基于海洋浅剖资料的多样数据挖掘

刘玉萍 ， 杨志成 ， 李福元 ， 李丽青 ， 张宝金

(1.国土资源部 海底矿产资源重点实验室中国地质调查局广州海洋地质调查局，广州 510075；2.中海石油(中国)有限公司 天津分公司渤海石油研究院，天津 300452)

0 引言

针对解释人员的需求，如何充分挖掘利用海洋浅剖资料具有十分重要的意义。 浅剖探测作为一种探测水下浅部地层结构和构造的地球物理方法，它是基于水声学原理，以连续走航式快速大面积的探测[1]。与传统的钻探取样方法相比，能有效提高探测效率，显著降低作业成本。浅剖对海底浅表层沉积物的探测深度可达数百米，在地质灾害评估(海底塌陷和滑坡)[2]、近海岸工程勘察[3]、航道建设、断裂构造分布、天然气水合物调查等方面具有广泛地应用，近年来，浅剖开始应用于冷泉[4]、浅层气、海沙等资源调查中。因此，为了更好地满足综合解释的需求，充分利用浅剖资料带来的地下信息，全方面多方位地对海洋浅剖资料进行数据挖掘是十分必要的。

目前，浅剖资料提供给解释人员的成果资料往往是借鉴与单道地震和多道地震的处理思路，包括去噪、能量补偿、多次波压制、信号增强等处理办法。近年来，国内、外对浅剖资料的处理研究开始关注，Henkart[5]利用互相关、希尔伯特变换和波形包络提取的处理方法对Chirp信号的浅剖资料进行处理；邢子浩等[6]采用SRME技术进行浅剖资料多次波的压制；罗进华等[7]通过对自动拾取涌浪影响的海底反射面进行滤波，进而消除涌浪对海底地层的影响；陈晓辉等[8]采用多维滤波的方法对多次波进行分区压制；Baradello[9]提出直达波切除、波形整形反褶积、球面扩散补偿、预测反褶积、随机噪音衰减和stolt偏移的浅剖改进处理；薛花等[10]对非线性调频信号浅剖资料提出了一套处理流程并应用于实际资料；刘玉萍等[11]基于Hilbert变换的原理，对短时单频脉冲信号浅剖资料进行移频处理；颜中辉等[12]对海上浅剖资料去噪技术作了重点阐述。

总之，浅剖解释人员获得的浅剖资料仅仅是传统意义上的单一处理成果剖面。笔者从浅剖解释人员的需求出发，针对不同解释目的，结合前人浅剖处理经验，以南海某海域浅剖资料为例，从垂向和平面两个角度分别挖掘出四种不同的浅剖成果资料，并系统地分析讨论每种成果资料的特征与实用性，为综合解释提供借鉴。

1 野外采集及预处理

研究区海水深度约在1 500 m～3 000 m之间，海底地形由北西向南东倾斜，在陆架区斜坡带水深线走向大体与海岸线平行。研究跨越了部分陆架、陆坡和深海峡谷三个地貌单元，地貌形态复杂各异，在区内主要发育有滑塌形成的海丘、海槽、海底水道、海底峡谷、海山、海底陡崖和深海平原等类型的地貌。本次浅剖资料是采用目前世界上最先进的全海洋海底浅地层剖面调查仪器之一的Parasound P70型深水浅层剖面仪采集的，应用连续波(CW)和参量阵差频技术相结合，具有较高的地层分辨率和地层穿透能力，同时记录低频数据(PLF)和高频数据(PHL)。浅剖研究区长约28 km、宽约14 km NW向的矩形区域，其中主测线测线间距150 m，联络测线间距700 m，共布设了主测线89条，联络测线40条，测线布设见图1。

图1 研究区测线分布示意图Fig.1 The line distribution diagram in the study area

研究区的原始资料采用了分段采集的方式，由于水深相对较大，为了节省野外采集的存储空间，采集过程中采用了延迟记录的方式。未发育多次波，主要噪音类型有大值干扰、低频涌浪噪音和海洋环境背景噪音。野外SGY未记录导航FIX号信息，FIX号是浅剖资料、单道地震、多波束等综合物探资料之间的连接桥梁，没有FIX号就无法进行后续的综合对比解释。记录的坐标格式是经纬度地理坐标，与解释系统不匹配，解释系统无法直接读取原始数据。图2是某条主测线的原始剖面及频谱，有效频率为3 000 Hz～5 000 Hz，严重缺少低频，成像效果很差，同相轴模糊不清，分辨率极低，无法实现任何构造解释和地层的连续追踪。

图2 原始浅剖剖面及频谱Fig.2 The raw sub-bottom profile and spectrum(a)剖面；(b)频谱

针对本次浅剖采集的资料特征，确立了预处理流程(图3)，包括测线拼接，球面扩散补偿，道均衡，带通滤波，大值干扰压制，FX域信号增强 ，坐标转换，FIX号定位。图4是预处理之后的剖面，预处理主要解决了系统交叉对比解释的输入输出问题，整体上信噪比有所提高，纵、横向能量更加均匀，但剖面信噪比与分辨率没有得到很本性地改善，无法进行构造及沉积层划分解释。

2 浅剖数据挖掘及分析

2.1 振幅包络

Hilbert变换是一种常用的信号处理方法，可以快速获得窄带信号的瞬时振幅，即振幅包络。低频成分突出，倍频程增大，分辨率适中。对海洋区域地质调查而言，关注的重点是区域大范围的构造特征(断裂、海底滑塌、沉积尖灭)，海底沉积类型和海底沉积层的接触关系；天然气水合物调查与识别，稀土资源调查，富钴结壳探测则在浅剖上表现为声学异常(包括声浑浊，声空白及增强反射等)[13-16]。图5是研究区某条联络测线的振幅包络及频谱，图6是研究区某条主测线的振幅包络，振幅包络具有丰富的低频信息，能较好地展示这些海底构造特征(滑塌，U、V型峡谷，崎岖海底，海底圆丘)和沉积类型(A、B)，并且可以清晰显示与天然气水合物相关的声空白，增强反射等声学异常。

图3 浅剖预处理流程及功能Fig.3 The sub-bottom profile preprocessing flow and function

图4 预处理后浅剖剖面Fig.4 The sub-bottom profile after preprocessing

图5 某联络测线振幅包络及频谱特征分析Fig.5 The amplitude envelope and spectrum analysis of the certain cross line(a)振幅包络；(b)频谱分析特征

图6 某主测线振幅包络及特征分析Fig.6 The amplitude envelope analysis of the certain inline

2.2 包络拓频

对振幅包络信号进行拓频处理，拓频处理的基本原理是对包络信号的频谱乘以w实现谱白化，反变换回来的数据就是含有明显主瓣的波形，即包络拓频信号[11]。拓频之后高频成分明显提高，带宽增大，分辨率明显提高，有效频带范围在0 Hz～1 000 Hz之间。由图7可以看到，提频之后剖面更能细致刻画海底浅层层间薄砂体，同相轴清晰连续，对层序的划分及沉积地层的变化也能清晰展示。

2.3 海底属性等值线

浅地层剖面的海底振幅强度反映了海底的反射强度大小，海底反射强度与海底底质类型有关。图8是拾取浅剖资料海底均方根振幅示意图，通过提取研究区每条浅剖资料海底浅表层均方根振幅，就可以插值出研究区的平面海底均方根振幅等值线。对等值线图进行分析研究，可以直接判别海底底质的软硬程度变化特征并进行初步的海底表层底质划分，结合多波束、钻探资料，该等值线对海底底质的认识与分析具有一定的辅助指示意义[17]。由图9可以看出，从工区北西向南东向明显有条弱反射带(矩形区域)，结合本研究区的构造特征，说明此处可能有条峡谷带，峡谷区域内沉积物松散，反射强度相对较弱，可以结合海底地形资料进一步对比解释；在研究区东南角落位置，有一块弱反射区域(椭圆形内)，结合前面提到的海底地形由北西向南东倾斜，认为此处海水深度较大，沉积物堆积沉积速率缓慢。

图7 某测线包络提频剖面及频谱特征分析Fig.7 The envelope frequency extension profile and spectrum analysis of the certain line(a)包络提频剖面；(b)频谱特征分析

图8 某测线海底均方根振幅拾取Fig.8 Pick up the seafloor RMS amplitude of the certain line

图9 研究区海底均方根振幅平面等值线Fig.9 The seafloor RMS amplitude contour map in the study area

图10 某条测线PHF数据实测剖面Fig.10 The raw PHF profile of the certain line

2.4 突出弱信号

气体逸散、冷泉信号在浅剖中表现为振幅很弱的信号，为了观测近海底是否由浅层气逸散，对其PHF高频数据进行分析，由于气体的逸散信号可能比较弱，因此，这里设置不同的振幅域值(clip值设置用来突出弱信号，clip值越小，弱信号越明显)来突出弱信号，选取研究区一条钻探区的联络侧线，在图10中观测到疑似气体逸散的反射异常，这种异常在其附近的联络测线也可以观测到，具体还需要结合其他调查手段进行确认。

3 结论

笔者从垂向和平面两个角度对海洋浅剖资料进行数据挖掘，得出四种浅剖成果资料，弥补传统意义上的单一处理成果剖面的不足，能满足目前浅剖解释人员的综合解释需求。

1)浅剖资料振幅包络包含丰富低频信息，能有效突出海底浅层构造信息和微地貌特征，并能识别声学异常，宏观上把握工区地质构造概况，满足海洋区域地质调查和天然气水合物调查识别的解释需求。

2)包络拓频处理之后高频成分得到突出，剖面分辨率提高，可以清晰刻画砂体细微变化及海底浅层层序的划分。

3)浅地层剖面的海底振幅强度反映了海底的反射强度大小，海底均方根振幅平面等值线图可以初步分析海底底质变化特征。

4)气体逸散、冷泉信号在浅剖中表现为振幅很弱的信号，突出海底以上弱反射信号，可以观测和识别冷泉和反射异常。