邢子浩，義家吉，楊德鵬，魯旭，李偉，許丞，蔡砥柱，陳靚

1. 中國地質(zhì)調(diào)查局?？诤Ｑ蟮刭|(zhì)調(diào)查中心，?？?571127

2. 國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心，青島 266033

高分辨率單道地震是一種用來探測(cè)海底淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的地球物理方法，它具有配置靈活、簡單方便、高效經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確直觀、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，近年來已廣泛應(yīng)用于海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查、海域地質(zhì)災(zāi)害研究、天然氣水合物資源勘查及近海工程等領(lǐng)域，隨著相關(guān)采集設(shè)備、處理技術(shù)的發(fā)展，單道地震應(yīng)用前景也會(huì)愈加廣闊[1-2]。然而，在單道地震施工過程中風(fēng)浪或涌浪是普遍存在的，漂浮在海面附近的震源和接收纜很容易受到它們的沖擊而上下起伏、左右搖擺，從而導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)中的反射波同相軸發(fā)生抖動(dòng)現(xiàn)象，這些抖動(dòng)的存在使得剖面的信噪比和分辨率降低，剖面質(zhì)量變差，有時(shí)達(dá)到幾乎難以解釋的程度。因此，在單道地震數(shù)據(jù)處理中壓制涌浪帶來的干擾是一項(xiàng)重要工作。

目前，針對(duì)涌浪校正國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了一些可行的技術(shù)和方法。一類是基于數(shù)據(jù)自身特征的涌浪校正方法，主要有模型道互相關(guān)技術(shù)、中值濾波、均值濾波、高斯平滑濾波、局部時(shí)窗最優(yōu)化等方法，其中，李麗青等[3]提出了利用模型道互相關(guān)統(tǒng)計(jì)法計(jì)算涌浪對(duì)每道造成的時(shí)移量，然后通過靜校正來消除地震剖面上同相軸抖動(dòng)現(xiàn)象；羅進(jìn)華等[4]提出利用中值濾波和均值濾波對(duì)拾取的海底反射界面進(jìn)行濾波，將濾波前后的反射時(shí)間差值作為校正量，以此消除涌浪的影響；丁維鳳等[5]綜合模型道互相關(guān)、中值濾波和均值濾波等方法對(duì)單道地震和淺地層剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行了涌浪改正處理；付小波等[6]提出了高斯平滑與模型道互相關(guān)相結(jié)合的涌浪靜校正方法，首先利用高斯濾波對(duì)海底初至曲線進(jìn)行平滑處理，然后再利用模型道互相關(guān)技術(shù)計(jì)算剩余校正的時(shí)移量，從而完成時(shí)移校正；張彬彬等[7]提出了局部時(shí)窗最優(yōu)化校正方法用于壓制剩余涌浪影響。另一類是借助外部約束信息的涌浪校正方法，Kim 等[8]、郝高建等[9]采用多波束地形數(shù)據(jù)校正淺地層剖面儀探測(cè)的海底，從而消除了涌浪影響?；跀?shù)據(jù)自身特征的涌浪校正方法一般適用于海底起伏不大、地形平緩的數(shù)據(jù)，由于大部分水下地形均可以滿足這個(gè)條件，因此該方法在涌浪校正中得到了廣泛應(yīng)用，例如劉伍[10]利用平滑濾波校正了上海近岸海域高分辨率單道地震的同相軸起伏；王圣民等[11]采用均值濾波壓制了舟山海域高分辨率單道地震中的涌浪干擾；徐巖等[12]利用RadExpro 軟件的涌浪校正模塊（alpha 均值濾波）消除了三亞近海的淺剖資料反射同相軸抖動(dòng)現(xiàn)象；劉玉萍等[13]采用模型道互相關(guān)技術(shù)壓制了南海低信噪比單道地震資料中的海底抖動(dòng)。但當(dāng)海底地形復(fù)雜崎嶇時(shí)，該類方法的涌浪校正效果往往欠佳，其結(jié)果是要么壓制不足，涌浪干擾仍然存在；要么過分平滑，導(dǎo)致海底地層真實(shí)反射形態(tài)遭受破壞。針對(duì)這一問題，結(jié)合其他資料信息加以約束實(shí)現(xiàn)涌浪校正無疑是一種良好的解題思路，例如利用多波束測(cè)得的高精度地形數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)地震剖面中的海底位置，這樣一方面能壓制涌浪干擾，另一方面能將真實(shí)的海底地形反映到地震剖面中[9]。然而，遺憾的是多波束數(shù)據(jù)在近岸淺水地區(qū)的獲取成本較高，難以實(shí)現(xiàn)全覆蓋，導(dǎo)致該方法的推廣受阻。

與多波束測(cè)深相比，單波束測(cè)深數(shù)據(jù)更易獲得，一般情況下，在采集淺地層剖面、單道地震和多道地震數(shù)據(jù)過程中都會(huì)同步進(jìn)行單波束水深測(cè)量。目前，單波束水深測(cè)量多采用基于GNSS 技術(shù)的綜合水下測(cè)深系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由GPS RTK、測(cè)深儀、羅經(jīng)、姿態(tài)傳感器和導(dǎo)航軟件組成[14]。其中，姿態(tài)傳感器可以測(cè)量船體受涌浪影響發(fā)生的橫搖、縱搖和上下起伏變化等信息，從而消除姿態(tài)因素對(duì)單波束測(cè)深的影響[15]。水深數(shù)據(jù)再經(jīng)過吃水改正、聲速改正、時(shí)延改正及濾波等處理后，能夠獲得準(zhǔn)確可信的海底地形?；谶@一技術(shù)背景，本文提出了一種利用同步單波束測(cè)深數(shù)據(jù)約束來實(shí)現(xiàn)單道地震涌浪校正的方法，通過實(shí)際資料分析討論了該方法的有效性。

1 處理方法

首先，將單道地震剖面每一道對(duì)應(yīng)的單波束水深數(shù)據(jù)D通過公式（1）轉(zhuǎn)換成采用一定施工參數(shù)的海底雙程旅行時(shí)間TD；然后，用該時(shí)間與拾取的海底初至?xí)r間TB相減，獲得海底受涌浪影響產(chǎn)生的時(shí)移量ΔT；最后，以計(jì)算出的時(shí)移量為校正量，對(duì)每一道做靜校正處理即可準(zhǔn)確消除涌浪帶來的時(shí)移影響。

式中，HS、HR分別是震源和接收電纜的沉放深度，X是震源中心到電纜中心的距離，V是根據(jù)聲速剖面計(jì)算的水中平均聲速。

該方法具體處理步驟如下：

（1）拾取海底：從地震剖面上獲取每一道的坐標(biāo)和海底初至?xí)r間TS；

（2）位置校正：將單道地震道頭記錄的坐標(biāo)校正到真實(shí)的反射點(diǎn)位置；

（3）水深匹配：根據(jù)位置最近原則，為每一道匹配水深數(shù)據(jù)；

（4）深時(shí)轉(zhuǎn)換：將每一道對(duì)應(yīng)的水深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成時(shí)間數(shù)據(jù)；

（5）道集時(shí)移：計(jì)算時(shí)移量并進(jìn)行靜校正。

1.1 拾取海底

可采用能量比法進(jìn)行海底初至?xí)r間的自動(dòng)拾取，如圖1 所示。其算法如下：

圖1 能量比法自動(dòng)拾取海底示意圖Fig.1 Diagram of the energy ratio method of auto pick-up from the seabed

（1）設(shè)置一個(gè)開始搜索的時(shí)刻（其位置應(yīng)在海底反射波之上，直達(dá)波之下）和時(shí)窗長度，這樣海底初至波就被限制在由上述兩個(gè)參數(shù)確定的搜索窗口中（圖1 綠色方框）；

（2）在搜索窗口內(nèi)，計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)前后兩個(gè)目標(biāo)窗口（圖1 橙色方框）中的平均能量，并求取第二個(gè)窗口能量與第一個(gè)窗口能量的比值，記為該樣點(diǎn)處的能量比；

（3）對(duì)比搜索窗口內(nèi)所有采樣點(diǎn)處的能量比，最大能量比值對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為海底初至?xí)r間；

（4）最后輸出每一道的野外文件號(hào)（FFID）、坐標(biāo)和海底初至?xí)r間。

此外，當(dāng)資料信噪比較低或直達(dá)波距離海底非常近時(shí)，自動(dòng)拾取效果往往較差，此時(shí)需要手動(dòng)去修正。

1.2 位置校正

由于位置校正運(yùn)算不能在球面坐標(biāo)上進(jìn)行，只能在平面坐標(biāo)中計(jì)算，因此在位置校正前需要將SEGY 數(shù)據(jù)中記錄的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為投影平面坐標(biāo)。然后，根據(jù)反射點(diǎn)與SEGY 記錄位置的相對(duì)關(guān)系（圖2）及航向進(jìn)行線性平移即可得到真實(shí)的反射點(diǎn)平面坐標(biāo)值。計(jì)算公式為：

圖2 單道地震中反射點(diǎn)記錄位置與實(shí)際位置間的關(guān)系Fig.2 Relationship between the recorded and actual positions of reflection points in single-channel seismology

式中，ER、NR為校正后反射點(diǎn)的平面坐標(biāo)，EO、NO為SEGY 所記錄的大地坐標(biāo)經(jīng)投影變換計(jì)算出來的平面坐標(biāo)，SR為反射點(diǎn)與SEGY 坐標(biāo)記錄位置間的距離，h為船艏向，α為反射點(diǎn)與SEGY 坐標(biāo)記錄位置的連線與船中軸線的夾角。

對(duì)于船艏向信息的獲取，若導(dǎo)航數(shù)據(jù)中記錄了船艏向，可通過SEGY 數(shù)據(jù)中記錄的炮點(diǎn)時(shí)間與導(dǎo)航數(shù)據(jù)中記錄的船艏向時(shí)間進(jìn)行匹配來提取每一道對(duì)應(yīng)的船艏向；若導(dǎo)航數(shù)據(jù)中沒有記錄船艏向，則只能利用SEGY 記錄位置來推算船航跡向，用航跡向代替船艏向進(jìn)行反射點(diǎn)位置的推算[16]。

1.3 水深匹配

在每一道附近，計(jì)算反射點(diǎn)與測(cè)深點(diǎn)之間的距離，將距離最小的并且經(jīng)過室內(nèi)修正后的水深值作為該道對(duì)應(yīng)的水深。

1.4 深時(shí)轉(zhuǎn)換

根據(jù)公式（1），將每一道對(duì)應(yīng)的水深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實(shí)際施工條件下的海底雙程旅行時(shí)間，再根據(jù)公式（2）計(jì)算出涌浪造成的時(shí)移量 ΔT；

1.5 道集時(shí)移

將計(jì)算出的時(shí)移量 ΔT寫入地震道頭中，并以其作為校正量對(duì)每一道做靜校正處理，即可消除涌浪造成的時(shí)移影響，獲得具有真實(shí)海底的單道地震剖面數(shù)據(jù)。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 平緩起伏的海底

圖3 為本文提出的方法在實(shí)際資料處理中的應(yīng)用，該資料取自粵東沿海，調(diào)查區(qū)海底地形相對(duì)平坦，主要的采集參數(shù)如表1 所示。圖3a 是原始地震剖面，很顯然該剖面在采集過程中受到了高頻風(fēng)浪的影響，其特征是海底反射軸呈現(xiàn)鋸齒狀抖動(dòng)，海底以下同相軸也以同樣的時(shí)移量發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，從而造成地層錯(cuò)亂、模糊，極大地干擾了后續(xù)解釋工作。

表1 粵東沿海及海南島近岸海域單道地震采集參數(shù)Table 1 Single-channel seismic acquisition parameters in the offshore of eastern Guangdong and along the coast of Hainan Island

圖3 平坦海底的單道地震資料處理效果對(duì)比分析a：原始剖面，b：反射點(diǎn)校正前后的位置圖，c：校正前后的海底初至曲線，d：使用單波束測(cè)深數(shù)據(jù)校正后的剖面，e：使用均值濾波校正后的剖面。Fig.3 Comparison in processing result of single-channel seismic data on flat sea beda: original profile, b: position diagram before and after reflection point correction, c: the firstbreak curves of seabed before and after correction, d: profile after correction using single-beam echo sounder data, e: profile after correction using mean filtering.

按照上述給出的處理步驟，首先，需要拾取海底的反射初至，如圖3c 中灰色曲線（Seabed_SWELL）所示；然后，進(jìn)行反射點(diǎn)位置校正，由于本次導(dǎo)航數(shù)據(jù)中并未記錄船艏向，因此使用了航跡向代替船艏向進(jìn)行反射點(diǎn)位置的推算，其結(jié)果在平面坐標(biāo)系中的投影見圖3b；接著，使用真實(shí)的反射點(diǎn)坐標(biāo)與水深數(shù)據(jù)進(jìn)行位置匹配，并將匹配好的水深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至?xí)r間域，結(jié)果見圖3c 中藍(lán)色曲線（Seabed_SBES）；最后，計(jì)算出時(shí)移量，并以其作為靜校正量完成海底校正，結(jié)果如圖3d 所示。

對(duì)比圖3a 和圖3d 可以看出，處理后的剖面同相軸變得清晰、連續(xù)，地層分辨率得到大大改善，層位信息也更加豐富。圖3e 是采用11 點(diǎn)均值濾波（mean filtering, MF）消除涌浪干擾后的剖面，與圖3d對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種方法的處理效果基本相當(dāng)。理論上，采用單波束水深數(shù)據(jù)約束校正的結(jié)果更加接近于真實(shí)海底，而平滑濾波處理得到的則是海底的變化趨勢(shì)，當(dāng)海底起伏平緩時(shí)兩者差別不大。因此，在缺少測(cè)深數(shù)據(jù)或者追求處理效率的情況下，使用濾波方法進(jìn)行涌浪壓制也是可行的。

2.2 復(fù)雜崎嶇的海底

圖4a 展示了一段海底為沙波的單道地震剖面，該資料取自海南島近岸海域，主要的采集參數(shù)如表1所示。海底沙波是一種韻律形的海床地貌形態(tài)，其“脊尖槽緩”的排列特征往往與涌浪的“鋸齒狀抖動(dòng)”具有一定的相似性，因此當(dāng)使用濾波方法壓制涌浪干擾時(shí)首先需要排除海底為沙波的可能性。然而，當(dāng)兩者疊加在一起時(shí)，資料就會(huì)變得異常復(fù)雜，正如圖4a 所呈現(xiàn)的那樣，海底的錯(cuò)亂已經(jīng)達(dá)到無法辨認(rèn)的程度，連基本走勢(shì)的識(shí)別都相當(dāng)困難。

圖4 復(fù)雜海底的單道地震資料處理效果對(duì)比分析a：原始剖面，b：使用單波束測(cè)深數(shù)據(jù)校正后的剖面，c：使用均值濾波校正后的剖面，d：校正前后的海底初至曲線。Fig.4 Comparison in processing result of single-channel seismic data on complex seabeda: original profile, b: profile after correction using single-beam echo sounder data, c: profile after correction using mean filtering, d: the firstbreak curves of seabed before and after correction.

圖4b 和圖4c 分別是使用本文方法和均值濾波方法消除涌浪干擾后的剖面，在沒有圖4b 對(duì)比的情況下，常規(guī)濾波方法處理后的剖面可以認(rèn)為頗為理想，海底同相軸清晰連續(xù)，易于追蹤，沙波地貌也可以識(shí)別出來。然而，若使用該數(shù)據(jù)對(duì)沙波開展進(jìn)一步研究，有可能會(huì)將結(jié)果引向誤區(qū)，這是因?yàn)槠交瑸V波已經(jīng)改變了沙波的原始形態(tài)。相關(guān)研究表明，沙波的形態(tài)特征不僅是它分類的依據(jù)，而且能夠指示其沉積環(huán)境、移動(dòng)方向、活動(dòng)性以及流體特征[17-18]。仔細(xì)對(duì)比兩圖中綠色方框的部分可以看出，真實(shí)的海底沙波具有不對(duì)稱的形態(tài)，這種不對(duì)稱性可以指示其運(yùn)移方向，一般認(rèn)為沙波的運(yùn)移方向是從沙波的緩坡指向陡坡，因此通過圖4b 能夠清楚地判定出沙波由北向南遷移，同時(shí)也表明該區(qū)域水動(dòng)力條件較強(qiáng)，沙波處于活動(dòng)時(shí)期。如若使用圖4c 對(duì)沙波進(jìn)行解釋則是另外一種結(jié)果，沙波脊部圓滑且呈對(duì)稱形態(tài)，指示底流在此處達(dá)到平衡，沙波遷移可能停止或方向發(fā)生改變。

由此可見，在海底地形崎嶇復(fù)雜的情況下，均值濾波壓制涌浪干擾的同時(shí)也會(huì)抹掉海底和地層的細(xì)節(jié)變化，使其形態(tài)發(fā)生改變，從而帶來不可預(yù)知的結(jié)果，有些時(shí)候這些被忽略的細(xì)節(jié)特征對(duì)工程施工設(shè)計(jì)很重要；而基于單波束測(cè)深數(shù)據(jù)的海底校正方法不僅能壓制涌浪干擾，還能將真實(shí)的海底地形反映到地震剖面中，處理結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，可以作為科學(xué)研究、工程建設(shè)的基本依據(jù)。

3 討論

在單道地震資料中有時(shí)會(huì)存在另外一種海底抖動(dòng)現(xiàn)象，如圖5a 所示。通常人們會(huì)將這種情況歸因于低頻涌浪，但通過觀察剖面中海底同相軸的起伏形態(tài)顯然不符合涌浪干擾的特征，原因有二：①涌浪的波動(dòng)往往是持續(xù)且有規(guī)律的，而剖面中的海底抖動(dòng)無論在分布位置還是在幅度大小上都顯得很隨機(jī)，當(dāng)然這也并不是海底地形本身的變化，圖5c是同步采集的單波束水深數(shù)據(jù)，可看出該段地形是非常平坦的；② 剖面中同一道上海底反射波與直達(dá)波具有相似的起伏變形，海底上凸直達(dá)波也上凸，海底下凹直達(dá)波也下凹，這種特征并不是涌浪所能造成的。綜合上述原因，圖5a 剖面中的海底抖動(dòng)與涌浪無關(guān)。

圖5 船舶急轉(zhuǎn)彎對(duì)剖面的改造及處理效果分析a：受船舶急轉(zhuǎn)彎影響的原始剖面，b：航跡線，c：水深線，d：使用單波束測(cè)深數(shù)據(jù)校正后的剖面。Fig.5 Analysis on the results of modification of profile at sharp turn of the shipa: original profile affected by the sharp turn of a ship, b: track line, c: water depth line, d: profile after correction using single-beam echo sounder data.

圖5b 是采集圖5a 剖面時(shí)調(diào)查船的航跡線，兩圖對(duì)照來看，在航向發(fā)生急轉(zhuǎn)的位置直達(dá)波以及海底同相軸均相應(yīng)出現(xiàn)下凹或上凸的形變，說明剖面中這種海底抖動(dòng)現(xiàn)象是與船舶急轉(zhuǎn)彎有關(guān)的。借助圖6 對(duì)這種現(xiàn)象的原因做進(jìn)一步分析，如圖6a 所示，震源和接收纜拖曳于調(diào)查船之后，當(dāng)調(diào)查船沿測(cè)線方向穩(wěn)定行駛時(shí)，纜源間距保持不變，采集的資料可以正確反映海底地形；當(dāng)調(diào)查船向左急轉(zhuǎn)彎時(shí)，見圖6b，由于接收纜的長度大于震源纜的長度，因此震源達(dá)到拉直狀態(tài)的速度要比接收纜快，在這一過程中震源首先遠(yuǎn)離接收纜中心，然后隨著接收纜被拉直，纜源間距回歸正常，反映在地震剖面上直達(dá)波、海底以及海底以下地層同相軸會(huì)向下彎曲變形；當(dāng)調(diào)查船向右急轉(zhuǎn)彎時(shí)，見圖6c，在震源和接收纜被拉直的過程中，纜源間距先變小再回歸正常，反映在地震剖面上直達(dá)波、海底以及海底以下地層同相軸會(huì)向上彎曲變形。若在一段測(cè)線上，調(diào)查船反復(fù)急轉(zhuǎn)方向，海底就會(huì)出現(xiàn)連續(xù)上下起伏，形成地形假象，正如圖5a 展示的那樣。

圖6 船舶急轉(zhuǎn)彎對(duì)纜源間距的影響示意圖Fig.6 The effect of sharp turns of ships on the spacing between cable and source

這種由調(diào)查船急轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的“假海底”是否可以消除呢？圖5d 是采用圖5c 所示的單波束測(cè)深數(shù)據(jù)校正后的剖面，可以看出雖然海底的真實(shí)形態(tài)可以恢復(fù)，但是海底以下地層同相軸卻校正過量（圖中綠色箭頭所示），導(dǎo)致剖面再一次被改造，原因在于地震波傳播速度隨地層深度的加深而逐漸增大，相應(yīng)的纜源間距變化造成的同相軸形變量將隨之減小，也就是說在同一道上消除這種影響所需的校正量是隨時(shí)間逐漸變小的，該問題并非靜校正可以解決的。因此，建議在單道地震施工過程中船舶駕駛?cè)藛T要盡量保障船舶勻速、恒向行進(jìn)，在遇到障礙物時(shí)要提前緩慢變向繞行，避免因船舶急轉(zhuǎn)彎對(duì)數(shù)據(jù)資料造成影響。

4 結(jié)論與建議

（1）本文提出的方法不僅可以消除涌浪干擾，還可以將真實(shí)的海底地形反映到地震剖面中，處理結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

（2）當(dāng)海底比較平坦時(shí)，濾波方法和本文方法的涌浪壓制效果差別不大，平常處理此類資料時(shí)可以優(yōu)先考慮濾波方法；但當(dāng)海底地形復(fù)雜時(shí)，濾波方法是不可取的，建議選用本文方法或者其他類似方法。

（3）除涌浪外，調(diào)查船急轉(zhuǎn)彎是造成海底抖動(dòng)的又一原因，在剖面上可通過海底同相軸波動(dòng)的規(guī)律性和直達(dá)波特征將二者區(qū)分開。

（4）本文提出的方法雖然可以將海底恢復(fù)至真實(shí)形態(tài)，但無法消除調(diào)查船急轉(zhuǎn)彎對(duì)海底以下地層產(chǎn)生的形變，相關(guān)處理方法有待進(jìn)一步研究。

針對(duì)以上問題提出如下建議：

（1）測(cè)深儀、DGPS、震源中心、電纜中心等各設(shè)備間精確的相對(duì)位置關(guān)系是推算反射點(diǎn)實(shí)際位置的關(guān)鍵，因此在施工前需要使用專業(yè)測(cè)量工具準(zhǔn)確量取。

（2）涌浪姿態(tài)傳感器的使用是保證本文方法能夠良好實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和前提，在同步采集單波束數(shù)據(jù)過程中，必須裝配該設(shè)備。

（3）在單道地震施工過程中要盡量避免調(diào)查船發(fā)生急轉(zhuǎn)彎，駕駛?cè)藛T在操船時(shí)要謹(jǐn)慎專注、加強(qiáng)瞭望，發(fā)現(xiàn)障礙物后應(yīng)提前選擇緩慢繞行；如果有條件的話，也可以對(duì)受影響的部分進(jìn)行重新采集。

致謝：感謝?？诤Ｑ蟮刭|(zhì)調(diào)查中心所有海上作業(yè)人員對(duì)資料采集的辛苦付出，感謝青島海洋地質(zhì)研究所劉鴻副研究員在原始資料處理方面給予的支持和幫助。