震源和水聽器沉放深度對單道地震勘探的影響

張匡華, 韓孝輝, 鐘宙燦, 仝長亮,4, 傅人康, 王嘉琳

(1. 海南省海洋地質資源與環(huán)境重點實驗室, 海南 海口 570206; 2. 海南省海洋地質調查院, 海南 海口 570206;3. 海南省地質綜合勘察院, 海南 ?？?570206; 4. 海南省地質測試研究中心, 海南 ?？?570206)

0 引言

在海域地震勘探中,因受震源和水聽器電纜(下文簡稱為電纜)沉放深度影響而與水表面發(fā)生反射作用,鬼波伴隨著一次有效反射波(下文簡稱為一次波),根據其成因與傳播路徑的不同分為震源鬼波、電纜鬼波和源-纜鬼波共三類[1-2],鬼波致使海洋地震勘探數(shù)據頻譜中產生陷波效應,限制數(shù)據的頻帶寬度,影響數(shù)據的分辨率[3-9],震源和電纜沉放深度是鬼波產生的根本原因。2012年鐘明睿等[10]通過不同震源、不同電纜沉放深度的四組模擬地震記錄,并對相應的實測多道地震數(shù)據進行頻譜分析,提出震源沉放越淺,子波頻帶變寬,高頻效果越好;電纜沉放深度越淺,頻帶越寬,分辨率越高,但受風浪影響的噪聲比較大。2016年李洪建[11]通過對三種不同電纜沉放深度模擬多道地震記錄進行頻譜分析及頻帶寬度分析后,認為震源和電纜深度大,低頻端能量強,主頻低,陷波影響強,有效頻帶窄;震源和電纜深度小,有效頻帶較寬,但低頻端能量損失嚴重。地震數(shù)據分辨率的高低歸根到底體現(xiàn)在時間域上,而不是在頻率域上[12],過去的研究主要從頻率域入手,對鬼波影響機制的研究不足、研究刻度偏大,且都是針對多道地震勘探,無法滿足單道地震勘探對高分辨率的需求。單道地震勘探在海洋地質災害調查、海岸帶調查、海洋工程勘察等諸多領域發(fā)揮了重要作用,通過對震源和電纜沉放深度進行小間距的變化模擬,從時間域對接收地震波受震源及電纜沉放深度影響進行分析,開展半定量到定量模擬研究,有助于揭示鬼波對單道地震數(shù)據的影響機制及其過程,為單道地震震源及電纜沉放深度設計提供理論依據,提高單道地震數(shù)據采集質量。

1 研究方法

1.1 研究思路

用雷克子波替代地震子波建立地震正演模型是比較成熟的技術[12-13]。雷克子波旁瓣峰值較大時與單道地震電火花震源子波相似[14],而電火花是高分辨率單道地震勘探常用的震源[15-17]。本研究采用雷克子波模擬電火花震源子波,分析一次波與鬼波的疊加作用伴隨震源及電纜沉放深度的變化,并對震源及電纜沉放深度對單道地震勘探的影響進行歸納總結。研究流程如圖1所示。

圖1 研究流程圖Fig.1 Flowchart for study

1.2 建立模型

水聽器在任意時刻接收到的反射地震波包含了一次波與三類鬼波,基于波的疊加原理,該地震記錄如式(1)所示。

S(t)=r(t)+R0r(t-τ1)+R0r(t-τ2)+

R0R0r[t-(τ1+τ2)]

(1)

式中:S(t)為包含三類鬼波的地震記錄;r(t)為一次波;R0r(t-τ1)為震源鬼波;R0r(t-τ2)為電纜鬼波;R0R0r[t-(τ1+τ2)]為源-纜鬼波;R0為海水面的反射系數(shù);t為一次波傳播的時間;τ1、τ2分別為震源鬼波和電纜鬼波相對一次波的延時。

震源鬼波和電纜鬼波的形成機理相同,對單道地震勘探的影響機理一樣。由于源-纜鬼波相對震源(電纜)鬼波和電纜(震源)鬼波相對一次波的延時相同,且多經歷了一次海水面反射,因此可以將源-纜鬼波視為震源(電纜)鬼波的電纜(震源)鬼波。包含鬼波的地震記錄也如式(2)所示。

S(t)=r(t)+R0r(t-τ1)+R0r(t-τ2)+

R0R0r[(t-τ1)-τ2]

(2)

式中:R0R0r[(t-τ1)-τ2]可視為震源(電纜)鬼波[R0r(t-τ1)]的電纜(震源)鬼波。

根據波的疊加原理,一次波和三類鬼波綜合疊加作用可分解為兩次鬼波疊加作用,分別如下:

第一次疊加:一次波與震源(電纜)鬼波疊加,形成的一次疊加波如式(3)所示。

S1(t)=r(t)+R0r(t-τ1)

(3)

式中:S1(t)為包含震源鬼波的地震記錄。

第二次疊加:一次疊加波與其電纜(震源)鬼波疊加,形成的二次疊加波(該二次疊加波即為水聽器接收到的反射地震波,以下簡稱為接收地震波)如式(4)所示。

S(t)=S1(t)+R0S1(t-τ2)

(4)

式中:S(t)為接收地震波;R0S1(t-τ2)為一次疊加波的電纜鬼波。

雷克子波在時間域的表達式如式(5)所示。

r(t)=[1-2(πf0(t))2]exp[-(πf0(t))2]

(5)

式中:f0為雷克子波峰值頻率。

將式(5)代入式(3)中,則一次疊加波如式(6)所示。

S1(t)=[1-2(πf0(t))2]exp[-(πf0(t))2]+

R0[1-2(πf0(t-τ1))2]·

exp[-(πf0(t-τ1))2]

(6)

將式(6)代入式(4)中,則接收地震波如式(7)所示。

S(t)=[1-2(πf0(t))2]exp[-(πf0(t))2]+

R0[1-2(πf0(t-τ1))2]exp[-(πf0(t-

τ1))2]+R0[1-2(πf0(t-τ2))2]·

exp[-(πf0(t-τ2))2]+R0R0[1-

2(πf0(t-(τ1+τ2)))2]exp[-(πf0(t-

(τ1+τ2)))2]

(7)

理論上,如果海水面為平整且鬼波在傳播過程中不變,震源鬼波、電纜鬼波與一次波具有極性相反的相同波形[7,10,18],實際地震資料的峰值頻率可近似看作地震子波的主頻[19]。海水面反射系數(shù)R0取理想值-1,對模擬子波的峰值頻率f0賦予固定值1 500 Hz,對鬼波延遲時間(τ1和τ2)按0.02 ms間隔賦值(波速按經驗值1 500 m/s計算,對應的沉放深度間距約為0.015 m),通過上述模擬公式,在時間域分析震源及水聽器電纜沉放深度的改變對采用地震子波主頻為1 500 Hz的地震勘探的影響,并可在此基礎上總結出一般性規(guī)律。

2 模擬分析

2.1 一次波和震源(電纜)鬼波疊加

震源(電纜)沉放深度在0～0.6 m之間變化,一次波跟震源(電纜)鬼波疊加,其一次疊加波變化如圖2所示。

圖2 一次波與不同沉放深度震源(電纜)鬼波疊加Fig.2 Superposition of both primary and source(receiver) ghost waves at different sinking depths

隨著震源(電纜)沉放深度從0 m增加到0.6 m,一次疊加波的波長遞增。當震源(電纜)沉放深度為0.015～0.42 m時,一次疊加波具有2個波峰(文中定義右偏為波峰,左偏為波谷);當震源(電纜)沉放深度約大于0.435 m后,一次疊加波具有3個波峰[圖2(a)]。

另外,一次疊加波主瓣峰值隨著震源(電纜)沉放深度遞增而改變[圖2(b)],表現(xiàn)為:

(1) 震源(電纜)沉放深度為0.015 m時,一次疊加波的主瓣峰值遠小于一次波的主瓣峰值;

(2) 沉放深度從0.015 m到0.09 m時,一次疊加波的主瓣峰值快速遞增,都小于一次波的主瓣峰值;

(3) 沉放深度約為0.1 m時,一次疊加波的主瓣峰值與一次波的主瓣峰值近似相等;

(4) 沉放深度從0.105 m到0.195 m時,一次疊加波的主瓣峰值遞增,都大于一次波的主瓣峰值,其中深度為0.195 m時,一次疊加波主瓣峰值達到最大值;

(5) 沉放深度從0.195 m到0.390 m時,一次疊加波的主瓣峰值緩慢遞減,都大于一次波的主瓣峰值;

(6) 沉放深度大于0.390 m時,一次疊加波的主瓣峰值穩(wěn)定,與一次波的主瓣峰值近似相等。

隨著震源(電纜)沉放深度的增加,一次疊加波峰值從低值遞增到最大值,再從最大值緩慢降低,最后基本保持穩(wěn)定。

2.2 一次波和三類鬼波疊加

一次波和三類鬼波的疊加波即為接收到的地震波,接收地震波的波長隨著震源和電纜沉放的總深度的增加遞增[圖3(a)],接收地震波波峰數(shù)量也隨震源和電纜沉放深度改變而改變,當震源(電纜)沉放深度固定為0.105 m、0.195 m及0.645 m,對應的電纜(震源)沉放深度從0 m增加到0.6 m時,接收地震波波峰的數(shù)量變化分別為從1個增加到2個[圖3(b)],從2個增加到3個[圖3(c)],以及從3個增加到4個[圖3(d)]。

圖3 不同震源、電纜沉放深度時的接收地震波Fig.3 Seismic waves at various sinking depths of source and receiver

當震源和電纜沉放深度都為0.195 m時,主瓣峰值達到最大值(圖4)。當震源(電纜)沉放深度固定時,隨電纜(震源)沉放深度增加,接收地震波主瓣峰值和一次疊加波主瓣峰值有類似的變化規(guī)律,從低值遞增到最大值,再從最大值緩慢降低,最后基本保持穩(wěn)定[圖5(a)、(b)]。另外,接收地震波主瓣峰值受到震源和電纜沉放深度綜合影響,主要表現(xiàn)為:

圖4 接收地震波主瓣峰值變化Fig.4 Variation of peak values in the primary lobe of seismic waves

圖5 接收地震波主瓣峰值變化Fig.5 Variation of peak values in the primary lobe of seismic waves

(1) 電纜(震源)沉放深度從0.015 m到0.09 m時,相同震源(電纜)沉放深度所對應接收地震波的主瓣峰值以較快速度增加,接收地震波主瓣峰值變化相對一次疊加波主瓣峰值變化更為平緩[圖5(a)];

(2) 電纜(震源)沉放深度從0.105 m到0.195 m時,相同震源(電纜)沉放深度所對應接收地震波的主瓣峰值緩慢遞增,接收地震波主瓣峰值變化相對一次疊加波主瓣峰值變化更為強烈[圖5(a)];

(3) 電纜(震源)沉放深度從0.195 m到0.39 m時,相同震源(電纜)沉放深度所對應接收地震波的主瓣峰值緩慢遞減,接收地震波主瓣峰值變化相對一次疊加波主瓣峰值變化更為強烈[圖5(b)];

(4) 電纜(震源)沉放深度大于0.39 m時,相同震源(電纜)沉放深度所對應接收地震波的主瓣峰值基本保持穩(wěn)定,接收地震波主瓣峰值變化與一次疊加波主瓣峰值變化基本一致[圖5(b)]。

3 討論

3.1 影響機制

(a)震源子波,Tb為主瓣寬度,Ta為旁瓣峰值間的寬度;(b)震源(電纜)鬼波;(c)震源(電纜)鬼波相對一次波的延時小于Tb/2時;(d)震源(電纜)鬼波相對一次波的延時等于Tb/2時;(e)震源(電纜)鬼波相對一次波的延時為Tb/2～Ta/2時;(f)震源(電纜)鬼波相對一次波的延時為Ta/2時;(g)震源(電纜)鬼波相對一次波的延時為Ta/2～Ta時;(h)震源(電纜)鬼波相對一次波的延時為Ta時圖6 不同延時情況下一次波跟震源(電纜)鬼波相對位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of relative position of primary and source (receiver) ghost wave under different time delays

(1) 一次波和震源(電纜)鬼波疊加

一次疊加波受一次波自身形態(tài)及其與震源(電纜)鬼波的相對位置影響,隨著震源(電纜)沉放深度逐漸增加,一次疊加波主瓣峰值變化如下:

① 由于一次波與鬼波極性相反[圖6(a)、(b)],震源(電纜)沉放深度無限接近0 m時,一次波波峰和鬼波波谷疊加相消,疊加波主瓣峰值無限接近0 m;在一定范圍內,隨著震源(電纜)沉放深度增加[圖6(c)],疊加相消作用遞減,一次疊加波主瓣峰值逐漸增加。

② 震源(電纜)延時為Tb/2時[圖6(d)],一次波主瓣波峰正好對應鬼波振幅零值,該位置對應的一次疊加波的振幅不發(fā)生改變。雷克子波峰值頻率f0為1 500 Hz時,Tb/2對應的震源(電纜)沉放深度約為0.113 m,從上文2.1的分析可知,峰值頻率為1 500 Hz,震源(電纜)沉放深度約為0.1 m時,一次疊加波和一次波主瓣峰值相等,可見當震源(電纜)鬼波延遲接近Tb/2,沉放深度略小于168.8/f0(m)時,一次疊加波主瓣峰值已可超過一次波主瓣峰值。在實際勘探中,一次疊加波主瓣峰值和一次波主瓣峰值初次相等所對應震源(電纜)沉放深度和震源子波形態(tài)相關,可采用168.8/f(m)(注:f為震源子波的主頻)估算該臨界值。

③ 震源(電纜)鬼波延時從Tb/2到Ta/2時[圖6(e)],隨震源(電纜)沉放深度增加,和一次波主峰疊加的震源(電纜)鬼波振幅增加,疊加相增作用加強,一次疊加波主瓣峰值遞增。

④ 震源(電纜)鬼波延時為Ta/2時[圖6(f)],對應的沉放深度約為292.3/f0(m),一次波主峰和震源(電纜)鬼波主峰重疊,疊加相增作用達到最強,一次疊加波主瓣峰值達到最大值。在實際勘探中,可采用292.3/f(m)估算一次疊加波主瓣峰值達到最大值時所對應的震源(電纜)沉放深度。

⑤ 震源(電纜)鬼波延時從Ta/2到Ta時[圖6(g)],隨震源(電纜)沉放深度增加,和一次波主峰疊加的震源(電纜)鬼波振幅遞減,疊加相增作用降低,一次疊加波主瓣峰值遞減。

⑥ 震源(電纜)鬼波延時為Ta時[圖6(h)],對應的沉放深度約為584.6/f0(m),和一次波主峰疊加的震源(電纜)鬼波旁瓣振幅值約為零,一次疊加波主瓣峰值與一次波的主瓣峰值近似相等。同理,當震源(電纜)鬼波大于584.6/f0(m)時,一次疊加波主瓣峰值基本保持穩(wěn)定。

隨震源(電纜)沉放深度增加,一次疊加波主瓣峰值變化可分為3個階段:從低值遞增到最大值;從最大值緩慢降低;基本保持穩(wěn)定。根據一次疊加波主瓣峰值變化,一次疊加波隨震源(電纜)鬼波延遲增加可劃分為3個能量變化區(qū)間:0～Tb/2為能量削弱區(qū);Tb/2～Ta為能量增強區(qū);大于Ta為能量穩(wěn)定區(qū)。

(2) 一次波和三類鬼波疊加

通過上文討論可以看出,一次波和三類鬼波疊加作用可視為兩次鬼波疊加作用,第一次疊加作用使地震波形發(fā)生了變化[圖2(b)、圖6],第二次疊加作用使經歷過一次變化的地震波形再次發(fā)生變化(圖3)。根據波的疊加原理,兩次鬼波的干擾是相互獨立的,這在一次疊加波和接收地震波(二次疊加波)主頻峰值變化的相似性中得到體現(xiàn)[圖5(a)、5(b)],也在震源(電纜)沉放深度對地震波能量影響的拐點不受電纜(震源)沉放深度影響中得到體現(xiàn),兩次鬼波干擾的獨立性為震源及電纜沉放深度的設計提供了基礎。

接收地震波受到震源及電纜沉放深度的綜合影響,當電纜(震源)沉放深度從淺到深,致使一次疊加波從能量削弱到能量增強,再到能量穩(wěn)定時,對應的接收地震波主瓣峰值變化相對一次疊加波主瓣峰值變化從更為平緩到更為劇烈,再到基本一致[圖5(a)、5(b)]。當震源或電纜沉放深度小于168.8/f0(m)時,一次疊加波處于能量削弱區(qū),對應的接收地震波主瓣峰值變化更為平緩。由于受海況影響,作業(yè)中震源沉放深度處于變化狀態(tài),平緩的地震波主瓣峰值變化代表在相同的震源沉放深度變化情況下,接收地震波的能量變化起伏更小,可見淺電纜(震源)沉放深度有利于提高地震波的一致性。

3.2 適宜的源、纜沉放深度估算

通過上述分析可知,震源和電纜沉放的總深度越小,則接收的反射地震波的波長越短,波峰數(shù)量相對減少,對應地震數(shù)據的分辨率越高。隨著震源和電纜沉放從淺到深,對接收地震波能量的影響為從削弱到增強,再到緩慢削弱,最后基本不影響?？紤]到數(shù)據分辨率、信噪比、有效穿透深度及可操作性,單道地震數(shù)據采集震源、電纜沉放深度設計宜遵循以下兩條原則:

(1) 根據陷波頻率公式(8)所示,第一陷波點所對應的震源沉放深度約為750/f(m);震源沉放深度約為292.3/f(m)對應的第一陷波頻率落在震源子波主頻2倍外,有效避開了陷波效應造成的影響。另外,在通常情況下,海底以下的沉積層都是單道地震勘探的對象,且作業(yè)水深復雜多變,一般不考慮地震波能量在水中的衰減情況。震源沉放深度約為292.3/f(m)時,接收的地震波的能量達到最大值,既可以使淺部的地震波能量得到加強,也保證了從淺到深的地震數(shù)據都具有較高的分辨率。當峰值頻率分別為500 Hz、750 Hz、1 000 Hz及1 500 Hz時,292.3/f(m)對應的沉放深度分別約為0.59 m、0.39 m、0.29 m及0.20 m。

(8)

式中:fn為陷波頻率;n表示正整數(shù),其中f1對應了第一陷波頻率;v為地震波在海水傳播速度,約為1 500 m/s;h為震源沉放深度(單位:m)。

(2) 正常作業(yè)中,電纜沉放深度值小于168.8/f(m)利于地震波的一致性,但考慮有效穿透深度及降低水面噪音干擾,電纜沉放深度也不能太淺,特別是當電纜漂浮在水面時,接收地震波能量將被極大削弱。作業(yè)前,有必要針對電纜沉放深度進行適當?shù)暮Ｔ?以達到較好的勘探效果。

3.3 實測數(shù)據分析

在海南島西部海域,針對不同的震源和電纜沉放深度開展了單道地震數(shù)據采集測試。數(shù)據采集設備為Geo Marine Survey Systems,其數(shù)模轉換盒型號為Mini-TraceⅡ;電火花震源型號為Geo-Spark 2000,震源子波主頻1 000～1 500 Hz;水聽器電纜Geo-Sense Mini-Streamers包含了30 cm間隔的24個接收單元,接收單元直徑小于0.03 m,頻率響應范圍為1 Hz～10 kHz。在整個測試中,拖纜長度為41 m,震源能量為800 J,采樣間隔為0.1 ms。另外,測試通過在不同位置捆綁泡沫浮球等方式調整電纜沉放深度,并通過改變保護繩固定位置調整震源裝置沉放深度。測試共采集了三條地震剖面,對應的震源和電纜沉放深度如表1所列。

表1 測試時的震源和電纜沉放深度

通過對比圖7中三條剖面:剖面1[圖7(a)]信噪比低,反射同相軸能量弱,分辨率高,但有效穿透深度小;剖面2[圖7(b)]信噪比高,反射同相軸能量強且有效穿透深度大,但反射同相軸底下伴隨著明顯的虛影[圖7(b)中紅色虛線],對后期的數(shù)據解釋有極大的影響,從海底反射同相軸和其虛影間的距離判斷,震源沉放深度變化范圍也隨震源沉放深度的增加而增加,進一步增大了數(shù)據處理階段鬼波壓制的難度;剖面3[圖7(c)]信噪比較高,其反射同相軸能量強且未見明顯的虛反射同相軸,該剖面兼具高分辨率和較大的有效穿透深度。

當電纜漂浮在水面(沉放深度接近0 m)時,除了水面噪音干擾大外,接收地震波能量將被極大地削弱,嚴重影響到地震波有效穿透深度,一定深度的電纜沉放有利于提高剖面的信噪比和有效穿透深度。同理,震源沉放太淺也會削弱接收到的地震波能量,震源沉放太深則會明顯影響到剖面的分辨率。通過上文分析,一次有效反射波的主峰和震源鬼波的主峰重疊時,接收地震波能量最大,對應的震源沉放深度約為292.3/f(m)。震源沉放深度0.25 m時,一次有效反射波的主峰和震源鬼波的主峰重疊的地震子波頻率大約為1 175 Hz,和本次測試采用的震源子波主頻接近。

4 結論

通過上述研究,得到如下結論:

(1) 隨著震源和電纜沉放總深度的增加,接收地震波的波長遞增,地震剖面分辨率遞減,地震剖面分辨率和震源及水聽器電纜沉放總深度呈反比。

(2) 隨震源或水聽器電纜沉放深度增加,接收地震波能量從低值遞增到最大值,再從最大值緩慢降低到穩(wěn)定值。

(3) 當水聽器電纜沉放深度小于168.8/f(m)時,接收地震波能量隨震源沉放深度變化的波動相對平緩,淺水聽器電纜沉放深度有利于地震波的一致性,但是當水聽器電纜沉放接近0 m時,接收地震波能量將被極大地削弱,會明顯降低地震波的有效穿透深度。

(4) 當震源沉放深度約為292.3/f(m)時,一次有效反射波的主峰和震源鬼波的主峰重疊,接收地震波能量最大;當震源沉放深度大于584.6/f(m)時,不考慮地震波能量在水中衰減的情況下,震源沉放深度不再影響接收地震波能量,震源沉放深度繼續(xù)增加對接收地震波能量的增加無效。