地震时频属性及其在油气地震地质技术中应用的综述

文章编号:1671󰀁8585(2009)01󰀁0018󰀁05

勘探地球物理进展

ProgressinExplorationGeophysicsVol.32,No.1Feb.,2009

地震时频属性及其在油气地震地质

技术中应用的综述

刘喜武1,2,3,宁俊瑞1

(1.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院,北京100083;2.中国石油大学(北京)资源与信息学院,北京102249;3.中国海洋大学海洋地球科学学院,山东青岛266100)

摘要:基于非平稳信号时频分析方法研究的认识和实践,综述了地震时频分析属性在地层层序分析和地震储层研究中的应用。在对地震属性的一般性和方法阐述的基础上,讨论了利用地震方法研究沉积问题的基本观点和技术,指出频谱分解和分频解释是地震层序分析和储层研究的核心和关键技术。给出了地震层序分析和地震旋回分析的时频分析方法和实例,以及地震储层研究中的频谱分解和分频属性提取的方法和应用效果示例。研究和分析表明:分频解释可以在不同的频带上显示不同级别的地质现象,是地震资料研究沉积环境和储层的有效手段;时频分析是实现地震分频解释的重要手段。提高时频分析方法的精度和分辨率以及在各种实际地质情况下进行实践,将会不断促进方法研究和实际应用效果改善。关键词:地震层序;储层研究;时频分析;分频解释;时频属性中图分类号:P631.4

文献标识码:A

󰀂󰀂油气地质地震勘探技术的发展过程和内容可以概括为:构造地震技术以及地震地层、层序地层、地震沉积、地震岩性与储层研究等。无论是地震构造解释、地震沉积解释,还是地震地质综合解释,始终围绕如何将地震信息有效地转化为地质信息,较为可靠地反映油气地质勘探目标。因此,广义上讲,只要是利用地震资料进行解释,不管手段、工具和利用的信息对象如何,都可认为是对地震信息和特征(属性)的挖掘利用。地震数据时频属性分析技术及其提取的相关信息在地震资料综合解释的多个方面有重要的应用,如地层层序分析和地震储层研究,特别是分频解释和低频反射信息油气藏识别是近年来研究的热点。

利用地震资料进行地层层序和沉积特征分析,认为地震同相轴既不简单地反映等时界面也不单纯反映岩性界面,而是受到地震资料频率的控制,不同频段的地震数据反映的地质信息也不同,即地震资料的频率成分决定了地震反射同相轴的倾角和内部反射结构。低频资料中反射同相轴更多地反映岩性界面信息,以粗颗粒,岩性调谐为主(共振);高频资料中反射同相轴更多地反映等时沉积界面信息,以细颗粒,薄层厚度调谐为主。为了更好地反映地层层序特征,提高地震地层层序解释的精度,需要高效地提取地震的高频部分,为反映油气储层和油藏特征,有效提取地震数据中的低频反射成分十分关键。地震沉积学地层切片和分频解释技术都与地震数据时频分解技术密切相关。利用地震资料研究储层是现代地震勘探技术的重要标志。在利用地震属性研究储层中,地震频谱分解和分频解释技术是储层成像的核心技术。而非平稳信号时频分析方法是实现地震频谱分解和分频解释的重要手段,有关研究始终围绕着时频分解精度的提高和计算的快速稳定,以及地质与地球物理意义的分析而进行。近年来,随着时频属性提取分析技术的发展,地震频谱分解技术、分频解释技术和瞬时属性分析技术等也得到迅速发展和应用,特别是利用低频反射信息对油气水进行解释的理论和方法逐步成熟。

无论是地震沉积与高分辨率地层层序分析中的分频解释技术,还是地震储层研究中的频谱分解属性提取与分频技术中,非平稳信号时频分析与时频属性提取算法的改进和发展都是研究的核心,目前主要的算法有短时Fourier变换(STFT)、连续小波变换(CWT)、S变换(ST)和广义S变换(GST)、Wigner分布和Cohen类等时频分析方法。此外,滤波扫描也可实现分频。

本文结合作者的研究成果,分别对地震沉积研究与时频属性应用、地震层序界面识别与时频属性分析和地震储层研究的时频属性等进行阐述,最后总结有关认识,希望通过深化方法研究和应用试

收稿日期:2008󰀁10󰀁22;改回日期:2008󰀁12󰀁09。

第一作者简介:刘喜武(1971󰀁),男,博士,副教授,在站博士后,主要从事地震信号处理和地震反演方法研究。[1~3]

第1期刘喜武等󰀂地震时频属性及其在油气地震地质技术中应用的综述

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验,促进地震资料综合解释技术不断提高。

一致的,不同频率和相位信息对地层有不同的反映。

地震沉积学[5~9]主要是在地质规律(尤其是沉积环境及不同沉积环境下沉积相模式)的指导下利用地震信息和现代地球物理技术进行地层岩石宏观研究以及沉积史、沉积结构、沉积体系和沉积相平面展布的研究。地震沉积学认为地震同相轴既不简单地反映等时界面也不单纯反映岩性界面,而是受到地震资料频率的控制,不同频段的地震数据反映的地质信息不同,低频资料中反射同相轴更多地反映岩性界面信息,而高频资料中反射同相轴更多地反映等时沉积界面信息。地震相位转换、地层切片和分频解释是地震沉积学中使用的3项技术。相位转换使地震相位具有了地层意义,可以用于高频层序地层的地震解释,实际上是简单的道积分;地层切片是沿两个等时界面间等比例内插出的一系列层面进行切片来研究沉积体系和沉积相平面展布的技术;通过对地震资料分频,基于不同频率地震资料反映地质信息的不同,使得地震解释结果的地质意义更加明确。在目前地震勘探分辨率条件下,地震沉积学的研究只局限于地震岩石学、地震地貌学、沉积结构和沉积史研究,特别是沉积层序结构的研究,时频域中分频解释技术是关键。图1为地震资料研究沉积环境的思路和流程。图2为地震数据的分频显示,反映了沉积相边界,其中不同的颜色代表高、中、低不同的频率信息,即所谓的时频三原色。

魏嘉等[9]认为分频解释不是地震沉积研究的关键技术,但没有给出理由。笔者认为时频分解和时频属性(瞬时频率、瞬时相位、瞬时振幅,瞬时带宽、峰度和斜度等)在地震沉积研究中十分关键,是地震沉积学理论的基础。

[8]

[9]

1󰀂地震沉积研究与时频属性的应用

在现有的原始地震数据分辨率条件下,研究利用地震属性检测沉积环境的变化已成为可能。分频解释技术及其时频属性能够揭示隐藏在地震资料中的沉积信息。在众多的地震属性中,凌云等认为:在相对保持振幅处理的条件下,5种基本地震属性反映沉积环境,其他属性都是与这5种基本地震属性相联系的。这5种基本地震属性分别是单道瞬时频率、瞬时相位、瞬时振幅、多道相干体和波形聚类。它们与沉积环境存在一定的物理关系,其中,瞬时频率反映提取部位地层固有的频率,地层固有频率又和沉积物的颗粒有关,沉积物颗粒较粗时共振频率低,沉积物颗粒较细时共振频率较高,因而瞬时频率能够反映沉积旋回。此外瞬时频率也与薄层厚度的调谐作用有关;瞬时相位反映提取部位的地层对地震波主频的粘滞性,当地震波穿过不同岩性地层时会引起地震波相位的变化,因而可以用来检测岩性边界;瞬时振幅与提取部位地层的反射系数有关,也就是反映地层的速度、密度和流体性质,也反映AVO性质。实际应用中提取的各类地震属性虽然从不同角度反映地质信息,但都与这5种基本地震属性相联系,如吸收属性和瞬时频率相关,地震波阻抗是瞬时振幅、相位和频率的综合反映。研究表明,当上述5种基本地震属性对地质信息没有反映,通过其他属性得到的结果也是不可信的。利用5种基本地震属性研究沉积环境时,瞬时频率和瞬时相位对沉积旋回和岩性边界比较敏感,这与近年来的地震沉积学系统研究结果是

[4]

图1󰀂地震资料研究沉积环境的思路和流程

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勘探地球物理进展第32卷

旋回性地震层序模型。地震反射优势频率的方向性改变是识别地震旋回体的主要特征[10]。地震层序模型由两部分组成:一是层序体分界面地震响应;二是层序体旋回性内部结构的地震响应,后者也称为地震旋回体。

地震剖面时频分析数据立方体的层位切片能够显示出分界面反射波频率成分的沿界面分布,为研究界面性质变化提供信息。通过时频分析可获得地震信号沿层位频率分布、层位地震信号频率属性纵向对比、不同频率成分(分频)地震剖面的对比。

图2󰀂某地层层位切片的分频显示

(不同颜色代表不同的频率信息,反映沉积相边界)

由于地质剖面中存在大量薄互层,其反射波往往形成干涉波组,视频率降低,使得人工地震反射结构分析、地层对比和标定困难,通过对地震剖面进行时频分析,能够克服这一困难。利用时频分析剖面,根据反射层在层序单元结构中的位置也可以推断岩性。由于这样的岩性解释中利用了地层沉积规律,比仅利用波形特征和地震属性进行岩性解释更可靠。

对地震剖面进行时频分析的方法很多,如短时Fourier变换(STFT)、Gabor变换、连续小波变换(CWT)、S变换(ST或GST)、Chirplet变换、各种时频分布、分数阶Fourier变换、局域波分解方法和以递归滤波为核心的频率扫描技术等。时频剖面上,不同频率反映不同精细程度的地震层序界面,地震频率旋回反映结构内沉积旋回󰀂󰀂󰀂󰀂

[10~12]

2󰀂地震层序界面识别与时频属性分析

一个地质(或岩性)分界面,在中、低频地震资料中表现为一个连续的、光滑的岩性镜面反射界面,在高频资料中,却显示出了它的年代地层复杂结构,即高分辨率层序地层特征。

地震勘探把层序体作为勘探目标,既研究它的外形,又研究它的内部结构和物质成分。外形主要是指层序体分界面及其构造轮廓,而内部结构则主要是指沉积层的旋回性层理结构。物质成分与构造特征和旋回性层理相联系,由沉积环境和沉积相所确定。层序体及其旋回性结构的地震响应构成󰀂󰀂󰀂󰀂

,图3

图3󰀂广义S变换提取地震旋回

a二维地震数据;bGST离散频率能量数据体切片;cb图中第30道显示;d主极值频率即地震旋回特征第1期刘喜武等󰀂地震时频属性及其在油气地震地质技术中应用的综述

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给出广义S变换时频分析及其提取的某一地震道瞬时频率,其变换情况体现地震旋回,反映沉积旋回特征。

量正则化时频分布的一阶矩,瞬时带宽是被能量正则化时频分布的二阶矩。瞬时频率和瞬时带宽可以描述储层的展布,特别是河道和古冲蚀沟槽等。图5和图6是采用自适应时频分布(AOK)方法计算得到的图3中二维地震剖面的瞬时频率和瞬时带宽剖面。可以看出,利用时频属性剖面可以清楚地反映地层分布特征。

3󰀂用于地震储层研究的时频属性

在利用地震时频属性研究储层中,频谱分解是其中一种简单、稳定的高分辨地震地层、构造目标或油藏成像方法。这里给出频谱分解的基本做法是:用时频分析将地震数据A(t,x,y)变换到A^(f,t,x,y),通过组合频率域的谱变成同一频率的谱,其振幅谱和相位谱分别刻画地层厚度变换和地质特征的不连续性,用于描述地震地层特征,如沉积特征(河道砂)和构造特征(复杂断层系统)。调谐数据体强调局部目标尺度的调谐问题,通过谱的缺口模式刻画薄层厚度,要通过谱平衡处理消除子波重叠效应;对于较大尺度的目标,如反射波组,计算离散频率能量数据体。目前,谱分解中的时频分析方法一般采用STFT,CWT,ST,Wigner时频分布等时频分析方法完成,可获得较高的时频分辨率,进一步研究储层特征。图4是某河道沉积储层频谱分解的实例,采用连续小波变换方法进行分频,显示河道特征调谐频率(22Hz)下的振幅谱,表明分频解释在储层成像中的效用。

图4󰀂某河道的调谐振幅谱

此外,通过时频分析提取分频属性,可用于油气检测,图7为某地震测线用广义S变换方法沿层提取的分频能量属性,低频能量较强处与已知含油气情况吻合。

E(t)=

P(t,f)df是时间的边缘积分,其

-!

+!

中:P(t,f)是时频分析的结果。瞬时频率是被能󰀂󰀂󰀂󰀂

图7󰀂用广义变换提取的某区某测线某层分频能量谱

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勘探地球物理进展

󰀂󰀂望[J].地球学报,2002,23(1):73~78

第32卷

󰀂󰀂最近美国休斯顿大有关学者研究利用依赖于频率的低频反射信息,进行精细油气检测和油气水分布特征圈定[13],已发表多篇论文,并持有多项专利,丰富和推进了时频属性在储层研究中的应用。

3󰀂刘喜武,年静波,吴海波.地震波阻抗反演方法之比较

与应用分析[J],世界地质,2005,24(3):270~27󰀂凌云研究组.基本地震属性在沉积环境研解释的应用

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6󰀂董春梅,张宪国,林承焰.有关地震沉积学若干问题的

探讨[J].石油地球物理勘探,2006,41(4):63~677󰀂林承焰,张宪国,董春梅.地震沉积学及其初步应用

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9󰀂魏嘉,朱文斌,朱海龙,等.地震沉积学󰀁󰀁󰀁地震解释的

新思路及沉积研究的新工具[J].勘探地球物理进展,2008,31(2):95~101

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11󰀂刘喜武,刘洪,李幼铭,等.基于广义S变换的研究地震

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4󰀂结束语

时频分析技术是分频处理和解释技术的有效

工具。通过分频解释,可在不同的频带上显示不同级别的地质现象。利用高分辨率的时频谱,一方面可以识别地震层序界面,研究地层层序,另一方面可以研究地震旋回,识别地震数据中隐藏的精细等时地层格架,为地震资料研究沉积环境提供有力手段。通过时频分析对地震数据进行频谱分解、提取分频属性为地震储层研究奠定重要基础,已成为储层成像和油气检测的核心工具,特别是依赖于频率的低频反射信息,对地震直接油藏描述效果明显。进一步研究更加有效的非平稳信号时频分析方法,提高时频分析的精度和分辨率,将会使地震时频属性在地层层序分析与储层研究中发挥更大的作用。另外,通过各种实际地质情况下的试验,总结各种条件下的规律,将不断深化认识,促进方法研究。

参󰀂考󰀂文󰀂献

1󰀂贾承造,赵文智,邹才能,等.岩性地层油气藏勘探研究的两项核心技术[J].石油勘探与开发,2004,31(3):3~92󰀂刘宪斌,林金逞,韩春明,等.地震储层研究的现状及展

󰀂󰀂󰀂󰀂(编辑:任󰀂鹏)

(上接第17页)

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17󰀂

18󰀂

19󰀂

20󰀂

21󰀂22󰀂

(编辑:戴春秋)

第32卷第1期2009年2月勘探地球物理进展

ProgressinExplorationGeophysicsVol.32,No.1Feb.,2009

ABSTRACT

Highprecision3󰀁Dseismic:PartIDataacquisition.XiongZhu.PEG,2009,32(1):1~11

Astheexplorationtargetsaregettingmoreandmorecom󰀁plicatedandthedevelopmentofhydrocarbonreservoirgoesintodepth,itisurgenttoimplementhighprecision3󰀁Dseismictoimprovetheprecisionof3󰀁Dseismicexploration.Highpreci󰀁sion3󰀁Dseismiccanbeunderstoodasaccomplishinghighpreci󰀁sion3󰀁Dmigrationbasedonhighresolution3󰀁Dseismicexplo󰀁ration.Itdiffersfromfine3󰀁Dseismictosomeextent.Fine3󰀁Dseismicemphasizesonpayingattentiontothesmallestdetailstoensurethestabilityof3󰀁Dseismicexplorationresults.Greatexplorationbenefitscanbeachievedbymeticulouswork.Asfarastheimprovementofexplorationisconcerned,besidesdelicatework,itneedsnewandsophisticatedtechnologies.Thereareagreatdealofproblemstobesolvedinresearchanddevelopment.Manyfactorsaffecttheaccuracyof3󰀁Dseismic.Someofthemarerelatedtodisciplinesbeyondgeophysics,andtheyarealsodirectlyrelatedtothelevelofdevelopmentofmoderntechnology.Basedonthenaturalphrasesofseismicprospecting,thispaperputforwardsomeproblemstobesolvedandbrieflydiscussedsomepossiblesolutions.Topicscoveredincludeseismicdataacquisition,dataprocessing,datainterpre󰀁tation,improvingresolutionofseismicprospecting,comple󰀁mentarytechnologies,andintegrationofexplorationtechnolo󰀁gies.Theauthordiscussedtheirdifferentrolesinimprovingtheaccuracyof3󰀁Dseismicwithemphasisontheideas,approa󰀁ches,andpracticalskillstosolvetheseproblemsandtheiref󰀁fectivenessratherthantheformulismandimplementingdetailsofeachmethod.Thispapermaybeviewedasatrainingmaterial.Keywords:highprecision3󰀁Dseismic;dataacquisition;highdensitydataacquisition;layoutoptimization;3󰀁Dlayoutpa󰀁rameter;illuminationanalysis

XiongZhu,BGPInc,CNPC,Zhuozhou072751,ChinaOn3󰀁Dvisualizationofprestackseismicdata.WeiJia,TangJie,WuGangshan,YueChengqi,ZhangYang.PEG,2009,32(1):12~17

3󰀁Dvisualizationtechniqueshavebeenwidelyusedinseis󰀁micdataprocessingandinterpretation.Inseismicprocessingandprestackanalysis,3󰀁Dvisualizationtechniquescanbea󰀁doptedtoaccomplishqualitycontrolandanisotropicalanalysisonprestackdata.Consideringthemassivevolumeofprestackgathers,databrickingandmanagementbasedonlevelofdetail(LOD)modelhavebeenusedtorenderprestackdatain3󰀁Dspacetomeetthedemandsofreal󰀁timedisplayof3󰀁Ddatavol󰀁ume.Themechanismofobjectmanagementin3󰀁Dscenehasbeenutilizedforthevisualizationofmassive3󰀁Dseismicpres󰀁tackdata.Inthispaper,wediscussedtechniquesforthedataorganizationandmanagementofLODmodelsaswellasthemanagementof3󰀁Dsceneobjects.Applicationsof3󰀁Dvisualiza󰀁tionwerealsopresentedindisplayingofprestackgathers,velocityanalysis,andanalysisofcommonoffsetandcommonazimuthdata.Keywords:prestackgather;3󰀁Dvisualization;levelofdetailmodel;databricking;3󰀁Dscene,virtual3󰀁Dspace

WeiJia,InstituteofGeophysicalProspecting,SINOPECExplora󰀁tion&ProductionResearchInstitute,Nanjing210014,ChinaAreviewoftime󰀁frequencyattributesandtheirapplicationsinseismicdatainterpretationforoil&gasgeology.LiuXiwu,NingJunrui.PEG,2009,32(1):18~22

Basedonthepracticesandknowledgeofnon󰀁stationarysignalprocessing,seismictime󰀁frequencyattributesandtheirapplicationsinseismictexturesequenceanalysisandreservoirresearchwerereviewed.Startingfromageneraldiscussionofseismicattributeanditsmethods,theauthorreviewedthebasicviewpointsandtechniquesofseismic󰀁sedimentology.Itispointedoutthatspectraldecompositionandfrequencydivisioninterpretationarethekeyandcoremethodsforseismicse󰀁quenceanalysisandreservoirresearch.Examplesofapplica󰀁tionsoftime󰀁frequencyschemesinseismicsequenceanalysis,seismiccyclinganalysis,andreservoirresearchwerepresen󰀁ted.Itcouldbeconcludedthatspectraldecompositioncanre󰀁vealgeologicalstructuresofdifferentsize.Itisaneffectivetoolfordepositionalenvironmentandreservoirstudy.Theeffec󰀁

tivenessoftime󰀁frequencymethodswillcontinuetobeim󰀁

provedbytheeffortstoimprovetheaccuracyandresolutionoftime󰀁frequencyanalysismethodsandtheapplicationsundervariousgeologicalconditions.

Keywords:seismicsequence;reservoirresearch;time󰀁frequen󰀁cyanalysis;interpretationonfrequency󰀁divisionsection;time󰀁frequencyattributeLiuXiwu,SIONOECExploration&ProductionResearchIn󰀁stitute,Beijing10083,China

Accuracyanalysisoftheconfirmationtimebreak(TB)signalinseismicacquisitioninmountainousareas.CaoRong,HuangGuo󰀁hua.PEG,2009,32(1):23~26

Forseismicexplorationinmountainousareas,theaccura󰀁cyoftimebreak(TB)signalisvitalforthequantitativeanaly󰀁sisofseismicdataacquisitionandqualitycontrolofseismicre󰀁cord.BasedontheprinciplesofconfirmationTBsignalgenera󰀁tion,clockTBsignal,feedbackconfirmationTBsignal,andactualconfirmationTBsignalweremonitoredbymultiple󰀁tracestorageoscilloscopeforBOOMBOXdigitalblasterandSSS300analogblaster,andquantitativeanalysisofthefactorsthataf󰀁fecttheaccuracyoftheconfirmationTBsignalwascarriedout.TheresultscanbeusedforthebasisofimprovingtheaccuracyoftheconfirmationTBsignalandqualitycontrolofseismicrecords.Keywords:confirmationTBsignal;clockTBsignal,confirma󰀁tionTBdelay;encoder;decoder

CaoRong,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,ChinaPortablebroadbandseismicarrayobservationofTianshanorogen󰀁icbelt.ChenYunping,WangLiangshu,MiNing.PEG,2009,32(1):27~32

Byobservingnaturalearthquakesusing3󰀁componentbroadbanddigitalseismicarray,onecanobtainthethreedi󰀁mensionalstructure,masscompositionandtectoniccharacter󰀁isticsindepthoflithosphere.Thisinformationisusefulforim󰀁provingtherecognitionofdynamicprocessandmechanismofcontinentallithosphericformationandevolution,whichisahotspotingeosciencesfield.Currentmainstreamseismicobserva󰀁tionsystemconsistsofGURALP󰀁s3󰀁componentbroadbandseismometerandREFTEK󰀁sdigitalseismicrecordingsystem.Suchanobservationsystemisabletorecordearthquakesignalsofwiderangeoffrequencies.Itcanrecordsimultaneouslybothbodywavesandsurfacewaveswithoutdistortion.Usingsuchasystem,observationswerecarriedoutalongtheChineseTians󰀁hanOrogenicBeltatE86∀󰀁88∀,andN41∀󰀁45∀fromSeptember2002toSeptember2003.Theabout500kmarray,whichcon󰀁sistsof28stationswithstationspacingof15–30km,isgen󰀁erallyperpendiculartothestrikeofthemountainousrange.Theobserveddatawasusedtostudytheshearwavesplittingandlithosphericstructure.ThisobservationsareofimportantsignificanceinthestudyofthedynamicmechanismabouttheTianshanupliftandmountain󰀁basincoupling.

Keywords:broadbandseismicarray;lithosphere;crustalstruc󰀁ture;continentaldynamics;Tianshan

ChenYunping,DepartmentofEarthSciences,NanjingUniver󰀁sity,Nanjing210093,China

Spectraldecompositionbasedonmatchingpursuitanditsapplica󰀁tion.FengLei,JiangZaixing.PEG,2009,32(1):33~36

Spectraldecompositionasanewtechnologyofseismicin󰀁terpretationhasbeenadoptedinmoreandmoreapplicationsinreservoirprediction.Thekeytosuccessfuluseofthistechnolo󰀁gyisfigureoutamethodwhichcanaccuratelydepictthetime󰀁frequencyrepresentationofseismicsignal.Thetime󰀁frequencyresolutionofshorttimeFouriertransformisrestrictedbythewidthofthewindow.Windowparametershavegreatimpactontheresults.Wavelettransformcangivegoodtime󰀁frequencyrepresentationduetoitscharacteristicsofmulti󰀁resolution,butthemeaningofdecompositionisdifficulttounderstandwithintheframeworkoftimeandscale.Adaptivematchingpursuitisclearinconcept.Analysisonmodelandrealdatashowthatspectraldecompositionbasedonmatchingpursuithaveabettertimeandfrequencyresolutionandissuitableformorecompli󰀁catedseismicsignals.