海洋论坛▏小道距高分辨率多道地震系统在渤海海峡地层探测中的应用

渤海海峡位于辽东半岛南端老铁山角和山东蓬莱之间，南北最短距离约106km，平均水深约25m，最大水深超过80m。庙岛群岛在渤海海峡内呈NE向分布，岛屿将海峡划分为若干水道（图1）。这些水道规模不一，其中北部老铁山水道规模最大。渤海海峡海底地形复杂，海底近东西向的沟槽与庙岛群岛诸岛屿相间分布。众多岛屿将海峡分隔成一系列东西向排列的峡道，在潮流侵蚀作用下，区内多个水道发育，水道内水较深。此外，庙岛群岛各岛屿之间也形成潮流冲刷槽，这些沟槽长度和规模均较小，深度为30～60m。沟槽底部基岩出露，有的有砾石堆积，地形较为复杂。渤海海峡是连接渤海和北黄海的海上通道，却也限制了环渤海两岸的交通和经济往来，成为横亘在辽东半岛和山东半岛间的海上天堑。因此，建设一条横跨渤海海峡的跨海通道一直是人们的梦想。而在建设跨海通道前，必须对渤海海峡及周边的地形地貌特征、基岩埋深及起伏状态、冲刷和淤积情况、断裂分布、特殊性岩土（如软土）以及不良地质现象等方面开展精细研究。

图1 渤海海峡地形及多道地震采集试验测线位置

海上地震勘探作为一种常见的海洋地球物理调查方法，其在海底资源勘探、地壳稳定性评价等方面有着广泛的应用。在浅海区域的工程勘探中多采用的是浅地层剖面或单道地震勘探技术。浅地层剖面技术在探测浅部地层信息、海底特殊目标调查等海洋地质与工程地质研究方面应用广泛。其中，便携式参量阵型浅剖最为常见，具有工作效率高、探测数据质量高等优点；而电火花型浅剖则具有穿透能力强的特点，穿透深度可以达到几百米并能保证米级的分辨率。虽然海上单道地震操作简便、高效经济、配置灵活，但在浅水区多次波会对单道地震剖面的质量产生较大的影响，难以准确对深部构造进行成像。多道地震则可以利用丰富的处理方法对多次波衰减，从而提高勘探深度和剖面信噪比。因此，高分辨率多道地震勘探技术逐渐被引入到浅海工程勘探中。相较于传统的单道地震和浅地层剖面，多道地震勘探技术具有分辨率高、穿透能力强、反射特征显著等优势。这使得它能提供具有更高分辨率和信噪比的地震剖面。传统的多道地震系统通常具有频率低、激发能量高、排列长、道间距大的特点，更适合于在广阔海域探测深部地层构造。

渤海海峡附近岛屿遍布，岛屿之间的海流流速较快，航道内船只往来频繁，且渔业养殖区密集，不利于大道间距、长排列的常规多道地震系统的作业，难以实现地震数据的准确采集。因此，探索适合研究区的高分辨率多道地震探测方法是非常必要的。国产大能量电火花震源具有激发能量大、炮间距小、频率高的特点，与3.125m道间距的24道高分辨率地震采集系统相结合，能够获取具有更高信噪比和分辨率的地震剖面。本研究利用国产大能量电火花震源和小道距高分辨率地震电缆，在渤海海峡区域开展了沉积地层和断裂构造的探测试验，探索出一套适合近岸浅水区的多道地震探测技术和数据处理流程。

结合前人研究成果以及现有的工作设备和区域水文地质环境数据，中国铁路设计集团有限公司于2022年7月在渤海海峡区域开展了3条测线的小道距高分辨率多道地震采集试验（位置见图1）。通过本次采集试验，验证了所选用的仪器设备及参数设置既能满足勘探深度的要求，又能确保探测资料具有较高的信噪比和分辨率。

⒈试验设备

⑴震源系统

海洋地震勘探中常用的震源主要有水枪、气枪以及电火花震源。气枪震源穿透深度大、重复性强、结构简单、子波频率低，在深层地震勘探应用较多。水枪震源具有产生气泡少、频带较宽、可重复性好的优势。电火花震源则具有环保、安全性高、成本低廉的特点，并且所得数据频带宽，可以实现高分辨率地震勘探的目标，在浅层高分辨率勘探中应用较广。本次试验采用国产PPS-5000J型电火花震源，该震源的最大发射能量为5000J，具有较高的主频和分辨率。

⑵震数据接收系统

在地震信号接收过程中，选择合适的参数对确保海上地震数据采集质量至关重要，这些参数包括道间距、偏移距和电缆道数等。本次试验选用荷兰GeoResource公司的Geo-Sense接收电缆，该电缆总共有24道，每道信号由3个检波器组成，道间距为3.125m。模数转换由电缆绞车中的Multi-Trace24模块完成，该模块经网线与采集计算机连接，并利用专用软件完成参数设置、质量监控、数据采集、在线处理及数据回放等功能。此外，Multi-Trace24模块还可接入单道地震电缆，来自单道电缆的数据作为辅助道存储在多道数据文件中。单道地震数据可以提供现场质量监控，并为多道地震数据处理提供参考依据。图2显示了本次探测GPS、震源和接收系统的位置关系。

图2 多道地震采集系统布设示意

⒉震源能量对比试验

为了确定最佳的震源发射能量，在研究区开展了不同震源能量的探测效果对比试验。试验使用国产PPS-5000J型大能量电火花震源，并设定了1000、2000、3000、4000和5000J五个不同的震源能量值。其他采集参数相同，设置为：电缆道数24道、道间距3.125m、覆盖次数6次、最小偏移距6.25m、采样间隔0.25ms。

采用不同能量电火花震源试验得到的地震资料，按照相同的流程处理后得到了叠加剖面（图3）。通过对比分析可知，随着电火花震源能量的增加，深部的有效反射信号逐渐增强。在保证地层高分辨率的条件下，使用5000J电火花震源采集地震资料能够有效地穿透地层，深度大于200m，这更有利于探测深部地层构造和基岩面。

图3 电火花震源能量对比试验叠加剖面

结合采集试验结果，考虑到研究区环境、仪器设备和勘探精度等要求，最终确定的正式勘测时采用的施工参数见表1。   

表1 多道地震探测施工参数

多道地震资料处理是地震勘探的重要组成部分，其处理质量直接关系到后续地震资料解释的准确性。通过深入了解研究区域的地质情况，以及对原始资料进行细致分析，结合地震资料的特点和处理难点，制定了本次资料处理的策略。首先，由于外业采集的资料信噪比较低，采用了保真的叠前多域噪声压制技术对噪声进行衰减，同时保护有效信号，从而显著提高资料的信噪比。其次，通过确定性水层多次波压制（DWD）和曲波（Curvelet）变换组合的方法，以及自适应相减法来压制多阶多次波，以突出有效地层信息。最后，针对电火花震源导致的深部低频信号能量不足的问题，采用径向预测滤波和相干加权加强的方法提高有效信息的反射能量，从而提升资料的成像质量。多道地震数据处理的流程见图4。

图4 多道地震数据处理流程

⒈噪声去除

由于近岸浅水区地震数据采集方式的特殊性，原始数据的质量会受到海浪、洋流、过往船只和不规则海底结构的影响，甚至岛礁都可能是复杂干扰的信号源。本次处理主要从原始单炮、初叠剖面等方面对原始资料的信噪比和干扰波进行全面分析，获得干扰波的分布类型及特征，为后续干扰波的去除提供依据。

⒉多次波组合压制

由于研究区洋流流速较大，海底表层松散沉积物较少，使得海上地震资料多次波发育的能量更强，对有效波的干扰更为严重。因此，对于多道地震资料的处理而言，将多次波视为噪声并在地震数据的叠前处理阶段进行压制，进而提高地震剖面的质量至关重要。由于本次地震数据采集采用了主频较高电火花震源，导致多次波形态较为发散。同时，研究区海底崎岖、地形起伏较大，只靠DWD方法难以对多次波进行压制。需要通过道域的自适应相减方法对残留多次波进行处理，从而彻底压制多次波。基于此，本次多次波组合压制的策略是：首先采用DWD方法得到多次波模型，然后通过在Curvelet域相减，以达到压制多次波的效果。

⒊信号增强

为了使地震波组特征更清晰、同相轴连续性更好，能有效地突出有效地层反射，便于后续的解释工作，采用径向预测滤波技术和相干加权加强方法对地震信号进行了适当的增强处理。其思路是：通过径向预测滤波技术提高剖面的信噪比，然后通过与经过径向滤波的叠加剖面进行相干分析，计算加权系数，重新加权叠加后得到信号增强后的剖面。

⒈多道地震处理效果分析

与原始叠加剖面相比，处理后的叠加地震剖面效果显著提升，各种干扰和多次波压制较为彻底，有效反射更突出，资料的信噪比和分辨率得到了很大的提高，为后续的主要反射层的连续追踪和对比解释提供了支持（图5和图6）。

图5 L1测线多道地震剖面

图6 L2测线多道地震剖面

经处理后的地震剖面从浅层到深层反射信息丰富，反射同相轴连续性好。有针对性地应用多次波组合压制技术和信号加强技术，进一步提升了地震剖面的信噪比，加强了弱反射信号，处理后的地震剖面从浅层到深层各主要反射层的产状、构造形态清晰，地质现象清楚，能量强弱分明，波组特征活跃。

⒉多道地震资料与单道地震资料效果对比

选取本次获得老铁山水道北段的多道地震剖面与前期探测获得的单道地震剖面进行对比（如图7所示，剖面位置见图1）。因为震源能量和数据处理方法的局限性，前期的单道地震剖面的信噪比较差，沉积地层和基岩面反射信息较为模糊。而本次探测获得的多道地震剖面信噪比远高于单道地震剖面，地层的连续性更好、断层更清晰、波组的特征更明显。多道地震剖面能更清晰地反映沉积地层和断层构造，在浅、中、深层都有较高的信噪比。

图7 L3测线多道地震与单道地震剖面对比

⒊多道地震资料的分辨率

本次多道地震探测采用的国产大能量电火花震源，具有电声转换效率高和激发间隔小的特点。在满足覆盖次数和探测深度的情况下，该震源能提供较高的主频分辨率。由图8可知，经处理后的多道地震剖面优势频带约为600Hz。以平均速度1800m/s来计算，地震波的优势波长约为3.0m。因此，理论上具有1/4优势波长，即优于1.0m的垂向分辨率。

图8 处理后多道地震剖面的频谱分布

为查明渤海海峡拟建桥隧通道的沉积层厚度和断裂分布特征，在渤海海峡区域开展了多道地震反射波法探测试验。试验采用国产PPS-5000J型大能量电火花震源和小道距高分辨率电缆进行地震数据采集，并对实测资料进行了针对性的分析和处理，得到以下主要结论。

⑴当电火花震源能量从1000J增加至5000J时，深部有效反射信号逐渐增强。在确保地层高分辨率的情况下，5000J电火花震源能采集到具有较好的地层穿透深度的地震资料，对深部地层构造特征的探测更有利。

⑵在近岸浅水区域，噪声类型复杂，包括低频背景噪声、电缆噪声、尾流噪声等。此外，多次波干扰严重，原始数据覆盖次数较低导致速度分析不准确，从而影响成像品质。通过噪声分析和消除，采用DWD+Curvelet的多次波压制方法以及信号增强技术，能够取得理想的处理效果。

⑶与单道地震剖面相比，多道地震剖面在深部构造成像上分辨率更高，连续性更好、断层更清晰、波组特征更明显。多道地震剖面在浅、中、深层都表现出较高的信噪比。以国产PPS-5000J型大能量电火花为震源的多道地震剖面优势频带约为600Hz，以平均速度1800m/s来计算，其理论垂向分辨率优于1.0m。