基于StarFix XP高程數(shù)據(jù)的潮汐校正在海洋地震資料中的應(yīng)用

馬德志, 麻志國(guó), 石孟常, 李慧龍, 趙 亮

(中海油田服務(wù)股份有限公司 物探事業(yè)部，天津 300451)

0 引言

海上地震資料的采集時(shí)刻受潮汐作用的影響，但在以往的地震資料處理中，經(jīng)常忽略潮汐作用的影響，這樣就假定地震采集資料的零時(shí)刻對(duì)應(yīng)大地水準(zhǔn)面。地震勘探船所拖帶的震源陳放深度和電纜陳放深度，都是相對(duì)于作業(yè)時(shí)的瞬時(shí)海平面，但實(shí)際由于潮汐的存在，地震船和所拖帶設(shè)備相對(duì)于大地水準(zhǔn)面來(lái)說(shuō)會(huì)有一定的起伏，與我們所假定的大地水準(zhǔn)面有一定的偏差[1]。如果不做潮汐校正處理，所假定的地震資料零時(shí)刻面其實(shí)是一個(gè)絕對(duì)高程在變化的海平面，就相當(dāng)于將潮汐的影響人為的加入了地震資料，這在地震資料的精細(xì)處理中，會(huì)造成比較大的誤差，當(dāng)潮汐值較大時(shí)甚至后嚴(yán)重影響成像效果，為了降低潮汐作用的影響，海上地震資料潮汐值的獲得與潮汐校正處理就至關(guān)重要。

1 潮汐校正必要性

海上地震采集時(shí)，潮汐的影響每時(shí)每刻都存在，為了提高作業(yè)效果并減少潮汐的影響，有經(jīng)驗(yàn)的導(dǎo)航人員在作業(yè)時(shí)會(huì)盡量做好潮汐預(yù)測(cè)與匹配，盡量減少相鄰測(cè)線之間的潮汐差，潮汐無(wú)時(shí)無(wú)刻不在，不僅橫向上相鄰測(cè)線間向會(huì)潮汐差，同一條施工測(cè)線不同位置也會(huì)有潮汐差，在采集作業(yè)時(shí)橫向上的潮汐差可以盡量避免，但是對(duì)縱向上潮汐差卻無(wú)能為力。主測(cè)線和聯(lián)絡(luò)測(cè)線方向上的潮汐差值，會(huì)造成地震資料同相軸的錯(cuò)位，會(huì)對(duì)地震資料的成像效果造成不良影響[2]。

由于海上拖纜地震勘探施工的特殊性，一般按兩個(gè)方向進(jìn)行采集，從而分塊作業(yè)，為匹配羽角，同一塊內(nèi)相鄰?fù)较蜃鳂I(yè)測(cè)線的潮水一般相差不大，但塊與塊交接處的潮水一般相差較大，使得潮汐作用更為明顯。

圖1為野外某工區(qū)分塊施工作業(yè)面元圖，可見為分塊作業(yè)。相同分塊內(nèi)測(cè)線方向一致，羽角匹配較好，一般潮汐差不大。圖2 為本工區(qū)潮汐的三維顯示圖(潮汐值為地震作業(yè)的船位和時(shí)間)。由圖2可見，不同分塊及施工分塊交界處采集作業(yè)間隔時(shí)間長(zhǎng)、潮水匹配差，一般會(huì)有比較大的潮汐差；同一條采集測(cè)線一般歷時(shí)幾個(gè)小時(shí)以上，潮汐的變化也可以在同一條測(cè)線上清晰的反應(yīng)出來(lái)，但是一般潮汐差變化較為平緩，影響相對(duì)較小。

圖1 南海某三維工區(qū)分塊施工導(dǎo)航面元圖Fig.1 Navigation binning map of a 3D survey in South China sea

圖2 工區(qū)潮汐值三維顯示Fig.2 3D tide value display

本區(qū)塊聯(lián)絡(luò)測(cè)線方向最大潮差為3 m左右，雙程旅時(shí)為3 m*2/(1.5 m/ms)≈4 ms。對(duì)于2D資料或者深海資料，4 ms影響可能較小，對(duì)于高分辨淺層3D或者4D開發(fā)地震，若不進(jìn)行潮汐校正處理，淺層較大大偏移距處經(jīng)過(guò)動(dòng)校正的放大，因潮汐作用造成的同相軸錯(cuò)位可能會(huì)放大到8 ms以上，對(duì)同相疊加造成較大影響，使得地震反射能量也得不到最大程度的聚焦，對(duì)其地震剖面的質(zhì)量造成不利影響。

海上潮汐作用受海水深度及海底構(gòu)造走勢(shì)的不同，各個(gè)海域影響不一，從實(shí)際作業(yè)經(jīng)驗(yàn)及各潮汐臺(tái)站歷年潮汐數(shù)據(jù)可知，潮汐造成的海面波動(dòng)一般為兩三米左右，但有些海域可能達(dá)到近十米。當(dāng)工區(qū)受潮汐的影響較大時(shí)，潮差較大，可能會(huì)在聯(lián)絡(luò)測(cè)線方向造成假的“垂直斷層”，使得地震資料在疊加時(shí)能量不能得到最大的聚焦，其疊后數(shù)據(jù)的直觀表現(xiàn)就是分辨率降低。而反映地下同一界面的反射波并不是標(biāo)準(zhǔn)雙曲線，進(jìn)行動(dòng)校正時(shí)會(huì)帶來(lái)一定的噪音，從而造成信噪比降低[3]。潮汐影響是海上地震資料中存在“采集腳印”的重要原因之一，進(jìn)行潮汐校正處理是高精度地震資料處理的技術(shù)要求。

2 潮汐校正現(xiàn)狀調(diào)查

準(zhǔn)確的潮汐數(shù)據(jù)對(duì)于海洋地震資料潮汐校正至關(guān)重要，在以前老資料處理中，曾經(jīng)通過(guò)水深數(shù)據(jù)獲取潮汐值，也曾經(jīng)利用水文站歷史潮汐數(shù)據(jù)獲取預(yù)測(cè)的潮汐值，在一定時(shí)期，都取得了一定的效果，但是也有其弊端。

2.1 利用水深數(shù)據(jù)進(jìn)行潮汐校正

對(duì)于年代久遠(yuǎn)的老資料，由于技術(shù)原因，大都沒(méi)有對(duì)應(yīng)的高程數(shù)據(jù)，但每個(gè)地震炮一般都記錄了測(cè)深儀的海底水深數(shù)據(jù)。測(cè)深儀一般安裝在作業(yè)船底部，它會(huì)隨著潮汐變化而上下起伏，記錄的水深數(shù)據(jù)中實(shí)際也包含了潮汐的變化量。在海底較為平坦或者變化平緩的區(qū)域潮汐的變化就被記錄在了水深數(shù)據(jù)中，通過(guò)大半徑的平滑濾波求取平均海平面，與水深數(shù)據(jù)的差即可認(rèn)為是潮汐變化量[4]。但當(dāng)海底崎嶇時(shí)，潮汐變化量相對(duì)海底本身的深度誤差值較小，無(wú)法提取，這種方法獲得的潮汐值精度較小，誤差較大。

2.2 利用水文站歷史潮汐數(shù)據(jù)進(jìn)行潮汐校正

由于潮汐有較為固定的規(guī)律，根據(jù)各水文站長(zhǎng)年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，我們可以預(yù)測(cè)某海域某一時(shí)間的大致潮汐值，然后應(yīng)用于地震資料進(jìn)行潮汐校正處理[5]。從水文站潮汐表中獲得的潮汐數(shù)據(jù),較測(cè)深儀推算出的潮汐數(shù)據(jù)有了一定的質(zhì)量提升，但是由于限潮汐站點(diǎn)個(gè)數(shù)有限，采集的歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，所以其估算的預(yù)測(cè)潮汐數(shù)據(jù)精度也相對(duì)較低[6-7]，只能對(duì)海洋地震資料進(jìn)行一個(gè)大致的潮汐校正，仍然存在一定程度的誤差，與實(shí)際潮汐值的精確匹配很難實(shí)現(xiàn)。

3 潮汐數(shù)據(jù)獲取

3.1 利用Starfix XP高程數(shù)據(jù)獲得潮汐數(shù)據(jù)

隨著全球定位技術(shù)精度的提高，海上地震采集基本上采用差分全球定位系統(tǒng)[8](DGPS)進(jìn)行導(dǎo)航定位，DGPS受其原理及環(huán)境的限制，一般其水平定位精度可達(dá)3 m左右，高程定位精度略低，只有10 m左右，而潮汐數(shù)據(jù)對(duì)于精度的要求起碼是分米級(jí)，常規(guī)DGPS測(cè)量不滿足潮汐值的精度要求。StarFix XP定位系統(tǒng)的新一代的衛(wèi)星差分GPS，它利用衛(wèi)星獲得差分?jǐn)?shù)據(jù)，通過(guò)全球參考臺(tái)網(wǎng)絡(luò)不斷跟蹤所有GPS衛(wèi)星軌道，獲得高精度差分信息，突破了差分臺(tái)的距離限制，真正做到了全球化高精度定位。理論及測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的水平定位精度可達(dá)10 cm，高程定位精度可達(dá)15 cm，能夠滿足潮汐值測(cè)量的精度要求[9]。

StarFix XP測(cè)量的高程值H是以參考橢球面為基準(zhǔn)面的大地高程，需要將其轉(zhuǎn)換為以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的海拔高程，記為Hg，這個(gè)高程轉(zhuǎn)換其實(shí)就是求取考橢球面與大地水準(zhǔn)面差距，即高程異常Δh。有多種方法可以求取高程異常，一般通過(guò)等值線圖法或高程擬合法進(jìn)行求取。利用同作業(yè)海區(qū)相鄰的公共點(diǎn)上的大地高程和海拔高程，計(jì)算出各公共點(diǎn)的高程異常Δh，若有多個(gè)這樣的公共點(diǎn)，就可利用多項(xiàng)式擬合法求出相鄰任意點(diǎn)的高程異常Δh。由于高程異常Δh在一定地域范圍內(nèi)變化不大，在一個(gè)地震采集工區(qū)，可采用一個(gè)固定高程異常Δh進(jìn)行校正。進(jìn)而得出地震船各炮點(diǎn)GPS天線點(diǎn)的海拔高程Hg=H-Δh；用GPS天線海拔高程Hg減去GPS天線相對(duì)于海面的高度Ht(Ht為GPS天線到海平面的高度差，與地震船的吃水深度有關(guān)，需要每天測(cè)量一次),即可獲得地震采集各炮點(diǎn)的潮汐值h。

利用StarFix XP獲得的潮汐數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)實(shí)地高精度的特點(diǎn)：

1)實(shí)時(shí)。潮汐值的獲取與地震資料采集同時(shí)進(jìn)行，時(shí)間上可以做到勘探過(guò)程不中斷，數(shù)據(jù)可以做到與地震記錄一一對(duì)應(yīng)，容易實(shí)現(xiàn)潮汐校正。

2)實(shí)地。獲取潮汐值的位置與地震采集同步進(jìn)行，地理位置上高度重合，通過(guò)預(yù)報(bào)潮汐的方式很難做到這一點(diǎn)。

3)高精度。通過(guò)衛(wèi)星差分，高程精度可達(dá)15 cm，可以滿足潮汐數(shù)據(jù)的要求。

3.2 潮汐校正模塊開發(fā)

1)在模塊編輯階段，將導(dǎo)航定位提供的潮汐時(shí)間及潮汐數(shù)據(jù)讀入二維數(shù)組。

2)讀入定義的道頭和水速及潮汐數(shù)據(jù)采樣間隔。

3)讀取地震道時(shí)間道頭(YEAR,JULDAY,HOUR,MINUTE)。

4)將時(shí)間一致的潮汐值和校正時(shí)間賦給自定義的地震道道頭。

5)用靜校正方法通過(guò)自定義道頭進(jìn)行潮汐校正。

3.3 潮汐校正處理模塊應(yīng)用效果

使用潮汐校正處理模塊Tide對(duì)南海某工區(qū)的地震資料進(jìn)行了潮汐校正處理，進(jìn)行潮汐校正后，從聯(lián)絡(luò)測(cè)線疊加剖面和三維數(shù)據(jù)體時(shí)間切片上看，地震資料經(jīng)過(guò)潮汐校正后改善明顯，主要表現(xiàn)在：

1)疊加時(shí)能量得到了更好地聚焦，同相軸的連續(xù)性更好，進(jìn)而改善了成像效果。

2)從聯(lián)絡(luò)測(cè)線疊加剖面上看(圖3)，在施工原因?qū)е碌某毕黄ヅ?，潮差較大的部位，經(jīng)過(guò)潮汐校正后，消除了由于潮汐導(dǎo)致的同相軸錯(cuò)動(dòng)。

圖3 潮汐校正前后聯(lián)絡(luò)測(cè)線疊加剖面對(duì)比Fig.3 Comparison of crossline stack sections before and after tidal correction(a)潮汐校正處理前的疊加剖面;(b)潮汐校正處理后的疊加剖面

3)應(yīng)用于數(shù)據(jù)體后，從時(shí)間切片上進(jìn)行檢查。從圖4中可以看出，從原始切片可以清楚地看到潮汐影響的條帶狀振幅和相位異常，經(jīng)過(guò)潮汐數(shù)據(jù)校正處理后，很好地衰減了潮汐的影響，時(shí)間切片看上去更加連續(xù)，減輕了“采集腳印”[10-11]的影響。

圖4 潮汐校正處理前后時(shí)間切片對(duì)比Fig.4 Comparison of time slices before and after tidal correction(a)潮汐校正處理前的時(shí)間切片;(b)潮汐校正處理后的時(shí)間切片

4 結(jié)論

現(xiàn)有的衛(wèi)星差分GPS技術(shù)已日趨成熟，10 cm水平定位精度和15 cm高程定位精度，完全可以滿足海上地震資料潮汐校正處理的需要。利用基于StarFix XP潮汐數(shù)據(jù)，可以很好地進(jìn)行海上地震資料的潮汐校正，可以滿足海洋地震資料潮汐校正的處理需要。經(jīng)過(guò)該潮汐校正處理后，在一定程度上提高了地震資料的分辨率，疊加剖面上同相軸的連續(xù)性得到了一定的改善，減輕了“采集腳印”對(duì)地震資料成像的影響，提高了成像效果。