单道地震勘探应用中的干扰因素分析及压制

卢胜周，李　振，马秀敏，姜景捷，彭立国

（中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081）

单道地震勘探应用中的干扰因素分析及压制

卢胜周，李振，马秀敏，姜景捷，彭立国

（中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081）

在琼州海峡某工程区的单道地震勘探调查中，结合单道地震的工作原理分析了施测过程中随机干扰和规则干扰的来源和影响方式，提出从仪器及施工参数选择、仪器布设方式等方面对随机干扰进行规避；根据单道地震数据处理的基本流程，采用Geo-Allworks软件对规则干扰进行了过滤、剔除及压制处理，为后续的解译提供了基础。文章通过总结单道地震的干扰源及相应的压制方法，给工程勘探应用中的实际问题提出了建议。

单道地震；干扰因素；压制方法；勘探应用

单道地震是一种基于水声学原理的连续走航式探测水下中浅部地层结构和构造的地球物理方法，被广泛的应用于世界各国的海洋地球物理调查中[1~3]。利用单道地震可获得反映海底地层结构的地震记录剖面，结合重力、磁力、钻探等资料进行综合性分析，可以识别海底疏松沉积，圈出基底起伏、断裂分布以及识别潜在的地质灾害因素，为海洋区域地质研究和重大工程科学选线提供依据。单道地震调查中存在的主要问题是外界干扰因素较多，由于在单道检波器接收的情况下无法采用多道地震中的水平叠加处理，干扰对地震数据的影响比较严重且不易压制。为提高地震资料的信噪比和分辨率，既要在资料处理流程中采用有效的方法技术对数据进行信噪分离，削弱多次波等干扰波的影响[4-5]，又要加强对施工方法的研究，从野外采集前期控制方面降低随机干扰的影响，选择合适的震源能量、采集参数、船速等，提高地震数据的采集质量[6-7]。

图1　单道地震勘探方法示意图

图2　随机干扰造成的有效数据丢失

1 单道地震工作原理及干扰因素

1.1单道地震工作原理

单道地震勘探系统可分为船载单元和拖曳单元两部分[8]。船载单元包括数据采集和触发控制单元、供给震源能量的高压脉冲电源和发电机、GPS卫星导航定位系统以及数据显示和后处理系统；拖曳单元包括震源和水听器拖缆。单道地震反射剖面测量的工作原理如图1所示，测量船沿预定的计划线直线行驶，通过拖曳在船尾的震源将控制信号转换为不同频率的声波脉冲向海底发射。将海底地层简化成层状，并忽略地层界面的折射影响，当上下地层中弹性波传播速度V与其密度ρ的乘积（波阻抗）不同时，就形成了反射波，由拖曳在震源附近的水听器拖缆对不同反射界面的信号进行接收并转换为数字信号，根据各反射信号到时即可定位各声学特征界面，最后通过数据显示和处理系统输出为能够反映海底各地层声学特征的地震记录剖面。

1.2单道地震勘探中的干扰因素分析

单道地震勘探中出现的干扰因素是多种多样的，施测过程中，声波传播在水中某点向各个方位传播，并非只向下传播，传播路径的不同会造成多次波、直达波、虚反射、鸣震、绕射波等影响。另外，施测过程还会受波浪、调查船尾流、机械震荡等因素的影响。根据干扰来源和特点的不同，可将其分为随机干扰和规则干扰[9-10]。

1.2.1随机干扰

随机干扰是由于各种复杂的环境因素作用而成，在观测范围内随机产生，主要包括洋流波浪干扰、机械振动干扰和电磁干扰三个方面0。其中洋流波浪直接影响震源、水听器拖缆的运动形态。波浪过大时，水听器拖缆由于质量较轻且沉放深度浅，随波浪起伏程度过大，严重影响数据的采集质量（图2）。受潮汐等因素影响，浅海地区的海水形成两种运动：潮流和底流。潮流表现为海水表面的流动，可以直观的观测到；底流表现为海水底部的流动，不能直观的观测到。他们都会造成对野外采集的干扰，潮流频率较低，一般 7Hz 左右；底流频率较高，一般在 12Hz左右。当调查船顺流方向行驶时，波浪干扰背景较弱，当逆流方向行驶时，干扰噪声能量较强，会将较弱的有效反射信息淹没，涌浪噪声具有低频、强能量的特点，在原始记录上形成强烈的低频噪声背景0。机械振动干扰主要来自调查船行驶时，船体发动机、螺旋桨的震动以及航线附近过往船只的尾流等。干扰的形态取决于干扰船只与拖缆的相对位置，相对位置的不同，船干扰在记录上表现的形态也不同。干扰船在拖缆延长线上时，船干扰为直线型，具有直达波性质。干扰船只在拖缆的垂直方向时，船干扰表现为双曲线型，具有侧面波的性质0。当调查船航向与海流流向相反时，船体会产生较大震动，进一步加剧了船体的机械振动干扰。电磁干扰主要来自船上的发电机和高压脉冲电源及电缆。电火花系统工作时电压、电流不断变化且幅度较大，产生的电磁辐射会干扰其它设备，平行铺设的电缆由于分布电容和互感的存在，这是相互间会产生感应电流，同时形成电磁干扰0。随机干扰没有统一的规律，在记录上表现为随机出现并且分布均匀的波形和脉冲，在频率上的分布宽而不定，在空间上没有确定的视速度无一定的传播方向，在时间剖面上呈现不规则形态，是构成地震记录的主要干扰背景[10-14]。

图3　单道地震勘测中的多次波干扰

图4　单道地震记录中的各种地震波[13]

1.2.2规则干扰

规则干扰也称相干干扰，其来源、波形特征、出现时间都有明确的规律性，一般具有频率低、速度低、能量强、衰减慢和频散大等特点[10]。主要包括多次反射波、直达波、虚反射、鸣震、绕射波等，其中多次波是影响单道地震数据质量最主要干扰之一[5]。地震波在有多个强反射界面的介质中传播时来回震荡会产生多次波，在地震道上表现为连续振动，具有明显的周期性，中、深部地层的一次反射波会被多次波掩盖，对剖面的地质解释造成严重影响（图3）。直达波具有较强的能量，主要干扰海底浅层的反射信号；虚反射是由震源激发能量的一部分向上传播，遇到海面再向下反射被水听器电缆接受形成的；鸣震是一种特殊的多次波，由地震波在水层中的多次反射造成；绕射波多发生在基岩的反射分界面、孤立的小岛、岩性体或暗礁沉船等位置。图4为海上单道地震记录中各种地震波记录形成的射线原理示意图。这些干扰波与有效波存在频谱差异、视速度差异或到达时间的差异，在地震时间剖面上有规律性的出现，因此可用滤波、方向特性和相干性等方法来去除。

综上所述，随机干扰主要来源于施测过程中来自外界的干扰，应在施测过程中通过仪器布设、施测参数设定、航向、航速等角度进行规避；对于多次波、直达波虚反射、鸣震、绕射波等规则干扰主要由于单道地震勘探方法本身的缺陷造成，只能通过后处理加以压制。

表1　单道地震测量作业参数表

2 琼州海峡单道地震勘探应用

2.1仪器设备及工作参数

本次测量设备采用荷兰Geo Marine Survey Systems公司生产的便携式超高分辨率单道地震测量系统。该系统的主要由Geo-source多电极电火花震源，Geo-spark固态脉冲电源、水听器拖缆、Mini-Trace数据采集单元、GeoSuite-Acquisition数据采集软件和GeoSuite-Allworks数据处理分析软件组成。

系统震源为拥有200个电极的负极放电海水电火花震源，脉冲能量范围为100~2000 J，可在盐水环境中获取非常高分辨率的浅地层地震剖面数据。水听器为标准8单元水听器缆，信号感应段长2.3m，适用于300m的采集水深（琼州海峡最大水深约为120m）。数据采集单元Mini-Trace加上Geo-Suite Acquisition软件是一个完全集成的地震数据采集系统，软件可以在Windows环境下运行并且可以独立触发和记录单波道或双波道数据。Geo-Suite Allworks后处理软件可提供后处理、数据解析以及3D试图的完全解决方案。单道地震的相关设备及工作界面如图5所示。

正式开展单道地震测量工作之前，为了获取良好采集效果，先在调查区内选定合适航线进行了震源能量、激发间隔、采样频率、滤波范围、震源和水听器沉放深度等试验，最终确定合适的工作参数（表1）。

2.2施测中降低随机干扰的方法

图5　单道地震相关设备及工作界面

降低随机干扰的影响的两个重要因素是：合适的拖行配置和相对静音的调查船。震源和水听器一般置于船后一定位置拖曳，在实际测量时应想方设法降低调查船自身产生的机械噪声及电磁噪声。调查船行驶时螺旋桨运动会在船尾区域形成尾流，尾流气泡的屏蔽作用会影响地震波能量的正常传播，导致部分地震数据的丢失。在实际勘探时，使用舷外支架将水听器拖缆支出船侧一定位置，使其远离船尾尾流区域，可有效较低尾流的不良影响。增大震源和水听器的拖曳距离可减小船体自身的噪声干扰的影响，

但琼州海峡渔网渔栅密度较大，拖曳距离增大时设备安全受到的威胁也越大，因此勘探时应在保障安全的前提下，将震源和水听器置于合适的拖拽位置。为降低电磁干扰影响，应使水听器电缆远离震源高压电缆的位置，同时数据采集单元、高压脉冲电源和发电机都必须连接海地线。

受潮汐等因素影响，琼州海峡海流方向一天三换，当调查船沿顺流方向行驶时，波浪干扰背景较弱，地震数据的信噪比较高；当调查船沿逆流方向行驶时，船体震动加剧，干扰噪声的能量较强，会淹没较弱的有效反射信息，在这种情况下，应通过放慢船速来改善数据的采集质量。当条件具备时，也可以全部采取顺流方向施工。施工时，船速和航向应尽可能保持稳定，航速保持在4kn左右。由于琼州海峡过往船只较多，渔业活动频繁，为尽量避免过往船只对施测过程的干扰，应在船头船尾设置瞭望员即时监测海况及仪器动态，调查船由于躲避船只渔网等情况偏离测线超出规定范围后，要及时小幅度地缓慢修正航向。

在采集参数选取方面，震源发射能量的选择需要慎重考虑。通常人们认为发射能量大，穿透深度也大，因而倾向选择较大的发生能量。但是发射能量增大，由于在水中发生声能转换，形成的子声波波形无法避免地变宽并复杂化，接收的反射波的分辨率自然降低。而且高频能量在地震中衰减很快，对穿透深度的提高作用有限。另外由于琼州海峡水深较浅，大能量的发射不但水底的反射产生多次波，基岩面的反射波也会在水层中产生多次反射，对有效波产生进一步干扰。为达到最佳的数据采集质量，适当降低震源的能量在此类情况下是有益的。

2.3单道地震数据处理及规则干扰的压制方法

数据处理是仪器记录到人为解释之间的过渡环节。通常海洋地震勘探数据处理重点要解决的问题是地震子波的整形和去纷繁复杂的多次波，从低信噪比的数据中恢复出可靠的有效反射波[09，15]。地震数据处理的主要内容包括从地震数据中提取各炮点的坐标数据，根据GPS天线和地震拖曳系统的相对位置作位差改正；对地震数据作带通滤波、时变滤波、自动增益控制、道均衡等处理，压制气泡效应、压制随机干扰；通过涌浪补偿滤波器，去除浪涌造成的海底波动以及水体中的反射；通过反褶积和偏移等处理方法，消除地震映像存在的“模糊化”作用，提高资料分辨率，恢复倾斜，使地层成像到真实的位置；通过测井资料确定各沉积层速度，对地震剖面中的各反射层做数字化拾取，最后将获得的地层深度数据结合多波束测深数据和验潮数据归一到海洋基准面，绘制等深图及厚度图[16-18]。

单道地震数据资料的处理主要环节包括预处理、噪声压制和多次波压制。其中每个步骤又包括多种方法，具体处理流程框图如图6。

图6　单道地震数据处理流程图

地震数据处理中压制干扰、提高信噪比的方法很多，其中对多次被的压制主要有三种方法：预测反褶积方法、模型拟合法和波动方程预测减去法[4-5，19]。预测反褶积方法假定正常地层反射系列是互不相关的，具有非周期性和不可预测性，而多次波具有周期性和可预测性，通过相关函数从初始到达的有效反射波预测出多次波，然后减去多次波，得到一次反射剖面。识别多次波的方法可以是利用其周期性以及多次波与一次波斜交的值，在剖面上直接观察估计，也可以通过相关分析准确计算得到。预测反褶积的主要作用是压缩子波，提高地震资料的分辨率，从而提高资料解释的精度，此外还可以消除短周期鸣震和其他多次波干扰，突出有效波，提高地震资料的信噪比。模型拟合方法是 f-x 域中的一种时空域滤波方法，通过空间模型分析建立多次波模型，任何与模型有相似反射特征的反射波都被当作多次波进行压制，因此适用于识别和压制与一次波有明显区别的长周期多次波。当一次反射与多次波倾角差异较大时，效果最好，相差不大时压制效果较差。其优点是不会影响多次波之前的浅层反射数据，缺点是目标层的厚度有限，只能压制有限厚度层的多次波，故该方法不适合海底地形起伏变化较大的情况。波动方程预测减去法根据实际介质和地层界面， 借助模型或反演通过波场外推来模拟并减去多次波。此方法不依赖于地下介质的先验信息，可以适用于复杂的海底情况，对于短周期浅层平海底多次波和长周期陡倾海底的多次波都有效果。但计算成本较高，时间较长，对于数据量大的地震剖面不建议使用。

2.4琼州海峡处理流程和结果

本次单道地震勘探的原始数据为 SEGY 格式，原始地震记录存在着很强的直达波信号，除了海底反射面能量较强外，海底面以下的地层反射信号相对较弱，近似于空白（图7），因此需要对原始记录做进一步处理方能用于地质解释。本次数据处理采用Geo-Allworks系统软件，加载原始数据后，首先根据震源的频谱特征（图8）确定滤波参数，并使用无限脉冲响应（IIR）滤波器初步削弱环境噪声影响，然后使用恒定增益增强信号强度。

图7　单道地震某测线原始数据

图8　Geo-Source电火花震源频谱特征

使用涌浪滤波消除波浪影响，并在此基础上使用seabed Finder工具追踪出海底线，通过Mute工具切除海底以上的水柱噪声，并再次使用恒定增益增强地层反射信号。切除水柱后的剖面结果如图9。为了提高剖面的连续性，使用道均衡（Trace equalization）工具对数据进行处理，最后再次使用IIR滤波减弱噪声，并根据地层深度变化选取合适的增益值使用时变增益（TVG）进一步加强深部反射信号强度。最后地震剖面处理结果如图10所示。

总体上地震采集资料齐全，缺炮、缺道现象很少，但每条测线可用的地震信息较浅。由处理后的地震剖面可以看出，有效波能量主要集中在浅部，即海底面到250ms 之间的范围。250ms 以下的能量非常弱，几乎为空白记录。因为野外施工采用的是单道记录，通过数据处理对野外资料的改变能力应该是有限的，所以本次野外资料质量较好的范围主要集中在海底以下250ms 的范围，如何进一步增强深部有效信号，改善深部信噪比，是本次处理工作的难点所在。

图9　切除水柱后的单道地震剖面

图10　单道地震某测线处理后剖面

3 结论和建议

通过对野外数据采集过程中噪声干扰情况的分析可知，单道地震勘探中的干扰源主要有船舶、洋流波浪、电磁及声学相干干扰等。在实际测量时为压制随机噪声，应将震源和水听器置于船尾合适位置拖曳，并用舷外支架将水听器拖缆支出船尾尾流区域。由于琼州海峡水浅，震源发射能量不宜过大，保持在500J到800J即可。调查船逆流行驶时，船体自身噪声较大，波浪对水听器拖缆运动形态的影响也大，应适当降低船速，将干扰控制在可接受范围内。施测时还应注意将单道地震主要设备连接海地线并将震源高压电缆与水听器数据缆隔开，降低电磁干扰。

单道地震数据中较常见的规则干扰是强振幅、短周期的多次波，且单道地震中的多次波不具有反射波与多次波的正常时差差别的特征。由于琼州海峡海底地层多为第三系和第四系，有些还未成岩，地震波在其中的传播速度变化小，多次波难以通过静校正等方法消除，需要结合不同的地质情况，利用多次波的周期性以及与地层反射斜交的特点，综合使用预测反褶积、预测模型减去法等多种方法进行综合处理。琼州海峡渔网渔栅较多，过往船只及渔业活动频繁，调查船需要频繁转向躲避，影响单道地震施工作业。在以后工作中，计划线设计上应考虑避开渔网高密度区并采用合适的测线间距，提高工作效率。

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nalysis and Suppression of the Interference Factors in the Application of Single Channel Seismic Exploration

LU Sheng-zhou LI Zhen MA Xiu-min JIANG Jing-jie PENG Li-guo

(Institute of Geomechanics, CAGS, Beijing 100081)

The present paper has a discussion on origin and influence of random interference and regular interference in single-channel seismic exploration by the example of single-channel seismic exploration survey in the Qiongzhou Strait. A proposal of the evasion of the random interference by means of instruments and construction parameter selection and instrument layout way and of filter out and repression of regular interference by use of Geo-Allworks is offered.

single-channel seismic exploration; interference factor; repression; application

P631.4

A

1006-0995（2016）02-0310-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2016.02.031

2016-05-03

本文由海洋地质保障工程 HB-5项目资助（GZH201400212）

卢胜周（1991-），男，湖北黄岗人，在读硕士研究生，地质工程专业