0 引言

海洋天然气水合物赋存于浅层疏松沉积物中, 深度一般小于1000 m, 因此要求其勘探技术具有较高的浅层分辨率.浅地层剖面、单道地震和高分辨率多道地震都是天然气水合物勘查常用的技术.浅地层剖面测量分辨率可达到1 m左右, 但勘探深度一般小于100 m.单道地震测量虽然勘探深度较大, 但是其信噪比较低、缺乏地震速度信息, 限制了在海洋天然气水合物识别中的应用.因此, 高分辨率多道地震测量成为了天然气水合物调查的重要手段(Horozal et al., 2009; Shipley et al., 1979; Taylor et al., 2000; 张光学等, 2011).目前海洋多道地震测量多采用调查船拖曳电缆的方式进行, 常规的地震拖缆道间距大、排列长.气枪震源能量大、频率低、激发间隔大, 对于海底以下千米级深度的目的层具有较好的探测效果, 但不能满足以高频信号为主的浅层高分辨率地震成像的需要.另外, 长排列地震拖缆使海上施工灵活性差且电缆平衡控制难度大, 因此施工效率低、成本高.而采用高主频、宽频带、大能量电火花震源的海洋短排列、小道距、高分辨率多道地震探测技术可以弥补目前方法的不足.它具有接收道数少(一般24—48道)、道间距小(3.125~6.25 m)的特点, 工作段缆长一般只有75~300 m, 施工灵活性强, 适应区域广, 采集效率高、成本低.另外, 由于拖缆较短, 可以取消用于控制电缆沉放姿态的深度控制器, 从而减少干扰源, 提高地震原始资料的信噪比.这种地震探测技术的特点是使用大能量(激发能量高达20 kJ)电火花震源, 它与气枪震源相比最显著的优势在于主频高、频带宽, 其有效频率范围在60~1000 Hz之间, 主频一般达到400 Hz以上, 因此在具有较大的地层穿透能力的同时保证了勘探分辨率, 能够实现在海水深度大于1000 m的海域穿透超过1000 m厚度的地层, 且垂向分辨率达到1~3 m, 可以满足海洋天然气水合物调查(褚宏宪等, 2015)、工程地质勘查以及浅层地质等研究的需要.

1 短排列、小道距、高分辨率多道地震原始资料特征及处理难点分析

短排列、小道距高分辨率地震采集技术采用20 kJ电火花震源作为激发震源, 沉放深度2 m, 激发间隔12.5 m, 接收道数48道, 道间距6.25 m, 电缆沉放深度2 m, 最小偏移距37.5 m, 采样间隔0.5 ms.在采集过程中为了减少噪声, 提高信噪比, 没有使用深度控制装置控制电缆沉放深度.

这种采集技术最大的优势在于可以提供更高的垂直与横向勘探分辨率, 但是其固有的特点使后期地震数据的成像处理存在一定的难度, 主要表现在以下方面.首先, 由于缺少深度控制装置, 调查船的速度、拖曳拉力及潮流方向等因素的改变会造成电缆沉放深度的非均一性, 从而使CMP道集的同相轴错段；其次, 较短的排列长度使依赖能量谱判别法则的速度分析敏感性下降；第三, 激发、接收端虚反射走时及多次波压制的难度较大等.

1.1 原始资料频率特征

电火花震源的特点是激发的地震波频率高、频带宽(Mangipudi et al., 2014).从初叠加剖面频谱分析(图 1)看, 最高截止频率可达到800 Hz, 有效频率范围在60~400 Hz, 主频在190 Hz左右.

地震分辨率取决于地震信号的主频和频带宽度, 主频越高, 频带越宽, 地震分辨率越高(李庆忠, 1994; 俞寿朋, 1993), 因而电火花震源最显著的优势就是对地层具有较高的分辨能力.图 2为我国重点海域天然气水合物勘查区短排列、小道距高分辨率地震资料的叠前时间偏移成像处理结果剖面, 可以看出，在BSR附近20 ms的时窗内分布着3~4个地震反射波组, 单个波组的视周期只有5~7 ms, 具有较高的垂向分辨率；且天然气水合物地震识别标志—似海底反射波(Bottom Simulating Reflector, 简称BSR)(Haines et al., 2017; Kroeger et al., 2017; Shipley et al., 1979)特征突出、接触关系清晰, 能够明显的看到具有与海底反射平行且极性相反、与沉积层斜交以及上部空白反射带等BSR特征.

1.2 虚反射多次波

虚反射对海洋地震数据的影响存在于整个海洋地震采集和处理过程中，所有反射波中均存在虚反射多次波, 引起陷波效应(Zhang et al., 2018), 导致地震记录频带变窄, 进而降低地震剖面的分辨率和成像精度，给地球物理解释工作带来困扰(王冲等, 2016a, 2016b).此外，虚反射的存在导致速度谱聚焦性变差，严重干扰地震波成像.因此，消除地震波中虚反射的影响也是这种短排列、小道距高分辨率多道地震资料处理的关键问题.地震波的主频高，子波周期短，虚反射的表现形式与常规海洋多道记录不同，主要表现为与有效波分离并伴随其后, 即在炮集上表现为紧跟在海底反射之后，与海底反射极性相反(单一炮点或检波点虚反射)或相同(炮点和检波点虚反射叠加在一起)的同相轴, 延迟时与炮检点沉放深度有关, 即不考虑入射角的情况下为沉放深度的双程走时.图 3(a，b)中，对应于主反射同时存在的3组虚反射多次波, 分别为震源虚反射、检波点虚反射和震源加检波点虚反射三种情况(陈金海等, 2000a, 2000b; 李套山等, 1997).检波点虚反射是反射波上行时, 电缆接收一次后, 继续上行至海面, 进而反射变为反极性的下行波被电缆接收形成的虚反射; 震源虚反射是地震波震源发出后上行至海面, 反射变为反极性的下行波，经海底反射后上行被电缆接收所形成的虚反射; 震源加检波点虚反射是地震波震源发出后上行至海面从而反射变为反极性的下行波, 经海底反射后上行, 而后被电缆接收一次后继续上行至海面, 反射变为与主反射同极性的下行波被电缆接收后所形成的虚反射.在速度谱(图 3b)中，海底反射波能量团聚焦性差, 呈现出高速和低速两组能量团.因此，在高分辨率地震记录中，虚反射的影响更为严重.

1.3 震源和电缆沉放深度误差对地震成像精度的影响

理论上, 同一测线的震源和电缆沉放深度是一致的, 但是由于未使用深度控制装置，地震资料采集过程中的海浪作用、海流运动方向、大小及拖曳拉力变化等因素都会造成震源和电缆沉放深度偏离设计深度, 使电缆纵向倾斜或弯曲, 误差造成动校正时同相轴无法完全校平, 使同相轴叠加时无法同相叠加, 降低了地震记录的分辨率和叠加成像精度.在地震剖面中表现为同相轴扭曲，速度谱中表现为能量团不聚焦，速度分析精度较差；另一方面，造成检波点虚反射与海底反射不平行, 严重时则出现与有效波同相轴相交或交叉的现象, 造成虚反射压制困难, 同时引起速度分析的多解性增加和成像噪声的增大.

图 4是采用基于波动方程的正演模拟技术获得的不同电缆沉放模式下的单炮记录，图 4a表示两种电缆倾斜状态，图 4b和4c分别为其对应的正演模型和正演模拟的单炮记录.图 5是实际采集资料的单炮记录，图 5a、5b、5c分别为三种不同电缆姿态及其对应实际资料的单炮记录.由图可见, 检波点虚反射同相轴与海底反射同相轴不平行，且随电缆姿态的变化呈不同特征：当电缆水平时, 虚反射同相轴与海底反射基本平行；当电缆姿态呈近道浅, 远道深时, 虚反射同相轴表现为下拉特征；而当电缆姿态呈近道深, 远道浅时, 虚反射同相轴表现为上翘特征.图 6为未校正由于电缆沉放深度变化造成剩余时差的叠加剖面, 由图可看出，在叠加剖面中通常表现为同相轴发生错动或扭曲, 叠加成像发生畸变.

当电缆倾斜时, 由于叠加地震道中剩余时差的存在, 难以实现完全的同相叠加, 造成速度谱能量团不聚焦, 从而降低了速度分析的精度.图 7为一条测线在校正电缆倾斜造成剩余时差之前的速度谱, 速度谱中叠加能量团分散、聚焦性差, 难以拾取正确的叠加速度.一方面, 剩余时差的存在使CMP道集内叠加同相轴不能完全校平.由于地震波在海水中的传播速度基本恒定不变, 利用海水速度对海底反射波进行动校正, 可以根据其是否拉平来评价电缆沉放深度是否相同, 如图 8a为单炮记录, 海底反射波在动校正后并未得到校平(8b), 可见电缆沉放深度存在差异.通过拾取虚反射走时, 计算得出原始数据电缆深度变化范围为6~15.75 m, 与设计的沉放深度2 m差异巨大.虽然在常规地震勘探中, 这种剩余时差可以忽略不计, 但是对于高分辨率地震而言, 消除由于震源和电缆沉放深度变化引起的剩余时差, 实现CMP道集的同相叠加, 是提高短排列小道距高分辨率多道地震成像精度的关键.另一方面, 电缆沉放深度的变化具有一定的优势.虚反射陷波频率为f=nc/2h_g, 其大小由海水中声波传播速度c和电缆沉放深度h_g决定(王冲等, 2016a, 2016b; 许自强等, 2015), 虚反射陷波频率随电缆沉放深度的增加而降低(图 9).由图可见, 不同拖缆沉放深度获得的地震通频带不同, 拖缆沉放浅时, 高频信息更丰富；而当拖缆沉放深时, 低频信息更丰富, 因此, 可以利用不同拖缆沉放深度的虚反射陷波差异, 优化低频和高频信号品质, 达到拓宽原始数据频带宽度的目的, 同时可以将虚反射陷波分散化, 削弱陷波的影响(吴志强等, 2016; Rebert et al., 2012; Soubaras and Dowle, 2010).

1.4 排列长度对速度分析精度的影响

地震波速度是贯穿地震勘探全过程的重要属性信息, 速度分析的精度决定了地震资料处理过程中各个步骤成果的准确性, 尤其对于海域天然气水合物调查, 地震速度信息是识别天然气水合物的重要依据.

常规速度分析采用速度扫描的方法, 该方法要求排列长度的设计要以引起叠加值或相关值的明显变化的动校正时差为标准, 要求速度分析的精度越高, 排列长度应越长(何汉漪，2001).海洋短排列、小道距高分辨率多道地震采集方式的拖缆排列长度通常小于300 m, 因此, 速度谱能量团的聚焦性除了受到电缆沉放深度变化和虚反射的影响以外, 还受到排列长度的影响.图 10为不同排列长度的正演模拟速度谱, 可以看出, 当排列长度较短时, 由于提供速度分析所需的走时信息较少, 速度谱能量团聚焦性较差, 速度拾取存在较大的困难, 因此速度分析精度较低.只有达到一定的排列长度, 提供足够的走时信息时, 才能形成能量聚焦的速度谱, 提高速度分析精度.

虽然电火花震源的高主频性能够在一定程度上弥补排列长度较短的缺陷(Luo et al., 2017), 但是排列长度仍然是影响速度分析精度的主要因素.为此, 本文针对性开展了数值模拟研究, 论证排列长度是速度分析精度的主要影响因素.假设标准叠加速度为1535 m·s^-1(相当于海底之下地层的地震叠加速度), 利用不同的叠加速度(1200~1800 m·s^-1)进行速度扫描, 根据校正时差, 叠加形成新的子波, 计算新形成子波的均方根振幅与标准速度子波的均方根振幅的比例.根据速度分析原理可知, 随扫描速度的变化, 均方根振幅能量下降的越快, 则速度谱能量团聚焦性越好, 速度分析精度越高.为了更好地说明排列长度对速度分析精度影响大于主频的影响, 设计了两种模型进行模拟对比.模型1为短排列模型, 设计排列长度300 m、主频200 Hz；模型2为长排列模型, 设计排列长度1200 m, 即排列长度放大4倍, 相应的采集数据主频为短排列的1/4, 主频为50 Hz.图 11分别为两种模型的速度扫描结果, 由图可见, 模型2的均方根振幅能量下降的更快, 且在1535 m·s^-1时能量达到最大, 叠加振幅在标准叠加速度处聚焦性较好.模型1当速度误差为10%时(1380 m·s^-1), 均方根振幅能量下降了14.5%, 而模型2的均方根振幅能量则下降了70.7%.由以上分析可知, 当排列长度扩大, 虽然主频等比例缩小, 但是仍然能够大幅度提高速度分析精度.

实际资料的排列长度是固定的, 不可能通过增加排列长度提高速度谱能量团的聚焦性, 因此, 如何在排列长度一定的情况下, 提高速度谱能量团的聚焦性, 是提高小道距高分辨率地震速度分析精度的关键.上述模拟结果为基于地震模型学相似性原理的精细速度分析技术的应用提供了理论基础, 也是本文后续探讨的内容之一.

2 短排列小道距高分辨率多道地震资料处理关键技术 2.1 基于虚反射走时的电缆沉放深度计算与剩余时差校正

在电缆等浮(沉放深度相同)的情况下, 地震记录中虚反射同相轴和一次波同相轴平行, 表现为光滑的双曲线形态, 在小偏移距范围内可以忽略虚反射周期随入射角的变化, 且炮点和检波点虚反射延迟时是沉放深度的双程走时.但在实际采集过程中由于沉放深度的差异, 不同接收点具有不同的沉放深度, 使地震记录中的海底反射波存在明显的同相轴扭曲现象, 对应的虚反射同相轴也不完全和一次波平行.

由前面的分析可知, 本文数据中虚反射多次波与一次波彼此分离, 电缆沉放深度是影响走时变化的主要因素, 而数据中缺乏电缆沉放深度的准确数值, 因此, 利用虚反射走时特征进行电缆沉放深度的求取, 进而评价电缆的工作姿态并进行校正, 是本文的研究重点之一.通过虚反射射线走时公式计算可以得到虚反射与主反射时差dT公式：

(1)

式中：D_WB为海底深度, D_R为检波点沉放深度, D_s为震源沉放深度, X_off²为偏移距, V为海水速度, 本文采用1500 m·s^-1.

由公式(1)可以反推出的通过主反射与虚反射旅行时计算相应检波点深度的公式：

(2)

在偏移距、海底深度以及虚反射时差已知的情况下, 可以由公式(2)计算出实际的检波点(电缆)沉放深度, 由此可以计算出检波点的剩余时差dT_re：

(3)

本文根据上述理论公式, 首先采用交互式的拾取方法, 拾取每炮的海底反射波及其对应的检波点虚反射走时, 由虚反射时差计算每炮记录的实际电缆沉放深度, 进而计算剩余时差并进行校正, 将电缆沉放深度统一校正到海平面, 实现同相轴同相叠加, 提高地震分辨率.同理, 拾取每炮对应的炮点虚反射时差可以计算炮点沉放深度变化引起的剩余时差, 从而将炮点沉放深度统一校正到海平面.图 12为剩余时差校正前后叠加剖面的对比图, 由图可以看出, 剩余时差校正后, 叠加同相轴光滑, 海底扭曲现象消失, 有效反射波连续性明显提高, 剖面整体信噪比和分辨率均得到提升.

2.2 虚反射压制

虚反射是一种不可避免的干扰波, 其波形、频率、视速度等都与一次波相似, 从而严重干扰一次反射波, 降低地震分辨率, 甚至产生假的同相轴, 给地震解释造成困扰.随着地震资料处理向精细化发展, 消除虚反射的影响已经成为海上地震资料处理的一个热门的研究课题.通过虚反射压制, 可以达到拓宽频带, 提高地震数据分辨率的作用.

压制虚反射的方法较多(Fang et al., 2017; Wang et al., 2017)，适用条件和效果差别较大(陈金海等, 2000a, 2000b).本文在采用基于虚反射走时的电缆沉放深度计算方法，准确求取炮点、检波点沉放深度的基础上，采用了F-K域的虚反射压制技术, 该技术的特点是在已知检波器深度和海水速度的情况下, 针对检波点和炮点虚反射, 分别在炮域和共检波点域进行压制, 从而消除虚反射效应, 改善剖面波组特征, 拓展频谱宽度(蒋陶等, 2017; 孙福利等, 2011).

在F-K域采用如下算子压制虚反射：

(4)

其中, R是界面反射系数；V一般取值为1500 m·s^-1；z是震源(或检波点)的深度；F和K分别表示数据的频率和波数.

在采用F-K域虚反射压制之后, 剖面上仍然存在一套与海底反射平行的虚反射残余, 分析认为该套虚反射是由于计算获得的震源和电缆沉放深度与实际沉放深度仍存在微小误差，并且受到海水速度误差、海浪以及虚反射拾取误差等因素的影响, 使虚反射压制因子的求取不够理想造成的, 因此, 为了更进一步压制虚反射, 在F-K域虚反射压制基础上, 又采用了预测反褶积虚反射压制技术, 较好的压制了虚反射残余.图 13是虚反射压制前后的叠加剖面和频谱对比.从剖面可以看出, 通过组合应用F-K域压制虚反射技术和预测反褶积技术处理后, 虚反射引起的子波旁瓣得到了很好的压制, 剖面上地层的反射特征更加突出、可靠, 陷波效应得到了明显补偿, 高低频信息得到了拓展(图 13c).

2.3 基于地震模型学相似性原理的精细速度分析

由正演模拟可知, 地震叠加速度的分析精度主要取决于排列长度.为了提高速度分析精度, 基于地震模型学相似性原理, 采用放大排列长度、相应降低数据主频的方法, 进行叠加速度分析处理.

相似性原理(陆基孟和王铁男, 1988)是地震模型学的基础, 由波动方程的不变性理论可推出实际地质和物理模型之间速度、时间、距离、频率等参量之间的关系：

(5)

当时, 则有：

(6)

(7)

其中, , , , L, T, V, f分别表示尺度、时间、速度和频率, 下标R和M分别表示实际地质和物理模型.

以上公式表明, 在波动方程成立的前提下, 当波速相等或相似, 实际地质和物理模型之间的尺度和时间应等比例增大或缩小, 而频率则呈反比例变化, 且模型尺度相似比和波长相似比也应相当.

借鉴地震模型学中的相似性原理，在地震速度分析过程中, 将地震数据在排列长度和时间尺度等比例放大, 增加远炮检距道上提供速度分析所需的时差信息, 增强速度谱能量团的聚焦性, 从而提高速度分析精度.具体的做法是, 根据图 11的模拟结果分析, 考虑到时间同时放大的因素.在观测系统定义中将炮间距、偏移距、道间距同时放大4倍, 使最大偏移距达到1325 m, 同时修改地震记录的道头信息, 使炮间距、道间距等信息与观测系统同步, 时间采样间隔同步放大4倍, 地震主频随之降低至原来的1/4.通过该方法，在进行速度扫描时, 相邻地震道动校正时差的差异增大, 相关振幅值对速度变化的敏感度明显增强, 速度谱上能量团得到有效聚焦, 从而提高速度分析精度.在完成速度分析, 拾取到准确的叠加速度后, 恢复观测系统, 并利用实际观测系统和地震数据进行后续成像处理.图 14(a, b)分别为实际资料同一CDP道集参数调整前后的速度谱剖面, 可以看出, 在扩大了排列长度之后, 由于增加了远炮检距道所提供的时差信息, 速度谱能量团聚焦性更好, 从而具有更高的速度分析精度.图 14c是速度谱拾取结果及对应的层速度, 可以看出, 在BSR处具有明显的速度反转特征, 符合BSR上覆含水合物沉积层及下部游离气的特征.

3 实际资料应用效果分析

图 15为实际地震资料的常规处理成像结果与本文方法处理结果的对比图.在原处理成像剖面中(图 15a), 由于未对电缆沉放深度误差进行校正, 且常规的速度分析精度较差, BSR附近的地震反射波成像不够清晰, 部分断点位置不够准确；而采用本文处理方法后(图 15b), 成像剖面上BSR特征突出, 断裂位置和断点准确、清晰, 波组的接触关系明了.虽然两个偏移剖面中都能看出明显的BSR特征, 但图 15a中的BSR与地层反射波交织在一起, 难以区分, 特别是在BSR特征不太明显的部位, 区分BSR和地层反射较困难, 而15b中的BSR特征更为突出, 对于一些相对较零散的BSR也能准确识别.

4 结论

通过对海洋小道距高分辨率地震原始资料的分析和试验, 针对这种地震资料的特点, 采用了针对性的处理技术, 获得了较高的成像质量.

(1) 针对震源和电缆沉放深度空间动态变化的特点, 对单炮记录的海底反射波及其对应的炮点和检波点虚反射走时进行拾取分析, 计算单炮记录的震源和电缆的实际沉放深度, 从而将震源和电缆校正到同一深度；

(2) 在准确求取炮点、检波点沉放深度的基础上, F-K域虚反射压制技术可有效压制炮点、检波点端的虚反射; 而对于残余虚反射, 可通过预测反褶积虚反射压制技术给予有效压制.F-K域加预测反褶积组合的虚反射压制技术可以较好的消除虚反射, 拓展地震资料的频谱宽度.

(3) 根据地震模型学相似性原理, 将地震数据在尺度和时间上等比例扩大, 可以增加远炮检距道提供速度分析所需的时差信息, 增强速度谱能量团的聚焦性, 从而提高速度分析精度.

(4) 实际资料成像对比结果可见，上述方法综合应用, 可有效地提高地震剖面的成像品质, 凸显BSR特征.