王騰飛,劉學(xué)義,程玖兵

(同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092)

近年來,隨著海洋油氣勘探開發(fā)不斷深入,勘探目標(biāo)逐步從構(gòu)造油氣藏向隱伏巖性、構(gòu)造-巖性復(fù)合油氣藏拓展,勘探難度不斷提高,對構(gòu)造成像、巖性區(qū)分與油氣預(yù)測精度提出了更高要求。常規(guī)海面拖纜采集由于纜線長度有限、無法采集橫波信號等缺點(diǎn),在解決上述一系列問題時存在明顯不足。隨著地震觀測技術(shù)的不斷完善,海底多分量地震采集成本大幅降低,由海底電纜(OBC)、海底節(jié)點(diǎn)(OBN)和海底地震儀(OBS)采集的多分量地震數(shù)據(jù)越來越多。不同于拖纜采集,海底檢波器布設(shè)更為靈活,理論上更容易實(shí)現(xiàn)高覆蓋、長偏移距、寬方位角觀測,且能夠較完整地記錄P波與S波的三維矢量振動信息。這些優(yōu)勢可以在解決氣云區(qū)與鹽下復(fù)雜構(gòu)造成像[1-3]、巖性劃分[4-6]、裂縫檢測[7-9]以及流體識別[10-12]等難題時發(fā)揮重要作用。

國內(nèi)外至今已采集了大量海底多分量地震數(shù)據(jù),相應(yīng)的處理與解釋通常圍繞一次反射PP波和PS波進(jìn)行成像或開展P-S聯(lián)合反演。然而,由于海底觀測環(huán)境的特殊性和海底地質(zhì)條件的復(fù)雜性,尤其是自由表面與海底界面的存在,導(dǎo)致海底地震記錄波型種類多、波場特征十分復(fù)雜。這就需要研究各類波型成分的產(chǎn)生機(jī)制,并針對其特征進(jìn)行壓制或利用,才能滿足后續(xù)全波成像與聯(lián)合反演的要求[2-3]。

除涌浪噪聲之外,Scholte波、導(dǎo)波、鬼波以及各類多次波都會給速度分析與偏移成像帶來影響。首先,Scholte波和導(dǎo)波等界面波的傳播特征受海底附近介質(zhì)參數(shù)控制[13-14],故可以用于反演海底淺層縱、橫波速度結(jié)構(gòu)[15-16],除了幫助海底工程建設(shè)或油氣井場調(diào)查外,還可以為PP和PS波反演成像提供初始速度模型[17-18]。其次,鬼波是由于震源氣槍或檢波器在特定水深放置所產(chǎn)生的自由表面多次波,通常與一次反射波存在微小時差,會導(dǎo)致顯著的陷波效應(yīng),嚴(yán)重降低了地震成像分辨率。值得注意的是,由于OBN/OBC在海底采集波場信號,檢波端鬼波通常被視為檢波端多次波,因此海底多分量數(shù)據(jù)中的鬼波一般特指源端鬼波。國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了聯(lián)合反褶積[19]、格林定理[20]、逆散射級數(shù)[21]以及稀疏τ-p反演[22]等方法壓制鬼波,獲得了更寬頻帶的地震數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

自由表面多次波壓制一直是海洋地震數(shù)據(jù)處理最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。針對拖纜數(shù)據(jù),最常用的方法包括Radon變換濾波法[23-24]、預(yù)測濾波法[25]以及波動方程自由表面多次波預(yù)測-相減法(SRME)[26-29]等。近年也涌現(xiàn)出許多基于深度學(xué)習(xí)的多次波壓制方法[30-31]。對于海底多分量地震數(shù)據(jù),人們常采用基于聲波理論的PZ疊加[32-33]或者基于彈性波理論的上-下行P/S波分離對檢波器端的表面多次波進(jìn)行壓制[34-35]。受海底地形、洋流以及施工因素的影響,陸檢在海底的耦合條件以及檢波器的方向旋轉(zhuǎn)都會給基于波場分離的多次波壓制造成影響[36]。近年來,隨著研究的逐步深入,人們開始利用表面多次波緩解復(fù)雜地質(zhì)體(如鹽丘)下部照明不足問題,并能夠大幅提高淺層成像分辨率[37-40]。

總之,由于海底界面、自由表面和海水層的存在,以及海底介質(zhì)條件和觀測環(huán)境的影響,海底多分量地震數(shù)據(jù)波型成分非常復(fù)雜。文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前對海底多分量地震數(shù)據(jù)特征和影響因素的研究相對較少,認(rèn)識不夠清晰。因此,本文擬厘清不同水深和海底介質(zhì)條件下海底多分量波場的成分特征和影響機(jī)制,為面向反射PP與PS波成像的數(shù)據(jù)處理提供指導(dǎo)。一方面,通過不同水深、典型海底介質(zhì)模型合成多分量地震數(shù)據(jù),分析主要波型成分的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特征,揭示相關(guān)的影響機(jī)制。另一方面,利用東海淺水(約82m)與南海深水(約1200m)實(shí)際觀測的OBS數(shù)據(jù)驗(yàn)證上述認(rèn)識的合理性。最后,結(jié)合本文認(rèn)識,對基于海底多分量數(shù)據(jù)的全波速度建模與偏移成像提出建議。

1 海底多分量地震數(shù)據(jù)數(shù)值模擬分析

不考慮洋流、海浪、海底地形地貌等外部環(huán)境和地下地質(zhì)構(gòu)造因素,在海底觀測的多分量地震數(shù)據(jù)主要受水深和海底附近物性特征(如軟海底和硬海底)等因素影響。如圖1所示,除PP波和PS波等一次反射波之外,OBC/OBN多分量記錄中還存在能量較強(qiáng)的鬼波、多次波、面波和導(dǎo)波等,其中多次波又可分為源端多次波與檢波點(diǎn)端多次波。這些波型成分在地震記錄中相互干擾,給多分量地震數(shù)據(jù)預(yù)處理及后續(xù)針對反射P波和S波的速度分析、偏移成像以及聯(lián)合反演帶來諸多困難。本節(jié)首先基于典型海底介質(zhì)情況進(jìn)行彈性參數(shù)建模,利用高精度的譜元法彈性波數(shù)值模擬方法合成不同水深條件下包含各類波型成分的海底多分量地震記錄,進(jìn)而分析其波型特征、影響因素及其物理機(jī)制。

圖1 海底多分量地震觀測與波型成分示意

1.1 海底介質(zhì)彈性參數(shù)建模

根據(jù)海底介質(zhì)物性差異,可分為硬海底和軟海底兩種情況,前者通常由于基巖出露引起,后者則往往是因?yàn)樗绍浀暮Ｑ蟪练e物。對于比較普遍的海底存在未固結(jié)軟性沉積物情況,縱-橫波速度比值較大,且隨深度快速變化[41-42]。此時,海底沉積物主要有砂質(zhì)沉積和泥質(zhì)/黏土沉積等類型。表1展示了兩種不同海底沉積地層中縱波速度(vP)、橫波速度(vS)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[43-45],其中z表示相對海底的地層深度。密度(ρ)模型則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式由縱波速度轉(zhuǎn)換獲得[46],這里采用ρ(z)=310vP(z)0.25。

表1 軟海底淺層速度統(tǒng)計公式

在軟海底情況下,本文主要基于砂質(zhì)沉積類型構(gòu)建彈性參數(shù)模型。對于常見的海底薄互層沉積,按10m到60m的隨機(jī)厚度對低速沉積層進(jìn)行剖分,分別以總厚度為100m和400m兩種情況構(gòu)建典型軟海底模型。為了簡化分析,暫不考慮沉積層可能存在的粘彈效應(yīng)。在硬海底情況下,認(rèn)為海底沒有覆蓋低速沉積物,故分別以縱橫波速度比3.00和1.73構(gòu)建兩種硬海底模型。為便于波場模擬與分析,假設(shè)海底軟(硬)介質(zhì)之下由水平層狀介質(zhì)組成,層厚度為50～150m。圖2展示了具有400m砂質(zhì)沉積物和縱橫波速度比為1.73的軟、硬海底彈性參數(shù)模型。結(jié)合30,100,300,1000m這4種不同水深,共構(gòu)建出16種彈性介質(zhì)模型供波場模擬分析使用。

圖2 軟、硬海底彈性參數(shù)模型a 沉積物厚度為400m的軟海底模型; b 海底巖石縱橫波速度比為1.73的硬海底模型

1.2 海底多分量記錄數(shù)值模擬與特征分析

由于海底介質(zhì)波速(尤其是橫波速度)非常低,基于常規(guī)均勻網(wǎng)格的有限差分算法受數(shù)值頻散影響很大,而譜元法[47]結(jié)合了偽譜法的精度優(yōu)勢和有限元方法網(wǎng)格剖分的靈活性,更適合含固液界面的海底多分量地震波數(shù)值模擬。因此,本文利用開源SPEFEM2D軟件[48],針對上文典型介質(zhì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬,對合成的海底多分量地震記錄進(jìn)行分析,揭示各種波型成分的產(chǎn)生機(jī)制及其影響因素。

1.2.1 數(shù)值模擬與分析

仿照OBC/OBN多分量地震采集方式,將震源設(shè)置在海面以下5m,采用主頻為20Hz的Ricker子波作為震源時間函數(shù),以10m的炮間隔和8.0km的最大炮檢距在水平海底記錄時長為5s的聲壓-質(zhì)點(diǎn)振動速度波場信號。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),對于同一類性質(zhì)的海底模型,水深變化導(dǎo)致的合成數(shù)據(jù)特征變化最為顯著,而沉積層厚度變化或縱橫波速度比變化引起的數(shù)據(jù)特征變化則相對較弱。因此,為了節(jié)省篇幅,這里針對100m和1000m水深情況,展示沉積物厚度為400m的軟海底模型和海底介質(zhì)縱橫波速度比為1.73的硬海底模型對應(yīng)的二維三分量(2D3C)數(shù)據(jù),即質(zhì)點(diǎn)速度水平(X)分量、質(zhì)點(diǎn)速度垂直(Z)分量和聲壓(P)分量的共檢波點(diǎn)道集。如圖3和圖4所示,不同水深條件對多分量波場數(shù)據(jù)影響十分明顯。在淺水情況下,不論是軟海底還是硬海底,在全頻帶的合成地震記錄中難以觀察到Scholte波,只有在0～4Hz的低頻分量中才能觀察到,并且此頻段內(nèi)Z分量上Scholte波能量要強(qiáng)于其它分量。淺水區(qū)導(dǎo)波能量很強(qiáng),在軟海底情況下其大部分能量位于折射波與直達(dá)波下方,其傳播速度略低于直達(dá)波;而在硬海底條件下,嚴(yán)重的頻散效應(yīng)[49]致使導(dǎo)波震相連續(xù)性變差。另外,淺水情況下多次波與一次波時差不大,極易產(chǎn)生混疊,給淺水多次波去除帶來了很大的挑戰(zhàn)。但是在深水合成地震記錄中,Scholte波和導(dǎo)波則基本消失[50]。同時,多次波與一次波運(yùn)動學(xué)差異明顯,相對容易識別。我們注意到,在軟海底情況下X分量和P分量的中小偏移距以縱波成分為主,而Z分量的中小偏移距由轉(zhuǎn)換橫波能量主導(dǎo),但受多次(縱)波影響較為明顯(在圖中標(biāo)識為M1);隨著階次變高,多次波入射角變小,在X分量觀察到的多次波越來越少。如圖4,在硬海底情況下,X分量和Z分量中小偏移距同時存在較強(qiáng)縱波與轉(zhuǎn)換橫波能量,模式耦合現(xiàn)象嚴(yán)重(見圖4中P&S指示區(qū)域)。相對而言,硬海底所產(chǎn)生的Scholte波視速度更大,能量更強(qiáng)(圖4a)。此外,在上述合成數(shù)據(jù)中也存在源端鬼波,可以從P分量近偏移距直達(dá)波上觀察到。

圖4 硬海底模型2D3C共檢波點(diǎn)道集(右上角子圖為虛線框內(nèi)的數(shù)據(jù)經(jīng)過0～4Hz帶通濾波的結(jié)果)a 水深為100m; b 水深為1000m

1.2.2 海底界面影響

地震波場在海底固-液界面處會發(fā)生復(fù)雜的模式轉(zhuǎn)換,不同性質(zhì)的界面(如軟、硬海底)會影響縱、橫波的能量分配關(guān)系和多分量記錄的特征。理解其中的物理機(jī)制對多分量數(shù)據(jù)處理,尤其是全波成像與反演非常關(guān)鍵。本節(jié)將基于前文構(gòu)建的軟、硬海底模型,依據(jù)Zoeppritz方程計算海底界面反射、透射系數(shù),并分析對海底多分量地震數(shù)據(jù)記錄的影響。注意,海底界面下方薄互層產(chǎn)生的調(diào)諧效應(yīng)也會對海底反射系數(shù)產(chǎn)生影響,這里暫不予考慮。

通常認(rèn)為,水檢與陸檢分別在緊挨海底界面上方(海水中)和下方(沉積地層中)接收信號。根據(jù)入射波場的類型,界面處的模式轉(zhuǎn)換效應(yīng)可以分為下行P波(P+)、上行P波(P-)以及上行S波(S-)3種入射情況。如圖5b所示,以二維為例,到達(dá)海底的下行P波通常為直達(dá)波或自由表面多次波,在海底界面入射時會產(chǎn)生反射、透射及模式轉(zhuǎn)換。因此,在界面上方的水檢將接收到入射波與反射P波(P-);而在界面下方的陸檢則接收到透射波和轉(zhuǎn)換波。另外,來自海底以下地層反射產(chǎn)生的P-或S-入射到海底界面時(圖5c和圖5d),水檢只會接收到上行透射(藍(lán)線箭頭),而陸檢則會同時接收到上行入射P-或S-波(黑線箭頭),以及經(jīng)海底反射的短程下行P+波(深藍(lán)線箭頭)和短程下行S+波(紅線箭頭)。這些波型在水平和垂直方向上的投影干涉疊加,即形成最終的海底2D3C記錄。

圖5 海底界面波場能量分配關(guān)系a 水檢和陸檢在海底的相對位置; b 下行P波入射情況; c 上行P波入射情況; d 上行S波入射情況

多分量記錄中不同波型的具體特征與海底界面性質(zhì)關(guān)系密切。海底介質(zhì)彈性參數(shù)的差異會引起彈性波場反射、透射及轉(zhuǎn)換系數(shù)的變化,從而影響不同波型成分在界面處的能量分配關(guān)系。由于海水的粘滯系數(shù)幾乎為0,可以認(rèn)為波場在海底界面處的垂向位移與垂向應(yīng)力均連續(xù),由此可以導(dǎo)出平面波入射情況下P或S波的各類反射/透射系數(shù)[51-52](見附錄A)。一方面,根據(jù)前文構(gòu)建的軟海底模型參數(shù)計算反射、透射系數(shù)隨入射角變化的曲線,發(fā)現(xiàn)當(dāng)P+和P-入射時(圖6a和圖6b)P波反射系數(shù)很小,透射系數(shù)近似為1,同時P-S轉(zhuǎn)換系數(shù)很小,表明軟海底界面對P波能量的改造作用很小,主要以透射為主,少部分能量被反射或轉(zhuǎn)換為S波。而當(dāng)S-上行入射時(圖6c),水層與海底界面S波下行反射系數(shù)幾乎為1且S-P轉(zhuǎn)換非常微弱。分析圖5d可知,此時陸檢位置處S-與S+能量一致,其垂向投影將相互抵消,導(dǎo)致陸檢垂直分量中幾乎不包含S波成分,這與前文合成數(shù)據(jù)的特征也非常吻合(見圖3a和圖3b)。另一方面,針對前文硬海底界面模型,反射/透射系數(shù)隨入射角的變化關(guān)系如圖7所示。當(dāng)P+或P-入射時,透射系數(shù)變小,在海底界面處產(chǎn)生更強(qiáng)的反射及P-S模式轉(zhuǎn)換。而當(dāng)上行S-入射時,也會發(fā)生很強(qiáng)的S-P模式轉(zhuǎn)換,且S波下行反射系數(shù)隨入射角增大逐漸變小,此時陸檢垂直分量中S-與S+成分很難抵消,會導(dǎo)致更多的S波能量出現(xiàn)在垂直分量記錄中。綜上分析可知,隨著海底介質(zhì)由軟變硬,界面上的反射系數(shù)增大,海底界面效應(yīng)會導(dǎo)致多分量記錄的中小偏移距P波與S波耦合更為明顯,在偏移成像與彈性參數(shù)反演中需要更謹(jǐn)慎地進(jìn)行P/S分離處理。

圖6 軟海底界面反射/透射系數(shù)隨入射角變化關(guān)系a 下行P波入射; b 上行P波入射; c 上行S波入射

圖7 硬海底界面反射/透射系數(shù)隨入射角變化關(guān)系a 下行P波入射; b 上行P波入射; c 上行S波入射

1.2.3 自由表面效應(yīng)

由于海水與空氣之間自由表面的存在,海底多分量地震數(shù)據(jù)中存在多種與表面效應(yīng)相關(guān)的波型成分,包括源端鬼波、源端多次波以及檢波點(diǎn)端多次波等。其中某些頻率成分的延遲時間恰巧與一次反射波相應(yīng)諧波成分的周期成整數(shù)倍關(guān)系,因而會與一次波發(fā)生相消干涉,導(dǎo)致數(shù)據(jù)頻帶上出現(xiàn)陷波現(xiàn)象(公式推導(dǎo)見附錄B)。近偏移距陷波點(diǎn)的理論計算公式可以近似表示為:

f=nc/(2z)

(1)

其中,n=0,1,2,…表示陷波點(diǎn)序號,c表示海水波速。當(dāng)z表示震源深度時,(1)式表示源端鬼波(圖8綠線)引起的陷波頻率值;當(dāng)z表示檢波點(diǎn)深度時,(1)式表示檢波點(diǎn)端多次波(圖8紅線)引起的陷波頻率值;當(dāng)z表示震源到海底的距離時,(1)式表示源端多次波(圖8藍(lán)線)引起的陷波頻率值。由于海底多分量觀測中檢波器深度通常遠(yuǎn)大于震源深度,根據(jù)(1)式可知海底多分量地震數(shù)據(jù)中源端多次波引起的陷波效應(yīng)要弱于檢波點(diǎn)端多次波。此外,鬼波和多次波共同導(dǎo)致零頻率附近能量衰減,因此需要通過消除鬼波和多次波來恢復(fù)數(shù)據(jù)低頻成分。

圖8 海底多分量記錄中的自由表面效應(yīng)示意

為了直觀了解自由表面對海底觀測地震信號的影響,下面針對淺水與深水軟海底模型,分別對比自由表面和最佳匹配層(PML)邊界條件下合成數(shù)據(jù)的頻譜差異。圖9a展示了100m水深軟海底模型Z分量的頻率-波數(shù)譜,可以看到明顯的陷波效應(yīng)。由于震源深度為5m,源端鬼波在直流分量(0Hz)附近的陷波導(dǎo)致低頻能量減弱,而第2個陷波點(diǎn)則位于150Hz附近;當(dāng)對海表面施加吸收邊界時,則觀察不到陷波問題(圖9b),低頻能量也更強(qiáng)。圖9c中的黑色箭頭代表理論計算的陷波位置,與頻譜中的陷波點(diǎn)十分吻合,由此可以判斷,在自由表面條件下,海底多分量數(shù)據(jù)中有效頻帶范圍內(nèi)的陷波效應(yīng)主要由多次波產(chǎn)生。當(dāng)水深增加到1000m時,在有效頻帶范圍內(nèi)陷波點(diǎn)個數(shù)大幅增加,從頻率-波數(shù)譜中能觀察到明顯的陷波效應(yīng)(圖10a)。但此時由于檢波端一階多次波與一次反射波時差增大,幾何擴(kuò)散效應(yīng)導(dǎo)致兩者振幅差異變大,陷波幅度有所降低(圖10c)。此外,高階多次波同樣會引起陷波效應(yīng),但由于它與一次波的路徑差異更大,引起的陷波屬于次級效應(yīng),本文不再討論。

圖9 淺水軟海底模型Z分量頻率-波數(shù)譜a 自由表面;b 海表PML邊界;c 零波數(shù)處的振幅譜對比

圖10 深水軟海底模型Z分量頻率-波數(shù)譜a 自由表面; b 海表PML邊界; c 零波數(shù)處的振幅譜對比

2 實(shí)測海底多分量地震數(shù)據(jù)特征分析

為了證實(shí)前面對海底多分量地震記錄的波型成分、特征、影響因素及其物理機(jī)制的認(rèn)識,分別對東海淺水區(qū)與南海深水區(qū)OBS地震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 東海淺水OBS數(shù)據(jù)

東海淺水OBS數(shù)據(jù),由中海油、同濟(jì)大學(xué)與中石化三方合作,于2017年依托三維地震勘探項(xiàng)目采集于平均水深82m的東海YQ探區(qū)。在采集過程中,將100臺國產(chǎn)OBS儀器通過繩系的方式,以100m的間隔拋投于海底并接收數(shù)據(jù)。記錄長度為6s,采樣間隔為0.5ms。氣槍震源信號的頻帶范圍為5～88Hz,震源激發(fā)間距為6.25m。預(yù)處理包括時鐘校正、重定位、旋轉(zhuǎn)校正、時間重采樣、3D到2D校正、帶通濾波和插值等。圖11顯示了預(yù)處理后第45號OBS對應(yīng)的聲壓分量、陸檢速度水平和垂直分量共接收點(diǎn)道集,從中可觀察到能量很強(qiáng)的導(dǎo)波,X分量主要為S波成分,Z分量和P分量主要為P波成分。在4Hz以下低頻范圍內(nèi)可看到X分量和Z分量中存在明顯的Scholte波。為此,WANG等[16]利用Scholte波信號頻散分析反演出該測線海底淺層的橫波速度結(jié)構(gòu)。但是,由于所采用的聲壓檢波器無法記錄5Hz以下低頻成分,因此聲壓記錄中沒有明顯的Scholte波信號。此外,由于水深較淺,自由表面相關(guān)的多次波非常發(fā)育,并且與一次波很難區(qū)分。從P分量的頻率-波數(shù)譜(圖12)中可以看到,零波數(shù)成分對應(yīng)的頻率值大約為9,18,27Hz等,與理論陷波點(diǎn)位置基本吻合。上述波型特征與前文淺水軟海底合成多分量記錄特征一致,也與同一套數(shù)據(jù)海底介質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果相吻合[36]。

圖11 東海淺水OBS數(shù)據(jù)2D3C共接收點(diǎn)道集(右上角為0～4Hz帶通濾波后虛線框內(nèi)局部放大顯示)a X分量; b Z分量; c P分量

圖12 東海淺水OBS數(shù)據(jù)聲壓分量頻率-波數(shù)譜(白色箭頭指示陷波效應(yīng))

值得注意的是,海底起伏或障礙物導(dǎo)致的儀器傾斜或檢波器共振等因素會使得Z分量中存在明顯的S波泄漏[53-54],這一現(xiàn)象在東海繩系OBS數(shù)據(jù)中尤為明顯(如圖11b黑色箭頭所示)。此外,在X分量中觀察到的PS波震相個數(shù)要多于Z分量或P分量中的PP波震相個數(shù)。劉學(xué)義等[55]也發(fā)現(xiàn),即便經(jīng)海底上-下行P/S波分離之后,在上行S波數(shù)據(jù)仍然可以發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象,他們認(rèn)為這與源端水層鳴震有關(guān),并且探討了在波動方程轉(zhuǎn)換波走時反演中克服其影響的方法。

2.2 南海深水OBS數(shù)據(jù)

南海某工區(qū)海底多分量數(shù)據(jù)的平均水深大約為1200m。該二維測線長度約為16km,由拋載式OBS采集到685炮氣槍震源激發(fā)的波場信號,震源間距為25m,記錄長度為8s,采樣間隔為1ms。圖13 展示了經(jīng)過水平分量方向旋轉(zhuǎn)、涌浪與隨機(jī)噪聲去除以及帶通濾波等預(yù)處理后的典型共接收點(diǎn)道集,可以看到如下特征:①在低頻成分中依然見不到明顯的Scholte波;②由于海水層非常厚,波場在海底與海面之間的振蕩變?nèi)?直達(dá)波附近未見明顯的導(dǎo)波;③自由表面產(chǎn)生的多次波能量很強(qiáng),在三分量記錄上均可以清楚地看到一階和二階多次P波。在P分量上,主要能量為P波,幾乎觀察不到S波。而在X分量中雖然可以看到少量多次P波的能量泄露(圖13a黑色實(shí)線箭頭所示),但總體上以S波為主,且轉(zhuǎn)換PS波震相數(shù)量明顯多于P分量,其中絕大部分應(yīng)與源端水層鳴震有關(guān),這一特點(diǎn)與東海淺水OBS數(shù)據(jù)類似。如圖14箭頭所示,聲壓分量的頻率-波數(shù)譜中可以觀察到明顯的陷波現(xiàn)象;由于深水環(huán)境,多次波與一次波振幅差異較大,雖然陷波點(diǎn)個數(shù)遠(yuǎn)比淺水?dāng)?shù)據(jù)多,但是陷波幅度明顯減弱。上述波型特征與前文深水環(huán)境合成多分量記錄特征基本一致。由于氣槍所產(chǎn)生的氣泡震蕩所帶來的震源噪聲,3個分量淺層小偏移距以及某些遠(yuǎn)偏移距都存在明顯的“氣泡”效應(yīng)(圖13虛線箭頭所示)。此外,對比這兩個工區(qū)OBS數(shù)據(jù)還發(fā)現(xiàn)深水條件下隨機(jī)噪聲減弱,相對于淺水條件信噪比有明顯提升。

圖13 南海深水OBS 2D3C共接收點(diǎn)道集a X分量;b Z分量;c P分量

圖14 南海深水OBS聲壓分量頻率-波數(shù)譜

3 討論

認(rèn)識不同水深、典型海底介質(zhì)情況下OBC/OBN數(shù)據(jù)的波型成分與分布特征,有助于針對性地研究和應(yīng)用信號處理、速度建模以及偏移成像的方法策略。

首先,淺水環(huán)境下導(dǎo)波與Scholte波較為發(fā)育,利用其頻散特征反演海底介質(zhì)彈性參數(shù)[18,56],可以為分離上-下行P/S波、深度域偏移成像提供比較可靠的海底淺表層速度模型。在深水環(huán)境下,導(dǎo)波與Scholte波可以忽略,而表面多次波的影響也明顯減弱,直接針對多分量數(shù)據(jù)的彈性波成像與反演容易獲得好的效果。

其次,海底巖石物性影響固-液界面上的能量分配關(guān)系,是決定多分量數(shù)據(jù)P/S模式轉(zhuǎn)換與耦合程度的關(guān)鍵因素。在進(jìn)行上-下行P/S波分離與P/S波模式解耦時,需要考慮工區(qū)內(nèi)海底軟硬特征采用合適的方法或流程[36]。在此基礎(chǔ)上,可以分階段進(jìn)行聲波、彈性波走時或全波形反演,基于恰當(dāng)?shù)亩喑叨炔呗詷?gòu)建寬譜的縱、橫波速度模型,從而滿足高分辨率矢量全波成像的要求[57-60]。

此外,表面多次波的干擾極大地挑戰(zhàn)傳統(tǒng)偏移成像和速度分析方法所基于的一階散射理論假設(shè),目前壓制或利用多次波的方法主要針對海面拖纜數(shù)據(jù)[38-39],需要深入地研究適合OBC/OBN數(shù)據(jù)的多次波速度建模與偏移成像方法[55],最大限度地釋放多分量數(shù)據(jù)的潛力。

4 結(jié)論

自由表面、海底界面的存在以及水層的影響,導(dǎo)致海底多分量地震數(shù)據(jù)的波型成分非常復(fù)雜,而且隨水深、海底環(huán)境和介質(zhì)條件變化而改變。淺水多分量數(shù)據(jù)中,導(dǎo)波、Scholte波等噪聲較強(qiáng),且自由表面多次波與一次波難以區(qū)分,導(dǎo)致OBC/OBN數(shù)據(jù)處理面臨更大的挑戰(zhàn)。海底界面透射/反射系數(shù)分析表明,在軟海底條件下,彈性波模式轉(zhuǎn)換相對較弱,P-S波耦合不嚴(yán)重,近偏移距Z分量可視為P波,X分量以S波為主。但在硬海底條件下,P-S波之間的模式轉(zhuǎn)換增強(qiáng),中小偏移距也存在較強(qiáng)的模式耦合,需要謹(jǐn)慎地進(jìn)行上-下行P/S波分離以滿足后續(xù)速度分析與偏移成像的要求。

附錄A 海底界面反射/透射系數(shù)公式

依據(jù)文獻(xiàn)[44],當(dāng)下行P波入射到海底界面時(圖5b),反射/透射系數(shù)滿足:

(A1)

當(dāng)上行P波入射到海底界面時(圖5c),反射/透射系數(shù)滿足:

(A2)

當(dāng)上行S波入射到海底界面時(圖5d),反射/透射系數(shù)滿足:

(A3)

附錄B海底多分量地震數(shù)據(jù)頻帶陷波公式推導(dǎo)

首先,如圖B1所示,以檢波點(diǎn)端一階多次波為例,基于P波傳播路徑分析多次波對海底多分量地震數(shù)據(jù)頻帶的影響。設(shè)震源深度為d,海水深度為z,地下界面深度為h,炮檢距為D。為簡便起見,圖中忽略波場因透射產(chǎn)生的傳播角度變化。將水速設(shè)為c時,那么一次反射波與檢波點(diǎn)端一階多次波的到達(dá)時差Δt可以表示為:

(B1)

在小角度反射時檢波點(diǎn)端多次波延遲時間大致等于P波在水層中的雙程旅行時。設(shè)海面反射系數(shù)為R0,海底界面處下行波場透射系數(shù)為T1,上行波場透射系數(shù)為T′1,反射系數(shù)為R1,地下界面反射系數(shù)為R,那么,陸檢接收到的地震信號x(t)可近似表示為:

x(t)=T1Rs(t)+T1RT′1R0T1s(t-Δt)

(B2)

其中,s(t)表示震源信號,等號右邊第一項(xiàng)為一次反射波信號,第二項(xiàng)為檢波點(diǎn)端一階多次波信號。對(B2)式做傅里葉變換:

X(f)=T1Rs(f)G(f)

(B3)

其中,f表示頻率,G(f)=(1+T′1R0T1e-i2πfΔt)。進(jìn)一步地,因?yàn)镽0=-1,將接收信號的振幅譜A(f)表示為:

(B4)

由公式(B4)可知,在某些頻率處A(f)陷入局部極小,即發(fā)生多次波與一次波相互抵消的現(xiàn)象,稱之為陷波點(diǎn),其頻率滿足:

(B5)

其中,n=0,1,2,3,…。注意,由公式(B4)可知,海底多分量數(shù)據(jù)與常規(guī)拖纜也有差異,受海底界面處透射與反射系數(shù)共同影響,多次波與一次波無法完全抵消,即陷波問題比海面拖纜數(shù)據(jù)相對弱一些。

一次反射波與源端一階多次波到達(dá)時差同樣可以用公式(B1)計算獲得。此時,接收信號可近似表示為:

xs(t)=T1Rs(t)+R1R0RT1s(t-Δt)

(B6)

參考前文推導(dǎo),接收信號振幅譜As(f)可以表示為:

(B7)