單道地震勘探應(yīng)用中的干擾因素分析及壓制

盧勝周，李　振，馬秀敏，姜景捷，彭立國

（中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081）

單道地震勘探應(yīng)用中的干擾因素分析及壓制

盧勝周，李振，馬秀敏，姜景捷，彭立國

（中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081）

在瓊州海峽某工程區(qū)的單道地震勘探調(diào)查中，結(jié)合單道地震的工作原理分析了施測過程中隨機(jī)干擾和規(guī)則干擾的來源和影響方式，提出從儀器及施工參數(shù)選擇、儀器布設(shè)方式等方面對隨機(jī)干擾進(jìn)行規(guī)避；根據(jù)單道地震數(shù)據(jù)處理的基本流程，采用Geo-Allworks軟件對規(guī)則干擾進(jìn)行了過濾、剔除及壓制處理，為后續(xù)的解譯提供了基礎(chǔ)。文章通過總結(jié)單道地震的干擾源及相應(yīng)的壓制方法，給工程勘探應(yīng)用中的實際問題提出了建議。

單道地震；干擾因素；壓制方法；勘探應(yīng)用

單道地震是一種基于水聲學(xué)原理的連續(xù)走航式探測水下中淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的地球物理方法，被廣泛的應(yīng)用于世界各國的海洋地球物理調(diào)查中[1~3]。利用單道地震可獲得反映海底地層結(jié)構(gòu)的地震記錄剖面，結(jié)合重力、磁力、鉆探等資料進(jìn)行綜合性分析，可以識別海底疏松沉積，圈出基底起伏、斷裂分布以及識別潛在的地質(zhì)災(zāi)害因素，為海洋區(qū)域地質(zhì)研究和重大工程科學(xué)選線提供依據(jù)。單道地震調(diào)查中存在的主要問題是外界干擾因素較多，由于在單道檢波器接收的情況下無法采用多道地震中的水平疊加處理，干擾對地震數(shù)據(jù)的影響比較嚴(yán)重且不易壓制。為提高地震資料的信噪比和分辨率，既要在資料處理流程中采用有效的方法技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行信噪分離，削弱多次波等干擾波的影響[4-5]，又要加強(qiáng)對施工方法的研究，從野外采集前期控制方面降低隨機(jī)干擾的影響，選擇合適的震源能量、采集參數(shù)、船速等，提高地震數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量[6-7]。

圖1　單道地震勘探方法示意圖

圖2　隨機(jī)干擾造成的有效數(shù)據(jù)丟失

1 單道地震工作原理及干擾因素

1.1單道地震工作原理

單道地震勘探系統(tǒng)可分為船載單元和拖曳單元兩部分[8]。船載單元包括數(shù)據(jù)采集和觸發(fā)控制單元、供給震源能量的高壓脈沖電源和發(fā)電機(jī)、GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)顯示和后處理系統(tǒng)；拖曳單元包括震源和水聽器拖纜。單道地震反射剖面測量的工作原理如圖1所示，測量船沿預(yù)定的計劃線直線行駛，通過拖曳在船尾的震源將控制信號轉(zhuǎn)換為不同頻率的聲波脈沖向海底發(fā)射。將海底地層簡化成層狀，并忽略地層界面的折射影響，當(dāng)上下地層中彈性波傳播速度V與其密度ρ的乘積（波阻抗）不同時，就形成了反射波，由拖曳在震源附近的水聽器拖纜對不同反射界面的信號進(jìn)行接收并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，根據(jù)各反射信號到時即可定位各聲學(xué)特征界面，最后通過數(shù)據(jù)顯示和處理系統(tǒng)輸出為能夠反映海底各地層聲學(xué)特征的地震記錄剖面。

1.2單道地震勘探中的干擾因素分析

單道地震勘探中出現(xiàn)的干擾因素是多種多樣的，施測過程中，聲波傳播在水中某點向各個方位傳播，并非只向下傳播，傳播路徑的不同會造成多次波、直達(dá)波、虛反射、鳴震、繞射波等影響。另外，施測過程還會受波浪、調(diào)查船尾流、機(jī)械震蕩等因素的影響。根據(jù)干擾來源和特點的不同，可將其分為隨機(jī)干擾和規(guī)則干擾[9-10]。

1.2.1隨機(jī)干擾

隨機(jī)干擾是由于各種復(fù)雜的環(huán)境因素作用而成，在觀測范圍內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生，主要包括洋流波浪干擾、機(jī)械振動干擾和電磁干擾三個方面0。其中洋流波浪直接影響震源、水聽器拖纜的運(yùn)動形態(tài)。波浪過大時，水聽器拖纜由于質(zhì)量較輕且沉放深度淺，隨波浪起伏程度過大，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量（圖2）。受潮汐等因素影響，淺海地區(qū)的海水形成兩種運(yùn)動：潮流和底流。潮流表現(xiàn)為海水表面的流動，可以直觀的觀測到；底流表現(xiàn)為海水底部的流動，不能直觀的觀測到。他們都會造成對野外采集的干擾，潮流頻率較低，一般 7Hz 左右；底流頻率較高，一般在 12Hz左右。當(dāng)調(diào)查船順流方向行駛時，波浪干擾背景較弱，當(dāng)逆流方向行駛時，干擾噪聲能量較強(qiáng)，會將較弱的有效反射信息淹沒，涌浪噪聲具有低頻、強(qiáng)能量的特點，在原始記錄上形成強(qiáng)烈的低頻噪聲背景0。機(jī)械振動干擾主要來自調(diào)查船行駛時，船體發(fā)動機(jī)、螺旋槳的震動以及航線附近過往船只的尾流等。干擾的形態(tài)取決于干擾船只與拖纜的相對位置，相對位置的不同，船干擾在記錄上表現(xiàn)的形態(tài)也不同。干擾船在拖纜延長線上時，船干擾為直線型，具有直達(dá)波性質(zhì)。干擾船只在拖纜的垂直方向時，船干擾表現(xiàn)為雙曲線型，具有側(cè)面波的性質(zhì)0。當(dāng)調(diào)查船航向與海流流向相反時，船體會產(chǎn)生較大震動，進(jìn)一步加劇了船體的機(jī)械振動干擾。電磁干擾主要來自船上的發(fā)電機(jī)和高壓脈沖電源及電纜。電火花系統(tǒng)工作時電壓、電流不斷變化且幅度較大，產(chǎn)生的電磁輻射會干擾其它設(shè)備，平行鋪設(shè)的電纜由于分布電容和互感的存在，這是相互間會產(chǎn)生感應(yīng)電流，同時形成電磁干擾0。隨機(jī)干擾沒有統(tǒng)一的規(guī)律，在記錄上表現(xiàn)為隨機(jī)出現(xiàn)并且分布均勻的波形和脈沖，在頻率上的分布寬而不定，在空間上沒有確定的視速度無一定的傳播方向，在時間剖面上呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)，是構(gòu)成地震記錄的主要干擾背景[10-14]。

圖3　單道地震勘測中的多次波干擾

圖4　單道地震記錄中的各種地震波[13]

1.2.2規(guī)則干擾

規(guī)則干擾也稱相干干擾，其來源、波形特征、出現(xiàn)時間都有明確的規(guī)律性，一般具有頻率低、速度低、能量強(qiáng)、衰減慢和頻散大等特點[10]。主要包括多次反射波、直達(dá)波、虛反射、鳴震、繞射波等，其中多次波是影響單道地震數(shù)據(jù)質(zhì)量最主要干擾之一[5]。地震波在有多個強(qiáng)反射界面的介質(zhì)中傳播時來回震蕩會產(chǎn)生多次波，在地震道上表現(xiàn)為連續(xù)振動，具有明顯的周期性，中、深部地層的一次反射波會被多次波掩蓋，對剖面的地質(zhì)解釋造成嚴(yán)重影響（圖3）。直達(dá)波具有較強(qiáng)的能量，主要干擾海底淺層的反射信號；虛反射是由震源激發(fā)能量的一部分向上傳播，遇到海面再向下反射被水聽器電纜接受形成的；鳴震是一種特殊的多次波，由地震波在水層中的多次反射造成；繞射波多發(fā)生在基巖的反射分界面、孤立的小島、巖性體或暗礁沉船等位置。圖4為海上單道地震記錄中各種地震波記錄形成的射線原理示意圖。這些干擾波與有效波存在頻譜差異、視速度差異或到達(dá)時間的差異，在地震時間剖面上有規(guī)律性的出現(xiàn)，因此可用濾波、方向特性和相干性等方法來去除。

綜上所述，隨機(jī)干擾主要來源于施測過程中來自外界的干擾，應(yīng)在施測過程中通過儀器布設(shè)、施測參數(shù)設(shè)定、航向、航速等角度進(jìn)行規(guī)避；對于多次波、直達(dá)波虛反射、鳴震、繞射波等規(guī)則干擾主要由于單道地震勘探方法本身的缺陷造成，只能通過后處理加以壓制。

表1　單道地震測量作業(yè)參數(shù)表

2 瓊州海峽單道地震勘探應(yīng)用

2.1儀器設(shè)備及工作參數(shù)

本次測量設(shè)備采用荷蘭Geo Marine Survey Systems公司生產(chǎn)的便攜式超高分辨率單道地震測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要由Geo-source多電極電火花震源，Geo-spark固態(tài)脈沖電源、水聽器拖纜、Mini-Trace數(shù)據(jù)采集單元、GeoSuite-Acquisition數(shù)據(jù)采集軟件和GeoSuite-Allworks數(shù)據(jù)處理分析軟件組成。

系統(tǒng)震源為擁有200個電極的負(fù)極放電海水電火花震源，脈沖能量范圍為100~2000 J，可在鹽水環(huán)境中獲取非常高分辨率的淺地層地震剖面數(shù)據(jù)。水聽器為標(biāo)準(zhǔn)8單元水聽器纜，信號感應(yīng)段長2.3m，適用于300m的采集水深（瓊州海峽最大水深約為120m）。數(shù)據(jù)采集單元Mini-Trace加上Geo-Suite Acquisition軟件是一個完全集成的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，軟件可以在Windows環(huán)境下運(yùn)行并且可以獨立觸發(fā)和記錄單波道或雙波道數(shù)據(jù)。Geo-Suite Allworks后處理軟件可提供后處理、數(shù)據(jù)解析以及3D試圖的完全解決方案。單道地震的相關(guān)設(shè)備及工作界面如圖5所示。

正式開展單道地震測量工作之前，為了獲取良好采集效果，先在調(diào)查區(qū)內(nèi)選定合適航線進(jìn)行了震源能量、激發(fā)間隔、采樣頻率、濾波范圍、震源和水聽器沉放深度等試驗，最終確定合適的工作參數(shù)（表1）。

2.2施測中降低隨機(jī)干擾的方法

圖5　單道地震相關(guān)設(shè)備及工作界面

降低隨機(jī)干擾的影響的兩個重要因素是：合適的拖行配置和相對靜音的調(diào)查船。震源和水聽器一般置于船后一定位置拖曳，在實際測量時應(yīng)想方設(shè)法降低調(diào)查船自身產(chǎn)生的機(jī)械噪聲及電磁噪聲。調(diào)查船行駛時螺旋槳運(yùn)動會在船尾區(qū)域形成尾流，尾流氣泡的屏蔽作用會影響地震波能量的正常傳播，導(dǎo)致部分地震數(shù)據(jù)的丟失。在實際勘探時，使用舷外支架將水聽器拖纜支出船側(cè)一定位置，使其遠(yuǎn)離船尾尾流區(qū)域，可有效較低尾流的不良影響。增大震源和水聽器的拖曳距離可減小船體自身的噪聲干擾的影響，

但瓊州海峽漁網(wǎng)漁柵密度較大，拖曳距離增大時設(shè)備安全受到的威脅也越大，因此勘探時應(yīng)在保障安全的前提下，將震源和水聽器置于合適的拖拽位置。為降低電磁干擾影響，應(yīng)使水聽器電纜遠(yuǎn)離震源高壓電纜的位置，同時數(shù)據(jù)采集單元、高壓脈沖電源和發(fā)電機(jī)都必須連接海地線。

受潮汐等因素影響，瓊州海峽海流方向一天三換，當(dāng)調(diào)查船沿順流方向行駛時，波浪干擾背景較弱，地震數(shù)據(jù)的信噪比較高；當(dāng)調(diào)查船沿逆流方向行駛時，船體震動加劇，干擾噪聲的能量較強(qiáng)，會淹沒較弱的有效反射信息，在這種情況下，應(yīng)通過放慢船速來改善數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量。當(dāng)條件具備時，也可以全部采取順流方向施工。施工時，船速和航向應(yīng)盡可能保持穩(wěn)定，航速保持在4kn左右。由于瓊州海峽過往船只較多，漁業(yè)活動頻繁，為盡量避免過往船只對施測過程的干擾，應(yīng)在船頭船尾設(shè)置瞭望員即時監(jiān)測海況及儀器動態(tài)，調(diào)查船由于躲避船只漁網(wǎng)等情況偏離測線超出規(guī)定范圍后，要及時小幅度地緩慢修正航向。

在采集參數(shù)選取方面，震源發(fā)射能量的選擇需要慎重考慮。通常人們認(rèn)為發(fā)射能量大，穿透深度也大，因而傾向選擇較大的發(fā)生能量。但是發(fā)射能量增大，由于在水中發(fā)生聲能轉(zhuǎn)換，形成的子聲波波形無法避免地變寬并復(fù)雜化，接收的反射波的分辨率自然降低。而且高頻能量在地震中衰減很快，對穿透深度的提高作用有限。另外由于瓊州海峽水深較淺，大能量的發(fā)射不但水底的反射產(chǎn)生多次波，基巖面的反射波也會在水層中產(chǎn)生多次反射，對有效波產(chǎn)生進(jìn)一步干擾。為達(dá)到最佳的數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，適當(dāng)降低震源的能量在此類情況下是有益的。

2.3單道地震數(shù)據(jù)處理及規(guī)則干擾的壓制方法

數(shù)據(jù)處理是儀器記錄到人為解釋之間的過渡環(huán)節(jié)。通常海洋地震勘探數(shù)據(jù)處理重點要解決的問題是地震子波的整形和去紛繁復(fù)雜的多次波，從低信噪比的數(shù)據(jù)中恢復(fù)出可靠的有效反射波[09，15]。地震數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容包括從地震數(shù)據(jù)中提取各炮點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)GPS天線和地震拖曳系統(tǒng)的相對位置作位差改正；對地震數(shù)據(jù)作帶通濾波、時變?yōu)V波、自動增益控制、道均衡等處理，壓制氣泡效應(yīng)、壓制隨機(jī)干擾；通過涌浪補(bǔ)償濾波器，去除浪涌造成的海底波動以及水體中的反射；通過反褶積和偏移等處理方法，消除地震映像存在的“模糊化”作用，提高資料分辨率，恢復(fù)傾斜，使地層成像到真實的位置；通過測井資料確定各沉積層速度，對地震剖面中的各反射層做數(shù)字化拾取，最后將獲得的地層深度數(shù)據(jù)結(jié)合多波束測深數(shù)據(jù)和驗潮數(shù)據(jù)歸一到海洋基準(zhǔn)面，繪制等深圖及厚度圖[16-18]。

單道地震數(shù)據(jù)資料的處理主要環(huán)節(jié)包括預(yù)處理、噪聲壓制和多次波壓制。其中每個步驟又包括多種方法，具體處理流程框圖如圖6。

圖6　單道地震數(shù)據(jù)處理流程圖

地震數(shù)據(jù)處理中壓制干擾、提高信噪比的方法很多，其中對多次被的壓制主要有三種方法：預(yù)測反褶積方法、模型擬合法和波動方程預(yù)測減去法[4-5，19]。預(yù)測反褶積方法假定正常地層反射系列是互不相關(guān)的，具有非周期性和不可預(yù)測性，而多次波具有周期性和可預(yù)測性，通過相關(guān)函數(shù)從初始到達(dá)的有效反射波預(yù)測出多次波，然后減去多次波，得到一次反射剖面。識別多次波的方法可以是利用其周期性以及多次波與一次波斜交的值，在剖面上直接觀察估計，也可以通過相關(guān)分析準(zhǔn)確計算得到。預(yù)測反褶積的主要作用是壓縮子波，提高地震資料的分辨率，從而提高資料解釋的精度，此外還可以消除短周期鳴震和其他多次波干擾，突出有效波，提高地震資料的信噪比。模型擬合方法是 f-x 域中的一種時空域濾波方法，通過空間模型分析建立多次波模型，任何與模型有相似反射特征的反射波都被當(dāng)作多次波進(jìn)行壓制，因此適用于識別和壓制與一次波有明顯區(qū)別的長周期多次波。當(dāng)一次反射與多次波傾角差異較大時，效果最好，相差不大時壓制效果較差。其優(yōu)點是不會影響多次波之前的淺層反射數(shù)據(jù)，缺點是目標(biāo)層的厚度有限，只能壓制有限厚度層的多次波，故該方法不適合海底地形起伏變化較大的情況。波動方程預(yù)測減去法根據(jù)實際介質(zhì)和地層界面， 借助模型或反演通過波場外推來模擬并減去多次波。此方法不依賴于地下介質(zhì)的先驗信息，可以適用于復(fù)雜的海底情況，對于短周期淺層平海底多次波和長周期陡傾海底的多次波都有效果。但計算成本較高，時間較長，對于數(shù)據(jù)量大的地震剖面不建議使用。

2.4瓊州海峽處理流程和結(jié)果

本次單道地震勘探的原始數(shù)據(jù)為 SEGY 格式，原始地震記錄存在著很強(qiáng)的直達(dá)波信號，除了海底反射面能量較強(qiáng)外，海底面以下的地層反射信號相對較弱，近似于空白（圖7），因此需要對原始記錄做進(jìn)一步處理方能用于地質(zhì)解釋。本次數(shù)據(jù)處理采用Geo-Allworks系統(tǒng)軟件，加載原始數(shù)據(jù)后，首先根據(jù)震源的頻譜特征（圖8）確定濾波參數(shù)，并使用無限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器初步削弱環(huán)境噪聲影響，然后使用恒定增益增強(qiáng)信號強(qiáng)度。

圖7　單道地震某測線原始數(shù)據(jù)

圖8　Geo-Source電火花震源頻譜特征

使用涌浪濾波消除波浪影響，并在此基礎(chǔ)上使用seabed Finder工具追蹤出海底線，通過Mute工具切除海底以上的水柱噪聲，并再次使用恒定增益增強(qiáng)地層反射信號。切除水柱后的剖面結(jié)果如圖9。為了提高剖面的連續(xù)性，使用道均衡（Trace equalization）工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后再次使用IIR濾波減弱噪聲，并根據(jù)地層深度變化選取合適的增益值使用時變增益（TVG）進(jìn)一步加強(qiáng)深部反射信號強(qiáng)度。最后地震剖面處理結(jié)果如圖10所示。

總體上地震采集資料齊全，缺炮、缺道現(xiàn)象很少，但每條測線可用的地震信息較淺。由處理后的地震剖面可以看出，有效波能量主要集中在淺部，即海底面到250ms 之間的范圍。250ms 以下的能量非常弱，幾乎為空白記錄。因為野外施工采用的是單道記錄，通過數(shù)據(jù)處理對野外資料的改變能力應(yīng)該是有限的，所以本次野外資料質(zhì)量較好的范圍主要集中在海底以下250ms 的范圍，如何進(jìn)一步增強(qiáng)深部有效信號，改善深部信噪比，是本次處理工作的難點所在。

圖9　切除水柱后的單道地震剖面

圖10　單道地震某測線處理后剖面

3 結(jié)論和建議

通過對野外數(shù)據(jù)采集過程中噪聲干擾情況的分析可知，單道地震勘探中的干擾源主要有船舶、洋流波浪、電磁及聲學(xué)相干干擾等。在實際測量時為壓制隨機(jī)噪聲，應(yīng)將震源和水聽器置于船尾合適位置拖曳，并用舷外支架將水聽器拖纜支出船尾尾流區(qū)域。由于瓊州海峽水淺，震源發(fā)射能量不宜過大，保持在500J到800J即可。調(diào)查船逆流行駛時，船體自身噪聲較大，波浪對水聽器拖纜運(yùn)動形態(tài)的影響也大，應(yīng)適當(dāng)降低船速，將干擾控制在可接受范圍內(nèi)。施測時還應(yīng)注意將單道地震主要設(shè)備連接海地線并將震源高壓電纜與水聽器數(shù)據(jù)纜隔開，降低電磁干擾。

單道地震數(shù)據(jù)中較常見的規(guī)則干擾是強(qiáng)振幅、短周期的多次波，且單道地震中的多次波不具有反射波與多次波的正常時差差別的特征。由于瓊州海峽海底地層多為第三系和第四系，有些還未成巖，地震波在其中的傳播速度變化小，多次波難以通過靜校正等方法消除，需要結(jié)合不同的地質(zhì)情況，利用多次波的周期性以及與地層反射斜交的特點，綜合使用預(yù)測反褶積、預(yù)測模型減去法等多種方法進(jìn)行綜合處理。瓊州海峽漁網(wǎng)漁柵較多，過往船只及漁業(yè)活動頻繁，調(diào)查船需要頻繁轉(zhuǎn)向躲避，影響單道地震施工作業(yè)。在以后工作中，計劃線設(shè)計上應(yīng)考慮避開漁網(wǎng)高密度區(qū)并采用合適的測線間距，提高工作效率。

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nalysis and Suppression of the Interference Factors in the Application of Single Channel Seismic Exploration

LU Sheng-zhou LI Zhen MA Xiu-min JIANG Jing-jie PENG Li-guo

(Institute of Geomechanics, CAGS, Beijing 100081)

The present paper has a discussion on origin and influence of random interference and regular interference in single-channel seismic exploration by the example of single-channel seismic exploration survey in the Qiongzhou Strait. A proposal of the evasion of the random interference by means of instruments and construction parameter selection and instrument layout way and of filter out and repression of regular interference by use of Geo-Allworks is offered.

single-channel seismic exploration; interference factor; repression; application

P631.4

A

1006-0995（2016）02-0310-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2016.02.031

2016-05-03

本文由海洋地質(zhì)保障工程 HB-5項目資助（GZH201400212）

盧勝周（1991-），男，湖北黃崗人，在讀碩士研究生，地質(zhì)工程專業(yè)