单道地震资料处理关键技术研究及在长岛海域的应用

张一 王成明 张朋朋 胡蕾 张宁 吴治国 勇晓宇

摘要：单道地震作为海上地震勘探测量方式的一种，采用自激自收的测量方式，具有施工效率高、资料处理解释快速的优点，广泛应用于海上地质调查。本文对单道地震资料处理方法进行了研究，提出了一整套处理流程，重点是采用SRME算法对多次波进行压制，提高数据信噪比。将上述算法应用于长岛海域单道地震资料处理，取得了良好的效果。

关键词：单道地震；SRME；长岛海域

中图分类号：P631.44

文献标识码：A    doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2023.07.005

引文格式：张一，王成明，张朋朋，等.单道地震资料处理关键技术研究及在长岛海域的应用［J］.山东国土资源，2023，39（7）：27-32.ZHANG Yi，WANG Chengming， ZHANG Pengpeng， et al. Study on Key Technologies for Single Channel Seismic Data Processing and Application in Changdao Sea Area［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（7）：27-32.

0 引言

单道地震采取船只拖曳的方式测量，检波器与震源的距离较近，相对于勘探深度，收发距可忽略，得到的地震记录近似自激自收，不需要进行叠加处理，最大限度保留记录里的高频成分，对地下地质结构的反应也更加直观准确。通过设置适合的地震采集记录参数，能够得到含有丰富海底地层信息的高分辨率地震记录。目前，单道地震测量已成为海洋区域地质调查的主要技术方法，具有施工简单、探测深度大、操作简单、性价比高、适用海域广的优点，在地质灾害调查、水上工程建设、水上考古等领域，也有广泛的应用［1-2］。

1 环境噪声压制

1.1 带通滤波

环境噪声与有效地震记录在频谱方面会有较大差别，因此可以利用带通滤波器来压制环境噪声突出有效地震记录［3-4］。

对于一个有效波频带范围为w1～w2的地震记录x（t）设计一个带通滤波器，（w）满足式（1）：

｜（w）｜=1，w1～w20，其他（1）

将二者相乘，进行傅里叶逆变换后，得到滤除干扰后的期望输出（t）。

1.2 中值滤波

中值滤波器可以提高单道地震记录的水平相干性，同时可去除地震记录中的脉冲干扰，增加底追踪的精度［5］。中值滤波的公式如下：

g（x，y）=med｛f（x-i，y-j）｝，（i，j）  ∈S（2）

式中：f（x，y），g（x，y）为滤波前后的地震记录；S为记录窗口。

中值滤波包括两步：①设置一个（2n+1）×（2n+1）的窗口（通常选3×3或者5×5），窗口沿地震记录数据的横向炮序方向和纵向时间方向从左向右、从上往下滑动计算。②每次滑动计算后，对窗口内的地震记录数据进行排序，并用计算的中间值代替滑动窗口中心位置的数值。

2 自由表面相关多次波压制

根据多次波反射产生的最浅下行反射所在界面位置，单道地震多次波分为层间多次波和与自由表面相关的多次波［6］。多次波的出现经常使地震剖面上主要目的层反射难以解释，尤其是自由表面相关多次波常常与一次波相互干涉无法区分导致目标层无法识别。层间多次波对于单道地震剖面的影响则更小。本文针对多次波固有的周期性和可预测性特征，采用SRME算法对影响较大的自由表面相关多次波进行压制。SRME算法将地震记录数据的自褶积作为多次波预测模型，通过自适应技术对预测模型“整形”，然后减去以达到去除多次波的目的［7-10］。

2.1 一维SRME原理

2.1.1 脉冲响应函数多次波压制原理

假设x0（t）为一次反射脉冲响应，包含所有自由表面相关多次波的总体响应，公式如下：

x（t）=x0（t）-x0（t）×x0（t）+x0（t）×x0（t）×x0（t）-Λ（3）

进一步推导出一次反射脉冲响应与完整脉冲响应记录关系，公式如下：

x（t）=x0（t）-x0（t）×x（t）（4）

2.1.2 考虑震源特性

用震源信号p（t）=x（t）×s（t）代替理想脉冲响应x（t），并定义算子a（t）×s（t）=-δ（t），获得频率域由完整地震记录恢复一次反射地震记录，计算公式如下：

p0=p-A（f）p0p（5）

2.2 SRME的迭代实现

给定一个近似p0，可用下式，通过迭代计算不含多次波的一次反射地震记录。

p（i+1）0=p-A（f）p（i）0p（6）

初值可用地震数据本身，即p（0）0=p，该迭代过程收敛很快，通常2～3次迭代就可得到期待结果［11-12］（图1）。

2.3 自适应匹配相减算法

预测出的多次波在振幅、波形方面与实际数据差异较大，需要对预测数据进行整形后才能减去。本文采用单道最小二乘匹配滤波算法［13］。

根据最小二乘准则，目标函数定义为：

Q=║y（t）-f（τ）×m（t）║22（7）

求解方程f（τ）×rmm（τ）=rym（τ）即可获得最佳的自适应匹配滤波算子。

3 实际资料处理

3.1 数据处理流程

本次长岛海域開展的单道地震测量工作采用Geo Marine Survey Systems公司的单道地震测量系统，配合Geo-suite Acquisition采集软件进行，工作参数如表1所示，完成单道地震测线23条，总计320km。数据处理采用Geo-Suite Allworks软件配合自编程序进行，总结出一整套数据处理流程（图2）。

3.2 处理效果分析

原始单道地震记录（图3a）噪声较大，对反射波同相轴的识别不利，首先进行频谱分析，确定带通滤波参数后进行带通滤波处理，消除高低频噪声，保留有效信号。而对于脉冲噪声，须采用中值滤波进行处理，完成后再进行道均衡，以补偿整个地震记录文件中各道的振幅变化，经过这一系列处理后（图3b），地震记录信噪比提升，反射波同相轴更为清晰。但直达波能量仍较强，首先对海底反射同相轴进行跟踪识别，在此基础上切掉海底之上包括直达波的地震记录，只保留海底以下的地震记录，进一步提升图像质量（图3c）。此时，多次波与一次反射记录叠合（图3c），采用SRME算法对多次波进行压制（图3d），有效一次反射记录得以保留，多次波得以压制。

3.3 地震层序界面的识别及各反射界面的特征

根据调查区单道地震资料的反射波的振幅、频率、相位、连续性和波组特征的组合关系以及反射波的终止方式上超、下超、顶超和削蚀等反映地层接触关系的地震反射特征，确定地震的反射界面，进一步可划分出地震层序。最终，通过对单道地震资料的反复对比、分析，结合区内已有资料［14］，解释了除海底（H0）外的2个特征明显的区域性地震反射界面（图4），由上至下依次命名为H1、H2。结合调查区浅层高分辨率单道地震剖面特征，根据各反射层的地震波组、振幅、频率、地层的连续性、地层之间的接触关系等反射特征，划分出与之相对应的层序A1（H0-H1）、A2（H1-H2）。

3.3.1 主要反射界面的埋深特征

H0（海底）基本呈双相位连续强反射，部分测线海底地形起伏较大，主要由潮流冲刷所导致。H1为全新世底界面，在全区都有分布，可以连续追踪，呈中低频、中振幅、中连续反射特征。地震剖面上界面与下伏地层存在很明显的削截现象，反映海退后强烈的剥蚀效应。H2为晚更新世底界面，反射能量较强，为中频、强振幅、连续反射特征，全区都有分布，横向上易于识别和追踪，存在明显的削蚀现象。

3.3.2 主要地层单元的厚度与分布特征

调查区主要地层厚度分布如图5所示。A1层序厚度（全新世）：调查区全新世、上更新世厚度最大约为15m，在研究区内呈北侧厚、南侧薄的特征。岛屿附近地层较薄，一般小于10m，最厚处位于砣矶岛南部Z15线南端位置，最大为15m。

3.3.3 断裂、古河道及浅层气推断

海域地质灾害有多种类型［15-20］，可通过单道地震资料进行识别［21］。调查区发育的主要地质灾害有断裂、埋藏古河道及浅层气，通过单道地震资料对区内潜在地质灾害进行了推断（图6）。

断裂：断裂主要发育在早更新世地层中，调查区东部断层发育更为明显，调查区东部发育F3～F10共8组NW向断裂。西侧断裂相对不发育，仅有断裂F1、F2，近NE走向。

埋藏古河道：埋藏古河道对海洋工程建设影响较大，容易引起沙土液化、地基不均匀沉降，甚至是滑坡等地质灾害。调查区古河道呈叠瓦状特征，东部无古河道特征反应，发育于调查区西部Z11、Z12、Z13、L4线的中更新世地层中，浅层气：调查区内浅层气呈声学空白带特征，在L01线、Z02线识别出两处浅层气赋存地层。由于浅层气对工程建设有较大影响，建议在工程选址时将其避开。

4 结论

（1）单道地震资料受海洋噪声及多次波的干扰，有效的一次反射波往往难以识别，通过多种滤波方法的配合，重点通过SRME算法对多次波进行压制，能够提高原始资料的信噪比。

（2）通过试验，总结出了一套单道地震资料处理流程，并在长岛海域开展的单道地震测量工作进行了应用，可为今后在该区开展单道地震测量工作数据处理提供借鉴。

（3）对处理后的地震资料进行地层识别，在此基础上推断了调查区潜在的海底地质灾害分布特征，对长岛海上开展工程建设具有一定指导意义。

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Study on Key Technologies for Single Channel Seismic Data Processing  and Application in Changdao Sea Area

ZHANG Yi，WANG Chengming， ZHANG Pengpeng， HU Lei， ZHANG Ning， WU Zhiguo， YONG Xiaoyu

（Shandong Geophysical and Geochemical Exploration  Institute， Shandong Engineering and Technology Research Center of Geological Exploration， Shandong Ji'nan 250013， China）

Abstract：As one of the marine seismic survey methods， the self-excitation and self-harvesting method has the advantages of high construction efficiency and fast data processing and interpretation. It is widely used in marine geological survey. In this paper， the processing method of single channel seismic data has been studied and a whole set of processing flow has been proposed. The focus is to use SRME algorithm to suppress multiple waves and improve the signal-to-noise ratio of data. The above algorithm has been applied to single channel seismic data in Changdao sea area， and good results have been obtained.

Key words：Single channel seismic; survey; SRME; Changdao sea area

收稿日期：2023-03-09；

修訂日期：2023-04-23；

编辑：王敏

基金项目：山东省长岛海洋生态文明综合试验区海洋地质环境调查评价（鲁勘字〔2021〕52号），山东省2021年部省合作地质勘查项目

作者简介：张一（1991—），男，山东新泰人，工程师，主要从事地球物理勘探工作；E-mail：642023970@qq.com

通讯作者：王成明（1979—），男，甘肃敦煌人，高级工程师，主要从事地球化学及水文地质工作；E-mail：252913428@qq.com