上海近岸海域高分辨率單道地震探測海浪干擾及其壓制方法

劉 伍

（上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072）

高分辨率單道地震以其施工快速便捷工作效率高、分辨率高等特點，在越來越多的海洋地質(zhì)調(diào)查、海洋地質(zhì)災(zāi)害、海岸工程以及天然氣水合物等資源調(diào)查中得到廣泛運用[1,2]。高分辨單道地震為了能達到高分辨能力，其探測信號通常具有主頻高、頻帶寬、橫向采樣密集等特點，同時震源及拖纜入水較淺。在海上開展探測時，不可避免地會受到各種干擾，其中海浪干擾是主要干擾，其干擾主要表現(xiàn)為反射波同相軸起伏抖動[3,4]、低頻線性干擾、隨機噪音等[5,6]。近年來，隨著長江三角洲海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查與監(jiān)測及部分近岸工程的不斷推進，我院在上海近岸海域開展了大量高分辨率單道地震探測工作，通過大量數(shù)據(jù)分析可見，影響近岸海域高分辨單道地震數(shù)據(jù)質(zhì)量的干擾因素主要有兩類，一類是多次波，另一個就是海浪干擾，而海浪干擾中的同相軸起伏抖動則又是降低高分辨率單道地震分辨率最為關(guān)鍵的因素。

1 高分辨率單道地震采集系統(tǒng)的特點

在對上海近岸海域進行高分辨率單道地震探測時，我們采用電火花震源作為震源系統(tǒng)，采集電纜采用20單元的水聽器陣，震源頻率高，頻帶300～1800Hz，接收拖纜較短，長度為20m，橫向采樣率高，激發(fā)間隔為1s，船速以每小時3節(jié)計算，每炮的激發(fā)距離約為1.5m。由此可見高分辨率單道地震一般具有震源及拖纜沉放深度小，拖纜短、高頻率、高橫向采樣率、沉放深度小的特點。這些特點更容易使高分辨單道地震在探測過程中受海浪干擾。

2 海浪的分類及其運動特征

海浪包括風浪、涌浪和近岸浪三種[7,8]。風浪指的是在風的直接作用下產(chǎn)生的水面波動，基本特征是：風浪中同時出現(xiàn)許多高低長短不等的波，波面較陡，波峰附近有浪花或大片泡沫。波面粗糙，波峰線也短。

涌浪指的是風停后或風速風向突變區(qū)域內(nèi)的波浪和傳出風區(qū)的波浪，基本特征是：具有較規(guī)則的外形，排列整齊，波面較平滑，波峰線長。

近岸浪指的是由外海的風浪或涌浪傳到海岸附近，受地形作用而改變波動性質(zhì)的海浪，其基本特征是：隨著海水變淺，波動傳播速度變小，致使波峰線彎折而漸漸地和等深線平行。這時，波速和波長隨水深變淺而減小，同時由于波動在傳播中遇到障礙會引起折射、繞射和反射而使波高發(fā)生變化。近岸浪的波峰前側(cè)陡，后側(cè)平，波面隨水深變淺越加變得不對稱，直至卷倒破碎。波的破碎會使破碎點靠岸面的水位升高，而向海面的水位降低。

3 海浪干擾的特征及其壓制方法

海浪的三種不同形式，常常是伴生伴隨的，同時三種不同形式海洋單道地震的噪音干擾特征又不盡相同。海浪對單道地震的干擾主要分三類，一是反射波同相軸起伏，二是低頻規(guī)則的線性干擾，三是寬頻隨機干擾[9]。

3.1 同相軸起伏干擾及壓制方法

3.1.1 同相軸起伏干擾特征

風浪和近岸浪在波動特征有其相似的地方，水浪變化快，頻率高。水浪的相對運動使震源與檢波器隨波浪起伏相對位置時刻發(fā)生變化，同時波浪起伏使檢波相對海底的垂向距離時刻發(fā)生變化[10]，如圖1(a)。短周期的高頻波動使反射波同相軸出現(xiàn)高頻的起伏變化，出現(xiàn)同相軸“抖動”現(xiàn)象，造成反射波橫向連續(xù)性差，分辨率低，如圖1(b)，海底以下幾乎看不到有連續(xù)可辨的層位。

圖1 短周期高頻率海浪(a)及其干擾(b)Fig.1 The sea wave of short-period and high-frequency (a)and its interference (b)

而對于長周期的低頻涌浪，由于拖纜的長度和拖纜到震源的距離相對于涌浪的波長來說都相差不大，如圖2(a)。對這種探測方式的影響主要表現(xiàn)為同相軸規(guī)律起伏，在沒有明顯風浪、近岸浪伴隨的情況下，對采集資料質(zhì)量沒有大的影響，如圖2(b)。同相軸雖然有規(guī)律的起伏變化，但是海底以下層位依然清晰連續(xù)。

圖2 長周期低頻率浪涌(a)及其干擾(b)Fig.2 The sea wave of long-period and low-frequency (a)and its interference (b)

然而，海浪的干擾常常是綜合三種形式的波動產(chǎn)生的，在測線的前半段主要受高頻的風浪波動影響，同相軸抖動現(xiàn)象嚴重，而到測線的后半段，同相軸在抖動的同時又伴隨有規(guī)律的低頻起伏。在海浪的綜合干擾下，海底以下地層反射波隱約可見，連續(xù)性分辨率均比較差（圖3）。

圖3 海浪綜合干擾（電火花震源系統(tǒng)）Fig.3 The integrated interference of sea wave (sparker source)

3.1.2 同相軸起伏校正方法

（1）基本原理

根據(jù)浪涌的干擾的形成機理可知，海浪造成的同相軸抖動或者似波浪狀的規(guī)律起伏變化，主要是由于震源和拖纜在短時內(nèi)隨海浪相對運動和隨海浪起伏運動而造成的。要去除這種干擾就要從采集到的原始數(shù)據(jù)中設(shè)法減去這類運動對應(yīng)的時間值，使反射波的形態(tài)盡可能與海底形態(tài)保持一致。如圖4所示，圖中的大紅色線標出校正前海底反射波的起始位置，洋紅色線標示校正后的海底反射波位置，紅色箭頭表示校正方向，向下表示增加時間值，即將海底反射波位置下移到目標位置，而向上則表示減少時間值，即將海底反射波位置上提到目標位置，校正后所有的海底反射波起始位置與洋紅色實線對齊，就完成了校正工作。理想的浪涌校正，其校正后的數(shù)據(jù)相當于在平靜海面上進行探測得到的，其反射波的橫向延展形態(tài)與海底及以下地層延展形態(tài)完全一致。

（2）實現(xiàn)過程

浪涌校正的基礎(chǔ)是計算時移量（即需要向上或向下校正的時間值），計算時移量的基礎(chǔ)是拾取海底反射波同相軸時間。首先通過對拾取的同相軸時間曲線進行橫向低通濾波得到平滑的與海底地形接近的目標時間曲線，再根據(jù)拾取曲線與目標時間曲線計算出每道的時移量，最后將每道的時移量從原始數(shù)據(jù)道中減去便可消除浪涌的干擾。其中橫向濾波的關(guān)鍵參數(shù)，要通過綜合分析涌浪的波長特征以及地形起伏變化來選取。一般情況下，同相軸的抖動是一種高頻變化，波浪狀的起伏變化一般具有規(guī)則和低頻特性，而地形本身引起的反射波同相軸的起伏變化一般是低頻不規(guī)則的。

涌浪濾波的具體處理步驟如下：

(i) 獲取海底反射時間；

圖4 浪涌校正: (a)反射波組“抖動”校正; (b)波浪狀起伏校正Fig.4 The swell correction: (a) correction for jitter of the re flection events; (b) correction for the wavy re flection event

(ii) 分析涌浪波長特征及海底地形地貌情況，選取恰當濾波參數(shù)；

(iii) 對海底面反射曲線進行橫向低通濾波，得到目標時間曲線；

(iv) 計算時移量，并將時移量將涌浪干擾從探測數(shù)據(jù)中校正去除。

圖5為高頻浪涌影響下電火花震源系統(tǒng)的單道探測資料，從校正前段剖面可以看到，海底反射波以及地層反射波同相軸模糊不清，信噪比與連續(xù)性差，很難對反射波層位進行連續(xù)的識別和追蹤；校正后的剖面，海底反射波及地層反射波的同相軸變得連續(xù)清晰，信噪比大大提升，可以輕松地進行反射波層位的識別和追蹤。圖6是低頻起伏校正效果圖，校正后的剖面消除了由于浪涌起伏而造成的反射波組波浪起伏的假象，還原了真實的地層分布形態(tài)。

3.2 低頻線性干擾

3.2.1 干擾波特征

海浪在短時宏觀尺度下，其水流運動常具有一定方向性，當運動方向與接收拖纜行進方向平行或角度相交時，水流對拖纜的作用便產(chǎn)生了低頻線性大傾角干擾波，如圖7(a)。這種低頻線性干擾在剖面上表現(xiàn)為大傾角、規(guī)則線性分布及低頻等特征，從圖7(b)其相應(yīng)數(shù)據(jù)的頻譜特征可見，在100Hz以下的50Hz及8Hz左右存在明顯的強干擾。

圖6 低頻浪涌校正前后對比Fig.6 The contrast diagram of pre-correction and post-correction for low frequency swell

圖7 低頻線性干擾(a)及其數(shù)據(jù)頻譜(b)Fig.7 The low frequency linear interference (a)and its frequency spectrum (b)

3.2.2 低頻線性干擾壓制方法

海浪引起的線性干擾具有低頻特征，而高分辨率單道地震探測系統(tǒng)有效波頻率相對干擾波的頻率要高得多，即干擾波與有效波的主頻存在明顯差別。利用兩者之間頻率差別，采用常規(guī)的高通或帶通濾波，便可將低頻噪音消除。

圖8是采用帶通濾波對圖7(a)所示數(shù)據(jù)進行濾波后的剖面，帶通濾波器高通頻率為100HZ、低通頻率為2800HZ。對比可見，濾波后的剖面低頻線性干擾已經(jīng)被濾除干凈，效果明顯。

圖8 濾波處理后的剖面Fig.8 The pro fi le of post- fi lter

3.3 寬頻隨機干擾

3.3.1 寬頻隨機干擾的特征

風浪對電纜的撞擊以及風浪產(chǎn)生的聲波，這一類噪音高、中、低頻俱全，頻譜較寬，在地震數(shù)據(jù)中常表現(xiàn)為隨機噪音[11]，在數(shù)據(jù)剖面上則為斑點狀隨機分布的噪音，如圖9(a)，有效信號常常被淹沒這些噪音里。隨機噪音的頻帶較寬，如圖9(b)，0～5000Hz范圍內(nèi)均有不同強度的噪音存在，與有效波的頻率重疊在一起。因此，常規(guī)的根據(jù)頻率差異濾波方法很難有效地完全濾除此類噪音。

3.3.2 隨機噪音壓制方法

結(jié)合隨機噪音的頻帶寬和分布無規(guī)律的特征，可以采用常規(guī)的帶通濾波加空間預(yù)測濾波兩種方法組合對隨機噪音進行壓制。

圖9 原始剖面(a)及其FK譜(b)Fig.9 The raw pro fi le (a) and the FK spectrum (b)

分析圖9(b)可知，該數(shù)據(jù)對應(yīng)的有效信號的頻帶范圍為500～1500Hz，因此可以采用帶通濾波先將該范圍外的噪音進行濾波處理。圖10是采用高通500Hz低通1500Hz進行帶通濾波后的數(shù)據(jù)剖面及其FK譜，對比圖10(a)與圖9(a)可見，經(jīng)過帶通濾波處理之后隨機噪音得到了明顯的壓制，信噪比得到提高，數(shù)據(jù)剖面上出現(xiàn)連續(xù)的有效的反射波同相軸。但仔細觀察圖10(a)的數(shù)據(jù)剖面及圖10(b)的FK譜可見，在數(shù)據(jù)剖面上還殘存著較多的隨機噪音，這些噪音的頻率范圍與有效信號的頻率范圍重合，其在能量上與有效信號的能量相差不大，殘留的噪音無法不能在通過簡單的帶通濾波進行處理，否則會傷及到有效信號，針對這部分噪音可以采用空間預(yù)測濾波進行處理。

圖11是采用空間預(yù)測濾波處理后的數(shù)據(jù)剖面及FK譜，對比圖11(a)、圖10(a)和圖9(a)可見，經(jīng)過空間預(yù)測濾波處理后的數(shù)據(jù)隨機噪音壓制得比較干凈，原始數(shù)據(jù)剖面淺部深部不見的反射波信號現(xiàn)都呈現(xiàn)了出來，整個數(shù)據(jù)剖面信噪比顯著提高。

4 結(jié)論

圖10 帶通濾波壓制隨機噪音示意圖Fig.10 The band-pass fi lter to suppress random noise

圖11 空間預(yù)測濾波壓制隨機噪音示意圖Fig.11 The spacial predictive fi lter to suppress random noise

結(jié)合實際探測資料的噪音特點，經(jīng)初步分析可見，風浪和近岸浪引起的水體運動變化較快，頻率高，常常引起同相軸的高頻抖動，同時常伴隨有隨機噪音；涌浪由于其具有較規(guī)則的外形，排列整齊，波面較平滑，波峰線長，常常是引起同相軸的低頻規(guī)律起伏，同時也是引起低頻線性干擾的主要因素。由于上海近岸海域海浪情況比較復(fù)雜，高分辨率單道地震探測的數(shù)據(jù)常伴隨有多種噪音，以上三種海浪引起的干擾是影響資料質(zhì)量的主要因素，而不同區(qū)域作業(yè)時三種干擾的影響程度又有所不同。實踐發(fā)現(xiàn)，越是在平靜的天氣進行作業(yè)，海浪干擾的影響就越小，因此在開展探測之前應(yīng)及時把握海況，盡量選擇良好的天氣條件進行作業(yè)。

初步分析表明，海浪引起的三種干擾明顯降低了高分辨率單道地震探測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，其中海浪引起的同相軸高頻“抖動”又是最嚴重的因素。“抖動”導致的反射波同相軸錯斷使反射波不連續(xù)，整個剖面上無法進行有效層位的追蹤，很大程度地降低數(shù)據(jù)的分辨率。如果不加以合理的校正，再多的后續(xù)處理也難以得到清晰的反射波層位，直接影響探測成功率。而低頻的波浪狀的浪涌干擾雖然會導致反射波同相軸畸變，但反射波同相軸的連續(xù)性受影響較小，不是降低數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素。另外，在對起伏“抖動”進行校正時，海底反射時間獲取的精確程度直接影響校正效果的好壞。如果誤差太大，不但不能成功去除起伏“抖動”的影響，可能進一步降低數(shù)據(jù)質(zhì)量。

寬頻隨機干擾嚴重的時候也會大大降低數(shù)據(jù)的信噪比，使有效信號淹沒其中。實踐證明，利用隨機噪音的寬頻及隨機分布等特征，帶通濾波加空間預(yù)測濾波能夠較好地壓制隨機噪音，提高數(shù)據(jù)的信噪比。

海浪引起的線性噪聲具有明顯的低頻特征，其與高分辨率單道地震的有效信號的頻帶有顯著差異，因此采用簡單的帶通或者高通濾波就能達到較好的壓制效果。

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