海洋深拖地震技術優勢分析

方中華，趙鐵虎，劉懷山，褚宏憲，馮 京

(1．中國海洋大學 海洋地球科學學院，青島 266100；2．青島海洋地質研究所，青島 266071)

0 引言

近三十年來，特別是進入二十一世紀后，隨著科技的進步，人類對海洋的開發和利用已經不再局限于淺海，而是逐步向深海邁進，深海中蘊藏著多金屬結核、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[1]。此外國家海洋主權的維護已經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，地層構造等地層聲學信息。然而采用常規的地震勘探方法，很難像淺海那樣獲得高品質的地震資料，這是因為在深海海海洋信道中傳播的聲信號有著劇烈的起伏和畸變，影響地震成像的真實性和可靠性。正是因為這些原因，海洋深拖地震技術在近幾年受到極大地關注。

目前聲學深拖地震設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研究院(簡稱IFREMER)的科學家研制的高分辨率混合地震采集系統Pasisar[2]，這一系統可在水深 6 000 m以內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驗室(簡稱U.S.NRL)設計開發的一套深拖高分辨率地震勘探系統DTAGS[3-4]，這也是首套被研制出來的深拖多道地震系統[5]。

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

1 海洋聲學環境對聲學探測影響分析

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

1.1 海水聲速剖面

聲速的數值變化雖然微小，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鍵的水文環境因素，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，與季節性的陽光照射和風浪攪動混合效果相關，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，特征是負的溫度梯度或負聲速梯度，季節對它的影響微弱；③深海等溫層，在深海內部，通常情況下水深大于1 000 m，水溫比較低而且穩定，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，深海聲道要穩定得多，這是因為表面聲道易于受環境因素的影響，包括日光照射、風浪混合程度、黑潮、海洋鋒面和中尺度渦旋等，不很穩定。當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變為熱能的過程，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的化學弛豫過程有關。海水聲吸收系數與聲波頻率之間有較強的相關性，在約小于幾十赫茲的低頻段范圍內，吸收系數的量級很小，一般認為與水下聲信道的低頻截止效應有關；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，通常認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]。海水吸收系數除頻率因素影響之外，還同酸堿度和鹽度有較強的關系，而與溫度和深度的關系較弱。

在深海進行聲探測時，當聲源和接收器位于深海海表面附近時，聲信號從聲源出發到被接收器接收到來自目標層反射回的信號，要經過一個相當長的距離。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，聲傳播損失就表現得越明顯。

1.3 海洋環境噪音

海洋環境噪聲的來源很多，按照其產生的原因來看，海洋環境噪聲大致可以分為以下幾種[9]：①水動力噪聲，與海況和風速有明顯的關系(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生的噪聲；②工業噪聲和交通噪聲，是人類活動所產生的噪聲；③生物噪聲，海中各種能發出聲音的生物所發出的噪聲；④極低頻噪聲，它是由地震、海底火山爆發、微地震、大尺度湍流和遙遠的風暴所產生的噪聲；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性及氣溫變化等因素有關，它是冰層在形成和運動中所產生的噪聲。

相對于淺海，大量的實測數據表明，深海的環境噪聲譜相當穩定，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內部隨機不均勻體上反向散射在接收點所產生的信號。按照其產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。與淺海環境相比，聲探測設備在深海環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境的復雜性成為一個時間——空間——頻率變化、單途畸變、強多途干擾的信道，聲音在淺海水聲信道中傳播時，具有使用帶寬十分有限，多普勒頻移比較嚴重，環境噪聲高，傳播損失大的特性，這給水聲探測與識別帶來困難，具有很強的不確定性；同淺海聲道相比，深海聲道由于水聲環境較為安靜，受到海水表面風力、波浪、洋流以及季節變化的影響要小，聲道效應也更加趨于穩定[12]。因此優良安靜的深海環境對改善水聲探測系統的信號檢測性能非常有利。

2 深拖地震技術在提高地震資料質量方面的作用分析

野外數據采集是高分辨率地震勘探技術系統工程中最為基礎的部分，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據，才能處理出分辨率較高的地震剖面。

2.1 深拖地震技術提高了地震資料信噪比

海洋中存在多種噪聲源，著名的Wenz曲線圖較詳細地描述了海洋噪聲源的普遍規律性[13]。由人類活動(例如行船)所產生的噪聲一般落在50 Hz～500 Hz的頻帶范圍內，由風浪引起的噪聲一般落在500 Hz～25 000 Hz的頻帶范圍內。這些噪聲所在頻帶，也是有效信號存在的頻帶。實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，而深拖地震技術可以在不減小有效信號的情況下，極大地減小行船和風浪所引起的噪聲，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重的問題，高頻信號經過海水的吸收衰減后，已經很微弱，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[14]。深拖地震技術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，并且為處理階段進一步改善信噪比提供了條件。

信噪比與分辨率是相互關聯的，關于二者的關系，李慶忠院士曾指出：信噪比是分辨率的基礎，分辨率是由信噪比所定義的。

在有噪聲的情況下，分辨率達不到無噪聲情況下估計的那么高。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準。也就是說，分辨能力與信噪比是密切相關的，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，當子波的主峰值被噪聲淹沒時，已經毫無分辨率可言，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 深拖地震技術提高了地震資料分辨率

2.1.1 深拖地震技術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體的橫向寬度，其大小與反射波第一菲涅耳帶密切相關。一般認為，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O為一個接收點，R為一水平反射界面，h為接收點到界面的垂直距離，界面以上為均勻介質，地震波速度為ν，在自激自收的情況下，從震源O點出發，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，半徑為h，這時O點只接收到O1一個點的反射，繼續向下傳播1/4周期與界面R交于C和C1點，半徑為OC。依據波的傳播疊加原理，只要在O點接收到時差不大于1/2周期的波就會得到相干加強的合成波形。所以，O點接收到的反射是界面CC1所有子波疊加的結果。

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O點接收到O1點與C點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h?λ時有

式中h為接收點到界面的垂直距離；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(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[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時要被吸收或衰減有關，這是因為有一部分能量在傳播過程中轉化為熱。地震波在有吸收的介質中每傳播一個波長的距離，能量損失的程度一般認為是固定的，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，可能相當于低頻成分的很少幾個波長，但相當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研究院對運用SYSIF高分辨率及超高分辨率深拖地震系統勘探進行了研究。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和深拖地震系統在同一地區獲得的地震剖面圖[5]。從同一個地區的深拖地震結果和高分辨地震結果對比可以看出，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現斷層。深拖地震剖面能顯示詳細的地層構造，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節，這是因為地震波中的高頻成分在海水中傳播時被海水吸收衰減嚴重的緣故。

此外深拖地震技術有利于提高速度分析的精度，對AVO分析效果較好，這是因為在相同的電纜排列長度情況下，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 結論

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

(2)深拖地震技術縮短了拖體與被探測地層的距離，使其更接近目標，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。

參考文獻：

[1] 劉曉東,張方生,朱維慶,等.深水聲學拖曳系統[J].海洋測繪,2005,25(6):37-44.

[2] 梁瑞才,王述功,劉寶華.Pasisar：一種深拖式高分辨率地震采集系統[J].海洋科學，2000，24(10):53-55.

[3] 欒錫武,趙克斌,孫冬勝,等.海域天然氣水合物勘測的地球物理方法[J]. 地球物理學進展，2008，23(1):210-219.

[4] 孔繁達,何濤,GEORGE D SPENCE. 深拖曳多道地震系統在北Cascadia邊緣陸坡天然氣水合物勘探中的應用[J].中國科學: 地球科學，2012，42(3):331-342.

[5] MARSSET T, MARSSET B, KER S，et al. High and very high resolution deep-towed seismic system: Performance andexamples from deep water Geohazard studies[J]. Deep-Sea Research I，2010，57:628-637.

[6] 劉清宇. 海洋中尺度現象下的聲傳播研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2006.

[7] 張鎮邁,彭朝暉. 深海表面層聲速剖面變化對聲傳播的影響[J].應用聲學，2006，25(6),359-363.

[8] JENSEN E B， KUPERMAN W A, PORTER M B,et al． Computation Ocean Acoustics，Am．Inst[M]．Physics Press，New York,1994.

[9] 徐勇,李守奇. 海洋聲學環境對聲納的影響評估[J].廣州航海高等專科學校學報,2010,18(1):18-20.

[10] MORRIS G B. Depth dependence of ambient noise in the northeastern Pacific Ocean[J].Acoust．Soc．Am．1978．64(2)：581-590.

[11] 張明輝. 三維環境海洋混響強度衰減規律研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2005.

[12] 邢軍,劉忠,彭鵬菲. 深海水聲探測特性研究[J]. 艦船科學技術,2009,31(6):67-72.

[13] WENZ,G.M. Acoustic ambient noise in the oceans: Spectra and sources[J].Acoust.Soc.Amer,1962,34:1936-1956.

[14] 李慶忠. 走向精確的勘探道路[M].北京：石油工業出版社，1993.

[15] WIDESS M A. Quantifying resolving power of seismic system[J].Geophysics,1982,47:1160-1173.

[16] 羅斌,劉學偉,尹軍杰.炮檢距對地震分辨率影響的研究[J].石油物探,2005,44(1):16-20.

[17] 俞壽朋. 高分辨率地震勘探[M].北京：石油工業出版社，1993.

[18] 吳志強,文麗,童思友. 海域天然氣水合物的地震研究進展[J]. 地球物理學進展,2007,22(1):218-227.