淺地層剖面測量常見干擾因素分析

劉宏揚,張異彪,李 斌,李俊杰,蔡春麟,唐松華,劉大鵬

(中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司,上海201208)

淺地層剖面測量是利用聲波探測淺地層剖面結構和構造的方法。以聲學剖面圖形反映淺地層組織結構,具有很高的分辨率,能夠經(jīng)濟高效地探測海底淺地層剖面結構和構造[1]。淺地層剖面儀主要有震源系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和記錄顯示系統(tǒng)三部分組成,根據(jù)震源種類又可以分為強震板、電火花、壓電和電磁伸縮、參量陣式以及其它震源(如氣槍、蒸汽槍、水槍等)[2]。其中,電火花震源方式穿透深度深,但分辨率略差;參量陣方式分辨率高,但穿透深度有限。此文主要以強震板式技術淺地層剖面儀所獲資料為基礎,這種震源的數(shù)字淺剖儀具有能量大、發(fā)射頻率低、穿透深度深和分辨率高的優(yōu)點[3],應用較為廣泛。

1 淺地層剖面測量原理

淺地層剖面的基本原理是聲學原理。聲波是物質運動的一種形式,由物質的機械運動而產(chǎn)生,通過質點間的相互作用將振動由近及遠地傳播[4]。聲波在不同類型的介質中具有不同的傳播特征,當巖土介質的成分、結構和密度等因素發(fā)生變化時,聲波的傳播速度、能量衰減及頻譜成分等亦將發(fā)生相應變化,在彈性性質不同的介質分界面上還會發(fā)生波的反射和透射(圖1)。因此,人們利用這一原理研制了淺地層剖面儀,用于探測聲波在巖土介質中的傳播速度、振幅及頻譜特征等信息并推斷相應巖土介質的結構和致密、完整程度,并作出相應評價[5]。

圖1 聲波的反射現(xiàn)象與透射現(xiàn)象Fig.1 Reflection and transmission of acoustic waves

2 常見干擾因素

淺地層剖面測量是一種基于水聲學原理的連續(xù)走航式探測水下淺部地層結構和構造的地球物理方法。淺地層剖面測量系統(tǒng)主要包括聲源、發(fā)射控制單元、資料質量監(jiān)控單元、數(shù)據(jù)處理單元、水聽器和發(fā)電機六個部分,在野外作業(yè)時,震源和由水聽器組成的電纜放入海中,分布于船只兩側,很容易受到海況、船只、海流等因素的干擾。

2.1 外源干擾

外源干擾主要包括船體、螺旋槳及來往船只等產(chǎn)生的噪音,這類噪音表現(xiàn)為寬頻、干擾整個有效信號頻帶、在船速較低和工區(qū)船只少或離得較遠時噪音相對減少等特點。另外,船上用電也會對記錄產(chǎn)生一定的影響,其干擾主要來自50 Hz電源,在儀器屏蔽、接地或水聽器有故障時出現(xiàn),有時是因為附近有強大的電干擾源,在記錄上表現(xiàn)為有規(guī)律的斜條紋狀。圖2是在作業(yè)時沒有將震源放電單元接地時產(chǎn)生的干擾剖面,其主要特征是干擾分布在整個剖面上,呈現(xiàn)為無特定時長的豎條狀,噪音頻率約50 Hz,能量較強。

圖2 50 Hz工業(yè)電干擾及剖面頻譜Fig.2 A profile interfered by 50 Hz industrial electricity

當淺地層剖面系統(tǒng)離電干擾較近時,剖面圖上出現(xiàn)有規(guī)律的電干擾斜條紋,此時應采取檢查船只供電、震源和采集工作站是否接地線,將儀器遠離電干擾源等措施,直至剖面圖上這項干擾消除。

2.2 海 況

淺地層剖面測量時,受海況的影響較大。較差的海況情況下,船舶搖擺幅度較大,為了保持作業(yè)航向,需要不斷地調節(jié)舵角,因而影響電纜對有效信號的接收[6];風浪較大會導致震源及電纜沉放深度起伏不定,使得激發(fā)和接收裝置相對位置不斷變化,從而影響到層位的判別;另外,海況較差、涌浪起伏較大時,噪音會增加,而這種噪音夾雜在有效信號中,會降低數(shù)據(jù)的信噪比和分辨率。

圖3 和圖4是在不同的風浪環(huán)境下所做的2條淺地層剖面測線,通過對比分析可以看出,風浪較小時,涌浪噪音小,海底面在資料上顯示更為清晰、平緩,同相軸更加收斂,連續(xù)性更好;而風浪較大時,海底面呈現(xiàn)鋸齒狀,且同相軸不連續(xù);另外,在風浪較小時資料的噪音更少,同相軸更清晰,對層位的刻畫更為清晰,對一些特殊構造顯示更為明顯;風浪較大時,噪音較多,噪音出現(xiàn)無規(guī)律,能量也相對較強,有效信息淹沒在噪音中,資料信噪比低,導致出現(xiàn)層位不清晰等情況。

圖3 風力約6～7級、浪高2～3 m情況的淺地層剖面資料Fig.3 A Profile obtained under the conditions of wind class 6～7 and wave height 2～3 m

圖4 風力約5～6級、浪高1～2 m情況的淺地層剖面資料Fig.4 A profile obtained under the conditions of wind class 5～6 and wave height 1～2 m

由于海況引起的噪音頻率分布較廣,若在后期處理時通過濾波將其全部濾掉,就會損失一部分有效信號,影響到同相軸的識別及地層的劃分,所以在野外作業(yè)時應盡量選擇風力5級以下、浪高2 m以下的海況。野外作業(yè)時,施工人員對涌浪大小及對資料的影響程度有時不能清楚地判別,這就需要在室內(nèi)做一定的處理,盡量提高資料品質。涌浪對資料的影響首先反映在海底面的高低起伏,在資料處理時,拾取海底曲線,利用處理軟件將拾取的海底加入資料中,對海底及層位信息進行校正[7]。圖5a是采集的淺剖原始資料,受涌浪影響,海底及層位呈高低不平的波浪形態(tài);圖5b是拾取的海底信息;圖5c是涌浪校正后資料,校正后海底及層位同相軸明顯變平。

圖5 涌浪校正處理Fig.5 Correction processing of surges

2.3 船 速

船在航行時,螺旋槳擊水的噪音以及海水沖擊水聽器引起的噪音,都與船速有很大的關系[8]。當船速過大時,螺旋槳轉速快,使得噪音增大,尾流增強,海水與水聽器的摩擦增加,也使得噪音增大。另外,如果船速過大,會使得地層采樣點減少;船速過小時,容易造成電纜傾斜、彎曲?？紤]到海流等因素,淺剖作業(yè)時,絕對船速保持在4～5 kn為宜。

圖6 和圖7是在東海對同一地點不同船速情況下所做的兩條淺地層剖面測線,船速為5 kn比船速為7.5 kn時對地層的刻畫更為清晰,黑色箭頭所指位置的傾斜地層刻畫得更加清晰細膩,同相軸連續(xù)性好,能量收斂,整體的信噪比更高。從圖8中不同船速情況下的頻譜對比結果可以看出,在當船速過大時,低頻端的噪音明顯增加。

圖6 船速為5 kn情況的淺地層剖面資料Fig.6 A profile obtained at a ship speed of 5 kn

圖8 船速5kn和7.5 kn時頻譜及對比Fig.8 Comparison between the spectra obtained at the ship speed 5 and 7.5 kn

淺剖作業(yè)時電纜一般拖在船體后側,螺旋槳產(chǎn)生的尾流氣泡會改變水體的聲學特征,在其破裂時產(chǎn)生的低頻噪音對有效信號形成了一定的干擾,船體尾流一般呈扇形向外擴散,理論上電纜放得足夠長,就能消除這種影響,但在實際作業(yè)時,考慮到連接線長度及儀器設備的安全,只能將電纜放到尾流影響較小的區(qū)域[9]。

圖9 和圖10是電纜距船尾15和24 m時所采集的資料,對比2圖可以看出,在試驗中,電纜距船尾15 m時,同相軸更加清晰、連續(xù),受尾流影響較小;從頻譜圖上也可以看出(圖11),電纜距船尾15 m時低頻端的噪音更少,能量更弱。不同的船只尾流對淺地層剖面測量的影響是不同的,這需要在工區(qū)進行拖帶長度的試驗,通過對比分析,最終確定拖帶長度。

圖9 電纜距船尾15 m情況的淺地層剖面資料Fig.9 A profile obtained under the case of cable 15 m away from the stern

圖10 電纜距船尾24 m情況的淺地層剖面資料Fig.10 A profile obtained under the case of cable 24 m away from the stern

圖11 電纜拖帶15和24 m時頻譜對比Fig.11 Comparison between the spectra obtained at the cable 15 and 24 m away from the stern

另外,船體在轉向時,尾流影響電纜,會記錄到貫穿整個剖面較寬的全紀錄長度的豎條噪音[10],其能量非常強,地層信息淹沒在其中,噪音頻譜和船舶有關,主要集中在中低頻,影響的范圍跟轉向角度正相關(圖12)。

圖12 受尾流影響情況的淺地層剖面資料Fig.12 A profile influenced by wake flow

若在野外作業(yè)時船速不好控制,也可在處理時通過頻譜分析,找出其能量分布集中的頻段,通過濾波在一定程度上降低其影響。因為每條船的尾流影響范圍不同,在野外正式作業(yè)前,要進行電纜釋放長度試驗,選取合適的釋放長度以最大化減小尾流對資料質量的影響。

2.4 海 流

海流對數(shù)據(jù)質量的影響主要體現(xiàn)在電纜對流與電纜摩擦導致的噪音的接收,在野外作業(yè)時一般會遇到順流和逆流兩種情況,在流速較大時,順流作業(yè)要注意對船只的絕對速度的控制,避免船速過快導致采樣點稀疏;逆流作業(yè)時,由于電纜與水流的摩擦增大,會導致噪音增加。在野外作業(yè)前,要充分了解工區(qū)海流情況。

圖13 和圖14是同一地區(qū)順流和逆流情況的淺地層剖面資料,對比分析可知,順流采集比逆流采集噪音更少,海底在資料上顯示更為連續(xù)、平滑;另外,順流采集的資料同相軸更為連續(xù),對地層的刻畫更為明顯[11]。在兩圖的對比中,黑框范圍內(nèi)圖13中出現(xiàn)了相對較連續(xù)的同相軸,能分辨出有效地層信息,在圖14中則表現(xiàn)得比較分散。在淺剖野外作業(yè)時,應合理安排測線,盡量順流時作業(yè)。從圖15頻譜對比上可以看出,順流作業(yè)時,無論在低頻段還是高頻段噪音都比逆流作業(yè)時要少。在野外作業(yè)時注意觀察流向,盡量選擇順流方向作業(yè)。

圖13 順流情況的淺地層剖面資料Fig.13 A profile during the downstream

圖14 逆流情況的淺地層剖面資料Fig.14 A profile during the countercurrent

圖15 順流和逆流情況的頻譜及對比Fig.15 Comparison between the spectra obtained during the downstream and the countercurrent

2.5 海面障礙物

在淺剖作業(yè)時,有時會遇到水草、漁網(wǎng)、浮漂等障礙物,這些障礙物掛在震源及電纜,會影響震源的激發(fā)及電纜對信號的接收,情況嚴重時,甚至會造成儀器損壞[12]。

圖16 是典型的少量水草干擾剖面,在拖帶過程中,電纜碰到水草,由于水草的摩擦和纏繞,會形成豎條狀干擾,干擾噪音以低頻為主,能量大小與纏繞物的大小有關,條帶的寬度由水草的纏繞時間決定,干擾區(qū)域能觀察到有效信號,但是該區(qū)域信噪比較低。圖17為典型的震源和電纜受大量漁網(wǎng)等干擾物影響的剖面,干擾物纏繞震源后,激發(fā)能量下傳受到影響,所以接收到的信號能量在一定程度上會減弱,淺部地層能模糊觀察到,但深層的信號基本淹沒在噪音中;電纜接收噪音明顯增強,噪音為影響全紀錄長度的無規(guī)則低頻干擾。圖18是遇到漁網(wǎng)時緊急調整舵角造成的數(shù)據(jù)缺失。

圖16 電纜掛上水草情況的淺地層剖面資料Fig.16 A profile influenced by aquatic plants hanging on the cable

圖18 緊急調整舵角情況的淺地層剖面資料Fig.18 A profile obtained when urgently adjusting the rudder angle

因此,淺剖作業(yè)在遇到水草、漁網(wǎng)等海面障礙物時,要及時清理,影響嚴重的情況下要重新采集數(shù)據(jù)。

3 結 語

在海洋工程勘探中,淺地層剖面測量是一種經(jīng)濟有效的方法,野外作業(yè)時,影響淺地層剖面測量資料質量的因素多種多樣,掌握這些影響因素在剖面上的表現(xiàn)及產(chǎn)生的原因,有利于及時進行調整,獲取更好的資料。由于淺地層剖面測量時,電纜沉放深度較淺,一般為0.5 m左右,海況差時,噪音會非常大,嚴重影響資料質量。所以,對于資料質量要求高的工程,一定要選擇海況好時作業(yè)。另外,在淺地層剖面正式作業(yè)前要充分了解作業(yè)區(qū)的底質、水深和底流等情況,進行試驗測線時調整好電纜、震源沉放深度,拖帶長度,震源能量等作業(yè)參數(shù)。