海南岛西部海域海砂资源调查单道地震数据处理方法

张匡华，王嘉琳，韩孝辉，傅人康，林明智，陈波，仝长亮，3，钟宙灿

（1.海南省海洋地质资源与环境重点实验室，海南 海口 570206；2.海南省海洋地质调查研究院，海南 海口 570206；3.海南省地质测试研究中心，海南 海口 570206；4.海南省地质综合勘察院，海南 海口 570206）

单道地震勘探是必不可少的海洋地质调查手段之一［1］，被广泛应用于近浅海工程、环境地质调查中［2-3］，近年来常被应用到海砂调查［4］。近十几年来，单道地震数据处理技术有了较快的发展，多位学者先后对单道处理技术进行过卓有成效的研究：2007 年李丽青等［5］提出的涌浪静校正技术，在海洋单道地震资料处理中取得了比较好的应用效果［6］；2012 年丁维凤等［7］提出的统计模型道互相关分析与中值均值滤波技术可以较好地运用到单道地震资料的海浪改正；2015 年郑江龙等［8］对单道地震勘探中船舶等背景噪声进行了分析，夯实了单道地震噪声压制理论基础；2016 年邢子浩等［9］提出在单道地震多次波压制处理中，与预测反褶积相比SRME 技术更具优势；2016 年颜中辉等［10］提出了一些单道地震资料处理关键技术，在辽河三角洲资料处理中得到较好的运用；2017 年杨振等［11］用模拟和实测单道地震资料分别验证了同态法估算子波和利用估算的子波进行子波整形及旁瓣压制的可行性；2017 年王惠东等［12］针对东海陆架多次波特点提出了SWD、SRME 和Radon 变换三种技术组合去除策略，丰富了多次波压制手段；2019 年刘玉萍等［6］对单道地震数据常规处理流程进行了梳理，在常规处理中能取得较好的处理效果；2021 年邢子浩等［13］提出与传统匹配滤波方法相比，正则化非平稳回归技术自适应匹配相减法压制单道地震多次波效果更好。海南岛西部海域有涌浪波动大、海底崎岖、水浅等特点［14-15］，该海域单道地震数据的成熟处理方法尚未见公开发表。本文依托海南岛西部海域海砂调查项目，对海南岛西部海域单道地震数据进行处理流程及主要处理技术的研究，可为在周边海域或在类似环境采集的单道地震数据的处理提供参考，具有实际应用价值。

1 研究区概况及数据分析

1.1 研究区概况

研究区位于乐东县岭头湾之西部海域（图1），总体平行于海岸呈梯形分布，南北长约27 km，东西宽约9 km，面积约220 km2，为陆地向海的自然延伸，地形变化受其影响较为明显，总体趋势为从北东向南西方向缓慢倾斜下降，整体平均坡度约为0.01°，水深整体介于5～40 m 之间。区域内等深线基本与岸线平行或呈一个较小角度，近岸一带沙脊、浅滩及水下沙波等地貌类型发育，地形稍复杂，等深线呈密集的不规则圈闭。

图1 研究区范围示意图Fig.1 Schematic diagram of the study area

1.2 数据来源

研究数据来源于2022 年海南岛周边海域海砂资源调查评价项目，开展单道地震勘探的目的主要涉及海底地形特征、地貌类型、浅层沉积结构及沉积环境等研究。单道地震数据采集使用Geo-Spark 2000 单道地震采集系统，该系统采用阴极放电、电极无损电火花震源，震源最大能量可达2 000 J，水听器响应频率为1～10 kHz。该采集系统具有较高分辨率及较强的穿透能力。单道地震测量按照“海洋调查规范第8 部分：海洋地质地球物理调查”GB/T 12763.8—2007 进行，数据采集时设定的主要参数：施工震源能量为1 000 J；震源触发间隔为1 s；剖面总共117 867 道，约296 km，炮间距（道间距）约为2.5 m；垂直采样间隔为0.1 ms；数据记录时长为500 ms，最大有效记录时长大于100 ms。

1.3 数据特征

数据处理采用RadExPro 等软件，除了单道地震数据固有的低信噪比特点外，研究区单道地震数据处理存在的主要问题包括4 个方面：

1）研究区涌浪波动大，数据采集期间涌浪波动导致了海底反射同相轴的起伏（图2），一定程度上影响了成像效果；

图2 典型单道地震原始剖面Fig.2 Typical single-channel seismic raw profile

2）研究区海底崎岖，海底沙波、沙脊发育（图2），对海底之下能量反射吸收强，海底反射不清晰，且海底能量差异太大，很难通过编程批量化海底拾取；

3）水浅导致海底一次反射多次波发育（图2），该多次波主要是由于海底的一次反射造成的，其能量较强且与有效波相交叉，同时多次波变形较强烈，在保护有效信号的基础上如何去除多次波是处理的难点；

4）分析频谱后发现，数据的频率范围约为0～4 999 Hz，呈现多峰特征，有效频带范围约在200～2 000 Hz，有效频带分布范围内两个主峰峰值分别约为720 Hz 和1 540 Hz（图3）。

图3 地震原始剖面频谱分析图Fig.3 Spectrum analysis of raw seismic profile

2 数据处理流程及主要处理技术

2.1 数据处理流程及主要参数

针对海砂调查的地质任务，结合单道地震资料的特点及处理难点，数据处理思路如下：

1）通过人机交互进行海底拾取，保证每一道数据的海底同相轴得到准确追踪，在此基础上对由于炮检距变化、涌浪等因素导致的海底反射起伏和畸变进行校正，得到真实的海底形态，改善地层波组特征；

2）在保护有效信息的前提下，最大限度压制各类干扰波，突出目的层有效信号，提高目的层信噪比；

3）尽可能采用相对保幅处理，采用具有较高保幅性的球面扩散补偿恢复随勘探深度增加而造成的能量损失［16］，采用不损失弱有效信号的分频分时振幅衰减方法（TFD Noise Attenuation）去除强振幅异常噪音，采用基本不损伤海底反射多次波以上有效信号的方法（Zero-Offset DeMutiple）去除海底反射多次波，不保幅的常规反褶积技术［17］本次未被采用；

4）采用信号增强技术，适当的提高剖面的信噪比及显示效果。

针对数据特征制定了处理流程如图4 所示，通过不断的优化和完善，制定了主要的处理参数（表1）。

表1 主要处理参数列表Table 1 List of main processing parameters

图4 处理流程图Fig.4 Flow chart of processing

2.2 主要处理技术

2.2.1 强振幅异常噪音去除

当风浪较大时，风浪引起的电缆扰动会造成能量较强的噪音，根据其能量大于有效信号能量的方法可进行去除。研究采用分频分时振幅衰减方法（TFD Noise Attenuation）对噪音带来的异常振幅进行压制。该方法是将数据从时间域转换到频率域，应用中值滤波来压制异常振幅，设定门槛值，使在一定的时窗内与振幅中值差异较大的振幅衰减或用相邻道插值。压制前，地震剖面图可见明显的振幅异常，压制后，异常振幅明显变弱（图5）。异常振幅压制中，中值宽度是非常重要的参数，中值宽度越大，则压制效果越明显，但是对于倾斜构造和孤立地质体的伤害也在加大，该次处理以能基本消除较强的风浪噪音为限。

图5 强振幅异常噪音去除前后地震剖面对比图Fig.5 Profiles before and after high-amplitude abnormal noise removal

2.2.2 涌浪校正

由于海浪的起伏较大，造成不同炮点震源和检波器无法保持在同一水平面上，随着海浪的不断变化，两者之间的高度不断变化，这样使得采集的不同炮点之间的数据出现上下跳动的现象，即有一种“毛刺”感。在数据处理中采用涌浪校正方法（Swell Filter），可以看到涌浪校正前后“毛刺”现象消失，剖面同相轴连续性增强，信噪比提高（图6）。涌浪校正的关键在于海底的平滑因子，平滑因子越小，海底越不光滑，但是对于起伏海底的形态保持较好，而当平滑因子越大，则海底越光滑，但是对比海底形态的保持越差。

图6 涌浪校正前后地震剖面对比图Fig.6 Profiles before and after swell filter

2.2.3 多次波压制

海底反射多次波是本次研究数据中最严重的干扰波，它的压制对做好数据处理工作至关重要。对于多次波去除主要采用零炮检距的多次波去除方法（Zero-Offset DeMutiple），该方法从数据本身的静态漂移或自相关得到多次波模型，运用自适应算法，将多次波模型从原始波场中减去，使其有效地压制多次波，同时不会影响与多次波交叉的有效波。本区与多次波伴随的随机噪音发育比较严重，这种随机噪音为高频噪音，无连续性，自适应相减无法去除，且由于其能量较强，容易掩盖多次波，造成自适应相减时无法判断去除效果的好坏，因此除去多次波时，首先要将随机噪音进行衰减。通过处理，可看到多次波获得较好的压制，压制后地震剖面的波阻特征更为明显，接触关系合理，基底反射清晰（图7）。在准确拾取海底反射时间的基础上，对海底模型采用静态漂移可得到较接近真实的多次波模型，采用该模型可获得较好的多次波去除效果。

图7 多次波压制前后地震剖面对比图Fig.7 Profiles before and after multiples removed

3 效果分析

通过对数据分析和参数试验，制定处理流程，地震剖面均获得了较好的处理效果，经过处理后，海底浅部地层真实反射同相轴得到凸显，深部地层的能量得到加强，能量较弱的起伏地层得到加强，反射同相轴可连续追踪；海底抖动的现象基本消除，真实层位同相轴更加连续，波组特征明显改善；剖面分辨率和信噪比明显提高，多次波得到有效压制后对真实地层的影响较小（图8、9）。总的来说，能满足海砂资源调查相关研究的要求，处理后的剖面具体表现为：

图8 典型地震剖面处理前后效果对比图Fig.8 Seismic profiles before and after processed

图9 典型地震剖面处理前后浅部地层效果对比图Fig.9 Typical profiles showing the shallow layer before and after processed

1）地层结构明显，各主要反射层的产状、构造形态清晰，断点易于辨认；

2）从浅至深各主要反射层次齐全，能量强弱分明，波组特征活跃；

3）各种干扰和多次波压制效果较好，有效反射突出，剖面具有较高的信噪比和适度分辨率，能用于对主要反射层的连续追踪对比解释。

采用本次研究提出的方法进行处理后，对处理后剖面的解释，有助于更精确的厘定研究区地层结构、圈定出砂体范围，为下一步钻孔施工设计提供充分的依据，有效支撑研究区海沙资源调查工作的高质量完成。

4 结 论

海南岛西部海域单道地震数据，纵向上能量衰减快、横向上强振幅异常噪音大、海底反射同相轴起伏不平、海底反射不清晰、多次波发育，针对研究数据特点，本文先后采用球面扩散补偿、分频分时振幅衰减、涌浪校正、零炮检距多次波去除等一系列处理方法，取得较好的处理效果，可为在周边海域或在类似环境采集的单道地震数据的处理提供参考。同时，还需要注意以下几个要点：

1）处理过程中宜采用相对保幅处理，尽可能降低有效信号的损失；

2）海底拾取阶段采用人机交互进行精细海底拾取是保证数据处理质量的前提；

3）主要参数须经过反复对比分析后最终确认；

4）去除多次波前须对随机噪音进行衰减；

5）可对精细拾取海底采用静态漂移获得多次波模型，采用该模型可获得较好的多次波压制效果。