CN1332378A - 对地震断面或地震块进行年代地层学分析的方法 - Google Patents

Abstract

本发明方法利用累积地震地层的连续代表曲线而获得的图像,来测定构成地震剖面的地层在沉积物沉积时的状态,而不是现在所观察到的状态。为此,本方法定义了一种从按照地震时序测量的地震剖面垂直尺度到按照地质时期测量的地质垂直尺度的转换。利用均衡直方图,本方法可以得到均衡地震剖面,再用来确定影响地质地层沉积的沉积速率。特别地,该方法可以突出显示地质上的间断,即侵蚀和间隙。

Description

对地震断面或地震块进行年代地层学分析的方法

本发明涉及一种对地震断面或者地震块，也就是说对地震断面或者地震块所包含的地质记录数据，进行年代地层学分析的方法。

本发明从石油勘探的角度进行说明，但可以从地球物理学领域转用到地质学领域。

现有技术

本发明的方法应用于地震断面或者地震块。地震断面是将称为地震记录迹的一维采样信号并列在一个平面内形成的。类似地，地震块是将地震记录迹并列在一个空间中形成的。术语“地震剖面”既指上述地震断面，也指地震块的某个切面。一个地震剖面提供了在该剖面平面内所包含的并列地震记录迹的一个视图。这些视图就是地震图像，为了说明如何实施本发明的方法，下面将所述地震图像称为地震图像剖面。在一个地震图像中，像素的亮度与所述一维信号所代表的地震波幅成正比。

对地震断面或者地震块的年代地层学分析涉及地震断面或者地震块中地震地层的合成。在地层的合成方面，已有好几种方法。这些方法的结果的好坏取决于用地震剖面为其提供地震图像的地质环境。因此，在地层以单斜为主的地区，通过测量相邻地震记录迹之间的相似性来进行地层的合成，可以得到较好的结果。另一方面，在地质情况受到较多扰动的地区，最好首先计算出相邻像素之间亮度的梯度矢量，然后通过对所计算出的梯度矢量的方向域求积分而完成地层的合成。

由Marc Donias于1999年1月28日提交给波尔多第一大学的题为《通过主分量分析和曲率估算表征方向域—在地震图像中的应用》的论文详细描述了上述地层合成的原理。

对地震图像剖面的每个像素进行地层合成，会生成与图像中的像素一样多的地层。在局部地质图中体现为标志层的地震地层不能相交。另一方面，地震地层可以收敛、局部合并、汇合，或者甚至分叉。地层的合并导致了合成累积概念的产生。

为了进行地层合成的累积，要定义一个在大小上与地震图像相同的矩阵。该矩阵的每个元素与地震图像的一个像素关联，并被赋以初始的零值。对于地震图像的每一个像素，计算出一个连续曲线，对应于通过该像素的合成地层。所有的连续曲线都在图像垂直尺度的横向上。在计算连续曲线时，图像中的像素每被一个连续曲线通过一次，与该像素关联的矩阵元素就增加一个单位。

在给定的像素处，对图像剖面垂直尺度的横向上的连续曲线的计算是这样进行的：计算所述选定像素的一个邻域中所有像素的亮度的梯度，然后从在所述邻域上获得的梯度值计算出一个局部梯度，再将该局部梯度赋给所述选定像素。然后，从所述选定像素开始，在所述局部梯度及其加性逆元所指示的两个方向上，在横向上一个像素一个像素地反复重复前述两个步骤，直到图像的侧垂直边界，从而形成连续曲线。

当地震图像剖面的所有像素都被扫描之后，进行上述合成累积的矩阵就表现为一个新的图像，其中，每个像素具有与相应矩阵元素中的累计数成比例的亮度，该累计数至少为一。在该图像上所看到的边界可以很好地体现亚土层的地质层位构造。

本发明的效果

本发明方法利用通过合成累积获得的图像来测定地质沉积物沉积时的状态，而不是现在以地质地层形式所观察到的状态。为此，本方法定义了一种从按照地震时序测量的地震剖面垂直尺度到按照地质时期测量的地质垂直尺度的转换。该方法因此使得可以确定影响地质地层沉积的沉积速率。特别地，该方法可以突出显示地质上的间断，即侵蚀和间隙。

本发明概述

本发明的主题是一种对地震图像剖面S进行年代地层学分析的方法，所述地震图像剖面S包括一个水平尺度或者说宽度，以及一个在亚土层方向的垂直尺度或者说高度，并由像素列构成，该方法包括：

—定义一个在大小上与图像剖面S相同的矩阵M，该矩阵的每个元素与图像剖面S的一个像素关联，并被赋以初始的零值，

—对于图像剖面S的每一个像素i，计算出一个通过该像素、在图像剖面S的垂直尺度的横向上的连续曲线Ci，

—图像剖面S中的像素每被一个连续曲线Ci通过一次，与该像素关联的矩阵M的元素就增加一个，

所述方法的特征在于它还包括：

—对于矩阵M的每一列c，绘制一个由许多组构成的直方图Hc，所述组的数目等于所述列c的元素的数目，每个组对应于所述列c的一个元素，并包括许多样本，样本数等于矩阵M的有关元素中的累计值，该值等于通过与所述元素关联的像素的曲线数，为每一列绘制的所述直方图中分布的样本总数等于图像剖面S中的像素总数，

—对每一个直方图Hc进行均衡处理，得到均衡直方图Hc’，

—定义一个空的图像剖面S’，其按像素计算的宽度等于图像剖面S按像素计算的宽度，其按像素计算的高度等于所述直方图Hc’的组数，

—通过将所述均衡直方图Hc’的关联组的内容的基数分配给所述列c’的每一个像素，将Hc’所确定的分布赋给图像剖面S’的每一列c’，

—在图像剖面S’中，确定含有样本的邻接像素的组，并标记所述每一个组，

—将在图像剖面S’中分配给所述像素组的标记分配给图像剖面S的每一个像素，并显示所述被标记的图像剖面S。

根据本发明另一项特征，在给定的像素i处，对图像剖面S垂直尺度的横向上的连续曲线Ci的计算是这样进行的：

—计算像素i的一个邻域Vi中所有像素的亮度的梯度，

—从在所述邻域Vi上获得的梯度值计算出一个局部梯度Gi，并将该梯度值Gi赋给像素i，

—从像素i开始，在所述梯度Gi及其加性逆元-Gi所指示的两个方向上，在横向上一个像素一个像素地反复重复前述两个步骤，直到图像剖面S的侧垂直边界。

本发明也能应用于三维地震图像块。因此本发明的主题也是一种对包含两个水平尺度即宽度和深度以及一个在亚土层方向的垂直尺度或者说高度、由像素列构成的地震图像块B进行年代地层学分析的方法，该方法包括：

—定义一个在大小上与图像块B相同的块N，该块的每个元素与图像块B的一个像素关联，并被赋以初始的零值，

—对于图像块B的每一个像素i，计算出一个通过该像素、在图像块B的垂直尺度的横向上的连续表面Si，

—图像块B中的像素每被一个连续表面Si穿过一次，与该像素关联的块N的元素就增加一个，

所述方法的特征在于它还包括：

—对于块N的每一列c，绘制一个由许多组构成的直方图Hc，所述组的数目等于所述列c的元素的数目，每个组对应于所述列c的一个元素，并包括许多样本，样本数等于块N的有关元素中的累计值，该值等于通过与所述元素关联的像素的表面数，为每一列绘制的所述直方图中分布的样本总数等于图像块B中的像素总数，

—对每一个直方图Hc进行均衡处理，得到均衡直方图Hc’，

—定义一个空的图像块B’，其按像素计算的宽度和深度等于图像块B按像素计算的宽度和深度，其按像素计算的高度等于所述直方图Hc’的组数，

—通过将所述均衡直方图Hc’的关联组的内容分配给所述列c’的每一个像素，将Hc’所确定的分布赋给图像块B’的每一列c’，

—在图像块B’中，确定含有样本的邻接像素的组，并标记所述每一个组，

—将在图像块B’中分配给所述像素组的标记分配给图像块B的每一个像素，并显示所述被标记的图像块B。

根据本发明另一项特征，在给定的像素i处，对图像块B垂直尺度的横向上的连续表面Si的计算是这样进行的：

—计算像素列Ki中每一个像素i的一个邻域中所有像素的亮度的梯度，

—对像素列Ki的每一个像素i，对在像素i的邻域Vi中计算出的梯度进行主分量分析，以确定在像素列Ki的像素i处与所述连续表面Si相切的平面所指示的两个方向矢量，

—从像素列Ki直到图像块B的侧垂直边界，同心地从一列到另一列，反复重复前述两个步骤。

附图说明

图1a和图1b按照不同的比例示出了应用本发明方法之前的同一个地震图像剖面。

图2a示出了一条与所述地震图像剖面的一个像素相关的连续曲线，图2b则是所有连续曲线的视图。

图3a示出一个与图2b中一条垂线相关的直方图，图3b示出经过均衡处理后的同一个直方图。

图4是一个均衡图像剖面，称为年代地层学图像剖面。

图5a是一个二元化的均衡图像剖面，图5b是经过标记后的同一个图像剖面。

图6是应用了本发明方法后经过标记的地震图像剖面。

详细说明

本发明的方法是一种对地震图像剖面进行自动年代地层学分析的方法。下面参照附图给出一种该方法的实施例。

图1a是一个地震图像剖面S。该图像剖面S表示的是从地震勘测得到的亚土层图像。该图像剖面S包括两个尺度。它由沿一水平轴的水平尺度和沿一在亚土层方向的垂直轴的垂直尺度限定而成。图像剖面S由像素组成，像素按照水平轴上的某个水平间距及垂直轴上的某个垂直间距均匀分布。图像剖面S尤其包含有一系列像素列，列数等于图像剖面的水平尺度除以所述水平间距的商，每像素列的像素数等于所述垂直尺度除以所述垂直间距的商。特别地，图1a中的垂直粗实线10表示一个像素列，该像素列是下文对本发明的方法进行说明的各附图的基础。

为了实施本发明的方法，定义一个在大小上与图像剖面S相同的矩阵M。该矩阵M的行数等于图像剖面的一列所含的像素数，该矩阵M的列数等于图像剖面S的列数，并等于所述图像剖面中一行所包含的像素数。这样，该矩阵M所包含的元素数就与所述图像剖面S中的像素数一样多，并且每个元素都与图像剖面S的一个像素相关联。矩阵M的所有元素均为整型，并被赋以初始的零值。

对于图像剖面S的每一个像素i，计算出一个通过该像素、在图像剖面S的垂直尺度的横向上的连续曲线Ci。该曲线Ci的计算涉及像素i处的亮度局部梯度Gi的计算。

与某个像素相关联的亮度，定义为某个地震参数、例如地震波信号的振幅按某种调色板的表达，例如按灰度值调色板的表达。在本例所采用的条件下，高振幅用亮像素表示，低振幅用暗像素表示。然后就可以计算出某个像素i及其相邻像素之间的亮度梯度Gi了。该梯度Gi事实上是有关地震参数的梯度。将该梯度Gi赋给像素i。该梯度Gi包括一个水平分量和一个垂直分量，尤其是通过对在像素i邻域Vi的所有像素上计算而得的所有梯度进行主分量分析而确定。所述邻域Vi由一个以像素i为中心的窗口确定，这个窗口的大小最好为7像素乘以7像素。所述邻域Vi中的梯度测量值的由第一惯性轴的方向给定的梯度测量束主方向使得确定所述梯度Gi的局部方向成为可能，该方向被分配给像素i。

图2a示出了一条与某个像素i相关联的连续曲线Ci。该曲线Ci是一条平滑化的连续曲线，因为该曲线是在所述图像中从像素i向特性与像素i类似的像素延伸。该曲线Ci在示于与图2a比例尺相同的图1b中的所述图像剖面S的垂直尺度的横向上延伸，在该图像剖面上，可以隐约辨认出由曲线Ci合成的地层。该曲线Ci是在相继的连续计算的梯度Gi及其加性逆元-Gi所确定的相继的方向上一个像素一个像素地处理而获得的。结果，所述连续曲线Ci在构成该曲线的每一个像素点处的导数值都是在同一像素处计算而得的局部梯度值。

每有连续曲线Ci通过像素i，与像素i相应的矩阵M的元素就增加一个单位。矩阵M的元素就好比是与图像剖面S的像素相关联的计数器。

图2b是所有横向连续曲线的视图。横向曲线的线条越显得粗实，叠加的横向曲线数就越多。更具体地说，如果图像剖面S表示的例如是地震波信号的振幅值，从像素i起始的曲线Ci将基于在像素i处观察到的振幅相似性在图像剖面S上寻找一个振幅连续值。如果像素i处的振幅值非常高，从该图像中的像素i出发的曲线就可能是沿着一条地质标志层。

在计算出所有连续曲线之后，矩阵M的元素就含有连续曲线通过图像剖面S的每一个像素的严格按照元素-像素对应关系的计数结果。这个结果就是示于图2b的矩阵M的精确内容。

对于对应于从图2b所示图像中选取的某像素列的矩阵M的每一列，绘制一个直方图Hc，就如图3a所示。图3a所示的直方图与图2b中的垂直黑实线所指示的列c相关联。该直方图所包含的组数等于所述列c中的像素数。直方图的每个组与矩阵M的所述列中的一个元素相关联，该元素对应于图像剖面S中相应的像素列中的一个像素；通过该像素的连续曲线的数目越多，Hc的相应的组就越充实。因此，图3的直方图Hc展示了连续曲线在标于图像剖面S上的垂直线10上的分布，这个分布精确存储在与图像剖面S关联的矩阵M的相应列中。

与不同的列相关联的不同的直方图的组所包含的样本数在均为正整数的一个最小值和一个最大值之间变化。最小值是一，因为总是至少有一条连续曲线通过每个像素。最大值是可变的，但受到连续曲线总数的限制，该连续曲线总数不外乎是图像剖面S的总像素数。

然后用一种均衡算法对每一个直方图Hc进行处理，生成相应的均衡直方图Hc’。为此，例如可以利用由Addison-Wesley于1992年出版的R.Gonzalez和R.Woods的题为《数字图像处理》的著作中所描述的算法，或者可以利用由Masson于1995年出版的J-P Coquerez和S.Philipp的题为《图像分析：滤波和分段》的著作中所描述的算法。对图3a的直方图实施的直方图均衡算法使总体重新分布，使之按照图3b的直方图Hc’所示的新的分布进行排列。主要目的是提高图像对比度的直方图均衡算法在这里的目的是将所述排列总体以分布更加均衡的方式分为更多的组，从而重新分布所述排列总体。均衡直方图Hc’的组数等于直方图Hc的组数乘以依所需分辨率而定的扩展系数。

在实施本发明的方法时，定义一个新的图像剖面S’，其按像素计的宽度等于图像剖面按像素计的宽度，其按像素计的高度等于所述直方图Hc’的组数。开始时图像剖面S’是空的，也就是说其像素看起来是黑的。

将相应的均衡直方图所确定的分布赋给图像剖面S’的每一列，从而基于所有的均衡直方图在所述图像剖面S’中构造一个新的图像。为此，用新分布到所述均衡直方图的组中的样本来计算与每个组相关联的每个像素的亮度。图像剖面S’中某个像素的亮度，例如在灰度值调色板中的亮度，取决于与该像素相关联的组中所包含的样本数。这样，如果在与该像素相关联的组中没有样本，该像素的亮度就为零，该像素在图像剖面S’中就显得是黑的。类似的，如果所述关联组包含较多或较少的样本数，亮度就是非零值，像素就是或亮或暗的灰色。

重要的是要注意到，对于所有的直方图，所述排列总体都是一样的，无论其是否被均衡处理过。每个直方图表现出不同的分布，但对于所有的直方图来说，所有组的内容的总和是一样的。就是这种不变性使得可以将图像剖面S’视为年代地层学图像剖面，也就是说，将所述图像剖面所凸现出来的边界视为地质学意义上的等时线。

图4示出了从均衡直方图构造的年代地层学图像剖面S’。在这里所作的变换，使得可以从按米或毫秒标度的深度方向的地球物理学垂直比例尺，转换到按百万年标度的地质时代比例尺。特别地，可以注意到在图4中划定最初在图1a中选定的像素列的垂直线11。

然后，将含有非零值的每一个像素配置为“一”值，而在无信息的像素处保持零值。在这样二元化了的如图5a所示的图像中，在黑色的背景上呈现白色的区域。白色区域表示该区域的像素包含至少某些地震信息，而黑色背景则表示没有信息，也就是说，在均衡直方图的关联组中没有样本。从地质学的角度来看，黑色背景揭示了间断期或者侵蚀期，因为，从年代地层学图像剖面S’的垂直方向看，黑色段所指示的时期没有沉积物的沉积。

标记所述二元化图像，为相连的白色区域指定完全不同的图案或者颜色，使独立的白色区域之间决不具有相同的图案或者颜色。图5b示出了标记所述二元化图像剖面5a的结果。

最后，对图像剖面5b的每一列进行与直方图均衡化相逆的变换，也就是说，被均衡化直方图排列的所述样本被恢复到原始直方图的原始组。然后，为每一个像素分配上述标记过程所分配的颜色，从而重新形成原始剖面。所述逆变换的结果示于图6。图5b中从12到15的标记区对应于图6中类似标记的区域。具体来说，在图5b中可以注意到，区域12几乎就被分割为两个区域12和12’，但由于有一个小狭部w将这两个区域连接起来，这两个区域就使用同一个标记。在图6中，也可以从12通到12’，因为，由于狭部w的存在，这两个区域之间的分界是不连续的。

图6非常接近于真正的地质剖面。具有相同图案的区域是沉积物的沉积比较规则和均一的区域。具有不同图案又相互接触的两个区域往往表示有地质构造的变化，也就是说存在新的沉积体系，例如从海进现象到海退现象的转换所导致的新的沉积体系。而且，通过识别包含在示于图6的经过标记的图像剖面中的地质标志层，可以在空间中协调一致地确定所观察到的所有地质事件的年代。

本发明的整个方法也可以在三个尺度上应用于地震图像块。一个地震图像块由两个水平轴和一个在亚土层方向的垂直轴确定。在这种实施方案中，在图像块垂直尺度的横向上的连续表面相当于在所述图像剖面的垂直尺度的横向上的连续曲线，在将所述方法应用于图像块时，只有计算这些表面的步骤有所不同。

为了确定所述图像块的通过该图像块所有像素的连续表面，该图像块中所有的像素列都要被依次扫描。对于图像块中选定的某像素列Ki，在组成该像素列Ki的每个像素处与所述连续表面相切的所有平面同时被确定。为此，首先在像素列Ki的每一个像素i处，在该有关像素的一个邻域Vi中，计算出一个亮度局部梯度。这里，所述邻域Vi是一个以有关像素为中心的小立方体，例如是一个7×7×7像素的立方体。所述梯度是具有在所述图像块三个尺度方向的三个分量的矢量。在像素列Ki的每一个像素i处，所述梯度是这样确定的：对在像素i邻域Vi中所有像素处计算出的所有梯度进行主分量分析。对在像素i邻域Vi中计算出的梯度进行的三维主分量分析可以确定三个正交分量，即一个与第一惯性轴关联的主矢量Fi1，一个与第二惯性轴相关联的主矢量Fi2和一个与第三惯性轴相关联的主矢量Fi3，所述第一惯性轴确定像素i的切平面的最大斜度线，所述第二惯性轴与第一惯性轴正交，并沿像素i的切平面方向，所述第三惯性轴正交于像素i的切平面。这样，在像素列Ki的每个像素i处，就获得了沿着与所要的连续表面相切并通过该像素的平面方向的一对方向矢量(Fi1，Fi2)。反复重复上述过程，从像素列Ki直到图像块的侧垂直边界，同心地从一列到另一列进行所述主分量分析。

Claims (4)

1.一种对地震图像剖面S进行年代地层学分析的方法，所述地震图像剖面S包括一个水平尺度或者宽度，以及一个在亚土层方向的垂直尺度或者高度，并由像素列构成，该方法在于：

—定义一个在大小上与图像剖面S相同的矩阵M，该矩阵的每个元素与图像剖面S的一个像素关联，并被赋以初始的零值，

—对于图像剖面S的每一个像素i，计算出一个通过该像素、在图像剖面S的垂直尺度的横向上的连续曲线Ci，

—图像剖面S中的像素每被一个连续曲线Ci通过一次，与该像素关联的矩阵M的元素就增加一个单位，

该方法的特征在于它还包括：

—对于矩阵M的每一列c，绘制一个由许多组构成的直方图Hc，所述组的数目等于所述列c的元素的数目，每个组对应于所述列c的一个元素，并包括许多样本，样本数等于矩阵M的有关元素中的累计值，该值等于通过与所述元素关联的像素的曲线数，为每一列绘制的所述直方图中分布的样本总数等于图像剖面S中的像素总数，

—对每一个直方图Hc进行均衡处理，得到均衡直方图Hc’，

—定义一个空的图像剖面S’，其按像素计算的宽度等于图像剖面S按像素计算的宽度，其按像素计算的高度等于所述直方图Hc’的组数，

—通过将所述均衡直方图Hc’的关联组的内容的基数分配给所述列c’的每一个像素，将Hc’所确定的分布赋给图像剖面S’的每一列c’，

—在图像剖面S’中，确定含有样本的邻接像素的组，并标记所述每一个组，

—将在图像剖面S’中分配给所述像素组的标记分配给图像剖面S的每一个像素，并显示所述被标记的图像剖面S。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在给定的像素i处，对图像剖面S垂直尺度的横向上的连续曲线Ci的计算是这样进行的：

—计算像素i的一个邻域Vi中所有像素的亮度的梯度，

—从在所述邻域Vi上获得的梯度值计算出一个局部梯度Gi，并将该梯度值Gi赋给像素i，

—从像素i开始，在所述梯度Gi及其加性逆元-Gi所指示的两个方向上，在横向上一个像素一个像素地反复重复前述两个步骤，直到图像剖面S的侧垂直边界。

3.一种对地震图像块B进行年代地层学分析的方法，所述地震图像块包含两个水平尺度、即宽度和深度，以及一个在亚土层方向的垂直尺度或者高度，并由像素列构成，该方法在于：

—定义一个在大小上与图像块B相同的块N，该块的每个元素与图像块B的一个像素关联，并被赋以初始的零值，

—对于图像块B的每一个像素i，计算出一个通过该像素、在图像块B的垂直尺度的横向上的连续表面Si，

—图像块B中的像素每被一个连续表面Si通过一次，与该像素关联的块N的元素就增加一个单位，

该方法的特征在于它还包括：

—对于块N的每一列c，绘制一个由许多组构成的直方图Hc，所述组的数目等于所述列c的元素的数目，每个组对应于所述列c的一个元素，并包括许多样本，样本数等于块N的有关元素中的累计值，该值等于通过与所述元素关联的像素的表面数，为每一列绘制的所述直方图中分布的样本总数等于图像块B中的像素总数，

—对每一个直方图Hc进行均衡处理，得到均衡直方图Hc’，

—定义一个空的图像块B’，其按像素计算的宽度和深度等于图像块B按像素计算的宽度和深度，其按像素计算的高度等于所述直方图Hc’的组数，

—通过将所述均衡直方图Hc’的关联组的内容分配给所述列c’的每一个像素，将Hc’所确定的分布赋给图像块B’的每一列c’，

—在图像块B’中，确定含有样本的邻接像素的组，并标记所述每一个组，

—将在图像块B’中分配给所述像素组的标记分配给图像块B的每一个像素，并显示所述被标记的图像块B。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在给定的像素i处，对图像块B垂直尺度的横向上的连续表面Si的计算是这样进行的：

—计算像素列Ki中每一个像素i的一个邻域中所有像素的亮度的梯度，

—对像素列Ki的每一个像素i，对在像素i的邻域Vi中计算出的梯度进行主分量分析，以确定在像素列Ki的像素i处与所述连续表面Si相切的平面所指示的两个方向矢量，

—从像素列Ki直到图像块B的侧垂直边界，同心地从一列到另一列，反复重复前述两个步骤。

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