摘要： 淹沒碳酸鹽臺地水深變化大且海底崎嶇，地層結構復雜，導致二維反射地震資料發(fā)育大量多次波干擾，同時受采集環(huán)境影響，反射地震剖面廣泛存在噪聲干擾和大值干擾，給高分辨率成像帶來挑戰(zhàn)。甘泉海臺作為南海北部典型的淹沒碳酸鹽臺地，對其最新采集資料進行特征分析，采用低截濾波壓制強涌浪噪聲和異常振幅噪聲衰減組合技術以及多步串聯(lián)多次波壓制技術，有效去除噪聲干擾、大值干擾和復雜多次波，試驗疊前時間偏移各項參數(shù)，最終大幅度提高甘泉海臺地震剖面分辨率和信噪比，可為后續(xù)南海淹沒碳酸鹽臺地二維地震資料處理提供借鑒。

關鍵詞： 淹沒碳酸鹽臺地; 二維反射地震; 涌浪噪聲; 大值干擾; 復雜多次波

中圖分類號： P319.56 文獻標志碼：A 文章編號： 1000-0844（2024）06-1428-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230602003

Seismic imaging analysis of submerged carbonate platforms in

the South China Sea： a case study of the Ganquan platform

LI Xuelin^{1， 2}， ZHANG Heng²， CHEN Wanli³， SUN Yue³， CHEN Junjin³

（1.Sanya Institute of South China Sea Geology， Guangzhou Marine Geological Survey， Sanya 572025， Hainan， China;

2. Guangzhou Marine Geological Survey， China Geological Survey， Guangzhou 511458， Guangdong， China;

3. Institute of Deep-Sea Science and Engineering， CAS， Sanya 572000， Hainan， China）

Abstract： The submerged carbonate platforms in the South China Sea are characterized by significant variations in water depth and a rugged seafloor. These factors create a complex subsurface structure and result in multiple wave interferences in two-dimensional （2D） seismic reflection data. Additionally， the data are often affected by environmental conditions， leading to noise interference and large amplitude interference. These challenges pose difficulties for accurate high-resolution imaging. The Ganquan platform was taken as an example of a typical submerged carbonate platform in the northern South China Sea. The characteristics of the latest collected data for the Ganquan platform were analyzed in this work. The noise， large-amplitude， and multiple wave interferences were removed using low-cut filtering to suppress strong swell noise， anomalous amplitude attenuation， and multistep serial multiple wave suppression technique. The resolution and signal-to-noise ratio of the Ganquan platform seismic profile were greatly improved in this work. These advancements can serve as a valuable reference for the subsequent processing of 2D seismic data from submerged carbonate platforms in the South China Sea.

Keywords： submerged carbonate platform; two-dimensional seismic reflection; swell noise; large-amplitude interference; complex multiple waves

0 引言

生物礁碳酸鹽臺地指珊瑚、藻類及其他造礁生物骨骼或碎屑堆積而成的大型碳酸鹽巖建隆^［1］，通常形成于熱帶或亞熱帶海域的淺水區(qū)域，溫帶地區(qū)規(guī)模較小^［2］。南海大陸邊緣生長了大量的生物礁碳酸鹽臺地，包括現(xiàn)代碳酸鹽臺地，如西沙群島、南沙群島等，以及淹沒碳酸鹽臺地，如廣樂臺地、萬安臺地、甘泉海臺等^［3-4］。南海碳酸鹽臺地保存了大量的古沉積記錄，可指示古海洋環(huán)境和古氣候變化，研究南海碳酸鹽臺地對南海海平面變化、古海洋古氣候變化有重要意義^［5-7］。近年來，溫室效應加劇，氣候變暖等重大環(huán)境問題亟待解決，因此碳循環(huán)研究尤為重要，南海碳酸鹽臺地作為重要的碳儲庫，其研究是碳循環(huán)研究中重要的一環(huán)^［8-11］。生物礁結構為油氣的封存和儲集提供了有利條件，有助于形成較高的儲量和較好的儲層性質，生物礁油氣藏也具有勘探和開發(fā)成本較低的優(yōu)勢，因此，對南海生物礁碳酸鹽臺地的研究有利于優(yōu)化我國能源戰(zhàn)略^［12-14］。

地震探測因其安全性和高分辨率性已廣泛應用于生物礁碳酸鹽臺地地層結構研究，馬爾代夫、巴哈馬灘、澳大利亞西北部等地區(qū)的碳酸鹽臺地已布設大量地震監(jiān)測臺網(wǎng)，精細刻畫了地層的內(nèi)部結構^［15-19］。我國對南海生物礁碳酸鹽臺地的研究主要聚焦于現(xiàn)代島礁。前人利用井震聯(lián)合的方式揭示了南海島礁和現(xiàn)代碳酸鹽臺地的地層結構、演化模式及其控制因素，認為南海現(xiàn)代碳酸鹽臺地的發(fā)育主要受控于海平面變化和構造演變，具有南早北晚、東早西晚的發(fā)育規(guī)律^{［4-5，20-21］}。近年來，基于小道距多道地震資料，對西沙宣德環(huán)礁地層演化開展了研究工作，認為宣德環(huán)礁自中新世開始沉積碳酸鹽巖至今，共經(jīng)歷早中新世萌芽期、中中新世爆發(fā)期、晚中新世后退期、上新世淹沒期和第四紀島礁期，其發(fā)育演化主要受海平面變化和構造沉降控制，也因冬季風加強和上升流導致臺地后退^［22-23］。然而，淹沒碳酸鹽臺地水深變化大、海底崎嶇、地層結構復雜，使地震成相分辨率較低，導致對南海淹沒碳酸鹽臺地地層結構及演化過程認識不足。本文選取南海北部典型的深水區(qū)淹沒碳酸鹽臺地——甘泉海臺，基于新采集的100 km二維多道反射地震資料，梳理出3個生物礁碳酸鹽臺地處理難點，即海洋環(huán)境噪聲、復雜多次波和中深層成像。針對這些難點，根據(jù)碳酸鹽臺地地震資料特征，研究測試了低截濾波壓制強涌浪噪聲、異常振幅噪聲衰減（Attenuation of Abnormal Amplitude noise，AAA）技術、多步串聯(lián)多次波壓制、彎曲射線疊前時間偏移，獲得了高信噪比和高分辨率的成果剖面，可為我國深水區(qū)淹沒碳酸鹽臺地高分辨率地震成像提供借鑒，有助于生物礁碳酸鹽臺地沉積演化相關研究。

1 原始資料分析

本次數(shù)據(jù)采集完成于2022年7月，調(diào)查工作區(qū)位于南海北部甘泉海臺［圖1（a）］，圖1（b）為甘泉海臺地形地貌。甘泉海臺水深變化范圍為500～1 500 m，距離三亞市214 km，距離桂山島674 km，共布設3 條二維多道反射地震測線。采用單邊放炮單邊接收非零炮檢距單纜觀測系統(tǒng)進行采集，震源采用氣槍震源。采集參數(shù)如表1所列。

分析原始資料頻譜，獲得地震資料的主頻、頻寬以及頻率分布等信息，方便為后續(xù)的處理試驗選取有針對性的參數(shù)。圖2為GQHT001A測線的單炮頻譜圖。頻譜分析結果表明，本次采集數(shù)據(jù)有效頻寬可以達到130 Hz左右，主頻約為60 Hz。對各測線單炮分析結果表明，數(shù)據(jù)橫向上能量變化比較穩(wěn)定，縱向上隨時間增大能量迅速衰減。

2 噪聲特征

2.1 涌浪低頻干擾、大值噪聲干擾

涌浪干擾是由海浪引起的背景噪聲。當檢波器在海面上進行地震采集時，海面上的波浪會產(chǎn)生機械振動，進而被記錄下來，形成涌浪干擾，涌浪干擾的幅度與海浪的高度、風速等因素有關^［24-25］。大值噪聲干擾表現(xiàn)為數(shù)據(jù)中出現(xiàn)非常明顯的尖峰或波動，這些尖峰或波動的振幅往往比周圍環(huán)境噪聲大幾倍甚至幾十倍。其產(chǎn)生原因較復雜，可能與采集環(huán)境的變化或地震波的傳播有關，也可能由采集設備的誤差、電磁干擾等造成^［26］。

甘泉海臺地震資料的涌浪噪聲具有能量強、分布范圍廣的特征，但頻帶范圍窄、頻率較低，一般在4 Hz以下［圖3（a）］，且剖面上普遍存在強能量大值噪聲干擾［圖3（b）］。甘泉海臺地震資料廣泛存在的涌浪噪聲和大值干擾大幅度降低了數(shù)據(jù)的信噪比，壓制涌浪噪聲和大值干擾是提高生物礁碳酸鹽臺地地震數(shù)據(jù)分辨率的關鍵問題之一。

2.2 復雜多次波干擾

多次波是地震波在地下不同介質之間反射、折射產(chǎn)生的次生波，其到達時間比主波延遲。由于多次波與主波到達時間存在差異，因此會產(chǎn)生干擾，影響對地震數(shù)據(jù)的準確分析^［27］。

生物礁碳酸鹽臺地水深變化大且海底崎嶇，造成多次波的波場復雜。甘泉海臺地震采集資料中普遍發(fā)育多階海底反射多次波和層間多次波，且多次波與有效波混疊（圖4）。初疊加剖面上顯示海底多次波很強，大幅度降低了地震資料信噪比，嚴重影響有效信號成像。對多次波進行精準識別和有效壓制是提高生物礁碳酸鹽臺地反射地震資料分辨率的重點。

3 對策及效果

3.1 自動化海底層位拾取和多次迭代速度分析

海底層位速度拾取廣泛應用于多次波壓制、疊前去噪等諸多環(huán)節(jié)。常規(guī)的方法是在初疊加剖面和單道剖面上進行兩次人工拾取，該過程費時、費力。本次采用自動化海底層位拾取方法，能對海底層位實現(xiàn)自動拾取，僅需對自動拾取的海底進行檢查，對部分有跳變的地方進行人工拾取修改，效率提升4倍以上。

速度分析是地震資料降噪處理的關鍵一環(huán)，很多的處理方法與流程均要求基于一個準確的速度分析結果，其結果的好壞直接影響了多次波壓制、偏移歸位等主要處理過程。對甘泉海臺二維反射地震資料降噪處理過程中，遵循速度譜能量團拾取準確、道集同向軸拉平、與實際地層相匹配和成像聚焦效果好的原則，進行多次迭代的速度分析，選取合適的去多次波速度、疊加和偏移速度。處理中進行了3次速度分析迭代，初始速度分析每2 km做一個速度譜點分析，后面加密至每1 km做一個速度譜點分析。速度分析根據(jù)偏移成像的結果進行多次調(diào)整，不斷更改細節(jié)以達到最佳的成像效果。如此反復不斷改進，最終獲得準確的速度。

3.2 噪聲壓制

在施工中受到臺風等天氣的影響，產(chǎn)生嚴重的背景噪聲，包括涌浪噪聲、低頻噪聲和大值干擾。涌浪噪聲和大值異常與正常的反射信號有很大的區(qū)別。甘泉海臺內(nèi)部地層反射界面的地震反射信號在疊前、疊后各種數(shù)據(jù)上的分布都是有規(guī)律可循的，在能量和頻率上都符合地震波的傳播規(guī)律，而涌浪噪聲則不同，表現(xiàn)出低頻、強能量、空間分布無規(guī)律的特征。它在0～20 Hz的頻帶范圍內(nèi)都有分布，但主要能量還是集中在4 Hz以下。通過低頻噪聲編輯，在噪聲頻帶內(nèi)壓制低頻噪聲，結合AAA異常振幅噪聲壓制技術，基本消除炮集上的強低頻噪聲及大值干擾。

基于涌浪噪聲和大值干擾在頻率、能量、空間分布等方面的特點進行降噪處理。對于涌浪干擾直接采用低截濾波的方法壓制，對原始資料低頻背景涌浪噪聲進行頻譜分析，確定去除涌浪干擾的低截濾波為2.5 Hz。圖5是涌浪干擾壓制前后的炮集對比圖，處理后涌浪干擾基本得到衰減。大值干擾的能量比涌浪噪聲更強，常常比相鄰正常道振幅高3倍

甚至10倍以上，且頻帶較寬，和有效波的頻帶部分重合。對于大值異常干擾則采用AAA衰減技術，在噪聲出現(xiàn)的頻帶內(nèi)識別和壓制其能量，達到去除干擾的目的。先后采用炮域AAA和共偏移距AAA技術，可有效去除大值干擾，資料的信噪比得以提高（圖6）。

3.3 多次波壓制

甘泉海臺原始地震資料中廣泛發(fā)育多組多次波，且類型多樣，特征復雜。針對不同類型的多次波需使用不同的壓制技術，使用多步串聯(lián)多次波壓制方法（SRME+Radon變換+RES_DEMUL）對原始資料中的多次波進行了有效壓制，去除了多次波對剖面的影響，極大提高了剖面信噪比。

自由表面多次波衰減（Surface Related Multiple Elimination，SRME）首先使用特有算法對自身地震場數(shù)據(jù)進行卷積來預測所有自由表面多次波，然后對預測的多次波通過自適應相減從數(shù)據(jù)中去除。與其他多次波衰減方法不同，SRME不依賴于地下構造的假設或知識背景，也不使用事件屬性來區(qū)分多次波和初至波，僅需要了解波形以及源和檢波器的空間分布。由于地震采集時最小偏移距往往不符合SRME預測算法的要求，可采用數(shù)據(jù)插值的方法，使預測的自由表面多次波模型更準確。自適應相減去除所預測的多次波時，遵循時窗由大到小漸變的原則，根據(jù)經(jīng)驗，對預測多次波分多個時窗進行自適應相減可產(chǎn)生更好的效果^［28-29］。甘泉海臺區(qū)域為深水區(qū)，使用SRME可達到很好的去除海底相關多次波效果（圖7）。需要注意的是，SRME雖然在海底平坦區(qū)域對海底多次衰減效果比較理想，但對崎嶇水底區(qū)域的水底多次衰減顯得無能為力。

由于中遠偏移距初至波和多次波存在明顯動校時差差異，使用SRME后，地震資料中仍殘留較強多次波。Radon變換去多次波可以將數(shù)據(jù)從時間域轉換到另一個域，例如τ-p（延遲時間-水平偏移距）域或ω-τ（角頻率-延遲時間）域，這有助于更好地理解數(shù)據(jù)中的波形結構。因此，采用Radon變換將SRME后的甘泉海臺反射地震數(shù)據(jù)投影到一組基函數(shù)上，提高多次波和主反射波之間的可分性，對多次波進行有效識別去除（圖8），從而有助于減少多次波的影響^［30-31］。

RES_DEMUL技術是自主研發(fā)的基于噪聲能量加權的剩余多次波壓制方法。該方法利用剩余多次波近道和遠道的能量差異，進行自適應保幅壓制強能量殘留多次波。Radon變換后，反射地震資料中仍存在少量強能量多次波，利用該方法，這些多次波均可以有效去除（圖9）。

3.4 疊前時間偏移

偏移歸位將數(shù)據(jù)在水平方向上對齊，以便更好地反映地下結構，是地震資料處理過程中重要的一環(huán)。疊前時間偏移將不同偏移距和不同方位角度的地震數(shù)據(jù)在時域上進行疊加，從而得到地下結構在雙程反射時域上的分布情況。甘泉海臺地震資料處理采用高精度真實的炮檢位置信息，利用克?；舴驈澢渚€疊前時間偏移方法實現(xiàn)地層的準確歸位。

對噪聲去除和多次波壓制處理后少數(shù)信噪比較低的測線進行疊前隨機噪聲壓制和精細能量調(diào)整，以保證高品質的疊前數(shù)據(jù)基礎。采用高精度偏移速度場，保證CRP道集拉平、偏移剖面歸位合理。經(jīng)過對比測試，彎曲射線偏移比直射線偏移更耗費機時，但彎曲射線的成像效果明顯好于直射線。影響彎曲射線偏移效果的主要參數(shù)是偏移孔徑、去假頻濾波參數(shù)和偏移角度，為滿足后續(xù)解釋工作，需要通過分析試驗選取合適的參數(shù)。通過不同偏移孔徑測試的疊加結果分析，最大偏移距1倍的偏移孔徑比較合適，既能對深部的構造進行清晰成像又不至于引入較多的偏移噪聲。為使信噪比和分辨率均滿足后續(xù)解釋工作，選取1.0為合適的去假頻濾波參數(shù)。甘泉海臺地層橫向變化較大，為保證去掉畸變能量的同時保留有效偏移能量，多次試驗采用60°偏移角度。圖10為偏移處理效果圖，可以看出偏移后繞射波收斂，目標地層和基底得到歸位，有效反射能量得到聚焦，沉積層的反射波組特征清晰，有利于層序劃分與解釋。疊后對資料進行自適應反饋保真去噪、時變?yōu)V波去噪和徑向濾波去噪，使剖面信噪比得到進一步提高。

3.5 處理效果分析

對比甘泉海臺資料處理前后（圖11）：初疊剖面的信噪比較低，剖面上存在較強噪聲和繞射波，反射同相軸成像比較模糊，有效反射被噪聲和多次波覆蓋，基底不清晰，波組特征不明確，斷點斷面不易識別，剖面的分辨率也較低;處理后的成果剖面噪聲和多次波干擾被壓制，原來隱約存在的模糊同相軸都清晰展示出來，繞射波收斂歸位，成果剖面反映的地質構造及斷層的地質現(xiàn)象清晰可靠，偏移剖面歸位準確、斷點清晰、畫弧現(xiàn)象較少。

4 結論

去海洋環(huán)境噪聲、壓制復雜多次波和中深層成像是南海淹沒碳酸鹽臺地二維反射地震資料降噪處理、高分辨率成像的關鍵。選取典型南海淹沒碳酸鹽臺地——甘泉海臺，針對淹沒臺地地震資料特點，采用4項關鍵處理技術，去除了噪聲干擾和大值干擾，壓制了復雜多次波，提高了碳酸鹽巖地層的信噪比，改善了剖面的分辨率，并得出以下結論：

（1） 低截濾波壓制強涌浪噪聲和AAA技術衰減異常振幅噪聲組合可有效去除生物礁碳酸鹽臺地地震資料中的涌浪噪聲和大值干擾。

（2） 多步串聯(lián)多次波壓制（SRME+RADON變換+RES_DEMUL）方法可較好地去除生物礁碳酸鹽臺地地震資料中的復雜多次波。

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（本文編輯：張向紅）