王爾覺，潘廣山，胡慶輝

(1.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088；2.山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濰坊 261021)

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近海工程勘察中單道與多道地震方法對比研究

王爾覺1，潘廣山2，胡慶輝2

(1.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088；2.山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濰坊 261021)

單道和多道地震勘探方法是近海海洋工程地質(zhì)調(diào)查的兩種重要物探方法。為了在海洋工程地質(zhì)調(diào)查中能夠獲得高分辨率的地震剖面，指導(dǎo)施工部門正確、合理的選擇探測方法，通過具體實(shí)例，分析了單道和多道地震勘探中的多次波干擾、地質(zhì)體空間分辨率和水深因素對探測結(jié)果的影響。結(jié)果表明：采用多道反射地震法不僅有利于消除多次反射波和提高地質(zhì)體空間分辨率，而且有利于克服水深較淺所造成的剖面失真。但在超淺水深條件下，即水深和震源與水聽器之間的距離相當(dāng)時，兩種方法均不能得到高分辨率的剖面。

單道地震；多道地震；海洋；工程地質(zhì)調(diào)查

Comparison Between Single and Multi-channel Seismic Method in Offshore Engineering Exploration

1　引　言

我國是一個海洋大國，海岸線全長18 000多公里，海域資源極其豐富，有著得天獨(dú)厚的海洋資源開發(fā)優(yōu)勢。但海洋環(huán)境的多樣化和海底沉積的不穩(wěn)定性等多種災(zāi)害因素的存在，對海洋資源開發(fā)和近海海岸工程建設(shè)造成了很大的威脅。對不良地質(zhì)體的災(zāi)害地質(zhì)因素的種類、性質(zhì)、特征和分布情況進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查研究，并給出合理的評價，是提高海洋工程建設(shè)安全性的重要保障。而這些信息的獲取主要通過工程地質(zhì)勘察來實(shí)現(xiàn)，其主要手段有鉆探方法和物探方法。鉆探方法可精確得到巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)，但成本較高，既費(fèi)時又費(fèi)力，且鉆孔又不能布置得過密，兩孔之間地層走向不能正確延伸。近年來，以淺層地震勘探技術(shù)為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的海洋地球物理探測技術(shù)，具備高分辨率和直觀的特點(diǎn)，逐漸成為海底探測技術(shù)的主流[1,2]。按照采集方式的不同，這種方法可分為單道地震和多道地震。單道海上反射地震采用自激自收的采集方式，目前普遍使用的儀器是法國的TEI Delphi單道地震儀。該系統(tǒng)由拖曳系統(tǒng)和船載系統(tǒng)構(gòu)成。拖曳系統(tǒng)包括換能器、水聽器和電纜；船載系統(tǒng)包括可控震源、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理平臺、DGPS差分衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。作為一種基礎(chǔ)的物探方法，單道地震勘探具有配置靈活、操作簡單、高效且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于調(diào)查沉積地層結(jié)構(gòu)、劃分基巖面、探測海底管線、水下考古等領(lǐng)域[3-5]。但由于采集方式的限制、外界環(huán)境因素的影響，以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)不完善，單道地震所獲得的地震資料的分辨率和信噪比不夠高。而多道地震方法采用共深度點(diǎn)多次疊加技術(shù)，震源激發(fā)時多個檢波器同時接收由地層反射回來的地震信號，然后對這些共深度點(diǎn)道集進(jìn)行濾波、振幅處理、時差校正和多次疊加，可得到沿測線的高信噪比和高分辨率地震反射剖面。

本文通過具體的海上勘探實(shí)例，詳細(xì)討論了單道地震和多道地震勘探在開展海洋工程地質(zhì)調(diào)查中的幾個典型問題，系統(tǒng)地分析了單道地震勘探存在的缺陷，闡述了多道地震的優(yōu)勢，這對于施工部門正確選擇合理的探測方法具有一定的指導(dǎo)意義。

2　多次波的壓制問題

在海洋地震勘探中，多次波的影響尤其嚴(yán)重。多次波的產(chǎn)生與水深條件、震源能量、海底底質(zhì)性質(zhì)及密實(shí)程度等有關(guān)。在水深較深、目的層較淺時基本不受多次波影響。但在淺水區(qū)，由于空氣與海水面之間存在明顯的波阻抗差異，聲波可在這個界面上產(chǎn)生能量很強(qiáng)的反射波，并在海面和海底之間多次往返，直到信號能量減弱到水聽器不能接收到為止。由于這種因素的存在，導(dǎo)致如果在淺、中層存在良好的反射界面并產(chǎn)生多次波，就有可能掩蓋了中、深層的一次反射波。從實(shí)測資料的分析可知，淺水區(qū)出現(xiàn)的這些多次反射常常比來自地層中的一次反射還要強(qiáng)，這給探測記錄上多次波之下的弱地層反射波識別造成了很大的困難。如果在資料處理和解釋中不能正確地消除或者識別出來，就會造成錯誤的地質(zhì)解釋。因此，提高資料的分辨率和信噪比，識別并消除多次反射波是至關(guān)重要的[6，7]。

由上述多次波形成機(jī)制的分析可以知道，無論是對于單道地震方法，還是對于多道地震方法，都會受到多次反射波的干擾，并且隨著水深和海底沉積結(jié)構(gòu)、巖性的變化，還會出現(xiàn)不同類型的復(fù)雜多次波，如虛反射、長程多次反射波、短程多次反射波、層間多次反射波等(圖1)。在單道地震資料解釋中，鑒別多次波主要采用經(jīng)驗(yàn)法，然而這種方法只能識別出簡單的周期性多次波，對于復(fù)雜類型的多次波則無法通過經(jīng)驗(yàn)直接識別，因而嚴(yán)重影響了單道地震資料解釋的準(zhǔn)確性。雖然目前Delphi軟件里面包含此項(xiàng)功能，其原理是通過追蹤海底的一次反射時間來推算由海底引起的多次反射，但是僅對周期性的多次波(如由海底引起的多次反射)有一定的壓制作用，對于其他類型的多次波卻無能為力。而基于多次疊加的多道地震采集方法在這方面具有明顯的優(yōu)越性，具備眾多與之相配套的多次波壓制技術(shù)，如預(yù)測反褶積、KL變換[8]以及各種基于波動方程的多次波消除方法[9]，能在很大程度上壓制各種類型的多次波。圖2(a)為青島近海石老人—大公島—小公島測線中某段單道地震剖面，從圖2(a)可以看出，由海底和基巖面引起的多次波是非常復(fù)雜的，在沒有鉆孔資料的情況下，直接對這種剖面進(jìn)行地質(zhì)解釋必然會帶來錯誤的推斷。圖2(b)為相同測線位置的多次疊加剖面，圖2中可見160 ms、190 ms及210 ms以下的多次反射波已經(jīng)完全被消除掉，清楚地再現(xiàn)了海底地層的真實(shí)面貌。

3　地質(zhì)體空間分辨率

海底地層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的復(fù)雜程度對不同的地震采集方式是有影響的。單道地震勘探與傳統(tǒng)的淺地層剖面法相似，它采用自激自收的數(shù)據(jù)采集方式，在所得的時間剖面上進(jìn)行地質(zhì)解釋。當(dāng)?shù)貙訛樗綄踊蛘叩貙觾A角較小的情況下，這種采集方式可以得到良好的探測結(jié)果。而當(dāng)?shù)貙又写嬖诤芏傅钠露然蛘叻瓷涿娲植跁r，檢波器往往接收不到上行反射波，其原因是聲波的入射和反射遵循斯奈爾定律，在反射界面較陡或者反射面粗糙時，入射角和反射角不再為零。而多道地震方法由于采用多個檢波器同時接收，可以得到地下較大范圍內(nèi)的反射信號，因而可以獲得更多的地層反射信息。圖3為青島海域?qū)崪y地震剖面，應(yīng)用863項(xiàng)目組自主研制開發(fā)的“近海工程高分辨率淺地層后處理軟件”，對單道地震剖面進(jìn)行了濾波處理，結(jié)果如圖3(a)所示；對相同位置的多次疊加剖面按照常規(guī)處理流程做了簡單的疊加處理，結(jié)果如圖3(b)所示。

對比兩個剖面可以看到，多道地震勘探處理后的地震剖面在信噪比方面明顯高于單道地震的自激自收剖面。在多道地震疊加剖面上，地層層序更加清楚，尤其是圖3(b)中所示的兩個“沙丘”狀構(gòu)造。而在單道地震剖面上， “沙丘”頂部與上覆地層的接觸關(guān)系非常模糊，呈現(xiàn)出“蘑菇狀”，這在地震解釋時容易產(chǎn)生錯誤的判斷，因?yàn)楫?dāng)海底沉積中有淺層氣存在時，也會表現(xiàn)出類似的現(xiàn)象[10]。

圖3　某海域工程地震資料對比剖面 Fig.3　Comparison profiles of one engineering seismic data in the sea area

4　水深條件對探測結(jié)果的影響

在海洋工程地震勘探中，測區(qū)的地震地質(zhì)條件決定著探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。除此之外，水深條件也是影響單道地震和多道地震測量效果的重要因素之一。在開發(fā)海洋的過程中，相當(dāng)多的地質(zhì)調(diào)查任務(wù)位于淺水區(qū)。在超淺水深條件下實(shí)施單道地震勘探，通常得不到好的應(yīng)用效果；而多道地震勘探則可以在某種程度上消除這種影響。因此，對探測區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的此類特殊問題或干擾因素進(jìn)行進(jìn)一步的分析和研究，是非常必要的。

4.1淺水剖面失真

在實(shí)際的單道地震采集工作中，為了避開船只尾流、機(jī)械噪聲等干擾，通常將激發(fā)和接收裝置分置于船后兩側(cè)，并保持一定的距離。這就導(dǎo)致了實(shí)際的聲波傳播路線并不是垂向傳播，而是存在一定的角度，因而很難做到自激自收采集，只能近似看作極小偏移距單道采集。根據(jù)劉金俊等對極淺海淺地層剖面淺層失真及校正問題的研究[11]，假設(shè)走航過程中震源與水聽器的距離為6 m，則對于包括水深在內(nèi)的10 m以內(nèi)的地層失真率將超過5%，5 m以內(nèi)的地層失真率將超過15%，3 m以內(nèi)的地層失真率將達(dá)到40%。因此，由于震源與水聽器距離的存在，導(dǎo)致各層位反射時間延遲，各層之間雙程走時縮短，計算出的層速度偏高；在地形起伏較大的區(qū)域，容易造成地形失真；在潮差大的區(qū)域，還將造成剖面交點(diǎn)不能閉合。由此看來，水深對于探測結(jié)果的影響是非常大的。水深較深時，這種影響甚小，其值落在允許的誤差范圍之內(nèi)，可以不做校正；但當(dāng)水深很淺時，則必須做校正。

對于多道地震采集來說，雖然也存在上述的問題，但相對于單道地震勘探來說，這種方法在設(shè)計觀測系統(tǒng)時具有很大的靈活性，并且在后處理過程中可以將震源與水聽器之間的距離(亦稱為最小偏移距)綜合考慮進(jìn)來，因而得到的疊加剖面能夠精確地反映出地下層位信息。

圖4(a)、圖4(b)分別為某海域獲得的單道地震剖面和多道地震剖面，該測線沿岸布設(shè)，水深僅為2.0～5.0 m。由圖4(a)可以看到，由于震源與水聽器的距離與水深接近，造成直達(dá)波、虛反射，以及海底的反射波相互疊加，導(dǎo)致海底反射無法識別。但在圖4(b)所示的多道地震剖面上，則可以通過校正的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，因而可以清楚地分辨出海底反射波同相軸。

圖4　淺水區(qū)地震剖面Fig.4　Profiles of shallow water depth

4.2直達(dá)波的影響

在超淺水深條件下，水深和震源與水聽器之間的距離幾乎相當(dāng)。由于震源激發(fā)的震源子波只

是一個理想的尖脈沖，具有一定的延續(xù)時間和旁瓣效應(yīng)，因而由震源直接到達(dá)水聽器的直達(dá)波會與由海底反射回來的一次反射波疊加在一起，給海底反射時間的確定帶來很大的困難。在目前的技術(shù)條件下，無論是對于單道地震還是多道地震，其資料處理技術(shù)均很難將兩者分開。圖5(a)為某海域單道地震剖面中的一部分圖像，測量海區(qū)水深2～3 m，震源距第一個水聽器3.125 m；圖5(b)為多次疊加剖面，處理過程采用了多項(xiàng)技術(shù)，包括疊前動校分離方法和疊后提高分辨率方法，但最終未能得到與實(shí)際水深相吻合的疊加剖面。因此，在這種情形下，這兩種方法的應(yīng)用都將受到一定的限制。

圖5　某海域地震剖面對比Fig.5　Comparison of the seismic profiles in one sea area

5　結(jié)　論

單道和多道地震勘探作為近海工程地質(zhì)勘查的重要物探方法，在開發(fā)和利用海洋資源的過程中，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。為使這兩種手段能夠更好地服務(wù)于海洋工程建設(shè)，本文借助具體的工程實(shí)例，討論了實(shí)際應(yīng)用中兩種方法的影響因素，得出如下結(jié)論：

1)在海洋工程地震勘探中，單道地震方法無法消除復(fù)雜類型的多次波，但多道地震方法能夠解決這一問題，并獲得高分辨率的地震剖面。

2)單道地震方法僅適用于水平(或小傾角)地層結(jié)構(gòu)的探測，而對復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)體的分辨能力很低；相比較而言，多道地震方法適用于任何地質(zhì)條件的探測任務(wù)，而且有利于提高地質(zhì)體的空間分辨率。

3)當(dāng)水深較淺時，兩種方法都會產(chǎn)生剖面失真現(xiàn)象，但對于多道地震來說，可以通過對觀測系統(tǒng)的校正，在一定程度上消除這種影響。

4)在超淺水條件下，即水深和震源與水聽器之間的間距相差不大時，由于直達(dá)波和海底反射波的疊加，導(dǎo)致無法獲得淺層地質(zhì)信息，此時兩種方法均無法獲得良好的探測結(jié)果。

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Wang Erjue1，Pan Guangshan2，Hu Qinghui2

(1.CCCCHighwayConsultantsCo.,Ltd,Beijing100088,China;2.Shandong4thInstituteofGeologyandMineralResourcesExploration,

WeifangShandong261021,China)

Single-channel and multi-channel seismic exploration are two important geophysical methods for offshore engineering geological survey. For the purpose of obtaining high resolution seismic profiles in marine engineering geological investigation, and providing guidance for construction departments in selecting correct, some factors for influencing results, such as multiple noise, geological spatial resolution and depth factors in single-channel and multi-channel seismic exploration were discussed in this paper with some field examples. The results show that the multiple channel reflection seismic method is helpful to eliminate the multiple reflections and improve the spatial resolution of the geological body, and it is also helpful to overcome the distortion of the profile caused by the shallow water depth. However, the two methods can't get high resolution profiles in the super shallow water depth.

single-channel seismic; multi-channel seismic; offshore; engineering geological survey

1672—7940(2016)04—0502—06

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.04.017

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(編號：201305026)

王爾覺(1982-)，男，工程師，主要從事工程勘察、巖土工程風(fēng)險控制方面的研究工作。E-mail:wejcumt@163.com

P631.4

A

2016-03-09