高分辨率淺剖數據采集參數分析

馮 京，趙鐵虎，劉懷山，張曉波，褚宏憲

(1. 中國海洋大學 海洋地球科學學院，青島 266100；2.國土資源部 海洋油氣資源與環境重點實驗室，青島 266071；3.青島海洋地質研究所，青島 266071)

0 前言

高分辨率淺剖探測技術始于二十世紀六十年代初期，是海洋地球物理探測技術中的重要手段之一[1]。其具有剖面分辨率高、探測成本低和采集效率高等優點，因此被廣泛應用在海洋工程建設[2-3]、海砂及富鈷結殼等礦產資源調查[4-5]和海洋區域地質調查研究等領域。利用高品質的淺剖數據取得了良好的經濟效益和重要科研成果，在揭示海底地層結構、研究第四紀地層層序、識別海底災害地質等方面發揮了重要作用[6-7]。高品質淺剖數據資料的獲得與淺剖數據采集參數的選取有直接關系，盡管目前淺剖數據處理技術得到長足發展，但采集參數依然是決定因素之一。李一保等[8]分析了影響淺剖資料分辨率的幾個主要因素，并提出了合理設置采集參數組合來進一步提高淺剖數據分辨率的建議。作者以渤海海峽及周邊海區為研究區，分析了以往該區淺剖資料，提取了以往該區主要采集參數。運用英國CODA公司DA500淺剖探測系統，根據探測目的要求、研究區自身地質及地球物理特征，闡述了淺剖探測采集參數的選取過程。對影響淺地層剖面品質的主要參數做了詳細分析，制定了針對性試驗方案，分析了試驗中獲得的淺地層剖面，取得了良好的探測效果，確定了最佳采集參數組合，為對該區進行淺剖探測提供了參考依據。

1 研究區概況及探測目的

研究區位于渤海海峽及周邊海域，水深南部較淺，一般小于30 m，北部較深，最深處為86 m，位于老鐵山水道海區。研究區內海底沉積物礫石、細砂、細粉砂質軟泥均有分布，以細砂為主；礫石區主要分布在老鐵山水道和渤海海峽南部海區，位于研究區北部；細粉砂質軟泥主要分布在蓬萊角海區，位于研究區西南部和東南部[9]。研究區因沉積環境的變化造成海相、陸相地層交互發育特征明顯，沉積相與巖性特征變化顯著。淺剖探測目的為獲取海底以下100 m內高分辨率地層信息；探明研究區地層結構，劃分地層單元及沉積厚度；識別海底斷層，分析斷層的性質、分布特征及成因。

2 研究區地層層序模型的建立

由歷史資料顯示，根據淺地層剖面的反射結構、波組特征和上超、下超、頂超、削蝕、缺失等地層反射終止方式，渤海海峽淺地層層序自上而下依次劃分為9個反射界面及9個地層單元[10]。通過時深轉換(地層平均速度為1 650 m/s[11])結合以往研究區內水深、淺剖、鉆孔等研究成果，建立了研究區地層層序模型圖，獲得了研究區地層反射界面特征及埋深、層內反射特征及沉積類型等地層信息；發現有效地層穿透深度在50 m～70 m之間，地層穿透深度較淺；淺部有效地層信號被氣泡效應掩蓋，分辨率較低；為下一步最優采集參數的選取提供了基礎資料。

3 采集系統及采集參數分析

3.1 采集系統

淺剖探測采用英國CODA公司DA500淺剖采集系統，它由CODA采集工作站、CSP-D2400震源控制、Sparker震源、信號拖纜和20單元組合檢波水聽器五個部分組成。其中震源控制范圍50 J～2 400 J(多檔可選)；Sparker震源由8束電極組合而成，采用正極放電，電-聲轉換效率高，主頻約1 000 Hz,最大穿透深度150 m～200 m；水聽器采用組合檢波，檢波器個數為20，間隔為0.15 m，聲壓靈敏度為167 db，頻率響應為145 Hz～7 kHz，垂向分辨率為0.2 m～0.5 m。導航定位系統采用美國Trimble公司生產的DSM132型DGPS接收機，定位中誤差小于1 m，導航軟件采用廣州中海達綜合導航系統。

3.2 采集參數分析

淺剖探測系統中主要的采集參數包括激發能量、觸發間隔、震源及水聽器沉放深度、震源及水聽器拖放長度、帶通濾波、記錄量程等。通過分析以往淺剖探測資料及調查研究成果[12-14]，提取以往主要采集參數如表1所示。

3.2.1 激發能量

震源激發能量大小決定地層穿透能力和分辨率的高低[15-16]，分析探測目的為獲取海底以下100 m內高分辨率地層剖面記錄，較以往穿透地層深度大，需提高震源激發能量，對比以往激發能量300 J～500 J，確定激發能量試驗范圍為400 J～800 J。

3.2.2 觸發間隔

觸發間隔用于控制震源激發頻率，理論上觸發間隔越小，獲取海底地層的有效反射信號越多，可提高淺地層剖面的橫向分辨率。鑒于儀器本身的性能，其觸發間隔和震源能量有一定的對應關系，對比以往經驗值，觸發間隔試驗范圍為800 ms～1 200 ms。

圖1 研究區地層層序模型圖Fig．1 Stratigraphic sequence model of study areas

激發能量/J觸發間隔/ms震源換能器沉放深度/m水聽器沉放深度/m震源換能器拖放長度/m水聽器拖放長度/m帶通濾波/Hz記錄量程/ms300^50010001^20.33030500^5000100^150

3.2.3 震源及水聽器拖放長度

震源及水聽器拖放長度主要由采集環境噪聲干擾源決定，如船體發動機噪聲和船體尾流噪聲干擾等，不同船只類型其干擾源大小不同，通過分析比對以往調查船性能，本次拖放長度試驗范圍為30 m～50 m。

3.2.4 震源及水聽器沉放深度

本次調查采用漂浮式電火花震源，其入水深度由拖拽方式控制，范圍在0.3 m～1.2 m，較以往震源沉放淺，將其分為0.3 m～0.6 m，0.6 m～0.9 m，0.9 m～1.2 m三段分別進行試驗。水聽器采用20單元組合檢波器，水平漂浮于水面下0.2 m處。

3.2.5 帶通濾波

帶通濾波用于控制淺剖數據信號的有效頻帶寬度，高頻信號利于獲取淺部地層信息，低頻信號利于獲取深部地層信息。通過對以往該區淺剖數據進行頻譜分析，發現有效低頻信號在300 Hz～500 Hz，有效高頻信號在1 000 Hz～3 000 Hz，因此可確定帶通濾波范圍為300 Hz～3 000 Hz。

3.2.6 記錄量程

根據采集要求為獲取海底以下100 m以內淺剖數據，通過時深轉換有效淺剖數據記錄應不小于130 ms，考慮研究區最大水深約86 m，以及船速和觸發間隔對數據記錄長度的制約，為確保完整記錄海底以下100 m目的層淺剖數據，實際作業記錄量程可確定為300 ms。

4 試驗方案及試驗結果分析

4.1 試驗區地層背景

由于研究區跨度較大，作業環境及地震地質條件類型差異較大，因此試驗分三個區域進行，試驗測線分布在研究區的西北、西南、東南三個區域，實現對研究區整體數據資料的宏觀控制，測線總長度共計35 km。其中試驗一位于研究區西北部，水深40 m左右，海底為砂質沉積類型，工程鉆孔CD5位于試驗一區附近，孔深50.6 m，據劉升發[17]等對渤海CD5孔的描述，自上而下地層共分為四個單元，海底表層0 m～4.8 m以青灰色細砂層沉積為主，為潮流砂；15.6 m以淺含少許粘土薄層，風化層厚度不明顯；15.6 m以下沉積物多以細砂、粉砂為主。試驗二和實驗三分別位于研究區西南部和東南部，水深16 m～20 m，海底底質為粘土質粉砂和淤泥，厚度在2 m～4 m，結合位于試驗三區北部附近的NYS-102鉆孔[18](孔深為70.1 m)其地質分層主要分為十個地層單元，40 m以淺地層單元多以粘土質粉砂和細砂為主；40 m以下地層主要以細砂和中砂為主，附帶粘土夾層。另外通過對比周邊歷史淺地層剖面地震相特征發現，地層單元存在局部缺失現象。

4.2 試驗方案

根據以上分析，針對震源激發能量、觸發間隔、入水深度三個關鍵采集參數進行組合試驗。試驗位置和方案見圖2和表2。

圖2 研究區試驗測線位置圖Fig．2 Location of test lines in study areas

試驗次序試驗位置試驗測線長度/km試驗方式試驗海況試驗一研究區西北部15同一測線不同參數組合重復觀測Ⅰ級試驗二研究區西南部10同一測線不同參數組合單次觀測Ⅰ級試驗三研究區東南部10同一測線不同參數組合單次觀測Ⅰ級

4.3 試驗結果分析

4.3.1 背景噪聲分析

淺剖測量過程中的背景噪聲主要為隨機噪聲，由船體發動機噪聲、船體尾流噪聲、海水涌浪噪聲等組成[19]。它們對剖面分辨率影響較大，通過調整震源及水聽器的拖放長度,可以有效避開船體發動機噪聲及船體尾流噪聲，而海水涌浪噪聲則受天氣制約。圖3為背景噪聲隨震源及水聽器拖放長度對采集剖面的直觀響應圖，通過對比發現，隨震源及水聽器拖放長度的增加，背景噪聲效應逐漸減小；當震源及水聽器拖放長度為40 m時，背景噪聲控制效果較佳，大于40 m時，則無明顯變化，因此將震源及水聽器拖放長度設定為40 m。

圖3 背景噪聲剖面響應圖Fig．3 Response of background noise in profile

4.3.2 關鍵采集參數分析

試驗一測線位于研究區西北部，為保障采集參數對比的可靠性和一致性，對比試驗測線采取同向不同參數組合進行重復觀測。首先保持觸發間隔為1 000 ms，對震源激發能量和震源入水深度進行組合，組合參數分別為：①能量400 J，震源入水深度0.6 m～0.9 m；②能量600 J，震源入水深度0.3 m～0.6 m；③能量800 J，震源入水深度0.9 m～1.2 m。對不同參數組合采集的淺地層剖面采取局部對比分析(圖4、圖5)，發現組合①氣泡效應較弱，但深部地層反射較弱，地層穿透深度不足，深部剖面分辨率明顯較低；組合③氣泡效應較嚴重，造成淺部地層信息被覆蓋較嚴重，分辨率低；組合②氣泡效應影響相對較小，淺部分辨率較高，地層穿透深度較大達到了100 m，聲學反射特征明顯，同相軸清晰可連續追蹤，地層分界線易識別，整體分辨率較高，因此組合②為最優組合參數。然后保持激發能量600 J，震源入水深度0.3 m～0.6 m，觸發間隔采用800 ms、1 000 ms和1 200 ms進行數據采集，剖面局部對比見圖6。發現觸發間隔采用800 ms不僅能獲取更多有效地層反射信息，同相軸較連續，較易識別地層分界線及層內反射特征，且剖面橫向分辨率高于1 000 ms和1 200 ms，因此選定觸發間隔為800 ms。

圖4 氣泡效應對比Fig．4 Comparative of bubble effect

圖5 深部地層剖面對比

試驗二和試驗三分別位于研究區西南部和東南部，在試驗一的基礎上對測線采取單向連續觀測，保持其他參數不變，主要對激發能量參數進行試驗，對取得的深部地層剖面進行對比分析(圖7和圖8)，發現激發能量為600 J時，深部有效信號明顯增強，剖面波組特征清晰，地層頂、底分界面振幅強弱明顯，地層穿透深度達100 m，剖面整體分辨率優于400 J和500 J，因此激發能量參數設定為600 J。最終獲得的最佳采集參數見表3。

圖6 不同觸發間隔剖面局部對比Fig．6 Comparative of different trigger interval of partial profile

5 實測地層剖面分析

根據試驗確定的高分辨率淺剖數據采集參數,在研究區進行了實際探測作業，圖9為研究區典型淺地層剖面，發現取得的淺地層剖面資料同相軸清晰可連續追蹤，地層頂底分界線明顯(見紅色橢圓圈內剖面)，斷層斷距及斷層頂底界面信息易識別，剖面整體分辨率較高，有效探測深度超過130 ms，大于100 m。最終采集的淺剖探測數據較好地兼顧了地層分辨率和有效穿透深度，可為探明研究區地層結構，劃分地層單元及地層單元沉積厚度和識別海底斷層，分析斷層的性質、分布特征及成因等提供基礎地層信息。

圖7 試驗二深部地層剖面對比Fig．7 Comparative of deep bottom profile in test Ⅱ

圖8 試驗三深部地層剖面對比Fig．8 Comparative of deep bottom profile in test Ⅲ

激發能量/J觸發間隔/ms震源換能器沉放深度/m水聽器沉放深度/m震源換能器拖放長度/m水聽器拖放長度/m帶通濾波/Hz記錄量程/ms6008000.3^0.60.24040300^3000300

圖9 典型淺地層剖面Fig．9 A typical sub-bottom profile

6 結論

(1)在分析研究區水深分布、地層穿透深度、地層反射界面特征及埋深等資料的基礎上,建立了研究區地層層序模型，為制定試驗方案和選取最佳采集參數提供了基礎依據。

(2)通過對三個區塊的系統試驗與分析，確定了最佳采集參數，獲取了分辨率良好的淺剖數據資料。

(3)選取最佳激發能量時需兼顧穿透深度和剖面分辨率，大能量激發有利于獲得深部地層有效反射信號；減小震源入水深度可削弱氣泡效應影響；在儀器性能范圍內減小觸發間隔,可提高剖面橫向分辨率。

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