0 引言

滩涂区是中国重要的后备土地资源,具有面积大、分布集中、区位条件好、农牧渔业综合开发潜力大等特点。但滩涂区属海陆过渡地带,受地表条件、潮汐及传统地球物理调查技术局限性的影响,滩涂区地质调查工作不足,形成海陆地质调查统筹管理工作的缺失环节。高精度、高分辨率的浅层地震探测技术可有效探测滩涂区第四系地层结构、隐伏活动断裂空间展布等地质问题,为滩涂区地质调查工作提供基础地质资料^[1-3];另外,浅层地震方法可有效探测海底浅层气的位置,为滩涂围垦和后续工程建设以及地质灾害防治提供技术支撑^[4-5]。

目前,滩涂区开展的地震工作主要为油气地震勘探,滩涂区潮间地带为其地震剖面的一部分,仅作为滩浅海地区的过渡带来处理,没有形成仅针对滩涂区潮间带的地震勘探方法,需联合开展海洋和陆地两种地震勘探方式,由于其观测方式、激发接收仪器设备不同,造成地震资料的能量、频率和相位存在较大差异,另外还存在检波器定位困难及多次波发育等问题,油气公司针对这些问题开展了数据采集和方法研究,形成了一套有针对性的滩浅海地区油气地震勘探的技术方法^[6-12]。

结合滩涂区潮间带油气地震勘探遇到的问题和解决方法,近期,中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所在江苏南通滩涂区开展了高精度浅层地震探测方法技术试验研究,数据采集工作在滩涂区潮间带退潮时滩涂裸露后进行。文中总结了滩涂区影响浅层地震数据采集的因素,针对滩涂区地震数据存在频率差异的特点,采用反褶积数据处理手段消除频率差异对叠加效果带来的影响,并根据浅层地震探测结果对滩涂区地质调查中能够解决的地质问题进行了分析。

1 试验区地质概况

试验区位于江苏省南通市如东县东25 km,试点滩涂区地表条件主要以“铁板沙”为主,人员行走方便,不下陷,靠近海岸带堤坝处小面积为淤泥地表条件,淤泥厚度10~20 cm。退潮后滩涂区垂直海岸带纵向延伸达到10 km以上,地势整体较平坦,有宽度和深度不等的潮沟呈不规律分布,较深的潮沟退潮至最低潮位时仍有海水存留。

试验区第四纪地层发育齐全,厚度约在300 m左右。基岩埋深较大,约为700~1 400 m。地表主要为滨—浅海相沉积物和三角洲前缘相—潮坪相沉积物,岩性主要以粉砂、砂粘土、细沙、粗砂、含砾粗砂为主。各岩性厚度薄至几米,厚达几十米,由于滩涂区存在涨退潮,经常被海水淹没,因此,地表及以下各地层处于饱水状态,有利于地震波的传播,且基本不存在表层低速带的影响。试验区第四纪地层划分情况如下:

下更新统(Q₁):埋深在216~351 m之间,厚84~110 m,下部岩性以砂层为主,含砾粗砂、细中砂、粉砂、由下至上常构成1~2个由粗至细的沉积韵律旋回。中上部以灰黄、棕黄色亚黏土为主,为河湖相沉积地层,含水砂层构成区内第Ⅲ承压含水层组。

中更新统(Q₂):埋深在132~260 m之间,厚33~109 m,以河湖相沉积为主夹河口滨海相沉积,岩性为灰黄色亚黏土夹中粗砂、粉细砂。含水砂层组成区内第Ⅱ承压含水层组。

上更新统(Q₃):埋深在25~160 m之间,厚107~130 m,受两次海侵影响,形成海陆交互相沉积,岩性为含砾中粗砂、粉细砂夹黏土砂土,含水砂层构成区内第Ⅰ承压含水层组。

全新统(Q₄):厚25~40 m,岩性主要为灰色亚黏土、亚砂土夹粉砂或粉细砂,局部含较多淤泥质,为三角洲海陆交互相沉积。从下至上构成完整的海进海退旋回。

2 浅层地震探测方法试验

由于滩涂区存在涨退潮现象,涨潮时为海,退潮时为陆,在该地区开展浅层地震探测工作,选用陆地勘探设备进行数据采集需选择在退潮时间段,工作时间一般不超过5 h,因此,需根据每天的潮汐涨落情况,合理安排施工时间,以最大限度地提高施工效率。试点滩涂区浅层地震测线位置如图1所示。

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图1   试点滩涂区浅层地震测线位置

   

滩涂区受涨退潮对施工带来的影响,在满足采集要求的前提下选择轻便仪器装备,便于施工,因此地震数据采集仪器拟选用STRATAVISOR NZ XP地震数据采集系统进行数据采集。

2.1 激发震源对比试验

在浅层地震勘探中常用的激发震源有炸药震源、锤击震源、电火花震源、夯击震源和可控震源等。滩涂区浅层地震勘探在激发震源选择上局限性较大:由于滩涂区种植养殖范围较广,附近人口密度较大,从环保和安保的角度考虑,不适合采用炸药震源激发;滩涂区地表条件复杂,多为泥沙,可控震源无法驶入进行施工;电火花震源体积和质量均较大,滩涂地区移动困难,施工效率低。综合分析后,决定选用轻便灵活、操作简便的Wacker夯击震源和锤击震源进行试验对比分析,最终确定数据采集激发震源。

为了确定试点滩涂区浅层地震勘探的激发震源,分别选用夯击震源和锤击震源激发进行试验对比分析,试验选用的观测系统参数和采集参数:道间距为3 m,接收道数为120道,偏移距为0 m,采样率为0.25 ms,记录长度为1 s。

图2为夯击震源激发和锤击震源激发得到的单炮地震记录,由图可见,两种震源激发均得到了较好的地震记录,反射波清晰且连续性较好,信噪比较高,同时验证了夯击震源的有效性和正确性。对比两个试验记录发现,在近炮检距处,夯击震源激发得到的地震记录反射信息被低频干扰覆盖面积较大,记录质量低于锤击震源激发的记录;在中远炮检距处,由于深层反射信息能量较弱,由夯击震源激发的不随机性产生的与初至波平行的干扰波尤为突出,如图2左红框所示,使得深层反射同相轴连续性较差,信噪比降低。因此,锤击震源激发地震记录整体信噪比高于夯击震源激发地震记录。

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图2   试点滩涂区Wacker夯击震源(左)与锤击震源(右)激发对比单炮记录

   

两种震源激发得到的地震记录最深有效反射波时间均在600 ms处,大于600 ms没有明显的反射信息,说明锤击震源在试点滩涂区的激发能量与夯击震源相当,且得到的地震记录信噪比优于夯击震源。另外,考虑锤击震源的机动性更强,因此在试点滩涂区开展浅层地震探测试验选用锤击作为激发震源。

2.2 检波器对比试验

考虑滩涂区浅层地震勘探目标深度较浅,应选用自然频率较高的检波器,数据采集生产前,选用自然频率为60、100 Hz检波器进行对比试验,通过分析两种频率检波器采集的地震数据,确定采集时选用检波器的自然频率。对比试验选用的观测系统参数和采集参数:道间距为2 m,接收道数为120道,偏移距为2 m,采样率为0.25 ms,记录长度为 1 s。

图3为选用60、100 Hz检波器得到的原始单炮记录。对比两个单炮地震记录可见,浅层反射波能量都较强,反射波同相轴清晰、连续性好,信噪比较高;在中深层(300 ms以深),60 Hz检波器接收得到的地震记录反射波同相轴连续性较好,信噪比较高。因此,在试点滩涂区开展浅层地震探测试验,选用60 Hz检波器接收。

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图3   试点滩涂区60 Hz(左)和100 Hz(右)检波器接收对比单炮记录

   

2.3 数据采集

在滩涂区开展浅层地震数据采集工作与陆地不同,受滩涂区潮汐影响,野外施工时间受到严格的限制,地表条件的差异影响了地震记录的质量。通过在试点滩涂区开展浅层地震试验工作,总结出试点滩涂区影响浅层地震探测数据采集的主要因素及应对的措施。

1)试点滩涂区开展浅层地震探测工作选择退潮时进行数据采集,试点区域潮汐分为“大汛”和“小汛”,15 d一个周期,“大汛”持续大致6~7 d,“小汛”7~8 d,测线上地势较低处,“大汛”时退潮后存水量较大,给施工带来极大困难,因此地势较低地段应选择在“小汛”时施工。

2)试点滩涂区不同地段激发接收条件有所不同,虽然滩涂区地表都是“铁板沙”,但有些地段地表较硬,激发的地震波频率较高,有些地段地表较软,激发的地震波频率较低,使地震记录的信噪比和分辨率降低。如图4所示,较硬和较软地表条件激发的单炮地震记录中反射波频率存在明显差异,较软地表激发的地震记录频率明显降低。两个单炮记录有效反射波的频谱分析如图5所示,较硬地表激发地震记录反射波主频为180 Hz,而较软地表激发的地震记录反射波主频为130 Hz,差异较大。地震记录中的频率差异问题由地表条件引起,数据采集过程中没有有效的应对措施,只能通过后期数据处理解决。

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图4   试点滩涂区硬(左)软(右)地表条件单炮记录对比

   

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图5   硬(左)、软(右)地表条件地震记录反射波频谱分析

   

3)由于试点滩涂区低洼地段退潮时会有海水存留,数据采集仪器设备不可避免会接触到海水,且滩涂区空气湿度很大,空气中弥漫着细小水珠,数据采集过程中会出现仪器设备“漏电”现象,影响地震记录质量,甚至“漏电”现象严重时会出现“废炮”。图6所示为仪器设备“漏电”时连续的3炮地震记录,每个采集单元(采集站)控制24道,其中一个采集站“漏电”时,会影响其控制的24道。在滩涂区使用陆地设备进行地震数据采集时应采取接地措施,仪器主机和每个采集单元都需充分接地,避免海水和潮湿空气对地震数据质量的影响。

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图6   采集单元“漏电”单炮记录

   

在试点滩涂区开展浅层地震探测剖面数据采集前,进行了不同道间距、不同偏移距的试验,根据观测系统试验确定剖面采集观测系统参数为:道间距3 m,偏移距9 m,炮间距9 m,72道接收,最高覆盖次数12次,单边接收。地震仪器记录参数为:采样率0.25 ms,记录长度1 200 ms,每个地震道采集4 800个样点。项目组成员采用以上数据采集参数,取得了较好的原始地震资料,为后续的浅层地震数据处理和解释工作打下了良好的基础。

3 数据处理技术

数据处理工作在Focus5.4地震数据处理系统平台下完成。试点滩涂区地势平坦,且滩涂地表处于饱水状态,不存在低速带影响,静校正难度不大。针对浅层地震记录中噪声干扰类型多、能量强以及不同炮集中有效反射波存在频率差异等问题,数据处理重点放在叠前去噪和反褶积等主要环节。

3.1 叠前去噪

试验区地震记录中主要干扰波为甚低频干扰、面波和声波等。如图7a所示,甚低频干扰波频率范围为0~10 Hz,幅值最强,影响区域无规律可循,不同的炮集影响范围差别较大,主要呈纵向带状形态分布,在原始记录上常常和坏道易于混淆,因此,道编辑前需要对该类干扰波进行压制,以免将其当作坏道处理,误伤有用信号;面波频率范围为5~15 Hz,幅值强,速度小于150 m/s,从炮点出发呈扫帚状发散形态分布,主要影响近道信号,部分频带成分线性特征明显;声波频率较高,幅值较强,速度固定,约为340 m/s,其影响范围较小。反射波幅值中等,速度为1 500~1 900 m/s,主频较高,频带较宽,约为30~250 Hz范围内,双曲线特征明显。

针对干扰波和反射波在形态、频率、速度及振幅值方面的差异,遵照先易后难、先低后高的原则,制定了合适的去噪方案。首先选用高通滤波衰减单炮记录中的甚低频干扰波,再应用高能压噪和倾角滤波处理技术串联压制声波干扰,得到图7b的处理结果,甚低频干扰波和声波干扰均得到了有效的压制,取得了较好的处理效果。针对单炮记录中的面波干扰,应用自适应低频低速面波衰减和带通噪声衰减技术进行压制,结果如图7c所示,面波得到了有效压制,反射波得到了明显增强。整个去噪过程,均为保幅处理,有效反射信号得到了有效的保护,信噪比提高显著。

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图7   去噪前后的炮集记录 a—去噪前;b—压制甚低频和声波干扰后;c—压制面波干扰后

   

3.2 反褶积

试点滩涂区地表地质条件的差异,影响了地震子波的频率和相位特性,较硬或水饱和条件下激发得到的地震记录频率较高,松软地表条件激发得到的地震记录频率偏低,这种差异的存在会影响最终的叠加效果,另一方面,地层结构的特殊性造成了多次波发育,这给资料解释也会带来不少困扰。

为了消除上述因素的影响,须进行反褶积处理。地表一致性反褶积对地震子波进行整形,保证了子波的一致性,同时压制了层间多次等干扰波,而串联多道预测反褶积则进一步压缩子波,提高地震资料的主频,拓宽频带。图8为图4单炮记录经反褶积处理后的结果,可见,经反褶积处理后反射波频率得到了明显提高,层间多次波得到了明显压制,地震记录纵向分辨率得到了提高。图9为图8单炮记录反射波的频谱分析,可见软地表条件下激发的地震记录反射波主频(图9 b)得到了提高,软、硬两种地表条件的地震记录中反射波的频带均得到了拓宽。

由于首次在滩涂区开展浅层地震方法试验研究,本次滩涂区浅层地震数据处理工作在借鉴以往处理浅层工程地震资料经验的基础上,通过分析滩涂区地震数据的特点,选取合适的处理模块,反复进行参数调试,形成了该试点滩涂区浅层地震资料的数据处理流程,如图10所示。

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图8   图4硬(左)软(右)地表条件单炮记录经反褶积处理后结果

   

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图9   图4硬(左)软(右)地表条件单炮记录反褶积后反射波频谱分析

   

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图10   数据处理流程

   

4 效果分析

经精细地震资料处理后,最终得到了试点滩涂区浅层地震L1和L2测线的叠加剖面。测线敷设范围内没有钻井资料,结合该区域的地质资料及附近钻孔资料,对浅层地震剖面进行了推断解释,主要目的是分析判断探测区域第四系结构及区内隐伏活动断裂的发育展布特征,对活动断裂进行精确定位。

结合测线附近钻孔资料,首先对两条反射地震剖面进行了层位划分,划分原则为来自同一波阻抗界面的反射波具有波形相似的特点,且相邻地震记录道上同一界面的反射波到时相近,通过对这些同相轴进行合理的追踪和强相位对比,识别出不同的地震反射波组。图11和图12为L2测线和L1测线浅层反射地震部分解释时间剖面,在两条时间剖面上分别解释了6组反射波: T_0-4、T_0-3、T_0-2、T_0-1、T₀、T₁。根据波组强度、连续性和附近钻孔资料,推断T₀反射波组为第四系底界面产生的反射波,T_0-4、T_0-3、T_0-2、T_0-1为第四系内部地层产生的反射波,T₁为新近系内部地层产生的反射波。其中,T_0-4为第四系内部全新统(Q₄)底界面,全新统(Q₄)厚度约为40 m,T_0-3和T_0-2为上更新统(Q₃)内地层,T_0-1为第四系下更新统(Q₁)地层。

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图11   L2测线反射地震推断解释部分时间剖面

   

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图12   L1测线反射地震推断解释部分时间剖面

   

在进行波组对比解释后,根据地震时间剖面上的波组特征,对测区内的断层进行了推断解释,判断断层的主要依据是反射波组发生错断,另一个主要依据是反射波强相位是否发生转换和上、下波组的相互依赖关系,在地震剖面上,反射波同相轴数目的明显增减或消失也是判断断层存在的一个重要依据。

由于地震剖面上的反射波组是未胶结成岩的软土地层,断层的错断不会形成破碎带,这就使得在软土地层内根据地震剖面确定断层比在胶结成岩的地层内确定断层更加困难。根据剖面波组的强度和连续性特征,在L2浅层地震剖面上解释了两组断层F₁和F₂,如图11所示。两条断层视倾向同为SE,F₁使T₀反射波发生了错断,但没有向上或向下延伸;F₂断层使T₁反射波发生了错断,并且继续向上延伸,最浅错断T_0-3反射波组,错断最浅反射波组深度约为100 m。

L1浅层地震剖面解释过程中,发现CDP点号3 400~4 000之间,100 ms以下没有连续可追踪的反射波组,出现一个“空白带”,如图12所示,100 ms以浅反射波同相轴清晰且连续,说明地表激发接收条件良好,该测线段的采集方法、参数以及采集环境与其他地段相同。推断该地震剖面上出现的空白带有浅层气的存在,其成因可能为海洋生物腐尸在海底沉积过程中,经甲烷菌分解逐步转化成气体而形成的甲烷浅层气藏,也可能存在断层(图1基岩地质简图中东侧推断的北东走向的断裂位于L1地震剖面上CDP3700处,由于该处反射信息缺失,无法识别断层的断点位置,因此在地震剖面上没有解释断层),海底深部的天然气沿岩层的断层面、裂隙、孔隙上升到海底浅部,被黏土等不透气层覆盖,无法上移释放,聚集在该区域。

5 结论

滩涂区地震勘探施工困难,缺乏经验,受滩涂区潮间带潮汐影响,施工时间收到严格限制,施工效率低,且滩涂地表条件差异较大,加之激发震源的选择上存在较大的局限性,使得地震数据采集困难重重。通过在江苏如东试点滩涂区开展浅层地震方法试验研究得到以下几点认识:

1)在滩涂区进行数据采集时,在激发震源选择上,应选择轻便灵活的震源激发进行数据采集。须做好仪器设备的防水措施,避免受海水腐蚀,且仪器设备应充分接地,避免“漏电”现象的出现。

2)由于滩涂区地表条件差异较大,致使地震记录存在频率差异,数据处理过程中,应用地表一致性反褶积和多道预测反褶积,既提高了反射波频率,又压制了层间多次干扰波。

3)浅层地震方法能够对滩涂区第四系底界面及内部结构进行地球物理意义上的精细划分,识别隐伏活动断裂并判断其空间展布特征。

4)在滩涂区开展浅层地震探测工作,可有效探测测区内浅层气的位置和范围,可以作为寻找浅层气藏新能源的技术手段,另外,浅层气对海底工程建设带来不可预测的危害,浅层地震勘探方法可为滩涂围垦及后续工程建设排除地质灾害隐患。

(本文编辑:叶佩)

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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