吳志強(qiáng), 郝天珧, 唐松華, 張訓(xùn)華, 鄭彥鵬, 肖國林， 趙維娜

1 國土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青島　266071　2 青島海洋地質(zhì)研究所, 青島　266071　3 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室, 青島　266000　4 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京　100029　5 上海海洋石油局第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊(duì), 上?！?01200　6 國家海洋局第一海洋研究所, 青島　266061　7 中國海洋大學(xué), 青島　266063

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立體氣槍陣列延遲激發(fā)震源特性及在淺海區(qū)OBS探測中的應(yīng)用

吳志強(qiáng)1,2,3, 郝天珧4, 唐松華5, 張訓(xùn)華1,2,3, 鄭彥鵬6, 肖國林1,2,3， 趙維娜7,2,3

1 國土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青島2660712 青島海洋地質(zhì)研究所, 青島2660713 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室, 青島2660004 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京1000295 上海海洋石油局第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊(duì), 上海2012006 國家海洋局第一海洋研究所, 青島2660617 中國海洋大學(xué), 青島266063

摘要利用中、小容量氣槍組成的立體氣槍陣列延遲激發(fā)震源和海底地震儀(OBS)在我國北部淺海海域開展了人工地震深部地球物理探測試驗(yàn).基于水深條件和壓制水體虛反射、提升低頻能量的需要,使氣槍震源有足夠的輸出能量和高品質(zhì)子波特性,研究了立體氣槍陣列延遲激發(fā)震源工作機(jī)理,經(jīng)遠(yuǎn)場子波理論模擬優(yōu)選了組合參數(shù)并進(jìn)行了海上試驗(yàn)工作.結(jié)果表明,中、小容量氣槍組成的立體氣槍陣列延遲激發(fā)震源,適應(yīng)了淺水海域的激發(fā)環(huán)境,降低了由虛反射造成的局部陷波和干擾作用,有效地改善了OBS信號的品質(zhì),獲得了Ps,Pg,PmP,Pn 等多種震相.創(chuàng)新了由中、小容量氣槍組成的立體氣槍陣列延遲激發(fā)震源在淺海區(qū)OBS探測中的應(yīng)用,也填補(bǔ)了南黃海海域深地震探測數(shù)據(jù)的空白,為南黃海、渤海深部地殼結(jié)構(gòu)研究及含油氣盆地形成演化研究提供了重要的基礎(chǔ)資料.

關(guān)鍵詞立體氣槍陣列; 遠(yuǎn)場子波; OBS深部探測; 虛反射壓制; 淺海區(qū)

1引言

氣槍震源具有激發(fā)地震信號一致性好,定位精確高、重復(fù)性好、綠色環(huán)保和成本低的優(yōu)勢,成為了海洋地震勘探的主流震源,國際上95%以上的海洋主動源地震勘探采用了氣槍震源(唐杰等,2009).眾所周知,氣槍或氣槍陣列的容量越高,激發(fā)的地震波能量越大、主頻越低,探測的深度越大,但地震記錄的分辨率較低;反之,則激發(fā)的地震波能量低、主頻高,探測的深度小,地震記錄的分辨率高.因此,在淺部高分辨率探測中,基本上使用小容量氣槍或氣槍陣列;在海洋石油勘探中,一般采用中、小容量氣槍組成氣槍陣列震源,其探測深度可達(dá)數(shù)千米.

海洋深部地震探測要求氣槍震源激發(fā)的地震信號主頻低、能量大,傳播距離在100km以上、探測深度應(yīng)在30 km以上.為了保障氣槍震源具有足夠的輸出能量,一般使用4～6條大容量氣槍組成氣槍陣列震源(羅桂純等,2006;林建民等,2008;丘學(xué)林等,2007;趙明輝等,2008;支鵬遙,2012).國內(nèi)外有過許多以大容量氣槍陣列作為震源的深部地震探測試驗(yàn),如美國的“LARSE”計(jì)劃(Nazareth,1994),新西蘭的“TAICRUST”計(jì)劃(McIntosh,1996),我國的南海深部探測項(xiàng)目(趙明輝等,2004; 吳振利等,2008；呂川川等,2011;丘學(xué)林等,2012;)和渤海深部探測項(xiàng)目(支鵬遙等,2012),均獲得了深達(dá)莫霍面的有效反射與折射震相,為深部地殼結(jié)構(gòu)研究打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).

到目前為止,OBS深部探測均使用的大容量平面氣槍陣列震源,即將組成氣槍陣列震源的所有氣槍均沉放在海平面之下相同深度下,它具有操作方便、排列簡單和能實(shí)現(xiàn)子陣列最大能量同時(shí)疊加等優(yōu)點(diǎn).但是,大容量平面氣槍陣列震源也存在較大的缺點(diǎn),由于大容量氣槍的氣泡半徑大,氣槍必須沉放在大于氣泡半徑的深度,才能保證其最佳的輸出能量;氣槍的沉放深度大,氣槍到海平面之間的水體虛反射(鬼波)改變了氣槍震源激發(fā)的地震子波特征,地震信號的低頻分量和高頻分量受到了不同程度的抑制,降低了地震數(shù)據(jù)的頻帶寬度,也造成了氣槍陣列震源的遠(yuǎn)場子波的低頻部分振幅振蕩跳躍,頻譜曲線呈“鋸齒”狀分布,降低了原始地震資料品質(zhì)(Cambois等, 2009).另一方面,大容量的單槍及簡單的陣列組合,在抑制氣泡方面能力有限,而氣泡抑制程度決定了原始地震資料的品質(zhì)(陳浩林等,2008).

位于我國北部海域的南黃海、渤海水深只有15～40 m,在進(jìn)行OBS深部探測施工中,為保證氣槍震源的最佳輸出能量,將大容量氣槍沉放較深而與海底距離較小時(shí),氣槍瞬間釋放的2000psi高壓氣體造成了海底泥沙泛起,隨氣泡收縮進(jìn)入氣槍槍膛,引起氣槍的故障率大幅度上升,造成資料采集工作效率低下和成本上升.因此,在淺水區(qū)進(jìn)行OBS探測,使用大容量氣槍陣列震源存在資料品質(zhì)差和成本增加等問題.其次,在淺水區(qū)大容量氣槍震源激發(fā)的地震波,在海底與海平面之間形成了強(qiáng)能量周期震蕩干擾,與折射/反射震相混合在一起,極大地降低了地震資料的品質(zhì).

中、小容量氣槍的氣泡半徑較小,較淺的沉放深度就能發(fā)揮其最大輸出能量,適應(yīng)水深較淺的勘探環(huán)境,把大容量氣槍改成多條中、小容量氣槍有機(jī)相干組合,在總?cè)萘肯喈?dāng)?shù)那闆r下,不但輸出能量增加,還能能削弱氣泡振蕩,提高初泡比(楊懷春等,2004),因此,采用多條中、小容量氣槍相干組合成陣列震源,不但能改善激發(fā)子波的品質(zhì),同時(shí)也能達(dá)到與大容量氣槍相當(dāng)?shù)妮敵瞿芰?但是,中、小容量氣槍激發(fā)的地震波主頻高,低頻部分的能量弱,常規(guī)的組合方式對低頻能量起到了壓制作用.因此,使用與水深條件相適宜的中、小容量的氣槍進(jìn)行OBS深部地震探測,不能機(jī)械地照搬常規(guī)的組合與激發(fā)方式,必須對其進(jìn)行改進(jìn),提高低頻輸出能量,改善遠(yuǎn)場子波頻譜特性,以形成遠(yuǎn)場子波品質(zhì)優(yōu)、輸出能量強(qiáng)、穿透深度大的氣槍陣列震源,滿足淺水區(qū)深部OBS探測的需要.

針對南黃海、渤海OBS深部探測目標(biāo)和存在的施工難題,經(jīng)過對氣槍性能的分析研究,確定以使用與水深條件相適宜的中、小容量的氣槍組成氣槍陣列震源,達(dá)到提高施工效率和降低故障率的要求.同時(shí),采用立體氣槍陣列延遲激發(fā)的技術(shù)方法,著力提高氣槍陣列震源低頻輸出能量.為了達(dá)到上述目標(biāo),開展了立體氣槍陣列延遲激發(fā)技術(shù)的研究并對震源遠(yuǎn)場子波特征進(jìn)行了理論模擬計(jì)算和分析.在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)場子波品質(zhì)優(yōu)、低頻輸出能量強(qiáng)和穿透深度大的立體氣槍陣列延遲激發(fā)震源,并應(yīng)用到渤海、南黃海OBS深部地質(zhì)探測,獲得了品質(zhì)良好的Ps,Pg,PmP,Pn 等多種震相,達(dá)到了預(yù)定目標(biāo);同時(shí)形成了針對淺水區(qū)OBS深部探測資料采集的立體氣槍陣列延遲激發(fā)震源設(shè)計(jì)技術(shù)方法,為淺水海域的OBS深部探測資料采集,在氣槍陣列震源設(shè)計(jì)方面起到了示范作用,也為深水海域OBS深部探測和油氣地震資料采集提供了借鑒.

2立體氣槍陣列延遲激發(fā)震源激發(fā)特性

2.1基本原理

氣槍陣列震源(簡稱槍陣,下同)沉放深度是影響其遠(yuǎn)場子波品質(zhì)的關(guān)鍵因素,理論模擬和實(shí)踐表明(何漢漪,2001；陳浩林等,2008;趙明輝等,2008; 李緒宣等,2009),為了獲得最佳的激發(fā)子波能量,需將槍陣沉放在略大于氣泡半徑的同一深度上,稱為平面(常規(guī))槍陣.此時(shí)激發(fā)的地震波在向下傳播的同時(shí)也向上傳播,上行波到達(dá)海面被反射后向下傳播,與正常下行波之間交互干涉形成了震源水體虛反射(簡稱：震源鬼波),并引起了陷波作用,限制了地震資料的頻帶寬度.槍陣沉放深度小,氣槍外界水的壓力小,氣槍激發(fā)后高壓氣體將以更快的速度釋放,激發(fā)子波的頻率得到了提高,氣泡干擾得到壓制;但是,此時(shí)一部分能量變成了海水破碎能,從而大大降低了氣體振蕩的能量,受震源鬼波的陷波作用,低頻信號能量受到壓制,勘探深度受到了影響.槍陣沉放深度大,氣槍外界水的壓力變大,氣槍激發(fā)后高壓氣體釋放速度的變緩,激發(fā)子波的頻率降低,氣泡的震蕩加劇,從而大大降低了槍陣的波泡比,受震源鬼波陷波作用,低頻信號能量得到釋放,高頻信號能量受到壓制,雖然地震波的穿透深度得到了提高,但是地震波頻帶變窄、分辨率降低,原始資料的品質(zhì)下降.

因此,平面槍列難以在勘探深度和原始資料品質(zhì)兩方面做到完全兼顧和統(tǒng)一,必須改進(jìn)槍陣的組合與激發(fā)方式,以獲得深部高品質(zhì)的地震信號.

借鑒陸地地震勘探中井中延遲激發(fā)技術(shù)壓制虛反射的經(jīng)驗(yàn)(Moldoveanu,2000;高銀波等,2006;譚紹泉,2003;趙殿棟等,2001;張會星等,2001),在海洋深水區(qū)地震勘探中,將平面槍陣改造成將陣列中的子陣列沉到放不同深度的多層震源,通過氣槍控制器按設(shè)定的時(shí)間延遲激發(fā),即從最上層子陣列開始依次激發(fā)各子陣列,使直達(dá)波同相疊加而虛反射非同相疊加,改善了地震子波的頻譜,提高了激發(fā)子波的信噪比(Cambois等, 2009;全海燕等,2011;趙仁永等,2011).Cambois等(Cambois等,2009)介紹了多層氣槍陣列震源的技術(shù)方法在海洋深水區(qū)油氣地震勘探中的應(yīng)用,指出其在提升低頻分量、拓寬頻帶和提高分辨率的作用;全海燕等(全海燕等,2011)通過對理論模擬和實(shí)際數(shù)據(jù)對比分析研究認(rèn)為,多層氣槍陣列震源能夠改善遠(yuǎn)場子波的頻譜品質(zhì),提高它的低頻段、高頻段能量和降低震源鬼波產(chǎn)生的陷波作用.

2.2震源鬼波對氣槍子波的改造作用

氣槍在水中激發(fā)時(shí),將氣槍中的高壓空氣瞬間釋放到水中,迅速形成球形的氣泡,由于氣泡內(nèi)壓力大于周圍水體壓力,導(dǎo)致氣泡迅速膨脹形成壓力脈沖,即氣槍的主脈沖,它向四周傳播形成地震波.同時(shí),部分向上傳播的信號經(jīng)海平面反射之后向下傳播并到達(dá)檢波點(diǎn),形成了震源鬼波.由于海水與空氣界面的反射系數(shù)為負(fù),因此震源鬼波與近場信號極性相反、到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間滯后于下行地震波.存在到達(dá)時(shí)間延遲的震源鬼波與近場子波疊加,形成遠(yuǎn)場子波(圖1).

圖1　氣槍遠(yuǎn)場子波形成示意圖Fig.1　Schematic diagram for the formation of air-gun far-field wavelet

遠(yuǎn)場子波信號可表示為

(1)

式中,x(t)為近場子波信號,Δt為震源鬼波延遲到達(dá)時(shí)間,x(t+Δt)為震源鬼波信號,α為海水與空氣界面的反射系數(shù),約等于-1.0,則式(1)可改寫為

(2)

圖2為容量150in3的G槍在沉放6 m、壓力2000psi條件下的近場子波波形,它反映了氣槍激發(fā)后氣泡膨脹、壓縮、再膨脹、再壓縮循環(huán)往復(fù)的震蕩過程,由于振蕩過程中氣體分子摩擦消耗能量,所以每一次形成的脈沖振幅就越來越小,直至最后氣泡浮出水面破裂震蕩結(jié)束.

圖2　容量為150in3的G槍近場子波Fig.2　The near field wavelet of G gun with volume 150in3

圖3為該槍的遠(yuǎn)場子波波形,由震源鬼波造成的負(fù)極性子波脈沖延遲疊加,遠(yuǎn)場子波的正負(fù)脈沖震蕩并隨時(shí)間的增加近指數(shù)衰減的特征,與最小相位子波波形相近,說明震源鬼波改善了氣槍子波波形,使之更接近地震勘探的理論子波,遠(yuǎn)場子波的氣泡震蕩比近場子波小,表明鬼波有壓制氣泡作用的積極意義.

圖3　容量為150in3的G槍沉放深度6 m時(shí)的遠(yuǎn)場子波Fig.3　The far field wavelet of G gun with volume 150in3

對式(2)進(jìn)行傅氏變換得到震源的頻譜特征:

(3)

式中,f為頻率,(1-e-i2π·fΔt)可視為一次反射的濾波因子,即虛反射濾波器,設(shè)為H(f).假設(shè)震源與檢波器的連線與海面垂直,則

(4)

式中hg為氣槍陣列的沉放深度,c為海水速度.則濾波器的振幅譜為

(5)

由(5)式可得,當(dāng)頻率f=nc/2hg(n=1,2,3…)時(shí),濾波器的振幅譜受到震源鬼波的壓制最大,稱f=nc/2hg為陷波頻率(圖4),其大小由海水中聲波傳播速度c和槍陣沉放深度hg決定.

圖4　容量為150in3的G槍沉放深度6 m時(shí)的 遠(yuǎn)場子波頻譜Fig.4　The far field wavelet spectrum of G gun with volume 150in3

2.3立體氣槍陣列延遲激發(fā)震源頻率特性研究

常規(guī)的氣槍陣列震源由包含著一定數(shù)量的單槍、相干槍的子陣列組成,所有的氣槍均沉放在針對勘探目標(biāo)所選擇的沉放深度下,氣槍的激發(fā)時(shí)間要求嚴(yán)格一致,由此它形成了一個(gè)疊合的下行波,也形成了一個(gè)疊合的上行波(圖5上),并且上行波與下行波具有相同的能量.因此,由上行波而產(chǎn)生的震源鬼波能量強(qiáng)、干擾大.

圖5　常規(guī)槍陣(上)與順序激發(fā)的多層槍陣(下)產(chǎn)生下行波(實(shí)線)和 水體虛反射(虛線)的效應(yīng)圖(據(jù)Cambois等,2009)Fig.5　The downgoing wave(up) and water ghost(down) effect by conventional and sequence fired multi-levels air-gun array source (after Cambois et al.2009)

Cambois等(Cambois等,2009)提出的多層氣槍陣列震源的工作原理如圖5(下)所示,將各子陣列沉放在不同的深度層上,從最上層子陣開始順序地延遲激發(fā)各層子陣列,延遲的時(shí)間是上層子陣列激發(fā)的下行波波前到達(dá)下一層子陣列的走時(shí),這樣在保證下行波波前同時(shí)疊加、能量不變的同時(shí),到達(dá)海平面的上行波能量不能同時(shí)疊加而受到削弱,降低了水體虛反射效應(yīng).與陸地炸藥井中延遲激發(fā)相比,激發(fā)介質(zhì)海水的物性相對均一,聲波速度基本恒定,而且子陣列沉放深度相對穩(wěn)定,其變化可以忽略不計(jì),精確的氣槍觸發(fā)控制完全可以做到下行波前同相疊加.該技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來相對簡單,只需要對現(xiàn)在的氣槍陣列的激發(fā)方式進(jìn)行小的改進(jìn).

組合方式與容量相同的子陣列組成的多層氣槍陣列震源的遠(yuǎn)場子波信號可表示為

y(t)=nx(t)-x(t+Δt1)-x(t+Δt2)…

-x(t+Δtn)，

(6)

式中,n為子陣列數(shù)量,x(t)為單子陣的近場子波信號,x(t+Δtn)為第n個(gè)子陣列的虛反射信號,Δt1、Δt2、Δtn為由式(4)求得的各子陣虛反射延遲到達(dá)時(shí)間,對式(6)做傅里葉變換可以得到多層槍陣的遠(yuǎn)場子波頻譜為

Y(f)=(n-ei2πfΔt1-ei2πfΔt2…-ei2πfΔtn)F(f)

=H(f)*F(f)

(7)

式中F(f)為子陣的近場子波頻譜,H(f)為多層槍陣鬼波濾波器,它的振幅譜為

-4sin2(πfΔtn)]1/2

(8)

當(dāng)各子陣列的沉放深度相同時(shí),即為常規(guī)的平面氣槍陣列震源,則其鬼波濾波器的振幅為

(9)

對比式(8)和式(9)可以看出,多層氣槍陣列震源延遲激發(fā)方式,分散和降低了震源鬼波對遠(yuǎn)場子波的陷波作用,陷波頻率點(diǎn)分散且陷波作用大幅度降低,低頻和高頻段能量都得到了釋放;平面氣槍陣列震源陷波點(diǎn)集中、陷波作用強(qiáng).

但是,多層氣槍陣列延遲激發(fā)震源在淺水區(qū)應(yīng)用還存在不能克服的困難,首先,氣槍的觸發(fā)同步精度一般在0～1.5 ms,為了發(fā)揮多層氣槍陣列延遲激發(fā)震源的優(yōu)勢,需要將子陣列沉放深度差異加大到6 m(延遲激發(fā)時(shí)間4 ms)以上,這在深水采集環(huán)境中是不成問題的,但在淺水區(qū)由于水深條件的限制,幾乎不可能實(shí)現(xiàn)的;其次,沉放深度差異的加大,帶來了氣泡壓制作用的減弱和震源方位角的復(fù)雜化,造成了地震資料品質(zhì)的降低(Cambois等,2009).

2.4立體氣槍陣列延遲激發(fā)震源組合設(shè)計(jì)方法及遠(yuǎn)場子波模擬分析

基于以上分析,確定選用觸發(fā)同步精度高的中、小容量氣槍組成沉放深度差異≤3 m的立體氣槍陣列,在順序延遲激發(fā)時(shí)間設(shè)計(jì)上,不完全拘泥將上層子陣列激發(fā)地震波到達(dá)下一層子陣列的時(shí)間作為延遲激發(fā)時(shí)間,而是通過遠(yuǎn)場子波模擬計(jì)算和對其技術(shù)指標(biāo)的總體性能評價(jià)與優(yōu)選后,確定立體氣槍陣列組合與延遲激發(fā)的設(shè)計(jì)方案.

通過對各種型號氣槍的性能對比分析,選擇可靠性強(qiáng)、觸發(fā)精度高、輸出能量大的G槍,作為淺海區(qū)OBS深部地質(zhì)探測的氣槍震源,在對不同的立體氣槍陣列組合與延遲激發(fā)時(shí)間設(shè)計(jì)方案進(jìn)行遠(yuǎn)場子波理論模擬分析的基礎(chǔ)上,針對勘探目標(biāo)需求,以拓展低頻、拓寬頻帶,提高遠(yuǎn)場子波特性和增加激發(fā)地震波穿透能力為目標(biāo),確定了由48條不同容量的G槍組成的4個(gè)子陣列、總?cè)萘繛?060in3的立體氣槍陣列組合,其中最大單槍容量為380in3,最小單槍容量40in3,按氣泡半徑計(jì)算公式(何漢漪,2001)算得最大氣泡半徑為5 m左右,滿足了淺海區(qū)OBS探測的震源激發(fā)的需求.

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行遠(yuǎn)場子波模擬,分析不同立體氣槍陣列延遲激發(fā)組合方案的遠(yuǎn)場子波特征.模擬環(huán)境參數(shù)為:氣槍工作壓力為2000psi,海水密度為1030 kg·m-3,海水溫度15 ℃,海水聲波速度為1500.0 m·s-1,海平面反射系數(shù)為-1.0,觀測點(diǎn)距離氣槍陣列震源中心9000 m.首先,通過改變子陣列的沉放深度組合和延遲激發(fā)時(shí)間,模擬相應(yīng)的遠(yuǎn)場子波,從中優(yōu)選出子波頻譜光滑、有效頻帶寬初泡比大的5組陣列組合(圖6);然后,進(jìn)一步分析遠(yuǎn)場子波波形和初峰值、峰峰值、陷波效應(yīng)等特征,優(yōu)選出最優(yōu)多層氣槍陣列組合.

表1為不同立體氣槍陣列延遲激發(fā)震源與平面氣槍震源遠(yuǎn)場子波性能對比.平面氣槍陣列震源產(chǎn)生的續(xù)至波谷與海平面虛反射振幅疊合作用,造成其虛反射振幅高于初峰值,形成了強(qiáng)烈的陷波效應(yīng).因此它的頻帶較窄、低頻段能量相對較低、頻譜曲線鋸齒狀缺口較多,但海平面虛反射對壓制氣槍的氣泡效應(yīng)是有利的,因此它具有最高的波泡比;而立體氣槍陣列震源由于各子陣列的沉放深度不一,海平面虛反射分散疊加,虛反射振幅低于初峰值,其中四層氣槍陣列震源的虛反射最低、雙層氣槍陣列震源的虛反射次之;與平面氣槍陣列震源相比,立體氣槍陣列頻譜曲線相對光滑,低頻段能量較強(qiáng)、頻帶寬.

圖7(左)為總?cè)萘繛?060 in3的S4-13-9-7-11-D1.5組合(A線)與其相同組合的總?cè)萘?000 in3(B線)氣槍陣列震源遠(yuǎn)場子波波形對比圖,這兩種槍陣均有較高的峰峰值和波泡比,虛反射效應(yīng)相對較低.其中,總?cè)萘?000 in3的組合中以4條1500 in3的Bolt氣槍替代較小容量的氣槍,由于在淺海區(qū)氣槍的沉放深度受到了限制,不能完全發(fā)揮大容量氣槍的能量優(yōu)勢,造成該槍陣的初峰值低于容量6060 in3組合的立體氣槍陣列震源.在頻譜對比結(jié)果(圖7右)上,容量6060 in3組合的低頻能量高于容量9000 in3的組合,頻譜曲線相對光滑,陷波效應(yīng)低,兼顧了獲得沉積層震相的要求.

圖6　6組槍陣組合示意圖(上)及其遠(yuǎn)場子波(中)和頻譜(下)對比Fig.6　Schematic diagram for six air-gun array patterns (upper) and far field waveforms (middle) and spectrum (lower) simulation

圖7　兩種氣槍陣列震源遠(yuǎn)場子波波形(左)和頻譜(右)對比圖Fig.7　The contrast of air-gun array far field wavelet (left) and spectrum (right)

方式類型S4-8-8-8-8-D0.0S4-13-9-7-11-D1.5S4-14-10-8-12-D1.5S4-13-10-10-13-D2.0S4-11-8-8-11-D2.0S4-10-7-7-10-D2.0?組合方式平面、同時(shí)激發(fā)四層、1.5ms延遲激發(fā)四層、1.5ms延遲激發(fā)雙層、2ms延遲激發(fā)雙層、2ms延遲激發(fā)雙層、2ms延遲激發(fā)沉放模式8-8-8-813-9-7-1114-10-8-1213-10-10-1311-8-8-1110-7-7-10初峰值(bar·m)71.190.289.290.789.889.8虛反射強(qiáng)度(bar·m)77.646.445.854.153.453.4峰峰值(bar·m)148.7136.6135.0144.8143.2143.2波泡比16.815.313.012.014.414.4頻帶寬度(Hz)7～584.5～654.5～656～555～625～62低頻能量不突出強(qiáng)、突出強(qiáng)、突出較高較高較高頻譜曲線不光滑光滑光滑較光滑較粗糙較粗糙陷波頻率92Hz不明顯不明顯不明顯不明顯不明顯

3應(yīng)用效果

2013年8月,在國家自然科學(xué)基金“黃海及鄰區(qū)殼幔結(jié)構(gòu)及深淺構(gòu)造關(guān)系的綜合地球物理研究”(41210005)、國土資源部地質(zhì)調(diào)查專項(xiàng)和國家863計(jì)劃“海陸聯(lián)合深部地球物理探測關(guān)鍵技術(shù)研究”(2009AA093401)的支持下,青島海洋地質(zhì)研究所、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所和國家海洋局第一海洋研究所聯(lián)合開展了南黃?！綎|半島—渤海海陸聯(lián)合深部地震探測.海區(qū)采用氣槍陣列震源密點(diǎn)激發(fā)(激發(fā)間距125 m)、大間距OBS接收(OBS臺站間距6 km),陸地地震臺站密點(diǎn)接收(臺站間距1 km),兩端各進(jìn)行一個(gè)大藥量放炮激發(fā).

本次海上OBS深部探測首次采用立體氣槍陣列延遲激發(fā)震源技術(shù),考慮到渤海和南黃海海域的水深條件,對不同組合方式震源的遠(yuǎn)場子波模擬對比后,在南黃海選擇了容量6060 in3的S4-13-9-7-11-D1.4氣槍陣列組合方式;鑒于渤海海域探測區(qū)的水深不大于20 m,氣槍沉放后距海底的距離不能太小,以保證氣槍的工作安全,故采用了S4-11-8-8-11-D2.0組合方式.兩種組合方式的遠(yuǎn)場子波特征如圖6所示,性能對比如表1.

圖8上為2011年在渤海采用6條1500 in3Bolt氣槍組成的容量9000 in3的平面氣槍陣列采集的OBS記錄,圖8下為2013年在相同位置,采用6060 in3的S4-11-8-8-11-D2.0組合采集的OBS記錄.可以看出,采用了新的震源激發(fā)技術(shù)后,采集的OBS數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯得到提高,總體具有振幅能量強(qiáng)、震相豐富,視頻率相對較高,較為連續(xù)可靠的優(yōu)勢波組特征,OBS記錄信噪比高,氣槍信號有效傳播距離達(dá)150 km,大于平面氣槍陣列的傳播距離.

圖8　平面槍陣(上)與立體槍陣延遲激發(fā)(下)OBS記錄剖面對比Fig.8　Comparison of OBS profile with conventional air-gun array (upper) and Tridimensional air-gun array (lower)

南黃海海域OBS深部地震探測是首次進(jìn)行,通過對分布南黃海測線上的全部39個(gè)臺站記錄的震相特征和分布情況分析(表2)可以看出,本次探測獲得大量有價(jià)值的廣角反射/折射地震震相.其中包括：直達(dá)水波震相Pw,陸相沉積層折射震相Ps1,海相沉積層折射震相Ps2,地殼內(nèi)的折射波震相Pg、莫霍面的反射震相PmP和上地幔的折射震相Pn,填補(bǔ)了南黃海海域深部數(shù)據(jù)的空白,所得到的OBS記錄均獲得了延續(xù)長度較大的震相,為OBS速度剖面反演奠定了良好的基礎(chǔ).

圖9為位于千里巖隆起之上的OBS13臺站折合顯示剖面(折合速度6000 m·s-1,下同).緊隨直達(dá)水波震相之后是一組連續(xù)可追蹤、視速度高達(dá)6 m·s-1的折射震相Pb,這是該構(gòu)造區(qū)內(nèi)南黃海陸相盆地下的高速折射波震相,本文將其定義為Pb震相,它相當(dāng)于地殼內(nèi)的折射波震相Pg,因其發(fā)育在隆起區(qū)內(nèi),為了便于后期的走時(shí)擬合,故將其單獨(dú)定義.該震相在臺站左支2～60 km范圍內(nèi)可連續(xù)追蹤,其中在偏移距大約40 km處,其走時(shí)由0.4 s快速增加至0.6 s,結(jié)合侯方輝等(侯方輝等,2012)對該區(qū)域多道地震的解釋結(jié)果,推測該處應(yīng)為山東半島膠萊盆地在海區(qū)的延伸邊界,走時(shí)的突然增加代表該區(qū)域沉積層增厚,發(fā)育了沉積盆地;Pb震相在右半支可以追蹤到約35 km,剖面上顯示Pb震相在右半支明顯滯后于左半支,走時(shí)的大幅增加表明向SE方向已進(jìn)入沉積坳陷-北部坳陷;在右半支100～140 km處觀測到視速度高達(dá)8 m·s-1的PmP折射震相,由于臺站位于淺部地震波強(qiáng)反射屏蔽區(qū),接收的震相振幅相對較弱,信噪比相對較低.

表2　南黃海OBS震相分布統(tǒng)計(jì)表

圖10為位于南黃海盆地北部坳陷OBS19臺站,由于坳陷內(nèi)沉積物厚度較大,綜合地震剖面上可以清楚的觀察到Ps震相,左半支追蹤到偏移距約25 km處(圖11上),右半支追蹤到偏移距10 km處(圖11下),折合走時(shí)可達(dá)2～3 s,視速度約4.5 km·s-1;Pg震相在左半支25～55 km以及右半支10～25 km可以連續(xù)追蹤,起伏不大,說明該處地殼頂面較為平緩;在左半支的100～150 km處以及右半支的110～150 km處可以清楚觀察到莫霍面上的反射震相PmP,其視速度約8 km·s-1.

圖9　13臺站OBS水聽器分量地震記錄剖面(折合速度為6 km·s-1)Fig.9　The hydrophone component seismic record profile at Station No.13 (reduced velocity is 6 km·s-1)

圖10　OBS19站位初步處理剖面Fig.10　The preliminary processing seismic record profile at Station No.19 (reduced velocity is 6 km·s-1)

圖11為位于中部隆起的OBS37站位初步處理剖面,站位的北支(圖11上)和南支(圖11下)均可以識別來自沉積層的廣角反射震相,并能在偏移距(Offset)65～100 km范圍內(nèi)識別到PmP震相;并由于站位位于中部隆起與北部坳陷的交界南側(cè),其北支偏移距范圍內(nèi)的沉積層底界深度變化較大,其所能見到的Pg震相延續(xù)范圍只有20 km左右;南支偏移距范圍內(nèi)的沉積層埋藏深度變化不大,Pg震相相對穩(wěn)定且延續(xù)距離在90 km以上.

圖11　OBS37站位初步處理剖面Fig.11　The preliminary processing seismic record profile at Station No.37 (reduced velocity is 6 km·s-1)

通過對南黃海OBS數(shù)據(jù)的速度結(jié)構(gòu)模擬等工作,獲得了2D速度結(jié)構(gòu)模型(祁江豪，2005)，同時(shí)結(jié)合區(qū)域地質(zhì)、多道地震、重力及磁力資料進(jìn)行綜合分析、對比、驗(yàn)證后認(rèn)為,千里巖隆起上變質(zhì)巖推覆體推覆于海相沉積層之上，是蘇魯造山帶在海區(qū)的延伸標(biāo)志，變質(zhì)巖體速度約為6.3 km·s-1；北部坳陷自上而下分布陸相沉積層和海相沉積層，陸相沉積層速度約1.7～4 km·s-1,海相沉積層速度約5.2～6 km·s-1,厚度在3～8 km，再次驗(yàn)證了多道地震(吳志強(qiáng)等，2015)和重力、磁力反演推測結(jié)果(黃松等，2010).

4結(jié)論及討論

理論分析認(rèn)為,中、小容量的氣槍組成的立體氣槍陣列延遲激發(fā)震源,采用將氣槍子陣列沉放在不同的深度并由淺到深順序地激發(fā)的工作方法,能夠有效地衰減了由上行波反射引起的鬼波作用,拓寬了地震頻帶,低頻能量得到了提升,提高了震源穿透能力.這種工作方法可以有效避免大容量氣槍陣列在淺海區(qū)應(yīng)用的限制,既可以獲得深達(dá)莫霍面的反射/折射震相,也可以兼顧探測深部沉積層分布特征,有效地提高了OBS資料品質(zhì).

在深水區(qū)海洋油氣地震勘探中,多層氣槍陣列延遲激發(fā)技術(shù)獲得了成功,有效地拓寬了地震頻帶,提高地震成像精度,為反演處理提供高品質(zhì)的基礎(chǔ)資料(Cambois等,2009;趙仁永等,2011).對多層氣槍陣列延遲激發(fā)技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn),降低了子陣列沉放深度差異,采用了靈活的延遲激發(fā)時(shí)間,形成了立體氣槍陣列延遲激發(fā)震源設(shè)計(jì)技術(shù)方法,使之完全適應(yīng)淺水區(qū)苛刻的采集工作環(huán)境.該工作方法在OBS深部探測中還屬于首次應(yīng)用,且已有的海洋OBS深部探測絕大部分采用的是大容量氣槍組成的超大容量氣槍陣列震源(總?cè)萘恳话愠^6000 in3),以保證有較好的低頻性能和較大的穿透深度.本次中、小容量的氣槍組成的立體氣槍陣列延遲激發(fā)震源工作方法在我國淺海區(qū)(渤海、黃海)的應(yīng)用結(jié)果表明,該工作方法在淺海環(huán)境下也能激發(fā)出傳播距離長、穿透深度深的地震波,并能有效壓制震源鬼波效應(yīng),可以得到高品質(zhì)的OBS數(shù)據(jù),既適用于巖石圈深部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成和狀態(tài)的探測研究,也適用于中-深目標(biāo)層的多道地震探測,為海洋地震勘探提供一種較理想的人工震源.

立體氣槍陣列延遲激發(fā)的重要作用是壓制震源的虛反射效應(yīng).但是,震源遠(yuǎn)場子波的特征也會受到新組合方式的影響.首先,震源鬼波是氣泡脈沖的有效衰減器,立體氣槍震源會得到比常規(guī)震源低的波泡比(PTB);其次,由于個(gè)別子陣列沉放深度加大,在高靜水壓力下激發(fā),降低氣泡幅度、加大了震蕩周期,導(dǎo)致如圖6所示的部分高頻頻率能量的減少;第三,子陣列沉放深度差異造成氣泡幅度的差異,意味著氣泡脈沖衰減性能的降低.因此,與常規(guī)的氣槍陣列震源相比，遠(yuǎn)場子波模擬分析顯得更加重要,需要進(jìn)行細(xì)致的理論模擬分析,優(yōu)選高性能的氣槍陣列震源組合方式，盡量避免它所帶來的副作用.

致謝感謝審稿專家和編輯部的大力支持.

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(本文編輯劉少華)

基金項(xiàng)目國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41210005，90814011)，國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2009AA093401)，國土資源部地質(zhì)調(diào)查專項(xiàng)(GZH200800503，GZH201200509)聯(lián)合資助.

作者簡介吳志強(qiáng)，男，1964年生，博士，研究員，主要從事海洋油氣地球物理研究工作.

doi:10.6038/cjg20160722 中圖分類號P631, P738

收稿日期2015-08-18，2016-03-09收修定稿

Tridimensional air-gun array with delay fired source signal characteristics and the application in OBS exploration in shallow seas

WU Zhi-Qiang1,2,3, HAO Tian-Yao4, TANG Song-Hua5, ZHANG Xun-Hua1,2,3, ZHENG Yan-Peng6，XIAO Guo-Lin1,2,3, ZHAO Wei-Na7,2,3

1QingdaoInstituteofMarineGeology,MinistryofLandandResources,Qingdao266071,China2TheKeyLaboratoryofMarineHydrocarbonResourceandEnvironmentalGeology,MinistryofLandandResources,Qingdao266071,China3FunctionlaboratoryforMarineMineralResourceGeologyandExploration,QingdaoNationalOceanographyLaboratory,Qingdao266000,China4InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China5FirstMarineGeologicalParty,ShanghaiOffshorePetroleumBureau,Shanghai201200,China6FirstInstituteofOceanography,StateOceamicAdministrationPeople′sRepubicofChina,Qingdao266061,China7OceanUniversityofChina,Qingdao266063,China

AbstractThe Bohai Sea is in the North China block and the South Yellow Sea is located in the Yangtze block. These seas are rich in oil and gas resources， related with block convergence and plate movement. The aim is to carry out seismic deep OBS detection in the Southern Yellow Sea and the Bohai Sea to get the seismic reflection and refraction information of lithosphere and the Moho surface for the study on the crust-mantle structure characteristics, the contact relation of the North China block and the Yangtze block and the tectonic effect of the plate movement and its control on the basin formation, evolution and hydrocarbon accumulation. The deep crust OBS exploration in the deep sea uses a conventional air-gun array which is made of several sub-arrays each containing a number of large volume air-guns. But in the shallow sea，it is difficult to play an effective role due to the gun depth limit and serious seafloor ghost reflection and source water ghost. To meet the needs for attenuation of water ghost reflection and enhancement of the low frequency content of seismic wavelet, based on the water depth condition and analysis of the principle of multi-level air-gun array and delay fired source applied in oil and gas exploration in the deep sea, we develop a method to delay the sub-array fired time for the tridimensional air-gun array source composed of a number of smaller volume air-guns. Compared with the multi-levels air-gun array，we apply a smaller depth difference and flexible sub-array sinking for sub air-gun array in order to adapt to the harsh environment for shooting the air-gun in the shallow water, thus we can get better effect for bubble suppression and ghost attenuation. A pattern of flexible delay fired time is designed for improving to output energy of the source and the quality of the wavelet. We design different combination schemes for tridimensional air-gun array and delay fired source and model its far-field wavelets. The amplitude-frequence distribution of our designed tridimensional air-gun array with delay fired source is more smooth than that of a conventional one, and more energy can be extended in the low frequency bands. Based on water depth conditions in the OBS exploration area，we applied respectively different tridimensional air-gun array and delay fired source pattern in the Bohai Sea and the Southern Yellow Sea. Compared with the deep crust OBS exploration using conventional large volume air-gun array in the Bohai Sea in 2012，the quality of the OBS data accquired by using new source is improved obviously, the seismic signal has a stronger amplitude, richer phase，higher resolution, better continuity and higher S/N ratio. The maximum propagation distance of source signal is over 150 km, which is more than that of the conventional large volume air-gun array. The deep crust OBS exploration which is the first one in the South Yellow Sea indicates the OBSs can record rich seismic phases including Ps，Pg，PmP and Pn both in the uplift areas where distributed the high velocity layers which had shielding effect on the seismic signals and the depression areas with large deposition thickness. The OBSs record quality is higher and the effective propagation distance of the air-gun signal is over 140 km.The deep crust OBS exploration test using tridimensional air-gun array with delay fired source technique shows that this method can generate seismic signals with long propagation distance and deep penetration in the shallow water, which can effectively suppress the source ghost effect and improve OBSs data quality. The method provides an ideal artificial source for marine seismic exploration, which can help study deep lithospheric structure, composition and status, and multichannel seismic detection for deep target layers. An important function for the tridimensional air-gun array and delay fired source technique is to attenuate the source ghost and to enhance low frequency energy. But the air-gun far field signals are also affected by the new design. Firstly, the source ghost is an effective attenuator of bubble pulses，the tridimensional air-gun array and delay fired source technique deliver a lower peak-to-bubble ratio (PTB) than a conventional air-gun array. Secondly, since the guns are towed deeper, they fire under higher hydrostatic pressure, which would reduce bubble sizes and oscillation periods and result in decrease of the high frequency contents. Thirdly, the difference of the bubble sizes caused by different array depths leads to less flexibility in array design and bubble pulse attenuation. Therefore, the far field wavelet modeling is the key to ensure an effective tridimensional air-gun array with delay fired source design. To avoid the side effects, we must carefully carry out the simulation and analysis of far-field wavelets to develop an optimal design for tridimensional air-gun array and delay fired source.

KeywordsTridimensional air-gun array source; Delay fired source; Far-field wavelet simulation; OBS depth exploration; Source ghost suppression; Shallow sea

吳志強(qiáng), 郝天珧, 唐松華等. 2016. 立體氣槍陣列延遲激發(fā)震源特性及在淺海區(qū)OBS探測中的應(yīng)用.地球物理學(xué)報(bào)，59(7):2573-2586,doi:10.6038/cjg20160722.Wu Z Q, Hao T Y, Tang S H, et al. 2016. Tridimensional air-gun array with delay fired source signal characteristics and the application in OBS exploration in shallow seas. Chinese J. Geophys. (in Chinese),59(7):2573-2586,doi:10.6038/cjg20160722.