永乐龙洞地震立体观测正演模拟分析

徐德卫，刘怀山

(中国海洋大学 海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100)

1 引 言

永乐龙洞位于南海西沙群岛永乐环礁上，是世界上已知的深度最大的海洋蓝洞，地质结构复杂，其形成与南海岛礁的演化历史息息相关，对研究古海洋学、古气候学以及南海的地质构造等具有极高的科学研究价值。目前我国对龙洞的研究尚处于起步阶段，国内学者对龙洞的深度、形成机制以及三维形态进行了研究，但在地震成像、地质构造等方面依然处于空白阶段[1-4]。海洋地震立体观测是一种先进的新型立体探测系统，通过将水平缆、垂直缆、OBS、海底电缆等海上勘探设备中的两种或者两种以上组合起来，来达到海洋勘探高分辨率、高信噪比的目的[5-7]。龙洞区域地质特征复杂，导致其地震波场丰富多变，正演模拟研究则可以帮助认识复杂条件下地震波传播机理及波场特征[8-15]，因此利用正演模拟研究立体观测系统下的波场传播规律，可以直观地认识龙洞的地震响应模式，为后期资料的处理解释提供依据[16-19]。

本文首先详细介绍龙洞内部的形态特征，并在前人的实际研究资料基础上，提炼出龙洞周围地层结构模型的参数。对绘制的龙洞三维形态数据进行切片处理，并将45°方向的切片数据作为二维龙洞截面的投影数据绘制在理论地质模型中，模拟立体观测系统下拖缆和垂直缆两种记录方式获得的波场信息，了解龙洞区域地震波场的传播特征，为优化地震观测系统提供依据并辅助地震资料解释，有助于实际的龙洞区域勘探。

2 区域概况

研究区域永乐龙洞位于南海西沙群岛之永乐环礁最大的晋卿岛至石屿之间的礁盘上。永乐环礁距海南岛东南约300 km，距永兴岛西南约80 km，由中建岛、金银岛、珊瑚岛、甘泉岛、琛航岛、晋卿岛、盘石峪、广金岛等八个分隔的礁体组成，围成约200 km2的中央泻湖。

龙洞的洞口直径约为130 m，形态上在16 m水深以上存在斜坡，在16 m水深以下洞体基本垂直，20 m水深时直径约为68 m，龙洞最大直径出现在深度约112 m处，直径达到最大的110 m。在120 m处出现转折阶地，转折阶地向南西-北西两个方向延伸，阶地开始部位是约40 m的平台，然后在112～190 m处出现斜坡，洞径呈阶梯式收缩到70 m左右，高差约78 m，朝南西-北东方向延伸约50 m，坡度约为57.3°，然后洞体直径也随之呈阶梯式收窄为约60 m左右。190 m以下则是垂直向下、略有坡度的洞体。洞体在200～210 m在垂向上已完全偏离上部洞体，从上部下放的仪器已无法垂直抵达下部洞体。19 m以下的洞体直径呈阶梯式收窄，直到洞底收窄为约40 m。龙洞底部呈不规则的圆形，最终的洞底中心朝北东方向45°，偏移主洞洞体中心约50 m，洞底主要由微细的珊瑚礁碎屑等沉降物覆盖[1]。永乐龙洞的三维形态图如图1所示。

图1 永乐龙洞三维形态Fig.1 3D morphology of Yongle blue hole

3 永乐龙洞区域立体观测正演模拟

3.1 地质模型建立

永乐龙洞及周边区域的地质模型是在其附近的西琛1井钻孔资料的基础上，总结归纳出相对可靠的分层数据，以此作为研究区地层结构划分的参考资料,模型详细参数见表1。龙洞形态则是通过结合实测ROV(Remote Operated Vehicle)得到的永乐龙洞资料作为龙洞形态蓝本进行切片，并将45°方向的切片数据作为二维龙洞截面的投影数据，绘制在理论模型中，用于模型波场正演模拟，模型示意图见图2。选取模型的横向与纵向长度分别为800 m和500 m，采用立体观测中的水平拖缆观测与垂直缆观测方式。

表1 地质模型参数

图2 龙洞区域地质模型Fig.2 Yongle blue hole regional geological model

3.2 水平缆正演模拟

为了讨论龙洞的存在对波场分布的影响，突出龙洞形态造成的地震记录特征，设计了存在龙洞的水平层状模型，如图2所示。与不存在龙洞的水平层状模型进行模拟对比分析，如图3所示。两种模型采用同样的观测系统参数，参数设为：排列长度800 m，采用全排列接收，道间距3.125 m，炮点位于龙洞中心处，激发频率300 Hz，激发子波为Ricker子波，采样率0.25 ms，记录长度0.5 s。考虑龙洞区域附近实际水深最大不超过2 m，激发和接收排列的沉放深度均为1 m。得到的单炮记录、偏移剖面如图4、图5所示。

图3 水平层状模型Fig.3 Horizontal layered model

图4 龙洞模型的水平缆正演模拟Fig.4 Horizontal cable forward modeling of Yongle blue hole model

图5 龙洞模型正演模拟偏移剖面Fig.5 Forward modeling of Yongle blue hole model with migration profile

图4分别是不存在龙洞的区域和存在龙洞的区域的正演模拟单炮记录，在两张记录的对照下可以凸显出龙洞区域错综复杂的波场特征。由于龙洞外围礁盘底质坚硬并且水深较浅，造成地震记录中能量屏蔽和交混回响现象严重，加之龙洞内壁形态变化复杂，在地震记录中发育大量层间多次波、斜坡多次波以及绕射波等强干扰信号，但在水平层状模型记录的对照下，龙洞特殊部位的反射特征比较明显。由于龙洞附近区域实际水深不超过2 m，直达波和海底反射波在剖面上难以区分，两个剖面中H1至H4反射波同相轴基本对应，但在图4(b)剖面中H5同相轴淹没在多次波等强干扰信号中，这会对龙洞以下地层的解释造成干扰，而且四条反射波同相轴在中间部位发生错断，通过这一特征可以基本确定龙洞洞壁的边界。在图4(b)中，A区域反射波同相轴的形态中左右各存在一个速度突变点，由于地震信号在地层中的传播速度要大于在水中的传播速度，信号到达检波点的时间存在差异，在剖面上表现为同相轴在靠近洞口边缘的位置弯曲，因此此处对应龙洞洞口的缓坡边界。B区域反射信号能量较强，地震信号经海水传播到龙洞内转折阶地，能量吸收衰减较在地层中弱，在阶地处易形成强反射，反射形状能够大致反映阶地的位置和大小。C区域同样反射信号能量较强，对照波场快照可初步判定该区域为龙洞洞底形成的强反射信息。纵观整个龙洞区域的波场信息，浅层同相轴清晰可辨，龙洞特殊部位波场特征明显，深层信息受龙洞内壁产生的多次波以及绕射波等噪音干扰，信噪比低。

对比图5两个模型的偏移剖面，主要反射界面基本一致，都有5条能量极强的反射波同相轴，相位稳定，且图5(b)中龙洞两侧的反射界面存在微弱的横向变化。特别指出剖面中H5反射界面并不是连续的，这是由信号在不同介质中传播速度存在差异造成的。同时由于水深过浅，导致多次波发育，对龙洞正下方地层的反射特征识别存在巨大的干扰,这对实际资料的解释提供了一定程度上的参考价值，尤其是关于深度地层反射特征可能存在不实的“假象”，需要进一步处理。

为进一步了解不同观测系统下龙洞的地震响应特征，将龙洞模型中的炮点位置从龙洞中心处移到龙洞一侧，得到的地震记录如图6(a)所示。通过与炮点位于龙洞中心的地震波场图6(b)对比来看，在炮点附近四条反射波同相轴能量较强，清晰可见，而远道数据受噪音干扰，有效信息较少。龙洞洞口边界以及洞内转折阶地等特殊部位对应的A、B区域反射特征依旧明显，可以作为地面接收到龙洞边界信息的特征。此外，在D区域中洞壁反射信息强烈，这是由龙洞转折阶地相对的另一侧龙洞内侧转折界面造成的反射，利用这一特征可以验证对转折阶地位置的识别。但是由于单炮能量向下穿透能力有限，洞底及下方地层反射信号能量较弱且受噪音干扰不易识别，致使获得的有效信息较少。因此，应集中在龙洞洞口小道距多道测量，同时加密洞口炮点排列，这样可以获得丰富的反映洞体形态的波场信息。

图6 不同炮点位置的龙洞模型正演模拟Fig.6 Yongle blue hole model forward modeling with different gunpoint positions

3.3 垂直缆正演模拟

垂直缆勘探是目前新兴的一种海洋地震勘探技术，它是将检波器在水中沿垂直方向布设，通过不同深度的水听器来记录地震波场信息。垂直缆的观测方式与陆地VSP(Vertical Seismic Profiling)相似[20-24]，但垂直缆不需要钻井布设检波器，并且可以进行大尺度海上地震勘探[6]。根据海洋垂直缆观测系统特征，假设海水速度恒定，水深H，震源沉放深度h，缆深为d，横向偏移距为X，垂直缆各波场传播路线如图7所示，可以看出垂直缆的波场特征主要是上下行波场的存在。上行波场主要包括一次反射波与自由表面多次波，下行波场主要包括直达波和鬼波。这使得垂直缆采集的地震记录在后续资料处理中很容易实现上下波场分离，极大地提高了信噪比。

对于龙洞区域来说，地形结构复杂多变，垂直缆则能够很好地适应该环境，将垂直缆投放至龙洞内部，可以对目标体覆盖得更好，并且可以实现多方位采集，实现真正的三维成像。因此针对实际情况，开展龙洞区域的垂直缆观测正演模拟，模型如图8所示。观测系统参数设为：垂直缆位于龙洞中心处，沉放深度10 m，道间距1 m，共121道，炮点位于龙洞中心处，沉放深度1 m，采样率0.25 ms，记录长度0.5 s，单炮记录如图9所示。

图7 垂直缆波场传播路线示意图Fig.7 Schematic diagram of propagation route of vertical cable wave field

图8 龙洞区域的垂直缆正演模型Fig.8 Vertical cable forward modeling in Yongle blue hole area

从模拟的地震记录可以看出其波场特征与常规水平缆记录的波场特征有很大的区别。通过对照波场快照，利用地震波波阵面传播轨迹与垂直缆水听器的相对位置关系以及到达时间来判断图9中各地震波的类型。其中A是直达波，B、C以及G是一次反射波，上行的一次反射波C是由龙洞的转折阶地界面造成的，G是由龙洞洞底界面造成的，都符合垂直缆波场分类规律，而由于龙洞特殊的形态，龙洞上部垂直洞壁造成下行的一次反射波B，这对后续的波场分离以及资料处理具有指示意义，要注意对下行波场中有效信息的提取。D和F是鬼波，是由一次反射波以及多次波经过海面反射造成的下行波。E是自由表面多次波，是由一次反射波经海面反射再通过龙洞转折阶地反射造成的上行波。整体来看，地震记录中多次波发育，采集的地震波种类相对丰富，而且与水平缆对应的同一部位的地震信息匹配性较好,波场之间存在一定的相关性。但受地形的影响，同相轴发生交叉合并以及错断的现象，对后期资料的处理与解释有很大的参考价值。

图9 龙洞模型的垂直缆正演模拟Fig.9 Vertical cable forward modeling of Yongle blue hole model

4 结 论

根据对永乐龙洞的形态研究以及洞体地质模型的立体观测波场模拟结果分析，得到以下的认识：

1)采用立体观测系统可以实现对龙洞区域的全覆盖调查，反射角覆盖宽广，采集的波场信息丰富，有利于实现龙洞的全波场立体成像，而且在立体观测系统的不同观测方式下采集到的波场信息可以相互制约，相互补充，提高立体观测的信噪比与分辨率。

2)在立体观测系统的水平缆观测方式下得到的波场特征，能够反映出龙洞洞口、洞内转折阶地以及洞底等特殊部位的信息。洞口处左右两侧各存在一个速度突变点，阶地以及洞底生成的反射能量较强，但是受龙洞形态限制难以生成连续的反射波同相轴。同时由于多次波绕射波等强干扰的存在，对龙洞下方地层反射波造成干扰，破坏其连续性，会对后续准确成像造成困难。

3)在水平缆观测方式下，改变炮点位置，会观测到不同的波场特征。炮点位于龙洞洞口可以观测到更多龙洞内的波场信息。地震采集时可以灵活设计观测系统，小道距多道测量，洞口附近加密炮点排列。

4)在立体观测系统的垂直缆观测方式下得到的波场主要是以上下行波的形式存在，地震波场相对简单，多次波易于识别。但由于龙洞特殊的形态，同相轴之间发生交叉合并，势必会对资料的解释带来困难。