南海淹沒碳酸鹽臺(tái)地地震成像技術(shù)分析

摘要： 淹沒碳酸鹽臺(tái)地水深變化大且海底崎嶇，地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致二維反射地震資料發(fā)育大量多次波干擾，同時(shí)受采集環(huán)境影響，反射地震剖面廣泛存在噪聲干擾和大值干擾，給高分辨率成像帶來挑戰(zhàn)。甘泉海臺(tái)作為南海北部典型的淹沒碳酸鹽臺(tái)地，對(duì)其最新采集資料進(jìn)行特征分析，采用低截濾波壓制強(qiáng)涌浪噪聲和異常振幅噪聲衰減組合技術(shù)以及多步串聯(lián)多次波壓制技術(shù)，有效去除噪聲干擾、大值干擾和復(fù)雜多次波，試驗(yàn)疊前時(shí)間偏移各項(xiàng)參數(shù)，最終大幅度提高甘泉海臺(tái)地震剖面分辨率和信噪比，可為后續(xù)南海淹沒碳酸鹽臺(tái)地二維地震資料處理提供借鑒。

關(guān)鍵詞： 淹沒碳酸鹽臺(tái)地; 二維反射地震; 涌浪噪聲; 大值干擾; 復(fù)雜多次波

中圖分類號(hào)： P319.56 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)： 1000-0844（2024）06-1428-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230602003

Seismic imaging analysis of submerged carbonate platforms in

the South China Sea： a case study of the Ganquan platform

LI Xuelin^{1， 2}， ZHANG Heng²， CHEN Wanli³， SUN Yue³， CHEN Junjin³

（1.Sanya Institute of South China Sea Geology， Guangzhou Marine Geological Survey， Sanya 572025， Hainan， China;

2. Guangzhou Marine Geological Survey， China Geological Survey， Guangzhou 511458， Guangdong， China;

3. Institute of Deep-Sea Science and Engineering， CAS， Sanya 572000， Hainan， China）

Abstract： The submerged carbonate platforms in the South China Sea are characterized by significant variations in water depth and a rugged seafloor. These factors create a complex subsurface structure and result in multiple wave interferences in two-dimensional （2D） seismic reflection data. Additionally， the data are often affected by environmental conditions， leading to noise interference and large amplitude interference. These challenges pose difficulties for accurate high-resolution imaging. The Ganquan platform was taken as an example of a typical submerged carbonate platform in the northern South China Sea. The characteristics of the latest collected data for the Ganquan platform were analyzed in this work. The noise， large-amplitude， and multiple wave interferences were removed using low-cut filtering to suppress strong swell noise， anomalous amplitude attenuation， and multistep serial multiple wave suppression technique. The resolution and signal-to-noise ratio of the Ganquan platform seismic profile were greatly improved in this work. These advancements can serve as a valuable reference for the subsequent processing of 2D seismic data from submerged carbonate platforms in the South China Sea.

Keywords： submerged carbonate platform; two-dimensional seismic reflection; swell noise; large-amplitude interference; complex multiple waves

0 引言

生物礁碳酸鹽臺(tái)地指珊瑚、藻類及其他造礁生物骨骼或碎屑堆積而成的大型碳酸鹽巖建隆^［1］，通常形成于熱帶或亞熱帶海域的淺水區(qū)域，溫帶地區(qū)規(guī)模較小^［2］。南海大陸邊緣生長(zhǎng)了大量的生物礁碳酸鹽臺(tái)地，包括現(xiàn)代碳酸鹽臺(tái)地，如西沙群島、南沙群島等，以及淹沒碳酸鹽臺(tái)地，如廣樂臺(tái)地、萬安臺(tái)地、甘泉海臺(tái)等^［3-4］。南海碳酸鹽臺(tái)地保存了大量的古沉積記錄，可指示古海洋環(huán)境和古氣候變化，研究南海碳酸鹽臺(tái)地對(duì)南海海平面變化、古海洋古氣候變化有重要意義^［5-7］。近年來，溫室效應(yīng)加劇，氣候變暖等重大環(huán)境問題亟待解決，因此碳循環(huán)研究尤為重要，南海碳酸鹽臺(tái)地作為重要的碳儲(chǔ)庫(kù)，其研究是碳循環(huán)研究中重要的一環(huán)^［8-11］。生物礁結(jié)構(gòu)為油氣的封存和儲(chǔ)集提供了有利條件，有助于形成較高的儲(chǔ)量和較好的儲(chǔ)層性質(zhì)，生物礁油氣藏也具有勘探和開發(fā)成本較低的優(yōu)勢(shì)，因此，對(duì)南海生物礁碳酸鹽臺(tái)地的研究有利于優(yōu)化我國(guó)能源戰(zhàn)略^［12-14］。

地震探測(cè)因其安全性和高分辨率性已廣泛應(yīng)用于生物礁碳酸鹽臺(tái)地地層結(jié)構(gòu)研究，馬爾代夫、巴哈馬灘、澳大利亞西北部等地區(qū)的碳酸鹽臺(tái)地已布設(shè)大量地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，精細(xì)刻畫了地層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)^［15-19］。我國(guó)對(duì)南海生物礁碳酸鹽臺(tái)地的研究主要聚焦于現(xiàn)代島礁。前人利用井震聯(lián)合的方式揭示了南海島礁和現(xiàn)代碳酸鹽臺(tái)地的地層結(jié)構(gòu)、演化模式及其控制因素，認(rèn)為南?，F(xiàn)代碳酸鹽臺(tái)地的發(fā)育主要受控于海平面變化和構(gòu)造演變，具有南早北晚、東早西晚的發(fā)育規(guī)律^{［4-5，20-21］}。近年來，基于小道距多道地震資料，對(duì)西沙宣德環(huán)礁地層演化開展了研究工作，認(rèn)為宣德環(huán)礁自中新世開始沉積碳酸鹽巖至今，共經(jīng)歷早中新世萌芽期、中中新世爆發(fā)期、晚中新世后退期、上新世淹沒期和第四紀(jì)島礁期，其發(fā)育演化主要受海平面變化和構(gòu)造沉降控制，也因冬季風(fēng)加強(qiáng)和上升流導(dǎo)致臺(tái)地后退^［22-23］。然而，淹沒碳酸鹽臺(tái)地水深變化大、海底崎嶇、地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使地震成相分辨率較低，導(dǎo)致對(duì)南海淹沒碳酸鹽臺(tái)地地層結(jié)構(gòu)及演化過程認(rèn)識(shí)不足。本文選取南海北部典型的深水區(qū)淹沒碳酸鹽臺(tái)地——甘泉海臺(tái)，基于新采集的100 km二維多道反射地震資料，梳理出3個(gè)生物礁碳酸鹽臺(tái)地處理難點(diǎn)，即海洋環(huán)境噪聲、復(fù)雜多次波和中深層成像。針對(duì)這些難點(diǎn)，根據(jù)碳酸鹽臺(tái)地地震資料特征，研究測(cè)試了低截濾波壓制強(qiáng)涌浪噪聲、異常振幅噪聲衰減（Attenuation of Abnormal Amplitude noise，AAA）技術(shù)、多步串聯(lián)多次波壓制、彎曲射線疊前時(shí)間偏移，獲得了高信噪比和高分辨率的成果剖面，可為我國(guó)深水區(qū)淹沒碳酸鹽臺(tái)地高分辨率地震成像提供借鑒，有助于生物礁碳酸鹽臺(tái)地沉積演化相關(guān)研究。

1 原始資料分析

本次數(shù)據(jù)采集完成于2022年7月，調(diào)查工作區(qū)位于南海北部甘泉海臺(tái)［圖1（a）］，圖1（b）為甘泉海臺(tái)地形地貌。甘泉海臺(tái)水深變化范圍為500～1 500 m，距離三亞市214 km，距離桂山島674 km，共布設(shè)3 條二維多道反射地震測(cè)線。采用單邊放炮單邊接收非零炮檢距單纜觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行采集，震源采用氣槍震源。采集參數(shù)如表1所列。

分析原始資料頻譜，獲得地震資料的主頻、頻寬以及頻率分布等信息，方便為后續(xù)的處理試驗(yàn)選取有針對(duì)性的參數(shù)。圖2為GQHT001A測(cè)線的單炮頻譜圖。頻譜分析結(jié)果表明，本次采集數(shù)據(jù)有效頻寬可以達(dá)到130 Hz左右，主頻約為60 Hz。對(duì)各測(cè)線單炮分析結(jié)果表明，數(shù)據(jù)橫向上能量變化比較穩(wěn)定，縱向上隨時(shí)間增大能量迅速衰減。

2 噪聲特征

2.1 涌浪低頻干擾、大值噪聲干擾

涌浪干擾是由海浪引起的背景噪聲。當(dāng)檢波器在海面上進(jìn)行地震采集時(shí)，海面上的波浪會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，進(jìn)而被記錄下來，形成涌浪干擾，涌浪干擾的幅度與海浪的高度、風(fēng)速等因素有關(guān)^［24-25］。大值噪聲干擾表現(xiàn)為數(shù)據(jù)中出現(xiàn)非常明顯的尖峰或波動(dòng)，這些尖峰或波動(dòng)的振幅往往比周圍環(huán)境噪聲大幾倍甚至幾十倍。其產(chǎn)生原因較復(fù)雜，可能與采集環(huán)境的變化或地震波的傳播有關(guān)，也可能由采集設(shè)備的誤差、電磁干擾等造成^［26］。

甘泉海臺(tái)地震資料的涌浪噪聲具有能量強(qiáng)、分布范圍廣的特征，但頻帶范圍窄、頻率較低，一般在4 Hz以下［圖3（a）］，且剖面上普遍存在強(qiáng)能量大值噪聲干擾［圖3（b）］。甘泉海臺(tái)地震資料廣泛存在的涌浪噪聲和大值干擾大幅度降低了數(shù)據(jù)的信噪比，壓制涌浪噪聲和大值干擾是提高生物礁碳酸鹽臺(tái)地地震數(shù)據(jù)分辨率的關(guān)鍵問題之一。

2.2 復(fù)雜多次波干擾

多次波是地震波在地下不同介質(zhì)之間反射、折射產(chǎn)生的次生波，其到達(dá)時(shí)間比主波延遲。由于多次波與主波到達(dá)時(shí)間存在差異，因此會(huì)產(chǎn)生干擾，影響對(duì)地震數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分析^［27］。

生物礁碳酸鹽臺(tái)地水深變化大且海底崎嶇，造成多次波的波場(chǎng)復(fù)雜。甘泉海臺(tái)地震采集資料中普遍發(fā)育多階海底反射多次波和層間多次波，且多次波與有效波混疊（圖4）。初疊加剖面上顯示海底多次波很強(qiáng)，大幅度降低了地震資料信噪比，嚴(yán)重影響有效信號(hào)成像。對(duì)多次波進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別和有效壓制是提高生物礁碳酸鹽臺(tái)地反射地震資料分辨率的重點(diǎn)。

3 對(duì)策及效果

3.1 自動(dòng)化海底層位拾取和多次迭代速度分析

海底層位速度拾取廣泛應(yīng)用于多次波壓制、疊前去噪等諸多環(huán)節(jié)。常規(guī)的方法是在初疊加剖面和單道剖面上進(jìn)行兩次人工拾取，該過程費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。本次采用自動(dòng)化海底層位拾取方法，能對(duì)海底層位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拾取，僅需對(duì)自動(dòng)拾取的海底進(jìn)行檢查，對(duì)部分有跳變的地方進(jìn)行人工拾取修改，效率提升4倍以上。

速度分析是地震資料降噪處理的關(guān)鍵一環(huán)，很多的處理方法與流程均要求基于一個(gè)準(zhǔn)確的速度分析結(jié)果，其結(jié)果的好壞直接影響了多次波壓制、偏移歸位等主要處理過程。對(duì)甘泉海臺(tái)二維反射地震資料降噪處理過程中，遵循速度譜能量團(tuán)拾取準(zhǔn)確、道集同向軸拉平、與實(shí)際地層相匹配和成像聚焦效果好的原則，進(jìn)行多次迭代的速度分析，選取合適的去多次波速度、疊加和偏移速度。處理中進(jìn)行了3次速度分析迭代，初始速度分析每2 km做一個(gè)速度譜點(diǎn)分析，后面加密至每1 km做一個(gè)速度譜點(diǎn)分析。速度分析根據(jù)偏移成像的結(jié)果進(jìn)行多次調(diào)整，不斷更改細(xì)節(jié)以達(dá)到最佳的成像效果。如此反復(fù)不斷改進(jìn)，最終獲得準(zhǔn)確的速度。

3.2 噪聲壓制

在施工中受到臺(tái)風(fēng)等天氣的影響，產(chǎn)生嚴(yán)重的背景噪聲，包括涌浪噪聲、低頻噪聲和大值干擾。涌浪噪聲和大值異常與正常的反射信號(hào)有很大的區(qū)別。甘泉海臺(tái)內(nèi)部地層反射界面的地震反射信號(hào)在疊前、疊后各種數(shù)據(jù)上的分布都是有規(guī)律可循的，在能量和頻率上都符合地震波的傳播規(guī)律，而涌浪噪聲則不同，表現(xiàn)出低頻、強(qiáng)能量、空間分布無規(guī)律的特征。它在0～20 Hz的頻帶范圍內(nèi)都有分布，但主要能量還是集中在4 Hz以下。通過低頻噪聲編輯，在噪聲頻帶內(nèi)壓制低頻噪聲，結(jié)合AAA異常振幅噪聲壓制技術(shù)，基本消除炮集上的強(qiáng)低頻噪聲及大值干擾。

基于涌浪噪聲和大值干擾在頻率、能量、空間分布等方面的特點(diǎn)進(jìn)行降噪處理。對(duì)于涌浪干擾直接采用低截濾波的方法壓制，對(duì)原始資料低頻背景涌浪噪聲進(jìn)行頻譜分析，確定去除涌浪干擾的低截濾波為2.5 Hz。圖5是涌浪干擾壓制前后的炮集對(duì)比圖，處理后涌浪干擾基本得到衰減。大值干擾的能量比涌浪噪聲更強(qiáng)，常常比相鄰正常道振幅高3倍

甚至10倍以上，且頻帶較寬，和有效波的頻帶部分重合。對(duì)于大值異常干擾則采用AAA衰減技術(shù)，在噪聲出現(xiàn)的頻帶內(nèi)識(shí)別和壓制其能量，達(dá)到去除干擾的目的。先后采用炮域AAA和共偏移距AAA技術(shù)，可有效去除大值干擾，資料的信噪比得以提高（圖6）。

3.3 多次波壓制

甘泉海臺(tái)原始地震資料中廣泛發(fā)育多組多次波，且類型多樣，特征復(fù)雜。針對(duì)不同類型的多次波需使用不同的壓制技術(shù)，使用多步串聯(lián)多次波壓制方法（SRME+Radon變換+RES_DEMUL）對(duì)原始資料中的多次波進(jìn)行了有效壓制，去除了多次波對(duì)剖面的影響，極大提高了剖面信噪比。

自由表面多次波衰減（Surface Related Multiple Elimination，SRME）首先使用特有算法對(duì)自身地震場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積來預(yù)測(cè)所有自由表面多次波，然后對(duì)預(yù)測(cè)的多次波通過自適應(yīng)相減從數(shù)據(jù)中去除。與其他多次波衰減方法不同，SRME不依賴于地下構(gòu)造的假設(shè)或知識(shí)背景，也不使用事件屬性來區(qū)分多次波和初至波，僅需要了解波形以及源和檢波器的空間分布。由于地震采集時(shí)最小偏移距往往不符合SRME預(yù)測(cè)算法的要求，可采用數(shù)據(jù)插值的方法，使預(yù)測(cè)的自由表面多次波模型更準(zhǔn)確。自適應(yīng)相減去除所預(yù)測(cè)的多次波時(shí)，遵循時(shí)窗由大到小漸變的原則，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)預(yù)測(cè)多次波分多個(gè)時(shí)窗進(jìn)行自適應(yīng)相減可產(chǎn)生更好的效果^［28-29］。甘泉海臺(tái)區(qū)域?yàn)樯钏畢^(qū)，使用SRME可達(dá)到很好的去除海底相關(guān)多次波效果（圖7）。需要注意的是，SRME雖然在海底平坦區(qū)域?qū)５锥啻嗡p效果比較理想，但對(duì)崎嶇水底區(qū)域的水底多次衰減顯得無能為力。

由于中遠(yuǎn)偏移距初至波和多次波存在明顯動(dòng)校時(shí)差差異，使用SRME后，地震資料中仍殘留較強(qiáng)多次波。Radon變換去多次波可以將數(shù)據(jù)從時(shí)間域轉(zhuǎn)換到另一個(gè)域，例如τ-p（延遲時(shí)間-水平偏移距）域或ω-τ（角頻率-延遲時(shí)間）域，這有助于更好地理解數(shù)據(jù)中的波形結(jié)構(gòu)。因此，采用Radon變換將SRME后的甘泉海臺(tái)反射地震數(shù)據(jù)投影到一組基函數(shù)上，提高多次波和主反射波之間的可分性，對(duì)多次波進(jìn)行有效識(shí)別去除（圖8），從而有助于減少多次波的影響^［30-31］。

RES_DEMUL技術(shù)是自主研發(fā)的基于噪聲能量加權(quán)的剩余多次波壓制方法。該方法利用剩余多次波近道和遠(yuǎn)道的能量差異，進(jìn)行自適應(yīng)保幅壓制強(qiáng)能量殘留多次波。Radon變換后，反射地震資料中仍存在少量強(qiáng)能量多次波，利用該方法，這些多次波均可以有效去除（圖9）。

3.4 疊前時(shí)間偏移

偏移歸位將數(shù)據(jù)在水平方向上對(duì)齊，以便更好地反映地下結(jié)構(gòu)，是地震資料處理過程中重要的一環(huán)。疊前時(shí)間偏移將不同偏移距和不同方位角度的地震數(shù)據(jù)在時(shí)域上進(jìn)行疊加，從而得到地下結(jié)構(gòu)在雙程反射時(shí)域上的分布情況。甘泉海臺(tái)地震資料處理采用高精度真實(shí)的炮檢位置信息，利用克?；舴驈澢渚€疊前時(shí)間偏移方法實(shí)現(xiàn)地層的準(zhǔn)確歸位。

對(duì)噪聲去除和多次波壓制處理后少數(shù)信噪比較低的測(cè)線進(jìn)行疊前隨機(jī)噪聲壓制和精細(xì)能量調(diào)整，以保證高品質(zhì)的疊前數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。采用高精度偏移速度場(chǎng)，保證CRP道集拉平、偏移剖面歸位合理。經(jīng)過對(duì)比測(cè)試，彎曲射線偏移比直射線偏移更耗費(fèi)機(jī)時(shí)，但彎曲射線的成像效果明顯好于直射線。影響彎曲射線偏移效果的主要參數(shù)是偏移孔徑、去假頻濾波參數(shù)和偏移角度，為滿足后續(xù)解釋工作，需要通過分析試驗(yàn)選取合適的參數(shù)。通過不同偏移孔徑測(cè)試的疊加結(jié)果分析，最大偏移距1倍的偏移孔徑比較合適，既能對(duì)深部的構(gòu)造進(jìn)行清晰成像又不至于引入較多的偏移噪聲。為使信噪比和分辨率均滿足后續(xù)解釋工作，選取1.0為合適的去假頻濾波參數(shù)。甘泉海臺(tái)地層橫向變化較大，為保證去掉畸變能量的同時(shí)保留有效偏移能量，多次試驗(yàn)采用60°偏移角度。圖10為偏移處理效果圖，可以看出偏移后繞射波收斂，目標(biāo)地層和基底得到歸位，有效反射能量得到聚焦，沉積層的反射波組特征清晰，有利于層序劃分與解釋。疊后對(duì)資料進(jìn)行自適應(yīng)反饋保真去噪、時(shí)變?yōu)V波去噪和徑向?yàn)V波去噪，使剖面信噪比得到進(jìn)一步提高。

3.5 處理效果分析

對(duì)比甘泉海臺(tái)資料處理前后（圖11）：初疊剖面的信噪比較低，剖面上存在較強(qiáng)噪聲和繞射波，反射同相軸成像比較模糊，有效反射被噪聲和多次波覆蓋，基底不清晰，波組特征不明確，斷點(diǎn)斷面不易識(shí)別，剖面的分辨率也較低;處理后的成果剖面噪聲和多次波干擾被壓制，原來隱約存在的模糊同相軸都清晰展示出來，繞射波收斂歸位，成果剖面反映的地質(zhì)構(gòu)造及斷層的地質(zhì)現(xiàn)象清晰可靠，偏移剖面歸位準(zhǔn)確、斷點(diǎn)清晰、畫弧現(xiàn)象較少。

4 結(jié)論

去海洋環(huán)境噪聲、壓制復(fù)雜多次波和中深層成像是南海淹沒碳酸鹽臺(tái)地二維反射地震資料降噪處理、高分辨率成像的關(guān)鍵。選取典型南海淹沒碳酸鹽臺(tái)地——甘泉海臺(tái)，針對(duì)淹沒臺(tái)地地震資料特點(diǎn)，采用4項(xiàng)關(guān)鍵處理技術(shù)，去除了噪聲干擾和大值干擾，壓制了復(fù)雜多次波，提高了碳酸鹽巖地層的信噪比，改善了剖面的分辨率，并得出以下結(jié)論：

（1） 低截濾波壓制強(qiáng)涌浪噪聲和AAA技術(shù)衰減異常振幅噪聲組合可有效去除生物礁碳酸鹽臺(tái)地地震資料中的涌浪噪聲和大值干擾。

（2） 多步串聯(lián)多次波壓制（SRME+RADON變換+RES_DEMUL）方法可較好地去除生物礁碳酸鹽臺(tái)地地震資料中的復(fù)雜多次波。

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（本文編輯：張向紅）