劉玉萍 ， 楊志成 ， 李福元 ， 李麗青 ， 張寶金

(1.國(guó)土資源部 海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510075；2.中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司渤海石油研究院，天津 300452)

0 引言

針對(duì)解釋人員的需求，如何充分挖掘利用海洋淺剖資料具有十分重要的意義。 淺剖探測(cè)作為一種探測(cè)水下淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的地球物理方法，它是基于水聲學(xué)原理，以連續(xù)走航式快速大面積的探測(cè)[1]。與傳統(tǒng)的鉆探取樣方法相比，能有效提高探測(cè)效率，顯著降低作業(yè)成本。淺剖對(duì)海底淺表層沉積物的探測(cè)深度可達(dá)數(shù)百米，在地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估(海底塌陷和滑坡)[2]、近海岸工程勘察[3]、航道建設(shè)、斷裂構(gòu)造分布、天然氣水合物調(diào)查等方面具有廣泛地應(yīng)用，近年來(lái)，淺剖開(kāi)始應(yīng)用于冷泉[4]、淺層氣、海沙等資源調(diào)查中。因此，為了更好地滿足綜合解釋的需求，充分利用淺剖資料帶來(lái)的地下信息，全方面多方位地對(duì)海洋淺剖資料進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘是十分必要的。

目前，淺剖資料提供給解釋人員的成果資料往往是借鑒與單道地震和多道地震的處理思路，包括去噪、能量補(bǔ)償、多次波壓制、信號(hào)增強(qiáng)等處理辦法。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)、外對(duì)淺剖資料的處理研究開(kāi)始關(guān)注，Henkart[5]利用互相關(guān)、希爾伯特變換和波形包絡(luò)提取的處理方法對(duì)Chirp信號(hào)的淺剖資料進(jìn)行處理；邢子浩等[6]采用SRME技術(shù)進(jìn)行淺剖資料多次波的壓制；羅進(jìn)華等[7]通過(guò)對(duì)自動(dòng)拾取涌浪影響的海底反射面進(jìn)行濾波，進(jìn)而消除涌浪對(duì)海底地層的影響；陳曉輝等[8]采用多維濾波的方法對(duì)多次波進(jìn)行分區(qū)壓制；Baradello[9]提出直達(dá)波切除、波形整形反褶積、球面擴(kuò)散補(bǔ)償、預(yù)測(cè)反褶積、隨機(jī)噪音衰減和stolt偏移的淺剖改進(jìn)處理；薛花等[10]對(duì)非線性調(diào)頻信號(hào)淺剖資料提出了一套處理流程并應(yīng)用于實(shí)際資料；劉玉萍等[11]基于Hilbert變換的原理，對(duì)短時(shí)單頻脈沖信號(hào)淺剖資料進(jìn)行移頻處理；顏中輝等[12]對(duì)海上淺剖資料去噪技術(shù)作了重點(diǎn)闡述。

總之，淺剖解釋人員獲得的淺剖資料僅僅是傳統(tǒng)意義上的單一處理成果剖面。筆者從淺剖解釋人員的需求出發(fā)，針對(duì)不同解釋目的，結(jié)合前人淺剖處理經(jīng)驗(yàn)，以南海某海域淺剖資料為例，從垂向和平面兩個(gè)角度分別挖掘出四種不同的淺剖成果資料，并系統(tǒng)地分析討論每種成果資料的特征與實(shí)用性，為綜合解釋提供借鑒。

1 野外采集及預(yù)處理

研究區(qū)海水深度約在1 500 m～3 000 m之間，海底地形由北西向南東傾斜，在陸架區(qū)斜坡帶水深線走向大體與海岸線平行。研究跨越了部分陸架、陸坡和深海峽谷三個(gè)地貌單元，地貌形態(tài)復(fù)雜各異，在區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有滑塌形成的海丘、海槽、海底水道、海底峽谷、海山、海底陡崖和深海平原等類(lèi)型的地貌。本次淺剖資料是采用目前世界上最先進(jìn)的全海洋海底淺地層剖面調(diào)查儀器之一的Parasound P70型深水淺層剖面儀采集的，應(yīng)用連續(xù)波(CW)和參量陣差頻技術(shù)相結(jié)合，具有較高的地層分辨率和地層穿透能力，同時(shí)記錄低頻數(shù)據(jù)(PLF)和高頻數(shù)據(jù)(PHL)。淺剖研究區(qū)長(zhǎng)約28 km、寬約14 km NW向的矩形區(qū)域，其中主測(cè)線測(cè)線間距150 m，聯(lián)絡(luò)測(cè)線間距700 m，共布設(shè)了主測(cè)線89條，聯(lián)絡(luò)測(cè)線40條，測(cè)線布設(shè)見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)測(cè)線分布示意圖Fig.1 The line distribution diagram in the study area

研究區(qū)的原始資料采用了分段采集的方式，由于水深相對(duì)較大，為了節(jié)省野外采集的存儲(chǔ)空間，采集過(guò)程中采用了延遲記錄的方式。未發(fā)育多次波，主要噪音類(lèi)型有大值干擾、低頻涌浪噪音和海洋環(huán)境背景噪音。野外SGY未記錄導(dǎo)航FIX號(hào)信息，F(xiàn)IX號(hào)是淺剖資料、單道地震、多波束等綜合物探資料之間的連接橋梁，沒(méi)有FIX號(hào)就無(wú)法進(jìn)行后續(xù)的綜合對(duì)比解釋。記錄的坐標(biāo)格式是經(jīng)緯度地理坐標(biāo)，與解釋系統(tǒng)不匹配，解釋系統(tǒng)無(wú)法直接讀取原始數(shù)據(jù)。圖2是某條主測(cè)線的原始剖面及頻譜，有效頻率為3 000 Hz～5 000 Hz，嚴(yán)重缺少低頻，成像效果很差，同相軸模糊不清，分辨率極低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)任何構(gòu)造解釋和地層的連續(xù)追蹤。

圖2 原始淺剖剖面及頻譜Fig.2 The raw sub-bottom profile and spectrum(a)剖面；(b)頻譜

針對(duì)本次淺剖采集的資料特征，確立了預(yù)處理流程(圖3)，包括測(cè)線拼接，球面擴(kuò)散補(bǔ)償，道均衡，帶通濾波，大值干擾壓制，F(xiàn)X域信號(hào)增強(qiáng) ，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，F(xiàn)IX號(hào)定位。圖4是預(yù)處理之后的剖面，預(yù)處理主要解決了系統(tǒng)交叉對(duì)比解釋的輸入輸出問(wèn)題，整體上信噪比有所提高，縱、橫向能量更加均勻，但剖面信噪比與分辨率沒(méi)有得到很本性地改善，無(wú)法進(jìn)行構(gòu)造及沉積層劃分解釋。

2 淺剖數(shù)據(jù)挖掘及分析

2.1 振幅包絡(luò)

Hilbert變換是一種常用的信號(hào)處理方法，可以快速獲得窄帶信號(hào)的瞬時(shí)振幅，即振幅包絡(luò)。低頻成分突出，倍頻程增大，分辨率適中。對(duì)海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查而言，關(guān)注的重點(diǎn)是區(qū)域大范圍的構(gòu)造特征(斷裂、海底滑塌、沉積尖滅)，海底沉積類(lèi)型和海底沉積層的接觸關(guān)系；天然氣水合物調(diào)查與識(shí)別，稀土資源調(diào)查，富鈷結(jié)殼探測(cè)則在淺剖上表現(xiàn)為聲學(xué)異常(包括聲渾濁，聲空白及增強(qiáng)反射等)[13-16]。圖5是研究區(qū)某條聯(lián)絡(luò)測(cè)線的振幅包絡(luò)及頻譜，圖6是研究區(qū)某條主測(cè)線的振幅包絡(luò)，振幅包絡(luò)具有豐富的低頻信息，能較好地展示這些海底構(gòu)造特征(滑塌，U、V型峽谷，崎嶇海底，海底圓丘)和沉積類(lèi)型(A、B)，并且可以清晰顯示與天然氣水合物相關(guān)的聲空白，增強(qiáng)反射等聲學(xué)異常。

圖3 淺剖預(yù)處理流程及功能Fig.3 The sub-bottom profile preprocessing flow and function

圖4 預(yù)處理后淺剖剖面Fig.4 The sub-bottom profile after preprocessing

圖5 某聯(lián)絡(luò)測(cè)線振幅包絡(luò)及頻譜特征分析Fig.5 The amplitude envelope and spectrum analysis of the certain cross line(a)振幅包絡(luò)；(b)頻譜分析特征

圖6 某主測(cè)線振幅包絡(luò)及特征分析Fig.6 The amplitude envelope analysis of the certain inline

2.2 包絡(luò)拓頻

對(duì)振幅包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行拓頻處理，拓頻處理的基本原理是對(duì)包絡(luò)信號(hào)的頻譜乘以w實(shí)現(xiàn)譜白化，反變換回來(lái)的數(shù)據(jù)就是含有明顯主瓣的波形，即包絡(luò)拓頻信號(hào)[11]。拓頻之后高頻成分明顯提高，帶寬增大，分辨率明顯提高，有效頻帶范圍在0 Hz～1 000 Hz之間。由圖7可以看到，提頻之后剖面更能細(xì)致刻畫(huà)海底淺層層間薄砂體，同相軸清晰連續(xù)，對(duì)層序的劃分及沉積地層的變化也能清晰展示。

2.3 海底屬性等值線

淺地層剖面的海底振幅強(qiáng)度反映了海底的反射強(qiáng)度大小，海底反射強(qiáng)度與海底底質(zhì)類(lèi)型有關(guān)。圖8是拾取淺剖資料海底均方根振幅示意圖，通過(guò)提取研究區(qū)每條淺剖資料海底淺表層均方根振幅，就可以插值出研究區(qū)的平面海底均方根振幅等值線。對(duì)等值線圖進(jìn)行分析研究，可以直接判別海底底質(zhì)的軟硬程度變化特征并進(jìn)行初步的海底表層底質(zhì)劃分，結(jié)合多波束、鉆探資料，該等值線對(duì)海底底質(zhì)的認(rèn)識(shí)與分析具有一定的輔助指示意義[17]。由圖9可以看出，從工區(qū)北西向南東向明顯有條弱反射帶(矩形區(qū)域)，結(jié)合本研究區(qū)的構(gòu)造特征，說(shuō)明此處可能有條峽谷帶，峽谷區(qū)域內(nèi)沉積物松散，反射強(qiáng)度相對(duì)較弱，可以結(jié)合海底地形資料進(jìn)一步對(duì)比解釋?zhuān)辉谘芯繀^(qū)東南角落位置，有一塊弱反射區(qū)域(橢圓形內(nèi))，結(jié)合前面提到的海底地形由北西向南東傾斜，認(rèn)為此處海水深度較大，沉積物堆積沉積速率緩慢。

圖7 某測(cè)線包絡(luò)提頻剖面及頻譜特征分析Fig.7 The envelope frequency extension profile and spectrum analysis of the certain line(a)包絡(luò)提頻剖面；(b)頻譜特征分析

圖8 某測(cè)線海底均方根振幅拾取Fig.8 Pick up the seafloor RMS amplitude of the certain line

圖9 研究區(qū)海底均方根振幅平面等值線Fig.9 The seafloor RMS amplitude contour map in the study area

圖10 某條測(cè)線PHF數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)剖面Fig.10 The raw PHF profile of the certain line

2.4 突出弱信號(hào)

氣體逸散、冷泉信號(hào)在淺剖中表現(xiàn)為振幅很弱的信號(hào)，為了觀測(cè)近海底是否由淺層氣逸散，對(duì)其PHF高頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由于氣體的逸散信號(hào)可能比較弱，因此，這里設(shè)置不同的振幅域值(clip值設(shè)置用來(lái)突出弱信號(hào)，clip值越小，弱信號(hào)越明顯)來(lái)突出弱信號(hào)，選取研究區(qū)一條鉆探區(qū)的聯(lián)絡(luò)側(cè)線，在圖10中觀測(cè)到疑似氣體逸散的反射異常，這種異常在其附近的聯(lián)絡(luò)測(cè)線也可以觀測(cè)到，具體還需要結(jié)合其他調(diào)查手段進(jìn)行確認(rèn)。

3 結(jié)論

筆者從垂向和平面兩個(gè)角度對(duì)海洋淺剖資料進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，得出四種淺剖成果資料，彌補(bǔ)傳統(tǒng)意義上的單一處理成果剖面的不足，能滿足目前淺剖解釋人員的綜合解釋需求。

1)淺剖資料振幅包絡(luò)包含豐富低頻信息，能有效突出海底淺層構(gòu)造信息和微地貌特征，并能識(shí)別聲學(xué)異常，宏觀上把握工區(qū)地質(zhì)構(gòu)造概況，滿足海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和天然氣水合物調(diào)查識(shí)別的解釋需求。

2)包絡(luò)拓頻處理之后高頻成分得到突出，剖面分辨率提高，可以清晰刻畫(huà)砂體細(xì)微變化及海底淺層層序的劃分。

3)淺地層剖面的海底振幅強(qiáng)度反映了海底的反射強(qiáng)度大小，海底均方根振幅平面等值線圖可以初步分析海底底質(zhì)變化特征。

4)氣體逸散、冷泉信號(hào)在淺剖中表現(xiàn)為振幅很弱的信號(hào)，突出海底以上弱反射信號(hào)，可以觀測(cè)和識(shí)別冷泉和反射異常。