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物探与化探, 2019, 43(1): 176-182 doi: 10.11720/wtyht.2019.1045

方法研究·信息处理·仪器研制

深拖平缆采集资料中鬼波衰减方法探讨

李慧龙, 王征, 宋鑫, 吴超, 马德志, 石孟常, 赵亮

中海油田服务股份有限公司 物探事业部,天津 300451

The application of broadband processing technology to deep towing flat streamer data

LI Hui-Long, WANG Zheng, SONG Xin, WU Chao, MA De-Zhi, SHI Meng-Chang, ZHAO Liang

Geophysical-China Oilfield Services Limited,Tianjin 300451,China

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2018-01-29   修回日期: 2018-11-20   网络出版日期: 2019-02-20

基金资助: 中海油服科研项目“鬼波压制技术研究及应用”.  WTB18YF006

Received: 2018-01-29   Revised: 2018-11-20   Online: 2019-02-20

作者简介 About authors

李慧龙(1984-),男,汉族,工程师,2008年毕业于中国石油大学(华东)地球物理学专业,本科学历,2018年获得中国石油大学(华东)工程硕士学位。现在中海油田服务股份有限公司物探事业部工作,主要从事地球物理勘探数据处理及野外质控工作。 。

摘要

鬼波衰减是深拖平缆采集资料处理中非常重要的一步,也是实现宽频处理的关键步骤。为此,笔者分析了深拖平缆资料特点,推导了鬼波的时距曲线方程,在此基础上,介绍了线性Radon域最小平方反演方法衰减鬼波的基本原理,该方法首先通过最小平方方法求得无鬼波的Radon域数据,再应用反变换算子中的一次波算子进行反变换,从而实现了对鬼波的压制。采用该理论对模型数据与实际地震资料进行了试处理,结果表明,深拖平缆资料通过本文的鬼波衰减技术处理后,陷频点得到了补偿,有效频带得到了拓宽,达到了宽频处理的效果。

关键词: 宽频 ; 深拖平缆 ; 鬼波衰减 ; 时距曲线方程 ; Radon域 ; 最小平方

Abstract

Ghost attenuation,the key step of broadband processing,is a very important step in data-processing of deep towing flat streamer.Therefore,this paper analyzes the features of deep towing flat cable data,derives time distance curve equation of ghost and,on such a basis,introduces the basic principle of the linear least square inversion in Radon domain method for ghost attenuation.First,no ghost data is obtained by the least square method in Radon domain,then the primary wave operator is used in inverse transform,so as to realize the attenuation of ghost.The processing effect of model and actual data shows that,after ghost attenuation,the frequency notches of deep towing flat cable data can be compensated,and the effective frequency bandwidth can be broadened,thus achieving the effect of broadband processing.

Keywords: broadband ; deep towing flat streamer ; ghost attenuation ; time distance curve equation ; Radon domain ; the least square

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本文引用格式

李慧龙, 王征, 宋鑫, 吴超, 马德志, 石孟常, 赵亮. 深拖平缆采集资料中鬼波衰减方法探讨. 物探与化探[J], 2019, 43(1): 176-182 doi:10.11720/wtyht.2019.1045

LI Hui-Long, WANG Zheng, SONG Xin, WU Chao, MA De-Zhi, SHI Meng-Chang, ZHAO Liang. The application of broadband processing technology to deep towing flat streamer data. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2019, 43(1): 176-182 doi:10.11720/wtyht.2019.1045

0 引言

目前海上地震宽频采集的主要方法包括双检电缆采集技术、上下双缆采集技术、四分量拖缆采集技术、变深度缆采集技术、深拖平缆采集技术和同步多级震源采集技术等,其中同步多级震源采集技术是主要用来消除震源鬼波,其他技术主要是消除电缆鬼波[1]。变深度缆采集技术是目前应用最为广泛的宽频采集技术,根据不同的勘探需求,分为不同的沉放方式,主要包括直斜缆、“抛物线型”斜缆、阶梯缆和“犁式”斜缆[2]。近年来,由于对平缆采集的地震资料处理思路的改变,国内一些专家提出深拖平缆宽频采集技术,电缆深度一般在15~25 m之间,呈水平状,相比于其他宽频采集方法,该方法的电缆操控更加容易灵活,野外作业更方便,成本更低。同时,与常规拖缆相比,鬼波与有效波更容易区分,有利于鬼波衰减处理。对于双检采集数据,根据两种检波器接收到的下行波极性不同,一般采用双检合并的方法消除鬼波[3,4,5]。四分量拖缆采集可看作是双检采集的延伸,其鬼波衰减方法基本相同[6]。Sonneland等[7]最早提出上下双缆采集技术;刘春成等[8]通过上下缆合并算子确定了上下缆采集的最优沉放深度组合;李洪建等[9]提出了频率域起伏双缆合并策略并应用到实际数据上取得了较好的效果。对于变深度缆资料,Soubaras[10]首次提出通过镜像偏移和联合反褶积结合的方法消除鬼波;许自强等[11]提出利用最优联合化反褶积压制变深度缆鬼波;Song Jian-Guo等[12]提出通过频率域高分辨Radon变换去除斜缆鬼波;王冲等[13]采用最小二乘反演迭代算法压制变深度缆数据的鬼波,得到宽频数据。对于常规拖缆采集,Weglein等[14]提出利用格林理论在x-w域中压制鬼波的思想;Mayhan等[15]改进了格林理论压制鬼波算法并在墨西哥湾实际数据中进行了应用;杨金龙等[16]进一步研究了格林理论压制鬼波原理,并形成了处理流程,该方法不需要地下介质信息,但需要进行近道插值;张威等[17]研究了起伏海水表面的拖缆鬼波压制方法。不同的方法都具有各自的特点,并取得了较好的效果。笔者在前人研究的基础上,将Radon域最小平方反演方法应用到深拖平缆资料的鬼波衰减处理中,取得了比较好的效果。

1 深拖平缆采集方式的正演模拟分析

在海洋地震勘探中,由于海面是一种自由表面,检波器不仅接收到如图1a中的一次波,还会接收到跟随在一次波之后的波,即:鬼波,也叫虚反射。震源激发的波向上传播经过海面反射后再向下传播经界面反射被检波器接收,形成震源鬼波,如图1b所示。震源

激发的波向下传播经过界面反射后,继续向上传播到水面,经水面反射后,被检波器接收,形成电缆鬼波,如图1c所示。震源鬼波与电缆鬼波的综合影响形成震源电缆鬼波,如图1d所示。

图1

图1   一次波与鬼波成因示意

a—一次反射波;b—震源鬼波;c—电缆鬼波;d—源缆综合鬼波

Fig.1   The diagram of primary and ghost wave

a—primary reflection;b—the source ghost wave;c—the cable ghost wave;d—the source and cable comprehensive ghost wave


为了充分了解深拖平缆资料,建立了水平层状地质模型,设计4层,厚度分别为1 000、1 100、550、1 850 m,海水层速度为1 500 m/s,其他3层速度分别为2 500、3 000、4 200 m/s。设计3种不同电缆深度的观测系统对模型进行正演模拟,缆深分别为10、20、30 m,其他参数相同,Ricker子波,主频62 Hz,源深5 m,电缆长度6 000 m,检波器间隔12.5 m。对图2中3个不同缆深的正演炮集数据分别作频谱分析,如图3所示。对以上正演数据及频谱进行详细分析,得出深拖平缆资料特点为:①激发位置不变时,电缆越深,电缆鬼波越容易识别。如图2,当缆深10 m时,正演炮集上电缆鬼波与一次波叠加在一起;缆深20 m时,电缆鬼波和一次波相位可以分开;电缆沉放30 m时,电缆鬼波与一次波相位更容易区分。由于震源深度较浅且保持不变,所以源鬼波一直紧随一次波后。②鬼波极性与一次波极性的变化。从图2b、2c中也可以清楚看到,震源和电缆鬼波极性都与一次波极性相反,源缆综合鬼波极性与一次波相同,这与海面处的反射系数近似为-1有关。③频谱随电缆深度的变化。随着缆深的增加,频谱加宽,高、低频端振幅能量略有增强。电缆越深,尼奎斯特范围内的周期性陷频数量越多,鬼波的陷频公式可简化为:f= nv2h(h=0,1,…),其中v为海水速度,h为沉放深度。④电缆静校正。由于电缆较深,需要通过波场延拓进行静校正。⑤受涌浪影响小。电缆较深,实际资料受涌浪等噪声影响较小,去噪时对低频端的保护更加容易,更适合宽频处理。通过以上分析,充分认识了深拖平缆资料鬼波的射线路径及限频规律,有助于鬼波时距曲线方程的推导,有利于实际资料鬼波处理过程中的质控。

图2

图2   正演炮集数据

Fig.2   Forward modeling shot gather


图3

图3   正演炮集的频谱分析

Fig.3   Forward modeling shot gather frequency spectrum


2 鬼波时距曲线方程及衰减原理

以电缆鬼波为例,运用虚震源理论[18],推导鬼波的时距曲线方程。如图4所示,S为震源,源深为hs,S*相当于震源S的虚震源;缆深为hr,接收点为Rx,x为偏移距,v为波在介质中的速度,θ为反射界面倾角,t为鬼波的旅行时。依据镜像原理,找到电缆相对于海平面的镜像(图4中深黄色虚线),则:鬼波的传播路径SACRx就等于路径S*ACRx*。根据几何三角形定理可以得出鬼波的时距曲线方程为:

t=1vh+hrcosθ+h-hscosθ2+[x+(hr+hs)tgθ]2-2h+hrcosθ+h-hscosθ*[x+(hr+hs)tgθ]sinθ

以上推导过程推广到n次鬼波(在n-1阶多次波后的鬼波),可以得到n次鬼波的旅行时方程:

t=1vhsinsinθ+hrcos+hsinsinθ-hscos2+[x+(hr+hs)tg]2±2hsinsinθ+hrcos+hsinsinθ-hscos*[x+(hr+hs)tg]sin

式中:正负号表示反射界面倾斜方向,当上倾方向与X轴正方向一致时,取负,与X正方向相反时,取正。当n为1时,即为式(1)结果。假设反射界面为水平界面,且仅考虑一次鬼波的情况,式(2)就可以简化为:

t=1v[(h+hr)+(h-hs)]2+x2

根据鬼波的时距曲线方程,进一步理解了鬼波与一次波的射线关系,据此得到上行一次波和下行鬼波到达检波点Rx处的时间τprτgh,如式(4)和式(5):

τpr=(x+Δh)p-Δτ,τgh=(x-Δh)p+Δτ

pv=sinθr,Δh=hrtanθr,Δτ=hr2+Δh2/v

式中:Δh为上行波在海面处的反射点到电缆检波点的水平距离,Δτ为相对于海平面接收到的一次波时差,θr为射线角。

图4

图4   鬼波射线理论示意

Fig.4   Principal chart of time distance curve equation of ghost


Radon变换在频率空间域的正反变换公式如式(6)和(7)所示:

R(w,pj)=n=1NS(w,xn)eiwpjxn,

S(w,x)=j=1JR(w,pj)e-iwpjxn

式中:N为地震道数,Jp的取值个数,xn表示炮集中第n道的炮检距,pj表示τ-p模型中第j道的慢度值,w=2πf,f为瞬时频率,式(6)和式(7)用矩阵形式可表示为:

R(pj)=OH*S(xn),

S(xn)=O*R(pj)

式中:O=e-iwτn,j为反变换算子,τn,j=pjxn

地震资料中包含鬼波时,根据鬼波的射线规律,

结合式(4)和(5),式(9)可改写为式(10):

S(xn)=Ot*Rz0

Radon反变换的算子Ot包含两部分,如式(11)所示:

Ot=Opr+rOgh,

r为海面反射系数,Opr= e-iwτpr表示一次波反变换算子,应用此算子可以得到电缆数据;Ogh= e-iwτgh表示虚反射的反变换算子,应用此算子可以得到镜像电缆数据。通过最小平方反演求解方程(10),就可以求得海平面上无鬼波的Radon域数据Rz0,应用反变换算子OprRz0进行反变换就可以得到去鬼波后的地震数据。

3 模型数据试验

为了测试鬼波衰减方法效果,选用缆深为20 m的一组正演炮集数据进行了压制鬼波处理试验。图5a为电缆鬼波衰减前的单炮记录,可以清楚地看到3个地层和海底一阶多次波以及跟随在其后的鬼波。图5b为鬼波衰减后的单炮记录,从箭头所指位置可以明显地看出,电缆鬼波得到了有效地衰减。图6为鬼波衰减前后的频谱,可以看出由电缆鬼波造成的陷频点得到了有效补偿,鬼波衰减后,低、高频端频带展宽,能量增强。

图5

图5   电缆鬼波衰减效果对比

a—原始炮集;b—鬼波衰减后炮集

Fig.5   Streamer ghost attenuation results

a—original shot gather;b—shot gather after ghost attenuation


图6

图6   电缆鬼波衰减频谱对比

a—原始频谱;b—鬼波衰减后频谱

Fig.6   Streamer ghost attenuation spectrum results

a—original spectrum;b—spectrum after ghost attenuation


4 实际资料应用

实际资料来自于国外某区块,电缆沉放深度17 m,汽枪深7 m,道间距12.5 m,水深约500 m。图7为鬼波衰减前后的炮记录,由于激发位置较浅,震源鬼波与一次波混合在一起,较难区分,电缆鬼波可以清楚地分辨出来,如图7a所示,可以看到衰减电缆鬼波后的各层位更加清楚,分辨率更高。图中箭头指示位置分别为跟随在海底,有效层位和海底一阶多次波后的鬼波,经过衰减处理后,这些鬼波得到了明显的衰减,如图7b所示;图7c是原始记录与衰减鬼波后记录的差,主要为鬼波和噪声的单炮。对图7中鬼波衰减前后的炮(矩形区域)进行频谱分析,如图8所示,

图7

图7   实际资料炮集鬼波衰减效果

a—鬼波衰减前;b—鬼波衰减后;c—鬼波衰减前后差

Fig.7   The ghost attenuation results on field shot gather

a—before ghost attenuation;b—after ghost attenuation;c—the difference of ghost attenuation before and after


图8

图8   炮集压制鬼波前(红线)后(绿线)的频谱对比

Fig.8   Shot frequency spectrum before(red) and after(green) ghost attenuation


可以清楚地看到频谱上的陷波位置得到了很好的补偿,拓宽了频带。图9为鬼波衰减前后目标区域的偏移效果对比,表明该方法对压制鬼波有比较好的效果。图10是对衰减前后的剖面(两个矩形区域)进行频谱分析,可以看到,陷频点得到了补偿,低、高频端频谱能量明显提高,有效频带拓宽。

图9

图9   鬼波衰减前后偏移剖面效果对比

a—鬼波衰减前;b—鬼波衰减后

Fig.9   The ghost attenuation results on migration section

a—before ghost attenuation;b—after ghost attenuation


图10

图10   偏移数据体压制鬼波前(红线)后(绿线)的频谱对比

a—对应矩形1;b—对应矩形2

Fig.10   Migration section frequency spectrum before(red) and after(green)

a—rectangle 1;b—rectangle 2


5 结论

1)模型数据表明:线性Radon变换最小平方反演方法能够有效地衰减电缆鬼波,并有效地补偿了陷频点,拓宽了频带。

2)针对深拖平缆采集方法,实际资料处理结果表明,应用文中介绍的方法衰减鬼波后,可以有效地提高地震资料分辨率,有益于后续的处理解释。

3)在实际应用中,需要提供准确的电缆沉放深度和震源深度。

The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。

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海上宽频地震采集技术不但能改善盐下、玄武岩下等深层构造成像,还能提高薄层、隐蔽圈闭、特殊岩性体等难识别油区成像品质,因而能有效提高地震资料的解释精度,降低勘探风险。近年来市场的迫切需求极大地推动了海上宽频地震采集技术的快速发展,国外相继出现了倾斜电缆采集、上下双缆采集、双检电缆采集、四分量拖缆采集等多种采集方法,国内在这一研究领域尚处于起步阶段。本文通过介绍上述几种技术的基本原理及效果,以期对国内相关研究起到参考和指导作用。

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为探求检波点水深误差与海底电缆(OBC)地震勘探双检资料合并处理效果间的关系,从OBC双检资料合并处理的交叉鬼波化技术原理入手,分析了检波点前期测量水深和采集实时水深误差影响双检资料合并处理效果的根本原因,并利用理论数据和实际资料论证了检波点水深误差对双检资料合并处理效果的影响程度.在此基础上,提出了以相关系数最大为准则的水深扫描和实时潮汐数据检波点水深修正两种方法消除检波点水深误差,以获得最佳双检资料合并处理效果.

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海底电缆采集资料通常利用水检和陆检的合并处理来压制电缆鬼波。但通常情况下,鬼波在海底反射形成的海底微屈多次波对资料的影响也很严重。分析了水检与陆检的地震波接收的物理机制,在水陆合并压制鬼波后,通过求取海底反射系数,进一步利用双检数据来压制海底微屈多次波。经实际数据的应用表明,这种方法可以较好地同时压制电缆鬼波和海底微屈多次波,改善剖面的波组特征。

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Measuring three components of particle velocity along with the pressure brings significant benefits to towed marine seismic data. In addition to well-known deghosting benefits, we show that the particle velocity components add important constraints that enable reconstruction of the wavefield between the multicomponent streamers. Finally, we outline several cases of particular interest that will make towed marine seismic data more "3D like".

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海上常规拖缆采集的地震数据存在受海水面虚反射(鬼波)引起的陷波特性,而近年发展的上/下缆采集技术可以压制鬼波,但仍然存在等效陷波.为此,提出了基于f-k域上/下缆合并算子确定上/下缆沉放深度的方法,进而分析了历年来国内外油公司采用的上/下缆沉放深度的合理性.针对目前国内拖缆沉放深度的最大范围,通过对不同上/下缆沉放深度下上/下缆合并算子的等效陷波特征分析,确定出等效陷波出现的频带范围在目的层有效频带范围以外的上/下缆最优沉放深度组合,系统优选出了12组上/下双缆以及3组上/中/下三缆陷波作用相对较小些的上/下缆沉放深度最优组合,为实际上/下缆采集时缆深选择提供了理论依据.

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常规海上拖缆采集数据受海水面虚反射(鬼波)影响存在陷波特性,近几年发展起来的变深度缆采集技术则使陷波特征分散,应用专门的去鬼波处理方法可获得宽频数据。在前人研究的基础上,开展了最优化联合反褶积压制鬼波算法及其在变深度缆采集数据中的应用研究。首先在频率-波数域导出了镜像缆记录生成公式,并在时空域实现了镜像记录的生成,然后基于原始炮集记录和镜像炮集记录,利用最优化联合反褶积去鬼波算法从变深度缆数据中提取上行波。合成数据及某海上实际变深度缆数据测试结果表明,最优化联合反褶积压制鬼波算法既能提高浅层的高频反射能量,又能提高深层的低频反射能量,从而拓宽地震反射资料的频带,提高勘探分辨率。

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Receiver ghost reflections adversely affect variable-depth streamer(VDS)data acquisition.In addition,the frequency notches caused by the interference between receiver ghosts and primary waves strongly affect seismic data processing and imaging.We;developed a high-resolution Radon transform algorithm and used it to predict receiver ghosts;from VDS data.The receiver ghost reflections are subtracted and removed from the raw i data.We propose a forward Radon transform operator of VDS data in the frequency domain and,based on the ray paths of the receiver ghosts,we propose an inverse Radon transform operator.We apply the proposed methodology to model and field data with good results.We use matching and subtracting modules of commercially available seismic data processing software to remove the receiver ghosts.The frequency notches are compensated and the effective frequency bandwidth of the seismic data broadens.

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海水面的虚反射(鬼波)引起海上拖缆采集数据陷波,导致地震记录频带变窄,而近年发展的变深度缆采集技术,具有多样的陷波特征,通过专门的去虚反射处理方法可获得宽频数据.本文基于已有研究成果,将最小二乘反演迭代压制虚反射算法应用于某海上变深度缆宽频处理.基于频率波数域镜像记录生成方法获得镜像炮集记录,并采用最小二乘解从变深度缆原始和镜像炮集记录中提取上行波.针对镜像炮集记录生成受初始速度模型精度的影响,使得某深度缆接收的上行波和下行波之间的实际延迟时间存在误差,采用最小二乘反演迭代算法最优化计算下行波与上行波之间的平均延迟时间和上行波记录,并采用时空数据窗口滑动克服延迟时间随炮检距和目的层深度变化问题.合成数据及某海上实际变深度缆数据处理测试结果表明,该方法能较好地压制变深度缆由海水面产生的虚反射,能达到拓宽地震记录频带目的.

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[J].Geophysics, 2013, 78(2):WA77-WA89.

DOI:10.1190/geo2012-0295.1      URL     [本文引用: 1]

Deghosting benefits traditional seismic processing and is a prerequisite to all inverse-scattering-series based processing. The freedom of choosing a convenient reference medium (and associated Green's function) means Green's theorem offers a flexible framework for deriving useful algorithms including deghosting. Among advantages over traditional deghosting methods are: (1) no need for Fourier transforms over receivers and sources, and (2) can accommodate a horizontal or non-horizontal measurement surface, the latter of particular interest for ocean bottom and onshore applications. The theory of Green's theorem-derived deghosting is presented, and its first application on deep-water Gulf of Mexico synthetic (SEAM) and field data is reported. The source and receiver deghosting algorithms work with positive and encouraging results.

杨金龙 , Weglein Arthur B.

基于格林理论的鬼波压制方法及其应用

[J]. 石油物探, 2017,56(4):507-515.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2017.04.006      URL     [本文引用: 1]

海洋地震资料存在受海水面虚反射(鬼波)引起的陷波效应,为此,从散射理论出发,提出了基于格林理论的空间-频率(x-ω)域任意震源鬼波压制方法,并详细论述了其物理意义.在一维理论数据分析的基础上,形成了格林理论鬼波压制处理流程.利用模拟数据和实际数据进行了测试,实现了基于上下缆和双检采集地震资料的鬼波压制.处理结果表明,此方法完全基于地震数据驱动,无需任何地下介质信息,适用于各种复杂的海洋地形和地质情况.鬼波压制后地震资料的频带得到有效拓宽、地震资料的分辨率得到提高,有利于地震资料的后续处理和解释.

Yang J L, Weglein Arthur B .

A deghosting method based on Greens theorem and its application

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2017,56(4):507-515.

[本文引用: 1]

张威, 韩立国, 李洪建 .

基于起伏海水表面的拖缆鬼波压制方法

[J]. 石油物探, 2017,56(4):500-506.

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2017.04.005      URL     [本文引用: 1]

基于平坦海水表面假设的鬼波压制方法在起伏海水表面情况下鬼波压制效果不佳。为此,基于最小平方线性拉东反演去鬼波算法,反演得到海水表面处上行波场,正向和反向延拓海水表面处上行波场至检波器处,采用最小平方成像条件成像海水表面,以校正检波器实际沉放深度,消除起伏海水表面的影响,实现了基于起伏海水表面的鬼波压制。该方法考虑了起伏海水表面对鬼波压制的影响,改善了基于平坦海水表面假设的方法压制鬼波不完全的情况。数值模拟数据和海上实际拖缆数据测试结果表明,该方法能更好地压制鬼波,最大程度拓宽地震记录频带。

Zhang W, Han L G, Li H J .

Deghosting method based on avariable sea surface for conventional streamer seismic data

[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2017,56(4):500-506.

[本文引用: 1]

贾连凯 .

南海深水区多次波压制技术研究

[D].北京:中国科学院研究生院( 海洋研究所),2014.

[本文引用: 1]

Jia L K .

Study of multiple elimination techniques in the deepwaterarea of south China Sea

[D].Beijing:Chinese Academy of Sciences( Institute of Oceanology),2014.

[本文引用: 1]

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