羌塘盆地地表多荒漠、湖泊、沼泽, 沟壑纵横, 地形起伏相对高差大, 平均海拔高度4 800~5 500 m, 天气寒冷、风大, 年平均气温在0 ℃以下, 雨季主要集中在6~7月。

羌塘盆地地表结构十分复杂。从二叠纪末期阿尼玛卿运动到燕山运动晚期, 羌塘盆地始终处于构造挤压状态, 构造活动频繁。该区地表老地层(三叠系、侏罗系、白垩系)出露占40%以上, 其余为第四系覆盖, 而且由于区域内新老地层交替出现及相应的岩性变化, 老地层出露区的地层倾角往往大于45° 。

以往的地震勘探试验研究结果表明, 低速的面波和高速的线性干扰是这一地区的主要干扰波(图1), 包括震源引起的声波干扰(视速度为305、340 m/s), 视速度为710、725 m/s的面波干扰, 视速度为2 190、1 910 m/s的折射干扰波等。由于大组合基距接收不利于提高浅层地震记录的分辨率, 因此, 如何压制干扰波是西藏地区开展浅层地震探测所面临的一个难题。

图1

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	图1 羌塘地区的地震记录干扰波分析

羌塘盆地的二维反射地震试验结果表明:羌塘盆地前奥陶系结晶基底与古生界沉积盖层之间具有较清晰的二维反射地震界面, 结晶基底具有高阻、高密度、弱磁性等地球物理特征, 其顶界面埋深达10~15 km左右(地震反射波双程走时为4~6 s); 中生界盆地基底(古生界顶界面)埋深达4~6 km左右(地震反射波双程走时为2~3 s), 其中, 南羌塘达4 km左右, 北羌塘达6 km左右。

另外, 西藏地区的高速层非常浅, 且存在较大的倾角, 导致反射波也存在一定的方向性。因此, 在使用大面积组合时, 也会影响陡倾角地层的反射信息。在这类地区作数据采集时, 采集参数要随地表高速层出露的形态和反射层的倾角而改变。

羌塘盆地火成岩的密度变化较大, 中酸性火山岩与侵入岩的密度较小, 一般平均密度为(2.61~2.65)× 10³ kg/m³, 与本区中生界、上古生界的密度相当, 基性火山岩与深成火山岩平均密度为(2.77~2.79)× 10³ kg/m³, 密度最大者为基性浅成侵入岩— — 辉绿岩、辉绿玢岩, 平均密度为(2.93~2.94)× 10³ kg/m³。

到目前为止, 在羌塘盆地已进行了大量的表层结构调查工作, 对羌塘盆地的表层结构、地下地质结构以及地震采集技术方法都取得了一定的认识。总体来说, 新生界凹陷带是获得高品质反射地震资料的最佳场所。

由于该区域地质条件复杂, 地层褶皱严重, 产状多变、地层倾角大, 断层发育, 新老地层互相切割等, 使得在羌塘盆地采集到的地震资料具有“ 低信噪比、静校正难和成像效果差” 等特征。在这样一种特殊的地震地质条件下开展浅层地震勘探, 难度较大。

冻土按含冰量的多少可分为含土冰层、饱冰冻土、富冰冻土、多冰冻土和少冰冻土。影响冻土纵波速度的主要因素是含冰量, 冻土的含冰量越高, 速度也越高。一般情况下, 含土冰层、饱冰冻土、富冰冻土的速度要大于2 700 m/s, 而少冰冻土和多冰冻土的速度则在1 500~2 500 m/s之间。

羌塘盆地的第四系地层中, 含水区表层约有0~3 m的化冻层, 在每年的5~9月份, 浅地表冻土融化形成沼泽, 车辆无法通行, 淤泥对地震波衰减严重, 不利于反射信息的接收。因此, 浅层地震勘探应选择在每年的1~4月份和10~12月份的寒冷季节施工。

化冻层下面的永久冻土层的分布极不均匀, 它对速度的影响较大, 新老地层的交替出现, 加剧了表层横向速度变化。老地层的广泛出露和近地表冻土层的普遍存在, 对地震波能量的屏蔽、吸收、散射作用影响严重。

羌塘盆地冻土带的分布不均匀, 主要是少冰冻土和多冰冻土, 在有河流的低凹处厚度较大, 在老地层出露区冻土带极少。采用可控震源在冻土区开展浅层地震探测过程中, 地震记录波场特征随着冻土层厚度的变化而改变, 图2显示了从薄冻土层到厚冻土层地震原始单炮记录的变化情况。在冻土层较薄、含冰量少的区域, 地震记录波场特征清晰, 包含了直达波、声波、面波等低速干扰波, 有效反射波同相轴连续性较好, 信噪比较高。而在冻土层较厚、分布面积较广的区域, 地震波会被屏蔽和散射, 形成了能量很强的高速噪声干扰, 其视速度约为1 830 m/s, 此外, 还存在较强的声波干扰和震源干扰(视速度约为1 970 m/s), 严重影响了地震数据记录的质量。

图2

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	图2 不同冻土带影响的浅震单炮记录对比

羌塘盆地的地震记录中, 时常会出现直达波不连续、无法追踪的现象, 表现为随着炮检距的增加直达波逐渐减弱至消失, 随后记录到的首波是有效反射信息, 形成了明显的“ 帽子” 特征。

通过模型正演对比研究推测了直达波的形成特征(图3)。一般地层的纵波速度从浅至深是增加的(模型速度1 500~3 600 m/s), 即使存在尖灭地层, 地震直达波也是连续清晰的; 当纵波速度为1 500 m/s的低速层上部存在高速层时(模型速度1 800m/s), 单侧尖灭地层模型正演记录出现“ 帽子” 特征; 当炮点两侧近地表高速层都变薄或消失时, 模型正演记录特征更清晰。

图3

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	图3 含不同冻土带地质模型与正演记录对比

由此推测, 西藏羌塘盆地高原冻土区, 在某些冻土带的下面存在低速层, 其原因是疏松的地层经过地面水的渗透作用, 在表层形成了一定厚度的含水层, 由于高原天气寒冷, 使得含水层变成了冻土层, 随着每年季节的变化, 其厚度随之变化, 由于冻土层的速度大于疏松地层的速度, 造成了速度逆转现象。这种情况下, 随着冻土层厚度的变化, 地震记录出现了“ 帽子” 特征。

在西藏羌塘盆地开展地震勘探曾分别使用过炸药震源和可控震源, 就其探测结果来说, 当探测深度范围在2 000 m以内时, 采用可控震源激发能够取得质量较好的地震剖面。可控震源的冲击力约为28 t, 地表激发对岩石的破坏较小, 大部分能量用于产生弹性波, 能够控制扫描频率范围, 可以根据地层特性选择损耗最少、最适于地层传播的频率作为扫描的频带, 震源的能量便能发挥最大的效果。另外, 由于可控震源采用了相关技术, 可压制许多干扰(包括风干扰、外界震动干扰等), 提高地震记录的信噪比和抗干扰能力。羌塘地区地形高差不大, 适合于可控震源开展工作。炸药震源对羌塘盆地十分脆弱的生态环境破坏严重, 较少使用。

震源激发选用了美国INOVA公司生产的AHV-IV型车载机械可控震源, 单台震源峰值出力高达60 000 磅(28 t), 由于探测深度范围相对较浅, 采用1~2台大吨位可控震源能够满足激发能量要求。通过野外试验, 选取了合适的激发因素:扫描频率范围在10~120 Hz, 扫描时间长度为12 s, 垂直叠加次数为2~4 次, 输出力参数设置为70~80%。此外, 为了压制随机噪声干扰, 除了利用可控震源的扫描叠加技术外, 还设置了噪声门限编辑强振幅噪声, 利用垂直叠加技术进一步压制噪声, 提高了浅层地震勘探记录的信噪比。

分析羌塘盆地目标层系中的反射界面, 通过野外长排列波场调查和偏移距试验, 确定了较理想的浅层地震勘探数据采集观测系统:道间距可选为2~5 m, 炮间距5~25 m, 最小偏移距0~25 m, 最大偏移距720~2 400 m, 接收道数可选600~1 000 道。基于多次覆盖的水平叠加技术是压制干扰噪声的最好方法, 但是越高的覆盖次数需要更高的经费和时间, 建议覆盖次数不少于60次。

地震仪器采用了法国的Sercel-428XL数字地震采集系统, 开通的最大监测采集单元为1 800 道, 完全能够满足采用小道间距、多道数、长排列的接收方式。仪器采样率为0.5 ms, 记录长度2~4 s, 仪器在数据采集过程中全频带接收, 没有加载滤波和陷波。

检波器选用了60 Hz的检波器串, 按3串2并组合在一起接收。一般采用钢钎在冻土层地表钻孔安置检波器; 最好的方法是选择在中午温度较高、地表融化后, 采取挖坑埋置牢固, 这样能增强检波器与冻土层的耦合性, 减少外界强风干扰, 有利于改善数据质量。

羌塘盆地浅层地震勘探数据处理流程的重点包括静校正、叠前去噪、偏移等主要环节。

4.1 静校正

静校正是羌塘盆地资料处理中最难解决的问题, 主要是地表情况复杂多变, 近地表有的存在较大的低降速带, 有的根本不存在降速带, 有的山体部位老地层直接出露, 单炮记录上直达波变化较大, 情况比较复杂, 没有一个稳定的折射层, 很难追踪同一层的初至时间。

针对羌塘浅层地震资料的特点, 采用了折射静校正和高程校正相结合的静校正方法。在首波记录清晰、易于拾取初至的记录段, 采用折射静校正以校正地形高程和低降速带的变化; 在干扰严重、无法拾取首波初至的记录段, 通过低、降速带的分布测量, 进行高程校正。经过静校正处理的数据, 单炮记录上有效反射波能保持连续、相位对应的关系, 有效波同相轴更接近双曲线特征(图4), 取得了较好的效果。

图4

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	图4 地震记录静校正前(左)、后(右)对比

4.2 叠前去噪

一般在叠加剖面上去噪, 由于处理技术手段有限会引起叠加剖面的信噪比降低。通常采用的高速或低波数的倾角滤波或二维滤波, 虽然能使地震同相轴光滑些, 但会带来严重的横向混波现象。因此, 在数据处理流程中应采取有效的叠前去噪处理技术。

地震数据资料处理主要是针对震源干扰波、随机噪声、规则噪声、低速干扰等。噪声衰减普遍基于预测原理, 即在f-x域中, 地震数据将分为沿x方向可预测部分和不可预测部分, 相干同相轴(包括信号和规则噪声)是可预测的, 而随机噪声是不可预测的。通过对地震数据的波场记录进行分析, 干扰因素主要包括:随机噪声干扰、影响多道的单频噪声干扰、低频低速的面波干扰、线性的相干噪声干扰等。针对这些具有强振幅的干扰噪声, 可采用相应的有效方法技术进行去噪处理。

声波干扰和随机噪声是非相干的, 频带丰富, 常规的频率滤波、视速度滤波难以对其衰减。采用高能压噪处理技术、带限噪声压制等联合应用处理技术正是消除这些噪声的有效手段。

高能压噪处理技术是在炮集记录上以道数和时间段为边界设置窗口, 对窗口内所有的波形进行能量均衡, 衰减局部强振幅的能量团, 去除随机噪声的干扰。可以通过调节道数的多少和时间段的长短来改变窗口的设置, 也可以在不同的记录时间分段进行处理。采用分时、分段压噪处理, 在炮集记录上以道数和时间段为边界设置窗口, 对窗口内所有的波形进行能量均衡, 衰减局部强振幅的能量团, 去除或衰减声波及随机噪声的干扰。

带限噪声压制技术是通过频率分段对不同频率范围内的噪声进行衰减。随机噪声频带是有限的, 一般与有效信号的频带重叠, 如果简单地过滤噪声频带, 可能导致有效信号带宽损失。因此, 可以定义较窄的频带滤波范围, 通过横向预测分解为信号分量和噪声分量, 达到衰减随机噪声的目的。

采用低频阵列滤波、FK滤波、倾角滤波等压噪技术, 能够有效地衰减面波、低速波、震源噪声及外界相干噪声等。

低频阵列滤波技术是消弱炮集记录面波干扰的有效手段, 是通过低速、低频带进行滤波的去噪技术。首先分析出面波干扰的低速度和低频带范围, 把炮集记录从时间— 空间域转换到频率— 空间域, 删除低速、低频的噪声干扰, 保留的部分再反变换回时间— 空间域即为去噪后记录。低频阵列滤波方法从低频和低速两个方面对干扰因素进行界定和衰减, 能很好地保留下高频、高速的有效信息, 可适用于消除与信号频带相重叠的低速规则干扰波, 去噪效果较好。

倾角滤波也称为视速度滤波, 是有效的二维滤波处理技术, 可用于多种抽道集记录或叠加剖面, 对线性干扰进行压制。这种方法首先对噪声的频率和视速度进行分析, 根据其频率和视速度特征在干扰波的优势频段内分组建立噪声模型, 然后从原始资料中将噪声减去, 这样消除的噪声都集中在干扰波覆盖的区域, 其他部分不受影响。倾角滤波不仅可以压制视速度较低的线性干扰, 也适用于消除视速度较高的折射波等线性噪声, 对正、负低视速度的干扰都有较好的滤波效果, 但同时采用正、负高速滤波会产生严重的混波作用, 处理流程中应尽量避免使用。

图5中的炮集记录在经过去噪滤波处理后, 直达波、面波、低速干扰波及强能量的相干噪声等震动干扰去除效果明显, 大部分噪声干扰从中分离出去, 有效反射波射同相轴变得更清晰、连续性更好。

图5

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	图5 地震数据去噪前(左)、后(右)单炮记录对比

4.3 偏移处理

时间域的CDP道集叠加剖面成像对应的是水平层状介质, 但并不能真实地反映地下非层状介质的地质构造形态。偏移处理步骤能使倾斜反射归位到它们真正的地下界面位置, 收敛绕射波, 提高空间分辨率, 得到地下界面清晰的地震图像。

采用克希霍夫叠后时间偏移技术对地震CDP叠加剖面进行偏移处理, 可得到二维地震勘探的时间域偏移剖面(图6)。叠加剖面经过偏移处理后, 绕射波得到明显收敛, 倾斜反射同相轴向上倾方向移动, 倾角变陡, 有效波振幅能量增强, 空间分辨率变得清晰。

图6

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	图6 地震剖面偏移处理前(左)、后(右)对比

最终得到的地震偏移剖面比较真实地反映了地下地层、地质构造的分布特征, 在缺少钻井资料的情况下, 结合羌塘盆地区域的地质资料及其他物化探资料可对剖面进行推断解释。

在图7所示的偏移剖面中, 解释了两个主要反射界面。浅部水平反射界面连续清晰, 上部推测为第四系、新近系沉积地层; 该地层底界面与下覆地层呈不整合接触, 测线剖面两端地表出露石炭系地层, 推测中间倾斜反射地层为二叠系、三叠系、侏罗系沉积地层; 深层反射界面下部为老地层, 内部没有明显的反射同相轴, 振幅及频率比较均匀, 推测为基岩体。该剖面共解释了3条断裂, F₁和F₂断裂特征清晰、可信度较高, F₃断裂位于剖面末端、可信度较低; F₂断裂的上断点较深, F₁和F₃断裂都向上延伸到了第四系地层。

在羌塘盆地开展浅层地震方法技术试验的探测目标为天然气水合物, 现在已知的赋存条件包括:要有气源、运移通道, 要有较厚的常年冻土盖层、地下水, 冻土盖层下的构造高点为有利区域。该区域的化探资料显示, F₁断裂附近的异常较高, 整个测区的异常背景值很低, 推测该区域沉积地层没有生烃条件, 气源是通过断裂构造从附近区域运移过来的; 音频大地电磁测深结果显示, 在F₁断裂近地表有较厚的冻土层(约60 m), 推断解释断裂与地震剖面相符; 地震剖面(图7)中的F₁延伸到基岩内部, 推测为深大断裂, 上盘向上逆推使沉积地层形成隆起圈闭。由此预选了天然气水合物钻孔探测的有利位置(图7所示), 该位置有较厚的冻土盖层, 属于构造高点, 显示有气源化探异常, 符合陆域天然气水合物的赋存条件。

图7

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	图7 地震时间偏移剖面推断解释

西藏羌塘盆地试验区海拔高, 严重缺氧, 天气寒冷, 交通不便, 地震勘探施工极其困难, 更缺乏浅层地震勘探的经验。通过近几年在该区域开展大量的浅层反射地震探测方法技术试验研究, 积累了丰富的经验, 突破了冻土层的屏蔽影响, 掌握了羌塘盆地高原冻土区的浅层高分辨率反射地震探测技术。

野外数据采集阶段, 适合采用多道地震数据采集系统、大吨位可控震源、高频检波器等地震勘探装备, 采用多道数、小道间距、高采样率、高覆盖次数的浅层地震勘探数据采集观测系统。重点考虑可控震源的激发和检波器接收两个环节:需要选择合适的施工季节, 在地下融冻层冻实、地表土质未冻结的条件下进行可控震源激发, 能够增强震源底板与地表接触的耦合性, 更有利于地震波的能量传播, 减少冻土层的屏蔽影响; 检波器最好采用挖坑埋置或采用凿孔安置牢固, 尽量减少强风噪声的干扰, 采取多种有效措施, 保证野外数据采集质量。

在地震资料处理阶段, 关键要做好静校正和叠前去噪处理。羌塘盆地地质情况复杂, 浅表低、降速带和冻土带分布极不均匀, 静校正的处理效果直接影响到地震剖面成像质量和浅层勘探精度; 由于受到冻土层的屏蔽、散射作用, 强能量的高速干扰波和震源干扰波对地震记录影响严重, 此外还存在面波、声波、低速波、强风噪声等干扰, 因此, 采取有效的叠前去噪方法技术衰减噪声、提高记录的信噪比, 是资料处理流程中至关重要的处理步骤。

高原冻土区开展的浅层地震勘探工作较少, 缺乏经验。羌塘盆地不同勘查区域的地质构造情况不同, 浅层地震探测施工之前, 需要在测区不同的地表条件下开展大量的方法技术试验, 包括可控震源激发试验、观测系统参数试验、仪器记录因素试验等, 以选取合适的采集参数, 掌握适合于该区域的浅层地震勘探技术。