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物探与化探, 2022, 46(4): 914-924 doi: 10.11720/wtyht.2022.1479

方法研究·信息处理·仪器研制

高分辨率单道地震探测技术在内陆浅水区的试验研究

岳航羽,1,2,3,4, 张明栋,5, 张保卫1,2,3, 王广科2,3, 王小江2,3, 刘东明2,3

1.中国地质调查局 地球物理调查中心,河北 廊坊 065000

2.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所,河北 廊坊 065000

3.国家现代地质勘查工程技术研究中心,河北 廊坊 065000

4.中国地质大学(北京) 地球物理与信息技术学院,北京 100083

5.江苏省地质勘查技术院,江苏 南京 210049

An experimental study on the high-resolution single-channel seismic exploration technology for inland shallow waters

YUE Hang-Yu,1,2,3,4, ZHANG Ming-Dong,5, ZHANG Bao-Wei1,2,3, WANG Guang-Ke2,3, WANG Xiao-Jiang2,3, LIU Dong-Ming2,3

1. Center for Geophysical Survey,China Geological Survey,Langfang 065000,China

2. Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,Chinese Academy of Geological Sciences,Langfang 065000,China

3. National Center for Geological Exploration Technology,Langfang 065000,China

4. School of Geophysics and Information Technology,China University of Geosciences (Beijing),Beijing 100083,China

5. Geological Exploration Technology Institute of Jiangsu Province,Nanjing 210049,China

通讯作者: 张明栋(1989-),男,工程师,硕士,现主要从事水域及陆域地球物理勘查数据采集、处理、解释及综合研究工作。Email:765021763@qq.com

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2021-08-30   修回日期: 2022-05-18  

基金资助: 国家重点研发计划项目(2018YFF01013500)
中国地质调查局地质调查项目(DD20208001)
中国地质调查局地质调查项目(DD20208002)
中国地质调查局地质调查项目(ZD20220115)
物化探所中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目(AS2020Y02)

Received: 2021-08-30   Revised: 2022-05-18  

作者简介 About authors

岳航羽(1989-),男,工程师,博士在读,现主要从事地震数据采集、处理及综合研究工作。Email: yuehangyu_cgs@163.com

摘要

单道地震探测技术以其配置灵活、简便高效、分辨率高的优势,在海洋区域地质调查、近海工程物探等领域得到了广泛的应用,但在内陆江河湖区域的实际应用案列较少。本文以河北雄安新区白洋淀为例,开展内陆浅水区高分辨率单道地震探测技术试验研究;对关键的采集参数,包括激发能量、激发间隔、航行速度以及接收单元个数等进行实际效果对比,以确定最优的参数组合;制定一套内陆浅水区单道地震数据处理流程及方法技术组合,逐步衰减各类干扰噪声,最大程度地提高内陆浅水区单道地震剖面的信噪比及分辨率。试验结果表明,内陆浅水域单道地震探测技术能够精细划分水域浅层地质结构,并与钻探资料吻合较好,有效地支撑服务江河湖环境、地质、地质灾害的调查研究。

关键词： 内陆浅水区; 高分辨率; 单道地震; 水域浅层地质结构

Abstract

With the advantages of flexible configuration,convenience,high efficiency,and resolution,the single-channel seismic detection technology has been widely used in marine geological surveys and offshore engineering geophysical prospecting.However,there are few cases of the application of this technology in inland rivers and lakes.Therefore,an experimental study on the high-resolution single-channel seismic detection technology targeting the inland shallow waters of Baiyangdian Lake,Xiongan New Area,Hebei Province was conducted.The application effects using key acquisition parameters,including excitation energy,excitation interval,sailing speed,and the number of receiving units,were compared to determine the optimal parameter combination.A set of single-channel seismic data processing processes and methods for inland shallow waters were developed to gradually attenuate all kinds of noises and improve the signal-to-noise ratio and resolution to the greatest extent.The experimental results show that the single-channel seismic detection technology for inland shallow waters can finely divide the shallow stratigraphic structure in the waters.Moreover,the division effects agree well with drilling data.Therefore,this technology can effectively support the investigations of environment,geology,and geologic hazards in inland rivers and lakes.

Keywords： inland shallow water area; high resolution; single-channel seismic; geological structure in shallow waters

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本文引用格式

岳航羽, 张明栋, 张保卫, 王广科, 王小江, 刘东明. 高分辨率单道地震探测技术在内陆浅水区的试验研究[J]. 物探与化探, 2022, 46(4): 914-924 doi:10.11720/wtyht.2022.1479

YUE Hang-Yu, ZHANG Ming-Dong, ZHANG Bao-Wei, WANG Guang-Ke, WANG Xiao-Jiang, LIU Dong-Ming. An experimental study on the high-resolution single-channel seismic exploration technology for inland shallow waters[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2022, 46(4): 914-924 doi:10.11720/wtyht.2022.1479

0 引言

随着科技的发展进步,海洋地质、地球物理调查技术方法已进入快速发展阶段,杨慧良等[1]详细总结了我国海洋地质调查和海洋地球物理调查技术的发展状况、适用范围、主要存在的问题和发展方向。作为目前全世界海洋地球物理调查常用方法之一的单道地震探测技术,具有高分辨率、高效率、低成本的优势[26]。众多专家学者利用海上单道地震,并结合重磁、多道地震、多波束、侧扫声呐、钻孔岩心等资料,有效识别海底第四纪沉积层序[7-10]、构造运动特征[11-12]、活动断裂展布[13-15]、浅层气位置[16-17]、海底沙脊沙波地貌[18-19]等,为海洋区域地质调查[20]、近海工程建设[21]、海洋地质环境演化[22]、地质灾害识别[23-24]、天然气水合物调查[25-26]、矿产资源潜力预测[27]及风电场选址测量[28]等方面提供基础地质资料。

针对单道地震单一的覆盖次数及非等间距采集模式导致的剖面信噪比低、多次波发育、垂向振幅能量差异大等特点,刘玉萍等[29]从单道地震的采集原理出发,阐述了单道地震资料处理中的3个难点及对应解决措施。李丽青等[30-31]提出利用涌浪静校正技术解决单道地震资料中存在的同相轴跳动问题,并采用单道地震关键处理技术,极大地提高了资料的信噪比和分辨率;刘建勋[32]在资料处理中采用有效的方法技术对数据进行信噪分离,削弱多次及绕射等干扰波的影响;林兆彬等[33]对低频部分的噪声采用带通滤波,对高频信号中的随机噪声采用小波阈值去噪方法进行压制处理,进一步提升了单道地震的剖面质量;邢子浩等[34]将正则化非平稳回归技术应用到单道地震多次波压制中,并证实该技术较传统匹配滤波方法在去除单道地震多次波方面更具优势。

本文将以河北雄安新区白洋淀为例,在内陆浅水区开展单道地震探测技术试验研究,构建一套内陆浅水区单道地震探测技术。通过对比试验,确定内陆浅水区单道地震采集参数,并开展剖面测量。采用针对性的单道地震数据处理方法技术组合压制各类噪声干扰,最大程度提高内陆浅水区单道地震信噪比和分辨率。通过与区内测线附近的钻孔资料对照,证实该方法技术的可行性及准确性。

1 试验区概况

为了开展内陆浅水区单道地震探测技术试验,选取河北白洋淀作为试验区,如图1所示。白洋淀是雄安新区最主要的水域,位于河北省中部、华北平原东南部,属于太行山前永定河冲积扇与滹沱河冲积扇的前缘低洼区,是华北平原最大的淡水湖泊,其主体位于安新县境内,流域范围为115.6°~116.5°E,38.7°~39.2°N,总面积约366 km2。年平均气温是12.1 ℃,属于温带大陆性季风气候[35-36]。区内整体地势较为平坦,地势自WN向ES倾斜,地面标高多在50 m以下,全区地势最低洼区为白洋淀湖泊,平均深度3~4 m。从白洋淀的南、西、北3个方向接纳9条入淀河流,分别为潴龙河、孝义河、唐河、清水河、府河、漕河、瀑河、萍河、白沟引河,出淀河流为东部的赵王新河[37]。在天然和人为因素的作用下,淀内形成了沟壕相连、淀中有淀和水田相间分布的生态格局,主要包括藻苲淀、烧车淀、小白洋淀、捞王淀、泛鱼淀和范峪淀等[38]。白洋淀常见的大型水生植物有47种,主要包括莲花、芦苇、芡实、菱角等水生植物群,其中,芦苇是淀区分布最广的植物[39]。

图1

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图1   试验区位置

Fig.1   The location of the test area


试验区自新生代以来一直是我国主要沉降地区,第四系地层沉积较厚,厚度一般在300~500 m,晚更新世以来地层主要划分为上更新统欧庄组和全新统。上更新统主要是以冲积相、洪积相、冲洪积相和湖相沉积为主,主要由黄色、棕黄色具有黄土状结构的黏土质粉砂、粉砂质黏土及砂砾石层组成,上更新统底界埋深在120~170 m之间。全新统以冲积相为主,夹有湖沼相沉积,主要由灰黄色、灰色、灰黑色含淤泥质的粉砂质黏土、黏土质粉砂、粉砂组成,常夹杂淤泥层,全新统底界埋深一般在20~40m[40-41]。

2 野外数据采集试验

内陆浅水区单道地震探测技术野外采集试验采用的是英国AAE公司的CSP-D单道地震探测系统,该系统由发射和接收两部分组成;发射系统由CSP-D发射机和Boomer震源组成,接收部分由DA4G-500工作站及水听器电缆组成。图2所示为在河北白洋淀地区开展的内陆浅水区单道地震探测试验的现场工作图,进行单道地震数据采集施工作业时首先分别投放Boomer激发震源和水听器电缆,如图2a和2b所示;其次,为了最大限度地避免船只发动机干扰及螺旋桨激起的水花影响,将Boomer震源和水听器电缆并排拖于船后20 m处,如图2c所示,采用拖曳式连续观测方式施工作业,数据采集过程中拖曳船只尽量保持匀速航行以减少噪声影响。利用GPS实时监控船只航行轨迹是否偏离测线,同时对观测的数据质量进行实时把控,尽量保证记录的地层信号连贯清晰。

图2

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图2   内陆浅水区单道地震探测现场工作

a—投放Boomer激发震源;b—投放水听器电缆;c—拖曳式单道地震数据采集

Fig.2   Field work diagram of single-channel seismic detection in inland shallow water area

a—release the Boomer source;b—drop the hydrophone cable;c—towed single-channel seismic acquisition


为了达到最佳的内陆浅水区单道地震探测效果,精细探测河北白洋淀水域全新统浅层地质结构的目的,对关键的采集参数进行对比试验,主要包括激发能量、激发间隔、航行速度以及接收单元个数等,以确定最优的参数组合开展白洋淀单道地震探测试验研究。

2.1 激发能量对比

内陆浅水区单道地震试验的探测深度及噪声压制水平直接受震源激发能量大小的影响,需要开展内陆浅水区单道地震震源激发能量对比试验(图3)。经过相同的预处理手段和参数后,通过比较不难发现,图3a所示的采用100 J的激发能量对多次波的压制效果不甚理想,单道地震剖面上多次波较发育,如绿色箭头所示;图3b所示的采用200 J的激发能量对地层刻画的连续性较差,单道地震剖面上出现明显的地层间断不连续现象,如蓝色箭头所示;相比之下,图3c所示的采用300 J的激发能量的探测效果较理想,有效波反射凸出,同相轴连续性较好。

图3

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图3   不同激发能量的单道地震剖面对比

Fig.3   Comparison of single-channel seismic profiles with different source energy

a—100 J; b—200 J; c—300 J


2.2 激发间隔对比

Boomer激发间隔的长短直接影响着内陆浅水区单道地震探测的水下地层界面的连续性,因此需要控制其他采集参数不变的情况下比较不同震源激发间隔的实际效果。图4所示为在河北白洋淀地区单道地震探测试验中不同激发间隔的剖面对比,依次采用了333 ms、400 ms以及533 ms这3个档位。

图4

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图4   不同激发间隔的单道地震剖面对比

Fig.4   Comparison of single-channel seismic profiles with various excitation interval

a—333 ms; b—400 ms; c—533 ms


通过对比发现,如图4a所示的采用333 ms激发间隔单道地震剖面上白洋淀水底界面以及水下地层界面的横向连续性都较好,未出现明显间断区域;然而,图4b中黄色箭头所示和图4c中绿色箭头所示的区域都出现了不同程度的地层界面横向间断区域,连续性均不如333 ms的结果。因此,在内陆浅水区开展单道地震探测研究时在保障发射机电容充饱的前提下,应尽量缩短震源激发间隔,才能有效保证单道地震成像效果的横向连续性。

2.3 航行速度对比

拖曳船只的航行速度是单道地震探测中关键影响因素之一,船速过快会在水面激起较大浪花,严重影响船尾拖曳的设备的数据采集质量。因而在进行内陆浅水区单道地震数据采集过程中,应采用合理的船速,既保障单道地震的数据采集质量,又保障施工作业采集效率。图5为在相同水域分别采用3节和4节的船速得到的单道地震剖面效果,如图中黄色箭头所示,采用4节的船速不仅4 ms附近的水底界面连续性较差,而且水下地层界面也无法得到有效显现。因而,在内陆浅水区进行单道地震探测试验时应尽量控制拖曳船只的航行速度,控制在3节左右的船速,并匀速直线行驶。

图5

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图5   不同航行速度的单道地震剖面对比

a—3节;b—4节

Fig.5   Comparison of single-channel seismic profiles with different sailing speed

a—3 kn;b—4 kn


2.4 接收单元个数对比

单道地震探测中水听器电缆接收单位个数直接控制着数据采集过程中的有效叠加次数,图6a和6b为分别采用16单元和24单元接收的水听器电缆的单道地震剖面对比。通过比较可以直观发现,16单元的水听器电缆剖面结果虽然整体频率较高,但是蓝色箭头所指示的水下有效反射界面无法准确刻画,而采用24单元的水听器电缆可以有效识别该地层界面,说明16单元的水听器电缆较24单元的有效叠加次数少,造成其接收信号能力有限。因此,将采用24单元的水听器电缆在河北白洋淀地区开展内陆浅水区单道地震探测技术研究。

图6

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图6   不同接收单元个数的单道地震剖面对比

a—16单元;b—24单元

Fig.6   Comparison of single-channel seismic profiles with various receiving units

a—16 units; b—24 units


通过在河北雄安新区白洋淀地区的单道地震探测野外数据采集对比试验,最终确定了该地区单道地震探测的采集参数主要包括:Boomer激发能量300 J、333 ms间隔激发、3节的行船速度以及采用24单元的水听器电缆接收,并开展内陆浅水区单道地震剖面测量工作。

3 数据处理关键技术

针对内陆浅水区单道地震探测试验数据特点及处理难点,本文制定了一套白洋淀单道地震数据处理流程如图7所示。数据处理过程中以保真处理手段为主,主要包括带通滤波、多次波压制以及信号增强技术等,最大程度地提高内陆浅水区单道地震反射波信噪比及分辨率,使其能够更直观地反映地层的形态特征,为后续单道地震资料解释提供真实可靠的数据支撑。

图7

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图7   内陆浅水区单道地震探测数据处理关键技术及流程

Fig.7   Key technology and process of of single-channel seismic data processing in inland shallow water area


图8和图9分别是采用图7中的内陆浅水区单道地震探测数据处理关键技术后的效果对比及频谱对比。图8a中的白洋淀单道地震原始数据干扰严重,多次波发育,信噪比极低,几乎难以发现有效反射,图9a所示的频谱图上可见较为明显的低频及高频噪声成分。采用400~2 500 Hz的带通滤波后,内陆浅水区单道地震剖面的噪声干扰得到一定程度地压制,有效波反射同相轴得到部分显现,信噪比得到一定程度地提升,特别是高低频噪声得到有效压制,如图8b和图9b所示。通过采用单道预测反褶积与一维SRME技术相结合的方法,能够有效衰减单道地震剖面的多次波干扰,剔除由多次波发育带来的地质假象,进一步提高单道地震剖面的信噪比,如图8c所示;同时,相较于图9b,图9c的主频从1 300 Hz提高到了1 600 Hz,有效频带宽度也得到相应拓宽,有效地提高了内陆浅水区单道地震的分辨率。最后,采用信号增强技术在内陆浅水区单道地震剖面的横向和纵向上对有效信号进行补偿增强,进一步压制随机噪声干扰,突出有效反射信息,增强单道地震剖面地层连续性,如图8d所示,其对应的频谱特征图9d也得到细微的改变,为河北白洋淀单道地震探测剖面地质解释提供真实可靠的物探数据保障。

图8

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图8   内陆浅水区单道地震探测不同数据处理方法的效果对比

a—原始数据;b—带通滤波;c—多次波压制;d—信号增强

Fig.8   Result comparison of different data processing methods for single-channel seismic detection in inland shallow water

a—raw data;b—bandpass filtering; c—multiple suppression; d—signal enhancement


图9

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图9   内陆浅水区单道地震探测不同数据处理方法的频谱对比

a—原始数据;b—带通滤波;c—多次波压制;d—信号增强

Fig.9   Spectrum comparison of different data processing methods for single-channel seismic detection in inland shallow water

a—raw data;b—bandpass filtering;c—multiple suppression;d—signal enhancement


图10

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图10   内陆浅水区单道地震探测试验效果

a—单道地震深度剖面;b—地质解释剖面

Fig.10   The result of single-channel seismic detection in inland shallow water area

a—depth profile of single-channel seismic;b—geological interpretation section


4 试验效果地质解释

将数据处理后的单道地震时间剖面转化为深度剖面,根据反射特征划分对应的地层界面,结合测线附近钻探资料推测相应地层的组成成分。图10所示为内陆浅水区单道地震探测试验效果,根据经验河北白洋淀地区浅层按照1 700 m/s的速度进行时深转化,精细划分浅层地质结构。

如图10a所示,根据单道地震剖面反射特征,河北白洋淀20 m以浅共有效识别了全新统7套地层反射界面并确定了各层位所处的埋深位置,其中红色线所示的水底界面深度4 m左右;同时,确定了各层起伏特征,各层整体较平坦,仅局部有起伏。根据测线附近的钻探资料,如图10b所示,所识别的地层界面与钻探资料表征的地层界面吻合较好,有效推测各个层位的组成成分,主要是以第四系地层水系沉积物为主,包括粉土、粉质黏土、黏土质粉砂、细砂、中砂等。

5 结论

1) 以河北雄安新区白洋淀为例,开展了内陆浅水区单道地震探测技术试验研究工作。在野外数据采集方面,定性对比了激发能量、激发间隔、航行速度以及接收单元个数的实际效果,优化了内陆浅水区单道地震探测采集参数。

2) 依据白洋淀单道地震数据处理难点,制定了一套内陆浅水区单道地震数据处理流程及方法技术组合,主要包括带通滤波、多次波压制以及信号增强技术等,逐步衰减各类干扰噪声,最大程度地提高单道地震剖面的信噪比及分辨率。

3) 通过高分辨率的内陆浅水区单道地震探测剖面反射特征,精细划分了水域浅层地质结构,结合钻探资料不仅能够验证该方法的准确性,还推测了相应地层的组成成分,有效地支撑了内陆水域环境地质调查及水域地下空间探测。

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