾多研究方法優(yōu)勢與缺陷的基礎(chǔ)上，采取資料處理流程與初至拾取算法相結(jié)合的微地震事件初至自動拾取方法研究思路，提出了低信噪比微地震資料的最優(yōu)處理流程和振幅門檻值范圍約束下的初至自動拾取方法。

1 低信噪比微地震資料處理流程

目前對于低信噪比微地震事件的初至拾取主要是采用人工手動拾取的方法?？焖?、高精度的初至自動拾取是微地震監(jiān)測的重點和難點問題。微地震事件初至拾取的主要依據(jù)信息是有用事件初至的能量、視速度及相位，所以，實現(xiàn)高精度初至自動拾取的關(guān)鍵是微地震資料處理能否真正突出微地震有用事件的初至信息。

雖然任何處理方法都或多或少地改變了原始資料［7－8］，但是對于低信噪比微地震資料，不進行處理就不能突出有用事件初至信息。如對于圖1a所示的X地區(qū)微地震原始記錄，直接利用能量信息拾取事件初至幾乎不可能。對原始資料進行常規(guī)處理后（圖1b），雖然事件能量信息得到了一定程度的突出，但是拾取的初至與真實的初至差別較大。真實的初至點位置在第380個采樣點上下30個采樣點變化范圍內(nèi)，而用能量比法拾取的初至范圍幾乎分布于整個時間段（圖1c）?？梢?，對于常規(guī)處理后的低信噪比微地震資料，無法利用能量比法準(zhǔn)確判別可用于識別事件的初至信息，也就不能拾取到正確的初至。

圖1 X地區(qū)微地震原始記錄（a）經(jīng)常規(guī)處理后的記錄（b）以及用能量比法拾取的初至（c）

針對微地震資料的特點和事件初至拾取的處理要求，必須在拾取初至之前通過有效的處理方法與流程來增強事件的有效信號能量，最大限度地壓制各種噪聲，得到機器能夠準(zhǔn)確識別初至信息的微地震記錄，這是初至自動拾取方法研究與應(yīng)用的前提條件。

目前用于微地震資料處理且效果較為明顯的方法有：不同帶通濾波方法（具有高、低截頻和不具有高、低截頻）、自適應(yīng)濾波、能量比方法、高階矩能量比方法、相關(guān)處理方法、多重相關(guān)處理方法、相關(guān)中位數(shù)濾波方法以及事件約束切除方法。在逐一分析這些處理方法功能與效果的基礎(chǔ)上，優(yōu)選并調(diào)整其應(yīng)用的先后順序，嘗試采用不同的處理流程對低信噪比微地震資料進行處理，取得了不同的處理效果。圖2a是采用常規(guī)的“帶通濾波→自適應(yīng)濾波→相關(guān)濾波→高階矩能量比方法→中位數(shù)濾波→切除濾波”流程，對X地區(qū)微地震原始記錄（圖1a）進行處理的結(jié)果。對比圖2a與圖1b可見，處理后的記錄有了較明顯的改善，盡管效果還不理想，但噪聲已得到了一定程度的壓制。

圖2 對X地區(qū)微地震原始記錄采用常規(guī)流程（a）和最優(yōu)流程（b）得到的處理結(jié)果

以上研究表明，處理方法的優(yōu)選和處理流程的優(yōu)化可以取得突出微地震事件初至信號的效果?；谛Чc效率兼顧的原則，通過實際資料的若干次試驗分析，我們提出低信噪比微地震資料的最優(yōu)處理流程為“帶通濾波→自適應(yīng)濾波→高階矩能量比方法→相關(guān)濾波→切除濾波”。

利用該最優(yōu)處理流程對X地區(qū)微地震原始記錄（圖1a）進行處理，其結(jié)果如圖2b所示。對比圖2a和圖2b可以看到，最優(yōu)處理流程的處理結(jié)果有了非常明顯的改善，事件初至能量得到清楚的揭示，而噪聲得到了很好的壓制。為了進一步說明最優(yōu)處理流程的應(yīng)用效果，再利用Y地區(qū)的三分量微地震資料進行處理驗證。圖3a為Y地區(qū)三分量微地震原始記錄；圖3b是采用與圖2a相同流程處理的結(jié)果；圖3c是最優(yōu)流程處理結(jié)果。對比圖3b和圖3c再次證明了我們所提出的最優(yōu)處理流程對低信噪比微地震資料的處理效果。

圖3 Y地區(qū)三分量微地震記錄（a）采用常規(guī)流程處理結(jié)果（b）以及采用最優(yōu)流程處理結(jié)果（c）

2 微地震事件初至自動拾取方法

微地震事件初至拾取與資料的處理程度有關(guān)，理想情況是把微地震資料處理到只有一個極大值或只有一個可拾取的初至信息，這時機器就一定能準(zhǔn)確地拾取到事件初至，而實際上資料處理不可能達到完全理想化的情況。因此，微地震資料初至拾取應(yīng)該是處理方法和拾取方法的結(jié)合。在研究并提出低信噪比微地震資料最優(yōu)處理流程的前提下，來研究微地震事件初至拾取方法。

對于三分量記錄微地震資料的初至拾取，理論上應(yīng)該用跟蹤分量拾?。?－10］。但是研究實踐發(fā)現(xiàn)，處理后低信噪比微地震資料的跟蹤分量效果不理想。因此，這里研究從三分量中尋找最佳分量拾取初至的方法。以拾取P波初至為例（S波方法相同）進行討論。

2.1 微地震記錄初至拾取的依據(jù)條件

根據(jù)微地震記錄事件初至波變化特征［11－13］，可以用于拾取其初至信息的依據(jù)條件是：振幅（能量）強，相位連續(xù)，同相位變化滿足視速度變化規(guī)律等［12］。任何初至拾取方法都是依據(jù)這些條件來拾取地震波初至?xí)r間的。對于振幅（能量）信息的拾取，一般情況下微地震事件能量會比噪聲強，對于低信噪比資料則通過處理來提高事件的信噪比。強能量是事件的基本標(biāo)志信息，所以，微地震事件初至的拾取首先考慮能量信息。視速度是初至拾取的重要約束條件，因為從微地震記錄中求振幅最大值時，所求振幅最大值和選的時間窗口有關(guān)，一道微地震記錄的最大值不一定是初至?xí)r間的位置，而滿足視速度變化范圍的最大值點才對應(yīng)事件的初至。在信噪比大于1的條件下，如果選取的數(shù)據(jù)時窗中有一個微地震事件存在，則在該時窗內(nèi)不但存在振幅極大值，并且振幅極大值同相點分布在沿著視速度方向的一個較小的時窗內(nèi)，一般情況下這些極大值對應(yīng)的時間點就是事件的初至。

2.2 振幅門檻值范圍約束下的初至拾取

基于上述初至拾取的依據(jù)條件，在總結(jié)借鑒多種初至拾取方法優(yōu)勢與缺陷的基礎(chǔ)上，通過深入研究和反復(fù)實踐，我們提出“視速度約束下變振幅門檻值迭代掃描初至自動拾取方法”。該方法以振幅（能量）信息為基礎(chǔ)，在視速度約束下，緊緊圍繞事件走時初至的時空變化特征，即初至同相軸的變化特征，利用固定大時窗和滑動小時窗內(nèi)走時初至點能量信息的變化規(guī)律，采用多次迭代的方法，實現(xiàn)微地震事件初至的自動拾取。最后再對拾取的初至曲線進行進一步的優(yōu)化處理，得到最終的初至拾取結(jié)果。

2.2.1 算法設(shè)計

在初至自動拾取算法設(shè)計時，首先在一定的時窗內(nèi)，求每一道最大值對應(yīng)的時間位置（具體為采樣點位置），然后計算道間最大值對應(yīng)的時間差（視速度變化）作為約束條件，設(shè)置一定的門檻值，保留給定門檻值范圍內(nèi)的時間位置，即初始拾取的初至。每個事件所有道初至對應(yīng)的振幅不可能都是最大值，因此在某個給定振幅門檻值范圍內(nèi)，只有幾道滿足條件（理論上至少兩道，只要存在微地震事件，一般都能滿足），這時把這些滿足條件的某幾道記錄下來，并計算其振幅最大值的平均值，然后利用求得的振幅最大值的平均值作為新的振幅門檻值，計算并尋找滑動時窗內(nèi)滿足該振幅門檻值的初至位置。注意滑動時窗的大小設(shè)置，如果選得太小，即在時窗內(nèi)不能包括從一道到最后一道的初至位置，容易漏掉事件初至點；如果滑動時窗選得太大，又選多了事件的初至點位置。

在給定的門限范圍內(nèi)，每一道不可能都能拾取到一個真實的初至點位置。所以給定的初始門檻值范圍內(nèi)每一道可能有多個點滿足條件，得到多個初至點位置，在這多個初至位置點中求振幅最大值對應(yīng)的初至點作為更新的初至點，依次循環(huán)迭代（見圖4和圖5），最終找到真實的初至點位置。

2.2.2 初至優(yōu)化處理

通過上述多次循環(huán)迭代處理后，基本上就能較準(zhǔn)確地拾取事件的初至，但是有的事件的真實初至對應(yīng)的振幅值不可能剛好落入設(shè)置的振幅門檻值范圍。因此，拾取的個別點有可能不是真實的初至位置，即拾取的初至曲線是起伏波動的。一般情況下再對其進行擬合或平滑處理即可。但是擬合或平滑處理極易改變初至點的真實位置，使得拾取的初至又人為地添加了誤差。

圖4 常規(guī)處理流程處理后初至自動拾取方法迭代1次（a）、5次（b）和最終拾取（c）的結(jié)果

圖5 最優(yōu)處理流程處理后初至自動拾取方法迭代1次（a）、5次（b）和最終拾?。╟）的結(jié)果

為了對個別跳動較大的初至點進行校正，而又盡量保持其它點不動或變動很小，采取了計算道間初至差約束的的初至優(yōu)化處理辦法，在視速度時間變化范圍約束下，如果某個初至點超過這個范圍，該初至點就取相鄰道的初至的加權(quán)平均值。依次調(diào)節(jié)視速度的約束范圍，重復(fù)上述步驟，最終得到一條跳動較小的較真實的初至曲線（如圖5c所示）。

3 實際資料應(yīng)用

采用實際微地震資料來論證上述初至自動拾取方法的應(yīng)用效果。先考慮圖3a所示的Y地區(qū)實際三分量微地震記錄（1～12道為Z分量，13～24道為X分量，25～36道為Y分量），采用初至自動拾取方法對常規(guī)處理流程處理后的圖3b和最優(yōu)處理流程處理后的圖3c進行初至拾取，其結(jié)果分別見圖4c和圖5c所示，由圖5c可見拾取的結(jié)果比較理想。

為了進一步驗證方法的適應(yīng)性，再選取Z地區(qū)的三分量微地震資料（圖6a）進行最優(yōu)流程處理和初至自動拾取，其結(jié)果分別示于圖6b和圖6c，可見也取得了較好的效果。

以上通過不同地區(qū)實際資料論證了本文研究方法的實際應(yīng)用效果，為了跟以往初至拾取方法比較，在這里以Y地區(qū)微地震事件初至拾取為例加以比較分析。圖7a為微地震事件記錄，圖7b為采用AIC準(zhǔn)則初至拾取方法拾取的初至，圖7c為采用本文研究方法拾取的初至。比較分析圖7b和圖7c初至拾取結(jié)果可以看到，采用AIC方法拾取的初至，前面幾道和后面幾道明顯錯誤，中間幾道和真實的初至也存在較大的誤差；采用本文研究方法拾取的初至，從分析對比事件記錄資料初至同相軸的時空變化，就能判斷拾取的初至正確合理。

圖7 不同方法初至拾取結(jié)果對比

4 結(jié)束語

采用機器自動拾取低信噪比微地震事件記錄初至，必須將資料處理與初至拾取方法相結(jié)合，才能取得比較可靠的結(jié)果。對低信噪比微地震資料，單一處理方法往往難以取得理想的效果。通過處理方法的優(yōu)選和處理流程的優(yōu)化分析研究，提出了處理微地震資料特別是低信噪比微地震資料的最優(yōu)處理流程。實際微地震資料的處理結(jié)果表明，優(yōu)化處理流程的處理效果明顯，處理后資料的初至自動拾取結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

基于優(yōu)化處理后的微地震資料，在綜合考慮各種必須條件的基礎(chǔ)上，研究形成了適應(yīng)性強、拾取結(jié)果可靠的初至自動拾取方法。該方法以能量信息為基礎(chǔ)，緊緊圍繞事件走時初至的時空變化特征，即初至同相軸的變化特征，利用固定大時窗和滑動小時窗內(nèi)走時初至點能量信息的變化規(guī)律，采用多次迭代的方法，進行微地震事件初至的自動拾取。這樣，既能確保拾取到事件同相軸強能量信息的初至點，又能拾到相對較弱能量信息的初至點。實際資料的應(yīng)用結(jié)果驗證了方法的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。

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