高分辨率浅剖数据采集参数分析

冯 京，赵铁虎，刘怀山，张晓波，褚宏宪

(1. 中国海洋大学 海洋地球科学学院，青岛 266100；2.国土资源部 海洋油气资源与环境重点实验室，青岛 266071；3.青岛海洋地质研究所，青岛 266071)

0 前言

高分辨率浅剖探测技术始于二十世纪六十年代初期，是海洋地球物理探测技术中的重要手段之一[1]。其具有剖面分辨率高、探测成本低和采集效率高等优点，因此被广泛应用在海洋工程建设[2-3]、海砂及富钴结壳等矿产资源调查[4-5]和海洋区域地质调查研究等领域。利用高品质的浅剖数据取得了良好的经济效益和重要科研成果，在揭示海底地层结构、研究第四纪地层层序、识别海底灾害地质等方面发挥了重要作用[6-7]。高品质浅剖数据资料的获得与浅剖数据采集参数的选取有直接关系，尽管目前浅剖数据处理技术得到长足发展，但采集参数依然是决定因素之一。李一保等[8]分析了影响浅剖资料分辨率的几个主要因素，并提出了合理设置采集参数组合来进一步提高浅剖数据分辨率的建议。作者以渤海海峡及周边海区为研究区，分析了以往该区浅剖资料，提取了以往该区主要采集参数。运用英国CODA公司DA500浅剖探测系统，根据探测目的要求、研究区自身地质及地球物理特征，阐述了浅剖探测采集参数的选取过程。对影响浅地层剖面品质的主要参数做了详细分析，制定了针对性试验方案，分析了试验中获得的浅地层剖面，取得了良好的探测效果，确定了最佳采集参数组合，为对该区进行浅剖探测提供了参考依据。

1 研究区概况及探测目的

研究区位于渤海海峡及周边海域，水深南部较浅，一般小于30 m，北部较深，最深处为86 m，位于老铁山水道海区。研究区内海底沉积物砾石、细砂、细粉砂质软泥均有分布，以细砂为主；砾石区主要分布在老铁山水道和渤海海峡南部海区，位于研究区北部；细粉砂质软泥主要分布在蓬莱角海区，位于研究区西南部和东南部[9]。研究区因沉积环境的变化造成海相、陆相地层交互发育特征明显，沉积相与岩性特征变化显著。浅剖探测目的为获取海底以下100 m内高分辨率地层信息；探明研究区地层结构，划分地层单元及沉积厚度；识别海底断层，分析断层的性质、分布特征及成因。

2 研究区地层层序模型的建立

由历史资料显示，根据浅地层剖面的反射结构、波组特征和上超、下超、顶超、削蚀、缺失等地层反射终止方式，渤海海峡浅地层层序自上而下依次划分为9个反射界面及9个地层单元[10]。通过时深转换(地层平均速度为1 650 m/s[11])结合以往研究区内水深、浅剖、钻孔等研究成果，建立了研究区地层层序模型图，获得了研究区地层反射界面特征及埋深、层内反射特征及沉积类型等地层信息；发现有效地层穿透深度在50 m～70 m之间，地层穿透深度较浅；浅部有效地层信号被气泡效应掩盖，分辨率较低；为下一步最优采集参数的选取提供了基础资料。

3 采集系统及采集参数分析

3.1 采集系统

浅剖探测采用英国CODA公司DA500浅剖采集系统，它由CODA采集工作站、CSP-D2400震源控制、Sparker震源、信号拖缆和20单元组合检波水听器五个部分组成。其中震源控制范围50 J～2 400 J(多档可选)；Sparker震源由8束电极组合而成，采用正极放电，电-声转换效率高，主频约1 000 Hz,最大穿透深度150 m～200 m；水听器采用组合检波，检波器个数为20，间隔为0.15 m，声压灵敏度为167 db，频率响应为145 Hz～7 kHz，垂向分辨率为0.2 m～0.5 m。导航定位系统采用美国Trimble公司生产的DSM132型DGPS接收机，定位中误差小于1 m，导航软件采用广州中海达综合导航系统。

3.2 采集参数分析

浅剖探测系统中主要的采集参数包括激发能量、触发间隔、震源及水听器沉放深度、震源及水听器拖放长度、带通滤波、记录量程等。通过分析以往浅剖探测资料及调查研究成果[12-14]，提取以往主要采集参数如表1所示。

3.2.1 激发能量

震源激发能量大小决定地层穿透能力和分辨率的高低[15-16]，分析探测目的为获取海底以下100 m内高分辨率地层剖面记录，较以往穿透地层深度大，需提高震源激发能量，对比以往激发能量300 J～500 J，确定激发能量试验范围为400 J～800 J。

3.2.2 触发间隔

触发间隔用于控制震源激发频率，理论上触发间隔越小，获取海底地层的有效反射信号越多，可提高浅地层剖面的横向分辨率。鉴于仪器本身的性能，其触发间隔和震源能量有一定的对应关系，对比以往经验值，触发间隔试验范围为800 ms～1 200 ms。

图1 研究区地层层序模型图Fig．1 Stratigraphic sequence model of study areas

激发能量/J触发间隔/ms震源换能器沉放深度/m水听器沉放深度/m震源换能器拖放长度/m水听器拖放长度/m带通滤波/Hz记录量程/ms300^50010001^20.33030500^5000100^150

3.2.3 震源及水听器拖放长度

震源及水听器拖放长度主要由采集环境噪声干扰源决定，如船体发动机噪声和船体尾流噪声干扰等，不同船只类型其干扰源大小不同，通过分析比对以往调查船性能，本次拖放长度试验范围为30 m～50 m。

3.2.4 震源及水听器沉放深度

本次调查采用漂浮式电火花震源，其入水深度由拖拽方式控制，范围在0.3 m～1.2 m，较以往震源沉放浅，将其分为0.3 m～0.6 m，0.6 m～0.9 m，0.9 m～1.2 m三段分别进行试验。水听器采用20单元组合检波器，水平漂浮于水面下0.2 m处。

3.2.5 带通滤波

带通滤波用于控制浅剖数据信号的有效频带宽度，高频信号利于获取浅部地层信息，低频信号利于获取深部地层信息。通过对以往该区浅剖数据进行频谱分析，发现有效低频信号在300 Hz～500 Hz，有效高频信号在1 000 Hz～3 000 Hz，因此可确定带通滤波范围为300 Hz～3 000 Hz。

3.2.6 记录量程

根据采集要求为获取海底以下100 m以内浅剖数据，通过时深转换有效浅剖数据记录应不小于130 ms，考虑研究区最大水深约86 m，以及船速和触发间隔对数据记录长度的制约，为确保完整记录海底以下100 m目的层浅剖数据，实际作业记录量程可确定为300 ms。

4 试验方案及试验结果分析

4.1 试验区地层背景

由于研究区跨度较大，作业环境及地震地质条件类型差异较大，因此试验分三个区域进行，试验测线分布在研究区的西北、西南、东南三个区域，实现对研究区整体数据资料的宏观控制，测线总长度共计35 km。其中试验一位于研究区西北部，水深40 m左右，海底为砂质沉积类型，工程钻孔CD5位于试验一区附近，孔深50.6 m，据刘升发[17]等对渤海CD5孔的描述，自上而下地层共分为四个单元，海底表层0 m～4.8 m以青灰色细砂层沉积为主，为潮流砂；15.6 m以浅含少许粘土薄层，风化层厚度不明显；15.6 m以下沉积物多以细砂、粉砂为主。试验二和实验三分别位于研究区西南部和东南部，水深16 m～20 m，海底底质为粘土质粉砂和淤泥，厚度在2 m～4 m，结合位于试验三区北部附近的NYS-102钻孔[18](孔深为70.1 m)其地质分层主要分为十个地层单元，40 m以浅地层单元多以粘土质粉砂和细砂为主；40 m以下地层主要以细砂和中砂为主，附带粘土夹层。另外通过对比周边历史浅地层剖面地震相特征发现，地层单元存在局部缺失现象。

4.2 试验方案

根据以上分析，针对震源激发能量、触发间隔、入水深度三个关键采集参数进行组合试验。试验位置和方案见图2和表2。

图2 研究区试验测线位置图Fig．2 Location of test lines in study areas

试验次序试验位置试验测线长度/km试验方式试验海况试验一研究区西北部15同一测线不同参数组合重复观测Ⅰ级试验二研究区西南部10同一测线不同参数组合单次观测Ⅰ级试验三研究区东南部10同一测线不同参数组合单次观测Ⅰ级

4.3 试验结果分析

4.3.1 背景噪声分析

浅剖测量过程中的背景噪声主要为随机噪声，由船体发动机噪声、船体尾流噪声、海水涌浪噪声等组成[19]。它们对剖面分辨率影响较大，通过调整震源及水听器的拖放长度,可以有效避开船体发动机噪声及船体尾流噪声，而海水涌浪噪声则受天气制约。图3为背景噪声随震源及水听器拖放长度对采集剖面的直观响应图，通过对比发现，随震源及水听器拖放长度的增加，背景噪声效应逐渐减小；当震源及水听器拖放长度为40 m时，背景噪声控制效果较佳，大于40 m时，则无明显变化，因此将震源及水听器拖放长度设定为40 m。

图3 背景噪声剖面响应图Fig．3 Response of background noise in profile

4.3.2 关键采集参数分析

试验一测线位于研究区西北部，为保障采集参数对比的可靠性和一致性，对比试验测线采取同向不同参数组合进行重复观测。首先保持触发间隔为1 000 ms，对震源激发能量和震源入水深度进行组合，组合参数分别为：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。对不同参数组合采集的浅地层剖面采取局部对比分析(图4、图5)，发现组合①气泡效应较弱，但深部地层反射较弱，地层穿透深度不足，深部剖面分辨率明显较低；组合③气泡效应较严重，造成浅部地层信息被覆盖较严重，分辨率低；组合②气泡效应影响相对较小，浅部分辨率较高，地层穿透深度较大达到了100 m，声学反射特征明显，同相轴清晰可连续追踪，地层分界线易识别，整体分辨率较高，因此组合②为最优组合参数。然后保持激发能量600 J，震源入水深度0.3 m～0.6 m，触发间隔采用800 ms、1 000 ms和1 200 ms进行数据采集，剖面局部对比见图6。发现触发间隔采用800 ms不仅能获取更多有效地层反射信息，同相轴较连续，较易识别地层分界线及层内反射特征，且剖面横向分辨率高于1 000 ms和1 200 ms，因此选定触发间隔为800 ms。

图4 气泡效应对比Fig．4 Comparative of bubble effect

图5 深部地层剖面对比

试验二和试验三分别位于研究区西南部和东南部，在试验一的基础上对测线采取单向连续观测，保持其他参数不变，主要对激发能量参数进行试验，对取得的深部地层剖面进行对比分析(图7和图8)，发现激发能量为600 J时，深部有效信号明显增强，剖面波组特征清晰，地层顶、底分界面振幅强弱明显，地层穿透深度达100 m，剖面整体分辨率优于400 J和500 J，因此激发能量参数设定为600 J。最终获得的最佳采集参数见表3。

图6 不同触发间隔剖面局部对比Fig．6 Comparative of different trigger interval of partial profile

5 实测地层剖面分析

根据试验确定的高分辨率浅剖数据采集参数,在研究区进行了实际探测作业，图9为研究区典型浅地层剖面，发现取得的浅地层剖面资料同相轴清晰可连续追踪，地层顶底分界线明显(见红色椭圆圈内剖面)，断层断距及断层顶底界面信息易识别，剖面整体分辨率较高，有效探测深度超过130 ms，大于100 m。最终采集的浅剖探测数据较好地兼顾了地层分辨率和有效穿透深度，可为探明研究区地层结构，划分地层单元及地层单元沉积厚度和识别海底断层，分析断层的性质、分布特征及成因等提供基础地层信息。

图7 试验二深部地层剖面对比Fig．7 Comparative of deep bottom profile in test Ⅱ

图8 试验三深部地层剖面对比Fig．8 Comparative of deep bottom profile in test Ⅲ

激发能量/J触发间隔/ms震源换能器沉放深度/m水听器沉放深度/m震源换能器拖放长度/m水听器拖放长度/m带通滤波/Hz记录量程/ms6008000.3^0.60.24040300^3000300

图9 典型浅地层剖面Fig．9 A typical sub-bottom profile

6 结论

(1)在分析研究区水深分布、地层穿透深度、地层反射界面特征及埋深等资料的基础上,建立了研究区地层层序模型，为制定试验方案和选取最佳采集参数提供了基础依据。

(2)通过对三个区块的系统试验与分析，确定了最佳采集参数，获取了分辨率良好的浅剖数据资料。

(3)选取最佳激发能量时需兼顾穿透深度和剖面分辨率，大能量激发有利于获得深部地层有效反射信号；减小震源入水深度可削弱气泡效应影响；在仪器性能范围内减小触发间隔,可提高剖面横向分辨率。

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