知识窗▏浅海地震测量的应用及其资料分析

海洋地震勘探主要利用地震波在海底地层岩石中的传播规律，来研究海底以下地质构造，推断岩体物性，勘查海底资源。地震勘探法是目前海底探查应用最广、成效最高的地球物理技术。20世纪以来，海底地震迅速发展，主要表现在采集系统的高集约化、采集技术的多样化、探测技术的多元化、数据处理解释技术的飞速发展。探测维数也从最初的二维发展到目前的三维地震探测，甚至时移探测，即四维地震探测。

一、近海地震测量的应用

引起地面震动的地震，一般分为天然地震和人工地震两大类。天然地震是当地层岩石发生大规模断裂错动时发生的；人工地震是人们利用人工震源（如引爆炸药等）激发产生地震波。与声波在空气、水中传播遇到障碍物会发生反射一样，地震波在地层中遇到性质不同的地层介质交界面时也会发生反射、折射现象。利用声波折射和反射原理，对天然地震的震源深度和震中分布的对比，获得了有关海底构造的重要信息。浅海的人工地震能够采用许多陆地上不能使用或难以使用的方法，这是海上人工地震的一大特点。利用人工地震的记录，进行分析研究，反演出有关地层厚度、界面的几何形态、岩层形状和密度等一系列有用的信息；在结合海上重力、磁力等观测数据，可推断出地壳构造和矿产资源的分布。随着海上地震折射技术的发展以及高精度反射地层剖面仪的广泛使用。人工地震已经在海洋地壳结构、地质构造和矿产资源（石油、天然气等）的探测等方面取得了巨大的成果。

二、地震测量的分类

地震测量可分为反射式和折射式两类。由于各岩层地质构造和物理特性不同，地震波在其中的传播速度也有明显差别。随着岩层深度的增加，岩石愈是紧密，地震波速度也不断增加。比如，海底沉积岩层为1500～3000m/s，基底岩层为4500～5500m/s，大洋层为6500～7500m/s，上地幔则高达7800～8400m/s。地震波在岩层中传播时，遇到两种性质不同的岩层交界面会产生反射现象，这是地震反射测量的基础。不管是反射式还是折射式地震测量，都是为了提高可测深度，采用的人工震源所激发的地震波频率应在5～500Hz范围内，分析地震测量的资料能提供有关浅地层结构的深度及其声速特征。⒈ 地震波反射测量是通过测量地层界面反射信号的到达时间来确定海底地层形态构造的。由于地震波频率很低，其穿透海底的能力很强，因此可探测数千米的深度。根据地震波能量穿透的深度，反射式地震测量又分为深反射地震测量和浅反射地震测量。前者主要用于勘探目的，后者与回声测深仪、侧扫声纳以及浅地层剖面仪一起用于海底调查。深反射地震又根据所用的检波器阵列的特性和所获得信息的特点分为二维地震测量和三维地震测量。图1左为反射式地震测量示意图，当震源与检波器（又称接收振子）之间的距离很近，地震波接近垂直入射或者小于临界入射角θ_c=sin^-1（c₁/c₂）时，检波器接收海底岩层反射回波而进行的测量，称为反射式地震测量。 图1 地震波的反射与折射⒉ 地震波反射测量地震波从一种岩层向另一岩层传播时，由于岩层密度不同，也会产生折射现象。地震折射测量是利用地震波在岩层中折射传播的特点，来测定海底地壳组成及其构造的。在测量过程中，利用了两艘调查船完成的，一艘激发地震波，另一艘接收折射地震波。随着震源与检波器距离的扩大，地震波入射角大于等于临界入射角时，地震波将沿海底地层进行折射传播，图1右所示，检波器接收海底岩层折射回波而进行的测量，称为折射式地震测量。⒊ 二维和三维地震测量地震测量的本质是测量由海底地层反射回来的地震波的时间和波形，沿着一个剖面获得二维的海底各界面数据，主要用于勘探。三维地震测量可以理解为由一系列平行，相距很近的二维反射地震测量线组成。三维地震测量可以在三维空间中将所收集的各类数据进行综合、分类处理，即可以得到某一方向的二维剖面，又可根据不同时间的数据融合产生三维立体图。当今，三维地震勘探技术已经使石油和天然气工业研究革命化。这项技术已经在石油和天然气勘探和开发的所有阶段中大大提高了钻探成功率。目前，数字化地震测量、高分辨浅震及其数据处理是当今三维地震勘探技术的发展方向。

三、地震测线的布设

为了准确反映勘探海底地质构造的需求，地震测量一般是按照一定的路线（称为测线）进行的。测线的布设对于了解地下地质构造关系很大。测线布设的基本原则：一是测线应为直线，二是一般应垂直构造的走向；目的是更好地反映构造形态。地震测线的布设方法还要根据不同勘探目的要求而有所区别。①路线普查：路线普查又称大剖面，一般在勘探准确程度要求不高，未进行过地震测量的区域进行，其任务是了解区域性的地质构造情况，取得进一步工作所需要的地震、地质条件的资料。布设测线以重力、磁力测量资料中了解到测区大地构造的初步资料为依据。测线间隔大小可以根据测区的地质构造规模的大小而定，一股在几十公里或几百公里左右。②面积普查：面积普查主要是在有含油气远景的地区寻找可能的储油气带或其它有价值矿产的区域，研究地层的分布规律，查明大的局部构造。一般是在路线普查所发现的构造上进行。首先应证实构造的存在；然后再进一步开展工作。布置测线的要求是：主测线垂直构造走向，测线间隔以不漏掉局部构造为原则，线间不应大于预测构造长轴的一半，并要做一定线路的联络测线，把主测线连接起来，联络测线一般垂直于主测线，与主测线形成有一定面积范围的方格网。③面积详查：面积详查的任务是在已知构造上查明其构造特点，提供最有利的含矿物地带，为钻探准备井位。面积详查是根据初步查明的构造大小和形态来布设测线。要求主测线一般要垂直构造走向，线距为2～3km。联络测线垂直于主测线，并与主测线形成多边形的闭合圈，见图2，穹窿背斜型构造的面积详查，可利用径向测线系统，再沿构造的周边用少数测线连接起来见图3。图2 面积详查的测线布设图3  背斜构造的径向测线布设④构造细测：为了进行油田开发，配合钻井，有时要进一步将测线距离缩短到几百米到一公里，进行细测。这时对勘探精度有比较高的要求，测线的布设应以一个构造或一个构造单元为勘探单位。

四、单道反射地震在浅水条件下的应用

⒈ 系统组成单道反射地震方法在浅海地质勘查领域具有较大的优势，可以为地质构造调查研究、海上基建项目选址、填海及航道疏通工程可行性研究等提供大量重要的地质信息，也被用于海底管线、隧道和各种掩埋物等的调查研究。单道海上反射地震具有配置灵活、操作简单、高效且经济的特点，作为一种基础物探方法，其应用领域不断扩展。 图4 反射地震剖面系统的组成和工作原理示意图单道海上反射地震系统由船载系统和拖曳系统构成。拖曳系统包括换能器、水听器和电缆构成；船载系统包括可控震源、数据采集和处理平台、GPS卫星导航定位系统，测深系统等，见图4。⒉ 系统安装及注意事项在大区域、深水条件下，发射和接收设备(换能器和水听器)拖在船尾30～50m，以降低发动机、螺旋桨及船载设备对地震系统造成的音频干扰。而在近岸浅水区域，工程特点一是区域小，测线往往很短，很多工区在海湾、避风塘等半封闭地区，发射和接收设备不能拖在船后足够距离；二是水浅，水深大多在2～10m，不利于野外作业。在上述的环境不允许按深水区域的配置进行工作，如果缩短后置距离，环境噪声必然增加，特别是测量船尾流生成的大量气泡，容易造成声波混淆。图5 受亳达波和水底多次反射渣干扰的地震剖面近岸地层的基岩界面较浅，沉积层相对较薄，地震的测量目标区厚度仅几米到十几米，直达波和水底的多次反射波会严重影响有用信息的获取。在水深足够的情况下，可通过设置延时接收参数。去除直达波，而且它一般对地层剖面没有影响。而在浅水条件下，水深可能和收发距相当，故而会叠加在水底反射界面上，严重时可能使海床面的辨认变得极为困难；多次波的情况更复杂。海底反射多次波在地震剖面上比较容易判断，往往是形态相似，和水深相关，随反射次数的增加，波动幅度逐渐加大的一组反射界面。在浅水条件下需组织设计一套压制直达波和多次波，提高地震信号信噪比的野外施工方案，并在施工中验证方案的有效性。图5是受直达波和水底的多次反射波干扰的典型地震剖面。可在系统装配设计时，将换能器和水听器分别放置在测量船两边，其好处是船体阻隔了直达波的大部分能量，使其对剖面的影响程度减弱到允许的范围，破坏了大部分多次反射波的形成途径。不利的方面是，由于靠近船身，噪声加大，而且由于涌浪的推动，水听器经常碰触船体而造成干扰。改进的方案是：①在水听器的尾部设一个支点，防止它在测量船转弯时碰撞船壁，但又给它一定的自由度，保证正常航行时整条电缆不会激起气泡；②其次，航线设计成平行于潮水方向，减弱浪涌的作用；③根据具体情况调节收发距和水听器的吃水深度，进一步压制多次波的作用或避免多次反射界面叠加在真实地层界面上；④选择合适的震源能量也可以有效地减弱多次波的作用，由于水浅，不但水底的反射产生多次波，基岩面的反射波同样在水层中产生多次反射，因此，适当降低震源的能量在此类情况下是有益的。⒊ 抑制噪声水平的方法地震勘查依赖于接收器的信噪比水平，通过压制噪声来提高信噪比水平同样是野外作业人员的工作重点。噪声包括空间随机信号和相干噪声。噪声源主要包括电缆晃动产生的水体紊乱、微弱的地震信号、海上交通、生物活动等造成的环境噪声，以及推进马达、螺旋桨、发电机、通讯设备产生的音频噪声。低于10Hz的背景噪声主要是微弱地震活动；10～200Hz主要由船引起；200～1000Hz的噪声主要考虑海水状态以及风的影响。抑制噪声水平的其它方法如下：①通过上述对噪声的频谱分析得知，噪声能量集中的频率范围为10～1000Hz，主要来源是发动机的震动和螺旋桨引起的，1000Hz以上频率的噪声幅度相对减弱。因此，将水听器同主要噪声源之间的距离拉大，可以有效地降低噪声干扰，如将水听器放置在远离发动机的一侧。②通过改变噪声源的基频，将之改变到换能器的能量谱之外，然后通过滤波的方法加以消除，如在船的发动机机座上安装避震装置来降低震动频率。③可通过改变船速来降低螺旋桨产生的噪声，实验证明，噪声水平在船速3～4km时较低，当船速达到6km时急剧升高。④对于电噪声，如50Hz(或60Hz)基频及其次生谐波的干扰、尖脉冲等，通过给发电机输出端加装滤波电感，在震源和接收系统处分别接水线等方法加以压制，再通过低通滤波进一步消除。

五、地震剖面资料的解释与处理

地震剖面解释建立在声阻抗理论的基础上，换能器以一定的时间间隔向海底发射声脉冲，声波在遇到声阻抗特性不同的介质时，在界面上会产生反射。结合当地地质资料及地质取样数据和经过数据处理的地震剖面来区分和定义不同类型的地层，就可以确定这些界面的属性。近海浅水区域的地层一般为填埋层、沉积层及冲淤积层、基岩层等。⒈ 填埋层在部分区域有填埋层，和其依附的海相沉积层成分相似，但较松软，二者之间由于密度不同会产生相对较强的声波反射界面，层内密度不均，相对应的地震剖面多呈杂乱反射图像。 图6  某工程区域层位实例⒉ 沉积层及冲淤积层海相沉积层构成均一，层内密度随深度逐渐增加，其地震剖面没有强的杂乱反射。冲淤积层最为显著，也就是说相对厚度最大，依附于风化基岩上，成分主要包括密度和强度随深度逐渐增加，冲积或淤积的沙、淤泥及粘土，从整条剖面来看，沙层、淤泥层和牯土层具有不连续性，但在局部的地震剖面上，成分之间的界面可辨。如图6所示，DM为倾倒物堆积层；MD为HHF类型沉积物，是在河口湾沉积或海积环境作用下产生的沉积类；EM为属于SWF类型沉积物，SWF类型沉积依附在CLKF沉积之上，呈现出被深沟剪切的波动表面，由渗入这些沟道沙和粘土构成，也归为海相沉积型沉积；A属于CLKF类型沉积层，积通常称作冲淤积层，也可能包括塌积、河口冲积、潮积等。⒊ 基岩层风化基岩面多呈现弧状反射，声波在基岩内的传播速度明显加快，在信号的时间-幅度图中，该层的地震子波周期明显加大，图7为地震解释剖面上显示的基岩层图像，图中的GM即为基岩层。 图7 地震解释剖面上显示的基岩层⒋ 各层厚度值的获取为了获取地层的厚度，在界定了各地层的声波反射界面之后．需要利用地震数据处理软件提供的数字化功能，将层的时间数据提取出来。这个时间为双程走时，是声波从发射开始，传播至反射界面再回到接收所经历的时间。如果知道该介质的声速c、各地层的层速，这个界面的深度就能根据公式算出。

六、结语

单道海上反射地震因其高效、经济的优势，在调查沉积地层结构、寻找含沙地层以提供建筑用沙、勘测基岩深度以及水下考古、海床下的空洞和隧道探测等近海工程物探领域具有广阔的应用前景。合理运用抑制多次波和噪声水平的技术，选取最佳的数据采集参数，并结合地质资料和钻孔数据，是取得高质量地震数据以及进行正确解释的基础和保证。另外，就地质勘探而言，浅海地震测量对研究海底地壳构造具有十分重要的作用，也是目前所利用的最为有效的手段和方法。但其探测的精度以及数据处理的方法仍有进一步的提高和完善的空间，如抗干扰高分辨率地震技术、多通道数字化地震技术等等。

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