海洋深拖地震技术优势分析

方中华，赵铁虎，刘怀山，褚宏宪，冯 京

(1．中国海洋大学 海洋地球科学学院，青岛 266100；2．青岛海洋地质研究所，青岛 266071)

0 引言

近三十年来，特别是进入二十一世纪后，随着科技的进步，人类对海洋的开发和利用已经不再局限于浅海，而是逐步向深海迈进，深海中蕴藏着多金属结核、热液硫化物、石油天然气和天然气水合物等丰富的自然资源，这些资源都有待于去勘探和开发[1]。此外国家海洋主权的维护已经上升到非常重要的地位。为了满足这些需求,我们需要获取在深水条件下的高分辨率海底地形地貌，地层构造等地层声学信息。然而采用常规的地震勘探方法，很难像浅海那样获得高品质的地震资料，这是因为在深海海海洋信道中传播的声信号有着剧烈的起伏和畸变，影响地震成像的真实性和可靠性。正是因为这些原因，海洋深拖地震技术在近几年受到极大地关注。

目前声学深拖地震设备大致上可以分为两种类型：①混合深拖型(图1(a))，它是将震源置于近海表，而将地震电缆置于近海底，其典型代表是法国海洋开发研究院(简称IFREMER)的科学家研制的高分辨率混合地震采集系统Pasisar[2]，这一系统可在水深 6 000 m以内采集到高分辨率地震剖面；②深拖型(图1(b))，它是将震源和地震电缆都置于近海底，其典型代表是美国海军研究实验室(简称U.S.NRL)设计开发的一套深拖高分辨率地震勘探系统DTAGS[3-4]，这也是首套被研制出来的深拖多道地震系统[5]。

图1 海洋深拖地震系统示意图Fig．1 Schematic diagram of ocean deep-tow seismic system (a)海洋混合深拖型地震系统示意图; (b)海洋深拖型地震系统示意图

1 海洋声学环境对声学探测影响分析

声信号检测受海洋声学环境的影响较大，其中主要影响因素有海水声速剖面、传播损失、环境噪声和海洋混响等因素。

1.1 海水声速剖面

声速的数值变化虽然微小，但它对长距离传播声线的分布、射程、传播时间等量的影响很大。海水声速剖面是影响声在海水中传播最关键的水文环境因素，不同的声速剖面类型对声传播行为有截然不同的影响，声速剖面的变化以及不同声速剖面类型之间相互转换，或许是引起声在海水中传播时衰减异常的一个最重要的原因[6]。

根据声速剖面的特性，我们通常把深海声速剖面分成三大层[6]：①混合层，混合层厚度一般在30 m至100 m之间变化，与季节性的阳光照射和风浪搅动混合效果相关，在这里形成一个表面声道；②主跃变层，这一部分是指在海表面的混合层之下，海水温度随深度变化较大，特征是负的温度梯度或负声速梯度，季节对它的影响微弱；③深海等温层，在深海内部，通常情况下水深大于1 000 m，水温比较低而且稳定，特征是正声速梯度，在这里形成一个深海声道。相比于浅海声道，深海声道要稳定得多，这是因为表面声道易于受环境因素的影响，包括日光照射、风浪混合程度、黑潮、海洋锋面和中尺度涡旋等，不很稳定。当声源和接收器位于深海海表面附近时，表面层的声速变化对声传播影响很大，从而影响声探测性能[7]。

1.2 海水声吸收

海水声吸收是指声波在海水中传播时一部分能量转变为热能的过程，是声在海水中传播最重要的特性之一。海水能够吸收声音的主要原因，是水的粘滞性、还与硫酸镁和硼酸等溶质的化学弛豫过程有关。海水声吸收系数与声波频率之间有较强的相关性，在约小于几十赫兹的低频段范围内，吸收系数的量级很小，一般认为与水下声信道的低频截止效应有关；在几十赫兹到几千赫兹和几千赫兹到几百千赫兹的频段范围内，通常认为海水中硼酸以及硫酸镁的弛豫过程是引起声吸收的主要原因[8]。海水吸收系数除频率因素影响之外，还同酸碱度和盐度有较强的关系，而与温度和深度的关系较弱。

在深海进行声探测时，当声源和接收器位于深海海表面附近时，声信号从声源出发到被接收器接收到来自目标层反射回的信号，要经过一个相当长的距离。海水声吸收尽管在量级上比较小，但由于在整个声传播过程当中它都存在，累积形成的附加声传播损失通常情况下不可忽略，并且声频率越高，声传播损失就表现得越明显。

1.3 海洋环境噪音

海洋环境噪声的来源很多，按照其产生的原因来看，海洋环境噪声大致可以分为以下几种[9]：①水动力噪声，与海况和风速有明显的关系(海浪拍岸噪声、雨噪声、气泡噪声等)，它是海水和大气中的湍流所产生的噪声；②工业噪声和交通噪声，是人类活动所产生的噪声；③生物噪声，海中各种能发出声音的生物所发出的噪声；④极低频噪声，它是由地震、海底火山爆发、微地震、大尺度湍流和遥远的风暴所产生的噪声；⑤冰下噪声，与冰原的移动和振动、冰块的破裂、浮冰群的积成、吹过冰表面的涡旋气流的不平稳性及气温变化等因素有关，它是冰层在形成和运动中所产生的噪声。

相对于浅海，大量的实测数据表明，深海的环境噪声谱相当稳定，并且噪声谱级随深度的增加而减小[10]。

1.4 海洋混响

海洋混响指的是声波传播过程中，在起伏海面、不平整海底及海水介质内部随机不均匀体上反向散射在接收点所产生的信号。按照其产生混响散射源的不同大致上可将海洋混响分为以下三种[11]：①海面混响，由于海面的不平整性以及海浪形成的气泡层对声波的散射所形成的混响；②体积混响，散射体存在于海水本身或体积之中(如海水本身的不均匀性、海水中的流砂粒子、海洋生物、大的鱼群等)所引起的混响；③海底混响：海底及其附近的散射体所形成的混响。与浅海环境相比，声探测设备在深海环境中受到的海面混响与体积混响的影响要小得多。

总之浅海水声信道由于水声环境的复杂性成为一个时间——空间——频率变化、单途畸变、强多途干扰的信道，声音在浅海水声信道中传播时，具有使用带宽十分有限，多普勒频移比较严重，环境噪声高，传播损失大的特性，这给水声探测与识别带来困难，具有很强的不确定性；同浅海声道相比，深海声道由于水声环境较为安静，受到海水表面风力、波浪、洋流以及季节变化的影响要小，声道效应也更加趋于稳定[12]。因此优良安静的深海环境对改善水声探测系统的信号检测性能非常有利。

2 深拖地震技术在提高地震资料质量方面的作用分析

野外数据采集是高分辨率地震勘探技术系统工程中最为基础的部分，只有在野外采集到高信噪比，并且具有较宽有效频带的地震数据，才能处理出分辨率较高的地震剖面。

2.1 深拖地震技术提高了地震资料信噪比

海洋中存在多种噪声源，著名的Wenz曲线图较详细地描述了海洋噪声源的普遍规律性[13]。由人类活动(例如行船)所产生的噪声一般落在50 Hz～500 Hz的频带范围内，由风浪引起的噪声一般落在500 Hz～25 000 Hz的频带范围内。这些噪声所在频带，也是有效信号存在的频带。实际地震记录上总是有噪声的，我们所要做的就是要减小噪声对有效信号的的影响，而深拖地震技术可以在不减小有效信号的情况下，极大地减小行船和风浪所引起的噪声，从而提高资料的信噪比，特别是高频成分的信噪比。

低频干扰造成的后果，可以在处理时通过水平叠加的方法予以消减，但是高频干扰却会是一个严重的问题，高频信号经过海水的吸收衰减后，已经很微弱，很容易在高频干扰的海洋中被淹没，使高频信号在处理中无法再恢复[14]。深拖地震技术使地震资料有更高的信噪比，特别是改善了高频成分的信噪比，并且为处理阶段进一步改善信噪比提供了条件。

信噪比与分辨率是相互关联的，关于二者的关系，李庆忠院士曾指出：信噪比是分辨率的基础，分辨率是由信噪比所定义的。

在有噪声的情况下，分辨率达不到无噪声情况下估计的那么高。Widess[15]建议用子波主极值的平方与子波能量加噪音能量之比，来作为分辨能力的一个衡量标准。也就是说，分辨能力与信噪比是密切相关的，在相同子波的情况下，信噪比越低，分辨能力也越低。比如当信噪比为“1”时，分辨能力相比于无噪声的情况下要下降一半。实际上Widess的这个估算方法还过于乐观，他只考虑了噪声的存在会使总能量有所增加，却没有考虑噪声的存在还会对主极值的大小有改变。在极端的情况下，当子波的主峰值被噪声淹没时，已经毫无分辨率可言，所以要想获得高分辨率的地震资料，必须注意信噪比的问题。

2.2 深拖地震技术提高了地震资料分辨率

2.1.1 深拖地震技术提高了地震资料横向分辨率

地震横向分辨率是指在水平方向上能被分辨的最小地质体的横向宽度，其大小与反射波第一菲涅耳带密切相关。一般认为，地震勘探中的横向分辨率等于第一菲涅耳带半径[16]。

如图2所示，设O为一个接收点，R为一水平反射界面，h为接收点到界面的垂直距离，界面以上为均匀介质，地震波速度为ν，在自激自收的情况下，从震源O点出发，地震波向下半空间以球面波的方式传播，在某一时刻，它与界面R切于O1点，半径为h，这时O点只接收到O1一个点的反射，继续向下传播1/4周期与界面R交于C和C1点，半径为OC。依据波的传播叠加原理，只要在O点接收到时差不大于1/2周期的波就会得到相干加强的合成波形。所以，O点接收到的反射是界面CC1所有子波叠加的结果。

图2 地震反射子波第一菲涅尔带示意图Fig．2 Schematic diagram of the first Fresnel zone seismic reflection wavelet

(1)

设O点接收到O1点与C点的二个波的时差等于1/2周期，即

得

(2)

将式(2)代入式(1)得

当h≫λ时有

式中h为接收点到界面的垂直距离；λ为子波的波长。

我们把CC1称为第一菲涅尔带，把O1C称为菲涅尔带半径r(CC1=2r)，地震子波的横向分辨率即可写为

从上式中可以看出，当把拖体置于近海底时，缩短了拖体与被探测地层的距离，使其更接近目标(图3)，可以在很大程度上地提高地震资料横向分辨率。

图3 海洋深拖地震技术减小第一菲涅尔带示意图Fig．3 Schematic diagram of ocean deep-tow seismic technology reduces the first Fresnel zone

图4 同一地区高分辨率地震剖面和深拖地震剖面对比图[5]Fig．4 Comparison profiles of deep-tow seismic and high resolution seismic from the same area[5]

2.1.2 深拖地震技术提高了地震资料纵向分辨率

地震纵向分辨率是指在垂直方向上能被分辨的最小地层厚度，一般认为，可以分辨的最小地层极限厚度为子波主频的1/4波长时容易辨认[17]。在讨论地震资料分辨率时，通常为了简化，把地震波等同于弹性波，但在实际情况下随着传播距离增大或传播时间延长，我们总是看到地震波的视频率及主频在逐渐下降。这与地震波在通过介质时要被吸收或衰减有关，这是因为有一部分能量在传播过程中转化为热。地震波在有吸收的介质中每传播一个波长的距离，能量损失的程度一般认为是固定的，又由于高频成分的波长要比低频成分的波长短很多，对于一段相同的传播距离来说，可能相当于低频成分的很少几个波长，但相当于高频成分很多个波长，所以在传播相同距离时高频成分衰减要比低频成分衰减快很多。在研究深拖地震技术对分辨率影响时，必须考虑海水声吸收作用对分辨率影响，特别是对高频成分的吸收作用对分辨率影响。

目前国内深拖地震勘探的研究较少，而国外的研究成果相对较多，这里只举一个法国海洋开发研究院对运用SYSIF高分辨率及超高分辨率深拖地震系统勘探进行了研究。图4是该研究院在尼日尼亚深水斜坡(水深大于1 200 m)先后用高分辨率地震系统和深拖地震系统在同一地区获得的地震剖面图[5]。从同一个地区的深拖地震结果和高分辨地震结果对比可以看出，深拖地震剖面清楚地显示出断层的存在，而在高分辨地震剖面中则难以发现断层。深拖地震剖面能显示详细的地层构造，分辨率在横向上和纵向上都比高分辨地震要高很多。高分辨率地震剖面缺少很多细节，这是因为地震波中的高频成分在海水中传播时被海水吸收衰减严重的缘故。

此外深拖地震技术有利于提高速度分析的精度，对AVO分析效果较好，这是因为在相同的电缆排列长度情况下，在近海底接收可以获取更大反射角的地震信号，甚至可以获得广角反射信息[18]。

3 结论

(1)深拖地震技术降低了噪声对地震记录的影响，特别是行船和风浪引起的噪声对地震纪录的影响，有效地提高了信噪比，特别是改善了高频成分的信噪比。

(2)深拖地震技术缩短了拖体与被探测地层的距离，使其更接近目标，可以很大程度上地提高地震资料的横向分辨率。

(3)深拖地震技术在一定程度上减小了信号在传播过程中的衰减，使信号的高频成分能有效地记录下来，提高了地震资料的纵向分辨率。

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