渤海海域气枪子波时空传输特征研究

李晓东，刘怀山,2

(1.中国海洋大学 海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100；2.海洋国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，山东 青岛 266071)

1 引 言

全球海洋油气资源丰富，占全球所有石油资源的34 %，目前探明率仅为30 %，尚处于勘探早期阶段[1]。在石油领域中，将海域按照水深划分为浅海海域(水深不足500 m)、深水海域(水深介于500～1 500 m)和超深水海域(水深超过1 500 m)[2]。海洋油气资源主要分布在大陆架区域，这一部分约占全球油气总量的60 %。因此，在已探明的储量中，浅海目前仍处于主导地位。

浅海地震勘探仍然是一个非常活跃的领域，在未来的许多年里都应该如此。浅海环境存在较强的混响和衰减，气枪子波传输过程中需要考虑声波与海面、海底的相互作用，这些相互作用会导致气枪子波的长距离传播情况十分复杂。为了准确表征气枪子波的声场特征，需要结合海洋声学来精确且定量地描述和评价气枪子波在浅海地区的时间和空间传输特征。

针对浅海地区时间域和空间域的气枪子波传输特征，Lee等人(2006年)[3]研究了浅海条件下气枪子波传输受到浅海深度和海底声学特性的影响。Crone等人(2014年)[4]在华盛顿海岸附近的大陆架和斜坡上进行了一次拖缆数据的采集工作，他们认为气枪震源子波的传输损耗受海底深度的影响，但似乎受到海底坡度的影响更大，特别是在中大陆架陡坎附近和坡度值最大的沙丘附近。Line等人(2015年)[5]在奥胡斯湾试验时发现由浅水环境中低频传播，浅水环境充当高通滤波器造成气枪震源子波在中高频时可能包含更多的能量。McCauley等人(2016年)[6]在澳大利亚海域进行了海洋地震勘探、气枪阵列信号的传输特征研究。Duncan等人(2017年)[7]提出在浅水区的环境中，传播速度越快的声波在海床上的反射频率越高，这种反射比在水平方向传播的声波振幅降低得更快。

国内外学者大多采用拖曳的观测方式来研究气枪子波的传输特征，本文采用海底电缆这种观测方式，降低了背景噪音。同时结合多种评价指标定量评价了气枪子波在渤海海域空间传输的时、频域特征。

2 浅海条件下气枪子波的传输特征

2.1 基于简正波理论的气枪子波传输特征

简正波模型由Pekeris[8]提出的一种对与离散频率相关的模态传播进行建模的方法，该方法适用于传输距离远大于水深的环境。假定水深恒定，等速，刚性底部介质，这里给出唯一的传输损耗机制，即在给定的频率下，模态在水深至少1/4 波长的环境下才能不衰减的传播。对于给定的模态：频率越高，掠射角越小，对于给定的频率：模态阶数越高，掠射角越大。与边界条件匹配的波长和入射角决定了最有效的传播模式， 每个模态都有一个确定的低截止频率， 低于这个频率，模态只随衰减而传播，而不能被困在波导中，这是由于低截止频率附近的声脉冲传播速度增大，从而导致了长波长。因此，频率越高，模态就越多，多模态的存在使声场产生了复杂的干涉作用，大大降低了传输损耗。

由此可以推断，气枪子波在渤海海域传输过程中，高频部分的传输损耗要低于低频部分。并且随着频率的降低，逐渐接近所谓的截止频率，在到达截止频率后，所有模态均被切断，传输损耗明显增大。气枪子波在渤海海域的传输过程中，在某个频率及以下的频带中，会观测到明显增大的传输损耗和明显降低的能量水平。

2.2 基于浅海声传输理论的气枪子波传输特征

实际上，浅水环境是一种比深水环境复杂得多的声学介质，浅水环境在海底和海面之间形成了声波管道。在这种情况下，气枪子波传输主要由海底和海面的反射决定[9]，与海底沉积物的相互作用也会影响子波的传播距离[10]。在浅海环境中，传播速度越快的声波会经历频繁的海底反射，这种反射比在水平方向传播的声波振幅降低得更快。随着距离的增加，接收到的信号逐渐由水平方向传播的声波构成。气枪子波海面反射时会发生180°的相位变化，因此，直接到达水听器的子波和海面反射到达水听器的子波之间存在着相消干涉。如果直达波和海面反射波同时到达水听器，二者能量将完全抵消，如果到达的时间差增大，则抵消的量取决于时间差。当声波传播的方向接近水平方向时，直达波和海面反射波旅行时差会减小，低频能量衰减明显。因此，可以推断出气枪子波在渤海海域传播过程中低频部分的能量衰减更快。

浅海条件下的声传播是依赖于海底的相互作用路径。因此，气枪子波到达接收点的传输路径可能是海底折射-反射，也可能是海面-海底反射、海面-海底-海面反射、直达波等多种情况组合而成。所以，在能量的观测上可能出现能量聚集和能量分散交替出现的情况。

3 基于OBC观测的定量分析

3.1 气枪阵列

本次地震探勘使用的气枪阵列总容量为4 720 cu.in，一共42支枪，其中备用枪6支，震源压力2 000 psi，沉放深度为7 m。气枪阵列分布如图1所示。

图1 气枪阵列空间分布Fig.1 Spatial distribution of air gun array

工区示意图如图2所示。本次海洋地震勘探采用海底电缆(OBC:Ocean Bottom Cable)接收，海底电缆总长16 km，采集方位角128°/308°，道间距25 m，记录道数640道，采样间隔2 ms，炮点距50 m， 共激发96次，截取时窗选择700个采样点数，即时窗长度为1 400 ms。

3.2 实际数据处理

图3剖面为图2中黑色测线记录的数据。

图2 工区示意图及方位角Fig.2 Schematic diagram and azimuth of work area

从图3中可以看出，随着子波传播距离的增加，距离炮线较远的水听器接收到的信号能量逐渐变小。这是由于随着子波传播距离的增加，子波的传播方向接近水平，直达波和海面反射波旅行时差会减小，低频能量衰减明显。

图3 41024测线记录的实际数据Fig.3 Actual data recorded by line 41024

根据已有的实际数据，计算接收信号的均方根声压级(SPLrms)和声暴露级(SEL)参数。对于非平稳随机过程，例如来自气枪阵列的脉冲压力信号，定义一个均方根声压级方程，该方程由下式给出，单位为dB re 1 μ Pa。

均方根声压级(SPLrms)参数的计算公式为[12]：

其中，t0和t1分别是选取的截取时窗开始和截止的时间;T90是包含信号90%能量的时间区间长度;P(t) 是实际地震记录。

声音暴露水平(SEL)被定义为声波持续时间内声压信号的平方积分，单位为dB re 1 μ Pa2s。因此，SEL相当于能量通量密度。

声暴露级(SEL)参数的计算公式为[11]：

其中，t0和t1分别是选取的截取时窗开始和截止的时间;P(t) 是实际地震记录。

根据均方根声压级(SPLrms)和声暴露级(SEL)参数计算公式分别计算各个接收点的参数值，如图4所示。图5给出了41024测线记录的测量气枪阵列的功率谱图。

图4 渤海海域气枪子波的均方根声压级参数值及声暴露级参数值随距离变化图Fig. 4 The variation of SPLrms values and SEL values parameters with distance of air gun wavelet in Bohai sea area

从图4中可以看出，作为用来表征能量大小的SPLrms值和SEL值随着炮点的接近而逐渐变大，炮点在海底电缆正上方激发时达到最大值，炮点经过海底电缆上方之后又随着炮点的远离而逐渐减小。在4.6～4.7 km处出现一个小的断崖式下降，可能是因为该处存在海底陡坡。

图5中可以看出，在传播距离超过5 km后，低频部分(50 Hz以下)能量低，衰减明显且能量变得不连续，是由于海底地形的变化改变了气枪子波的传输路径造成的。在100 Hz以上部分出现“忽明忽暗”的现象，这是由于气枪子波在传输时，由于浅海的多径效应而引起传输损耗的迅速变化而导致的能量会聚和分散。

注：色标柱为信号的功率谱密度(PSD),即每单位频率波携带的功率图5 气枪阵列的功率谱Fig.5 Power spectrum of air gun array

根据带通滤波器组的中心频率和带宽的比值关系，将其分为恒带宽式与恒带宽比式两种[13]。带宽不随中心频率的变化而变化的，被称为恒带宽式，带宽与中心频率的比值不变的，被称为恒带宽比式。本文所使用的1/3倍频程分析方法正是一种恒带宽比式带通滤波器，本文把整个频域分为11段固定带宽比的频率带，并且中心频率所对应的截止频率之比均为1/3的常数，利用带通滤波器截取落在以上频带内的接收信号作为研究对象，计算其均方根声压级参数。对于连续谱而言，分析某个频率的功率是没有意义的，需要分析某个频带内的功率大小。同时，1/3倍频程分析方法能够直观地体现采集到的气枪子波的频谱信息,并且能够更加详细的反映出气枪阵列的频率特性[14]。

对渤海海域的实际数据进行1/3倍频程分析，可以直观地看出不同频带内气枪子波能量分布随距离的变化，如图6所示。

从图6中可以看出，随着频率的增加，频带内的能量也是逐渐增加。高频部分的能量水平明显高于低频部分。大部分频率较高的频带内能量强度要高于频率较低的频带。是因为真实的浅海条件对于气枪子波传输来说相当于一个高通滤波器，低频部分的能量被吸收得较多，体现出了能量强度弱、能量强度衰减快等特征。这些特征在图5中有所体现。尤其是气枪子波传输超过5 km后，可以看到一个非常明显的低频部分能量迅速衰减的情况。

图6 渤海海域实际数据不同频带能量分布图Fig. 6 Energy distribution of different frequency bands of actual data in Bohai Sea area

为了更好地观察气枪阵列子波在空间上的传输特征，对渤海海域实际数据进行三维分析，得到不同频带内气枪阵列子波的空间能量分布图，见图7。图7中的图7(a)～图7(k)分别与表1中的1～11频带相对应。

表1 1/3倍频程的中心频率和带宽

对比分析11个频带内的能量分布，低频部分的能量在图中主要显示在距离气枪阵列震源较近的位置处，而且能量的大小随距离的增加衰减速度较快(图7(a)，图7(b))。渤海海域的海底是由松散沉积物构成的，这种情况下的海底具有较强的声波吸收能力，尤其是在低频部分，这会造成在给定位置的气枪子波能量接收水平出现急剧下降的现象。112～141 Hz(图7i)频带内能量比89.1～112 Hz(图7h)频带内能量强，178～224 Hz (图7k)频带内能量比141～178 Hz(图7j)频带内能量强。对比图7，接收能量水平大，从另一个方面来说就代表着气枪子波的传输损耗较低，在这个频带范围内的气枪子波在浅海环境下具有较好的传输效果。从简正波理论的角度来说，就是对应模态的掠射角和相应的纵波的临界角是一个相对应的关系，导致反射系数变大，最终造成了气枪子波在这个频带内的传输损耗较低。

图7 渤海海域气枪子波不同频带的能量空间分布Fig.7 Spatial distribution of air gun wavelet energy in different frequency bands in Bohai Sea area

4 结 论

结合通过简正波理论及浅海声传输理论预测的气枪子波在渤海海域的传输特征和上述对渤海海域实际数据的处理，关于气枪子波在渤海海域的传输特征可以得到以下几点结论。

1)均方根声压级参数和声暴露级参数很好地量化了随接收距离的变化所产生的气枪子波的能量大小的变化，体现了在时间域范围内气枪子波在浅海条件下的传输特征。1/3倍频程分析方法提供了一种从频率域进行气枪子波传输特征分析的方法，并取得了显著的成效。

2)在渤海海域中，气枪子波的传输损耗随着传输时间的增加而增加。由于海面和海底的干扰，低频传输通道较差。在20 Hz以下的频带中，表现出较低的能量水平和较大的传输损耗，这是由于20Hz即为简正波理论中的模态截止频率。在截止频率以下，所有传输模态均被切断，传输损耗明显增大。

3)使用1/3倍频程方法进行分析取得了较好的效果。直观地体现了不同频带内气枪子波的能量水平。30 Hz以下的频带中，能量衰减幅度较大，说明在渤海海域内气枪子波在这个频带范围内有较大的传输损耗。气枪子波传输距离超过5 km后低频部分的能量迅速衰减，传输损耗明显增大。

4)从空间分布上来看，低频部分的能量主要集中在离震源较近的位置，能量随距离的衰减较快。高频部分的能量分布明显强于低频部分(在图7中显示为高频部分颜色更深)，能量强从另一个方面来说就是更低的传输损耗，这也与后续采用1/3倍频程分析方法所得到的结论一致。