海洋短排列多道反射地震數(shù)據(jù)觀測系統(tǒng)重定義與沉放深度校正

張圣，高金耀*，丁維鳳，沈中延，刁云云

(1.自然資源部第二海洋研究所 海底科學重點實驗室，浙江 杭州 310012)

1 引言

短排列多道地震勘探廣泛應用于近海工程地質調查、油氣平臺的井場調查和相關海域的環(huán)境調查。與常規(guī)油氣勘探中的長排列二維地震勘探相比，其具有靈活操作性和剖面高分辨率特點，調查成果能夠有效識別淺薄地層、小斷層等尺度較小的地質體和構造特征，可有效劃分淺部地層的空間分布等[1-3]。在海底淺層地質災害識別中，短排列多道地震勘探成果能夠有效識別海底的淺部斷裂、滑坡、淺層氣泄漏等災害性地質現(xiàn)象，為工程地質研究提供可靠的資料[4]。

海上多道地震勘探中，等浮拖纜的水下姿態(tài)對地震信號反射信息的有效接收至關重要，實際工作中一般通過水鳥來控制拖纜的姿態(tài)及位置。水鳥設備在海上地震勘探中非常重要，能有效控制接收拖纜的沉放深度、羽角、位置等信息，便于地震處理時確定各檢波點的位置及姿態(tài)數(shù)據(jù)，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供可靠的觀測系統(tǒng)參數(shù)[5-7]。但近岸高分辨率多道地震勘探因勘探目的層的深度以及作業(yè)船只和作業(yè)海域環(huán)境等因素影響，一般采用24道短排列拖纜，為方便野外工作，接收拖纜上一般不安裝水鳥，這給短排列接收拖纜的定位與定深帶來不利，會造成拖纜不同接收道的實際位置及沉放深度無法控制，影響野外觀測系統(tǒng)定義及靜校正，給后續(xù)數(shù)據(jù)處理帶來諸多困擾。

觀測系統(tǒng)定義直接影響反射地震數(shù)據(jù)的采集和處理結果質量，尤其是數(shù)據(jù)處理中的共中心點（CMP）道集抽道運算。準確的觀測系統(tǒng)設置不僅可以提高地震數(shù)據(jù)的分辨率，還可以有效提高數(shù)據(jù)成果的信噪比。無水鳥情況下，常規(guī)處理基于理想狀態(tài)下的直線假設定義觀測系統(tǒng)，該方法無法獲得拖纜及檢波點的實際位置信息，影響CMP抽道集運算及多次疊加次數(shù)計算。同時，在走航調查過程中，排列拖纜受勘探船拖曳力變化，以及海域洋流、海面涌浪與風浪等因素影響，接收纜沉放深度會不一致，且隨著勘探船的航行不斷變化，導致所記錄的反射波旅行時間不遵循理論雙曲線形態(tài)，單炮記錄上的海底面反射同相軸扭曲，CMP道集反射同相軸無規(guī)律，導致后續(xù)的速度分析和疊加處理效果很差。

目前觀測系統(tǒng)定義及拖纜沉放深度校正需要利用水鳥提供的位置和深度信息，對于無水鳥地震反射數(shù)據(jù)，尚沒有可靠的處理方法。本文基于中國第30次南極科考在羅斯海維多利亞地盆地采集的24道短排列反射地震數(shù)據(jù)，分析研究無水鳥短排列多道反射地震觀測系統(tǒng)的準確定義，以及拖纜沉放深度非一致造成不同接收道的深度校正問題。

南極羅斯海維多利亞地盆地位于西南極，科考海域在維多利亞地盆地北部的冰舌附近（圖1）。野外地震數(shù)據(jù)采集為避免海上浮冰影響，采集高質量的反射數(shù)據(jù)，現(xiàn)場工作時選擇海況較好，海流影響較小的天氣海況下作業(yè)，同時為提高工作效率及保障水下儀器的安全，接收拖纜上未安裝水鳥，拖纜尾端系上大浮球（圖2），既可現(xiàn)場瞭望拖纜尾端，又可拉直接收拖纜，工作時“雪龍”船以5 kn的航速直線航行，減小拖纜水平彎曲，盡量保持調查船航跡與拖纜航跡一致。野外作業(yè)采集參數(shù)見表1。

圖1 南極羅斯海地震測線位置Fig.1 The location of seismic line in the Ross Sea

圖2 海洋地震勘探拖纜姿態(tài)Fig.2 Towing cable state of marine seismic exploration

表1 海上地震勘探采集參數(shù)Table 1 Acquisition parameters for marine seismic exploration

2 野外觀測系統(tǒng)定義

海上多道地震勘探中，接收拖纜的接收總道數(shù)和道間距固定不變，炮間距和最小偏移距一般由野外采集現(xiàn)場試驗確定，數(shù)據(jù)處理時需要根據(jù)野外實際采集情況，首先定義好野外觀測系統(tǒng)參數(shù)，重點確定整個排列的最小偏移距、炮間距以及各個接收道的準確位置坐標，最后計算準確的共反射點位置坐標。對于短排列接收拖纜，目前通常采用基于直線假設的常規(guī)觀測系統(tǒng)簡單定義方法，針對該方法的使用缺陷，將重點介紹基于實際航跡坐標準確定義觀測系統(tǒng)的方法。

2.1 常規(guī)觀測系統(tǒng)

無水鳥控制情況下，若采用直線假設方法，常規(guī)觀測系統(tǒng)定義只需計算炮間距及最小偏移距參數(shù)且參數(shù)是恒定的，再計算各檢波點與激發(fā)點的相對距離，最后獲得各共中心點的相對距離?；谥本€假設的常規(guī)觀測系統(tǒng)（圖3）可以簡單計算出激發(fā)點與檢波點相對直線距離。

海上多道地震的調查工作中，通過導航軟件控制震源等時或等距激發(fā)，激發(fā)點坐標可以經(jīng)過導航軟件實時記錄。南極位于高緯度地區(qū)，GPS沒有差分信號且信號不穩(wěn)定，定位精度受星態(tài)影響較大，無法做到嚴格的等距放炮，同時受浮冰等環(huán)境影響及“雪龍”船自身因素，無法嚴格控制船速不變，因此采用等時放炮，盡量控制船速在5 kn左右。利用導航數(shù)據(jù)文件，發(fā)現(xiàn)設定的等時放炮參數(shù)，實際記錄文件顯示并未完全等時，加上船速難以控制在恒定，造成實際炮間距并非直線假設中的等間隔放炮，如圖4曲線所示。

圖3 基于直線假設的常規(guī)觀測系統(tǒng)Fig.3 Conventional geometry based on linear hypothesis

圖4 放炮時間間隔(a)、船速(b)、炮間距(c)隨激發(fā)點點號變化曲線Fig.4 Shot time interval (a), ship speed (b) and shot interval (c) curve of source point number

基于直線假設時，假設船以5 kn速度勻速航行，放炮時間導航軟件控制在5 s，計算的炮間距為12.86 m。從圖4中可以看出，實際放炮時間導航軟件大部分控制在5 s，但由于地震采集系統(tǒng)涉及多個子系統(tǒng)，信號傳輸存在時間延遲，以及受時間記錄的精度影響，導致放炮時間存圖中所示的部分4 s和6 s間隔激發(fā)。圖中繪制的實際跑航船速也并非恒定的5 kn，而是在4.8～5.3 kn范圍變化。圖4c中的曲線顯示炮間距在13 m左右浮動，放炮間隔偏差較大，最小值只有10.09 m，最大值16.06 m，存在突跳偏差。

2.2 基于導航定位數(shù)據(jù)重定義觀測系統(tǒng)

為避免常規(guī)觀測系統(tǒng)的誤差，考慮到拖纜較短、船速5 kn、海流等外界因素對拖纜水平位置影響較小，可以利用導航數(shù)據(jù)以及GPS天線與震源的相對空間關系，計算激發(fā)點的實際軌跡坐標，模擬拖纜在船尾的拖行軌跡，并獲得檢波點與激發(fā)點間的相對空間位置關系，最后可計算出檢波點的實際坐標值。

為有效模擬拖纜在船尾的拖行軌跡，需要首先計算各檢波點同激發(fā)點之間的空間位置關系。通過研究分析，本文采用反距離比線性插值算法計算檢波點坐標。該方法基于Tobler定理，根據(jù)空間自相關性原理，利用距離權值，近距離的鄰近點，對計算點的相關屬性貢獻值越大；相反，遠距離的鄰近點，對計算點的屬性值貢獻越小[8-9]。利用該方法原理，可以有效計算各檢波點的空間坐標。

2.2.1 計算檢波點與激發(fā)點間相對位置關系

海上多道地震勘探時，一般會量取船載GPS天線與船尾震源間的相對位置。有了震源點相對于GPS天線的位置，利用導航定位信息，可以計算出激發(fā)點的實時坐標位置，再根據(jù)檢波點與激發(fā)點的相對位置示意圖（圖5），可以利用下式計算出激發(fā)點與檢波點的相對空間位置關系，

圖5 檢波點與激發(fā)點間空間位置關系Fig.5 Spatial position relationship between the receiving points and the shot points

式中，δrn,i是當前炮（第n炮）第i道的炮檢距，可以通過直達波起跳時間確定；m表示離檢波點最近的激發(fā)點與當前炮的間隔激發(fā)點數(shù)；θ表示第i道檢波器與當前激發(fā)點的方位角； ΔS表示炮間距；Dm表示m炮間的距離，Dm=mΔS； ΔY表示m炮間Y方向的距離；Yn，Yn-m分別表示兩炮的Y方向坐標，ΔY=Yn-Yn-m。

利用上面公式，可以計算出m和θ兩個參數(shù)，并由此獲得檢波點相對于激發(fā)點的空間位置，給出檢波點的平面坐標。

2.2.2 計算檢波點坐標

通過式（1）和式（2），可以獲得短排列接收纜隨船拖行的空間形態(tài)與檢波點相對方位，模擬的拖纜空間形態(tài)與方位同實際會存在一定誤差，為減小誤差，采用鄰近點反距離比線性插值算法，利用多個激發(fā)點坐標計算單個檢波點的坐標，利用多點的距離權值插值計算待求點坐標。計算過程需要利用上面計算的空間方位信息，輸入激發(fā)點軌跡，通過下式，可以算出檢波點的實際平面坐標值[9]，

式中，xrn,i，yrn,i表示檢波點的坐標對；XSn-k，YSn-k表示參與計算的第n-k炮的激發(fā)點坐標對；δrn-k,i表示第n-k炮時第i道的炮檢距。

將計算出的所有檢波點和激發(fā)點坐標輸入專業(yè)處理軟件中，定義野外實際觀測系統(tǒng)參數(shù)，抽取測線所有炮集的CMP道集，計算共反射點的疊加次數(shù)。

常規(guī)觀測系統(tǒng)共反射點為直線關系，疊加次數(shù)為5～6次（圖6），是基于理論假設，與海上實際跑航調查不符?；趯Ш綌?shù)據(jù)重新定義的觀測系統(tǒng)共反射點軌跡與航跡相符（圖7），CMP疊加次數(shù)多為4～5次，隨拖纜軌跡及炮間距變化。當炮間距變大時，疊加次數(shù)減小，出現(xiàn)部分4次疊加，更符合實際情況。

3 拖纜沉放深度校正

如何處理好因拖纜沉放深度的變化導致檢波點不在同一深度平面上，可以參考陸地地震勘探中的靜校正問題。如圖8所示，對采集的反射地震數(shù)據(jù)，需要進行類似圖中因拖纜變化而引起的檢波器深度不一致校正問題[10]。

為完整考慮多道地震排列因激發(fā)震源及接收拖纜兩者的深度變化，改正記錄信號的反射形態(tài)突變，實際處理中，我們從共中心點道集和共炮檢距道集記錄以及水深改正[11]3個方面進行排列靜校正處理，達到完全改正反射信號的旅行時誤差，還原有效反射信號的理論時距曲線關系。

3.1 共中心點道集靜校正

圖6 基于直線假設定義的觀測系統(tǒng)共反射點軌跡（a）與疊加次數(shù)（b）Fig.6 Common reflection point trajectory (a) and the stacking fold (b) of the geometry defined by linear hypothesis

圖7 基于導航數(shù)據(jù)定義的觀測系統(tǒng)共反射點軌跡（a）與疊加次數(shù)（b）Fig.7 Common reflection point trajectory (a) and the stacking fold (b) of the geometry based on navigation data

圖8 海洋地震勘探基準面靜校正Fig.8 Datum static correction of marine seismic exploration

將共中心點道集第一道的海底反射時間作為基準點，如圖9所示，計算共中心點的理論時距曲線時間參數(shù)，并將其他所有道集的海底面反射校正到海底理論反射時間位置。利用式（5）和式（6）[10]，校正所采集的多道地震數(shù)據(jù)，在式（5）中已考慮到地層傾角θ，因此，自動按傾斜地層進行校正。獲得圖10所示的對比結果。

圖9 海洋地震勘探CMP地震波傳播示意圖Fig.9 Schematic diagram of theoretical seismic wave propagation

式中，ti、ti0、 Δti分別表示第n炮第i道檢波點海底同相軸的理論雙程旅行時、記錄雙程旅行時、靜校正量；H表示當前共中心點水深值； δrn,i表示當前檢波點炮檢距；θ表示當前共中心點處地層傾角；v表示地震波在介質中的傳播速度，采用當前水層的平均速度，根據(jù)實測或者公開的聲速資料獲得。

圖10 共中心點道集校正Fig.10 Common mid-point gather correction

校正前，共中心點道集海底反射同相軸并不滿足理論雙曲線規(guī)則，說明排列拖纜沒有位于同一深度平面上。校正后，獲得了可靠的海底層位的理論雙曲線型反射同相軸，為后續(xù)的速度掃描提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎（圖 10）。

3.2 共炮檢距道集靜校正

分析追蹤共炮檢距道集反射同相軸時，發(fā)現(xiàn)部分接收點同相軸錯亂或者突跳，分析認為現(xiàn)場受風浪或涌浪影響引起震源、接收排列偏離原位置，導致排列彎曲，或者同時受激發(fā)采集系統(tǒng)記錄延遲的影響，造成不同炮集檢波點的海底反射時間發(fā)生偏差，該偏差需要通過校正歸位到理論位置上，否則會影響后續(xù)的速度分析。

處理中采用單道地震和淺地層剖面調查數(shù)據(jù)中的涌浪改正方法，利用模型道互相關技術以及平滑濾波方法[12-14]，對地震數(shù)據(jù)共炮檢距剖面進行涌浪改正處理，改正后錯亂的同層位反射同相軸歸位到正確的時間位置（圖 11）。

3.3 疊加剖面水深校正

經(jīng)過共反射點與共炮檢距剖面靜校正后，已經(jīng)將各個檢波點校正到同一深度位置上，但是校正參考位置是假設的基準面深度位置，并不是調查海域的實際海平面且采集設備存在固有的系統(tǒng)延遲。為獲得準確的反射波旅行時，還需要利用實時測量的水深數(shù)據(jù)，進行震源與接收纜的整體水深改正，消除震源與接收排列沉放深度的影響，并將反射信號旅行時統(tǒng)一校正到海平面上。

將經(jīng)過上面靜校正后的數(shù)據(jù)動校正后得到的疊加剖面再進行整體深度改正，獲得了圖12所示的改正前后最終的剖面對比結果。校正前后，海底同向軸雙程反射時間相差4 ms，水深值相差約3 m。排列整體深度校正主要取決于拖纜整體沉放深度，拖纜越靠近海平面，校正值越小。

圖11 共炮檢距道集校正Fig.11 Common offset gather correction

圖12 疊加剖面排列整體深度校正Fig.12 Stack section alignment overall depth correction

4 疊加效果分析

對我國第30次南極科考“雪龍”船上所采集的短排列多道地震數(shù)據(jù)進行上述相關的改正處理，即實際坐標觀測系統(tǒng)定義以及沉放深度校正特殊處理后，再經(jīng)過常規(guī)的CMP抽道集、動校正、水平疊加處理，以及合適參數(shù)的帶通濾波處理與能量均衡處理后，獲得了圖13所示的最終成果對比圖。

從圖13a中可以看出校正前信噪比極差，反射層位的同相軸連續(xù)性無法追蹤，波組特征混亂，海底淺部層位（雙程反射時間1 170 ms以上）信息基本看不清楚，稍深處（雙程反射時間1 200～1 300 ms）呈現(xiàn)模糊的間斷反射層位信息（如C區(qū)）。圖13b表明基于實際坐標觀測系統(tǒng)定義與沉放深度校正處理后，不清楚的重點區(qū)塊同相軸變得清晰可見，層位可連續(xù)追蹤，剖面分辨率和信噪比均獲得明顯的提高（如A區(qū)與 A′區(qū)，B 區(qū)與 B′區(qū)，C 區(qū)與 C′區(qū)的對比）。

圖13 疊加效果分析Fig.13 Analysis of stack section

圖13中改正后清晰的強反射同相軸之間夾雜了明顯的空白反射層，這些空白反射層的厚度橫向不均一（如B′區(qū)），這種“三明治”式結構在南極海域較為典型，空白反射層往往是雜亂的混雜堆積（冰磧層）。結合其他調查資料（多波束地形地貌和公開地震剖面及前人研究成果），發(fā)現(xiàn)處理剖面上揭示出了南極羅斯海調查區(qū)域存在多次冰磧堆積，反映出了冰蓋多次到達該區(qū)域并產生顯著的地質影響。同時，剖面炮號4 270～4 290間存在一明顯的正斷層，還發(fā)現(xiàn)大量小的組合正斷層（C′區(qū)和D′區(qū)紅色箭頭處），說明該海域發(fā)生過強烈的現(xiàn)代構造活動，在海底中淺部地層上留下了多處明顯斷層構造。

通過充分利用這些有效處理后的高質量地震剖面，可以深入分析南極海域的冰川活動歷史及現(xiàn)代地質構造活動，為南極冰川氣候和海底環(huán)境變化研究提供可靠的科學證據(jù)。

5 結論

對于拖纜上未接入水鳥等定深和定位設備的短排列多道地震數(shù)據(jù)，基于直線假設定義的常規(guī)觀測系統(tǒng)，共反射點計算結果不僅偏離實際測線位置，還造成疊加次數(shù)偏差；另外，拖纜沉放深度的不一致導致接收點不位于同一深度平面內，處理后的疊加剖面同向軸錯亂，信噪比與分辨率都很差。

針對中國第30次南極科考在羅斯海維多利亞地盆地采集的24道短排列無水鳥數(shù)據(jù)，采用文中新的觀測系統(tǒng)定義方法及排列靜校正處理技術，利用導航數(shù)據(jù)計算實際坐標位置，采用反距離比線性插值方法模擬拖纜的拖行狀態(tài)和軌跡，準確計算接收點坐標；同時根據(jù)理論時距曲線計算排列接收點的擬合靜校正量，將接收點校正到同一基準面上。

通過以上所述改進原理及計算方法，有效處理了連續(xù)5年采集的南極羅斯海海域多道地震勘探數(shù)據(jù)，獲得了高信噪比、高分辨率的疊加剖面，為南極海域冰蓋消長歷史及現(xiàn)代地質活動研究提供了可靠的地震剖面證據(jù)。但南極海域多道地震勘探仍存在多個懸而未解的技術難題，如南極海域全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）定位精度問題等，可以考慮北斗與GPS組合定位、精密單點定位（PPP）技術等，提高定位數(shù)據(jù)采樣頻率等，從而獲取高精度的定位信息。

致謝：文中數(shù)據(jù)由我國第30次南極科考地球物理團隊提供，感謝第30次南極科考“雪龍”船上為數(shù)據(jù)采集提供服務的全體科考隊員。感謝北京奧能恒業(yè)能源有限公司工程師有價值的數(shù)據(jù)分析和處理探討，其有效建議幫助了本文的數(shù)據(jù)處理完成。