OBS在瓊東南海域水合物礦體識別中的應(yīng)用

徐云霞,文鵬飛,張寶金,劉斌

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州510760；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(廣州)，廣東 廣州 511458)

0 引言

海底地震儀(OBS)是一種海面放炮、海底接收的觀測方式，能同時接收四分量信息，相對常規(guī)拖纜地震數(shù)據(jù)而言具備長偏移距和寬方位信息、具有更豐富的低頻信息、能同時接收縱波和轉(zhuǎn)換橫波等優(yōu)勢[1]，目前已廣泛應(yīng)用于地殼深部構(gòu)造、油氣與水合物調(diào)查中[2-4]。

目前在瓊東南海域開展了多次高分辨率多道地震調(diào)查，對該海域的構(gòu)造、沉積環(huán)境進(jìn)行分析和討論，發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物的重要地球物理標(biāo)志BSR，對相關(guān)的地球物理特征如BSR極性反轉(zhuǎn)、振幅空白帶、速度異常等進(jìn)行識別及判讀，估算了該海域的天然氣水合物資源量，推斷了該海域的天然氣水合物資源前景。為全面挖掘天然氣水合物存在的信息及證據(jù)，在該海域開展OBS地震調(diào)查。

本文針對OBS海面放炮海底接收、接收點(diǎn)稀疏等特點(diǎn)，采用有別于常規(guī)海洋拖纜資料和OBS單節(jié)點(diǎn)處理的方式對調(diào)查區(qū)的OBS數(shù)據(jù)進(jìn)行共反射點(diǎn)偏移成像處理，最終獲得PP和PS的速度結(jié)構(gòu)和偏移成像成果。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行縱橫波聯(lián)合反演，獲得調(diào)查區(qū)縱波阻抗、橫波阻抗剖面以及縱橫波速度比，綜合分析成像與反演結(jié)果，進(jìn)一步確定了水合物儲存有利位置及游離氣存在位置。

1 OBS資料采集

調(diào)查區(qū)位于瓊東南海域，布設(shè)7條測線，OBS投放測線兩側(cè)各平行采集3條測線，測線間隔為50 m，測線長度為20 km，采用雙震源放炮，放炮間隔為25 m，激發(fā)震源為GI槍，容量為10 160 cm3，工作壓力為13.79 MPa，采樣率為2 ms。共投放30個OBS，OBS節(jié)點(diǎn)間距為400 m，采樣率為2 ms，記錄長度為8 s，回收27個，第3、6、19號節(jié)點(diǎn)在回收過程中丟失。調(diào)查區(qū)海底地形相對平坦，水深約為1 400～1 500 m之間。圖1為OBS及采集測線布設(shè)圖。

2 成像處理關(guān)鍵技術(shù)

OBS成像處理，有別于常規(guī)的拖纜多道資料處理和單節(jié)點(diǎn)OBS處理方式，本文基于geovation軟件對OBS數(shù)據(jù)進(jìn)行重定位、波場分離、鏡像偏移、RT旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)換波偏移等處理，圖2為OBS成像處理關(guān)鍵技術(shù)流程。

圖1 OBS及采集測線布設(shè)示意Fig.1 The figure of OBS and acquisition line

圖2 OBS成像處理關(guān)鍵流程Fig.2 The main technology of OBS imaging processing

2.1 節(jié)點(diǎn)重定位

OBS的投放方式為利用鋼纜將OBS投放到預(yù)設(shè)位置海面上，然后脫開鋼纜讓其自由下沉，在自由下沉過程中受水流、海底地形等的影響，在海底的位置與海面投放位置會存在一定偏差，而OBS不具備海底位置記錄功能，需要運(yùn)用實際數(shù)據(jù)對海底OBS位置進(jìn)行重定位處理[5]。

利用OBS直達(dá)波，以投放位置與多波束測深為約束，進(jìn)行走時反演獲得OBS的正確位置[6]，利用水速1 500 m/s對各站點(diǎn)OBS直達(dá)波進(jìn)行線性動校正，質(zhì)控定位結(jié)果是否準(zhǔn)確。如果定位結(jié)果準(zhǔn)確，則直達(dá)波線性動校正后直達(dá)波會被校正在同一水平位置，否則會起伏不平。圖3展示了重定位前后位置差異，重定位前后位置差異最大約為210 m，最小差異約為105 m，平均漂移量約為150 m，對淺層水合物研究而言，該漂移量對成像的影響不可忽略。圖4展示OBS投放測線重定位效果，將直達(dá)波用水速校正到200 ms位置，重定位后，所有炮點(diǎn)直達(dá)波被校正到同一水平位置，定位準(zhǔn)確。

圖3 重定位前后位置差異Fig.3 The distance between before and after reposition

圖4 節(jié)點(diǎn)重定位前(a)后(b)效果Fig.4 The result of reposition before(a) and after(b)

2.2 波場分離

地震波從地層傳播到海底或者從海面?zhèn)鞑サ胶５缀蠹纯谭瓷涞男盘柗Q為上行波，包括一次波和微曲多次波；地震波從海面?zhèn)鞑サ胶５?，直接被檢波器接收的稱為下行波，主要指鬼波。OBS檢波器的水檢分量P和陸檢分量Z對上、下行波具有不同的響應(yīng)特征：對上行波而言，二者極性相同；對下行波而言，二者極性相反[7-8]。基于此，可以通過水陸檢合并的方式將波場分為上行波場和下行波場，但兩分量的儀器響應(yīng)以及與介質(zhì)的耦合性不同，導(dǎo)致在能量和頻率上均存在差異。在實際處理過程中，以水檢分量為期望輸出，基于自相關(guān)函數(shù)方差模最小原理求取標(biāo)定因子并對陸檢分量進(jìn)行能量和相位匹配[9-10]，將匹配后的水檢P分量與陸檢Z分量求差獲得下行波場；利用交叉鬼波化雙檢合并技術(shù)[11]獲得上行波場。

檢驗波場分離效果的途徑主要有兩種：①上行波場中一次能量加強(qiáng)，多次波能量減弱，而下行波場中特征反之；②折射波只存在于上行波場中。圖5為波場分離效果圖，分析圖5的上行波場與下行波場中的一次反射、多次波以及折射波可知，本次獲得了較好的波場分離結(jié)果。

a—P分量;b—標(biāo)定后Z分量;c—上行波;d—下行波a—P component;b—calibrated Z component;c—up going field;d—down going field圖5 波場分離效果Fig.5 The result of the wave field separation

2.3 縱波鏡像偏移成像

鏡像偏移是利用鬼波進(jìn)行成像的技術(shù)[12-14]。OBS采集投放的接收點(diǎn)稀疏，采用密點(diǎn)放炮、稀疏點(diǎn)接收的觀測方式，稀疏的接收點(diǎn)導(dǎo)致成像照明范圍受限，利用一次反射波成像時，在深度小于檢波點(diǎn)間隔的區(qū)域，尤其是海底以下淺部反射層無法成像。經(jīng)過水陸檢合并處理可以將OBS數(shù)據(jù)分為上行波場和下行波場，下行的鬼波與一次反射信號具有相同的震源，僅有在介質(zhì)中的反射路徑這一差異，因此下行的鬼波相對一次波具有更寬的成像范圍，能提供更多的關(guān)于地下介質(zhì)的信息[15]。因此，針對OBS反射疊加成像，提出利用下行波進(jìn)行鏡像偏移成像。

圖6為上、下行波反射偏移成像結(jié)果對比，圖6a為上行波偏移成像剖面，上行波因沒經(jīng)過海底反射不能進(jìn)海底成像；且由于照明范圍窄，在海底以下深度小于OBS節(jié)點(diǎn)間距的范圍反射層成像不連續(xù)，信噪比與分辨率較低，節(jié)點(diǎn)丟失對成像影響較大。圖6b的下行波鏡像偏移成像，能很好地彌補(bǔ)上行波成像的不足：海底成像清晰，淺層反射層位連續(xù)性好，縱向?qū)游环直媛氏鄬^高，成像模糊帶等特征清晰。

2.4 重定向與極化旋轉(zhuǎn)

重定向處理利用P波初至矢量軌跡圖確定檢波器的方向，分析X和Y水平分量記錄到的壓縮直達(dá)波的粒子運(yùn)動方向。具體實現(xiàn)過程是，根據(jù)OBS直達(dá)波模擬一個簡單的各向同性介質(zhì)模型的初至進(jìn)行計算，與實際OBS直達(dá)波在最小二乘準(zhǔn)則下對描述檢波點(diǎn)方向的檢波器進(jìn)行歐拉矩陣重構(gòu)[16]，使得不確定方向的陸檢X、Y、Z三分量數(shù)據(jù)分別指向直角坐標(biāo)系的東、北以及垂直向下3個方向[17]，保證X、Y分量的能量主要為橫波。極化旋轉(zhuǎn)的目的是使得X、Y分量上接收到的橫波轉(zhuǎn)換為徑向R分量和切向T分量，而轉(zhuǎn)換橫波的能量主要集中在R分量上。通過X和Y坐標(biāo)算出的理論炮檢點(diǎn)方向進(jìn)行對比。

圖7為極化旋轉(zhuǎn)前后轉(zhuǎn)換橫波各分量能量分布對比圖。旋轉(zhuǎn)以前，X、Y分量中均有較強(qiáng)的橫波能量，旋轉(zhuǎn)以后，橫波能量主要集中在R分量中，T分量能量很小。不做各向異性分析時，對轉(zhuǎn)換波的偏移成像主要針對R分量。

圖6 共反射點(diǎn)上(a)、下行波(b)偏移成像Fig.6 The result of CRP imaging with up going(a) and down going(b)

圖7 極化旋轉(zhuǎn)效果Fig.7 The result of polarization

2.5 轉(zhuǎn)換橫波偏移成像

轉(zhuǎn)換波偏移成像不同于縱波偏移成像[18]，本次成像基于geovation 軟件，除道集外還需有縱波速度、垂直gamma、轉(zhuǎn)換波速度參與計算，其中縱波速度來自于前期的PP處理，垂直gamma與轉(zhuǎn)換波速度分別對應(yīng)式(1)、式(2)：

(1)

(2)

式中：γ0為垂直gamma，tps為轉(zhuǎn)換波旅行時，tp為縱波旅行時，vp、vs分別為縱波速度和橫波速度。由式(1)、式(2)可知，垂直gamma與轉(zhuǎn)換波速度均與縱波速度與橫波速度相關(guān)，已知縱波速度，本文通過時空變的橫波速度掃描，獲得對應(yīng)的垂直gamma和轉(zhuǎn)換橫波速度，其中時空變的控制點(diǎn)通過縱波鏡像偏移成像剖面確定。

圖8a與圖8b分別對應(yīng)最終的gamma場與轉(zhuǎn)換橫波速度場，時空變的掃描結(jié)果更接近實際地質(zhì)構(gòu)造特征，為轉(zhuǎn)換橫波偏移成像提供保證。圖9為轉(zhuǎn)換橫波偏移成像結(jié)果，轉(zhuǎn)換橫波同樣不能進(jìn)行海底成像，且由于照明范圍比縱波上行波小的原因，海底以下淺層同樣不能進(jìn)行良好成像，但總體構(gòu)造趨勢與縱波成像特征一致?？蓪⒖v波成像結(jié)果與轉(zhuǎn)換橫波成像結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合解釋。

圖8 gamma(a)及vps場(b)Fig.8 The section of gamma(a) and vps(b)

圖9 轉(zhuǎn)換橫波偏移成像Fig.9 The imaging result of PS

3 應(yīng)用

BSR為高速與低速的分界面，利用波阻抗反演能很直觀地獲得高阻抗與低阻抗異常區(qū)域，能直觀地對水合物的分布區(qū)域進(jìn)行刻畫[19-20]，但僅利用縱波進(jìn)行反演存在一定的多解性。轉(zhuǎn)換橫波信息是相對于常規(guī)海洋多道地震勘探而言最大的優(yōu)勢，能夠提供橫波速度，獲得橫波剖面，從而對縱橫波信息進(jìn)行聯(lián)合反演，減少反演的多解性，提高對含水合物區(qū)域解釋的精度。

地層含天然氣水合物后會引起縱橫波速度的增加，與周圍地層形成較大的波阻抗差[21]。當(dāng)BSR下方含有游離氣時，縱波阻抗會減小；由于含氣對橫波速度影響較小，因此，含氣對橫波阻抗影響較小。在OBS縱波鏡像疊加剖面利用統(tǒng)計法提取地震子波，并結(jié)合縱波速度對縱波數(shù)據(jù)進(jìn)行疊后波阻抗反演，獲得如圖10a所示的縱波阻抗反演結(jié)果，在海底以下350 ms左右有兩處低阻抗異常區(qū)域A、B，在水合物解釋中，低阻抗異常通常對應(yīng)游離氣特征，高阻抗異常對應(yīng)BSR。同樣利用統(tǒng)計法在轉(zhuǎn)換橫波阻抗剖面中提取地震子波，結(jié)合轉(zhuǎn)換橫波速度對疊加剖面進(jìn)行波阻抗反演，獲得如圖10b所示的橫波波阻抗反演結(jié)果。橫波阻抗異常與縱波阻抗異常不存在一一對應(yīng)關(guān)系，A區(qū)域橫波具有與縱波阻抗相同的高阻抗值，但下方低阻抗異常不明顯，B區(qū)域仍有較明顯的低阻抗異常。水合物通常具有高阻抗特征，而通常由于氣源的因素，水合物下方會含有游離氣，而通過聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)，A區(qū)域含游離氣的可能性更大。因此，經(jīng)過聯(lián)合分析提高了解釋的精度。

a—縱波阻抗;b—橫波阻抗a—the sonic wave impedance;b—the shear wave impedance圖10 聯(lián)合反演結(jié)果Fig.10 The joint inversion result

4 結(jié)論和認(rèn)識

通過對OBS數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理、反演解釋等工作，獲得以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

1)OBS采用400 m間距稀疏接收，導(dǎo)致照明范圍窄，尤其海底以下深度小于接收間距的范圍內(nèi)，分辨率低，成像連續(xù)性差，通過水陸檢合并、鏡像偏移等方法，成功獲得OBS縱波成像結(jié)果，成像信噪比高、連續(xù)性好；

2)基于縱波速度、利用R分量數(shù)據(jù)，結(jié)合縱波鏡像偏移成像結(jié)果，分層進(jìn)行時空變掃描，獲得垂直gamma和轉(zhuǎn)換橫波速度，基于此進(jìn)行轉(zhuǎn)換橫波偏移，最終成果構(gòu)造形態(tài)與縱波成像一致，可進(jìn)行聯(lián)合分析；

3)綜合分析縱波阻抗、橫波阻抗、縱橫波速度比等結(jié)果能提高對水合物相關(guān)的含游離氣特征解釋的精度，達(dá)到OBS調(diào)查的目的；

4)OBS資料具有長偏移距、轉(zhuǎn)換橫波等優(yōu)勢，目前雖然已獲得成像及反演結(jié)果，但資料中仍有很多待挖掘的地方，需后續(xù)進(jìn)一步加強(qiáng)，提高OBS資料的實際利用程度。