渤海海域氣槍子波時(shí)空傳輸特征研究

李曉東，劉懷山,2

(1.中國海洋大學(xué) 海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.海洋國家實(shí)驗(yàn)室 海洋礦產(chǎn)資源評價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071)

1 引 言

全球海洋油氣資源豐富，占全球所有石油資源的34 %，目前探明率僅為30 %，尚處于勘探早期階段[1]。在石油領(lǐng)域中，將海域按照水深劃分為淺海海域(水深不足500 m)、深水海域(水深介于500～1 500 m)和超深水海域(水深超過1 500 m)[2]。海洋油氣資源主要分布在大陸架區(qū)域，這一部分約占全球油氣總量的60 %。因此，在已探明的儲量中，淺海目前仍處于主導(dǎo)地位。

淺海地震勘探仍然是一個(gè)非常活躍的領(lǐng)域，在未來的許多年里都應(yīng)該如此。淺海環(huán)境存在較強(qiáng)的混響和衰減，氣槍子波傳輸過程中需要考慮聲波與海面、海底的相互作用，這些相互作用會導(dǎo)致氣槍子波的長距離傳播情況十分復(fù)雜。為了準(zhǔn)確表征氣槍子波的聲場特征，需要結(jié)合海洋聲學(xué)來精確且定量地描述和評價(jià)氣槍子波在淺海地區(qū)的時(shí)間和空間傳輸特征。

針對淺海地區(qū)時(shí)間域和空間域的氣槍子波傳輸特征，Lee等人(2006年)[3]研究了淺海條件下氣槍子波傳輸受到淺海深度和海底聲學(xué)特性的影響。Crone等人(2014年)[4]在華盛頓海岸附近的大陸架和斜坡上進(jìn)行了一次拖纜數(shù)據(jù)的采集工作，他們認(rèn)為氣槍震源子波的傳輸損耗受海底深度的影響，但似乎受到海底坡度的影響更大，特別是在中大陸架陡坎附近和坡度值最大的沙丘附近。Line等人(2015年)[5]在奧胡斯灣試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)由淺水環(huán)境中低頻傳播，淺水環(huán)境充當(dāng)高通濾波器造成氣槍震源子波在中高頻時(shí)可能包含更多的能量。McCauley等人(2016年)[6]在澳大利亞海域進(jìn)行了海洋地震勘探、氣槍陣列信號的傳輸特征研究。Duncan等人(2017年)[7]提出在淺水區(qū)的環(huán)境中，傳播速度越快的聲波在海床上的反射頻率越高，這種反射比在水平方向傳播的聲波振幅降低得更快。

國內(nèi)外學(xué)者大多采用拖曳的觀測方式來研究氣槍子波的傳輸特征，本文采用海底電纜這種觀測方式，降低了背景噪音。同時(shí)結(jié)合多種評價(jià)指標(biāo)定量評價(jià)了氣槍子波在渤海海域空間傳輸?shù)臅r(shí)、頻域特征。

2 淺海條件下氣槍子波的傳輸特征

2.1 基于簡正波理論的氣槍子波傳輸特征

簡正波模型由Pekeris[8]提出的一種對與離散頻率相關(guān)的模態(tài)傳播進(jìn)行建模的方法，該方法適用于傳輸距離遠(yuǎn)大于水深的環(huán)境。假定水深恒定，等速，剛性底部介質(zhì)，這里給出唯一的傳輸損耗機(jī)制，即在給定的頻率下，模態(tài)在水深至少1/4 波長的環(huán)境下才能不衰減的傳播。對于給定的模態(tài)：頻率越高，掠射角越小，對于給定的頻率：模態(tài)階數(shù)越高，掠射角越大。與邊界條件匹配的波長和入射角決定了最有效的傳播模式， 每個(gè)模態(tài)都有一個(gè)確定的低截止頻率， 低于這個(gè)頻率，模態(tài)只隨衰減而傳播，而不能被困在波導(dǎo)中，這是由于低截止頻率附近的聲脈沖傳播速度增大，從而導(dǎo)致了長波長。因此，頻率越高，模態(tài)就越多，多模態(tài)的存在使聲場產(chǎn)生了復(fù)雜的干涉作用，大大降低了傳輸損耗。

由此可以推斷，氣槍子波在渤海海域傳輸過程中，高頻部分的傳輸損耗要低于低頻部分。并且隨著頻率的降低，逐漸接近所謂的截止頻率，在到達(dá)截止頻率后，所有模態(tài)均被切斷，傳輸損耗明顯增大。氣槍子波在渤海海域的傳輸過程中，在某個(gè)頻率及以下的頻帶中，會觀測到明顯增大的傳輸損耗和明顯降低的能量水平。

2.2 基于淺海聲傳輸理論的氣槍子波傳輸特征

實(shí)際上，淺水環(huán)境是一種比深水環(huán)境復(fù)雜得多的聲學(xué)介質(zhì)，淺水環(huán)境在海底和海面之間形成了聲波管道。在這種情況下，氣槍子波傳輸主要由海底和海面的反射決定[9]，與海底沉積物的相互作用也會影響子波的傳播距離[10]。在淺海環(huán)境中，傳播速度越快的聲波會經(jīng)歷頻繁的海底反射，這種反射比在水平方向傳播的聲波振幅降低得更快。隨著距離的增加，接收到的信號逐漸由水平方向傳播的聲波構(gòu)成。氣槍子波海面反射時(shí)會發(fā)生180°的相位變化，因此，直接到達(dá)水聽器的子波和海面反射到達(dá)水聽器的子波之間存在著相消干涉。如果直達(dá)波和海面反射波同時(shí)到達(dá)水聽器，二者能量將完全抵消，如果到達(dá)的時(shí)間差增大，則抵消的量取決于時(shí)間差。當(dāng)聲波傳播的方向接近水平方向時(shí)，直達(dá)波和海面反射波旅行時(shí)差會減小，低頻能量衰減明顯。因此，可以推斷出氣槍子波在渤海海域傳播過程中低頻部分的能量衰減更快。

淺海條件下的聲傳播是依賴于海底的相互作用路徑。因此，氣槍子波到達(dá)接收點(diǎn)的傳輸路徑可能是海底折射-反射，也可能是海面-海底反射、海面-海底-海面反射、直達(dá)波等多種情況組合而成。所以，在能量的觀測上可能出現(xiàn)能量聚集和能量分散交替出現(xiàn)的情況。

3 基于OBC觀測的定量分析

3.1 氣槍陣列

本次地震探勘使用的氣槍陣列總?cè)萘繛? 720 cu.in，一共42支槍，其中備用槍6支，震源壓力2 000 psi，沉放深度為7 m。氣槍陣列分布如圖1所示。

圖1 氣槍陣列空間分布Fig.1 Spatial distribution of air gun array

工區(qū)示意圖如圖2所示。本次海洋地震勘探采用海底電纜(OBC:Ocean Bottom Cable)接收，海底電纜總長16 km，采集方位角128°/308°，道間距25 m，記錄道數(shù)640道，采樣間隔2 ms，炮點(diǎn)距50 m， 共激發(fā)96次，截取時(shí)窗選擇700個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)，即時(shí)窗長度為1 400 ms。

3.2 實(shí)際數(shù)據(jù)處理

圖3剖面為圖2中黑色測線記錄的數(shù)據(jù)。

圖2 工區(qū)示意圖及方位角Fig.2 Schematic diagram and azimuth of work area

從圖3中可以看出，隨著子波傳播距離的增加，距離炮線較遠(yuǎn)的水聽器接收到的信號能量逐漸變小。這是由于隨著子波傳播距離的增加，子波的傳播方向接近水平，直達(dá)波和海面反射波旅行時(shí)差會減小，低頻能量衰減明顯。

圖3 41024測線記錄的實(shí)際數(shù)據(jù)Fig.3 Actual data recorded by line 41024

根據(jù)已有的實(shí)際數(shù)據(jù)，計(jì)算接收信號的均方根聲壓級(SPLrms)和聲暴露級(SEL)參數(shù)。對于非平穩(wěn)隨機(jī)過程，例如來自氣槍陣列的脈沖壓力信號，定義一個(gè)均方根聲壓級方程，該方程由下式給出，單位為dB re 1 μ Pa。

均方根聲壓級(SPLrms)參數(shù)的計(jì)算公式為[12]：

其中，t0和t1分別是選取的截取時(shí)窗開始和截止的時(shí)間;T90是包含信號90%能量的時(shí)間區(qū)間長度;P(t) 是實(shí)際地震記錄。

聲音暴露水平(SEL)被定義為聲波持續(xù)時(shí)間內(nèi)聲壓信號的平方積分，單位為dB re 1 μ Pa2s。因此，SEL相當(dāng)于能量通量密度。

聲暴露級(SEL)參數(shù)的計(jì)算公式為[11]：

其中，t0和t1分別是選取的截取時(shí)窗開始和截止的時(shí)間;P(t) 是實(shí)際地震記錄。

根據(jù)均方根聲壓級(SPLrms)和聲暴露級(SEL)參數(shù)計(jì)算公式分別計(jì)算各個(gè)接收點(diǎn)的參數(shù)值，如圖4所示。圖5給出了41024測線記錄的測量氣槍陣列的功率譜圖。

圖4 渤海海域氣槍子波的均方根聲壓級參數(shù)值及聲暴露級參數(shù)值隨距離變化圖Fig. 4 The variation of SPLrms values and SEL values parameters with distance of air gun wavelet in Bohai sea area

從圖4中可以看出，作為用來表征能量大小的SPLrms值和SEL值隨著炮點(diǎn)的接近而逐漸變大，炮點(diǎn)在海底電纜正上方激發(fā)時(shí)達(dá)到最大值，炮點(diǎn)經(jīng)過海底電纜上方之后又隨著炮點(diǎn)的遠(yuǎn)離而逐漸減小。在4.6～4.7 km處出現(xiàn)一個(gè)小的斷崖式下降，可能是因?yàn)樵撎幋嬖诤５锥钙隆?/p>

圖5中可以看出，在傳播距離超過5 km后，低頻部分(50 Hz以下)能量低，衰減明顯且能量變得不連續(xù)，是由于海底地形的變化改變了氣槍子波的傳輸路徑造成的。在100 Hz以上部分出現(xiàn)“忽明忽暗”的現(xiàn)象，這是由于氣槍子波在傳輸時(shí)，由于淺海的多徑效應(yīng)而引起傳輸損耗的迅速變化而導(dǎo)致的能量會聚和分散。

注：色標(biāo)柱為信號的功率譜密度(PSD),即每單位頻率波攜帶的功率圖5 氣槍陣列的功率譜Fig.5 Power spectrum of air gun array

根據(jù)帶通濾波器組的中心頻率和帶寬的比值關(guān)系，將其分為恒帶寬式與恒帶寬比式兩種[13]。帶寬不隨中心頻率的變化而變化的，被稱為恒帶寬式，帶寬與中心頻率的比值不變的，被稱為恒帶寬比式。本文所使用的1/3倍頻程分析方法正是一種恒帶寬比式帶通濾波器，本文把整個(gè)頻域分為11段固定帶寬比的頻率帶，并且中心頻率所對應(yīng)的截止頻率之比均為1/3的常數(shù)，利用帶通濾波器截取落在以上頻帶內(nèi)的接收信號作為研究對象，計(jì)算其均方根聲壓級參數(shù)。對于連續(xù)譜而言，分析某個(gè)頻率的功率是沒有意義的，需要分析某個(gè)頻帶內(nèi)的功率大小。同時(shí)，1/3倍頻程分析方法能夠直觀地體現(xiàn)采集到的氣槍子波的頻譜信息,并且能夠更加詳細(xì)的反映出氣槍陣列的頻率特性[14]。

對渤海海域的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3倍頻程分析，可以直觀地看出不同頻帶內(nèi)氣槍子波能量分布隨距離的變化，如圖6所示。

從圖6中可以看出，隨著頻率的增加，頻帶內(nèi)的能量也是逐漸增加。高頻部分的能量水平明顯高于低頻部分。大部分頻率較高的頻帶內(nèi)能量強(qiáng)度要高于頻率較低的頻帶。是因?yàn)檎鎸?shí)的淺海條件對于氣槍子波傳輸來說相當(dāng)于一個(gè)高通濾波器，低頻部分的能量被吸收得較多，體現(xiàn)出了能量強(qiáng)度弱、能量強(qiáng)度衰減快等特征。這些特征在圖5中有所體現(xiàn)。尤其是氣槍子波傳輸超過5 km后，可以看到一個(gè)非常明顯的低頻部分能量迅速衰減的情況。

圖6 渤海海域?qū)嶋H數(shù)據(jù)不同頻帶能量分布圖Fig. 6 Energy distribution of different frequency bands of actual data in Bohai Sea area

為了更好地觀察氣槍陣列子波在空間上的傳輸特征，對渤海海域?qū)嶋H數(shù)據(jù)進(jìn)行三維分析，得到不同頻帶內(nèi)氣槍陣列子波的空間能量分布圖，見圖7。圖7中的圖7(a)～圖7(k)分別與表1中的1～11頻帶相對應(yīng)。

表1 1/3倍頻程的中心頻率和帶寬

對比分析11個(gè)頻帶內(nèi)的能量分布，低頻部分的能量在圖中主要顯示在距離氣槍陣列震源較近的位置處，而且能量的大小隨距離的增加衰減速度較快(圖7(a)，圖7(b))。渤海海域的海底是由松散沉積物構(gòu)成的，這種情況下的海底具有較強(qiáng)的聲波吸收能力，尤其是在低頻部分，這會造成在給定位置的氣槍子波能量接收水平出現(xiàn)急劇下降的現(xiàn)象。112～141 Hz(圖7i)頻帶內(nèi)能量比89.1～112 Hz(圖7h)頻帶內(nèi)能量強(qiáng)，178～224 Hz (圖7k)頻帶內(nèi)能量比141～178 Hz(圖7j)頻帶內(nèi)能量強(qiáng)。對比圖7，接收能量水平大，從另一個(gè)方面來說就代表著氣槍子波的傳輸損耗較低，在這個(gè)頻帶范圍內(nèi)的氣槍子波在淺海環(huán)境下具有較好的傳輸效果。從簡正波理論的角度來說，就是對應(yīng)模態(tài)的掠射角和相應(yīng)的縱波的臨界角是一個(gè)相對應(yīng)的關(guān)系，導(dǎo)致反射系數(shù)變大，最終造成了氣槍子波在這個(gè)頻帶內(nèi)的傳輸損耗較低。

圖7 渤海海域氣槍子波不同頻帶的能量空間分布Fig.7 Spatial distribution of air gun wavelet energy in different frequency bands in Bohai Sea area

4 結(jié) 論

結(jié)合通過簡正波理論及淺海聲傳輸理論預(yù)測的氣槍子波在渤海海域的傳輸特征和上述對渤海海域?qū)嶋H數(shù)據(jù)的處理，關(guān)于氣槍子波在渤海海域的傳輸特征可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1)均方根聲壓級參數(shù)和聲暴露級參數(shù)很好地量化了隨接收距離的變化所產(chǎn)生的氣槍子波的能量大小的變化，體現(xiàn)了在時(shí)間域范圍內(nèi)氣槍子波在淺海條件下的傳輸特征。1/3倍頻程分析方法提供了一種從頻率域進(jìn)行氣槍子波傳輸特征分析的方法，并取得了顯著的成效。

2)在渤海海域中，氣槍子波的傳輸損耗隨著傳輸時(shí)間的增加而增加。由于海面和海底的干擾，低頻傳輸通道較差。在20 Hz以下的頻帶中，表現(xiàn)出較低的能量水平和較大的傳輸損耗，這是由于20Hz即為簡正波理論中的模態(tài)截止頻率。在截止頻率以下，所有傳輸模態(tài)均被切斷，傳輸損耗明顯增大。

3)使用1/3倍頻程方法進(jìn)行分析取得了較好的效果。直觀地體現(xiàn)了不同頻帶內(nèi)氣槍子波的能量水平。30 Hz以下的頻帶中，能量衰減幅度較大，說明在渤海海域內(nèi)氣槍子波在這個(gè)頻帶范圍內(nèi)有較大的傳輸損耗。氣槍子波傳輸距離超過5 km后低頻部分的能量迅速衰減，傳輸損耗明顯增大。

4)從空間分布上來看，低頻部分的能量主要集中在離震源較近的位置，能量隨距離的衰減較快。高頻部分的能量分布明顯強(qiáng)于低頻部分(在圖7中顯示為高頻部分顏色更深)，能量強(qiáng)從另一個(gè)方面來說就是更低的傳輸損耗，這也與后續(xù)采用1/3倍頻程分析方法所得到的結(jié)論一致。