岳航羽，張明棟，張保衛(wèi)，王廣科，王小江，劉東明

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 地球物理調(diào)查中心，河北 廊坊 065000； 2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000； 3.國(guó)家現(xiàn)代地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，河北 廊坊 065000； 4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083； 5.江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院，江蘇 南京 210049)

0 引言

隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，海洋地質(zhì)、地球物理調(diào)查技術(shù)方法已進(jìn)入快速發(fā)展階段，楊慧良等[1]詳細(xì)總結(jié)了我國(guó)海洋地質(zhì)調(diào)查和海洋地球物理調(diào)查技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r、適用范圍、主要存在的問(wèn)題和發(fā)展方向。作為目前全世界海洋地球物理調(diào)查常用方法之一的單道地震探測(cè)技術(shù)，具有高分辨率、高效率、低成本的優(yōu)勢(shì)[2-6]。眾多專(zhuān)家學(xué)者利用海上單道地震，并結(jié)合重磁、多道地震、多波束、側(cè)掃聲吶、鉆孔巖心等資料，有效識(shí)別海底第四紀(jì)沉積層序[7-10]、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征[11-12]、活動(dòng)斷裂展布[13-15]、淺層氣位置[16-17]、海底沙脊沙波地貌[18-19]等，為海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查[20]、近海工程建設(shè)[21]、海洋地質(zhì)環(huán)境演化[22]、地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別[23-24]、天然氣水合物調(diào)查[25-26]、礦產(chǎn)資源潛力預(yù)測(cè)[27]及風(fēng)電場(chǎng)選址測(cè)量[28]等方面提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料。

針對(duì)單道地震單一的覆蓋次數(shù)及非等間距采集模式導(dǎo)致的剖面信噪比低、多次波發(fā)育、垂向振幅能量差異大等特點(diǎn)，劉玉萍等[29]從單道地震的采集原理出發(fā)，闡述了單道地震資料處理中的3個(gè)難點(diǎn)及對(duì)應(yīng)解決措施。李麗青等[30-31]提出利用涌浪靜校正技術(shù)解決單道地震資料中存在的同相軸跳動(dòng)問(wèn)題，并采用單道地震關(guān)鍵處理技術(shù)，極大地提高了資料的信噪比和分辨率；劉建勛[32]在資料處理中采用有效的方法技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信噪分離，削弱多次及繞射等干擾波的影響；林兆彬等[33]對(duì)低頻部分的噪聲采用帶通濾波，對(duì)高頻信號(hào)中的隨機(jī)噪聲采用小波閾值去噪方法進(jìn)行壓制處理，進(jìn)一步提升了單道地震的剖面質(zhì)量；邢子浩等[34]將正則化非平穩(wěn)回歸技術(shù)應(yīng)用到單道地震多次波壓制中，并證實(shí)該技術(shù)較傳統(tǒng)匹配濾波方法在去除單道地震多次波方面更具優(yōu)勢(shì)。

本文將以河北雄安新區(qū)白洋淀為例，在內(nèi)陸淺水區(qū)開(kāi)展單道地震探測(cè)技術(shù)試驗(yàn)研究，構(gòu)建一套內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震探測(cè)技術(shù)。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，確定內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震采集參數(shù)，并開(kāi)展剖面測(cè)量。采用針對(duì)性的單道地震數(shù)據(jù)處理方法技術(shù)組合壓制各類(lèi)噪聲干擾，最大程度提高內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震信噪比和分辨率。通過(guò)與區(qū)內(nèi)測(cè)線附近的鉆孔資料對(duì)照，證實(shí)該方法技術(shù)的可行性及準(zhǔn)確性。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

為了開(kāi)展內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震探測(cè)技術(shù)試驗(yàn)，選取河北白洋淀作為試驗(yàn)區(qū)，如圖1所示。白洋淀是雄安新區(qū)最主要的水域，位于河北省中部、華北平原東南部，屬于太行山前永定河沖積扇與滹沱河沖積扇的前緣低洼區(qū)，是華北平原最大的淡水湖泊，其主體位于安新縣境內(nèi)，流域范圍為115.6°～116.5°E，38.7°～39.2°N，總面積約366 km2。年平均氣溫是12.1 ℃，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候[35-36]。區(qū)內(nèi)整體地勢(shì)較為平坦，地勢(shì)自WN向ES傾斜，地面標(biāo)高多在50 m以下，全區(qū)地勢(shì)最低洼區(qū)為白洋淀湖泊，平均深度3～4 m。從白洋淀的南、西、北3個(gè)方向接納9條入淀河流，分別為潴龍河、孝義河、唐河、清水河、府河、漕河、瀑河、萍河、白溝引河，出淀河流為東部的趙王新河[37]。在天然和人為因素的作用下，淀內(nèi)形成了溝壕相連、淀中有淀和水田相間分布的生態(tài)格局，主要包括藻苲淀、燒車(chē)淀、小白洋淀、撈王淀、泛魚(yú)淀和范峪淀等[38]。白洋淀常見(jiàn)的大型水生植物有47種，主要包括蓮花、蘆葦、芡實(shí)、菱角等水生植物群，其中，蘆葦是淀區(qū)分布最廣的植物[39]。

圖1 試驗(yàn)區(qū)位置

試驗(yàn)區(qū)自新生代以來(lái)一直是我國(guó)主要沉降地區(qū)，第四系地層沉積較厚，厚度一般在300～500 m，晚更新世以來(lái)地層主要?jiǎng)澐譃樯细陆y(tǒng)歐莊組和全新統(tǒng)。上更新統(tǒng)主要是以沖積相、洪積相、沖洪積相和湖相沉積為主，主要由黃色、棕黃色具有黃土狀結(jié)構(gòu)的黏土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)黏土及砂礫石層組成，上更新統(tǒng)底界埋深在120～170 m之間。全新統(tǒng)以沖積相為主，夾有湖沼相沉積，主要由灰黃色、灰色、灰黑色含淤泥質(zhì)的粉砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂、粉砂組成，常夾雜淤泥層，全新統(tǒng)底界埋深一般在20～40 m[40-41]。

2 野外數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)

內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震探測(cè)技術(shù)野外采集試驗(yàn)采用的是英國(guó)AAE公司的CSP-D單道地震探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩部分組成；發(fā)射系統(tǒng)由CSP-D發(fā)射機(jī)和Boomer震源組成，接收部分由DA4G-500工作站及水聽(tīng)器電纜組成。圖2所示為在河北白洋淀地區(qū)開(kāi)展的內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震探測(cè)試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)工作圖，進(jìn)行單道地震數(shù)據(jù)采集施工作業(yè)時(shí)首先分別投放Boomer激發(fā)震源和水聽(tīng)器電纜，如圖2a和2b所示；其次，為了最大限度地避免船只發(fā)動(dòng)機(jī)干擾及螺旋槳激起的水花影響，將Boomer震源和水聽(tīng)器電纜并排拖于船后20 m處，如圖2c所示，采用拖曳式連續(xù)觀測(cè)方式施工作業(yè)，數(shù)據(jù)采集過(guò)程中拖曳船只盡量保持勻速航行以減少噪聲影響。利用GPS實(shí)時(shí)監(jiān)控船只航行軌跡是否偏離測(cè)線，同時(shí)對(duì)觀測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)把控，盡量保證記錄的地層信號(hào)連貫清晰。

a—投放Boomer激發(fā)震源；b—投放水聽(tīng)器電纜；c—拖曳式單道地震數(shù)據(jù)采集

為了達(dá)到最佳的內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震探測(cè)效果，精細(xì)探測(cè)河北白洋淀水域全新統(tǒng)淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的目的，對(duì)關(guān)鍵的采集參數(shù)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，主要包括激發(fā)能量、激發(fā)間隔、航行速度以及接收單元個(gè)數(shù)等，以確定最優(yōu)的參數(shù)組合開(kāi)展白洋淀單道地震探測(cè)試驗(yàn)研究。

2.1 激發(fā)能量對(duì)比

內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震試驗(yàn)的探測(cè)深度及噪聲壓制水平直接受震源激發(fā)能量大小的影響，需要開(kāi)展內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震震源激發(fā)能量對(duì)比試驗(yàn)(圖3)。經(jīng)過(guò)相同的預(yù)處理手段和參數(shù)后，通過(guò)比較不難發(fā)現(xiàn)，圖3a所示的采用100 J的激發(fā)能量對(duì)多次波的壓制效果不甚理想，單道地震剖面上多次波較發(fā)育，如綠色箭頭所示；圖3b所示的采用200 J的激發(fā)能量對(duì)地層刻畫(huà)的連續(xù)性較差，單道地震剖面上出現(xiàn)明顯的地層間斷不連續(xù)現(xiàn)象，如藍(lán)色箭頭所示；相比之下，圖3c所示的采用300 J的激發(fā)能量的探測(cè)效果較理想，有效波反射凸出，同相軸連續(xù)性較好。

a—100 J； b—200 J； c—300 J

2.2 激發(fā)間隔對(duì)比

Boomer激發(fā)間隔的長(zhǎng)短直接影響著內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震探測(cè)的水下地層界面的連續(xù)性，因此需要控制其他采集參數(shù)不變的情況下比較不同震源激發(fā)間隔的實(shí)際效果。圖4所示為在河北白洋淀地區(qū)單道地震探測(cè)試驗(yàn)中不同激發(fā)間隔的剖面對(duì)比，依次采用了333 ms、400 ms以及533 ms這3個(gè)檔位。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，如圖4a所示的采用333 ms激發(fā)間隔單道地震剖面上白洋淀水底界面以及水下地層界面的橫向連續(xù)性都較好，未出現(xiàn)明顯間斷區(qū)域；然而，圖4b中黃色箭頭所示和圖4c中綠色箭頭所示的區(qū)域都出現(xiàn)了不同程度的地層界面橫向間斷區(qū)域，連續(xù)性均不如333 ms的結(jié)果。因此，在內(nèi)陸淺水區(qū)開(kāi)展單道地震探測(cè)研究時(shí)在保障發(fā)射機(jī)電容充飽的前提下，應(yīng)盡量縮短震源激發(fā)間隔，才能有效保證單道地震成像效果的橫向連續(xù)性。

a—333 ms； b—400 ms； c—533 ms

2.3 航行速度對(duì)比

拖曳船只的航行速度是單道地震探測(cè)中關(guān)鍵影響因素之一，船速過(guò)快會(huì)在水面激起較大浪花，嚴(yán)重影響船尾拖曳的設(shè)備的數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。因而在進(jìn)行內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，應(yīng)采用合理的船速，既保障單道地震的數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，又保障施工作業(yè)采集效率。圖5為在相同水域分別采用3節(jié)和4節(jié)的船速得到的單道地震剖面效果，如圖中黃色箭頭所示，采用4節(jié)的船速不僅4 ms附近的水底界面連續(xù)性較差，而且水下地層界面也無(wú)法得到有效顯現(xiàn)。因而，在內(nèi)陸淺水區(qū)進(jìn)行單道地震探測(cè)試驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡量控制拖曳船只的航行速度，控制在3節(jié)左右的船速，并勻速直線行駛。

a—3節(jié)；b—4節(jié)

2.4 接收單元個(gè)數(shù)對(duì)比

單道地震探測(cè)中水聽(tīng)器電纜接收單位個(gè)數(shù)直接控制著數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的有效疊加次數(shù)，圖6a和6b為分別采用16單元和24單元接收的水聽(tīng)器電纜的單道地震剖面對(duì)比。通過(guò)比較可以直觀發(fā)現(xiàn)，16單元的水聽(tīng)器電纜剖面結(jié)果雖然整體頻率較高，但是藍(lán)色箭頭所指示的水下有效反射界面無(wú)法準(zhǔn)確刻畫(huà)，而采用24單元的水聽(tīng)器電纜可以有效識(shí)別該地層界面，說(shuō)明16單元的水聽(tīng)器電纜較24單元的有效疊加次數(shù)少，造成其接收信號(hào)能力有限。因此，將采用24單元的水聽(tīng)器電纜在河北白洋淀地區(qū)開(kāi)展內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震探測(cè)技術(shù)研究。

a—16單元；b—24單元

通過(guò)在河北雄安新區(qū)白洋淀地區(qū)的單道地震探測(cè)野外數(shù)據(jù)采集對(duì)比試驗(yàn)，最終確定了該地區(qū)單道地震探測(cè)的采集參數(shù)主要包括：Boomer激發(fā)能量300 J、333 ms間隔激發(fā)、3節(jié)的行船速度以及采用24單元的水聽(tīng)器電纜接收，并開(kāi)展內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震剖面測(cè)量工作。

3 數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震探測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)特點(diǎn)及處理難點(diǎn)，本文制定了一套白洋淀單道地震數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。數(shù)據(jù)處理過(guò)程中以保真處理手段為主，主要包括帶通濾波、多次波壓制以及信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)等，最大程度地提高內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震反射波信噪比及分辨率，使其能夠更直觀地反映地層的形態(tài)特征，為后續(xù)單道地震資料解釋提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支撐。

圖7 內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震探測(cè)數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)及流程

圖8和圖9分別是采用圖7中的內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震探測(cè)數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)后的效果對(duì)比及頻譜對(duì)比。圖8a中的白洋淀單道地震原始數(shù)據(jù)干擾嚴(yán)重，多次波發(fā)育，信噪比極低，幾乎難以發(fā)現(xiàn)有效反射，圖9a所示的頻譜圖上可見(jiàn)較為明顯的低頻及高頻噪聲成分。采用400～2 500 Hz的帶通濾波后，內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震剖面的噪聲干擾得到一定程度地壓制，有效波反射同相軸得到部分顯現(xiàn)，信噪比得到一定程度地提升，特別是高低頻噪聲得到有效壓制，如圖8b和圖9b所示。通過(guò)采用單道預(yù)測(cè)反褶積與一維SRME技術(shù)相結(jié)合的方法，能夠有效衰減單道地震剖面的多次波干擾，剔除由多次波發(fā)育帶來(lái)的地質(zhì)假象，進(jìn)一步提高單道地震剖面的信噪比，如圖8c所示；同時(shí)，相較于圖9b，圖9c的主頻從1 300 Hz提高到了1 600 Hz，有效頻帶寬度也得到相應(yīng)拓寬，有效地提高了內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震的分辨率。最后，采用信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)在內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震剖面的橫向和縱向上對(duì)有效信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償增強(qiáng)，進(jìn)一步壓制隨機(jī)噪聲干擾，突出有效反射信息，增強(qiáng)單道地震剖面地層連續(xù)性，如圖8d所示，其對(duì)應(yīng)的頻譜特征圖9d也得到細(xì)微的改變，為河北白洋淀單道地震探測(cè)剖面地質(zhì)解釋提供真實(shí)可靠的物探數(shù)據(jù)保障。

4 試驗(yàn)效果地質(zhì)解釋

將數(shù)據(jù)處理后的單道地震時(shí)間剖面轉(zhuǎn)化為深度剖面，根據(jù)反射特征劃分對(duì)應(yīng)的地層界面，結(jié)合測(cè)線附近鉆探資料推測(cè)相應(yīng)地層的組成成分。圖10所示為內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震探測(cè)試驗(yàn)效果，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)河北白洋淀地區(qū)淺層按照1 700 m/s的速度進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)化，精細(xì)劃分淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

如圖10a所示，根據(jù)單道地震剖面反射特征，河北白洋淀20 m以淺共有效識(shí)別了全新統(tǒng)7套地層反射界面并確定了各層位所處的埋深位置，其中紅色線所示的水底界面深度4 m左右；同時(shí)，確定了各層起伏特征，各層整體較平坦，僅局部有起伏。根據(jù)測(cè)線附近的鉆探資料，如圖10b所示，所識(shí)別的地層界面與鉆探資料表征的地層界面吻合較好，有效推測(cè)各個(gè)層位的組成成分，主要是以第四系地層水系沉積物為主，包括粉土、粉質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂、細(xì)砂、中砂等。

5 結(jié)論

1) 以河北雄安新區(qū)白洋淀為例，開(kāi)展了內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震探測(cè)技術(shù)試驗(yàn)研究工作。在野外數(shù)據(jù)采集方面，定性對(duì)比了激發(fā)能量、激發(fā)間隔、航行速度以及接收單元個(gè)數(shù)的實(shí)際效果，優(yōu)化了內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震探測(cè)采集參數(shù)。

2) 依據(jù)白洋淀單道地震數(shù)據(jù)處理難點(diǎn)，制定了一套內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震數(shù)據(jù)處理流程及方法技術(shù)組合，主要包括帶通濾波、多次波壓制以及信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)等，逐步衰減各類(lèi)干擾噪聲，最大程度地提高單道地震剖面的信噪比及分辨率。

3) 通過(guò)高分辨率的內(nèi)陸淺水區(qū)單道地震探測(cè)剖面反射特征，精細(xì)劃分了水域淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，結(jié)合鉆探資料不僅能夠驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性，還推測(cè)了相應(yīng)地層的組成成分，有效地支撐了內(nèi)陸水域環(huán)境地質(zhì)調(diào)查及水域地下空間探測(cè)。