海底天然氣滲漏高精度淺層剖面處理技術(shù)

薛 花， 杜 民， 尚久靖， 文鵬飛， 張寶金

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510075)

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海底天然氣滲漏高精度淺層剖面處理技術(shù)

薛 花， 杜 民， 尚久靖， 文鵬飛， 張寶金

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510075)

淺地層剖面測(cè)量方法是基于水聲學(xué)原理的連續(xù)走航式探測(cè)水下淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的一種地球物理方法。對(duì)廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局近幾年野外采集的兩種不同類型(Chirp和SES-2000)的淺地層剖面原始資料特點(diǎn)進(jìn)行了分析，野外獲得的淺剖資料，僅僅是經(jīng)過采集系統(tǒng)后續(xù)單一的處理，對(duì)于海況較差時(shí)采集的數(shù)據(jù)，上述單一的處理方法根本無(wú)法滿足后續(xù)資料的解釋。為此有針對(duì)性的提出了高精度淺剖資料處理技術(shù)，結(jié)合某區(qū)實(shí)際資料進(jìn)行應(yīng)用，系統(tǒng)討論和分析了該區(qū)海底天然氣滲漏的聲學(xué)特征。總的來說，適合淺剖資料高精度處理方法的提出增加了識(shí)別天然氣水合物層，天然氣滲漏或擴(kuò)散引起的沉積物聲學(xué)異常特征的精度，為后續(xù)資料的對(duì)比和綜合解釋奠定了基礎(chǔ)。

海底天然氣滲漏； 高精度處理； 淺地層剖面； 沉積物聲學(xué)異常特征

0 引言

淺地層剖面測(cè)量方法是基于水聲學(xué)原理的連續(xù)走航式探測(cè)水下淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的一種地球物理方法[1]，在海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、海底礦產(chǎn)資源探測(cè)中都發(fā)揮了比較重要的作用。該方法在大洋科考中能較好地探明富鈷結(jié)殼，在海底礦產(chǎn)資源探測(cè)中能識(shí)別天然氣水合物沉積物聲學(xué)異常特征和海底微地貌異常特征。

在2011年以前獲得的淺剖資料，基本上都不做后續(xù)處理工作，因?yàn)槲从涗汼GY數(shù)據(jù)，解釋人員直接拿紙質(zhì)剖面進(jìn)行解釋。但隨著調(diào)查目的的明確為了更好地識(shí)別如麻坑、泥火山等海底微地貌異常特征以及氣泡羽狀流或類海底氣體“火焰”等異常特征。我局2011年正式開始將淺剖資料的處理作為生產(chǎn)任務(wù)，但是野外獲得的淺剖資料都只是經(jīng)過采集系統(tǒng)的后續(xù)簡(jiǎn)單單一的處理，在海況不好的情況下，由于各種噪音干擾，資料的信噪比整體會(huì)出現(xiàn)比較低的情況，除了同相軸連續(xù)性較差外，地質(zhì)特征更加不明顯，有的地方多次波發(fā)育，使得有效層位更加追蹤困難。由于采集獲得的SGY數(shù)據(jù)道頭中未記錄導(dǎo)航FIX號(hào)，由此直接影響資料的對(duì)比和解釋，并且道頭記錄的地理坐標(biāo)單位與解釋系統(tǒng)不匹配，這樣不滿足后續(xù)軟件解釋的需要[2]。

目前，國(guó)內(nèi)、外對(duì)淺剖資料的研究主要是對(duì)采集后的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行簡(jiǎn)單后續(xù)處理后就直接解釋[3-4]，對(duì)淺剖數(shù)據(jù)進(jìn)行專門的處理研究相對(duì)來說比較少。近年來，陸續(xù)開始出現(xiàn)了對(duì)淺剖數(shù)據(jù)的處理研究，趙鐵虎等[1]利用淺地層剖面測(cè)量方法對(duì)淺水區(qū)存在的典型問題進(jìn)行了分析；羅進(jìn)華等[5]研究了消除涌浪影響的處理技術(shù)；陳曉輝等[6]分析了北黃海地區(qū)的原始數(shù)據(jù)資料特點(diǎn)；鄭紅波[7]分析了Chirp信號(hào)采集的原始數(shù)據(jù)特點(diǎn)；但是針對(duì)不同設(shè)備采集的具有不同特征和特點(diǎn)的淺剖資料并沒有詳細(xì)和完善地研究。因此，對(duì)不同設(shè)備采集的不同淺剖資料的高精度處理方法的研究，有著重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。作者對(duì)廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局近幾年野外采集的兩種不同類型(Chirp和SES-2000)的淺地層剖面原始資料特點(diǎn)進(jìn)行了分析，形成了一套淺剖資料高精度處理流程；結(jié)合某區(qū)的實(shí)際資料，系統(tǒng)討論和分析了該區(qū)海底天然氣滲漏的聲學(xué)特征。

1 淺層剖面的野外采集

目前Parasound P70和SES-2000 Medium這兩大設(shè)備是廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局專門用于淺地層剖面采集，Parasound P70全海域參量淺層剖面儀來自德國(guó)ATLAS公司，它以線性調(diào)頻脈沖(Chirped)串的發(fā)射模式通過直接激發(fā)2 kHz～10 kHz的聲波信號(hào)來跟蹤海底。該設(shè)備具有分辨率高、波束窄和穿透強(qiáng)等特點(diǎn)，主要用于南海天然氣水合物的資源勘查以及大洋科考中富鈷結(jié)殼海底礦產(chǎn)資源探測(cè)。圖1為用P70采集的原始淺地層剖面和頻譜圖，可以看出淺剖的分辨率相當(dāng)高，主頻可達(dá)4 500 Hz，振幅有正有負(fù)。

圖1 P70采集的淺地層剖面和波形圖Fig.1 Sub-bottom profile and waveform figure using P70 acquistion

圖2 SES-2000采集的淺地層剖面和波形圖Fig.2 Sub-bottom profile and waveform figure using SES-2000 acquistion

SES-2000 Medium型參量淺地層剖面儀來自德國(guó)INNOMAR公司，它通過參量陣原理得到2 kHz～10 kHz的聲波信號(hào)。該設(shè)備主要用于海洋區(qū)域淺地層結(jié)構(gòu)、淺層氣和淺地層斷裂發(fā)育情況的調(diào)查。圖2為用SES-2000 Medium采集的原始淺地層剖面，可以看出高分辨率是淺剖的主要特征，野外原始資料振幅本身為包絡(luò)且為正值，其譜低頻強(qiáng)，隨著頻率的增加呈指數(shù)形式變化。

2 淺層剖面的處理難題

野外采集的淺剖數(shù)據(jù)由于在采集過程中受各種噪聲干擾，直接影響后續(xù)資料的解釋，面臨實(shí)際生產(chǎn)任務(wù)的需要，2011年我們首次將淺地層剖面的資料處理工作提上日程。由于以往沒有記錄過淺地層剖面的原始數(shù)據(jù)，因此也沒有進(jìn)行過處理，只能對(duì)紙質(zhì)剖面進(jìn)行解釋。在處理前淺層剖面數(shù)據(jù)存在幾個(gè)大方面的問題：

1)由于儀器本身原因需要定期更換文件名記錄造成測(cè)線分段，拼接任務(wù)量大。

2)由于間隔性采集對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了延時(shí)記錄，無(wú)法正確反映反射波的時(shí)間信息。

3)對(duì)于采集記錄為振幅的數(shù)據(jù)，由于測(cè)線為包絡(luò)，振幅值為正且譜低頻強(qiáng)無(wú)法進(jìn)行常規(guī)去噪，同相軸模糊不清。

4)由于各種噪音干擾，造成資料信噪比極低，無(wú)法進(jìn)行層位追蹤。

5)由于SGY數(shù)據(jù)未記錄導(dǎo)航FIX號(hào)信息且記錄的地理坐標(biāo)單位與解釋系統(tǒng)不匹配，這樣直接影響資料后續(xù)對(duì)比和解釋。

3 處理技術(shù)

目前市面上并沒有針對(duì)淺剖專門的處理軟件，對(duì)比CGG、OMEGA、FOCUS三大處理系統(tǒng)，結(jié)合原始資料的特點(diǎn)，選擇了交互性良好的處理系統(tǒng)軟件FOCUS5.4地震處理系統(tǒng)作為處理淺剖的軟件平臺(tái)，同時(shí)利用了linux系統(tǒng)下的awk編程語(yǔ)言和seismic unix地震處理系統(tǒng)中的相關(guān)模塊。

將高精度地震技術(shù)運(yùn)用到淺剖資料中，結(jié)合淺地層剖面的地震特征來壓制噪音和多次波，細(xì)化消除涌浪對(duì)淺地層剖面造成的影響，將FIX號(hào)信息植入道頭數(shù)據(jù)中，實(shí)現(xiàn)了地形起伏較大的淺層剖面的繪圖(圖3)。圖4是利用高精度處理方法處理淺剖資料前后的效果對(duì)比圖，由圖4可以看出，處理有效地壓制了各種噪音干擾，恢復(fù)了被覆蓋的有效反射，消除了涌浪造成的同相軸高頻抖動(dòng)，使得微幅的精細(xì)構(gòu)造得以正確識(shí)別，氣泡效應(yīng)得到改善，斜干擾和隨機(jī)噪聲等干擾波的壓制也使剖面變得干凈。總之，處理明顯提高了地震數(shù)據(jù)的信噪比、分辨率和同相軸的連續(xù)性，獲得了高信噪比、高分辨率的清晰地震剖面，為正確地進(jìn)行地質(zhì)解釋提供了資料基礎(chǔ)。

圖3 淺剖資料的高精度處理流程圖Fig.3 Sub-bottom data high precision processing flow figure

圖4 高精度淺層剖面處理效果對(duì)比圖Fig.4 High precision sub-bottom processing effect contrast figure(a)原始剖面；(b)處理后成果剖面圖

4 某區(qū)海底天然氣滲漏的聲學(xué)特征

4.1 海底天然氣滲漏的反射剖面特征

我局利用Parasound P70全海域參量淺層剖面儀在某區(qū)進(jìn)行了淺地層剖面測(cè)量，通過對(duì)資料的分析和詳盡的高精度處理后，發(fā)現(xiàn)了研究區(qū)淺地層剖面特征顯示出較好的海底連續(xù)性，剖面層次結(jié)構(gòu)較為清晰，平均達(dá)到海底以下100 ms，可達(dá)到海底以下60 m厚的沉積層，平均穿透厚度小于100 m，屬于第四紀(jì)沉積層。含滲漏氣泡或水合物的沉積物表現(xiàn)為聲學(xué)異常，在淺地層剖面和地震反射剖面上通常表現(xiàn)為聲空白帶、聲混濁、增強(qiáng)反射、亮點(diǎn)、速度下拉、氣煙囪等特征[8-11]。

1)聲空白帶。聲空白是層內(nèi)界面反射突然變?nèi)趸蛳У膮^(qū)域，剖面形態(tài)類似補(bǔ)丁狀[12]。研究區(qū)淺地層剖面上發(fā)現(xiàn)了大量的聲空白帶現(xiàn)象(圖5)，一般認(rèn)為是該沉積物中含有氣體，對(duì)聲能量的屏蔽作用，或者說聲波信號(hào)被較快吸收掉。

圖5 海底天然氣滲漏典型反射剖面特征Fig.5 Seabad gas leakage typical reflection profile feature

2)聲渾濁。聲渾濁在淺層剖面上表現(xiàn)為黑色斑點(diǎn)或團(tuán)塊的現(xiàn)象，極易識(shí)別[13]。它是由于聲波能量被氣泡散射所致，通常會(huì)對(duì)下部地層反射造成屏蔽。圖5顯示了在研究區(qū)發(fā)現(xiàn)的大量具有團(tuán)塊特征的聲渾濁現(xiàn)象。

3)增強(qiáng)反射。增強(qiáng)反射表現(xiàn)為連續(xù)反射層的局部振幅增強(qiáng)的現(xiàn)象，在很淺的沉積物中,天然氣在含孔隙的(富沙和粉沙)沉積物中呈聚集狀,而在不滲透的(富泥)沉積物中呈分散狀。聲渾濁通常是聚集狀天然氣的反映, 而增強(qiáng)反射則通常是分散狀天然氣的表現(xiàn)[14-15]，研究區(qū)增強(qiáng)反射現(xiàn)象較為常見。

4)多次波。多次波是因?yàn)橄滦胁ㄔ谙蛳聜鞑サ倪^程中能量遇到含氣層界面或淺層硬底上被反射回來，然后在海底界面又被反射回去，這種低能量損失的反射方式在經(jīng)過多次反復(fù)進(jìn)行后就形成了多次波。在研究區(qū)的淺剖資料中，我們沒有發(fā)現(xiàn)多次波的存在，但利用SES-2000 Medium型參量淺地層剖面儀，在另一淺地層剖面的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)了多次波的存在(圖6)。

圖6 海底天然氣滲漏多次反射剖面特征Fig.6 Seabad gas leakage multiple reflection profile feature

4.2 與海底天然氣滲漏相關(guān)的聲學(xué)微地貌特征

海底沉積層氣體以一種噴涌或滲漏的方式注入海洋，在水柱中形成特殊的海洋地質(zhì)現(xiàn)象—海底冷泉。它逸出大量的氣泡遮蔽海底，從而形成強(qiáng)的波阻抗界面，這個(gè)波阻抗界面可在人工地震、淺地層剖面、多波束、旁掃聲納及其他回聲測(cè)量系統(tǒng)中形成異常記錄，如“火焰狀”異常，從而對(duì)海底滲漏進(jìn)行有效識(shí)別。由于國(guó)內(nèi)多波束測(cè)量的分辨率較低，且尚未開展側(cè)掃聲納調(diào)查工作，對(duì)海底冷泉等噴溢的識(shí)別主要依靠高分別率地震和淺地層剖面資料。

通過對(duì)研究區(qū)淺地層剖面的詳細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)了疑似海底噴溢的冷泉反射特征(圖7)。該噴溢現(xiàn)象表現(xiàn)為海底以上水柱內(nèi)的振幅異常，海底以下出現(xiàn)振幅空白帶異常，可能為氣體滲漏的通道所在。在疑似海底滲漏帶的周圍，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了具有地層含氣特征的聲渾濁、聲空白帶和海底圓丘，指示該區(qū)域地下具有充足的氣體匯聚。這種具有明顯聲學(xué)標(biāo)志特征的類“海底火焰”特征的發(fā)現(xiàn)為今后天然氣水合物聲學(xué)特征的試驗(yàn)選區(qū)也提供了依據(jù)。

圖7 研究區(qū)淺地層剖面的類”海底火焰”特征Fig.7 Sub-bottom submarine suspected flame feature in area(a)測(cè)線A; (b)測(cè)線B

5 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)、外尚未有專門針對(duì)淺剖資料處理的軟件，因原始數(shù)據(jù)的特殊性尤其是頻率相當(dāng)高和采集設(shè)備的不同，對(duì)淺剖資料處理不能按常規(guī)地震資料處理流程思路來按部就班，要針對(duì)具體情況進(jìn)行分析。

作者淺剖資料高精度處理技術(shù)的提出，彌補(bǔ)了淺剖資料在采集上后期處理方法單一的現(xiàn)狀。處理后的剖面有效地壓制了各種噪音干擾，恢復(fù)了被覆蓋的有效反射，消除了涌浪造成的同相軸高頻抖動(dòng)，使得微幅的精細(xì)構(gòu)造得以正確識(shí)別，氣泡效應(yīng)得到改善，斜干擾和隨機(jī)噪聲等干擾波的壓制也使剖面變得干凈?？傊幚砻黠@提高了地震數(shù)據(jù)的信噪比、分辨率和同相軸的連續(xù)性，獲得了高信噪比、高分辨率的清晰地震剖面，為正確地進(jìn)行地質(zhì)解釋提供了資料基礎(chǔ)

結(jié)合實(shí)際工區(qū)運(yùn)用，可以看到通過對(duì)資料的分析和詳盡的高精度處理后，發(fā)現(xiàn)了研究區(qū)淺地層剖面特征顯示出較好的海底連續(xù)性，剖面層次結(jié)構(gòu)較為清晰，平均達(dá)到海底以下100 ms，可達(dá)到海底以下60 m厚的沉積層，平均穿透厚度小于100 m，屬于第四紀(jì)沉積層。由此可以認(rèn)為，適合淺剖資料高精度處理方法的提出，增加了識(shí)別天然氣水合物層，天然氣滲漏或擴(kuò)散引起的沉積物聲學(xué)異常特征(如聲混濁、空白帶、增強(qiáng)反射等)及海底微地貌(類“海底火焰”特征)的精度，同時(shí)對(duì)今后野外施工及后續(xù)地質(zhì)分析與解釋具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

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The high precision processing technology in sub-bottom profile for seabad gas leakage

XUE Hua， DU Min， SHANG Jiu-jing， WEN Peng-fei， ZHANG Bao-jin

(Key Laboratory of Marine Mineral Resources, Ministy of Land and Resources Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510075, China)

At present, using shallow acoustic detection technology to detect seabad gas leakage has already formed a relatively mature technology processes and methods. However, to have targeted high precision processing methods are rare reported, especially in the natural gas hydrate resources investigation to detect sediments acoustic anomaly characteristics caused by gas leakage closely relationship with gas hydrate. In recent years, Guangzhou marine geological survey had acquainted two different types (Chirp and SES-2000) of the sub-bottom raw data, characterized are analyzed in the paper, and formed a set of high precision processing flow for sub-bottom profile. Combined with the actual data of the north slope of the South China Sea area, the system discusses and analyzes on the underwater acoustic characteristics of gas leakage. In general, suitable for sub-bottom profile the high precision processing method is proposed to increase the recognition of gas hydrate layer, gas leakage or the accuracy of anomaly characteristics of the diffusion caused by sediment acoustics, which leads to a foundation for subsequent data comparison and interpretation.

seabad gas leakage; high precision processing; sub-bottom profile; sediment acoustics anomaly characteristics; the north of the South China sea slope area

2015-07-31 改回日期：2015-11-18

國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金課題(GZH201200307,KLMMR-2013-A-19)

薛花(1985-)，女，碩士，研究方向?yàn)楹Ｑ鬁\剖及單道資料處理，E-mail：xuehua2011hyl@163.com。

1001-1749(2016)05-0660-06

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.05.14