專利名稱：：一種分形地震波初至拾取的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種在油氣勘探中自動(dòng)拾取地震初至波的技術(shù)，具體地說(shuō)涉及一種分形地震波初至拾取的方法。
背景技術(shù)：
：自從Mandelbrot(1967)在Sciences上發(fā)表了名為英國(guó)的海岸線有多長(zhǎng)的著名文章之后，分形理論開始得到廣泛地研究。一個(gè)幾何形體的維數(shù)不再局限于整數(shù)，而是擴(kuò)展到了分?jǐn)?shù)范圍。Mandelbort(1982)在他的經(jīng)典著作中描述了海岸線的測(cè)量方法之后，分形學(xué)以海岸線的幾何形態(tài)為例，發(fā)展了關(guān)于曲線的分維的計(jì)算方法(FalconerK.J.,1990)。近年來(lái)，分形學(xué)滲透到地震勘探研究領(lǐng)域，地震記錄可以被看作為一條曲線，利用改變粗視化(roughness)程度的方法(Feder，1988)可以對(duì)地震記錄進(jìn)行分維計(jì)算，根據(jù)分維的變化特征可以判別地震波的初至走時(shí)(Boschettietal.,1996)。地震記錄的維數(shù)被定義在大于1小于2的范圍內(nèi)。利用地震道分維的變化判別地震初至波的依據(jù)是，地震記錄上初至波到達(dá)之前，分維數(shù)值為常數(shù)，從初至波到達(dá)時(shí)刻起，分維數(shù)值開始發(fā)生變化(Boschettietal.,1996)。但是當(dāng)?shù)卣鹩涗洿嬖谝欢ǖ脑肼晻r(shí)，地震記錄的分維在初至波到達(dá)之前不可能是常數(shù)。因此，分形算法在遇到強(qiáng)噪聲背景地震記錄時(shí)，存在如何提高算法的抗噪聲能力的問(wèn)題。本發(fā)明針對(duì)這一問(wèn)題引進(jìn)廣義分維的概念，大大提高了分形算法的抗噪聲能力。在經(jīng)典分形理論中，地震記錄的分維變化區(qū)間是[1，2]，在廣義分維的范疇，地震記錄分維數(shù)值的變化區(qū)間可以擴(kuò)展到[O,>2)。此時(shí)維數(shù)不再有物理意義，而僅僅指示了地震記錄在某種測(cè)量方式下的相對(duì)特征值。這一相對(duì)特征值為本發(fā)明拾取高噪聲背景下的地震初至波走時(shí)，甚至反射波走時(shí)，提供了極為方便的定量依據(jù)。準(zhǔn)確拾取地震波走時(shí)是地震勘探以及地震層析成像方法中計(jì)算速度的重要依據(jù)。地球表面的未壓實(shí)層和風(fēng)化層相對(duì)于較深部的固結(jié)層和巖石層的速度存在相當(dāng)大的差異，表層厚度及速度的估算直接影響其下覆地層速度估算的準(zhǔn)確性，所以正確拾取地震波初至走時(shí)在表層厚度及速度計(jì)算中意義重大。由于表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及人們對(duì)表層估算精度要求的不斷提高，對(duì)地震波初至的理解已不再局限于直達(dá)波，初至是直達(dá)波與折射波的共存與復(fù)合已成為人們的共識(shí)。初至走時(shí)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)拾取方法也因此而不斷改進(jìn)。近年來(lái)，許多文獻(xiàn)記載了初至走時(shí)自動(dòng)拾取的方法。例如Gelchinsky等用相鄰道互相關(guān)方法，Coppens提出在不同大小的時(shí)窗內(nèi)進(jìn)行能量比較的方法Ramananantoandro用改變褶積算子寬度直到振幅最大值的位置不再發(fā)生變化的方法，Boschetti等于1996年發(fā)表了基于分形理論的dividermethod和Hurstmethod可用來(lái)檢測(cè)地震波的初至走時(shí)的文章等。大多數(shù)初至走時(shí)自動(dòng)拾取方法的關(guān)鍵是依據(jù)初至與其相鄰點(diǎn)之間振幅及頻率的差異。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種分形地震波初至拾取的方法。本發(fā)明提供了地震道Hausdorff廣義分?jǐn)?shù)維的算法以及如何根據(jù)分?jǐn)?shù)維的變化標(biāo)定地震波初至走時(shí)的方法。地震波初至到達(dá)之前，地震道時(shí)間序列為隨機(jī)噪聲的響應(yīng)，地震波初至到達(dá)之后，地震道時(shí)間序列為隨機(jī)噪聲與地震波動(dòng)的復(fù)合。本發(fā)明在分形學(xué)理論的基礎(chǔ)上利用Hausdorff廣義分?jǐn)?shù)維識(shí)別地震道初至走時(shí)不僅是一種快速、準(zhǔn)確的方法，而且在計(jì)算中不需人工干預(yù)，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)全自動(dòng)拾取。這種方法對(duì)相鄰道無(wú)特殊限定，適用于各種不規(guī)則的二維及三維地震勘探觀測(cè)系統(tǒng)、人工地震透射波層析成像的走時(shí)識(shí)別，也適用于天然地震層析成像研究中地震波初至走時(shí)的識(shí)別。本發(fā)明提供的分形地震波初至拾取的方法，步驟如下a)首先對(duì)地震記錄進(jìn)行去噪處理，消除環(huán)境噪聲和有規(guī)律的系統(tǒng)噪聲；b)定義一個(gè)工作窗，工作窗的長(zhǎng)度要保證有足夠的樣本量計(jì)算分形維數(shù)，以及計(jì)算速度；c)選取一個(gè)任意半徑r的圓作為地震記錄度量的初始尺度，以地震記錄上第一個(gè)采樣點(diǎn)為圓心，沿地震記錄移動(dòng)圓；d)通過(guò)二維圓方程與地震曲線方程的聯(lián)合求解，計(jì)算圓與地震記錄曲線的交點(diǎn)；e)以該交點(diǎn)作為圓度量地震曲線長(zhǎng)度的下一個(gè)起始點(diǎn)，同樣以r為半徑畫圓，重復(fù)步驟c的操作，再次計(jì)算出圓和地震記錄新的交點(diǎn)，直到將圓移動(dòng)到地震記錄的末端，將地震記錄長(zhǎng)度計(jì)算出來(lái)；f)給圓半徑r一個(gè)增量，以新的圓半徑重復(fù)步驟b、c、d的操作，計(jì)算出一個(gè)新的地震記錄長(zhǎng)度丄；g)當(dāng)一個(gè)工作窗的曲線段完全被圓覆蓋后，根據(jù)公式D^"A"，'計(jì)算該工作窗的廣義分形維數(shù)；h)移動(dòng)一個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的距離，開始新一個(gè)工作窗的分維計(jì)算。i)重復(fù)步驟d、e、f、g、h操作，得到整個(gè)地震記錄的廣義分維數(shù)值；j)根據(jù)分維數(shù)值由常量變?yōu)樽兞康奈恢么_定地震波初至，并將這一位置對(duì)應(yīng)的地震波傳播時(shí)間寫入初至走時(shí)數(shù)據(jù)文件。本發(fā)明可用于地震資料的爆炸震源、錘擊震源、偽隨機(jī)可控震源和微震震源的初至波的自動(dòng)拾取。拾取過(guò)程不需要人工干預(yù)，適用于山區(qū)崎嶇地形的人工地震數(shù)據(jù)和非規(guī)則觀測(cè)系統(tǒng)的人工地震數(shù)據(jù)以及天然地震觀測(cè)數(shù)據(jù)。本發(fā)明相對(duì)公知技術(shù)而言所具有的優(yōu)點(diǎn)和效果本發(fā)明提出地震初至波的自動(dòng)拾取廣義分維方法，廣義分維方法具有定量化程度高、抗噪聲能力強(qiáng)，并且不受觀測(cè)系統(tǒng)約束，可以在單個(gè)地震道上實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。這種方法不僅適用于規(guī)則觀測(cè)的人工地震記錄，而且適用于非規(guī)則觀測(cè)的天然地震記錄。廣義分維的引進(jìn)提高了分形算法初至波自動(dòng)拾取的抗噪聲能力，為解決低信噪比地震記錄的走時(shí)拾取問(wèn)題提供了一種實(shí)用方法。對(duì)于人工地震勘探中可控震源的地震記錄，可以首先將可控震源地震記錄作最小相位處理，使地震信號(hào)的能量集中在子波的最前部，使之與炸藥震源的信號(hào)相似，即可望得到與炸藥震源地震記錄同樣的拾取效果。圖1是地震道的分維計(jì)算.圖2(a)是地震道，長(zhǎng)方形表示工作窗；圖2(b)是擬和計(jì)算的分維曲線。圖3是圓的半徑與工作窗長(zhǎng)度關(guān)系;如果圓的半徑大于工作窗的長(zhǎng)度，計(jì)算的地震記錄長(zhǎng)度近似為零。圖4(a)-(c)是不同小圓半徑計(jì)算的地震記錄長(zhǎng)度不同。圖5(a)-(i)是不同測(cè)量尺度下，圖中(a)所示地震記錄分維數(shù)值發(fā)生的變化。圖6(a)-(e)是在地震記錄(a)上加入不同等級(jí)噪聲，觀察分維算法的抗噪聲能力。(a)表示一個(gè)實(shí)際的地震記錄和它的廣義分維曲線。(b)-(e)分別表示增加了20%、40%、60%、80。/。不同程度隨機(jī)噪聲的地震記錄及其廣義分維曲線。在(a)-(e)中，每一條靠下面的曲線是地震記錄，上面的曲線是其廣義分維曲線。A表示振幅，D表示維數(shù)，A和D為無(wú)量綱數(shù)。圖7(a)-(b)是對(duì)中國(guó)華北遙測(cè)地震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)到的地震波形記錄用廣義分維算法獲得的P波震相走時(shí)的自動(dòng)拾取結(jié)果。(a)和(b)分別表示兩個(gè)地震記錄及其廣義分維曲線，靠下的曲線是地震記錄，靠上的曲線是其分維曲線。圖中A表示振幅，D表示分維數(shù)值，A和D是無(wú)量綱數(shù)。圖8(a)-(b)是對(duì)一個(gè)復(fù)雜地形地震探區(qū)的三維地震數(shù)據(jù)用廣義分形算法獲得的地震P波初至走時(shí)的自動(dòng)拾取結(jié)果。即，是對(duì)一個(gè)復(fù)雜地形地震探區(qū)的三維地震數(shù)據(jù)用廣義分維獲得的地震P波初至走時(shí)的自動(dòng)拾取結(jié)果。圖9(a)-(d)是從圖8中選擇的不同噪聲背景的地震記錄及其廣義分維曲線。具體實(shí)施例方式地震記錄是由噪聲和信號(hào)共組成的，當(dāng)?shù)卣鸩ǔ踔恋竭_(dá)之前，地震記錄為噪聲背景，在初至到達(dá)之后，地震記錄是噪聲與信號(hào)的疊加?？梢栽O(shè)想噪聲是一個(gè)"物體"，而噪聲加信號(hào)是另外一個(gè)"物體"，這兩個(gè)"物體"有不同的幾何特征，因此對(duì)這兩個(gè)"物體"同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，在廣義分維范疇，可以選擇一種合適的尺度，使對(duì)噪聲維數(shù)的觀測(cè)結(jié)果為零，對(duì)信號(hào)加噪聲部分的維數(shù)的觀測(cè)結(jié)果不為零。這個(gè)合適的尺度的選擇可以通過(guò)試驗(yàn)得到。一旦這個(gè)合適的尺度(臨界值)找到了，就可以用廣義分維的概念來(lái)監(jiān)測(cè)地震波初至的位置。(1)首先對(duì)地震記錄進(jìn)行去噪處理，消除環(huán)境噪聲和有規(guī)律的系統(tǒng)噪聲。(2)定義一個(gè)工作窗的長(zhǎng)度如圖1，工作窗的長(zhǎng)度既要保證有足夠的樣本量計(jì)算分形維數(shù)，又要考慮計(jì)算速度。(3)選取一個(gè)半徑為r的小圓作為地震記錄度量的初始尺度，以地震記錄上第一個(gè)釆樣點(diǎn)為圓心，度量尺度r為小圓的半徑，沿地震記錄移動(dòng)小圓。(4)通過(guò)二維圓方程與地震曲線方程的聯(lián)合求解，計(jì)算圓與地震記錄曲線的交點(diǎn)。(5)以新的交點(diǎn)作為小圓度量地震曲線長(zhǎng)度的下一個(gè)起始點(diǎn)，以r為半徑畫圓，如步驟(3)移動(dòng)小圓，再次計(jì)算出圓和地震記錄新的交點(diǎn)，直到將小圓移動(dòng)到地震記錄的末端，將地震記錄長(zhǎng)度計(jì)算出來(lái)。(6)給小圓半徑r一個(gè)增量，以新的半徑作為小圓半徑重復(fù)步驟(2)、(3)和(4)，計(jì)算出一個(gè)新的地震記錄長(zhǎng)度丄。(7)當(dāng)一個(gè)工作窗的曲線段完全被小圓覆蓋后，根據(jù)DK"g^""r'式計(jì)算該工作窗的廣義分形維數(shù)。(8)移動(dòng)一個(gè)數(shù)據(jù)釆樣點(diǎn)的距離，開始新一個(gè)工作窗的分維計(jì)算。(9)重復(fù)步驟(4)到(8)，完成整條曲線(即整個(gè)地震記錄)的廣義分維計(jì)算。(10)根據(jù)分維數(shù)值由常量變?yōu)樽兞康奈恢么_定地震波初至，并將這一位置對(duì)應(yīng)的地震波傳播時(shí)間寫入初至走時(shí)數(shù)據(jù)文件。實(shí)施例1圖5(a)是一個(gè)實(shí)際的地震記錄。在0-1.2sed的記錄段，地震記錄上主要為噪聲背景，1.2sed之后是地震信號(hào)與噪聲背景的疊加，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，稱1.2sed之后為信號(hào)段。對(duì)這個(gè)地震記錄用不同的測(cè)量尺度按照?qǐng)D4所示方法計(jì)算它的分維曲線。圖5的(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)給出了不同測(cè)量尺度下，圖5(a)所示地震記錄分維數(shù)值發(fā)生的變化。對(duì)圖5的結(jié)果作如下分析。當(dāng)工作窗的長(zhǎng)度(采樣點(diǎn)數(shù))一定時(shí)，測(cè)量尺度r的取值范圍決定了地震記錄分維曲線的特征(l)r在每一個(gè)工作窗長(zhǎng)度內(nèi)的取值范圍集中在較大值附近時(shí)，地震記錄噪聲段的分維數(shù)值低于信號(hào)段，如圖5的(b)、(C)、(d)。(2)r在每一個(gè)工作窗長(zhǎng)度內(nèi)的取值范圍集中在較小值附近時(shí)，地震記錄噪聲段的分維數(shù)值高于信號(hào)段，如圖5的(g)、(h)、(i)。(3)r在每一個(gè)工作窗長(zhǎng)度內(nèi)的取值范圍集中在中間值附近時(shí)，地震記錄噪聲段與信號(hào)段的分維數(shù)值無(wú)明顯差異，如圖5的(e)、(f)。圖5中(b)和(c)所示分維曲線的最大值都超過(guò)了2，因此，圖5(b)和(c)所用的測(cè)量尺度在廣義分維概念下成立。此外，r在每一個(gè)工作窗長(zhǎng)度內(nèi)的取值范圍越大，取值數(shù)量越多，擬合Mandelbrot-Richardson曲線的樣本量越大，地震記錄的分維曲線越光滑，反之越不光滑。但樣本量的大小只改變分維的數(shù)值，不改變?cè)肼暥闻c信號(hào)段變化點(diǎn)的分辨能力。在地震記錄初至震相的自動(dòng)拾取技術(shù)中，并不需要利用分維數(shù)值的穩(wěn)定性，而只是利用連續(xù)分維曲線發(fā)生突變的位置，因此在這個(gè)問(wèn)題上，樣本量的大小并不重要，弄清這一點(diǎn)是節(jié)省計(jì)算量的關(guān)鍵。實(shí)施例2為了考察廣義分維對(duì)低信噪比地震記錄的適應(yīng)能力，選擇了一個(gè)實(shí)際的地震記錄，對(duì)這個(gè)地震記錄分別加入了振幅最大值的20%、40%、60%和80%幾種不同程度的隨機(jī)噪聲，圖6給出了考察計(jì)算結(jié)果。由圖6可以看出，廣義分維算法具有極強(qiáng)的抗噪聲能力，而經(jīng)典分形算法則不具備這樣強(qiáng)的抗噪聲能力。圖6表明，對(duì)不同信噪比的地震記錄，分維的數(shù)值發(fā)生變化，但特征保持不變。計(jì)算機(jī)可以容易地識(shí)別分維曲線的這一特征，從而實(shí)現(xiàn)初至波和后續(xù)強(qiáng)地震信號(hào)的自動(dòng)拾取。實(shí)施例3用廣義分維算法，本發(fā)明對(duì)中國(guó)華北遙測(cè)地震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)到的地震波形記錄進(jìn)行了P波震相走時(shí)的自動(dòng)拾取，圖7表示其中2個(gè)記錄及其廣義分維曲線。從圖7可以看出，與每一個(gè)地震記錄對(duì)應(yīng)的廣義分維曲線在P波到達(dá)之前表現(xiàn)為常數(shù)，從p波到達(dá)的時(shí)刻起發(fā)生劇烈變化。廣義分維曲線發(fā)生變化的位置對(duì)應(yīng)p波初至。利用計(jì)算機(jī)可以容易地判斷地震記錄的廣義分維由常量變?yōu)樽兞康奈恢茫瑥亩鴮?duì)初至信號(hào)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)識(shí)別。與常規(guī)的初至自動(dòng)拾取所用的互相關(guān)算法不同，廣義分維算法不依賴于相鄰地震記錄的相似性，而是在單個(gè)的地震記錄上實(shí)現(xiàn)，這對(duì)于天然地震記錄非常適用。從圖7中還可以看出，每一條地震記錄都有各自的噪聲背景和波形特征，但只要廣義分維的測(cè)量尺度選擇得合適，這些地震記錄的廣義分維都在p波震相出現(xiàn)之前為常數(shù)。實(shí)施例4本發(fā)明對(duì)一個(gè)復(fù)雜地形地震探區(qū)的三維地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了初至波的自動(dòng)拾取。圖8表示對(duì)該區(qū)一個(gè)炮集的拾取結(jié)果。圖8中黑實(shí)線表示用廣義分維全自動(dòng)算法拾取到的初至波的位置。在圖8中選擇出不同噪聲背景的地震記錄，把這些地震記錄和它們的分維曲線表示在圖9中。由圖9可見(jiàn)，盡管地震記錄表現(xiàn)出不同的噪聲背景，但只要測(cè)量分維所用的尺度的最小值取得合適，就可以獲得能被用來(lái)進(jìn)行初至波自動(dòng)拾取的分維曲線特征。以上實(shí)施例說(shuō)明，不論地震記錄的噪聲程度如何，它們的分維曲線都表現(xiàn)出在初至波到達(dá)之前保持為常數(shù)，在初至波到達(dá)之后發(fā)生劇烈變化的特征。這些結(jié)果表示地震記錄廣義分維特征可以用來(lái)進(jìn)行快速、自動(dòng)的初至波拾取。實(shí)施例5表l顯示了三條地震記錄的分維數(shù)值和初至位置。表l:地震道振幅值與地震道分形維數(shù)值<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>權(quán)利要求1、一種分形地震波初至拾取的方法，步驟如下a)首先對(duì)地震記錄進(jìn)行去噪處理，消除環(huán)境噪聲和有規(guī)律的系統(tǒng)噪聲；b)定義一個(gè)工作窗，工作窗的長(zhǎng)度要保證有足夠的樣本量計(jì)算分形維數(shù)，以及計(jì)算速度；c)選取一個(gè)任意半徑r的圓作為地震記錄度量的初始尺度，以地震記錄上第一個(gè)采樣點(diǎn)為圓心，沿地震記錄移動(dòng)圓；d)通過(guò)二維圓方程與地震曲線方程的聯(lián)合求解，計(jì)算圓與地震記錄曲線的交點(diǎn)；e)以該交點(diǎn)作為圓度量地震曲線長(zhǎng)度的下一個(gè)起始點(diǎn)，同樣以r為半徑畫圓，重復(fù)步驟c的操作，再次計(jì)算出圓和地震記錄新的交點(diǎn)，直到將圓移動(dòng)到地震記錄的末端，將地震記錄長(zhǎng)度計(jì)算出來(lái)；f)給圓半徑r一個(gè)增量，以新的圓半徑重復(fù)步驟b、c、d的操作，計(jì)算出一個(gè)新的地震記錄長(zhǎng)度L；g)當(dāng)一個(gè)工作窗的曲線段完全被圓覆蓋后，根據(jù)公式D∝LogLi/Logi計(jì)算該工作窗的廣義分形維數(shù)；h)移動(dòng)一個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的距離，開始新一個(gè)工作窗的分維計(jì)算。i)重復(fù)步驟d、e、f、g、h操作，得到整個(gè)地震記錄的廣義分維數(shù)值；j)根據(jù)分維數(shù)值由常量變?yōu)樽兞康奈恢么_定地震波初至，并將這一位置對(duì)應(yīng)的地震波傳播時(shí)間寫入初至走時(shí)數(shù)據(jù)文件。全文摘要一種分形地震波初至拾取的方法，涉及一種地震道Hausdorff廣義分?jǐn)?shù)維的算法以及如何根據(jù)分?jǐn)?shù)維的變化標(biāo)定地震波初至走時(shí)的方法。地震波初至到達(dá)之前，地震道時(shí)間序列為隨機(jī)噪聲的響應(yīng)，地震波初至到達(dá)之后，地震道時(shí)間序列為隨機(jī)噪聲與地震波動(dòng)的復(fù)合。本發(fā)明在分形學(xué)理論的基礎(chǔ)上利用Hausdorff廣義分?jǐn)?shù)維識(shí)別地震道初至走時(shí)不僅是一種快速、準(zhǔn)確的方法，而且在計(jì)算中不需人工干預(yù)，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)全自動(dòng)拾取。這種方法對(duì)相鄰道無(wú)特殊限定，適用于各種不規(guī)則的二維及三維地震勘探觀測(cè)系統(tǒng)、人工地震透射波層析成像的走時(shí)識(shí)別，也適用于天然地震層析成像研究中地震波初至走時(shí)的識(shí)別。文檔編號(hào)G01V1/28GK101452082SQ20071017879公開日2009年6月10日申請(qǐng)日期2007年12月5日優(yōu)先權(quán)日2007年12月5日發(fā)明者劉伊克,旭常申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所