方中華，趙鐵虎，劉懷山，褚宏憲，馮 京

(1．中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院，青島 266100；2．青島海洋地質(zhì)研究所，青島 266071)

0 引言

近三十年來，特別是進(jìn)入二十一世紀(jì)后，隨著科技的進(jìn)步，人類對海洋的開發(fā)和利用已經(jīng)不再局限于淺海，而是逐步向深海邁進(jìn)，深海中蘊(yùn)藏著多金屬結(jié)核、熱液硫化物、石油天然氣和天然氣水合物等豐富的自然資源，這些資源都有待于去勘探和開發(fā)[1]。此外國家海洋主權(quán)的維護(hù)已經(jīng)上升到非常重要的地位。為了滿足這些需求,我們需要獲取在深水條件下的高分辨率海底地形地貌，地層構(gòu)造等地層聲學(xué)信息。然而采用常規(guī)的地震勘探方法，很難像淺海那樣獲得高品質(zhì)的地震資料，這是因?yàn)樵谏詈：：Ｑ笮诺乐袀鞑サ穆曅盘栍兄鴦×业钠鸱突?，影響地震成像的真?shí)性和可靠性。正是因?yàn)檫@些原因，海洋深拖地震技術(shù)在近幾年受到極大地關(guān)注。

目前聲學(xué)深拖地震設(shè)備大致上可以分為兩種類型：①混合深拖型(圖1(a))，它是將震源置于近海表，而將地震電纜置于近海底，其典型代表是法國海洋開發(fā)研究院(簡稱IFREMER)的科學(xué)家研制的高分辨率混合地震采集系統(tǒng)Pasisar[2]，這一系統(tǒng)可在水深 6 000 m以內(nèi)采集到高分辨率地震剖面；②深拖型(圖1(b))，它是將震源和地震電纜都置于近海底，其典型代表是美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室(簡稱U.S.NRL)設(shè)計(jì)開發(fā)的一套深拖高分辨率地震勘探系統(tǒng)DTAGS[3-4]，這也是首套被研制出來的深拖多道地震系統(tǒng)[5]。

圖1 海洋深拖地震系統(tǒng)示意圖Fig．1 Schematic diagram of ocean deep-tow seismic system (a)海洋混合深拖型地震系統(tǒng)示意圖; (b)海洋深拖型地震系統(tǒng)示意圖

1 海洋聲學(xué)環(huán)境對聲學(xué)探測影響分析

聲信號檢測受海洋聲學(xué)環(huán)境的影響較大，其中主要影響因素有海水聲速剖面、傳播損失、環(huán)境噪聲和海洋混響等因素。

1.1 海水聲速剖面

聲速的數(shù)值變化雖然微小，但它對長距離傳播聲線的分布、射程、傳播時間等量的影響很大。海水聲速剖面是影響聲在海水中傳播最關(guān)鍵的水文環(huán)境因素，不同的聲速剖面類型對聲傳播行為有截然不同的影響，聲速剖面的變化以及不同聲速剖面類型之間相互轉(zhuǎn)換，或許是引起聲在海水中傳播時衰減異常的一個最重要的原因[6]。

根據(jù)聲速剖面的特性，我們通常把深海聲速剖面分成三大層[6]：①混合層，混合層厚度一般在30 m至100 m之間變化，與季節(jié)性的陽光照射和風(fēng)浪攪動混合效果相關(guān)，在這里形成一個表面聲道；②主躍變層，這一部分是指在海表面的混合層之下，海水溫度隨深度變化較大，特征是負(fù)的溫度梯度或負(fù)聲速梯度，季節(jié)對它的影響微弱；③深海等溫層，在深海內(nèi)部，通常情況下水深大于1 000 m，水溫比較低而且穩(wěn)定，特征是正聲速梯度，在這里形成一個深海聲道。相比于淺海聲道，深海聲道要穩(wěn)定得多，這是因?yàn)楸砻媛暤酪子谑墉h(huán)境因素的影響，包括日光照射、風(fēng)浪混合程度、黑潮、海洋鋒面和中尺度渦旋等，不很穩(wěn)定。當(dāng)聲源和接收器位于深海海表面附近時，表面層的聲速變化對聲傳播影響很大，從而影響聲探測性能[7]。

1.2 海水聲吸收

海水聲吸收是指聲波在海水中傳播時一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^程，是聲在海水中傳播最重要的特性之一。海水能夠吸收聲音的主要原因，是水的粘滯性、還與硫酸鎂和硼酸等溶質(zhì)的化學(xué)弛豫過程有關(guān)。海水聲吸收系數(shù)與聲波頻率之間有較強(qiáng)的相關(guān)性，在約小于幾十赫茲的低頻段范圍內(nèi)，吸收系數(shù)的量級很小，一般認(rèn)為與水下聲信道的低頻截止效應(yīng)有關(guān)；在幾十赫茲到幾千赫茲和幾千赫茲到幾百千赫茲的頻段范圍內(nèi)，通常認(rèn)為海水中硼酸以及硫酸鎂的弛豫過程是引起聲吸收的主要原因[8]。海水吸收系數(shù)除頻率因素影響之外，還同酸堿度和鹽度有較強(qiáng)的關(guān)系，而與溫度和深度的關(guān)系較弱。

在深海進(jìn)行聲探測時，當(dāng)聲源和接收器位于深海海表面附近時，聲信號從聲源出發(fā)到被接收器接收到來自目標(biāo)層反射回的信號，要經(jīng)過一個相當(dāng)長的距離。海水聲吸收盡管在量級上比較小，但由于在整個聲傳播過程當(dāng)中它都存在，累積形成的附加聲傳播損失通常情況下不可忽略，并且聲頻率越高，聲傳播損失就表現(xiàn)得越明顯。

1.3 海洋環(huán)境噪音

海洋環(huán)境噪聲的來源很多，按照其產(chǎn)生的原因來看，海洋環(huán)境噪聲大致可以分為以下幾種[9]：①水動力噪聲，與海況和風(fēng)速有明顯的關(guān)系(海浪拍岸噪聲、雨噪聲、氣泡噪聲等)，它是海水和大氣中的湍流所產(chǎn)生的噪聲；②工業(yè)噪聲和交通噪聲，是人類活動所產(chǎn)生的噪聲；③生物噪聲，海中各種能發(fā)出聲音的生物所發(fā)出的噪聲；④極低頻噪聲，它是由地震、海底火山爆發(fā)、微地震、大尺度湍流和遙遠(yuǎn)的風(fēng)暴所產(chǎn)生的噪聲；⑤冰下噪聲，與冰原的移動和振動、冰塊的破裂、浮冰群的積成、吹過冰表面的渦旋氣流的不平穩(wěn)性及氣溫變化等因素有關(guān)，它是冰層在形成和運(yùn)動中所產(chǎn)生的噪聲。

相對于淺海，大量的實(shí)測數(shù)據(jù)表明，深海的環(huán)境噪聲譜相當(dāng)穩(wěn)定，并且噪聲譜級隨深度的增加而減小[10]。

1.4 海洋混響

海洋混響指的是聲波傳播過程中，在起伏海面、不平整海底及海水介質(zhì)內(nèi)部隨機(jī)不均勻體上反向散射在接收點(diǎn)所產(chǎn)生的信號。按照其產(chǎn)生混響散射源的不同大致上可將海洋混響分為以下三種[11]：①海面混響，由于海面的不平整性以及海浪形成的氣泡層對聲波的散射所形成的混響；②體積混響，散射體存在于海水本身或體積之中(如海水本身的不均勻性、海水中的流砂粒子、海洋生物、大的魚群等)所引起的混響；③海底混響：海底及其附近的散射體所形成的混響。與淺海環(huán)境相比，聲探測設(shè)備在深海環(huán)境中受到的海面混響與體積混響的影響要小得多。

總之淺海水聲信道由于水聲環(huán)境的復(fù)雜性成為一個時間——空間——頻率變化、單途畸變、強(qiáng)多途干擾的信道，聲音在淺海水聲信道中傳播時，具有使用帶寬十分有限，多普勒頻移比較嚴(yán)重，環(huán)境噪聲高，傳播損失大的特性，這給水聲探測與識別帶來困難，具有很強(qiáng)的不確定性；同淺海聲道相比，深海聲道由于水聲環(huán)境較為安靜，受到海水表面風(fēng)力、波浪、洋流以及季節(jié)變化的影響要小，聲道效應(yīng)也更加趨于穩(wěn)定[12]。因此優(yōu)良安靜的深海環(huán)境對改善水聲探測系統(tǒng)的信號檢測性能非常有利。

2 深拖地震技術(shù)在提高地震資料質(zhì)量方面的作用分析

野外數(shù)據(jù)采集是高分辨率地震勘探技術(shù)系統(tǒng)工程中最為基礎(chǔ)的部分，只有在野外采集到高信噪比，并且具有較寬有效頻帶的地震數(shù)據(jù)，才能處理出分辨率較高的地震剖面。

2.1 深拖地震技術(shù)提高了地震資料信噪比

海洋中存在多種噪聲源，著名的Wenz曲線圖較詳細(xì)地描述了海洋噪聲源的普遍規(guī)律性[13]。由人類活動(例如行船)所產(chǎn)生的噪聲一般落在50 Hz～500 Hz的頻帶范圍內(nèi)，由風(fēng)浪引起的噪聲一般落在500 Hz～25 000 Hz的頻帶范圍內(nèi)。這些噪聲所在頻帶，也是有效信號存在的頻帶。實(shí)際地震記錄上總是有噪聲的，我們所要做的就是要減小噪聲對有效信號的的影響，而深拖地震技術(shù)可以在不減小有效信號的情況下，極大地減小行船和風(fēng)浪所引起的噪聲，從而提高資料的信噪比，特別是高頻成分的信噪比。

低頻干擾造成的后果，可以在處理時通過水平疊加的方法予以消減，但是高頻干擾卻會是一個嚴(yán)重的問題，高頻信號經(jīng)過海水的吸收衰減后，已經(jīng)很微弱，很容易在高頻干擾的海洋中被淹沒，使高頻信號在處理中無法再恢復(fù)[14]。深拖地震技術(shù)使地震資料有更高的信噪比，特別是改善了高頻成分的信噪比，并且為處理階段進(jìn)一步改善信噪比提供了條件。

信噪比與分辨率是相互關(guān)聯(lián)的，關(guān)于二者的關(guān)系，李慶忠院士曾指出：信噪比是分辨率的基礎(chǔ)，分辨率是由信噪比所定義的。

在有噪聲的情況下，分辨率達(dá)不到無噪聲情況下估計(jì)的那么高。Widess[15]建議用子波主極值的平方與子波能量加噪音能量之比，來作為分辨能力的一個衡量標(biāo)準(zhǔn)。也就是說，分辨能力與信噪比是密切相關(guān)的，在相同子波的情況下，信噪比越低，分辨能力也越低。比如當(dāng)信噪比為“1”時，分辨能力相比于無噪聲的情況下要下降一半。實(shí)際上Widess的這個估算方法還過于樂觀，他只考慮了噪聲的存在會使總能量有所增加，卻沒有考慮噪聲的存在還會對主極值的大小有改變。在極端的情況下，當(dāng)子波的主峰值被噪聲淹沒時，已經(jīng)毫無分辨率可言，所以要想獲得高分辨率的地震資料，必須注意信噪比的問題。

2.2 深拖地震技術(shù)提高了地震資料分辨率

2.1.1 深拖地震技術(shù)提高了地震資料橫向分辨率

地震橫向分辨率是指在水平方向上能被分辨的最小地質(zhì)體的橫向?qū)挾龋浯笮∨c反射波第一菲涅耳帶密切相關(guān)。一般認(rèn)為，地震勘探中的橫向分辨率等于第一菲涅耳帶半徑[16]。

如圖2所示，設(shè)O為一個接收點(diǎn)，R為一水平反射界面，h為接收點(diǎn)到界面的垂直距離，界面以上為均勻介質(zhì)，地震波速度為ν，在自激自收的情況下，從震源O點(diǎn)出發(fā)，地震波向下半空間以球面波的方式傳播，在某一時刻，它與界面R切于O1點(diǎn)，半徑為h，這時O點(diǎn)只接收到O1一個點(diǎn)的反射，繼續(xù)向下傳播1/4周期與界面R交于C和C1點(diǎn)，半徑為OC。依據(jù)波的傳播疊加原理，只要在O點(diǎn)接收到時差不大于1/2周期的波就會得到相干加強(qiáng)的合成波形。所以，O點(diǎn)接收到的反射是界面CC1所有子波疊加的結(jié)果。

圖2 地震反射子波第一菲涅爾帶示意圖Fig．2 Schematic diagram of the first Fresnel zone seismic reflection wavelet

(1)

設(shè)O點(diǎn)接收到O1點(diǎn)與C點(diǎn)的二個波的時差等于1/2周期，即

得

(2)

將式(2)代入式(1)得

當(dāng)h?λ時有

式中h為接收點(diǎn)到界面的垂直距離；λ為子波的波長。

我們把CC1稱為第一菲涅爾帶，把O1C稱為菲涅爾帶半徑r(CC1=2r)，地震子波的橫向分辨率即可寫為

從上式中可以看出，當(dāng)把拖體置于近海底時，縮短了拖體與被探測地層的距離，使其更接近目標(biāo)(圖3)，可以在很大程度上地提高地震資料橫向分辨率。

圖3 海洋深拖地震技術(shù)減小第一菲涅爾帶示意圖Fig．3 Schematic diagram of ocean deep-tow seismic technology reduces the first Fresnel zone

圖4 同一地區(qū)高分辨率地震剖面和深拖地震剖面對比圖[5]Fig．4 Comparison profiles of deep-tow seismic and high resolution seismic from the same area[5]

2.1.2 深拖地震技術(shù)提高了地震資料縱向分辨率

地震縱向分辨率是指在垂直方向上能被分辨的最小地層厚度，一般認(rèn)為，可以分辨的最小地層極限厚度為子波主頻的1/4波長時容易辨認(rèn)[17]。在討論地震資料分辨率時，通常為了簡化，把地震波等同于彈性波，但在實(shí)際情況下隨著傳播距離增大或傳播時間延長，我們總是看到地震波的視頻率及主頻在逐漸下降。這與地震波在通過介質(zhì)時要被吸收或衰減有關(guān)，這是因?yàn)橛幸徊糠帜芰吭趥鞑ミ^程中轉(zhuǎn)化為熱。地震波在有吸收的介質(zhì)中每傳播一個波長的距離，能量損失的程度一般認(rèn)為是固定的，又由于高頻成分的波長要比低頻成分的波長短很多，對于一段相同的傳播距離來說，可能相當(dāng)于低頻成分的很少幾個波長，但相當(dāng)于高頻成分很多個波長，所以在傳播相同距離時高頻成分衰減要比低頻成分衰減快很多。在研究深拖地震技術(shù)對分辨率影響時，必須考慮海水聲吸收作用對分辨率影響，特別是對高頻成分的吸收作用對分辨率影響。

目前國內(nèi)深拖地震勘探的研究較少，而國外的研究成果相對較多，這里只舉一個法國海洋開發(fā)研究院對運(yùn)用SYSIF高分辨率及超高分辨率深拖地震系統(tǒng)勘探進(jìn)行了研究。圖4是該研究院在尼日尼亞深水斜坡(水深大于1 200 m)先后用高分辨率地震系統(tǒng)和深拖地震系統(tǒng)在同一地區(qū)獲得的地震剖面圖[5]。從同一個地區(qū)的深拖地震結(jié)果和高分辨地震結(jié)果對比可以看出，深拖地震剖面清楚地顯示出斷層的存在，而在高分辨地震剖面中則難以發(fā)現(xiàn)斷層。深拖地震剖面能顯示詳細(xì)的地層構(gòu)造，分辨率在橫向上和縱向上都比高分辨地震要高很多。高分辨率地震剖面缺少很多細(xì)節(jié)，這是因?yàn)榈卣鸩ㄖ械母哳l成分在海水中傳播時被海水吸收衰減嚴(yán)重的緣故。

此外深拖地震技術(shù)有利于提高速度分析的精度，對AVO分析效果較好，這是因?yàn)樵谙嗤碾娎|排列長度情況下，在近海底接收可以獲取更大反射角的地震信號，甚至可以獲得廣角反射信息[18]。

3 結(jié)論

(1)深拖地震技術(shù)降低了噪聲對地震記錄的影響，特別是行船和風(fēng)浪引起的噪聲對地震紀(jì)錄的影響，有效地提高了信噪比，特別是改善了高頻成分的信噪比。

(2)深拖地震技術(shù)縮短了拖體與被探測地層的距離，使其更接近目標(biāo)，可以很大程度上地提高地震資料的橫向分辨率。

(3)深拖地震技術(shù)在一定程度上減小了信號在傳播過程中的衰減，使信號的高頻成分能有效地記錄下來，提高了地震資料的縱向分辨率。

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