永樂(lè)龍洞地震立體觀測(cè)正演模擬分析

徐德衛(wèi)，劉懷山

(中國(guó)海洋大學(xué) 海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

1 引 言

永樂(lè)龍洞位于南海西沙群島永樂(lè)環(huán)礁上，是世界上已知的深度最大的海洋藍(lán)洞，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其形成與南海島礁的演化歷史息息相關(guān)，對(duì)研究古海洋學(xué)、古氣候?qū)W以及南海的地質(zhì)構(gòu)造等具有極高的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。目前我國(guó)對(duì)龍洞的研究尚處于起步階段，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)龍洞的深度、形成機(jī)制以及三維形態(tài)進(jìn)行了研究，但在地震成像、地質(zhì)構(gòu)造等方面依然處于空白階段[1-4]。海洋地震立體觀測(cè)是一種先進(jìn)的新型立體探測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)將水平纜、垂直纜、OBS、海底電纜等海上勘探設(shè)備中的兩種或者兩種以上組合起來(lái)，來(lái)達(dá)到海洋勘探高分辨率、高信噪比的目的[5-7]。龍洞區(qū)域地質(zhì)特征復(fù)雜，導(dǎo)致其地震波場(chǎng)豐富多變，正演模擬研究則可以幫助認(rèn)識(shí)復(fù)雜條件下地震波傳播機(jī)理及波場(chǎng)特征[8-15]，因此利用正演模擬研究立體觀測(cè)系統(tǒng)下的波場(chǎng)傳播規(guī)律，可以直觀地認(rèn)識(shí)龍洞的地震響應(yīng)模式，為后期資料的處理解釋提供依據(jù)[16-19]。

本文首先詳細(xì)介紹龍洞內(nèi)部的形態(tài)特征，并在前人的實(shí)際研究資料基礎(chǔ)上，提煉出龍洞周圍地層結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)。對(duì)繪制的龍洞三維形態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行切片處理，并將45°方向的切片數(shù)據(jù)作為二維龍洞截面的投影數(shù)據(jù)繪制在理論地質(zhì)模型中，模擬立體觀測(cè)系統(tǒng)下拖纜和垂直纜兩種記錄方式獲得的波場(chǎng)信息，了解龍洞區(qū)域地震波場(chǎng)的傳播特征，為優(yōu)化地震觀測(cè)系統(tǒng)提供依據(jù)并輔助地震資料解釋，有助于實(shí)際的龍洞區(qū)域勘探。

2 區(qū)域概況

研究區(qū)域永樂(lè)龍洞位于南海西沙群島之永樂(lè)環(huán)礁最大的晉卿島至石嶼之間的礁盤(pán)上。永樂(lè)環(huán)礁距海南島東南約300 km，距永興島西南約80 km，由中建島、金銀島、珊瑚島、甘泉島、琛航島、晉卿島、盤(pán)石峪、廣金島等八個(gè)分隔的礁體組成，圍成約200 km2的中央瀉湖。

龍洞的洞口直徑約為130 m，形態(tài)上在16 m水深以上存在斜坡，在16 m水深以下洞體基本垂直，20 m水深時(shí)直徑約為68 m，龍洞最大直徑出現(xiàn)在深度約112 m處，直徑達(dá)到最大的110 m。在120 m處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折階地，轉(zhuǎn)折階地向南西-北西兩個(gè)方向延伸，階地開(kāi)始部位是約40 m的平臺(tái)，然后在112～190 m處出現(xiàn)斜坡，洞徑呈階梯式收縮到70 m左右，高差約78 m，朝南西-北東方向延伸約50 m，坡度約為57.3°，然后洞體直徑也隨之呈階梯式收窄為約60 m左右。190 m以下則是垂直向下、略有坡度的洞體。洞體在200～210 m在垂向上已完全偏離上部洞體，從上部下放的儀器已無(wú)法垂直抵達(dá)下部洞體。19 m以下的洞體直徑呈階梯式收窄，直到洞底收窄為約40 m。龍洞底部呈不規(guī)則的圓形，最終的洞底中心朝北東方向45°，偏移主洞洞體中心約50 m，洞底主要由微細(xì)的珊瑚礁碎屑等沉降物覆蓋[1]。永樂(lè)龍洞的三維形態(tài)圖如圖1所示。

圖1 永樂(lè)龍洞三維形態(tài)Fig.1 3D morphology of Yongle blue hole

3 永樂(lè)龍洞區(qū)域立體觀測(cè)正演模擬

3.1 地質(zhì)模型建立

永樂(lè)龍洞及周邊區(qū)域的地質(zhì)模型是在其附近的西琛1井鉆孔資料的基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納出相對(duì)可靠的分層數(shù)據(jù)，以此作為研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)劃分的參考資料,模型詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。龍洞形態(tài)則是通過(guò)結(jié)合實(shí)測(cè)ROV(Remote Operated Vehicle)得到的永樂(lè)龍洞資料作為龍洞形態(tài)藍(lán)本進(jìn)行切片，并將45°方向的切片數(shù)據(jù)作為二維龍洞截面的投影數(shù)據(jù)，繪制在理論模型中，用于模型波場(chǎng)正演模擬，模型示意圖見(jiàn)圖2。選取模型的橫向與縱向長(zhǎng)度分別為800 m和500 m，采用立體觀測(cè)中的水平拖纜觀測(cè)與垂直纜觀測(cè)方式。

表1 地質(zhì)模型參數(shù)

圖2 龍洞區(qū)域地質(zhì)模型Fig.2 Yongle blue hole regional geological model

3.2 水平纜正演模擬

為了討論龍洞的存在對(duì)波場(chǎng)分布的影響，突出龍洞形態(tài)造成的地震記錄特征，設(shè)計(jì)了存在龍洞的水平層狀模型，如圖2所示。與不存在龍洞的水平層狀模型進(jìn)行模擬對(duì)比分析，如圖3所示。兩種模型采用同樣的觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)，參數(shù)設(shè)為：排列長(zhǎng)度800 m，采用全排列接收，道間距3.125 m，炮點(diǎn)位于龍洞中心處，激發(fā)頻率300 Hz，激發(fā)子波為Ricker子波，采樣率0.25 ms，記錄長(zhǎng)度0.5 s。考慮龍洞區(qū)域附近實(shí)際水深最大不超過(guò)2 m，激發(fā)和接收排列的沉放深度均為1 m。得到的單炮記錄、偏移剖面如圖4、圖5所示。

圖3 水平層狀模型Fig.3 Horizontal layered model

圖4 龍洞模型的水平纜正演模擬Fig.4 Horizontal cable forward modeling of Yongle blue hole model

圖5 龍洞模型正演模擬偏移剖面Fig.5 Forward modeling of Yongle blue hole model with migration profile

圖4分別是不存在龍洞的區(qū)域和存在龍洞的區(qū)域的正演模擬單炮記錄，在兩張記錄的對(duì)照下可以凸顯出龍洞區(qū)域錯(cuò)綜復(fù)雜的波場(chǎng)特征。由于龍洞外圍礁盤(pán)底質(zhì)堅(jiān)硬并且水深較淺，造成地震記錄中能量屏蔽和交混回響現(xiàn)象嚴(yán)重，加之龍洞內(nèi)壁形態(tài)變化復(fù)雜，在地震記錄中發(fā)育大量層間多次波、斜坡多次波以及繞射波等強(qiáng)干擾信號(hào)，但在水平層狀模型記錄的對(duì)照下，龍洞特殊部位的反射特征比較明顯。由于龍洞附近區(qū)域?qū)嶋H水深不超過(guò)2 m，直達(dá)波和海底反射波在剖面上難以區(qū)分，兩個(gè)剖面中H1至H4反射波同相軸基本對(duì)應(yīng)，但在圖4(b)剖面中H5同相軸淹沒(méi)在多次波等強(qiáng)干擾信號(hào)中，這會(huì)對(duì)龍洞以下地層的解釋造成干擾，而且四條反射波同相軸在中間部位發(fā)生錯(cuò)斷，通過(guò)這一特征可以基本確定龍洞洞壁的邊界。在圖4(b)中，A區(qū)域反射波同相軸的形態(tài)中左右各存在一個(gè)速度突變點(diǎn)，由于地震信號(hào)在地層中的傳播速度要大于在水中的傳播速度，信號(hào)到達(dá)檢波點(diǎn)的時(shí)間存在差異，在剖面上表現(xiàn)為同相軸在靠近洞口邊緣的位置彎曲，因此此處對(duì)應(yīng)龍洞洞口的緩坡邊界。B區(qū)域反射信號(hào)能量較強(qiáng)，地震信號(hào)經(jīng)海水傳播到龍洞內(nèi)轉(zhuǎn)折階地，能量吸收衰減較在地層中弱，在階地處易形成強(qiáng)反射，反射形狀能夠大致反映階地的位置和大小。C區(qū)域同樣反射信號(hào)能量較強(qiáng)，對(duì)照波場(chǎng)快照可初步判定該區(qū)域?yàn)辇埗炊吹仔纬傻膹?qiáng)反射信息?？v觀整個(gè)龍洞區(qū)域的波場(chǎng)信息，淺層同相軸清晰可辨，龍洞特殊部位波場(chǎng)特征明顯，深層信息受龍洞內(nèi)壁產(chǎn)生的多次波以及繞射波等噪音干擾，信噪比低。

對(duì)比圖5兩個(gè)模型的偏移剖面，主要反射界面基本一致，都有5條能量極強(qiáng)的反射波同相軸，相位穩(wěn)定，且圖5(b)中龍洞兩側(cè)的反射界面存在微弱的橫向變化。特別指出剖面中H5反射界面并不是連續(xù)的，這是由信號(hào)在不同介質(zhì)中傳播速度存在差異造成的。同時(shí)由于水深過(guò)淺，導(dǎo)致多次波發(fā)育，對(duì)龍洞正下方地層的反射特征識(shí)別存在巨大的干擾,這對(duì)實(shí)際資料的解釋提供了一定程度上的參考價(jià)值，尤其是關(guān)于深度地層反射特征可能存在不實(shí)的“假象”，需要進(jìn)一步處理。

為進(jìn)一步了解不同觀測(cè)系統(tǒng)下龍洞的地震響應(yīng)特征，將龍洞模型中的炮點(diǎn)位置從龍洞中心處移到龍洞一側(cè)，得到的地震記錄如圖6(a)所示。通過(guò)與炮點(diǎn)位于龍洞中心的地震波場(chǎng)圖6(b)對(duì)比來(lái)看，在炮點(diǎn)附近四條反射波同相軸能量較強(qiáng)，清晰可見(jiàn)，而遠(yuǎn)道數(shù)據(jù)受噪音干擾，有效信息較少。龍洞洞口邊界以及洞內(nèi)轉(zhuǎn)折階地等特殊部位對(duì)應(yīng)的A、B區(qū)域反射特征依舊明顯，可以作為地面接收到龍洞邊界信息的特征。此外，在D區(qū)域中洞壁反射信息強(qiáng)烈，這是由龍洞轉(zhuǎn)折階地相對(duì)的另一側(cè)龍洞內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)折界面造成的反射，利用這一特征可以驗(yàn)證對(duì)轉(zhuǎn)折階地位置的識(shí)別。但是由于單炮能量向下穿透能力有限，洞底及下方地層反射信號(hào)能量較弱且受噪音干擾不易識(shí)別，致使獲得的有效信息較少。因此，應(yīng)集中在龍洞洞口小道距多道測(cè)量，同時(shí)加密洞口炮點(diǎn)排列，這樣可以獲得豐富的反映洞體形態(tài)的波場(chǎng)信息。

圖6 不同炮點(diǎn)位置的龍洞模型正演模擬Fig.6 Yongle blue hole model forward modeling with different gunpoint positions

3.3 垂直纜正演模擬

垂直纜勘探是目前新興的一種海洋地震勘探技術(shù)，它是將檢波器在水中沿垂直方向布設(shè)，通過(guò)不同深度的水聽(tīng)器來(lái)記錄地震波場(chǎng)信息。垂直纜的觀測(cè)方式與陸地VSP(Vertical Seismic Profiling)相似[20-24]，但垂直纜不需要鉆井布設(shè)檢波器，并且可以進(jìn)行大尺度海上地震勘探[6]。根據(jù)海洋垂直纜觀測(cè)系統(tǒng)特征，假設(shè)海水速度恒定，水深H，震源沉放深度h，纜深為d，橫向偏移距為X，垂直纜各波場(chǎng)傳播路線如圖7所示，可以看出垂直纜的波場(chǎng)特征主要是上下行波場(chǎng)的存在。上行波場(chǎng)主要包括一次反射波與自由表面多次波，下行波場(chǎng)主要包括直達(dá)波和鬼波。這使得垂直纜采集的地震記錄在后續(xù)資料處理中很容易實(shí)現(xiàn)上下波場(chǎng)分離，極大地提高了信噪比。

對(duì)于龍洞區(qū)域來(lái)說(shuō)，地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，垂直纜則能夠很好地適應(yīng)該環(huán)境，將垂直纜投放至龍洞內(nèi)部，可以對(duì)目標(biāo)體覆蓋得更好，并且可以實(shí)現(xiàn)多方位采集，實(shí)現(xiàn)真正的三維成像。因此針對(duì)實(shí)際情況，開(kāi)展龍洞區(qū)域的垂直纜觀測(cè)正演模擬，模型如圖8所示。觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)為：垂直纜位于龍洞中心處，沉放深度10 m，道間距1 m，共121道，炮點(diǎn)位于龍洞中心處，沉放深度1 m，采樣率0.25 ms，記錄長(zhǎng)度0.5 s，單炮記錄如圖9所示。

圖7 垂直纜波場(chǎng)傳播路線示意圖Fig.7 Schematic diagram of propagation route of vertical cable wave field

圖8 龍洞區(qū)域的垂直纜正演模型Fig.8 Vertical cable forward modeling in Yongle blue hole area

從模擬的地震記錄可以看出其波場(chǎng)特征與常規(guī)水平纜記錄的波場(chǎng)特征有很大的區(qū)別。通過(guò)對(duì)照波場(chǎng)快照，利用地震波波陣面?zhèn)鞑ボ壽E與垂直纜水聽(tīng)器的相對(duì)位置關(guān)系以及到達(dá)時(shí)間來(lái)判斷圖9中各地震波的類型。其中A是直達(dá)波，B、C以及G是一次反射波，上行的一次反射波C是由龍洞的轉(zhuǎn)折階地界面造成的，G是由龍洞洞底界面造成的，都符合垂直纜波場(chǎng)分類規(guī)律，而由于龍洞特殊的形態(tài)，龍洞上部垂直洞壁造成下行的一次反射波B，這對(duì)后續(xù)的波場(chǎng)分離以及資料處理具有指示意義，要注意對(duì)下行波場(chǎng)中有效信息的提取。D和F是鬼波，是由一次反射波以及多次波經(jīng)過(guò)海面反射造成的下行波。E是自由表面多次波，是由一次反射波經(jīng)海面反射再通過(guò)龍洞轉(zhuǎn)折階地反射造成的上行波。整體來(lái)看，地震記錄中多次波發(fā)育，采集的地震波種類相對(duì)豐富，而且與水平纜對(duì)應(yīng)的同一部位的地震信息匹配性較好,波場(chǎng)之間存在一定的相關(guān)性。但受地形的影響，同相軸發(fā)生交叉合并以及錯(cuò)斷的現(xiàn)象，對(duì)后期資料的處理與解釋有很大的參考價(jià)值。

圖9 龍洞模型的垂直纜正演模擬Fig.9 Vertical cable forward modeling of Yongle blue hole model

4 結(jié) 論

根據(jù)對(duì)永樂(lè)龍洞的形態(tài)研究以及洞體地質(zhì)模型的立體觀測(cè)波場(chǎng)模擬結(jié)果分析，得到以下的認(rèn)識(shí)：

1)采用立體觀測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)龍洞區(qū)域的全覆蓋調(diào)查，反射角覆蓋寬廣，采集的波場(chǎng)信息豐富，有利于實(shí)現(xiàn)龍洞的全波場(chǎng)立體成像，而且在立體觀測(cè)系統(tǒng)的不同觀測(cè)方式下采集到的波場(chǎng)信息可以相互制約，相互補(bǔ)充，提高立體觀測(cè)的信噪比與分辨率。

2)在立體觀測(cè)系統(tǒng)的水平纜觀測(cè)方式下得到的波場(chǎng)特征，能夠反映出龍洞洞口、洞內(nèi)轉(zhuǎn)折階地以及洞底等特殊部位的信息。洞口處左右兩側(cè)各存在一個(gè)速度突變點(diǎn)，階地以及洞底生成的反射能量較強(qiáng)，但是受龍洞形態(tài)限制難以生成連續(xù)的反射波同相軸。同時(shí)由于多次波繞射波等強(qiáng)干擾的存在，對(duì)龍洞下方地層反射波造成干擾，破壞其連續(xù)性，會(huì)對(duì)后續(xù)準(zhǔn)確成像造成困難。

3)在水平纜觀測(cè)方式下，改變炮點(diǎn)位置，會(huì)觀測(cè)到不同的波場(chǎng)特征。炮點(diǎn)位于龍洞洞口可以觀測(cè)到更多龍洞內(nèi)的波場(chǎng)信息。地震采集時(shí)可以靈活設(shè)計(jì)觀測(cè)系統(tǒng)，小道距多道測(cè)量，洞口附近加密炮點(diǎn)排列。

4)在立體觀測(cè)系統(tǒng)的垂直纜觀測(cè)方式下得到的波場(chǎng)主要是以上下行波的形式存在，地震波場(chǎng)相對(duì)簡(jiǎn)單，多次波易于識(shí)別。但由于龍洞特殊的形態(tài)，同相軸之間發(fā)生交叉合并，勢(shì)必會(huì)對(duì)資料的解釋帶來(lái)困難。