共轉(zhuǎn)換點道集S變換譜相似性的多波地震數(shù)據(jù)橫波波場提取技術(shù)

黃德智， 韓立國*， 楊飛龍， 李輝峰， 苑強， 孫楠， 楊文平

1 吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 長春 130026 2 西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 西安 710065 3 中石化石油工程地球物理有限公司華北分公司， 鄭州 450000 4 中國石化東北油氣分公司勘探開發(fā)研究院， 長春 130062

0 引言

相比常規(guī)地震數(shù)據(jù)，多波地震數(shù)據(jù)記錄了更多地質(zhì)屬性信息，為地質(zhì)構(gòu)造的解釋和研究提供了更多參考依據(jù).多波地震勘探中，因多分量檢波器的接收方向與各分量地震波的振動方向存在角度，造成各分量地震波在其他分量上產(chǎn)生投影，使其自身產(chǎn)生振幅損失(魏建新和狄?guī)妥專?005)；與此同時，這種投影也對各分量地震信號的成像產(chǎn)生干擾，尤其是投影至橫波分量中的縱波信號會對橫波分量中的橫波信號成像產(chǎn)生嚴重干擾.因此在多波地震數(shù)據(jù)成像前，需對數(shù)據(jù)做縱、橫波場分離處理.

多波地震數(shù)據(jù)的縱、橫波分離，主要依據(jù)地震波的運動學(xué)特征(波的速度、振動方向)和動力學(xué)特征(波的振幅、頻率、相位)等進行分離，分離方法主要有F-K濾波、τ-p變換、Radon變換、極化濾波、全波形反演、散度和旋度等.Radon變換和τ-p變換將縱波和橫波在變換域中收斂到不同“點”上，通過切除噪聲或干擾區(qū)域的方法分離縱、橫波波場.Stoffa和Treitel先后提出平面波分解的Radon變化方法(Stoffa et al.，1981；Treite et al.，1982)；Beylkin(1987)用最小平方反演法實現(xiàn)Radon變換離散化；魏修成等(1993)用空間坐標(biāo)域與視慢度之間的變換關(guān)系給出了三種(τ-p、F-K、離散拉冬變換DRT)變速視慢度波場分離方法；包軍強等(1998)用τ-p變換法、門檻值調(diào)節(jié)和圈閉靶區(qū)對淺層多波進行了分離與提??；羅省賢和李錄明(1999)利用多波資料的動力學(xué)和運動學(xué)特征在F-K域?qū)崿F(xiàn)多波炮集記錄變速波場分離；孫顯義(2002)用τ-q變換將不同層位反射波聚焦成“點”進行波場分離.在極化濾波分離波場方面，Shimshoni和Smith(1964)用垂直分量和水平分量的時間平均矢量積，根據(jù)不同分量間的相位關(guān)系從背景噪聲中提取有效信號；Dankbaar(1985)根據(jù)近地表速度與檢波器組合特性設(shè)計濾波器，在F-K域內(nèi)實現(xiàn)理論數(shù)據(jù)的縱、橫波場分離；李錦飛和李人厚(1998)用小波分析多波數(shù)據(jù)的時頻域特性和空間運動特性，構(gòu)造濾波函數(shù)實現(xiàn)波場分離；張玉芬和周建新(1999)對影響空間方向濾波的因素進行了分析；張國毅和劉永坦(2000)提出了實數(shù)加權(quán)極化變換法；胡天躍等(2004)根據(jù)慢度和極化特征，用最小方差約束法重構(gòu)了縱、橫波波場.Devaney和Oristaglio(1986)提出平面波分解法分離縱、橫波；張關(guān)泉和周洪波(1995)基于彈性波波動方程推導(dǎo)出了縱橫波波場分離公式；馬德堂和朱光明(2003)給出完全彈性波波動方程的等價方程, 用偽譜法求解得到純縱波或純橫波波場；陳可洋等(2009)給出等價二階彈性波動方程，應(yīng)用高階交錯網(wǎng)格有限差分法求解得到理論數(shù)據(jù)的純縱、橫波場.Dellinger和Etgen(1990)提出在F-X域內(nèi)基于散度和旋度濾波因子，對各向異性的縱波和橫波進行分離；Sun等(2004)提出了相位相關(guān)法，基于有限差分彈性波波動方程混合向下外推法，通過控制散度和旋度，對彈性波波場分離進行了數(shù)值模擬；黃少華等(2019)在模型數(shù)據(jù)中應(yīng)用多震源彈性波全波形反演方法，采用動態(tài)震源隨機編碼技術(shù)和波場分離技術(shù)，壓制多震源串?dāng)_噪聲和縱、橫波耦合引起的串?dāng)_效應(yīng)，實現(xiàn)波場分離.基于波動方程、散度和旋度的波場分離方法，目前在實際資料處理中較少應(yīng)用，多用于理論模型研究試算.極化濾波方法，或嚴重依賴地表地層信息，或?qū)φ穹拖辔坏囊蟾?，在?yīng)用上存在很大局限.F-K濾波、τ-p變換、Radon變換等濾波方法，會出現(xiàn)信號與噪聲(其他分量信號、隨機噪聲、規(guī)則噪聲等)在所處變換域內(nèi)分布范圍重疊的問題，從而造成濾波結(jié)果存在信號被去除或噪聲無法徹底去除現(xiàn)象，并且還會因方法的局限性造成混波、假頻等現(xiàn)象.

多波地震數(shù)據(jù)縱橫波的速度差異明顯，理論上縱、橫波對自身速度的疊加響應(yīng)最強、其他速度疊加響應(yīng)為零，因此不同速度生成的疊加道可視為由該速度對應(yīng)的地震信號疊加生成.橫波速度動校正后的CCP道集內(nèi)，各道同時刻的橫波信號代表同一轉(zhuǎn)換點信息，它們與同時刻的疊加道S變換譜存在相似關(guān)系(Pinnegar and Eaton，2003；趙淑紅和朱光明，2007；王云專等，2010).基于多波地震數(shù)據(jù)的疊加速度響應(yīng)特性和頻譜特性，本文提出基于CCP道集S變換譜相似性的多波地震數(shù)據(jù)橫波波場提取方法，它是一種基于數(shù)據(jù)頻譜相似性分析的自適應(yīng)全頻帶橫波波場提取方法，該方法不會破壞橫波信號的頻譜和時空分布.理論和實際數(shù)據(jù)試算表明，本文方法能夠有效提取多波數(shù)據(jù)中的橫波波場.

1 方法原理

1.1 橫波分量中的縱波投影及去除

多波多分量地震勘探因為測線觀測方向(檢波器接收方向)與各分量地震波的振動方向存在角度，從而產(chǎn)生觀測角度旋轉(zhuǎn)問題，造成接收的各分量信號中包含其他分量信號的投影，各分量信號也會因為自身信號投影到其他分量而產(chǎn)生振幅損失.在地表三分量觀測系統(tǒng)中，縱波的振動方向與縱波接收方向相同，所以縱波分量不存在角度旋轉(zhuǎn)問題；SV 分量和SH分量則因波的振動方向與接收方向存在角度而產(chǎn)生振幅損失，需做角度旋轉(zhuǎn)使它們的振幅恢復(fù)到原始振幅.如圖1所示，Y、Z軸分別代表角度旋轉(zhuǎn)前的SV分量、SH分量，Y′、Z′軸分別代表角度轉(zhuǎn)換后的SV分量和SH分量，ψ為接收方向與振動方向的夾角(可由地震數(shù)據(jù)道頭中信息計算得出)，兩坐標(biāo)系關(guān)系如下：

圖1 三分量的觀測系統(tǒng)角度旋轉(zhuǎn)示意圖Fig.1 The angle rotation diagram of three component geometry

(1)

檢波器會因人為擺放、自身誤差等原因與測線方向產(chǎn)生一定的隨機角度誤差，造成各分量信號在其他分量產(chǎn)生投影(如圖2)，使各分量信號自身產(chǎn)生振幅損失.以圖3所示縱波投影為例，X″、Y″、Z″軸分別代表隨機角度誤差旋轉(zhuǎn)后的縱波、SV波和SH波分量，θx、θy和θz分別代表X″、Y″、Z″軸的隨機誤差角度，X′、Y′、Z′分別代表觀測方位角度旋轉(zhuǎn)后的縱波、SV波和SH波分量，兩坐標(biāo)系關(guān)系如下：

(2)

(3)

圖2 三分量擺放角度旋轉(zhuǎn)示意圖X″、Y″、Z″軸分別代表隨機誤差角度旋轉(zhuǎn)后的P、SV和SH波，X′、Y′、Z′分別代表觀測方位角度旋轉(zhuǎn)后的P、SV和SH分量，θx、θy和θz分別代表X″、Y″、Z″軸的隨機誤差旋轉(zhuǎn)角度.Fig.2 The angle rotation diagram of three component layoutX″, Y″, Z″ axes represent P-, SV- and SH- waves respectively after random error angular rotation, X′, Y′, Z′ axes represent P-, SV- and SH- waves after the rotation of observation azimuth angle, θx, θy and θz represent the random error rotation angle of X″, Y″, Z″ axes.

圖3 單波在各分量上投影示意圖Fig.3 The schematic diagram of single wave projection on each component

多波地震數(shù)據(jù)的縱、橫波間速度差異大，縱波在時間域內(nèi)的振幅、頻率等屬性比較穩(wěn)定.根據(jù)疊加統(tǒng)計效應(yīng)，在CMP道集應(yīng)用縱波速度疊加所得的疊加結(jié)果中，縱波信號的疊加響應(yīng)最強，橫波信號的疊加響應(yīng)為0，因此可視縱波速度疊加所得疊加道為道集內(nèi)縱波信號的疊加結(jié)果，如式(4)：

(4)

式中，i為分量，i∈(X′、Y′、Z′)；x、y、z分別為i分量中的縱波、SV波、SH波；k為道號，k=1,…,N，N為道集中的道數(shù)；Aix為i分量的縱波疊加信號；Aixk、Aiyk、Aizk分別為i分量中各地震道內(nèi)的縱波、SV波、SH波信號；nik為i分量第k道中的隨機噪聲.

由式(4)可知，如果對觀測角度旋轉(zhuǎn)后的多波地震數(shù)據(jù)各分量CMP道集分別應(yīng)用縱波速度動校正，并對CMP道集中地震道減去該道集的縱波疊加道，則各CMP道集內(nèi)縱波疊加結(jié)果為0，相當(dāng)于將縱波波場從多波數(shù)據(jù)中去除；CMP道集內(nèi)各道的縱波信號存在振幅差異，使各道在減去縱波疊加道后會產(chǎn)生殘余縱波，但殘余縱波的疊加結(jié)果為0，與隨機噪聲的疊加結(jié)果相同，因此可將殘余縱波視為隨機噪聲，而SV波和SH波信號不受損失.因此，式(3)可簡化為式(5)：

(5)

在隨機角度誤差較小情況下，式(5)中cosθy和cosθz趨于1、sinθy和sinθz趨于0，式(5)可進一步簡化為式(6)：

(6)

式(6)中可知，在隨機角度誤差較小情況下，做過角度旋轉(zhuǎn)的多波地震數(shù)據(jù)在減去縱波波場后，所得各橫波分量結(jié)果可近似為還原的橫波分量波場.

綜上，對角度旋轉(zhuǎn)后的多波地震數(shù)據(jù)各橫波分量CMP道集應(yīng)用縱波速度動校正，并對CMP道集中各道減去其縱波疊加道，可以有效去除多波地震數(shù)據(jù)中的縱波波場，數(shù)據(jù)中的殘余縱波呈隨機噪聲形態(tài)分布；并且在隨機角度誤差較小情況下，所得各橫波分量結(jié)果可近似為還原的橫波波場.

1.2 橫波速度動校正的CCP道集S變換譜分析

S變換(Stockwell et al.,1996)是介于短時傅里葉變換和小波變換之間的非平穩(wěn)信號分析方法，其與傅里葉譜直接相關(guān)且可逆.由佐普里茲(Zoeppritz)方程可知，相同時刻各道橫波信號振幅是隨偏移距變化的.橫波分量地震數(shù)據(jù)的CCP道集應(yīng)用橫波速度動校正后，各道同時刻樣點代表同一轉(zhuǎn)換點，因此在不考慮各向異性的前提下，它們的S變換譜在頻率分布和相位分布上相同，但振幅不同，它們的關(guān)系為相似關(guān)系.

根據(jù)傅里葉變換的線性性質(zhì)和尺度變換性質(zhì)、傅里葉變換與S變換的關(guān)系、疊加統(tǒng)計原理，多波地震數(shù)據(jù)的橫波分量在做過角度旋轉(zhuǎn)及縱波波場減去后，對其CCP道集應(yīng)用橫波速度動校正，其疊加道的S變換正變換可表示為：

(7)

式中T為時間采樣間隔，k∈[0,N)，j∈[0,N)，N為時間采樣點數(shù)；R為道數(shù)，r為道號；Sr為第r道的橫波信號S變換；Snr為第r道的噪聲S變換，Snr包含隨機噪聲和殘余縱波兩部分.

由式(7)可知，應(yīng)用橫波速度動校正的CCP道集疊加道，其S變換譜中殘余縱波和隨機噪聲的疊加結(jié)果為0，是橫波信號S變換譜的疊加結(jié)果；因為道集內(nèi)各地震道同時刻的S變換譜存在相似性，所以同時刻的疊加道S變換譜與各地震道S變換譜也為相似關(guān)系.

綜上，多波地震數(shù)據(jù)橫波分量CCP道集應(yīng)用橫波速度動校正后，其疊加道由道集內(nèi)橫波信號疊加生成，疊加道的S變換譜為道集內(nèi)各道橫波信號S變換譜疊加而成，同時刻的疊加道S變換譜與各道橫波信號S變換譜為相似關(guān)系.

1.3 濾波器設(shè)計及算法流程

實際多波地震數(shù)據(jù)因地層各向異性、轉(zhuǎn)換點位置、旅行路徑等原因，造成橫波速度動校正后的橫波分量CCP道集中各道同時刻橫波信號產(chǎn)生振幅和相位差異，也使地震道中橫波信號與同時刻疊加道信號的振幅和相位產(chǎn)生差異.因此在設(shè)計濾波器對橫波速度動校正后CCP道集濾波時，在利用各道橫波信號S變換譜與同時刻疊加道S變換譜的相似性提取地震道中橫波信號的同時，還需要考慮同時刻各道橫波信號的各向異性，在濾波結(jié)果中保留各向異性屬性.

本文基于上述思路進行自適應(yīng)濾波器設(shè)計.首先，將地震道振幅水平調(diào)整至疊加道振幅水平，使地震道S變換譜與疊加道S變換譜處于相同振幅水平，便于利用地震道S變換譜與同時刻疊加道S變換譜的相似性進行濾波.然后，根據(jù)同時刻地震道S變換譜中各頻率成分與疊加道S變換譜中對應(yīng)頻率成分的各向異性程度，對地震道S變換譜進行自適應(yīng)濾波，使得在提取地震道中橫波信號的同時，在濾波結(jié)果中保留橫波信號的各向異性屬性.最后，將濾波結(jié)果的振幅水平調(diào)整至濾波前振幅水平，完成保幅處理.濾波器具體設(shè)計如下：

(1)振幅調(diào)整

對地震道和疊加道的主要反射層位分別開小窗口進行振幅統(tǒng)計，分別計算兩道在各對應(yīng)層位窗口的振幅比值系數(shù)，層位間的振幅比值系數(shù)由上下兩層的振幅比值系數(shù)內(nèi)插獲得.將地震道各采樣點振幅乘以振幅比值系數(shù)，使地震道振幅水平調(diào)整至疊加道振幅水平.具體如(8)式：

(8)

式中R為振幅比值系數(shù)，Ac為疊加道振幅，A為地震道振幅，A′為振幅調(diào)整后的地震道振幅，k為振幅統(tǒng)計窗口起始位置，m為振幅統(tǒng)計窗口結(jié)束位置，i、j為采樣點，i∈(k,m),j∈(k,m).

(2)自適應(yīng)濾波器

對疊加道和調(diào)整振幅后的地震道分別做S變換，參考非局部均值濾波方法(王勝春，2018)設(shè)計自適應(yīng)濾波器.自適應(yīng)濾波器包括三個主要參數(shù)：第一個參數(shù)是地震道S變換譜與同時刻疊加道S變換譜的各頻率成分相對距離系數(shù)dijk，用于統(tǒng)計地震道S變換譜與疊加道S變換譜間各頻率成分的振幅差異程度；第二個參數(shù)是根據(jù)相對距離系數(shù)dijk，計算對地震道S變換譜中各頻率成分進行振幅調(diào)整的自適應(yīng)加權(quán)系數(shù)Rijk，用來改善地震道S變換譜與疊加道S變換譜的相似性，去除地震道S變換譜中的殘余縱波和噪聲，提取橫波信號；第三個參數(shù)是加權(quán)系數(shù)Rijk中的各向異性系數(shù)h，通過改變h值的大小調(diào)整加權(quán)系數(shù)Rijk對地震道S變換譜振幅的調(diào)整能力，確保濾波結(jié)果保留地震道中橫波信號的各向異性屬性.各參數(shù)具體如下：

(9)

(10)

式(9)中Sijk為地震道的S變換振幅值,Scjk為疊加道的S變換振幅值，i為道號，j為采樣點，k為頻率，N為采樣點數(shù).式(10)中的h≥1.各向異性系數(shù)h控制加權(quán)系數(shù)的收斂速度和濾波結(jié)果的各向異性程度，濾波結(jié)果與模型道的相對距離系數(shù)不超過h，各向異性系數(shù)h的取值視地震數(shù)據(jù)的各向異性情況而定.h取值越小，所得濾波結(jié)果的各向異性程度越小；h取值越大，所得濾波結(jié)果的各向異性程度越大.

濾波時，以疊加道S變換譜各頻率的實部、虛部與其對應(yīng)的振幅系數(shù)及自適應(yīng)加權(quán)函數(shù)的乘積，作為地震道S變換譜各頻率成分的各向異性屬性，將所得各向異性屬性與疊加道S變換譜中對應(yīng)的實部、虛部相加，即得到濾波結(jié)果Sfijk.以此來提取地震道S變換譜中的橫波成分，消除地震道S變換頻譜中的殘余縱波和噪聲成分，保留地震道的各向異性屬性.具體如下：

(11)

式(11)中的RS為實部振幅系數(shù)，RI為虛部振幅系數(shù)，具體如下：

(12)

對濾波得到的S變換譜反S變換，得到提取的橫波信號.

(3)振幅恢復(fù)

因在濾波前需將地震道的振幅水平調(diào)整至疊加道振幅水平，故濾波結(jié)果的振幅水平與原地震道振幅水平不同，其振幅水平與疊加道振幅水平相同，故需將濾波結(jié)果的各采樣點振幅除以式(8)中對應(yīng)的振幅比值系數(shù)R，使濾波結(jié)果的振幅水平恢復(fù)至濾波前振幅水平.

本文方法的具體算法流程圖如下(圖4)：

(1)輸入做過預(yù)處理的多波地震數(shù)據(jù)，并做縱波速度分析；

(2)對輸入的多波地震數(shù)據(jù)橫波分量CMP道集做縱波速度動校正，并在道集中減去疊加道；

(3)對減去縱波波場的橫波分量CMP道集做縱波速度反動校正，并在CCP道集做橫波速度分析及橫波速度動校正；

(4)對橫波速度動校正后的橫波分量CCP道集內(nèi)地震道做振幅調(diào)整，并對地震道和疊加道做S變換；

(5)以疊加道S變換譜為參考對地震道S變換譜濾波，并對濾波結(jié)果做反S變換和振幅恢復(fù)；

(6)輸出濾波結(jié)果，即在多波地震數(shù)據(jù)中提取的橫波波場.

圖4 算法流程圖Fig.4 The algorithm flow chart

本文方法應(yīng)用前需注意以下事項：

(1)濾波前需對多波地震數(shù)據(jù)做角度旋轉(zhuǎn)、去噪、振幅補償和初至切除等工作，以確保疊加道的信噪比和準(zhǔn)確性.

(2)動校正所用速度場要精準(zhǔn).首先，本文方法通過在地震道中減去縱波疊加道來去除縱波波場，縱波波場去除的精度與縱波速度的精度直接相關(guān)；其次，本文方法以橫波速度疊加道S變換譜為參考，對橫波速度動校正后的地震道做S變換譜濾波，濾波結(jié)果與橫波速度精度直接相關(guān).

(3)考慮到異常振幅噪聲和其他噪聲對疊加道的影響，疊前最好對各道相同時刻采樣點振幅排序，剔除最大值和最小值部分.本文取排序后振幅的中間三分之一部分振幅值進行疊加，以避開噪聲對疊加道的影響，具體如式(13).

(13)

式中Am為疊加信號，Ami為振幅排序后的振幅序列，非原振幅序列，i為道號，m為采樣點.

2 理論數(shù)據(jù)試算

本文使用彈性波有限差分正演模擬得到的P-SV多波地震數(shù)據(jù)進行試算.道集數(shù)據(jù)濾波過程及結(jié)果見圖5.圖5a為多波地震數(shù)據(jù)應(yīng)用縱波速度動校正后的CMP道集，道集中1000 ms、1700 ms、2400 ms、2900 ms四組水平同相軸反射波組為縱波反射，呈雙曲線形態(tài)分布的波組為轉(zhuǎn)換橫波；圖5b為圖5a數(shù)據(jù)中各地震道減去縱波疊加道后結(jié)果，四組縱波反射在圖5b中得到很好去除，尤其2400 ms處的縱波波組在縱波波場減去前嚴重壓制了與其相交的橫波波組，減去縱波波場后，該組橫波的信噪比和連續(xù)性得到明顯改善.圖5c為減去縱波波場后的橫波分量CCP道集應(yīng)用橫波速度動校正后結(jié)果，圖中可見明顯的縱波殘余，其能量主要集中在近道.圖5d為圖5c數(shù)據(jù)經(jīng)本文方法濾波的結(jié)果，經(jīng)本文方法濾波后，數(shù)據(jù)中的殘余縱波得到去除，橫波波場得到有效提取，各組橫波反射的振幅特征得到了保留.

圖6為濾波前后地震道及疊加道的S變換譜.圖6a—d分別為圖5c(濾波前)道集中第27、37、60、70道的S變換譜，圖6f—i分別為圖5d(濾波后)道集中第27、37、60、70道的S變換譜，圖6e為疊加道的S變換譜.道集中有1450 ms、2300 ms、3250 ms、3950 ms四組SV波，圖6的S變換譜中a、d、f和i所在地震道因為動校拉伸切除而缺少淺層1450 ms處SV波，因此它們的S變換譜也缺少該層的S變換譜.因濾波是以同時刻疊加道S變換譜為參考對地震道S變換譜進行濾波，所以在這些地震道的濾波過程中，該層S變換譜的缺失不影響其他層位的濾波.濾波前，圖6a—d的S變換譜中均存有較強噪聲，其中圖6b和圖6c的S變換譜中，3250 ms、3950 ms兩組SV波的S變換譜基本淹沒在噪聲中；與疊加道S變換譜(圖6e)對比，各道的SV波S變換譜在疊加道S變換譜中均有對應(yīng)，并且地震道S變換譜中的噪聲在疊加道S變換譜中得到有效去除.對比濾波前后各道的S變換譜，濾波后各道的SV波S變換譜得到有效提取，殘余縱波和噪聲得到有效分離.

圖5 多波數(shù)據(jù)道集提取橫波波場示意圖(a) P波速度動校正的CMP道集； (b)(a) 圖數(shù)據(jù)減去疊加道后； (c) 減去P波后的橫波速度動校正CCP道集； (d)(c) 圖數(shù)據(jù)應(yīng)用本文方法濾波結(jié)果.Fig.5 The schematic diagram of S-wave field extraction from multi-wave data gathers(a) CMP gathers after P-wave velocity NMO；(b) After subtracting stack trace from (a) data；(c) The CCP gathers of S-wave velocity NMO after P-wave subtraction；(d) The filtering results of (c) data by this method.

圖6 濾波前后地震道及疊加道的S變換譜(a) 濾波前第27道； (b) 濾波前第37道； (c) 濾波前第60道； (d) 濾波前第70道； (e) 疊加道； (f) 濾波后第27道； (g) 濾波后第37道； (h) 濾波后第60道； (i) 濾波后第70道.Fig.6 S-transform spectrum of stack trace and seismic traces before and after filtering(a) The 27th trace before filtering； (b) The 37th trace before filtering； (c) The 60th trace before filtering； (d) The 70th trace before filtering； (e) The stack trace; (f) The 27th trace after filtering； (g) The 37th trace after filtering； (h) The 60th trace after filtering； (i) The 70th trace after filtering.

圖7 橫波波場提取疊加剖面圖(a) 多波地震數(shù)據(jù)的縱波速度疊加剖面; (b) 多波地震數(shù)據(jù)的橫波速度疊加剖面; (c) 減去縱波波場后的橫波速度疊加剖面; (d) c剖面疊前數(shù)據(jù)應(yīng)用本文濾波方法提取的SV波波場數(shù)據(jù)疊加剖面.Fig.7 The stack section map extracted from S-wave field(a) The stack section of multi-wave seismic data by P-wave velocity; (b) The stack section of multi-wave seismic data by S-wave velocity; (c) The stack section of wavefield subtracted P-wave field by S-wave velocity; (d) The stack section of SV-wave field data extracted from the pre-stack data of section c by this method.

圖8 SV分量角度旋轉(zhuǎn)前(a)、后(b)對比Fig.8 The comparison diagram of SV component before (a) and after (b) angular rotation

圖9 SV分量提取SV波波場圖(a) P波速度動校正的CMP道集; (b) a數(shù)據(jù)減去P波后的CMP道集; (c) 減去P波波場的SV分量地震數(shù)據(jù)應(yīng)用橫波速度動校正的CCP道集; (d) c數(shù)據(jù)濾波結(jié)果.Fig.9 The wavefield diagram of SV-wave extracted from SV component(a) The CMP gather after NMO by P-wave velocity; (b) The CMP gather subtracting P-wave from data a; (c) The CCP gather after NMO by S-wave velocity from SV component seismic data subtracting P-wave wavefield; (d) The filter result of data c.

圖10 SV分量提取SV波波場疊加剖面(a) SV分量的縱波速度疊加剖面; (b) SV分量的橫波速度疊加剖面; (c) 減去P波波場后的SV分量CCP道集應(yīng)用橫波速度動校正的疊加剖面; (d) c剖面疊前數(shù)據(jù)濾波提取的SV波波場數(shù)據(jù)疊加剖面.Fig.10 The stack section of SV-wave extracted from SV component(a) The stack section of SV-component by P-wave velocity; (b) The stack section of SV-component by S-wave velocity; (c) The stack section of CCP gather of SV component after subtracting P-wave field by S-wave velocity NMO;(d) The stack section of SV-wave field data extracted from the pre-stack data of section c.

圖7為橫波波場提取過程的各步疊加剖面.圖7a為多波地震數(shù)據(jù)SV分量應(yīng)用縱波速度疊加生成的剖面，剖面上的四組波組為縱波疊加生成，剖面上無SV波成像；圖7b為SV分量應(yīng)用橫波速度疊加生成的剖面，剖面上有八組波組，與圖7a波組對應(yīng)的四組波組為縱波成像生成，另外四組為SV波疊加生成，圖7b表明多波地震數(shù)據(jù)橫波分量中的縱波投影對SV波成像有嚴重影響，尤其2400 ms處縱波波組與SV波波組嚴重交織而無法區(qū)分；圖7c為縱波波場減去后的SV分量應(yīng)用橫波速度疊加生成剖面，剖面中的縱波波組雖然得到去除，但仍有殘余縱波成像，依然對SV波成像產(chǎn)生影響；圖7d剖面為圖7c剖面的疊前數(shù)據(jù)應(yīng)用本文方法提取SV波波場的疊加剖面，應(yīng)用本文方法后，圖7c剖面中的殘余縱波成像在圖7d中得到了完全去除.理論數(shù)據(jù)試算表明，本文方法可以有效提取多波地震數(shù)據(jù)中的橫波波場.

3 實際數(shù)據(jù)試算

本文選取一條二維三分量多波地震數(shù)據(jù)進行試算，對該數(shù)據(jù)進行SV分量波場和SH分量波場的提取，以驗證本文方法的橫波波場提取能力.

圖8為SV分量數(shù)據(jù)角度旋轉(zhuǎn)前后對比.圖8a為角度旋轉(zhuǎn)前炮集記錄，圖8b為角度旋轉(zhuǎn)后炮集記錄.1000～1200 ms、1200～1600 ms兩組SV波的相位、連續(xù)性和波組特征，在角度旋轉(zhuǎn)后明顯變好.

圖9為SV分量道集數(shù)據(jù)濾波過程及結(jié)果.圖9a為縱波速度動校正后的CMP道集，圖9b為圖9a數(shù)據(jù)減去縱波波場后數(shù)據(jù)；圖9c為SV分量地震數(shù)據(jù)去除縱波波場后，應(yīng)用橫波速度動校正的CCP道集數(shù)據(jù)，圖9d數(shù)據(jù)為圖9c數(shù)據(jù)應(yīng)用本文方法的濾波結(jié)果.

圖10為SV波波場提取過程的各步疊加剖面.圖10a為SV分量CMP道集地震數(shù)據(jù)應(yīng)用縱波速度疊加所得剖面，圖10b為SV分量CCP道集地震數(shù)據(jù)應(yīng)用橫波速度疊加所得剖面，圖10c為減去縱波波場后的SV分量CCP道集應(yīng)用橫波速度疊加所得剖面，圖10d剖面為圖10c剖面的疊前數(shù)據(jù)應(yīng)用本文方法所得數(shù)據(jù)疊加生成.

綜合對比分析圖9和圖10可見，對SV分量CMP道集應(yīng)用縱波速度疊加，所得疊加剖面(圖10a)在1800 ms處存在一組高信噪比的殘余縱波成像，在CMP動校道集的對應(yīng)時間(圖9a)也存在明顯的縱波反射；減去縱波波場后，在縱波速度CMP動校道集中，縱波波場基本得到去除(圖9b)，在CCP道集應(yīng)用橫波速度疊加所得橫波疊加剖面的信噪比得到有效提高，在縱波波場減去前(圖10b)剖面上CCP8900～9200段2000 ms以上的信噪比極低，縱波波場減去后(圖10c)的該段剖面信噪比得到顯著提高；對縱波波場減去后的CCP道集地震數(shù)據(jù)應(yīng)用本文方法濾波后，道集數(shù)據(jù)(圖9d)和疊加剖面(圖10d)的信噪比得到進一步提升.因此，本文方法可有效提取多波地震數(shù)據(jù)中的SV分量波場.

圖11為SH分量道集數(shù)據(jù)濾波過程及結(jié)果.圖11a為縱波速度動校正后的CMP道集，圖11b為圖11a數(shù)據(jù)減去縱波波場后數(shù)據(jù)；圖11c為SH分量地震數(shù)據(jù)去除縱波波場后，應(yīng)用橫波速度動校正的CCP道集數(shù)據(jù)，圖11d數(shù)據(jù)為圖11c數(shù)據(jù)應(yīng)用本文方法濾波后結(jié)果.

圖12為SH波波場提取過程的各步疊加剖面.圖12a為SH分量CMP道集地震數(shù)據(jù)應(yīng)用縱波速度疊加所得剖面，圖12b為SH分量CCP道集地震數(shù)據(jù)應(yīng)用橫波速度疊加所得剖面，圖12c為減去縱波波場后的SH分量CCP道集應(yīng)用橫波速度疊加所得剖面，圖12d剖面為圖12c剖面的疊前數(shù)據(jù)應(yīng)用本文方法所得數(shù)據(jù)疊加生成.

綜合對比分析圖11和圖12可見，對SH分量CMP道集應(yīng)用縱波速度疊加，所得疊加剖面(圖12a)在1800～2700 ms處存在多組殘余縱波成像，在CMP動校道集上對應(yīng)時間的縱波反射不明顯(圖11a)；減去縱波波場后，縱波速度CMP動校道集變化不明顯(圖11b)，但在CCP道集應(yīng)用橫波速度疊加的剖面上信噪比得到明顯改善，減去縱波波場后的疊加剖面(圖12c)上1800～2700 ms處的信噪比，較減去前疊加剖面(圖12b)有明顯提高；對縱波波場減去后的CCP道集地震數(shù)據(jù)應(yīng)用本文方法濾波后，道集數(shù)據(jù)(圖11d)和疊加剖面(圖12d)的信噪比得到進一步提升.因此，本文方法可有效提取多波地震數(shù)據(jù)中的SH分量波場.實際三分量多波數(shù)據(jù)試算結(jié)果表明，本文方法可以有效提取多波多分量地震數(shù)據(jù)中的橫波波場.

4 結(jié)論

經(jīng)理論多波地震數(shù)據(jù)和實際三分量多波地震數(shù)據(jù)試算驗證，本文所提基于CCP道集S變換譜相似性的多波地震數(shù)據(jù)橫波波場提取方法，可有效提取多波地震數(shù)據(jù)或多波多分量地震數(shù)據(jù)中的橫波波場.

根據(jù)試算過程的數(shù)據(jù)分析和試算結(jié)果，對于多波多分量地震數(shù)據(jù)的縱橫波波場分離，本文得出如下結(jié)論：

(1)多波多分量地震數(shù)據(jù)即使做過角度旋轉(zhuǎn)，各橫波分量信號中仍殘存有相當(dāng)比例的縱波信號投影，這些縱波投影會對橫波信號的成像產(chǎn)生影響.

(2)對橫波分量CMP道集地震數(shù)據(jù)應(yīng)用縱波速度動校正，并在地震道中減去疊加道，可有效去除橫波分量中的縱波投影，但數(shù)據(jù)中仍有以隨機噪聲形態(tài)分布的殘余縱波，殘余縱波的存在也會對橫波信號的成像產(chǎn)生影響.

(3)橫波速度動校正后的CCP道集內(nèi)，地震道中的橫波信號S變換譜與疊加道S變換譜存在相似性，利用這種相似性對減去縱波波場后的橫波分量進行自適應(yīng)濾波后，可有效提取多波地震數(shù)據(jù)中的橫波波場、去除殘余縱波.

圖11 SH分量提取SH波波場圖(a) P波速度動校正的CMP道集; (b) a數(shù)據(jù)減去P波后的CMP道集; (c) 減去P波波場的SH分量地震數(shù)據(jù)應(yīng)用橫波速度動校正的CCP道集; (d) c數(shù)據(jù)濾波結(jié)果.Fig.11 The wavefield diagram of SH-wave extracted from SH component(a) The CMP gather after NMO by P-wave velocity; (b) The CMP gather subtracting P wave from data a; (c) The CCP gather after NMO by S-wave velocity from SH component seismic data subtracting P-wave wavefield; (d) The filter result of data c.

圖12 SH分量提取SH波波場疊加剖面(a) SH分量的縱波速度疊加剖面; (b) SH分量的橫波速度疊加剖面; (c) 減去P波波場后的SH分量CCP道集應(yīng)用橫波速度動校正的疊加剖面; (d) c剖面疊前數(shù)據(jù)濾波提取的SH波波場數(shù)據(jù)疊加剖面.Fig.12 The stack section of SH-wave extracted from SH component(a) The stack section of SH-component by P-wave velocity; (b) The stack section of SH-component by S-wave velocity; (c) The stack section of CCP gather of SH component after subtracting P-wave field by S-wave velocity NMO;(d) The stack section of SH-wave field data extracted from the pre-stack data of section c.