海南島西部海域海砂資源調(diào)查單道地震數(shù)據(jù)處理方法

張匡華，王嘉琳，韓孝輝，傅人康，林明智，陳波，仝長(zhǎng)亮，3，鐘宙燦

（1.海南省海洋地質(zhì)資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 海口 570206；2.海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，海南 海口 570206；3.海南省地質(zhì)測(cè)試研究中心，海南 海口 570206；4.海南省地質(zhì)綜合勘察院，海南 ?？?570206）

單道地震勘探是必不可少的海洋地質(zhì)調(diào)查手段之一［1］，被廣泛應(yīng)用于近淺海工程、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中［2-3］，近年來常被應(yīng)用到海砂調(diào)查［4］。近十幾年來，單道地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)有了較快的發(fā)展，多位學(xué)者先后對(duì)單道處理技術(shù)進(jìn)行過卓有成效的研究：2007 年李麗青等［5］提出的涌浪靜校正技術(shù)，在海洋單道地震資料處理中取得了比較好的應(yīng)用效果［6］；2012 年丁維鳳等［7］提出的統(tǒng)計(jì)模型道互相關(guān)分析與中值均值濾波技術(shù)可以較好地運(yùn)用到單道地震資料的海浪改正；2015 年鄭江龍等［8］對(duì)單道地震勘探中船舶等背景噪聲進(jìn)行了分析，夯實(shí)了單道地震噪聲壓制理論基礎(chǔ)；2016 年邢子浩等［9］提出在單道地震多次波壓制處理中，與預(yù)測(cè)反褶積相比SRME 技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)；2016 年顏中輝等［10］提出了一些單道地震資料處理關(guān)鍵技術(shù)，在遼河三角洲資料處理中得到較好的運(yùn)用；2017 年楊振等［11］用模擬和實(shí)測(cè)單道地震資料分別驗(yàn)證了同態(tài)法估算子波和利用估算的子波進(jìn)行子波整形及旁瓣壓制的可行性；2017 年王惠東等［12］針對(duì)東海陸架多次波特點(diǎn)提出了SWD、SRME 和Radon 變換三種技術(shù)組合去除策略，豐富了多次波壓制手段；2019 年劉玉萍等［6］對(duì)單道地震數(shù)據(jù)常規(guī)處理流程進(jìn)行了梳理，在常規(guī)處理中能取得較好的處理效果；2021 年邢子浩等［13］提出與傳統(tǒng)匹配濾波方法相比，正則化非平穩(wěn)回歸技術(shù)自適應(yīng)匹配相減法壓制單道地震多次波效果更好。海南島西部海域有涌浪波動(dòng)大、海底崎嶇、水淺等特點(diǎn)［14-15］，該海域單道地震數(shù)據(jù)的成熟處理方法尚未見公開發(fā)表。本文依托海南島西部海域海砂調(diào)查項(xiàng)目，對(duì)海南島西部海域單道地震數(shù)據(jù)進(jìn)行處理流程及主要處理技術(shù)的研究，可為在周邊海域或在類似環(huán)境采集的單道地震數(shù)據(jù)的處理提供參考，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)分析

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于樂東縣嶺頭灣之西部海域（圖1），總體平行于海岸呈梯形分布，南北長(zhǎng)約27 km，東西寬約9 km，面積約220 km2，為陸地向海的自然延伸，地形變化受其影響較為明顯，總體趨勢(shì)為從北東向南西方向緩慢傾斜下降，整體平均坡度約為0.01°，水深整體介于5～40 m 之間。區(qū)域內(nèi)等深線基本與岸線平行或呈一個(gè)較小角度，近岸一帶沙脊、淺灘及水下沙波等地貌類型發(fā)育，地形稍復(fù)雜，等深線呈密集的不規(guī)則圈閉。

圖1 研究區(qū)范圍示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于2022 年海南島周邊海域海砂資源調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目，開展單道地震勘探的目的主要涉及海底地形特征、地貌類型、淺層沉積結(jié)構(gòu)及沉積環(huán)境等研究。單道地震數(shù)據(jù)采集使用Geo-Spark 2000 單道地震采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用陰極放電、電極無損電火花震源，震源最大能量可達(dá)2 000 J，水聽器響應(yīng)頻率為1～10 kHz。該采集系統(tǒng)具有較高分辨率及較強(qiáng)的穿透能力。單道地震測(cè)量按照“海洋調(diào)查規(guī)范第8 部分：海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查”GB/T 12763.8—2007 進(jìn)行，數(shù)據(jù)采集時(shí)設(shè)定的主要參數(shù)：施工震源能量為1 000 J；震源觸發(fā)間隔為1 s；剖面總共117 867 道，約296 km，炮間距（道間距）約為2.5 m；垂直采樣間隔為0.1 ms；數(shù)據(jù)記錄時(shí)長(zhǎng)為500 ms，最大有效記錄時(shí)長(zhǎng)大于100 ms。

1.3 數(shù)據(jù)特征

數(shù)據(jù)處理采用RadExPro 等軟件，除了單道地震數(shù)據(jù)固有的低信噪比特點(diǎn)外，研究區(qū)單道地震數(shù)據(jù)處理存在的主要問題包括4 個(gè)方面：

1）研究區(qū)涌浪波動(dòng)大，數(shù)據(jù)采集期間涌浪波動(dòng)導(dǎo)致了海底反射同相軸的起伏（圖2），一定程度上影響了成像效果；

圖2 典型單道地震原始剖面Fig.2 Typical single-channel seismic raw profile

2）研究區(qū)海底崎嶇，海底沙波、沙脊發(fā)育（圖2），對(duì)海底之下能量反射吸收強(qiáng)，海底反射不清晰，且海底能量差異太大，很難通過編程批量化海底拾?。?/p>

3）水淺導(dǎo)致海底一次反射多次波發(fā)育（圖2），該多次波主要是由于海底的一次反射造成的，其能量較強(qiáng)且與有效波相交叉，同時(shí)多次波變形較強(qiáng)烈，在保護(hù)有效信號(hào)的基礎(chǔ)上如何去除多次波是處理的難點(diǎn)；

4）分析頻譜后發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)的頻率范圍約為0～4 999 Hz，呈現(xiàn)多峰特征，有效頻帶范圍約在200～2 000 Hz，有效頻帶分布范圍內(nèi)兩個(gè)主峰峰值分別約為720 Hz 和1 540 Hz（圖3）。

圖3 地震原始剖面頻譜分析圖Fig.3 Spectrum analysis of raw seismic profile

2 數(shù)據(jù)處理流程及主要處理技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)處理流程及主要參數(shù)

針對(duì)海砂調(diào)查的地質(zhì)任務(wù)，結(jié)合單道地震資料的特點(diǎn)及處理難點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理思路如下：

1）通過人機(jī)交互進(jìn)行海底拾取，保證每一道數(shù)據(jù)的海底同相軸得到準(zhǔn)確追蹤，在此基礎(chǔ)上對(duì)由于炮檢距變化、涌浪等因素導(dǎo)致的海底反射起伏和畸變進(jìn)行校正，得到真實(shí)的海底形態(tài)，改善地層波組特征；

2）在保護(hù)有效信息的前提下，最大限度壓制各類干擾波，突出目的層有效信號(hào)，提高目的層信噪比；

3）盡可能采用相對(duì)保幅處理，采用具有較高保幅性的球面擴(kuò)散補(bǔ)償恢復(fù)隨勘探深度增加而造成的能量損失［16］，采用不損失弱有效信號(hào)的分頻分時(shí)振幅衰減方法（TFD Noise Attenuation）去除強(qiáng)振幅異常噪音，采用基本不損傷海底反射多次波以上有效信號(hào)的方法（Zero-Offset DeMutiple）去除海底反射多次波，不保幅的常規(guī)反褶積技術(shù)［17］本次未被采用；

4）采用信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)，適當(dāng)?shù)奶岣咂拭娴男旁氡燃帮@示效果。

針對(duì)數(shù)據(jù)特征制定了處理流程如圖4 所示，通過不斷的優(yōu)化和完善，制定了主要的處理參數(shù)（表1）。

表1 主要處理參數(shù)列表Table 1 List of main processing parameters

圖4 處理流程圖Fig.4 Flow chart of processing

2.2 主要處理技術(shù)

2.2.1 強(qiáng)振幅異常噪音去除

當(dāng)風(fēng)浪較大時(shí)，風(fēng)浪引起的電纜擾動(dòng)會(huì)造成能量較強(qiáng)的噪音，根據(jù)其能量大于有效信號(hào)能量的方法可進(jìn)行去除。研究采用分頻分時(shí)振幅衰減方法（TFD Noise Attenuation）對(duì)噪音帶來的異常振幅進(jìn)行壓制。該方法是將數(shù)據(jù)從時(shí)間域轉(zhuǎn)換到頻率域，應(yīng)用中值濾波來壓制異常振幅，設(shè)定門檻值，使在一定的時(shí)窗內(nèi)與振幅中值差異較大的振幅衰減或用相鄰道插值。壓制前，地震剖面圖可見明顯的振幅異常，壓制后，異常振幅明顯變?nèi)酰▓D5）。異常振幅壓制中，中值寬度是非常重要的參數(shù)，中值寬度越大，則壓制效果越明顯，但是對(duì)于傾斜構(gòu)造和孤立地質(zhì)體的傷害也在加大，該次處理以能基本消除較強(qiáng)的風(fēng)浪噪音為限。

圖5 強(qiáng)振幅異常噪音去除前后地震剖面對(duì)比圖Fig.5 Profiles before and after high-amplitude abnormal noise removal

2.2.2 涌浪校正

由于海浪的起伏較大，造成不同炮點(diǎn)震源和檢波器無法保持在同一水平面上，隨著海浪的不斷變化，兩者之間的高度不斷變化，這樣使得采集的不同炮點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)出現(xiàn)上下跳動(dòng)的現(xiàn)象，即有一種“毛刺”感。在數(shù)據(jù)處理中采用涌浪校正方法（Swell Filter），可以看到涌浪校正前后“毛刺”現(xiàn)象消失，剖面同相軸連續(xù)性增強(qiáng)，信噪比提高（圖6）。涌浪校正的關(guān)鍵在于海底的平滑因子，平滑因子越小，海底越不光滑，但是對(duì)于起伏海底的形態(tài)保持較好，而當(dāng)平滑因子越大，則海底越光滑，但是對(duì)比海底形態(tài)的保持越差。

圖6 涌浪校正前后地震剖面對(duì)比圖Fig.6 Profiles before and after swell filter

2.2.3 多次波壓制

海底反射多次波是本次研究數(shù)據(jù)中最嚴(yán)重的干擾波，它的壓制對(duì)做好數(shù)據(jù)處理工作至關(guān)重要。對(duì)于多次波去除主要采用零炮檢距的多次波去除方法（Zero-Offset DeMutiple），該方法從數(shù)據(jù)本身的靜態(tài)漂移或自相關(guān)得到多次波模型，運(yùn)用自適應(yīng)算法，將多次波模型從原始波場(chǎng)中減去，使其有效地壓制多次波，同時(shí)不會(huì)影響與多次波交叉的有效波。本區(qū)與多次波伴隨的隨機(jī)噪音發(fā)育比較嚴(yán)重，這種隨機(jī)噪音為高頻噪音，無連續(xù)性，自適應(yīng)相減無法去除，且由于其能量較強(qiáng)，容易掩蓋多次波，造成自適應(yīng)相減時(shí)無法判斷去除效果的好壞，因此除去多次波時(shí)，首先要將隨機(jī)噪音進(jìn)行衰減。通過處理，可看到多次波獲得較好的壓制，壓制后地震剖面的波阻特征更為明顯，接觸關(guān)系合理，基底反射清晰（圖7）。在準(zhǔn)確拾取海底反射時(shí)間的基礎(chǔ)上，對(duì)海底模型采用靜態(tài)漂移可得到較接近真實(shí)的多次波模型，采用該模型可獲得較好的多次波去除效果。

圖7 多次波壓制前后地震剖面對(duì)比圖Fig.7 Profiles before and after multiples removed

3 效果分析

通過對(duì)數(shù)據(jù)分析和參數(shù)試驗(yàn)，制定處理流程，地震剖面均獲得了較好的處理效果，經(jīng)過處理后，海底淺部地層真實(shí)反射同相軸得到凸顯，深部地層的能量得到加強(qiáng)，能量較弱的起伏地層得到加強(qiáng)，反射同相軸可連續(xù)追蹤；海底抖動(dòng)的現(xiàn)象基本消除，真實(shí)層位同相軸更加連續(xù)，波組特征明顯改善；剖面分辨率和信噪比明顯提高，多次波得到有效壓制后對(duì)真實(shí)地層的影響較?。▓D8、9）。總的來說，能滿足海砂資源調(diào)查相關(guān)研究的要求，處理后的剖面具體表現(xiàn)為：

圖8 典型地震剖面處理前后效果對(duì)比圖Fig.8 Seismic profiles before and after processed

圖9 典型地震剖面處理前后淺部地層效果對(duì)比圖Fig.9 Typical profiles showing the shallow layer before and after processed

1）地層結(jié)構(gòu)明顯，各主要反射層的產(chǎn)狀、構(gòu)造形態(tài)清晰，斷點(diǎn)易于辨認(rèn)；

2）從淺至深各主要反射層次齊全，能量強(qiáng)弱分明，波組特征活躍；

3）各種干擾和多次波壓制效果較好，有效反射突出，剖面具有較高的信噪比和適度分辨率，能用于對(duì)主要反射層的連續(xù)追蹤對(duì)比解釋。

采用本次研究提出的方法進(jìn)行處理后，對(duì)處理后剖面的解釋，有助于更精確的厘定研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)、圈定出砂體范圍，為下一步鉆孔施工設(shè)計(jì)提供充分的依據(jù)，有效支撐研究區(qū)海沙資源調(diào)查工作的高質(zhì)量完成。

4 結(jié) 論

海南島西部海域單道地震數(shù)據(jù)，縱向上能量衰減快、橫向上強(qiáng)振幅異常噪音大、海底反射同相軸起伏不平、海底反射不清晰、多次波發(fā)育，針對(duì)研究數(shù)據(jù)特點(diǎn)，本文先后采用球面擴(kuò)散補(bǔ)償、分頻分時(shí)振幅衰減、涌浪校正、零炮檢距多次波去除等一系列處理方法，取得較好的處理效果，可為在周邊海域或在類似環(huán)境采集的單道地震數(shù)據(jù)的處理提供參考。同時(shí)，還需要注意以下幾個(gè)要點(diǎn)：

1）處理過程中宜采用相對(duì)保幅處理，盡可能降低有效信號(hào)的損失；

2）海底拾取階段采用人機(jī)交互進(jìn)行精細(xì)海底拾取是保證數(shù)據(jù)處理質(zhì)量的前提；

3）主要參數(shù)須經(jīng)過反復(fù)對(duì)比分析后最終確認(rèn)；

4）去除多次波前須對(duì)隨機(jī)噪音進(jìn)行衰減；

5）可對(duì)精細(xì)拾取海底采用靜態(tài)漂移獲得多次波模型，采用該模型可獲得較好的多次波壓制效果。