基于海洋淺剖資料的多樣數據挖掘

劉玉萍 ， 楊志成 ， 李福元 ， 李麗青 ， 張寶金

(1.國土資源部 海底礦產資源重點實驗室中國地質調查局廣州海洋地質調查局，廣州 510075；2.中海石油(中國)有限公司 天津分公司渤海石油研究院，天津 300452)

0 引言

針對解釋人員的需求，如何充分挖掘利用海洋淺剖資料具有十分重要的意義。 淺剖探測作為一種探測水下淺部地層結構和構造的地球物理方法，它是基于水聲學原理，以連續走航式快速大面積的探測[1]。與傳統的鉆探取樣方法相比，能有效提高探測效率，顯著降低作業成本。淺剖對海底淺表層沉積物的探測深度可達數百米，在地質災害評估(海底塌陷和滑坡)[2]、近海岸工程勘察[3]、航道建設、斷裂構造分布、天然氣水合物調查等方面具有廣泛地應用，近年來，淺剖開始應用于冷泉[4]、淺層氣、海沙等資源調查中。因此，為了更好地滿足綜合解釋的需求，充分利用淺剖資料帶來的地下信息，全方面多方位地對海洋淺剖資料進行數據挖掘是十分必要的。

目前，淺剖資料提供給解釋人員的成果資料往往是借鑒與單道地震和多道地震的處理思路，包括去噪、能量補償、多次波壓制、信號增強等處理辦法。近年來，國內、外對淺剖資料的處理研究開始關注，Henkart[5]利用互相關、希爾伯特變換和波形包絡提取的處理方法對Chirp信號的淺剖資料進行處理；邢子浩等[6]采用SRME技術進行淺剖資料多次波的壓制；羅進華等[7]通過對自動拾取涌浪影響的海底反射面進行濾波，進而消除涌浪對海底地層的影響；陳曉輝等[8]采用多維濾波的方法對多次波進行分區壓制；Baradello[9]提出直達波切除、波形整形反褶積、球面擴散補償、預測反褶積、隨機噪音衰減和stolt偏移的淺剖改進處理；薛花等[10]對非線性調頻信號淺剖資料提出了一套處理流程并應用于實際資料；劉玉萍等[11]基于Hilbert變換的原理，對短時單頻脈沖信號淺剖資料進行移頻處理；顏中輝等[12]對海上淺剖資料去噪技術作了重點闡述。

總之，淺剖解釋人員獲得的淺剖資料僅僅是傳統意義上的單一處理成果剖面。筆者從淺剖解釋人員的需求出發，針對不同解釋目的，結合前人淺剖處理經驗，以南海某海域淺剖資料為例，從垂向和平面兩個角度分別挖掘出四種不同的淺剖成果資料，并系統地分析討論每種成果資料的特征與實用性，為綜合解釋提供借鑒。

1 野外采集及預處理

研究區海水深度約在1 500 m～3 000 m之間，海底地形由北西向南東傾斜，在陸架區斜坡帶水深線走向大體與海岸線平行。研究跨越了部分陸架、陸坡和深海峽谷三個地貌單元，地貌形態復雜各異，在區內主要發育有滑塌形成的海丘、海槽、海底水道、海底峽谷、海山、海底陡崖和深海平原等類型的地貌。本次淺剖資料是采用目前世界上最先進的全海洋海底淺地層剖面調查儀器之一的Parasound P70型深水淺層剖面儀采集的，應用連續波(CW)和參量陣差頻技術相結合，具有較高的地層分辨率和地層穿透能力，同時記錄低頻數據(PLF)和高頻數據(PHL)。淺剖研究區長約28 km、寬約14 km NW向的矩形區域，其中主測線測線間距150 m，聯絡測線間距700 m，共布設了主測線89條，聯絡測線40條，測線布設見圖1。

圖1 研究區測線分布示意圖Fig.1 The line distribution diagram in the study area

研究區的原始資料采用了分段采集的方式，由于水深相對較大，為了節省野外采集的存儲空間，采集過程中采用了延遲記錄的方式。未發育多次波，主要噪音類型有大值干擾、低頻涌浪噪音和海洋環境背景噪音。野外SGY未記錄導航FIX號信息，FIX號是淺剖資料、單道地震、多波束等綜合物探資料之間的連接橋梁，沒有FIX號就無法進行后續的綜合對比解釋。記錄的坐標格式是經緯度地理坐標，與解釋系統不匹配，解釋系統無法直接讀取原始數據。圖2是某條主測線的原始剖面及頻譜，有效頻率為3 000 Hz～5 000 Hz，嚴重缺少低頻，成像效果很差，同相軸模糊不清，分辨率極低，無法實現任何構造解釋和地層的連續追蹤。

圖2 原始淺剖剖面及頻譜Fig.2 The raw sub-bottom profile and spectrum(a)剖面；(b)頻譜

針對本次淺剖采集的資料特征，確立了預處理流程(圖3)，包括測線拼接，球面擴散補償，道均衡，帶通濾波，大值干擾壓制，FX域信號增強 ，坐標轉換，FIX號定位。圖4是預處理之后的剖面，預處理主要解決了系統交叉對比解釋的輸入輸出問題，整體上信噪比有所提高，縱、橫向能量更加均勻，但剖面信噪比與分辨率沒有得到很本性地改善，無法進行構造及沉積層劃分解釋。

2 淺剖數據挖掘及分析

2.1 振幅包絡

Hilbert變換是一種常用的信號處理方法，可以快速獲得窄帶信號的瞬時振幅，即振幅包絡。低頻成分突出，倍頻程增大，分辨率適中。對海洋區域地質調查而言，關注的重點是區域大范圍的構造特征(斷裂、海底滑塌、沉積尖滅)，海底沉積類型和海底沉積層的接觸關系；天然氣水合物調查與識別，稀土資源調查，富鈷結殼探測則在淺剖上表現為聲學異常(包括聲渾濁，聲空白及增強反射等)[13-16]。圖5是研究區某條聯絡測線的振幅包絡及頻譜，圖6是研究區某條主測線的振幅包絡，振幅包絡具有豐富的低頻信息，能較好地展示這些海底構造特征(滑塌，U、V型峽谷，崎嶇海底，海底圓丘)和沉積類型(A、B)，并且可以清晰顯示與天然氣水合物相關的聲空白，增強反射等聲學異常。

圖3 淺剖預處理流程及功能Fig.3 The sub-bottom profile preprocessing flow and function

圖4 預處理后淺剖剖面Fig.4 The sub-bottom profile after preprocessing

圖5 某聯絡測線振幅包絡及頻譜特征分析Fig.5 The amplitude envelope and spectrum analysis of the certain cross line(a)振幅包絡；(b)頻譜分析特征

圖6 某主測線振幅包絡及特征分析Fig.6 The amplitude envelope analysis of the certain inline

2.2 包絡拓頻

對振幅包絡信號進行拓頻處理，拓頻處理的基本原理是對包絡信號的頻譜乘以w實現譜白化，反變換回來的數據就是含有明顯主瓣的波形，即包絡拓頻信號[11]。拓頻之后高頻成分明顯提高，帶寬增大，分辨率明顯提高，有效頻帶范圍在0 Hz～1 000 Hz之間。由圖7可以看到，提頻之后剖面更能細致刻畫海底淺層層間薄砂體，同相軸清晰連續，對層序的劃分及沉積地層的變化也能清晰展示。

2.3 海底屬性等值線

淺地層剖面的海底振幅強度反映了海底的反射強度大小，海底反射強度與海底底質類型有關。圖8是拾取淺剖資料海底均方根振幅示意圖，通過提取研究區每條淺剖資料海底淺表層均方根振幅，就可以插值出研究區的平面海底均方根振幅等值線。對等值線圖進行分析研究，可以直接判別海底底質的軟硬程度變化特征并進行初步的海底表層底質劃分，結合多波束、鉆探資料，該等值線對海底底質的認識與分析具有一定的輔助指示意義[17]。由圖9可以看出，從工區北西向南東向明顯有條弱反射帶(矩形區域)，結合本研究區的構造特征，說明此處可能有條峽谷帶，峽谷區域內沉積物松散，反射強度相對較弱，可以結合海底地形資料進一步對比解釋；在研究區東南角落位置，有一塊弱反射區域(橢圓形內)，結合前面提到的海底地形由北西向南東傾斜，認為此處海水深度較大，沉積物堆積沉積速率緩慢。

圖7 某測線包絡提頻剖面及頻譜特征分析Fig.7 The envelope frequency extension profile and spectrum analysis of the certain line(a)包絡提頻剖面；(b)頻譜特征分析

圖8 某測線海底均方根振幅拾取Fig.8 Pick up the seafloor RMS amplitude of the certain line

圖9 研究區海底均方根振幅平面等值線Fig.9 The seafloor RMS amplitude contour map in the study area

圖10 某條測線PHF數據實測剖面Fig.10 The raw PHF profile of the certain line

2.4 突出弱信號

氣體逸散、冷泉信號在淺剖中表現為振幅很弱的信號，為了觀測近海底是否由淺層氣逸散，對其PHF高頻數據進行分析，由于氣體的逸散信號可能比較弱，因此，這里設置不同的振幅域值(clip值設置用來突出弱信號，clip值越小，弱信號越明顯)來突出弱信號，選取研究區一條鉆探區的聯絡側線，在圖10中觀測到疑似氣體逸散的反射異常，這種異常在其附近的聯絡測線也可以觀測到，具體還需要結合其他調查手段進行確認。

3 結論

筆者從垂向和平面兩個角度對海洋淺剖資料進行數據挖掘，得出四種淺剖成果資料，彌補傳統意義上的單一處理成果剖面的不足，能滿足目前淺剖解釋人員的綜合解釋需求。

1)淺剖資料振幅包絡包含豐富低頻信息，能有效突出海底淺層構造信息和微地貌特征，并能識別聲學異常，宏觀上把握工區地質構造概況，滿足海洋區域地質調查和天然氣水合物調查識別的解釋需求。

2)包絡拓頻處理之后高頻成分得到突出，剖面分辨率提高，可以清晰刻畫砂體細微變化及海底淺層層序的劃分。

3)淺地層剖面的海底振幅強度反映了海底的反射強度大小，海底均方根振幅平面等值線圖可以初步分析海底底質變化特征。

4)氣體逸散、冷泉信號在淺剖中表現為振幅很弱的信號，突出海底以上弱反射信號，可以觀測和識別冷泉和反射異常。