第３５卷第６期 物探化探计算技术 Ｖｏ１．３５ Ｎｏ．６ ２０１３年１ １月 ＣＯＭＰＵＴＩＮＧ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ ＦＯＲ ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＡＬ ＡＮＤ ＧＥＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮ Ｎｏｖ．２０１３ 文章编号：１Ｏ０１—１７４９（２０１３）０６—０７１１—０６ 地震层位自动追踪技术研究 郑公营 ，曾婷婷 （１．中国石油化工股份有限公司 西南油气分公司勘探开发研究院，成都６１００４１； ２．中国石化勘探南方分公司，成都６１００４１） 摘要：在地震勘探中，地震层位解释是地震解释的基础工作，而层位的识别和追踪是地震层位 解释的一个很重要的环节。由于过去的层位追踪基本上是纯手．７－，既耗时又耗力，而地震层位反 映在地震波形上具有同相性和相似性等，这使得依据地震波形的这些性质，研究某种算法让计算 机自动追踪层位成为可能。这里介绍了两种层位自动追踪方法：波形特征追踪算法和相关追踪 算法，并分别分析了这两种算法的原理。通过编程实现了这两种方法，对它们的追踪效果进行了 对比分析和总结，两种方法总体上满足层位追踪要求，结合应用两种方法能够达到很好的效果。 关键词：地震勘探；地震层位解释；层位自动追踪；波形特征追踪；相关追踪 中图分类号：Ｐ ６３１．４ 文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－－１７４９．２０１３．０６．１３ 邻道之间的相似特征种子点，若在指定的条件下搜 ０引言 索到了满足条件的特征种子点就取出来，以这个特 征点为新的特征种子点，再搜索计算下一道。在层 在地震数据资料的解释中，同相轴的追踪工作 位自动追踪的时候，一般由地震解释人员指定自动 是至关重要的。几十年来，解释人员主要根据地震 追踪时自动追踪的特征、振幅范围的大小以及自动 波动力学和运动学特性，即：振幅、同相或连续性、 追踪时的控制时窗范围，在层位自动追踪过程中， 波形相似性三个基本准则，进行人工对比追踪。二 若没能够搜索到满足指定条件的特征种子点，自动 十世纪七十年代以来，许多学者曾研究地震波同相 追踪就停止在这一道上，或者跳过这一道，继续追 轴自动追踪拾取方法，使用不同的方法，从不同的 踪下一道，直到结束。 角度，来定量地表示三个基本准则＿】］。人工拾取层 作者在本文对现有自动追踪技术进行了分析 位是在二维地震剖面上，利用波形相似性对地层连 对比，得出了两种比较好的层位自动追踪准则：① 续反射同相轴进行手动追踪得到层位线（地层界 基于波形特征的自动追踪；②基于相关的自动追 面），再将所有的层位线进行插值形成层位面［ 。 踪。基于波形特征的自动追踪是只寻找搜索时窗 人工拾取存在效率低，准确性差等缺点。为了克服 内特征点的相似波形结构形态（波谷、波峰、零交叉 追踪时间效率低和结果可靠性差的问题，近些年来 点等），但是在地震道与地震道之间不进行相关计 研究者对层位自动追踪算法关注越来越多，层位自 算，一道一道地搜索定义的波谷、波峰以及零交叉 动追踪相关研究得到了快速的发展。 点等。基于相关的层位自动追踪算法，是以种子点 层位自动追踪的概念是，地震解释人员在三维 为中心，按照相关时窗范围，选取一段地震道，把这 工区的Ｉｎｌｉｎｅ和ＣｒｏｓｓＬｉｎｅ测线上放置“种子点”， 段地震数据与相邻道搜索时窗内的地震数据做相 用来约束控制层位自动追踪的计算，然后根据种子 关分析，若在搜索时窗范围内找到满足条件的特征 点的特征准则，计算相邻道之间的相似性，找出相 点，就把这个点作为新的种子点固定下来，然后继 收稿日期：２Ｏ１３—０ｌ一２１ 改回日期：２０１３一Ｏ５一Ｏ２ 作者简介：郑公营（１９８４一），男，硕士，工程师，从事多波地震勘探技术研究，Ｅ ７１２ 续下一道的拾取 。 物探化探计算技术 ３５卷 可以看出，如果前一道（ｚ一１）的搜索点已被调整 到最优位置，这样就可以以上一道的搜索结果为这 １ 自动追踪方法介绍 １．１波形特征追踪 一道（第 道）的新搜索点（种子点）位置，然后按照 上述方法上下搜索两个新波峰，最后根据波峰离种 子点的距离选取最优调整位置；如果 仍然等于 Ｄｘ，那么就按照前一道如果选取的是上波峰，那么 在地震剖面中，地震波的波峰或者波谷位置的 同相轴往往是地下地质界面的反应，波形特征层位 自动追踪方法的主要原理就是基于此，寻找波谷或 波峰最大值追踪ｌ＿４ ］。 如图１所示，假设某一道的特征种子点位置为 ｔ，则波形特征追踪方法的步骤为： （１）指定一个搜索时间范围，假设为｛ｔ一 此道也选取上波峰，反之亦然。图２中借助第ｚ一１ 道的搜索信息，我们比较容易判断出上波峰为最优 调整位置。 １．２相关追踪 基于相关层位自动跟踪算法的原理主要是：地 下地质界面在局部区域具有一定的连续性、稳定 性，反映到地震时间剖面上，则表现为相邻地震道 上的地震波反射层同相轴具有振幅上的稳定性、渐 变性和波形上的连续性、相似性，这样就可以通过 ，￡＋Ｍ＿ｄ｝，Ｍｄ是一种子点为中心向上或向下 搜索的最大距离，一般设置为２０ ｍｓ，若设置过 小，有可能会搜索不到满足条件的结果；而设置 过大，会使搜索结果有多个，有可能大大偏离自 动搜索结果。 （２）以当前特征种子点开始搜索，先向上搜索， 分析地震波的这种相关性来实现层位的自动追 踪 一引。 在线性代数和数字信号处理中，互相关运算手 段常被用于衡量在不同时刻两个随机过程之间的 相互关系，是十分重要的数学工具。 当遇到第一个波峰值（这里以波峰为例）时，把当前 位置记录下来，假设为Ｔｓ；接着向下搜索，当遇到 第一个波峰值时，同样把当前位置记录下来，假设 为 。 设ｚ（￡）和 （ ）是两个信号样本，ｙ（ｔ＋ｒ）是 （￡）时移ｒ后的信号，定义互相关函数为式（１）。 １ ｒＴ （３）根据向上和向下搜索的波峰位置，计算上 下波峰离种子点的时间距离，假设分别为 Ｄｘ，其中Ｄｓ—ｌ 一ｔ ｆ，Ｄｘ—ｌ Ｔｘ—ｔ ｌ。 和 Ｒ （ｒ）一 ｍ寺Ｉ （￡） （ ＋ｒ）ｄｔ （１） 如果数据的采样时间问隔为 ，时间移动ｒ— ｍＴ ，则离散形式的互相关函数可表示为式（２）。 １ 如果 ＞Ｄｘ，使最终搜索点位置为ｔ—Ｔｘ； 相反，如果 ＜Ｄｘ，使最终搜索点位置为ｔ—Ｔｓ。 同时，我们也看到当Ｄｓ—Ｄｘ时，我们不能确 定ｔ的最优搜索拾取位置，这个时候就需要依靠前 一）＝ ｙ（ｋＴ ＋ｍＴ ） Ｔ （２） 道的追踪信息进行优选。从图２中的右图，我们 式（２）可以简化为式（３）。 ＜ Ｄｓ 、 ～ ＿ Ｄｘ ／ ／ ＞ ＋１ 地震道 地震道 图１波形特征追踪示意图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｗａｖｄｏｒｍ－－ｂａｓｅｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ６期 郑公营等：地震层位自动追踪技术研究 ７１３ Ｒ （ ）一 ）。 （５） ｙ（ｋ＋ ）一Ｅ［ｘ（ｋ）ｙ（ｋ＋ｍ）］（３） 在实际应用中，ｚ（ ）和 （￡）大多属于平稳随 机过程，在计算的时候，可以用时间平均来代替统 计平均。那么对于有限长度的离散时间序列－ｚ（，ｚ） ０≤ｃｏｓ０≤１，夹角余弦的值越接近等于“ｌ”， 它们之间的相关性就越高。我们指定一个门槛阈 值，使搜索范围时窗在相关范围时窗内不断滑动， 计算两道搜索时窗内数据的相关系数，求出最大的 一１ 和 （ ），其中 一０、１、…、Ｎ一１，它们的互相关可 以估计为式（４）： １ Ｒ （ ）一 ∑ｘ（ｋ）ｙ（ｋ＋ ） ｋ＝Ｏ （４） 槛阈值，则停止追踪，不拾取此道，继续下一道；否 则，在具有最大相关系数的点的附近，寻找与前一 道特征点具有相同特征的点（峰值、谷值或者零交 叉点），作为新特征点（种子点）继续追踪。因为，如 相关系数；如果求出的最大相关系数小于给定的门 如果时间序列 （ ）是时间序列．ｚ（ ）进行一 定时间偏移后的序列，那么离散时间序列 （ ）相 对于ｚ（ ）的时间偏移就是它们的互相关函数最大 值对应的时间。 果找到的新特征点与原特征点具有不同的特征，若 以新特征点继续追踪，由于相关误差会传递，最终 自动追踪出来的结果就有可能“面目全非”。所以 相关层位自动追踪就是按照这种数学原理，对 地震剖面中的不同地震道进行相关运算追踪同相 轴；在实际地震数据中，我们的追踪方式见图２，具 体方法如下［９］： 在主测线和联络测线方向按照相关性进行搜 需要对每次自动追踪出来的特征点进行适当处理。 例如，定义的特征点的特征是波谷，然而追踪出来 的新特征点不在波谷位置，这样只能在该新特征点 索。首先定义特征点（种子点），一般选择谷值、峰 值、零交叉点等；然后在此道上，以特征点为中心， 指定搜索时窗范围，在时窗内选取 （一般 一９） 个数据点，这 个数据样点组成向量Ｘ一［ｚ。， ， …周围寻找最近的满足条件的波谷点，作为新的搜索 特征点，以此来减小相关误差的传递。 基于相关的自动追踪的准则是：以种子点为中 心，按照相关时窗范围，选取一段地震道，把这段地 震数据与相邻道搜索时窗内的地震数据做相关。 如果找到了符合条件的最大相关系数，然后就接受 新道上的追踪，追踪继续移动到下一道。然而这种 方法比波形特征追踪方法的计算量要大很多，但得 到结果的可靠性比波形特征追踪方法强［１ 。 ，ｚ ］；接下来，把特征点的时间位置投射到下 道，以这个投影点为中心点，指定相关时窗范围 一（一般选取１８个采样点），在指定的相关时窗内选 取 个数据点，这 个数据样点组成向量ｌ，一Ｆｙ。， Ｙ 一， ］，则两向量之间的夹角余弦为式（５）： 搜 ‘追 踪 地震道１ 地震道２ 图２相关追踪示意图 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ－－ｂａｓｅｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ７ｌ６ 物探化探计算技术 ３５卷 解释系统研究［Ｊ］．山东煤炭科技，２００７，１（５）：３３— ３结论和展望 通过应用实例分析可以得出以下几点结论： （１）在地震波形同相轴无大的相位异常或突 变，无大断层和无分叉的情况下，波形特征追踪算 法效率更高，准确度和相关追踪算法相当。 （２）在地震波形无大的相位异常或突变，无大 断层的情况下，相关追踪算法准确度更高，效率比 ３４． ［３］刘长松．三维可视化地震体追踪技术［Ｄ］．西安：西安 科技大学，２００４． ［４］罗进华，丁维凤，潘国富．改进的滚动时窗法实现海底 浅地层剖面反射层位自动拾取的研究［Ｊ］．物探化探 计算技术，２００８，３０（５）：３６３—３６７． Ｅｓ］杨立强，郝天珧，宋海斌，等．应用小波变换和Ｃ３相 干算法检测地震剖面同相轴［Ｊ］．物探化探计算技术， ２００４，２６（４）：３０２～３０５． 波形特征追踪算法要低。 （３）在地震波形比较复杂的情况下，可以综合 应用两种算法，辅之于人工解释修改。 Ｉ－６］王莎丽．基于图像处理的三维地震层位和断层识别研 究［Ｄ］．北京：中国地质大学，２０１０． ［７］陈洁．超宽带雷达信号处理及成像方法研究［Ｄ］．北 京：中国科学院，２００７． 鉴于波形特征追踪和相关追踪算法的对断层 有一定局限性，迫切需要一种能够应对复杂情况的 新算法。因此，展望未来，模式识别［１ 、人工神经 网络 等人工智能算法，蚁群算法［Ｈ ］等非线性 算法是作者未来要研究的方向。 总之，层位自动追踪算法的出现，减少了人工 层位追踪的人力物力投入，提高了层位追踪的效 ［８］刘长松，曹桂红．基于地震体追踪的有序扩展算法 ＿ｌＪ］．现代计算机，２００６（１２）：９０—９２． Ｅ９］孔小利，张永一，陈建军．基于高端ＰＣ机国产化地震 资料可视化解释软件的设计［Ｊ］．大庆石油学院学报， ２００７，３１（１）：９７—１００． ［１Ｏ］王允洪，ＧＥＯＦＦＲＥＹ Ａ，ＥＫ）ＲＮ．现代三维地震解释 ＥＪ］．海洋石油，１９９９（３）：６１—７０． 率。研究分析的两种层位追踪算法各有优缺点，两 种方法总体上满足层位追踪要求，综合应用两种方 法能够达到很好的效果。 ［１１］李峰，董守华．三维地震资料断层和层位解释的微机 可视化ｒＪ］．西部探矿工程，２００７，１８（２）：９２—９４． ［１２］董恩清，吴文奎．应用模式识别自动追踪地震剖面同 相轴ｌ＿Ｊ］．西安石油学院学报，１９９８，１３（２）：１２—１ ６． ［１３］陆文凯，牟永光．用自组织神经网络实现地震同相轴 自动追踪口］．石油物探，１９９８，３１（１）：７７—８３． ［１４］卢雪夫．基于蚁群算法的图像边缘检测研究［Ｄ］．成 都：电子科技大学，２０１０． 随着科技的发展、计算机的智能化和新方法的 研究，未来层位自动追踪必将逐步取代人工追踪。 参考文献ｉ ［１］许建华，王世库，赵廷寿．用链匹配算法自动拾取同相 轴［Ｊ］．石油物探，１９９０，２９（２）：１３—２３． ［２］孟宪民，董守华，刘松．二维地震资料层位和断层微机 ［１５］赵伟．基于蚁群算法的三维地震断层识别方法研究 ［Ｄ］．南京：南京理工大学，２００９． Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｅｉｓｍｉｃ ｈｏｒｉｚｏｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｃｋｉｎｇ ＺＨＥＮＧ Ｇｏｎｇ－ｙｉｎｇ ，ＺＥＮＧ Ｔｉｎｇ－－ｔｉｎｇ （１．Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｂｒａｎｃｈ Ｃｏｍｐａｎｙ，ＳＩＮＯＰＥＣ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００４１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ Ｂｒａｎｃｈ Ｃｏｍｐａｎｙ，ＳＩＮＯＰＥＣ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００４１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，ｓｅｉｓｍｉｃ ｈｏｒｉｚｏｎ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｓｅｉｓｍｉｃ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｄｅｎｔｉ— ｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｏｆ ｈｏｒｉｚｏｎ ｉｓ ａ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｓｐｅｃｔ ｏｆ ｓｅｉｓｍｉｃ ｈｏｒｉｚｏｎ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐａｓｔ，ｈｏｒｉｚｏｎ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｉｓ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｍａｎｕａ１．ａｎｄ ｉｓ ｔｉｍｅ—ｃｏｎｓｕｍｉｎｇ ａｎｄ ｌａｂＯｒ—ｉｎｔｅｎｓｉｖｅ．Ａｓ ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｗａｖｅｆｏＦｉｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｏｎｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｈｏｒｉｚｏｎ ｉＳ ｓｙｎｔｈｅｓｅｓ ａｎｄ ｓｉｍｉｌａｒ，ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅｓ ｉｔ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｔｏ ｕｓｅ ｔｈｅｓｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｏｍｅ ｋｉｎｄ ｏｆ ａｌｇｏ— ｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｔｏ ｌｅｔ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｔｒａｃｋ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎ ｂｙ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔＷＯ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｈｏｒｉｚｏｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｃｋｉｎｇ：ｔｈｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ－－ｂａｓｅｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ－－ｂａｓｅｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａｎｄ ａｎ ａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ａ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ ｔｈｅｉｒ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｍａｄｅ ｂｙ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｍｅｔｈｏｄｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｅｉｓｍｉｃ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ；ｓｅｉｓｍｉｃ ｈｏｒｉｚｏｎ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ；ｈｏｒｉｚｏｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｃｋｉｎｇ；ｗａｖｅｆｏｒｍ－－ｂａｓｅｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ； ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ－－ｂａｓｅｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ