基于同步單波束測深數(shù)據(jù)的單道地震涌浪靜校正方法

邢子浩，義家吉，楊德鵬，魯旭，李偉，許丞，蔡砥柱，陳靚

1. 中國地質(zhì)調(diào)查局?？诤Ｑ蟮刭|(zhì)調(diào)查中心，?？?571127

2. 國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心，青島 266033

高分辨率單道地震是一種用來探測海底淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的地球物理方法，它具有配置靈活、簡單方便、高效經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確直觀、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，近年來已廣泛應(yīng)用于海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查、海域地質(zhì)災(zāi)害研究、天然氣水合物資源勘查及近海工程等領(lǐng)域，隨著相關(guān)采集設(shè)備、處理技術(shù)的發(fā)展，單道地震應(yīng)用前景也會愈加廣闊[1-2]。然而，在單道地震施工過程中風(fēng)浪或涌浪是普遍存在的，漂浮在海面附近的震源和接收纜很容易受到它們的沖擊而上下起伏、左右搖擺，從而導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)中的反射波同相軸發(fā)生抖動現(xiàn)象，這些抖動的存在使得剖面的信噪比和分辨率降低，剖面質(zhì)量變差，有時達(dá)到幾乎難以解釋的程度。因此，在單道地震數(shù)據(jù)處理中壓制涌浪帶來的干擾是一項(xiàng)重要工作。

目前，針對涌浪校正國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了一些可行的技術(shù)和方法。一類是基于數(shù)據(jù)自身特征的涌浪校正方法，主要有模型道互相關(guān)技術(shù)、中值濾波、均值濾波、高斯平滑濾波、局部時窗最優(yōu)化等方法，其中，李麗青等[3]提出了利用模型道互相關(guān)統(tǒng)計(jì)法計(jì)算涌浪對每道造成的時移量，然后通過靜校正來消除地震剖面上同相軸抖動現(xiàn)象；羅進(jìn)華等[4]提出利用中值濾波和均值濾波對拾取的海底反射界面進(jìn)行濾波，將濾波前后的反射時間差值作為校正量，以此消除涌浪的影響；丁維鳳等[5]綜合模型道互相關(guān)、中值濾波和均值濾波等方法對單道地震和淺地層剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行了涌浪改正處理；付小波等[6]提出了高斯平滑與模型道互相關(guān)相結(jié)合的涌浪靜校正方法，首先利用高斯濾波對海底初至曲線進(jìn)行平滑處理，然后再利用模型道互相關(guān)技術(shù)計(jì)算剩余校正的時移量，從而完成時移校正；張彬彬等[7]提出了局部時窗最優(yōu)化校正方法用于壓制剩余涌浪影響。另一類是借助外部約束信息的涌浪校正方法，Kim 等[8]、郝高建等[9]采用多波束地形數(shù)據(jù)校正淺地層剖面儀探測的海底，從而消除了涌浪影響?；跀?shù)據(jù)自身特征的涌浪校正方法一般適用于海底起伏不大、地形平緩的數(shù)據(jù)，由于大部分水下地形均可以滿足這個條件，因此該方法在涌浪校正中得到了廣泛應(yīng)用，例如劉伍[10]利用平滑濾波校正了上海近岸海域高分辨率單道地震的同相軸起伏；王圣民等[11]采用均值濾波壓制了舟山海域高分辨率單道地震中的涌浪干擾；徐巖等[12]利用RadExpro 軟件的涌浪校正模塊（alpha 均值濾波）消除了三亞近海的淺剖資料反射同相軸抖動現(xiàn)象；劉玉萍等[13]采用模型道互相關(guān)技術(shù)壓制了南海低信噪比單道地震資料中的海底抖動。但當(dāng)海底地形復(fù)雜崎嶇時，該類方法的涌浪校正效果往往欠佳，其結(jié)果是要么壓制不足，涌浪干擾仍然存在；要么過分平滑，導(dǎo)致海底地層真實(shí)反射形態(tài)遭受破壞。針對這一問題，結(jié)合其他資料信息加以約束實(shí)現(xiàn)涌浪校正無疑是一種良好的解題思路，例如利用多波束測得的高精度地形數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)地震剖面中的海底位置，這樣一方面能壓制涌浪干擾，另一方面能將真實(shí)的海底地形反映到地震剖面中[9]。然而，遺憾的是多波束數(shù)據(jù)在近岸淺水地區(qū)的獲取成本較高，難以實(shí)現(xiàn)全覆蓋，導(dǎo)致該方法的推廣受阻。

與多波束測深相比，單波束測深數(shù)據(jù)更易獲得，一般情況下，在采集淺地層剖面、單道地震和多道地震數(shù)據(jù)過程中都會同步進(jìn)行單波束水深測量。目前，單波束水深測量多采用基于GNSS 技術(shù)的綜合水下測深系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由GPS RTK、測深儀、羅經(jīng)、姿態(tài)傳感器和導(dǎo)航軟件組成[14]。其中，姿態(tài)傳感器可以測量船體受涌浪影響發(fā)生的橫搖、縱搖和上下起伏變化等信息，從而消除姿態(tài)因素對單波束測深的影響[15]。水深數(shù)據(jù)再經(jīng)過吃水改正、聲速改正、時延改正及濾波等處理后，能夠獲得準(zhǔn)確可信的海底地形?；谶@一技術(shù)背景，本文提出了一種利用同步單波束測深數(shù)據(jù)約束來實(shí)現(xiàn)單道地震涌浪校正的方法，通過實(shí)際資料分析討論了該方法的有效性。

1 處理方法

首先，將單道地震剖面每一道對應(yīng)的單波束水深數(shù)據(jù)D通過公式（1）轉(zhuǎn)換成采用一定施工參數(shù)的海底雙程旅行時間TD；然后，用該時間與拾取的海底初至?xí)r間TB相減，獲得海底受涌浪影響產(chǎn)生的時移量ΔT；最后，以計(jì)算出的時移量為校正量，對每一道做靜校正處理即可準(zhǔn)確消除涌浪帶來的時移影響。

式中，HS、HR分別是震源和接收電纜的沉放深度，X是震源中心到電纜中心的距離，V是根據(jù)聲速剖面計(jì)算的水中平均聲速。

該方法具體處理步驟如下：

（1）拾取海底：從地震剖面上獲取每一道的坐標(biāo)和海底初至?xí)r間TS；

（2）位置校正：將單道地震道頭記錄的坐標(biāo)校正到真實(shí)的反射點(diǎn)位置；

（3）水深匹配：根據(jù)位置最近原則，為每一道匹配水深數(shù)據(jù)；

（4）深時轉(zhuǎn)換：將每一道對應(yīng)的水深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成時間數(shù)據(jù)；

（5）道集時移：計(jì)算時移量并進(jìn)行靜校正。

1.1 拾取海底

可采用能量比法進(jìn)行海底初至?xí)r間的自動拾取，如圖1 所示。其算法如下：

圖1 能量比法自動拾取海底示意圖Fig.1 Diagram of the energy ratio method of auto pick-up from the seabed

（1）設(shè)置一個開始搜索的時刻（其位置應(yīng)在海底反射波之上，直達(dá)波之下）和時窗長度，這樣海底初至波就被限制在由上述兩個參數(shù)確定的搜索窗口中（圖1 綠色方框）；

（2）在搜索窗口內(nèi)，計(jì)算每個采樣點(diǎn)前后兩個目標(biāo)窗口（圖1 橙色方框）中的平均能量，并求取第二個窗口能量與第一個窗口能量的比值，記為該樣點(diǎn)處的能量比；

（3）對比搜索窗口內(nèi)所有采樣點(diǎn)處的能量比，最大能量比值對應(yīng)的時間即為海底初至?xí)r間；

（4）最后輸出每一道的野外文件號（FFID）、坐標(biāo)和海底初至?xí)r間。

此外，當(dāng)資料信噪比較低或直達(dá)波距離海底非常近時，自動拾取效果往往較差，此時需要手動去修正。

1.2 位置校正

由于位置校正運(yùn)算不能在球面坐標(biāo)上進(jìn)行，只能在平面坐標(biāo)中計(jì)算，因此在位置校正前需要將SEGY 數(shù)據(jù)中記錄的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為投影平面坐標(biāo)。然后，根據(jù)反射點(diǎn)與SEGY 記錄位置的相對關(guān)系（圖2）及航向進(jìn)行線性平移即可得到真實(shí)的反射點(diǎn)平面坐標(biāo)值。計(jì)算公式為：

圖2 單道地震中反射點(diǎn)記錄位置與實(shí)際位置間的關(guān)系Fig.2 Relationship between the recorded and actual positions of reflection points in single-channel seismology

式中，ER、NR為校正后反射點(diǎn)的平面坐標(biāo)，EO、NO為SEGY 所記錄的大地坐標(biāo)經(jīng)投影變換計(jì)算出來的平面坐標(biāo)，SR為反射點(diǎn)與SEGY 坐標(biāo)記錄位置間的距離，h為船艏向，α為反射點(diǎn)與SEGY 坐標(biāo)記錄位置的連線與船中軸線的夾角。

對于船艏向信息的獲取，若導(dǎo)航數(shù)據(jù)中記錄了船艏向，可通過SEGY 數(shù)據(jù)中記錄的炮點(diǎn)時間與導(dǎo)航數(shù)據(jù)中記錄的船艏向時間進(jìn)行匹配來提取每一道對應(yīng)的船艏向；若導(dǎo)航數(shù)據(jù)中沒有記錄船艏向，則只能利用SEGY 記錄位置來推算船航跡向，用航跡向代替船艏向進(jìn)行反射點(diǎn)位置的推算[16]。

1.3 水深匹配

在每一道附近，計(jì)算反射點(diǎn)與測深點(diǎn)之間的距離，將距離最小的并且經(jīng)過室內(nèi)修正后的水深值作為該道對應(yīng)的水深。

1.4 深時轉(zhuǎn)換

根據(jù)公式（1），將每一道對應(yīng)的水深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實(shí)際施工條件下的海底雙程旅行時間，再根據(jù)公式（2）計(jì)算出涌浪造成的時移量 ΔT；

1.5 道集時移

將計(jì)算出的時移量 ΔT寫入地震道頭中，并以其作為校正量對每一道做靜校正處理，即可消除涌浪造成的時移影響，獲得具有真實(shí)海底的單道地震剖面數(shù)據(jù)。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 平緩起伏的海底

圖3 為本文提出的方法在實(shí)際資料處理中的應(yīng)用，該資料取自粵東沿海，調(diào)查區(qū)海底地形相對平坦，主要的采集參數(shù)如表1 所示。圖3a 是原始地震剖面，很顯然該剖面在采集過程中受到了高頻風(fēng)浪的影響，其特征是海底反射軸呈現(xiàn)鋸齒狀抖動，海底以下同相軸也以同樣的時移量發(fā)生錯動，從而造成地層錯亂、模糊，極大地干擾了后續(xù)解釋工作。

表1 粵東沿海及海南島近岸海域單道地震采集參數(shù)Table 1 Single-channel seismic acquisition parameters in the offshore of eastern Guangdong and along the coast of Hainan Island

圖3 平坦海底的單道地震資料處理效果對比分析a：原始剖面，b：反射點(diǎn)校正前后的位置圖，c：校正前后的海底初至曲線，d：使用單波束測深數(shù)據(jù)校正后的剖面，e：使用均值濾波校正后的剖面。Fig.3 Comparison in processing result of single-channel seismic data on flat sea beda: original profile, b: position diagram before and after reflection point correction, c: the firstbreak curves of seabed before and after correction, d: profile after correction using single-beam echo sounder data, e: profile after correction using mean filtering.

按照上述給出的處理步驟，首先，需要拾取海底的反射初至，如圖3c 中灰色曲線（Seabed_SWELL）所示；然后，進(jìn)行反射點(diǎn)位置校正，由于本次導(dǎo)航數(shù)據(jù)中并未記錄船艏向，因此使用了航跡向代替船艏向進(jìn)行反射點(diǎn)位置的推算，其結(jié)果在平面坐標(biāo)系中的投影見圖3b；接著，使用真實(shí)的反射點(diǎn)坐標(biāo)與水深數(shù)據(jù)進(jìn)行位置匹配，并將匹配好的水深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至?xí)r間域，結(jié)果見圖3c 中藍(lán)色曲線（Seabed_SBES）；最后，計(jì)算出時移量，并以其作為靜校正量完成海底校正，結(jié)果如圖3d 所示。

對比圖3a 和圖3d 可以看出，處理后的剖面同相軸變得清晰、連續(xù)，地層分辨率得到大大改善，層位信息也更加豐富。圖3e 是采用11 點(diǎn)均值濾波（mean filtering, MF）消除涌浪干擾后的剖面，與圖3d對比發(fā)現(xiàn)，兩種方法的處理效果基本相當(dāng)。理論上，采用單波束水深數(shù)據(jù)約束校正的結(jié)果更加接近于真實(shí)海底，而平滑濾波處理得到的則是海底的變化趨勢，當(dāng)海底起伏平緩時兩者差別不大。因此，在缺少測深數(shù)據(jù)或者追求處理效率的情況下，使用濾波方法進(jìn)行涌浪壓制也是可行的。

2.2 復(fù)雜崎嶇的海底

圖4a 展示了一段海底為沙波的單道地震剖面，該資料取自海南島近岸海域，主要的采集參數(shù)如表1所示。海底沙波是一種韻律形的海床地貌形態(tài)，其“脊尖槽緩”的排列特征往往與涌浪的“鋸齒狀抖動”具有一定的相似性，因此當(dāng)使用濾波方法壓制涌浪干擾時首先需要排除海底為沙波的可能性。然而，當(dāng)兩者疊加在一起時，資料就會變得異常復(fù)雜，正如圖4a 所呈現(xiàn)的那樣，海底的錯亂已經(jīng)達(dá)到無法辨認(rèn)的程度，連基本走勢的識別都相當(dāng)困難。

圖4 復(fù)雜海底的單道地震資料處理效果對比分析a：原始剖面，b：使用單波束測深數(shù)據(jù)校正后的剖面，c：使用均值濾波校正后的剖面，d：校正前后的海底初至曲線。Fig.4 Comparison in processing result of single-channel seismic data on complex seabeda: original profile, b: profile after correction using single-beam echo sounder data, c: profile after correction using mean filtering, d: the firstbreak curves of seabed before and after correction.

圖4b 和圖4c 分別是使用本文方法和均值濾波方法消除涌浪干擾后的剖面，在沒有圖4b 對比的情況下，常規(guī)濾波方法處理后的剖面可以認(rèn)為頗為理想，海底同相軸清晰連續(xù)，易于追蹤，沙波地貌也可以識別出來。然而，若使用該數(shù)據(jù)對沙波開展進(jìn)一步研究，有可能會將結(jié)果引向誤區(qū)，這是因?yàn)槠交瑸V波已經(jīng)改變了沙波的原始形態(tài)。相關(guān)研究表明，沙波的形態(tài)特征不僅是它分類的依據(jù)，而且能夠指示其沉積環(huán)境、移動方向、活動性以及流體特征[17-18]。仔細(xì)對比兩圖中綠色方框的部分可以看出，真實(shí)的海底沙波具有不對稱的形態(tài)，這種不對稱性可以指示其運(yùn)移方向，一般認(rèn)為沙波的運(yùn)移方向是從沙波的緩坡指向陡坡，因此通過圖4b 能夠清楚地判定出沙波由北向南遷移，同時也表明該區(qū)域水動力條件較強(qiáng)，沙波處于活動時期。如若使用圖4c 對沙波進(jìn)行解釋則是另外一種結(jié)果，沙波脊部圓滑且呈對稱形態(tài)，指示底流在此處達(dá)到平衡，沙波遷移可能停止或方向發(fā)生改變。

由此可見，在海底地形崎嶇復(fù)雜的情況下，均值濾波壓制涌浪干擾的同時也會抹掉海底和地層的細(xì)節(jié)變化，使其形態(tài)發(fā)生改變，從而帶來不可預(yù)知的結(jié)果，有些時候這些被忽略的細(xì)節(jié)特征對工程施工設(shè)計(jì)很重要；而基于單波束測深數(shù)據(jù)的海底校正方法不僅能壓制涌浪干擾，還能將真實(shí)的海底地形反映到地震剖面中，處理結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，可以作為科學(xué)研究、工程建設(shè)的基本依據(jù)。

3 討論

在單道地震資料中有時會存在另外一種海底抖動現(xiàn)象，如圖5a 所示。通常人們會將這種情況歸因于低頻涌浪，但通過觀察剖面中海底同相軸的起伏形態(tài)顯然不符合涌浪干擾的特征，原因有二：①涌浪的波動往往是持續(xù)且有規(guī)律的，而剖面中的海底抖動無論在分布位置還是在幅度大小上都顯得很隨機(jī)，當(dāng)然這也并不是海底地形本身的變化，圖5c是同步采集的單波束水深數(shù)據(jù)，可看出該段地形是非常平坦的；② 剖面中同一道上海底反射波與直達(dá)波具有相似的起伏變形，海底上凸直達(dá)波也上凸，海底下凹直達(dá)波也下凹，這種特征并不是涌浪所能造成的。綜合上述原因，圖5a 剖面中的海底抖動與涌浪無關(guān)。

圖5 船舶急轉(zhuǎn)彎對剖面的改造及處理效果分析a：受船舶急轉(zhuǎn)彎影響的原始剖面，b：航跡線，c：水深線，d：使用單波束測深數(shù)據(jù)校正后的剖面。Fig.5 Analysis on the results of modification of profile at sharp turn of the shipa: original profile affected by the sharp turn of a ship, b: track line, c: water depth line, d: profile after correction using single-beam echo sounder data.

圖5b 是采集圖5a 剖面時調(diào)查船的航跡線，兩圖對照來看，在航向發(fā)生急轉(zhuǎn)的位置直達(dá)波以及海底同相軸均相應(yīng)出現(xiàn)下凹或上凸的形變，說明剖面中這種海底抖動現(xiàn)象是與船舶急轉(zhuǎn)彎有關(guān)的。借助圖6 對這種現(xiàn)象的原因做進(jìn)一步分析，如圖6a 所示，震源和接收纜拖曳于調(diào)查船之后，當(dāng)調(diào)查船沿測線方向穩(wěn)定行駛時，纜源間距保持不變，采集的資料可以正確反映海底地形；當(dāng)調(diào)查船向左急轉(zhuǎn)彎時，見圖6b，由于接收纜的長度大于震源纜的長度，因此震源達(dá)到拉直狀態(tài)的速度要比接收纜快，在這一過程中震源首先遠(yuǎn)離接收纜中心，然后隨著接收纜被拉直，纜源間距回歸正常，反映在地震剖面上直達(dá)波、海底以及海底以下地層同相軸會向下彎曲變形；當(dāng)調(diào)查船向右急轉(zhuǎn)彎時，見圖6c，在震源和接收纜被拉直的過程中，纜源間距先變小再回歸正常，反映在地震剖面上直達(dá)波、海底以及海底以下地層同相軸會向上彎曲變形。若在一段測線上，調(diào)查船反復(fù)急轉(zhuǎn)方向，海底就會出現(xiàn)連續(xù)上下起伏，形成地形假象，正如圖5a 展示的那樣。

圖6 船舶急轉(zhuǎn)彎對纜源間距的影響示意圖Fig.6 The effect of sharp turns of ships on the spacing between cable and source

這種由調(diào)查船急轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的“假海底”是否可以消除呢？圖5d 是采用圖5c 所示的單波束測深數(shù)據(jù)校正后的剖面，可以看出雖然海底的真實(shí)形態(tài)可以恢復(fù)，但是海底以下地層同相軸卻校正過量（圖中綠色箭頭所示），導(dǎo)致剖面再一次被改造，原因在于地震波傳播速度隨地層深度的加深而逐漸增大，相應(yīng)的纜源間距變化造成的同相軸形變量將隨之減小，也就是說在同一道上消除這種影響所需的校正量是隨時間逐漸變小的，該問題并非靜校正可以解決的。因此，建議在單道地震施工過程中船舶駕駛?cè)藛T要盡量保障船舶勻速、恒向行進(jìn)，在遇到障礙物時要提前緩慢變向繞行，避免因船舶急轉(zhuǎn)彎對數(shù)據(jù)資料造成影響。

4 結(jié)論與建議

（1）本文提出的方法不僅可以消除涌浪干擾，還可以將真實(shí)的海底地形反映到地震剖面中，處理結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

（2）當(dāng)海底比較平坦時，濾波方法和本文方法的涌浪壓制效果差別不大，平常處理此類資料時可以優(yōu)先考慮濾波方法；但當(dāng)海底地形復(fù)雜時，濾波方法是不可取的，建議選用本文方法或者其他類似方法。

（3）除涌浪外，調(diào)查船急轉(zhuǎn)彎是造成海底抖動的又一原因，在剖面上可通過海底同相軸波動的規(guī)律性和直達(dá)波特征將二者區(qū)分開。

（4）本文提出的方法雖然可以將海底恢復(fù)至真實(shí)形態(tài)，但無法消除調(diào)查船急轉(zhuǎn)彎對海底以下地層產(chǎn)生的形變，相關(guān)處理方法有待進(jìn)一步研究。

針對以上問題提出如下建議：

（1）測深儀、DGPS、震源中心、電纜中心等各設(shè)備間精確的相對位置關(guān)系是推算反射點(diǎn)實(shí)際位置的關(guān)鍵，因此在施工前需要使用專業(yè)測量工具準(zhǔn)確量取。

（2）涌浪姿態(tài)傳感器的使用是保證本文方法能夠良好實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和前提，在同步采集單波束數(shù)據(jù)過程中，必須裝配該設(shè)備。

（3）在單道地震施工過程中要盡量避免調(diào)查船發(fā)生急轉(zhuǎn)彎，駕駛?cè)藛T在操船時要謹(jǐn)慎專注、加強(qiáng)瞭望，發(fā)現(xiàn)障礙物后應(yīng)提前選擇緩慢繞行；如果有條件的話，也可以對受影響的部分進(jìn)行重新采集。

致謝：感謝?？诤Ｑ蟮刭|(zhì)調(diào)查中心所有海上作業(yè)人員對資料采集的辛苦付出，感謝青島海洋地質(zhì)研究所劉鴻副研究員在原始資料處理方面給予的支持和幫助。