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2024 , Vol. 39 >Issue 5: 1951 - 1962

DOI: https://doi.org/10.6038/pg2024HH0498

Research on the application of mixed source data matching processing technology in 3D seismic exploration of coal field

  • Lian LIU , 1 ,
  • Song CHEN , 2, * ,
  • YuLing WANG 1 ,
  • YiFei XIAO 1 ,
  • HongBo YUE 3
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  • 1 Geological Exploration Technologies Institute of Anhui Province(Energy Exploration Center of Bureau of Geologyl and Mineral Exploration of Anhui Province), Hefei 230031, China
  • 2 Wuhan Center of Geological Survey(Central South China Innovation Center for Geosciences), Wuhan 430205, China
  • 3 Jiangsu Coal Geological Geophysical Prospecting Measure Team, Nanjing 210046, China

Received date: 2024-01-06

  Online published: 2024-12-19

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Copyright ©2024 Progress in Geophysics. All rights reserved.
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Abstract

A coal mine in Huaibei, Anhui Province, is carrying out a 3D seismic survey of the coalfield, using a combination of explosive seismic source and vibroseis to collect seismic data. There are differences in phase, frequency and signal-to-noise ratio between two sources, especially in the same offset take-off time of two sources. In order to solve this problem, first, we investigate the polarity of two kinds of vibroseis, reverse the polarity of vibroseis, make the polarity of the two kinds of vibroseis keep the same on the phase of data acquisition, and then use the matched filtering technology, the data of vibroseis are processed by matching filter, so that the two vibroseis keep the same phase and frequency, and the first arrival of vibroseis is easy to be identified and picked up automatically. The same offset take-off time of two kinds of vibroseis data after matching processing is investigated, and it is found that the two kinds of data have large systematic time difference, The first break is picked up after the time difference correction of the vibroseis data. Finally, the tomographic statics method is used to solve the statics problems caused by near-surface and time difference correction in the exploration area. After polarity reversal, matched filtering, time difference correction and tomographic static correction, the continuity of coal seam wave group at different seismic source splicing is improved, it lays a good foundation for the further processing of the later data, and the application effect is good. The method used in this paper will be the key technology of mixed source acquisition data processing, which has important research significance and application value.

Key words： Explosive source; Vibroseis; Matched filtering; Time difference correction; Tomographic static correction; Coal exploration

Cite this article

Lian LIU , Song CHEN , YuLing WANG , YiFei XIAO , HongBo YUE . Research on the application of mixed source data matching processing technology in 3D seismic exploration of coal field[J]. Progress in Geophysics, 2024 , 39(5) : 1951 -1962 . DOI: 10.6038/pg2024HH0498

0 引言

地震资料处理过程中，经常会对不同震源地震数据同时解编处理.目前在实际数据处理中对于混合震源数据不一致性问题主要采用最小相位化、子波一致性匹配滤波、极性反转和相位调整等技术.Brötz等(1987)在脉冲信号和可控震源信号进行匹配时，提出双侧递推(TSR)整形滤波法实现炸药震源向可控震震源信号的匹配.Harper(1991)提出最小二乘逼近法解决不同地震数据拼接问题.Kang等(2000)根据频谱分析来对不同数据进行频率和相位校正.邬达理等(2006)等提出叠前串联匹配滤波技术，通过逐步逼近法实现不同震源一致性处理.向晓丽等(2010)使用子波匹配滤波和剩余静校正技术消除不同震源之间的差异.尚新民(2014)根据高阶统计理论研究来提出子波，认为炸药震源与可控震源存在90°左右的相位差，通过相位校正来解决两种震源拼接处不一致问题.高少武等(2015)采用匹配滤波技术很好解决两个数据衔接处不一致问题.邹云超(2015)在煤田地震资料中使用子波一致性校正方法解决两种震源激发和两种检波器接收资料不一致问题.王敏(2017)在江汉平原海相大剖面拼接处进行时差调查和极性调查，然后应用匹配滤波技术解决不同震源相位频率差异问题.梁鸿贤(2018)利用不同震源的初至波信息进行匹配滤波，实现两种相位一致性，该方法相对于常规极性反转效果更明显.曾华会等(2021)在对混合震源处理时，先使用匹配滤波技术，然后提出叠前剩余时差校正的方法，取得较好效果.陈习峰等(2022)使用最小相位化校正和基于模型的静校正完成不同震源数据的相位和时差校正，提高资料成像质量.张高(2022)在基于GeoEast处理系统对于混合震源资料使用振幅调整、最小相位化和匹配滤波等关键技术，使得剖面一致性得到改善.
本文在安徽淮北某煤矿进行三维地震勘探时，由于勘探区内村庄和公路较多，在农田使用炸药震源激发，在村庄附近使用可控震源激发.两种震源交替施工，相互补充，提高了施工效率，保证资料的品质，完成施工任务.但在后期资料连片处理过程中会发现两种地震资料由于激发方式、接收设备和采集时间的影响，单炮在相位、频率、极性和起跳时间上存在较大差异，拼接处无法实现同相轴叠加，严重影响资料信噪比，导致资料出现假构造.
针对以上问题，本次三维煤田勘探混合震源资料匹配处理过程中，分析不同震源极性，将可控震源极性进行反转来达到与炸药震源极性一致性的要求，然后使用匹配滤波技术，减小不同震源在频率和相位上的差异.分析不同震源起跳时间，对可控震源数据进行时差校正.最后进行初至拾取和层析静校正处理，经过上述方法处理后使得不同震源拼接处煤层地震波组连续性得到改善，效果明显.

1 方法介绍

1.1 匹配滤波

地震记录是地震子波和地层界面反射系数的褶积及噪声构成(张旭东，2014)，同一工区地下地质体反射系数序列相同，不同震源激采集地震数据差异主要是震源子波差异造成.因此，解决不同震源数据子波一致性问题，就能减少不同震源资料差异.匹配滤波在混合震源地震资料处理中应用比较广泛，该方法能较大限度减少两种震源在频率和相位上的差异.已知可控震源地震道子波序列是xi(t)，同一位置炸药震源地震道子波序列是zi(t)，需要求出匹配算子mi(t), 期望输出误差ei(t)(朱伟强等，2006；左海等，2008)，则有：
用E表示误差总能量，则有：
应用最小二乘法原理(Bishop and Nunns，1994)，使误差能量E对mi(t)的偏导为零，即：
可以求得mi(t)的托布利兹矩阵方程：
式中Rxx是xi(t)的自相关函数矩阵；Rzx是期望输炸药震地震道子波与可控震源地震道子波互相关函数矩阵；M是匹配滤波算子向量，解式(4)就能得到可控震源的匹配算子mi(t)，将匹配算子对所有可控震源地震道做褶积运算(Grimm et al., 1999)，从而实现可控震源向炸药震源的匹配.

1.2 时差校正

不同震源由于激发方式，工作参数及地层岩性的影响，经过匹配滤波处理后如果仍存在较大时差，就必须做时差校正.本文时差校正实现过程是计算中间激发炸药震源和可控震源单炮最小偏移距地震道初至起跳时间，分别计算炸药震源和可控震源初至平均起跳时间，将两种震源时差应用到可控震源单炮数据上.
初至时间计算采用长短时窗均值比STA/LTA(Short-Term to Long-Term Average)的方法，该方法原理简单，速度快，实用性强被广泛应用到地震数据的初至拾取(刘晗和张建中，2014；段建华等，2015；邱磊和李彩华，2023)，给定一个长时窗，在次窗口内取一个短时窗，两个时窗的终点重合在地震道上滑动，分别计算段时窗振幅值STA和长窗口振幅值LTA，设定一个阈值R，当达到该阈值则判定为初至起跳时间，表达式为：
式中X(i)表示短时窗内数据；Y(j)表示长时窗内数据；M和N表示窗口内的样点数.
统计所有震源最小偏移距地震道初至起跳时间，将异常值进行剔除，然后分别计算炸药震源平均初至起跳时间Ts和可控震源平均初至起跳时间Tk，得到两种震源系统时差Δt，表达式为：
将式中Δt应用到可控震源单炮上实现可控震源向炸药震源的时差校正.

1.3 层析静校正

层析静校正一般基于射线追踪理论(Klimeš and Kvasnička，1994；Julian and Gubbins, 1977；Alkhalifah，2002)，利用初至信息反演近地表速度模型，然后根据反演出近地表速度模型计算炮点检波点静校正量. 层析静校正初至能充分利用折射波、直达波等初至信息(王淑玲，2012)反演出近地表速度的纵横变化.层析速度反演是先给定一个初始速度模型，对速度模型进行网格划分，计算初至波的射线路径和传播时间，将模型计算出的初至时间和实际拾取的初至时间比较会得到一个剩余时差，用剩余时差对初始速度模型进行修正，多次迭代后，模拟算出的走时与实际走时差小于设定阈值时，就能得到反演速度模型(周衍和饶莹，2019).近速度模型反演走时方程公式为：
式中R(v)是射线路径，v(x, z)是速度模型函数，求解公式(7)中走时t，用实际初至走时减去理论走时得到残差，对速度模型进行修正，得到最终速度模型(张林等，2017).
近地表速度模型反演出来就能计算炮点校正量Δs和检波点校正量Δr，表达式为：
式中Ed是终基准面高程，Es和Er是炮点和检波点高程，Hs和Hr分别是炮点和检波点低降速带厚度，Vs和Vr分别是炮点和检波点低降速带速度，V是下伏高速层速度，通常作为替换速度(任丽莹等，2021；樊骐铖等，2023).

2 研究区背景

本次勘探区煤矿位于淮北煤田中西部，地处淮河流域冲积平原，地势平坦，地表高程一般为32 m左右，潜水位约5~8.0 m.淮北地区属淮河流域，萧濉新河是淮北市主要干流，矿区附近的洪河及其支流均汇入其中.图 1是勘探区位置图，勘探区内建筑物稠密，公路河流等障碍面积大，范围广，给三维观测系统设计和震源布置带来极大困难，因此采用不同震源混合激发施工进行地震数据的采集，在农田使用炸药震源激发，沿着村庄、河流和公路使用可控震源进行补充.
图1 勘探区位置图

Figure 1 Location map of exploration area

3 实际资料应用效果

3.1 原始资料分析

本次工区共采集1892炮，其中炸药震源1288炮，可控震源604炮，炸药震源药量2 kg，井深15 m，可控震源扫描频率10~100 Hz，扫描长度10 s，震动次数2次，检波器记录长度2 s，采样率0.5 ms.图 2是本次三维观测系统野外布线图，红色代表检波点分布，绿色是炸药震源分布，蓝色表示可控震源分布，三维地震数据采集面积达2.92 km2，满覆盖面积约1.7 km2.表 1是本次勘探区三维观测系统参数.
图2 三维地震测线布置图

Figure 2 3D seismic line layout

表1 三维测线观测系统参数表

Table 1 Parameter table of three-dimensional line observation system

观测系统类型 规则束状14线27炮中间激发
接收道数/道 128×14=1792
检波线数/条 14
接收道距/m 10
检波线距/m 60
叠加次数 8×9=72次(纵向8次，横向9次)
CDP网格/(m×m) 5×10
纵向最大炮检距/m 640
横向最大炮检距/m 770
纵向最小炮检距/m 0
横向最小炮检距/m 10
炮点工作量/炮 1892
炸药震源能量强，震源衰减快，能产生高度集中的脉冲信号.图 3是本次采集的炸药震源原始单炮，单炮频带较宽，频率在5~120 Hz，单炮初至时间清楚，正相位起跳.可控震源是把具有相同相位，不同频率成分正弦信号的叠加后的信号向地下发射, 由采集接收器接收, 最后经过相关器相关后得到有限带宽地震信号.图 4是可控震源采集单炮原始记录及频率谱频率在10~100 Hz，部分初至起跳不太清楚，负相位起跳.根据原始单炮对比可以发现可控震源和炸药震源频率和相位存在差异，相同测线近偏移距起跳时差较大，两种震源整体主频比较接近.
图3 炸药震源采集单炮及频率

Figure 3 Single shot and frequency of explosive source

图4 可控震源采集单炮及频率

Figure 4 Single shot and frequency of vibroseis

3.2 匹配滤波效果分析

可控震源激发采集数据一般是零相位子波，而炸药震源子波是混合波，但具有最小相位特征，通常认为是最小相位子波(高少武等, 2009a, b).在地震资料处理过程中需要进行反褶积处理，而反褶积理论基础就是最小相位子波，所以对于不用震源地震数据进行处理时，首先将可控震源数据进行子波一致性匹配滤波处理.
可控震源原始道集上有一道辅助道，上面记录的是可控震源自相关以后得到本次勘探区采集数据的零相位子波.如果原始数据没有提供零相位子波，可以在原始数据提取零相位子波(Carrion et al., 1990；Kagansky and Loewenthal, 1993)，然后对可控震源子波做最小相位化处理.同样在炸药震源信噪比较高的数据上提取最小相位子波，以炸药震源子波作为参考，求出子波匹配滤波算子，将滤波算子应用到可控震源数据上，使得可控震源与炸药震源在频率相位上的差异最大程度减少.图 5a是可控震源零相位子波，可以看出零相位子波波峰在中心位置，图 5b是炸药震源子波，最小相位子波中心是向上起跳位置.图 5c是可控震源进行子波匹配滤波后子波显示，可以看出可控震源经过子波一致性处理后两种震源相位差异变小，图 6是反褶积处理后子波显示，可以看出两种震源子波一致性更强.图 7是匹配滤波前后可控震源单炮显示，可以看出匹配滤波后可控震源单炮初至分叉现象减小，初至更易于识别和自动拾取.
图5 子波显示

(a)可控震源子波；(b)炸药震源子波；(c)匹配滤波后可控震源子波.

Fig 5 Wavelet display of different sources

(a)Vibroseis wavelet; (b)Explosive vibroseis wavelet; (c)Vibroseis wavelet after matched filtering.

图6 反褶积后子波

(a)反褶积后炸药震源子波；(b)反褶积后可控震源子波.

Fig 6 Wavelet display after deconvolution

(a)Explosive source wavelet after deconvolution; (b)Vibroseis wavelet after deconvolution.

图7 匹配滤波前后可控震源单炮显示

(a)匹配滤波前单炮；(b)匹配滤波后单炮.

Fig 7 Single shot display of vibroseis before and after matching filter

(a)Single shot before matching filter; (b)Single shot after matching filter.

3.3 时差校正效果分析

可控震源是地表激发，可控震源信号在向下传播过程中受到低速带和降速带的影响较大.炸药是井中激发，一般在高速层激发，本次勘探区炸药震源的平均井深是15 m.图 8a图绿线是炸药震源原始单炮最小偏移距起跳时间显示，起跳时间大约是25 ms，图 8b绿线是相邻可控震源单炮最小偏移距起跳时间显示，起跳时间大约是50 ms，可以发现两种震源存在较大时差，无法进行同相轴叠加.
图8 不同震源最小偏移距起跳时间

(a)炸药震源；(b)可控震源.

Figure 8 The minimum offset take-off time of different sources

(a)Explosive source; (b)Vibroseis.

按照正常地震资料处理流程可控震源极性反转及子波匹配滤波后，就能和炸药震源一起做静校正处理，本次在静校正处理过程静校正前后剖面有改善，但是不同震源连接处静校正效果不明显，仍无法实现同向叠加.于是将两种震源的静校正后数据分别进行叠加，找出信噪比较高且重叠的叠加段进行比较发现同一层位仍然有一定时差，这是导致静校正处理后仍无法同向叠加的原因.如果简单将两种震源叠加剖面时差应用到叠前数据，叠加效果仍然不理想.两种震源经过极性反转和匹配滤波处理后仍存在较大时差.根据本次勘探区微测井调查，炸药震源和可控震源由于井深影响时差应该在7 ms左右, 而本次相位起跳时差在20 ms左右，说明两种震源存在系统时差，需要将可控震源单炮进行时差校正.图 9a是炸药震源叠加剖面，图 9b混合震源叠加剖面，可以看出直接叠加拼接处资料同相轴能量变弱，图 9c是对可控震源时差校正后叠加剖面，可以看出同相轴叠加能量增强.
图9 叠加剖面显示

(a)炸药震源叠加；(b)混合震源叠加；(c)时差校正后叠加剖面.

Fig 9 Stacking section

(a)Explosive source stacking section; (b)Mixed source stacking section; (c)Time difference corrected stacking section.

3.4 层析静校正效果分析

本次勘探区地表最小高程为28 m，最大高程为44 m，由于表层沉积条件不稳定，表层结构、低降速带厚度的变化，因此存在一定的静校正问题.
静校正的基础在于初至的拾取，图 10a是可控震源匹配滤波前单炮初至显示，图 10b是匹配滤波后初至显示，可以看出经过匹配滤波后可控震源初至能量更加集中，易于识别和自动拾取.图 10c炸药震源单炮初至显示，图 10d炸药震源单炮极性反转初至显示，由于炮集负起跳能量强，本次所有炮集极性反转以后进行初至拾取，炸药震源和可控震源在初至相位拾取上达成一致.
图10 初至显示

(a)可控震源初至；(b)可控震源匹配滤波后初至；(c)炸药震源原始初至；(d)炸药震源极性反转后初至.

Fig 10 First break shows

(a)First arrival of vibroseis; (b)First arrival of vibroseis after matched filtering; (c)First arrival of explosive source; (d)First arrival of explosive source after polarity reversal.

实际处理中，先将可控震源经过极性调整、匹配滤波和时差校正后进行初至拾取.根据对原始资料的分析可以发现本次资料单炮直达波、折射波初至信息丰富，常规折射静校正难以解决该地方静校正问题，于是采用层析反演来建立近地表速度模型.图 11本次勘探区inline80线层析反演的速度模型，本工区地表起伏不大，但低速带横向变化明显，高速顶界面速度大概2000 m/s.图 12是层析静校正前后剖面效果，图 12a是原始叠加剖面，图 12b是将两种震源不经过处理直接做静校正的剖面，静校正后剖面连续有所改善，但是拼接处波组连续较差，仍然不好同相轴追踪.图 12c是将可控震源进行极性反转、匹配滤波和时差校正的剖面，图 12d是在图 12c的基础上使用层析静校正，通过叠加对比可以看出原始资料叠加效果改善明显，叠加剖面同相轴更加连续可追踪.
图11 层析静校正速度模型

Fig 11 Tomographic static correction velocity model

图12 层析静校正前后叠加剖面显示

(a)原始叠加；(b)静校正叠加；(c)时差校正后叠加；(d)时差校正+静校正叠加.

Fig 12 Stacking sections before and after tomographic static correction

(a)Original stacking section; (b)Static correction stacking section; (c)Time difference correction stacking section; (d)Time difference correction+static correction stacking section.

4 结论

由于煤田勘探区使用不同震源交替施工时，地震资料在相位、频率、能量和时差等方面存在较大差异，使得拼接处地震数据无法同相轴叠加.本文在对混合震源地震资料处理时，得出以下结论：
(1) 在实际资料处理过程中，要分析不同资料特点选择合适处理方法和流程.
(2) 本次煤田三维地震勘探，将可控震源地震数据进行匹配滤波后，仍无法同相叠加，于是对两种同震源进行相位极性和时差调查，对可控震源单炮进行了相位极性和时差调整.
(3) 用层析静校正方法来消除该区域低速带和时移引起的静校正问题，使得不同震源拼接处煤层相位波组更加连续，易于层位追踪.

感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！

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