單道地震資料處理關鍵技術研究及在長島海域的應用

張一 王成明 張朋朋 胡蕾 張寧 吳治國 勇曉宇

摘要：單道地震作為海上地震勘探測量方式的一種，采用自激自收的測量方式，具有施工效率高、資料處理解釋快速的優點，廣泛應用于海上地質調查。本文對單道地震資料處理方法進行了研究，提出了一整套處理流程，重點是采用SRME算法對多次波進行壓制，提高數據信噪比。將上述算法應用于長島海域單道地震資料處理，取得了良好的效果。

關鍵詞：單道地震；SRME；長島海域

中圖分類號：P631.44

文獻標識碼：A??? doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2023.07.005

引文格式：張一，王成明，張朋朋，等.單道地震資料處理關鍵技術研究及在長島海域的應用［J］.山東國土資源，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

單道地震采取船只拖曳的方式測量，檢波器與震源的距離較近，相對于勘探深度，收發距可忽略，得到的地震記錄近似自激自收，不需要進行疊加處理，最大限度保留記錄里的高頻成分，對地下地質結構的反應也更加直觀準確。通過設置適合的地震采集記錄參數，能夠得到含有豐富海底地層信息的高分辨率地震記錄。目前，單道地震測量已成為海洋區域地質調查的主要技術方法，具有施工簡單、探測深度大、操作簡單、性價比高、適用海域廣的優點，在地質災害調查、水上工程建設、水上考古等領域，也有廣泛的應用［1-2］。

1 環境噪聲壓制

1.1 帶通濾波

環境噪聲與有效地震記錄在頻譜方面會有較大差別，因此可以利用帶通濾波器來壓制環境噪聲突出有效地震記錄［3-4］。

對于一個有效波頻帶范圍為w1～w2的地震記錄x（t）設計一個帶通濾波器，（w）滿足式（1）：

｜（w）｜=1，w1～w20，其他（1）

將二者相乘，進行傅里葉逆變換后，得到濾除干擾后的期望輸出（t）。

1.2 中值濾波

中值濾波器可以提高單道地震記錄的水平相干性，同時可去除地震記錄中的脈沖干擾，增加底追蹤的精度［5］。中值濾波的公式如下：

g（x，y）=med｛f（x-i，y-j）｝，（i，j）? ∈S（2）

式中：f（x，y），g（x，y）為濾波前后的地震記錄；S為記錄窗口。

中值濾波包括兩步：①設置一個（2n+1）×（2n+1）的窗口（通常選3×3或者5×5），窗口沿地震記錄數據的橫向炮序方向和縱向時間方向從左向右、從上往下滑動計算。②每次滑動計算后，對窗口內的地震記錄數據進行排序，并用計算的中間值代替滑動窗口中心位置的數值。

2 自由表面相關多次波壓制

根據多次波反射產生的最淺下行反射所在界面位置，單道地震多次波分為層間多次波和與自由表面相關的多次波［6］。多次波的出現經常使地震剖面上主要目的層反射難以解釋，尤其是自由表面相關多次波常常與一次波相互干涉無法區分導致目標層無法識別。層間多次波對于單道地震剖面的影響則更小。本文針對多次波固有的周期性和可預測性特征，采用SRME算法對影響較大的自由表面相關多次波進行壓制。SRME算法將地震記錄數據的自褶積作為多次波預測模型，通過自適應技術對預測模型“整形”，然后減去以達到去除多次波的目的［7-10］。

2.1 一維SRME原理

2.1.1 脈沖響應函數多次波壓制原理

假設x0（t）為一次反射脈沖響應，包含所有自由表面相關多次波的總體響應，公式如下：

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

進一步推導出一次反射脈沖響應與完整脈沖響應記錄關系，公式如下：

x（t）=x0（t）-x0（t）×x（t）（4）

2.1.2 考慮震源特性

用震源信號p（t）=x（t）×s（t）代替理想脈沖響應x（t），并定義算子a（t）×s（t）=-δ（t），獲得頻率域由完整地震記錄恢復一次反射地震記錄，計算公式如下：

p0=p-A（f）p0p（5）

2.2 SRME的迭代實現

給定一個近似p0，可用下式，通過迭代計算不含多次波的一次反射地震記錄。

p（i+1）0=p-A（f）p（i）0p（6）

初值可用地震數據本身，即p（0）0=p，該迭代過程收斂很快，通常2～3次迭代就可得到期待結果［11-12］（圖1）。

2.3 自適應匹配相減算法

預測出的多次波在振幅、波形方面與實際數據差異較大，需要對預測數據進行整形后才能減去。本文采用單道最小二乘匹配濾波算法［13］。

根據最小二乘準則，目標函數定義為：

Q=║y（t）-f（τ）×m（t）║22（7）

求解方程f（τ）×rmm（τ）=rym（τ）即可獲得最佳的自適應匹配濾波算子。

3 實際資料處理

3.1 數據處理流程

本次長島海域開展的單道地震測量工作采用Geo Marine Survey Systems公司的單道地震測量系統，配合Geo-suite Acquisition采集軟件進行，工作參數如表1所示，完成單道地震測線23條，總計320km。數據處理采用Geo-Suite Allworks軟件配合自編程序進行，總結出一整套數據處理流程（圖2）。

3.2 處理效果分析

原始單道地震記錄（圖3a）噪聲較大，對反射波同相軸的識別不利，首先進行頻譜分析，確定帶通濾波參數后進行帶通濾波處理，消除高低頻噪聲，保留有效信號。而對于脈沖噪聲，須采用中值濾波進行處理，完成后再進行道均衡，以補償整個地震記錄文件中各道的振幅變化，經過這一系列處理后（圖3b），地震記錄信噪比提升，反射波同相軸更為清晰。但直達波能量仍較強，首先對海底反射同相軸進行跟蹤識別，在此基礎上切掉海底之上包括直達波的地震記錄，只保留海底以下的地震記錄，進一步提升圖像質量（圖3c）。此時，多次波與一次反射記錄疊合（圖3c），采用SRME算法對多次波進行壓制（圖3d），有效一次反射記錄得以保留，多次波得以壓制。

3.3 地震層序界面的識別及各反射界面的特征

根據調查區單道地震資料的反射波的振幅、頻率、相位、連續性和波組特征的組合關系以及反射波的終止方式上超、下超、頂超和削蝕等反映地層接觸關系的地震反射特征，確定地震的反射界面，進一步可劃分出地震層序。最終，通過對單道地震資料的反復對比、分析，結合區內已有資料［14］，解釋了除海底（H0）外的2個特征明顯的區域性地震反射界面（圖4），由上至下依次命名為H1、H2。結合調查區淺層高分辨率單道地震剖面特征，根據各反射層的地震波組、振幅、頻率、地層的連續性、地層之間的接觸關系等反射特征，劃分出與之相對應的層序A1（H0-H1）、A2（H1-H2）。

3.3.1 主要反射界面的埋深特征

H0（海底）基本呈雙相位連續強反射，部分測線海底地形起伏較大，主要由潮流沖刷所導致。H1為全新世底界面，在全區都有分布，可以連續追蹤，呈中低頻、中振幅、中連續反射特征。地震剖面上界面與下伏地層存在很明顯的削截現象，反映海退后強烈的剝蝕效應。H2為晚更新世底界面，反射能量較強，為中頻、強振幅、連續反射特征，全區都有分布，橫向上易于識別和追蹤，存在明顯的削蝕現象。

3.3.2 主要地層單元的厚度與分布特征

調查區主要地層厚度分布如圖5所示。A1層序厚度（全新世）：調查區全新世、上更新世厚度最大約為15m，在研究區內呈北側厚、南側薄的特征。島嶼附近地層較薄，一般小于10m，最厚處位于砣磯島南部Z15線南端位置，最大為15m。

3.3.3 斷裂、古河道及淺層氣推斷

海域地質災害有多種類型［15-20］，可通過單道地震資料進行識別［21］。調查區發育的主要地質災害有斷裂、埋藏古河道及淺層氣，通過單道地震資料對區內潛在地質災害進行了推斷（圖6）。

斷裂：斷裂主要發育在早更新世地層中，調查區東部斷層發育更為明顯，調查區東部發育F3～F10共8組NW向斷裂。西側斷裂相對不發育，僅有斷裂F1、F2，近NE走向。

埋藏古河道：埋藏古河道對海洋工程建設影響較大，容易引起沙土液化、地基不均勻沉降，甚至是滑坡等地質災害。調查區古河道呈疊瓦狀特征，東部無古河道特征反應，發育于調查區西部Z11、Z12、Z13、L4線的中更新世地層中，淺層氣：調查區內淺層氣呈聲學空白帶特征，在L01線、Z02線識別出兩處淺層氣賦存地層。由于淺層氣對工程建設有較大影響，建議在工程選址時將其避開。

4 結論

（1）單道地震資料受海洋噪聲及多次波的干擾，有效的一次反射波往往難以識別，通過多種濾波方法的配合，重點通過SRME算法對多次波進行壓制，能夠提高原始資料的信噪比。

（2）通過試驗，總結出了一套單道地震資料處理流程，并在長島海域開展的單道地震測量工作進行了應用，可為今后在該區開展單道地震測量工作數據處理提供借鑒。

（3）對處理后的地震資料進行地層識別，在此基礎上推斷了調查區潛在的海底地質災害分布特征，對長島海上開展工程建設具有一定指導意義。

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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；

編輯：王敏

基金項目：山東省長島海洋生態文明綜合試驗區海洋地質環境調查評價（魯勘字〔2021〕52號），山東省2021年部省合作地質勘查項目

作者簡介：張一（1991—），男，山東新泰人，工程師，主要從事地球物理勘探工作；E-mail：642023970@qq.com

通訊作者：王成明（1979—），男，甘肅敦煌人，高級工程師，主要從事地球化學及水文地質工作；E-mail：252913428@qq.com