基于StarFix XP高程數據的潮汐校正在海洋地震資料中的應用

馬德志, 麻志國, 石孟常, 李慧龍, 趙 亮

(中海油田服務股份有限公司 物探事業部，天津 300451)

0 引言

海上地震資料的采集時刻受潮汐作用的影響，但在以往的地震資料處理中，經常忽略潮汐作用的影響，這樣就假定地震采集資料的零時刻對應大地水準面。地震勘探船所拖帶的震源陳放深度和電纜陳放深度，都是相對于作業時的瞬時海平面，但實際由于潮汐的存在，地震船和所拖帶設備相對于大地水準面來說會有一定的起伏，與我們所假定的大地水準面有一定的偏差[1]。如果不做潮汐校正處理，所假定的地震資料零時刻面其實是一個絕對高程在變化的海平面，就相當于將潮汐的影響人為的加入了地震資料，這在地震資料的精細處理中，會造成比較大的誤差，當潮汐值較大時甚至后嚴重影響成像效果，為了降低潮汐作用的影響，海上地震資料潮汐值的獲得與潮汐校正處理就至關重要。

1 潮汐校正必要性

海上地震采集時，潮汐的影響每時每刻都存在，為了提高作業效果并減少潮汐的影響，有經驗的導航人員在作業時會盡量做好潮汐預測與匹配，盡量減少相鄰測線之間的潮汐差，潮汐無時無刻不在，不僅橫向上相鄰測線間向會潮汐差，同一條施工測線不同位置也會有潮汐差，在采集作業時橫向上的潮汐差可以盡量避免，但是對縱向上潮汐差卻無能為力。主測線和聯絡測線方向上的潮汐差值，會造成地震資料同相軸的錯位，會對地震資料的成像效果造成不良影響[2]。

由于海上拖纜地震勘探施工的特殊性，一般按兩個方向進行采集，從而分塊作業，為匹配羽角，同一塊內相鄰同方向作業測線的潮水一般相差不大，但塊與塊交接處的潮水一般相差較大，使得潮汐作用更為明顯。

圖1為野外某工區分塊施工作業面元圖，可見為分塊作業。相同分塊內測線方向一致，羽角匹配較好，一般潮汐差不大。圖2 為本工區潮汐的三維顯示圖(潮汐值為地震作業的船位和時間)。由圖2可見，不同分塊及施工分塊交界處采集作業間隔時間長、潮水匹配差，一般會有比較大的潮汐差；同一條采集測線一般歷時幾個小時以上，潮汐的變化也可以在同一條測線上清晰的反應出來，但是一般潮汐差變化較為平緩，影響相對較小。

圖1 南海某三維工區分塊施工導航面元圖Fig.1 Navigation binning map of a 3D survey in South China sea

圖2 工區潮汐值三維顯示Fig.2 3D tide value display

本區塊聯絡測線方向最大潮差為3 m左右，雙程旅時為3 m*2/(1.5 m/ms)≈4 ms。對于2D資料或者深海資料，4 ms影響可能較小，對于高分辨淺層3D或者4D開發地震，若不進行潮汐校正處理，淺層較大大偏移距處經過動校正的放大，因潮汐作用造成的同相軸錯位可能會放大到8 ms以上，對同相疊加造成較大影響，使得地震反射能量也得不到最大程度的聚焦，對其地震剖面的質量造成不利影響。

海上潮汐作用受海水深度及海底構造走勢的不同，各個海域影響不一，從實際作業經驗及各潮汐臺站歷年潮汐數據可知，潮汐造成的海面波動一般為兩三米左右，但有些海域可能達到近十米。當工區受潮汐的影響較大時，潮差較大，可能會在聯絡測線方向造成假的“垂直斷層”，使得地震資料在疊加時能量不能得到最大的聚焦，其疊后數據的直觀表現就是分辨率降低。而反映地下同一界面的反射波并不是標準雙曲線，進行動校正時會帶來一定的噪音，從而造成信噪比降低[3]。潮汐影響是海上地震資料中存在“采集腳印”的重要原因之一，進行潮汐校正處理是高精度地震資料處理的技術要求。

2 潮汐校正現狀調查

準確的潮汐數據對于海洋地震資料潮汐校正至關重要，在以前老資料處理中，曾經通過水深數據獲取潮汐值，也曾經利用水文站歷史潮汐數據獲取預測的潮汐值，在一定時期，都取得了一定的效果，但是也有其弊端。

2.1 利用水深數據進行潮汐校正

對于年代久遠的老資料，由于技術原因，大都沒有對應的高程數據，但每個地震炮一般都記錄了測深儀的海底水深數據。測深儀一般安裝在作業船底部，它會隨著潮汐變化而上下起伏，記錄的水深數據中實際也包含了潮汐的變化量。在海底較為平坦或者變化平緩的區域潮汐的變化就被記錄在了水深數據中，通過大半徑的平滑濾波求取平均海平面，與水深數據的差即可認為是潮汐變化量[4]。但當海底崎嶇時，潮汐變化量相對海底本身的深度誤差值較小，無法提取，這種方法獲得的潮汐值精度較小，誤差較大。

2.2 利用水文站歷史潮汐數據進行潮汐校正

由于潮汐有較為固定的規律，根據各水文站長年的觀測數據，我們可以預測某海域某一時間的大致潮汐值，然后應用于地震資料進行潮汐校正處理[5]。從水文站潮汐表中獲得的潮汐數據,較測深儀推算出的潮汐數據有了一定的質量提升，但是由于限潮汐站點個數有限，采集的歷史經驗數據有限，所以其估算的預測潮汐數據精度也相對較低[6-7]，只能對海洋地震資料進行一個大致的潮汐校正，仍然存在一定程度的誤差，與實際潮汐值的精確匹配很難實現。

3 潮汐數據獲取

3.1 利用Starfix XP高程數據獲得潮汐數據

隨著全球定位技術精度的提高，海上地震采集基本上采用差分全球定位系統[8](DGPS)進行導航定位，DGPS受其原理及環境的限制，一般其水平定位精度可達3 m左右，高程定位精度略低，只有10 m左右，而潮汐數據對于精度的要求起碼是分米級，常規DGPS測量不滿足潮汐值的精度要求。StarFix XP定位系統的新一代的衛星差分GPS，它利用衛星獲得差分數據，通過全球參考臺網絡不斷跟蹤所有GPS衛星軌道，獲得高精度差分信息，突破了差分臺的距離限制，真正做到了全球化高精度定位。理論及測試結果表明，該系統的水平定位精度可達10 cm，高程定位精度可達15 cm，能夠滿足潮汐值測量的精度要求[9]。

StarFix XP測量的高程值H是以參考橢球面為基準面的大地高程，需要將其轉換為以大地水準面為基準面的海拔高程，記為Hg，這個高程轉換其實就是求取考橢球面與大地水準面差距，即高程異常Δh。有多種方法可以求取高程異常，一般通過等值線圖法或高程擬合法進行求取。利用同作業海區相鄰的公共點上的大地高程和海拔高程，計算出各公共點的高程異常Δh，若有多個這樣的公共點，就可利用多項式擬合法求出相鄰任意點的高程異常Δh。由于高程異常Δh在一定地域范圍內變化不大，在一個地震采集工區，可采用一個固定高程異常Δh進行校正。進而得出地震船各炮點GPS天線點的海拔高程Hg=H-Δh；用GPS天線海拔高程Hg減去GPS天線相對于海面的高度Ht(Ht為GPS天線到海平面的高度差，與地震船的吃水深度有關，需要每天測量一次),即可獲得地震采集各炮點的潮汐值h。

利用StarFix XP獲得的潮汐數據具有實時實地高精度的特點：

1)實時。潮汐值的獲取與地震資料采集同時進行，時間上可以做到勘探過程不中斷，數據可以做到與地震記錄一一對應，容易實現潮汐校正。

2)實地。獲取潮汐值的位置與地震采集同步進行，地理位置上高度重合，通過預報潮汐的方式很難做到這一點。

3)高精度。通過衛星差分，高程精度可達15 cm，可以滿足潮汐數據的要求。

3.2 潮汐校正模塊開發

1)在模塊編輯階段，將導航定位提供的潮汐時間及潮汐數據讀入二維數組。

2)讀入定義的道頭和水速及潮汐數據采樣間隔。

3)讀取地震道時間道頭(YEAR,JULDAY,HOUR,MINUTE)。

4)將時間一致的潮汐值和校正時間賦給自定義的地震道道頭。

5)用靜校正方法通過自定義道頭進行潮汐校正。

3.3 潮汐校正處理模塊應用效果

使用潮汐校正處理模塊Tide對南海某工區的地震資料進行了潮汐校正處理，進行潮汐校正后，從聯絡測線疊加剖面和三維數據體時間切片上看，地震資料經過潮汐校正后改善明顯，主要表現在：

1)疊加時能量得到了更好地聚焦，同相軸的連續性更好，進而改善了成像效果。

2)從聯絡測線疊加剖面上看(圖3)，在施工原因導致的潮汐不匹配，潮差較大的部位，經過潮汐校正后，消除了由于潮汐導致的同相軸錯動。

圖3 潮汐校正前后聯絡測線疊加剖面對比Fig.3 Comparison of crossline stack sections before and after tidal correction(a)潮汐校正處理前的疊加剖面;(b)潮汐校正處理后的疊加剖面

3)應用于數據體后，從時間切片上進行檢查。從圖4中可以看出，從原始切片可以清楚地看到潮汐影響的條帶狀振幅和相位異常，經過潮汐數據校正處理后，很好地衰減了潮汐的影響，時間切片看上去更加連續，減輕了“采集腳印”[10-11]的影響。

圖4 潮汐校正處理前后時間切片對比Fig.4 Comparison of time slices before and after tidal correction(a)潮汐校正處理前的時間切片;(b)潮汐校正處理后的時間切片

4 結論

現有的衛星差分GPS技術已日趨成熟，10 cm水平定位精度和15 cm高程定位精度，完全可以滿足海上地震資料潮汐校正處理的需要。利用基于StarFix XP潮汐數據，可以很好地進行海上地震資料的潮汐校正，可以滿足海洋地震資料潮汐校正的處理需要。經過該潮汐校正處理后，在一定程度上提高了地震資料的分辨率，疊加剖面上同相軸的連續性得到了一定的改善，減輕了“采集腳印”對地震資料成像的影響，提高了成像效果。