海底天然氣滲漏高精度淺層剖面處理技術

薛 花， 杜 民， 尚久靖， 文鵬飛， 張寶金

(廣州海洋地質調查局 國土資源部海底礦產資源重點實驗室,廣州 510075)

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海底天然氣滲漏高精度淺層剖面處理技術

薛 花， 杜 民， 尚久靖， 文鵬飛， 張寶金

(廣州海洋地質調查局 國土資源部海底礦產資源重點實驗室,廣州 510075)

淺地層剖面測量方法是基于水聲學原理的連續走航式探測水下淺部地層結構和構造的一種地球物理方法。對廣州海洋地質調查局近幾年野外采集的兩種不同類型(Chirp和SES-2000)的淺地層剖面原始資料特點進行了分析，野外獲得的淺剖資料，僅僅是經過采集系統后續單一的處理，對于海況較差時采集的數據，上述單一的處理方法根本無法滿足后續資料的解釋。為此有針對性的提出了高精度淺剖資料處理技術，結合某區實際資料進行應用，系統討論和分析了該區海底天然氣滲漏的聲學特征。總的來說，適合淺剖資料高精度處理方法的提出增加了識別天然氣水合物層，天然氣滲漏或擴散引起的沉積物聲學異常特征的精度，為后續資料的對比和綜合解釋奠定了基礎。

海底天然氣滲漏； 高精度處理； 淺地層剖面； 沉積物聲學異常特征

0 引言

淺地層剖面測量方法是基于水聲學原理的連續走航式探測水下淺部地層結構和構造的一種地球物理方法[1]，在海洋區域地質調查、海底礦產資源探測中都發揮了比較重要的作用。該方法在大洋科考中能較好地探明富鈷結殼，在海底礦產資源探測中能識別天然氣水合物沉積物聲學異常特征和海底微地貌異常特征。

在2011年以前獲得的淺剖資料，基本上都不做后續處理工作，因為未記錄SGY數據，解釋人員直接拿紙質剖面進行解釋。但隨著調查目的的明確為了更好地識別如麻坑、泥火山等海底微地貌異常特征以及氣泡羽狀流或類海底氣體“火焰”等異常特征。我局2011年正式開始將淺剖資料的處理作為生產任務，但是野外獲得的淺剖資料都只是經過采集系統的后續簡單單一的處理，在海況不好的情況下，由于各種噪音干擾，資料的信噪比整體會出現比較低的情況，除了同相軸連續性較差外，地質特征更加不明顯，有的地方多次波發育，使得有效層位更加追蹤困難。由于采集獲得的SGY數據道頭中未記錄導航FIX號，由此直接影響資料的對比和解釋，并且道頭記錄的地理坐標單位與解釋系統不匹配，這樣不滿足后續軟件解釋的需要[2]。

目前，國內、外對淺剖資料的研究主要是對采集后的數據直接進行簡單后續處理后就直接解釋[3-4]，對淺剖數據進行專門的處理研究相對來說比較少。近年來，陸續開始出現了對淺剖數據的處理研究，趙鐵虎等[1]利用淺地層剖面測量方法對淺水區存在的典型問題進行了分析；羅進華等[5]研究了消除涌浪影響的處理技術；陳曉輝等[6]分析了北黃海地區的原始數據資料特點；鄭紅波[7]分析了Chirp信號采集的原始數據特點；但是針對不同設備采集的具有不同特征和特點的淺剖資料并沒有詳細和完善地研究。因此，對不同設備采集的不同淺剖資料的高精度處理方法的研究，有著重要的理論和現實意義。作者對廣州海洋地質調查局近幾年野外采集的兩種不同類型(Chirp和SES-2000)的淺地層剖面原始資料特點進行了分析，形成了一套淺剖資料高精度處理流程；結合某區的實際資料，系統討論和分析了該區海底天然氣滲漏的聲學特征。

1 淺層剖面的野外采集

目前Parasound P70和SES-2000 Medium這兩大設備是廣州海洋地質調查局專門用于淺地層剖面采集，Parasound P70全海域參量淺層剖面儀來自德國ATLAS公司，它以線性調頻脈沖(Chirped)串的發射模式通過直接激發2 kHz～10 kHz的聲波信號來跟蹤海底。該設備具有分辨率高、波束窄和穿透強等特點，主要用于南海天然氣水合物的資源勘查以及大洋科考中富鈷結殼海底礦產資源探測。圖1為用P70采集的原始淺地層剖面和頻譜圖，可以看出淺剖的分辨率相當高，主頻可達4 500 Hz，振幅有正有負。

圖1 P70采集的淺地層剖面和波形圖Fig.1 Sub-bottom profile and waveform figure using P70 acquistion

圖2 SES-2000采集的淺地層剖面和波形圖Fig.2 Sub-bottom profile and waveform figure using SES-2000 acquistion

SES-2000 Medium型參量淺地層剖面儀來自德國INNOMAR公司，它通過參量陣原理得到2 kHz～10 kHz的聲波信號。該設備主要用于海洋區域淺地層結構、淺層氣和淺地層斷裂發育情況的調查。圖2為用SES-2000 Medium采集的原始淺地層剖面，可以看出高分辨率是淺剖的主要特征，野外原始資料振幅本身為包絡且為正值，其譜低頻強，隨著頻率的增加呈指數形式變化。

2 淺層剖面的處理難題

野外采集的淺剖數據由于在采集過程中受各種噪聲干擾，直接影響后續資料的解釋，面臨實際生產任務的需要，2011年我們首次將淺地層剖面的資料處理工作提上日程。由于以往沒有記錄過淺地層剖面的原始數據，因此也沒有進行過處理，只能對紙質剖面進行解釋。在處理前淺層剖面數據存在幾個大方面的問題：

1)由于儀器本身原因需要定期更換文件名記錄造成測線分段，拼接任務量大。

2)由于間隔性采集對原始數據進行了延時記錄，無法正確反映反射波的時間信息。

3)對于采集記錄為振幅的數據，由于測線為包絡，振幅值為正且譜低頻強無法進行常規去噪，同相軸模糊不清。

4)由于各種噪音干擾，造成資料信噪比極低，無法進行層位追蹤。

5)由于SGY數據未記錄導航FIX號信息且記錄的地理坐標單位與解釋系統不匹配，這樣直接影響資料后續對比和解釋。

3 處理技術

目前市面上并沒有針對淺剖專門的處理軟件，對比CGG、OMEGA、FOCUS三大處理系統，結合原始資料的特點，選擇了交互性良好的處理系統軟件FOCUS5.4地震處理系統作為處理淺剖的軟件平臺，同時利用了linux系統下的awk編程語言和seismic unix地震處理系統中的相關模塊。

將高精度地震技術運用到淺剖資料中，結合淺地層剖面的地震特征來壓制噪音和多次波，細化消除涌浪對淺地層剖面造成的影響，將FIX號信息植入道頭數據中，實現了地形起伏較大的淺層剖面的繪圖(圖3)。圖4是利用高精度處理方法處理淺剖資料前后的效果對比圖，由圖4可以看出，處理有效地壓制了各種噪音干擾，恢復了被覆蓋的有效反射，消除了涌浪造成的同相軸高頻抖動，使得微幅的精細構造得以正確識別，氣泡效應得到改善，斜干擾和隨機噪聲等干擾波的壓制也使剖面變得干凈。總之，處理明顯提高了地震數據的信噪比、分辨率和同相軸的連續性，獲得了高信噪比、高分辨率的清晰地震剖面，為正確地進行地質解釋提供了資料基礎。

圖3 淺剖資料的高精度處理流程圖Fig.3 Sub-bottom data high precision processing flow figure

圖4 高精度淺層剖面處理效果對比圖Fig.4 High precision sub-bottom processing effect contrast figure(a)原始剖面；(b)處理后成果剖面圖

4 某區海底天然氣滲漏的聲學特征

4.1 海底天然氣滲漏的反射剖面特征

我局利用Parasound P70全海域參量淺層剖面儀在某區進行了淺地層剖面測量，通過對資料的分析和詳盡的高精度處理后，發現了研究區淺地層剖面特征顯示出較好的海底連續性，剖面層次結構較為清晰，平均達到海底以下100 ms，可達到海底以下60 m厚的沉積層，平均穿透厚度小于100 m，屬于第四紀沉積層。含滲漏氣泡或水合物的沉積物表現為聲學異常，在淺地層剖面和地震反射剖面上通常表現為聲空白帶、聲混濁、增強反射、亮點、速度下拉、氣煙囪等特征[8-11]。

1)聲空白帶。聲空白是層內界面反射突然變弱或消失的區域，剖面形態類似補丁狀[12]。研究區淺地層剖面上發現了大量的聲空白帶現象(圖5)，一般認為是該沉積物中含有氣體，對聲能量的屏蔽作用，或者說聲波信號被較快吸收掉。

圖5 海底天然氣滲漏典型反射剖面特征Fig.5 Seabad gas leakage typical reflection profile feature

2)聲渾濁。聲渾濁在淺層剖面上表現為黑色斑點或團塊的現象，極易識別[13]。它是由于聲波能量被氣泡散射所致，通常會對下部地層反射造成屏蔽。圖5顯示了在研究區發現的大量具有團塊特征的聲渾濁現象。

3)增強反射。增強反射表現為連續反射層的局部振幅增強的現象，在很淺的沉積物中,天然氣在含孔隙的(富沙和粉沙)沉積物中呈聚集狀,而在不滲透的(富泥)沉積物中呈分散狀。聲渾濁通常是聚集狀天然氣的反映, 而增強反射則通常是分散狀天然氣的表現[14-15]，研究區增強反射現象較為常見。

4)多次波。多次波是因為下行波在向下傳播的過程中能量遇到含氣層界面或淺層硬底上被反射回來，然后在海底界面又被反射回去，這種低能量損失的反射方式在經過多次反復進行后就形成了多次波。在研究區的淺剖資料中，我們沒有發現多次波的存在，但利用SES-2000 Medium型參量淺地層剖面儀，在另一淺地層剖面的區域地質調查中發現了多次波的存在(圖6)。

圖6 海底天然氣滲漏多次反射剖面特征Fig.6 Seabad gas leakage multiple reflection profile feature

4.2 與海底天然氣滲漏相關的聲學微地貌特征

海底沉積層氣體以一種噴涌或滲漏的方式注入海洋，在水柱中形成特殊的海洋地質現象—海底冷泉。它逸出大量的氣泡遮蔽海底，從而形成強的波阻抗界面，這個波阻抗界面可在人工地震、淺地層剖面、多波束、旁掃聲納及其他回聲測量系統中形成異常記錄，如“火焰狀”異常，從而對海底滲漏進行有效識別。由于國內多波束測量的分辨率較低，且尚未開展側掃聲納調查工作，對海底冷泉等噴溢的識別主要依靠高分別率地震和淺地層剖面資料。

通過對研究區淺地層剖面的詳細觀察，發現了疑似海底噴溢的冷泉反射特征(圖7)。該噴溢現象表現為海底以上水柱內的振幅異常，海底以下出現振幅空白帶異常，可能為氣體滲漏的通道所在。在疑似海底滲漏帶的周圍，同時發現了具有地層含氣特征的聲渾濁、聲空白帶和海底圓丘，指示該區域地下具有充足的氣體匯聚。這種具有明顯聲學標志特征的類“海底火焰”特征的發現為今后天然氣水合物聲學特征的試驗選區也提供了依據。

圖7 研究區淺地層剖面的類”海底火焰”特征Fig.7 Sub-bottom submarine suspected flame feature in area(a)測線A; (b)測線B

5 結論

目前國內、外尚未有專門針對淺剖資料處理的軟件，因原始數據的特殊性尤其是頻率相當高和采集設備的不同，對淺剖資料處理不能按常規地震資料處理流程思路來按部就班，要針對具體情況進行分析。

作者淺剖資料高精度處理技術的提出，彌補了淺剖資料在采集上后期處理方法單一的現狀。處理后的剖面有效地壓制了各種噪音干擾，恢復了被覆蓋的有效反射，消除了涌浪造成的同相軸高頻抖動，使得微幅的精細構造得以正確識別，氣泡效應得到改善，斜干擾和隨機噪聲等干擾波的壓制也使剖面變得干凈。總之處理明顯提高了地震數據的信噪比、分辨率和同相軸的連續性，獲得了高信噪比、高分辨率的清晰地震剖面，為正確地進行地質解釋提供了資料基礎

結合實際工區運用，可以看到通過對資料的分析和詳盡的高精度處理后，發現了研究區淺地層剖面特征顯示出較好的海底連續性，剖面層次結構較為清晰，平均達到海底以下100 ms，可達到海底以下60 m厚的沉積層，平均穿透厚度小于100 m，屬于第四紀沉積層。由此可以認為，適合淺剖資料高精度處理方法的提出，增加了識別天然氣水合物層，天然氣滲漏或擴散引起的沉積物聲學異常特征(如聲混濁、空白帶、增強反射等)及海底微地貌(類“海底火焰”特征)的精度，同時對今后野外施工及后續地質分析與解釋具有現實指導意義。

[1] S.H. LEE, S.K. CHOUGH, G.G. BACK, et al. Chirp (2^7-kHz) echo characters of the South Korea Plateau,East Sea: styles of mass movement and sediment gravity flow[J]. Marine Geology, 2002,184:227-247.

[2] TAE-GOOK LEE,JAMES R. HEIN, KIEHWA LEE, et al. Sub-seafloor acoustic characterization of seamounts near the Ogasawara fracture zone in the western pacific using chirp (3-7 kHz) subbottomprofiles[J]. Deep-Sea Research I, 2005,52:1932-1956.

[3] 趙鐵虎,張志珣,許楓.淺水區地層剖面測量典型問題分析[J].物探化探計算技術，2002，24(3)：215-219.

ZHAO T H, ZHANG Z X, XU F. Analysis of typical problem for shallow acoustic surveying in the shallow waters[J].Cornputing Techniques for Geophysical and Geochemical Explration，2002，24(3)：215-219.(In Chinese)

[4] 王東,張海斕,王秀明,等.天然氣水化合物的聲學探測進展[J].應用聲學，2005,24(2)：72-77.

WANG D, ZHANG H L, WANG X M, et al. Advances in acoustic exploration of the gas hydrate[J]. Applied Acoustics，2005,24(2)：72-77. (In Chinese)

[5] 馬在田,宋海斌,孫建國．海洋天然氣水合物的地球物理探測高新技術[J]．地球物理學進展，2000,15(3):1-6.

MA Z T, SONG H B,SUN J G. Geophsical prospecting high technologies of marine gas hydrates[J].Progress in Geophysics,2000,15(3):1-6. (In Chinese)

[6] 宋海斌,江為為,張文生.天然氣水合物的海洋地球物理研究進展[J]．地球物理學進展，2002,17(2):224-229.

SONG H B, JIANG W W, ZHANG W S. Progress on marine geophysical studies of gas hydrates [J].Progress in Geophysics,2002,17(2):224-229. (In Chinese)

[7] 薛花,文鵬飛,張寶金,等.淺剖中定位FIX號方法研究[J].物探化探計算技術，2014，36(1)：92-94.

XUE H, WEN P F,ZHANG B J, et al.The method research of position FIX number in subbottom profile [J].Computing techniques for geophysical and geochemical exploation，2014，36(1)：92-94. (In Chinese)

[8] 羅進華,潘國富,丁維風.消除涌浪對海底聲學地層剖面影響的處理技術研究[J].聲學技術，2009，28(1)：21-24.

LUO J H,PAN G F, DING W F. Research on processing technique of eliminating wave-induced distortion effect on sub-bottom profile[J].Technical Acoustics，2009，28(1)：21-24. (In Chinese)

[9] 陳曉輝,李日輝,張志珣,等.北黃海海區淺地層剖面數據資料干擾分析及預處理[J].海洋地質前沿，2011，27(1)：27-32.

CHEN X H, LI R H, ZHANG Z X, et al. Interference analysis and preprocessing of the shallow profiling data in the North Yellow Sea[J].Marine Geology Frontiers，2011，27(1)：27- 32. (In Chinese)

[10]鄭紅波,閻貧,王彥林,等.基于希爾伯特變換的Chirp信號淺地層剖面數據分析及轉換[J].海洋技術，2012，31(1)：91-95.

ZHENG H B, YAN P, WANG Y L, et al. Sub-bottom profile data analysis and transformation for the chirp signal based on Hilbert transform[J].Ocean technology, 2012，31(1)：91-95. (In Chinese)

[11]陳林,宋海斌.海底天然氣滲漏的地球物理特征及識別方法[J].地球物理學進展，2005，20(4)：1067-1072.

CHEN L, SONG H B. Geophysical features and identification of natural gas seepage in marine environment [J].Progress in geophysics，2005，20(4)：1067-1072. (In Chinese)

[12]趙鐵虎,張訓華,馮京.海底油氣滲漏淺表層聲學探測技術[J].海洋地質與第四紀地質，2010，30(6)：149-156.

ZHAO T H, ZHANG X H, FENG J. Acoustic detiection techniques for seabed hydraocarbon seepage [J].Marine geology&quaternary geology，2010，30(6)：149-156. (In Chinese)

[13]尚久靖,吳廬山,梁金強,等.南海東北部陸坡海底微地貌特征及其天然氣滲漏模式[J].海洋地質與第四紀地質，2014，34(1)：129-136.

SHANG J J, WU L S, LIANG J Q, et al. The microtopographic features and gas seep model on the slope in the northeastern south china sea[J].Marine geology&quaternary geology，2014，34(1)：129-136. (In Chinese)

[14]JUDD A G.The global importance and context of methane escape from the seabed[J],Geo-Mar Lett,2003,23:147-154.

[15]ALAN JUDD,MARTIN HOVLAND.Seabed fluid flow Impact of geology,biology and the marine environment[M].Great Britain at the Alden Press,Oxford,2007.

The high precision processing technology in sub-bottom profile for seabad gas leakage

XUE Hua， DU Min， SHANG Jiu-jing， WEN Peng-fei， ZHANG Bao-jin

(Key Laboratory of Marine Mineral Resources, Ministy of Land and Resources Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510075, China)

At present, using shallow acoustic detection technology to detect seabad gas leakage has already formed a relatively mature technology processes and methods. However, to have targeted high precision processing methods are rare reported, especially in the natural gas hydrate resources investigation to detect sediments acoustic anomaly characteristics caused by gas leakage closely relationship with gas hydrate. In recent years, Guangzhou marine geological survey had acquainted two different types (Chirp and SES-2000) of the sub-bottom raw data, characterized are analyzed in the paper, and formed a set of high precision processing flow for sub-bottom profile. Combined with the actual data of the north slope of the South China Sea area, the system discusses and analyzes on the underwater acoustic characteristics of gas leakage. In general, suitable for sub-bottom profile the high precision processing method is proposed to increase the recognition of gas hydrate layer, gas leakage or the accuracy of anomaly characteristics of the diffusion caused by sediment acoustics, which leads to a foundation for subsequent data comparison and interpretation.

seabad gas leakage; high precision processing; sub-bottom profile; sediment acoustics anomaly characteristics; the north of the South China sea slope area

2015-07-31 改回日期：2015-11-18

國土資源部海底礦產資源重點實驗室開放基金課題(GZH201200307,KLMMR-2013-A-19)

薛花(1985-)，女，碩士，研究方向為海洋淺剖及單道資料處理，E-mail：xuehua2011hyl@163.com。

1001-1749(2016)05-0660-06

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.05.14