深拖式多道高分辨率地震探測系統在南海首次應用

魏崢嶸 裴彥良 劉保華

（①長安大學地質工程與測繪學院，陜西西安710046；②自然資源部第一海洋研究所，山東青島266061；③自然資源部海洋地質與成礦作用重點實驗室，山東青島266061；④青島海洋科學與技術國家實驗室海洋地質過程與環境功能實驗室，山東青島266061；⑤國家深海基地管理中心，山東青島266237）

1 概況

深拖式多道地震探測技術是將震源和水聽器陣列通過拖曳于近海底的方式進行波場觀測（圖1）［1］。由于采用的震源具有較高主頻（200～1100Hz）以及近海底的觀測方式，避免了信號受海水吸收、海洋混響、環境噪聲等的影響，從而可采集得到高品質原始地震資料。目前常用的深拖地震探測裝備主要有美國海軍研究實驗室（NRL）在20世紀80年代研發的DTAGS系統和法國海洋研究所（IFREMER）在本世紀初研發的SYSIF系統。

DTAGS深拖地震探測系統采用赫姆霍茲共振腔震源和48道接收纜陣列［2］；后期升級為3m 道間距的24道聲學陣列和15m 道間距的24道地震接收陣列，最大作業深度達6000m。震源掃頻信號頻寬為220～1000 Hz，子波是發射長度為250ms的掃描信號，作業時每隔30s激發一次，震源聲源級約200dB［3］。Rowe等［4-5］利用DTAGS系統在北大西洋西部布萊克海嶺采集了原始數據并獲得高分辨率地震剖面，能清晰地看到表征天然氣水合物存在的似海底反射（BSR）。2009年DTAGS系統在日本近海南開海槽甲烷水合物勘探中得到了分辨率高于常規海面拖曳地震的高品質地震剖面［6］。在北Cascadia邊緣陸坡天然氣水合物勘探中也先后成功地應用了該系統［7-8］。

圖1 深拖多道地震探測技術示意圖

類似地，SYSIF深拖地震探測系統也采用赫姆霍茲共振腔震源和2m 道間距的52道水聽器拖纜，作業深度也可達6000m。震源聲源級約為196dB，震源子波為50～250ms掃描信號，主頻為220～1050Hz。為適應不同的調查船和作業水深環境，可改變SYSIF系統配備的震源型號，頻譜和聲源級會相 應 改 變［9］。Marsset 等［10］在 淺 水 海 域（310～525m，地中海獅子灣2005 年航次）和深水海域（1100～1700m）分別做了深拖地震與船載淺剖的對比試驗。結果表明不論在淺水區還是深水區，深拖地震在（水平和垂直方向）分辨率、穿透深度方面均有明顯優勢。Ker等［11］在尼日爾三角洲海域做了深拖地震與船載淺剖探測（震源主頻約3000Hz）的對比采集，得知深拖地震剖面橫向分辨率高于船載淺剖地震。改進型SYSIF 系統最大特點是各地震道均集成了姿態傳感器（橫搖、縱搖、艏向），施工中可實時監測拖纜形態［12-13］。

隨著中國主要海域的水合物資源勘探逐步進入詳查和試開采階段，對海底水合物礦體空間分布的探查精度要求顯著提高。海上常規多道地震探測的分辨率明顯不足，無法分辨表征水合物礦體存在的地球物理異常，難以滿足水合物詳查及開采的需要。從2016年開始，由自然資源部廣州海洋地質調查局牽頭，聯合第一海洋研究所及國內相關高校等單位設立國家重點研發計劃項目“近海底高精度水合物探測技術”，Kuiyang-ST2000系統即是其子課題“深拖式高分辨率多道地震探測技術與裝備研究”的階段性成果。本文詳述了Kuiyang-ST2000系統的總體設計組成、關鍵參數及特性；應用該系統在中國南海E海域進行了首次海試，所采集數據經處理后得到了高信噪比和高垂向、橫向分辨率的成像剖面。

2 深拖地震探測技術優勢

地震勘探分辨率即地震波對地質體的分辨能力，可細分為垂向和橫向分辨率［14］。垂向分辨率是指探測分辨反射界面間隔Δh的能力，與地震波波長λ有關，據瑞利準則Δh＝λ／4，若v 為地震波在介質中傳播的速度，則λ＝v／f，故垂向分辨率為Δh＝v／（4f）。圖2表示垂向分辨率與主頻的關系。

圖2 垂向分辨率與主頻關系

圖3 不同主頻時的橫向分辨率與拖曳高度的關系

3 Kuiyang-ST2000深拖地震探測系統

3.1 系統組成

Kuiyang-ST2000深拖探測系統主要由拖體和拖纜組成（圖4）。拖體上集成了水下控制中心（OCC）和1個姿態傳感器（MTI）、等離子體電火花震源、水下聲學定位超短基線（USBL）、深度計（depthometer）和高度計（altimeter，測量拖體距海底高度）；拖纜主要有前彈段、作業段及掛接阻力傘的尾彈段，作業段包含3.125m間距的48道零浮力數字拖纜，其連接處包含4個姿態傳感器（MTI）。

圖4 Kuiyang-ST2000系統組成示意圖

3.2 深拖震源

Kuiyang-ST2000深拖系統采用等離子體電火花震源［17］，該震源具有210dB 聲源級、等時／等距激發方式和0～3000J發射能量，最大作業深度為2000m。與壓電陶瓷換能器震源、共振腔震源相比，該震源具有聲源級高、寬頻帶和子波低頻成分豐富等優勢，同時其子波為脈沖波（約1ms），而共振腔震源的連續信號長度為150ms 或更長。Kuiyang-ST2000系統作業時不需延時采集，使每一道都能接收到直達波信號；采用250ms延時采集的DTAGS和SYSIF 系統只有最后3 道能接收到直達波信號［17-18］，因而無法直接用直達波和海面反射走時對每一道進行定位。該震源的激發時間間隔最小為1s，遠小于共振腔震源（＞12s）［19］，有利于靈活設計觀測系統和提高作業效率。圖5顯示該震源的子波及其頻譜形態。

3.3 深拖拖纜陣列

Kuiyang-ST2000系統的48道深潛拖纜為零浮力纜，其中包括1個前彈段、1個尾彈段和中間3個作業段，各段間由數字傳輸包（DTU）連接。作業段長度為50m，其中等間距布設4個四通道數字水聽器（FDU4），每個FDU4包括4個水聽器道，道間距為3.125m。水聽器總體動態范圍是140dB，靈敏度≥－201d B。具有單炮觸發采集和連續采集兩種模式。為提升系統模擬信號的解析能力，FDU4采用高精度32位A／D轉換器對水聽器信號進行數字化。

3.4 姿態控制與實時監測

拖體的設計須考慮它在流體中具有穩定動力學特性，使其橫滾、航向、俯仰角度均小于1.3°；拖纜則依靠配備不同直徑阻力傘和拖曳速度實現拖纜姿態的穩定性控制。系統還集成了5個姿態傳感器實時監測系統拖曳時姿態。其中第1個傳感器置于拖體的水下控制中心，主要監測拖體的橫滾、俯仰、航向姿態；其余4個傳感器分別置于4個數字傳輸包（各作業段連接處，圖4）。姿態數據實時傳至控制臺，經擬合可實時呈現拖體、拖纜姿態。

圖5 等離子體電火花震源子波（a）及其頻譜（b）

4 海上首次實測

應用Kuiyang-ST2000系統于2019年10月在中國南海E 海域進行了首次海上實際數據采集。工區位于瓊東南盆地，為新生代被動大陸邊緣盆地，處于印度板塊、歐亞板塊和太平洋板塊的接合部［20-21］，區內海底地勢較平坦。系統拖曳速度為2～3節，炮間距為6.25m，道間距為3.125m，最小炮檢距為13m（前彈段），采樣率為8k Hz，記錄長度為3000ms。

圖6 為采集單炮記錄（0～230ms）帶通濾波（150～1300 Hz）結果。地震記錄中主要包含直達波、上行反射波（海底及地層反射波）、海面反射波。由于拖曳深度達1400m，避免了水底多次被、自由表面多次波及微屈多次波等，故干擾波主要有拖船造成的線性噪聲，可能存在層間多次波或互層多次波。

4.1 數據處理

由于系統位于水下100～2000m，所以GPS無法對炮—檢點進行定位。炮點水平位置采用中心頻率為22～30k Hz的水下聲學定位系統—超短基線進行定位；炮點深度采用深度計與高度計聯合定位。圖7為炮點定位深度，圖8為拖曳時炮點相對于測線（紅線）的平面位置（藍線）。

圖6 部分單炮記錄（上圖時段為0～300ms，下圖時段為1897～1926ms）

圖7 炮點深度

通過拾取直達波旅行時tdirect和海面下行反射波旅行時tssr對水聽器進行定位。根據幾何原理（圖9）：若vw為海水中縱波傳播速度，取其平均速度為1485m／s，則檢波點位置為

圖8 炮點水平位置

式中：dr為檢波點深度；ds為震源深度；xh為水平炮檢距。

圖9 直達波下行反射波定位原理圖

圖10 第812炮海面反射波及走時拾取

圖10為拾取的海面下行反射波走時，定位結果如圖11。確定炮點及檢波點位置后，采用圖12 所示的數據處理流程，其CMP 面元為1.5m，得到如圖13 所示的最終疊加剖面。圖14 為圖13 剖面1900～2050ms時段的（藍色框）放大顯示，可見數據成像效果較好，具有很高垂向、橫向分辨率。

4.2 數據質量影響因素

由于Kuiyang-ST2000 系統探測方式的特殊性，使數據采集及處理受相關因素制約，影響最終數據質量。主要影響因素包括：

（1）震源主頻較高，使探測深度難以達到設計要求；震源子波后續存在振蕩現象，使數據信噪比受到一定的影響；

（2）在震源及陣列定位方面，因海水速度受諸多因素（如深度、鹽度、溫度等）影響，在陣列定位計算時海水速度取平均值1485m／s，所以陣列最終定位結果只是炮點的相對深度；由于海面下行反射波部分道存在相位畸變，造成走時拾取的誤差，最終導致數據不能同相疊加。

圖11 第812炮的拖纜纜陣列定位結果

圖12 數據處理流程圖

（3）當海底起伏不平時，需收放調整拖曳纜保持拖曳高度小于100m，此過程會導致拖纜無法保持水平姿態，其尾部可能會下沉或上翹；受海流影響，拖纜可能存在左右偏移。目前系統還不能對拖曳姿態進行精確控制。

上述目前尚未解決的問題，將有待于后續研究。

5 結束語

本文詳細介紹了Kuiyang-ST2000深拖式多道探測系統的總體設計結構、震源及拖纜等，應用該系統在中國南海E 海域進行了首次實測。相較于常規海洋多道地震，Kuiyang-ST2000 系統特有的高頻、高聲源級、等離子體電火花震源導致所獲數據具有很高垂向分辨率；震源子波為脈沖波，即激發時間間隔小，有利于靈活設計觀測系統和提高作業效率；零浮力數字纜能記錄單炮或連續采集數據；深潛（近海底100m）方式使系統探測具有很高的橫向分辨率。海試數據處理結果驗證了該系統的特點。

但任何系統的研制都是階段性的，其質量和性能也是逐步提高的。因此，該系統在首次海試中表現出的一些不足之處（如震源主頻過高、穿透能力弱等），將是后續研究的課題。另外，深拖地震數據的處理方法、流程等尚待進一步研究和完善。