高分辨率單道地震探測技術在內陸淺水區(qū)的試驗研究

岳航羽，張明棟，張保衛(wèi)，王廣科，王小江，劉東明

(1.中國地質調查局 地球物理調查中心，河北 廊坊 065000； 2.中國地質科學院 地球物理地球化學勘查研究所，河北 廊坊 065000； 3.國家現代地質勘查工程技術研究中心，河北 廊坊 065000； 4.中國地質大學(北京) 地球物理與信息技術學院，北京 100083； 5.江蘇省地質勘查技術院，江蘇 南京 210049)

0 引言

隨著科技的發(fā)展進步，海洋地質、地球物理調查技術方法已進入快速發(fā)展階段，楊慧良等[1]詳細總結了我國海洋地質調查和海洋地球物理調查技術的發(fā)展狀況、適用范圍、主要存在的問題和發(fā)展方向。作為目前全世界海洋地球物理調查常用方法之一的單道地震探測技術，具有高分辨率、高效率、低成本的優(yōu)勢[2-6]。眾多專家學者利用海上單道地震，并結合重磁、多道地震、多波束、側掃聲吶、鉆孔巖心等資料，有效識別海底第四紀沉積層序[7-10]、構造運動特征[11-12]、活動斷裂展布[13-15]、淺層氣位置[16-17]、海底沙脊沙波地貌[18-19]等，為海洋區(qū)域地質調查[20]、近海工程建設[21]、海洋地質環(huán)境演化[22]、地質災害識別[23-24]、天然氣水合物調查[25-26]、礦產資源潛力預測[27]及風電場選址測量[28]等方面提供基礎地質資料。

針對單道地震單一的覆蓋次數及非等間距采集模式導致的剖面信噪比低、多次波發(fā)育、垂向振幅能量差異大等特點，劉玉萍等[29]從單道地震的采集原理出發(fā)，闡述了單道地震資料處理中的3個難點及對應解決措施。李麗青等[30-31]提出利用涌浪靜校正技術解決單道地震資料中存在的同相軸跳動問題，并采用單道地震關鍵處理技術，極大地提高了資料的信噪比和分辨率；劉建勛[32]在資料處理中采用有效的方法技術對數據進行信噪分離，削弱多次及繞射等干擾波的影響；林兆彬等[33]對低頻部分的噪聲采用帶通濾波，對高頻信號中的隨機噪聲采用小波閾值去噪方法進行壓制處理，進一步提升了單道地震的剖面質量；邢子浩等[34]將正則化非平穩(wěn)回歸技術應用到單道地震多次波壓制中，并證實該技術較傳統(tǒng)匹配濾波方法在去除單道地震多次波方面更具優(yōu)勢。

本文將以河北雄安新區(qū)白洋淀為例，在內陸淺水區(qū)開展單道地震探測技術試驗研究，構建一套內陸淺水區(qū)單道地震探測技術。通過對比試驗，確定內陸淺水區(qū)單道地震采集參數，并開展剖面測量。采用針對性的單道地震數據處理方法技術組合壓制各類噪聲干擾，最大程度提高內陸淺水區(qū)單道地震信噪比和分辨率。通過與區(qū)內測線附近的鉆孔資料對照，證實該方法技術的可行性及準確性。

1 試驗區(qū)概況

為了開展內陸淺水區(qū)單道地震探測技術試驗，選取河北白洋淀作為試驗區(qū)，如圖1所示。白洋淀是雄安新區(qū)最主要的水域，位于河北省中部、華北平原東南部，屬于太行山前永定河沖積扇與滹沱河沖積扇的前緣低洼區(qū)，是華北平原最大的淡水湖泊，其主體位于安新縣境內，流域范圍為115.6°～116.5°E，38.7°～39.2°N，總面積約366 km2。年平均氣溫是12.1 ℃，屬于溫帶大陸性季風氣候[35-36]。區(qū)內整體地勢較為平坦，地勢自WN向ES傾斜，地面標高多在50 m以下，全區(qū)地勢最低洼區(qū)為白洋淀湖泊，平均深度3～4 m。從白洋淀的南、西、北3個方向接納9條入淀河流，分別為潴龍河、孝義河、唐河、清水河、府河、漕河、瀑河、萍河、白溝引河，出淀河流為東部的趙王新河[37]。在天然和人為因素的作用下，淀內形成了溝壕相連、淀中有淀和水田相間分布的生態(tài)格局，主要包括藻苲淀、燒車淀、小白洋淀、撈王淀、泛魚淀和范峪淀等[38]。白洋淀常見的大型水生植物有47種，主要包括蓮花、蘆葦、芡實、菱角等水生植物群，其中，蘆葦是淀區(qū)分布最廣的植物[39]。

圖1 試驗區(qū)位置

試驗區(qū)自新生代以來一直是我國主要沉降地區(qū)，第四系地層沉積較厚，厚度一般在300～500 m，晚更新世以來地層主要劃分為上更新統(tǒng)歐莊組和全新統(tǒng)。上更新統(tǒng)主要是以沖積相、洪積相、沖洪積相和湖相沉積為主，主要由黃色、棕黃色具有黃土狀結構的黏土質粉砂、粉砂質黏土及砂礫石層組成，上更新統(tǒng)底界埋深在120～170 m之間。全新統(tǒng)以沖積相為主，夾有湖沼相沉積，主要由灰黃色、灰色、灰黑色含淤泥質的粉砂質黏土、黏土質粉砂、粉砂組成，常夾雜淤泥層，全新統(tǒng)底界埋深一般在20～40 m[40-41]。

2 野外數據采集試驗

內陸淺水區(qū)單道地震探測技術野外采集試驗采用的是英國AAE公司的CSP-D單道地震探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩部分組成；發(fā)射系統(tǒng)由CSP-D發(fā)射機和Boomer震源組成，接收部分由DA4G-500工作站及水聽器電纜組成。圖2所示為在河北白洋淀地區(qū)開展的內陸淺水區(qū)單道地震探測試驗的現場工作圖，進行單道地震數據采集施工作業(yè)時首先分別投放Boomer激發(fā)震源和水聽器電纜，如圖2a和2b所示；其次，為了最大限度地避免船只發(fā)動機干擾及螺旋槳激起的水花影響，將Boomer震源和水聽器電纜并排拖于船后20 m處，如圖2c所示，采用拖曳式連續(xù)觀測方式施工作業(yè)，數據采集過程中拖曳船只盡量保持勻速航行以減少噪聲影響。利用GPS實時監(jiān)控船只航行軌跡是否偏離測線，同時對觀測的數據質量進行實時把控，盡量保證記錄的地層信號連貫清晰。

a—投放Boomer激發(fā)震源；b—投放水聽器電纜；c—拖曳式單道地震數據采集

為了達到最佳的內陸淺水區(qū)單道地震探測效果，精細探測河北白洋淀水域全新統(tǒng)淺層地質結構的目的，對關鍵的采集參數進行對比試驗，主要包括激發(fā)能量、激發(fā)間隔、航行速度以及接收單元個數等，以確定最優(yōu)的參數組合開展白洋淀單道地震探測試驗研究。

2.1 激發(fā)能量對比

內陸淺水區(qū)單道地震試驗的探測深度及噪聲壓制水平直接受震源激發(fā)能量大小的影響，需要開展內陸淺水區(qū)單道地震震源激發(fā)能量對比試驗(圖3)。經過相同的預處理手段和參數后，通過比較不難發(fā)現，圖3a所示的采用100 J的激發(fā)能量對多次波的壓制效果不甚理想，單道地震剖面上多次波較發(fā)育，如綠色箭頭所示；圖3b所示的采用200 J的激發(fā)能量對地層刻畫的連續(xù)性較差，單道地震剖面上出現明顯的地層間斷不連續(xù)現象，如藍色箭頭所示；相比之下，圖3c所示的采用300 J的激發(fā)能量的探測效果較理想，有效波反射凸出，同相軸連續(xù)性較好。

a—100 J； b—200 J； c—300 J

2.2 激發(fā)間隔對比

Boomer激發(fā)間隔的長短直接影響著內陸淺水區(qū)單道地震探測的水下地層界面的連續(xù)性，因此需要控制其他采集參數不變的情況下比較不同震源激發(fā)間隔的實際效果。圖4所示為在河北白洋淀地區(qū)單道地震探測試驗中不同激發(fā)間隔的剖面對比，依次采用了333 ms、400 ms以及533 ms這3個檔位。

通過對比發(fā)現，如圖4a所示的采用333 ms激發(fā)間隔單道地震剖面上白洋淀水底界面以及水下地層界面的橫向連續(xù)性都較好，未出現明顯間斷區(qū)域；然而，圖4b中黃色箭頭所示和圖4c中綠色箭頭所示的區(qū)域都出現了不同程度的地層界面橫向間斷區(qū)域，連續(xù)性均不如333 ms的結果。因此，在內陸淺水區(qū)開展單道地震探測研究時在保障發(fā)射機電容充飽的前提下，應盡量縮短震源激發(fā)間隔，才能有效保證單道地震成像效果的橫向連續(xù)性。

a—333 ms； b—400 ms； c—533 ms

2.3 航行速度對比

拖曳船只的航行速度是單道地震探測中關鍵影響因素之一，船速過快會在水面激起較大浪花，嚴重影響船尾拖曳的設備的數據采集質量。因而在進行內陸淺水區(qū)單道地震數據采集過程中，應采用合理的船速，既保障單道地震的數據采集質量，又保障施工作業(yè)采集效率。圖5為在相同水域分別采用3節(jié)和4節(jié)的船速得到的單道地震剖面效果，如圖中黃色箭頭所示，采用4節(jié)的船速不僅4 ms附近的水底界面連續(xù)性較差，而且水下地層界面也無法得到有效顯現。因而，在內陸淺水區(qū)進行單道地震探測試驗時應盡量控制拖曳船只的航行速度，控制在3節(jié)左右的船速，并勻速直線行駛。

a—3節(jié)；b—4節(jié)

2.4 接收單元個數對比

單道地震探測中水聽器電纜接收單位個數直接控制著數據采集過程中的有效疊加次數，圖6a和6b為分別采用16單元和24單元接收的水聽器電纜的單道地震剖面對比。通過比較可以直觀發(fā)現，16單元的水聽器電纜剖面結果雖然整體頻率較高，但是藍色箭頭所指示的水下有效反射界面無法準確刻畫，而采用24單元的水聽器電纜可以有效識別該地層界面，說明16單元的水聽器電纜較24單元的有效疊加次數少，造成其接收信號能力有限。因此，將采用24單元的水聽器電纜在河北白洋淀地區(qū)開展內陸淺水區(qū)單道地震探測技術研究。

a—16單元；b—24單元

通過在河北雄安新區(qū)白洋淀地區(qū)的單道地震探測野外數據采集對比試驗，最終確定了該地區(qū)單道地震探測的采集參數主要包括：Boomer激發(fā)能量300 J、333 ms間隔激發(fā)、3節(jié)的行船速度以及采用24單元的水聽器電纜接收，并開展內陸淺水區(qū)單道地震剖面測量工作。

3 數據處理關鍵技術

針對內陸淺水區(qū)單道地震探測試驗數據特點及處理難點，本文制定了一套白洋淀單道地震數據處理流程如圖7所示。數據處理過程中以保真處理手段為主，主要包括帶通濾波、多次波壓制以及信號增強技術等，最大程度地提高內陸淺水區(qū)單道地震反射波信噪比及分辨率，使其能夠更直觀地反映地層的形態(tài)特征，為后續(xù)單道地震資料解釋提供真實可靠的數據支撐。

圖7 內陸淺水區(qū)單道地震探測數據處理關鍵技術及流程

圖8和圖9分別是采用圖7中的內陸淺水區(qū)單道地震探測數據處理關鍵技術后的效果對比及頻譜對比。圖8a中的白洋淀單道地震原始數據干擾嚴重，多次波發(fā)育，信噪比極低，幾乎難以發(fā)現有效反射，圖9a所示的頻譜圖上可見較為明顯的低頻及高頻噪聲成分。采用400～2 500 Hz的帶通濾波后，內陸淺水區(qū)單道地震剖面的噪聲干擾得到一定程度地壓制，有效波反射同相軸得到部分顯現，信噪比得到一定程度地提升，特別是高低頻噪聲得到有效壓制，如圖8b和圖9b所示。通過采用單道預測反褶積與一維SRME技術相結合的方法，能夠有效衰減單道地震剖面的多次波干擾，剔除由多次波發(fā)育帶來的地質假象，進一步提高單道地震剖面的信噪比，如圖8c所示；同時，相較于圖9b，圖9c的主頻從1 300 Hz提高到了1 600 Hz，有效頻帶寬度也得到相應拓寬，有效地提高了內陸淺水區(qū)單道地震的分辨率。最后，采用信號增強技術在內陸淺水區(qū)單道地震剖面的橫向和縱向上對有效信號進行補償增強，進一步壓制隨機噪聲干擾，突出有效反射信息，增強單道地震剖面地層連續(xù)性，如圖8d所示，其對應的頻譜特征圖9d也得到細微的改變，為河北白洋淀單道地震探測剖面地質解釋提供真實可靠的物探數據保障。

4 試驗效果地質解釋

將數據處理后的單道地震時間剖面轉化為深度剖面，根據反射特征劃分對應的地層界面，結合測線附近鉆探資料推測相應地層的組成成分。圖10所示為內陸淺水區(qū)單道地震探測試驗效果，根據經驗河北白洋淀地區(qū)淺層按照1 700 m/s的速度進行時深轉化，精細劃分淺層地質結構。

如圖10a所示，根據單道地震剖面反射特征，河北白洋淀20 m以淺共有效識別了全新統(tǒng)7套地層反射界面并確定了各層位所處的埋深位置，其中紅色線所示的水底界面深度4 m左右；同時，確定了各層起伏特征，各層整體較平坦，僅局部有起伏。根據測線附近的鉆探資料，如圖10b所示，所識別的地層界面與鉆探資料表征的地層界面吻合較好，有效推測各個層位的組成成分，主要是以第四系地層水系沉積物為主，包括粉土、粉質黏土、黏土質粉砂、細砂、中砂等。

5 結論

1) 以河北雄安新區(qū)白洋淀為例，開展了內陸淺水區(qū)單道地震探測技術試驗研究工作。在野外數據采集方面，定性對比了激發(fā)能量、激發(fā)間隔、航行速度以及接收單元個數的實際效果，優(yōu)化了內陸淺水區(qū)單道地震探測采集參數。

2) 依據白洋淀單道地震數據處理難點，制定了一套內陸淺水區(qū)單道地震數據處理流程及方法技術組合，主要包括帶通濾波、多次波壓制以及信號增強技術等，逐步衰減各類干擾噪聲，最大程度地提高單道地震剖面的信噪比及分辨率。

3) 通過高分辨率的內陸淺水區(qū)單道地震探測剖面反射特征，精細劃分了水域淺層地質結構，結合鉆探資料不僅能夠驗證該方法的準確性，還推測了相應地層的組成成分，有效地支撐了內陸水域環(huán)境地質調查及水域地下空間探測。