地球物理学报  2020, Vol. 63 Issue (6): 2415-2433   PDF    
海底地震仪浅海广角探测的数据特征与噪声组合压制--以南黄海OBS2016测线为例
赵维娜1,2, 张训华2,3, 王惠刚4, 陈珊珊2,3, 吴志强2,3, 郝天珧5, 郑彦鹏6, 刘凯6     
1. 西北工业大学青岛研究院, 青岛 266200;
2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室, 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 青岛 266237;
3. 青岛海洋地质研究所, 青岛 266071;
4. 西北工业大学航海学院, 西安 710072;
5. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029;
6. 自然资源部第一海洋研究所海洋地质与成矿作用重点实验室, 青岛 266061
摘要:2016年6月在南黄海海域实施了海底地震仪(OBS)的二维深地震探测.本文详细分析了在该次地震探测中获得的浅水水域OBS数据的特征,提出了噪声的组合压制方法.研究表明,浅海水域的OBS数据在系统时间、能量及子波等方面存在明显差异,海底多次波干扰严重、有效频段中陷波问题突出,原始台站记录信噪比低、品质差、大炮检距的有效震相难以识别和拾取.本文提出的噪声组合压制处理技术与流程,主要由基于统计子波反褶积的子波整形、基于多项式插值的t-x域线性噪声压制和采用自动搜索的海底多次波压制等三部分组成.净化处理之后,反射/折射震相的波组特征清晰,信噪比得到有效改善与较大提高,可识别震相的范围较常规处理平均扩大60%以上.本文完善了浅水区OBS数据处理的步骤与流程,将为后续地壳结构研究提供可靠的基础数据,可更好的服务于地壳深地震及油气资源的探测.
关键词: 海底地震仪      广角地震      噪声组合压制      浅海      南黄海     
Characteristics and noise combination suppression of wide-angle Ocean Bottom Seismography (OBS) data in shallow water: a case study of profile OBS2016 in the South Yellow Sea
ZHAO WeiNa1,2, ZHANG XunHua2,3, WANG HuiGang4, CHEN ShanShan2,3, WU ZhiQiang2,3, HAO TianYao5, ZHENG YanPeng6, LIU Kai6     
1. Qingdao Research Institute, Northwestern Polytechnical University, Qingdao 266200, China;
2. Laboratory for Marine Mineral Resources, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China;
3. Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, China;
4. School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China;
5. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
6. Key Laboratory of Marine Geology and Metallogeny, First Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Qingdao 266061, China
Abstract: A two-dimensional seismic survey was carried out in June 2016 along the east-west direction in the South Yellow Sea. We took the actual data processing of survey line (OBS 2016) as an example to analyze the data characteristics in shallow water and the combined suppression method of noise in detail. The study shows that OBS data in shallow water have obvious differences in system time, energy and wavelet, and develop submarine multiple with notch. The signal-to-noise ratio of the original record is low, and a far offset seismic phase (>50 km) is difficult to identify and pick up. The noise combination suppression and processing technology used in this paper are mainly composed of wavelet shaping based on wavelet de-convolution, t-x linear noise suppression based on polynomial interpolation, and seabed multiple suppression using automatic searching. The purification results show the characteristics of the wave group are clear, the signal-to-noise ratio is greatly improved, and the range of recognized seismic phase is larger than that on the conventional records (more 60% on average). OBS data processing steps and processes aiming at the shallow water have been improved in this paper, which will provide reliable basic data for subsequent crustal structural research and better serve the deep crust, oil and gas resources exploration.
Keywords: Ocean Bottom Seismography    Wide-angle seismic data    Noise combination suppression    Shallow water    South Yellow Sea    
0 引言

海底地震仪(Ocean Bottom Seismography,OBS)探测是一种将四分量检波器直接放置在海底,获取从浅部沉积层至深部地幔岩石圈信息的海洋地震探测技术.国外用主动源海底地震仪在海底构造探测(Kodaira et al., 1996; Mjelde et al., 2002)、储层监测(Thompson and Andersen, 2008)及水合物饱和度研究(Mienert et al., 2005)等方面取得了较好的成果.国内OBS主要是应用于大台站间距的海底地壳结构调查,在认识洋-陆壳幔速度结构、岩浆通道及大陆边缘裂变特征等方面取得了丰硕成果(徐辉龙等, 2010; Liu et al., 2015He et al., 2016; Ruan et al., 2016; Lü et al., 2017Wan et al., 2017; Wei et al., 2017; 赵维娜等,2017; Zhao et al., 2018),但在高密度站位的油气及水合物的勘探中OBS应用相对较少,未来将是石油公司的一个重要的发展点(海底节点, Cupich and Cropp, 2017; 于德龙等,2017; 乔永杰等,2018).

国内常规的OBS数据是台站间隔较大、连续记录的共接收点道集数据,震源激发间隔相对OBS站位间隔小得多,有效信号能量较小但高度一致(刘丽华等,2012).在对所获取的OBS数据进一步利用方面,多是做了时钟与位置校正之后,再进行带通滤波(张佳政等,2018),根据所得到的剖面中的反射、折射走时信息,建立速度模型(牛雄伟等, 2014; He et al., 2016; Liu et al., 2018; Fan et al., 2019).由此可见,单站位共接收点剖面上的震相信息是OBS探测中的关键基础信息,其信噪比与分辨率决定着测线下方所要构建的地层结构.OBS在无外动力状态下降落至海底,与海底接触存在不可控性,且海洋环境较为复杂,导致记录中的环境噪声和多次波较多.尤其是在浅水条件下,环境噪声分布不均匀,远高于深水区(刘丽华等,2012王笋等,2019),且浅水环境中海底多次波由于周期相对较短,对一次波的影响更为复杂.对浅海水域中所记录的数据进行环境噪声、海底多次波等的压制及有效震相的增强是浅水OBS数据净化处理的关键.

目前,OBS探测主要关注后续的速度模型及数据处理中的局部问题,缺乏可直接应用于OBS数据干扰组合压制的系统方法,尤其是针对浅水OBS数据.常规OBS数据为单台站观测数据,用现有的压制多道地震数据噪声和多次波的方法(商业软件)来压制OBS中的相关干扰还存在一定的困难,当前研究中,通常是针对OBS数据(共接收点道集)的个别问题做局部处理.赵维娜等(2019)在选定时窗范围内,根据互相关的走时差信息校正相邻道记录并叠加,所得记录中的随机噪声干扰得到有效压制,初至波横向连续性得以改善.宋龙龙等(2019)基于局部层状近似的超级虚折射干涉法,利用远、近道的相干特征,实现了多折射界面的OBS远道折射波的加强,清晰还原了初至波形的起跳位置.张莉等(2016)利用Wiener滤波有效压制了深水区气枪震源的气泡混响,提高了对后续震相的分辨能力.

基于此现状,本文以2016年中、韩合作在南黄海海域联合获取的深地震OBS数据为例,针对浅水区OBS原始资料信噪比低、品质差,海底多次波干扰严重,影响震相识别、速度成像及解释精度等的难题,系统分析数据的特征,重点研究干扰波有效净化的组合方法,以期形成一套有针对性的技术方法与处理过程,更好的服务于地壳深地震及油气资源的探测.

1 数据

2016年,由中韩两国多家单位组成的科研队伍布设了一条东西向的海陆联合深地震测线,横跨南黄海,经过韩国西侧海岛,到达朝鲜半岛.本文所用的数据来源于该测线的海域OBS测线部分(图 1).数据采集过程中,海上SW-NE向(66.64°)实际布设了31个OBS,采样率为250 Hz与100 Hz不等,台站间距13.5 km,回收率100%;采用4支气枪震源,总容量6640 in3(1 in3=0.0000164 m3),子阵深度分别为14 m、8 m、11 m、5 m,震源工作的平均压力为1957 PSI(1 PSI=6.895 kPa).采用双向激发,即震源船由西向东180 m等间距激发(2250炮),到达测线东端后返回、自东向西进行第二次放炮(2252炮,炮间距180 m,与自西向东激发炮点错开90 m),整条测线共完成激发4502炮,废炮率为0.29%,整条测线的折合炮间距为90 m.

图 1 南黄海位置与OBS站位布设情况 Fig. 1 The location of South Yellow Sea and OBS station layout
2 浅海OBS数据特点

将连续记录的多分量OBS原始数据解编成标准SAC格式,按传统常规流程,根据SAC头段信息、导航文件(UKOOA)把数据裁剪为标准SEG-Y,形成共接收点道集(已做传统时钟漂移校正).把单台站OBS数据按炮检距分选排序,对不同采样率的数据统一进行4 ms重采样,滤波、折合(折合速度:6 km·s-1)显示,以垂直Z分量和水听器H分量为例,系统评价数据的品质,发现具有以下特点:

(1) 时差问题

在折合剖面上,两个方向激发得到的数据存在同相轴“断阶”、相邻道震相不连续问题.时间不连续现象主要有两类:(a)大时差:剖面整体延迟几百毫秒到上千毫秒不等,相邻道时差近400 ms(存在于整条测线中的个别站位,时差在剖面中整体出现)(图 2);(b)小时差:相邻道时差10~80 ms(整条测线站位中普遍存在,时差在剖面中整体或局部出现)(图 3).

图 2 (a) c08水听器共接收点记录(含到时差),横坐标“距离”指炮检距,obs站位以西为负、以东为正,折合速度为6 km·s-1;(b)部分数据放大特征;(c)相邻道时差特征;(d)相邻道互相关特征 Fig. 2 (a) Seismic record section of the c08 station (with time lag, hydrophone component). The "distance" of the horizontal coordinate refers to the offset, which is the negative to the west of the OBS and the positive to the east. The reduced velocity is 6 km·s-1. (b) An amplification of partial data; (c) Time difference between adjacent channels; (d) Features of cross-correlation between adjacent channels
图 3 不同站位中的同一位置数据时差特征 (a) c12水听器;(b) c11 Z分量;(c) c10水听器;(d) c10黑色框位置放大图.横坐标代表在速度模型中的位置,①②③各自代表地下同一点在各剖面上的对应位置,折合速度:6 km·s-1. Fig. 3 Time lag at the same point from adjacent OBS stations (a) Seismic record section of the c12 station (hydrophone component). (b) Seismic record section of the c11 station (Z-component). (c) c10 station (hydrophone component). (d) Enlarged view of black frame of the c10 station (hydrophone component). The "distance" of the horizontal coordinate refers to the position in the velocity model. ①②③ represent the three corresponding positions of the same point on each section. The reduced velocity is 6 km·s-1.

对于产生时差的主导因素首先考虑是否是涌浪起伏差异与潮差.由于地震船双向激发,相邻记录道的时间间隔较大,不排除是因不同时段的涌浪起伏与潮流产生高差造成的相邻道的时差.在不同时间、不同放炮方向情况下可按(1)式计算造成的时差Δt

(1)

式中,Δh为涌浪/潮流产生的激发点高差,v为水中地震波传播速度,1500 m·s-1.

如果时差达到10 ms,则浪高或潮差需达15 m.显然,10~80 ms时差,需要15~120 m的浪高与潮差,根据施工现场班报记录,在整个震源激发与数据接收过程中这种海况并不存在,同期所测相邻炮点位置处的水深差不超过2 m.因此,两类时差不应为涌浪或潮流主导引发.另外通过相邻站位对比,发现时差出现范围与数据所处位置也无明显相关性(图 2a).进一步分析后,我们认为:(a)个别台站数据中存在的剖面或道间整体时差(1600 ms,400 ms)是由时钟系统误差引起,这是水下接收系统与震源船之间计时系统误差.此条测线中部分OBS的双向时间偏差(近400 ms)远大于传统意义及由采样偏差(张浩宇等,2019)引发的时钟漂移,在道集上表现为由东向西的数据呈现整体滞后,各个滞后时间在整个台站剖面中保持稳定.(b)台站数据中存在的普遍性时差(10~80 ms)是数据文件内部时间漂移主导引起.在OBS数据采集过程中,如果其实际采样间隔与预设采样间隔出现偏差,即表现为OBS连续记录中出现内部时间漂移.而对此相邻数据文件在SAC中进行拼接时,会自动引入一些新数据点以维持相邻文件的起始时间不变,SAC2Y程序在寻址、裁截的过程中,跨越两个相邻文件时,这一引入会使剖面中相关震相的同相轴发生相对位置的突变,在相邻道中表现出时差.统计表明,预设频率为250 Hz时,国产A、B型OBS内部时间漂移量在40 ms以内;预设频率为100 Hz时,L, S型OBS内部时间漂移量在90 ms以内(张浩宇等,2019).

(2) 单台站记录中的能量差异

未折合OBS单台站的截取记录长度为60 s,最大炮检距约为300 km,记录的地震波振幅随传播路程的增大而衰减.对原始资料进行折合后,剖面呈现浅层振幅强、深层振幅弱的特征,深、浅层能量差异较大,如图 4中所示,白色箭头指示相对浅层(小炮检距)信息,能量较强;黑色箭头指示相对深部(大炮检距)信息,能量较弱.

图 4 深、浅层能量差异(k08水听器) 横坐标指炮检距,obs站位以西为负、以东为正,折合速度:6 km·s-1. Fig. 4 Energy difference between the deep and shallow layers from k08 station (hydrophone component) The "distance" of the horizontal coordinate refers to the offset, which is the negative to the west of the OBS and the positive to the east. The reduced velocity is 6 km·s-1.

(3) 远近道的子波差异

地震波的能量随传播距离增加而衰减,同一传播路径,频率越高衰减越快,地震波在地下介质中传播的过程可看作是一种大地滤波过程.对于地面某一特定位置而言,这滤波作用是一定的,但在OBS探测中,由于震源与接收点之间的距离可以超过100 km,甚至达到300 km.因此近道和远道波的传播路程相差可能达到10倍以上.受大地滤波作用的影响,大的路程差异和频率差异,产生了较大的子波差异,呈现在地震记录中是在频率和波形上存在较大的差异(图 5).

图 5 近、中、远道子波差异(c08水听器) (a)地震记录自相关记录,其中横坐标“距离”指炮检距,obs站位以西为负、以东为正;(b)-(d)近、中、远道数据的频谱,上:振幅谱,下:相位谱. Fig. 5 Wavelet difference among the near-, middle-, and long-offset of c08 station (hydrophone component) (a) Autocorrelation recording of seismic records. The "distance" of the horizontal coordinate refers to the offset, which is the negative to the west of the OBS and the positive to the east. (b)-(d) represent the spectrum from the near-, middle-, and long-offset of c08 station, whose top are the amplitude spectrum and bottom are the phase spectrum.

(4) 海底多次波

海底多次波是地震波在海底和另一界面之间来回的多次震荡.浅海区OBS的海底多次波主要是在海底与海面间来回震荡的多次波,其周期在不同炮检距上是不同的.由于周期相对较短,浅海水域的海底多次波会直接与一次反射/折射波叠合在一起,使得相关波组的特征复杂化.一次波在海底多次波的叠合影响下,来自深部目标层位的地震反射/折射波组经常会出现3~4个强能量的波峰、波谷,且它们之间的能量相当,这给震相识别和解释带来很大难度.原始资料去掉低频干扰后,在剖面上可以观测到相关多次波(图 6a)在频谱上形成的陷波(图 6b, c),陷波频率在15 Hz、30 Hz、…,近周期性出现.

图 6 (a) 包含海底多次波的原始记录(c08水听器), 其中横坐标“距离”指炮检距,obs站位以西为负、以东为正,折合速度为6 km·s-1;(b)-(c)原始数据陷波的频谱特征 Fig. 6 (a) Raw data with multiple waves on the c08 record (hydrophone component). The "distance" of the horizontal coordinate refers to the offset, which is the negative to the west of the OBS and the positive to the east. The reduced velocity is 6 km·s-1. (b)-(c) Characteristics of the notch wave in the frequency spectrum
3 数据的组合净化方法

根据对上述数据特征的分析,经过多期次试验,本文在原有常规处理基础上形成一套有效的组合净化流程(图 7).

图 7 浅海区OBS数据噪声组合压制流程框图 Fig. 7 Flow diagram of noise combination suppression of OBS data in shallow sea

(1) 不同类型时差的校正

在OBS数据文件拼接前将SAC文件头段中的理论采样间隔更改为实际采样间隔,避免时间间隙的出现,以此校正由于采样率变化引起的小时差.对于剖面整体延迟及相邻道近400 ms等稳定的时差类型(图 8a),进行该部分数据的大时差整体校正(夏少红等,2011刘晨光等,2014),校正后若存在小时差(图 8b,方框),则继续进行上述采样率更改校正(图 8c).经过校正,两种类型的震相异常情况被消除,同相轴表现的光滑、连续.

图 8 时差校正前、后的剖面(c08水听器) (a)校正前;(b)大时差整体校正;(c)小时差整体校正.横坐标“距离”指炮检距,obs站位以西为负、以东为正,折合速度为6 km·s-1. Fig. 8 Hydrophone profile before and after time lag correction on the c08 record (a) Before the correction. (b) Overall correction for large time lag. (c) Overall correction for small time lag. The "distance" of the horizontal coordinate refers to the offset, which is the negative to the west of the OBS and the positive to the east. The reduced velocity is 6 km·s-1.

(2) 振幅补偿

消除地震波振幅随旅行路程不同带来的强弱差异,有利于深层反射/折射震相的拾取.本文采用指数增益补偿方法,对其进行能量一致性补偿.指数增益补偿的基本原理为

(2)

式中,A0(t)为输出道在时间t采样点的振幅值,Ai(t)为输入道在时间t采样点的振幅,x为指数增益值(数值可选).

处理中首先对指数增益值x取1.0、1.1、1.2、1.3等进行测试,由图 9a-e可见,随着补偿增益值的增大,中深层振幅能量逐渐变强,补偿增益值为1.0时能量相对均匀.因此,在实际处理中取x=1.0,振幅补偿前、后的折合记录对比显示,补偿后的数据振幅能量均匀变好(图 9f-g).

图 9 指数增益补偿值测试(a)-(e)与最终补偿对比记录(f)-(g)(c07水听器) 横坐标“距离”指炮检距,obs站位以西为负、以东为正,折合速度为6 km·s-1. Fig. 9 Index gain compensation value test (a)-(e) and final compensation comparison record (f)-(g) (hydrophone component of c07 station) The "distance" of the horizontal coordinate refers to the offset, which is the negative to the west of the OBS and the positive to the east. The reduced velocity is 6 km·s-1.

在压制强干扰的基础上进行振幅分析,采用的指数振幅补偿方法使传播路径差异在100 km以上的信号的振幅趋于一致,为有效识别深层震相、扩大震相可识别范围奠定基础.

(3) 子波一致性处理

消除子波的差异是OBS数据净化的一个必要步骤.对共接收点数据可求一个统一的反算子,分别与各道数据褶积,以消除大地滤波作用,实现子波的一致性.

通常,将地震道数据表达为反射系数序列与子波的褶积.

(3)

式中,s(t)为地震反射道数据;r(t)为反射系数序列;b(t)为子波.

在频率域中,(3)式表示为

(4)

式中,S(f),R(f)和B(f)分别为s(t),r(t)和b(t)的傅里叶变换.

BW(f)替换原来的子波B(f),即得到子波处理之后的地震道数据SW(f)

(5)

(6)

式中,B(f)可以是远场子波bs(t)的谱,也可以是从OBS数据中统计得到的子波bw(t)的谱.

为此,本文进行了模拟远场子波反褶积与OBS数据统计得到的子波反褶积的对比:

(a) 模拟的远场子波的反褶积

图 10是模拟的远场子波及其振幅谱,其采样率为1 ms.图 11是经过滤波之后的模拟子波及其频谱.用滤波之后的远场子波对OBS数据反褶积之后的剖面,可以看到,有效波的振幅得到部分增强(图 12b).

图 10 远场子波波形(a)及其振幅谱(b) Fig. 10 Far-field wavelet (a) and its amplitude spectrum (b)
图 11 滤波后的远场子波波形(a)及其振幅谱(b) Fig. 11 The filtered far-field wavelet (a) and its amplitude spectrum (b)
图 12 子波反褶积与噪声压制前、后的记录对比(c07水听器) (a)原始记录;(b)远场子波反褶积结果;(c)-(d)统计子波反褶积结果;(e)噪声压制后结果;(f)噪声压制前、后差异剖面.横坐标“距离”指炮检距,obs站位以西为负、以东为正,折合速度为6 km·s-1. Fig. 12 Comparison before and after wavelet deconvolution and noise suppression on c07 station profile (hydrophone component) (a) Original profile. (b) Data with far-field wavelet deconvolution. (c)-(d) Data with statistical wavelet deconvolution. (e) Data after noise suppression. (f) Differential profile before and after noise suppression. The "distance" of the horizontal coordinate refers to the offset, which is the negative to the west of the OBS and the positive to the east. The reduced velocity is 6 km·s-1.

(b) 统计子波反褶积

采用统计子波进行反褶积的具体步骤如下:①对接收点道集数据进行谱分析;②选取来提取反褶积算子的时窗长度;③提取反褶积算子;④进行反褶积运算.可以看出经过统计子波反褶积后,剖面信噪比明显提高(图 12d),大炮检距的波组突出;自相关函数一致性(图 13)改善,表明子波一致性得到改善;从振幅谱(图 14)可以看出,反褶积前高频成分强,反褶积后高频变弱,与剖面结合分析,高频部分主要是噪声,高频成分被压制后,噪声明显减弱,信噪比提高.

图 13 统计子波反褶积前(a)、后(b)的自相关剖面(c07水听器) Fig. 13 Autocorrelation profiles of c07 station (hydrophone component) before (a) and after (b) statistical wavelet deconvolution
图 14 统计子波反褶积前(a)、后(b)的振幅谱(c07水听器) Fig. 14 Amplitude spectrum of c07 station (hydrophone component) data before (a) and after (b) statistical wavelet deconvolution

综上,采用统计子波反褶积能有效地消除大地传播路径差异造成的OBS数据的子波变化,为正确识别震相提供可靠数据.

(4) 随机与规则噪声压制

OBS地震记录在子波反褶积之后,信噪比有所提高,但仍然存在一些噪声(图 12d).本文采用随机噪声衰减压制RNA方法、t-x域压制线性干扰方法等等进一步降低噪声和干扰.OBS台站记录的道间距较大,为避免假频干扰,在t-x域压制前,先将数据做多项式插值以提高数据密度,对插值后数据做压制处理,最后变换为与原数据一致.图 12d-f是噪声压制前、后的折合记录,以及二者之差的折合记录.可以看出,经此步骤的压制之后,剖面信噪比得到进一步的提高、振幅和子波趋于一致,其中所压制的噪声以线性干扰为主.

(5) 多次波压制

现有的成熟的多次波压制方法,多是建立在短排列、多次覆盖的数据基础之上,其理论基础是在CDP道集内多次波和一次波之间存在速度差异.OBS台站记录是超长排列的单道观测、单次覆盖,因此现有的多次波压制技术在OBS数据海底多次波压制的应用中存在局限性.如现有的预测反褶积技术,其应用条件有:(a)多次波的周期较短,(b)在用于压制多次波的同一数据集(比如同一条测线)中,预测间隔是固定的.由于OBS同一站位的测线长度在100 km以上,不适用于常规商业软件中预测间隔不变的应用条件.其他如基于速度差异的多道叠加、速度滤波、f-k滤波,K-L变换、Radon变换和τ-p变换等方法,需要足够的覆盖次数,不能充分适用于OBS数据的海底多次波压制.

OBS数据的海底多次波大多是在海水中来回震荡产生的多次波,其周期与海底深度、海水速度和炮检距有关,具有周期多变特征.因此,本文采用自动搜索多次波周期的方法,使用预测反褶积压制海底多次波,可以同时根据多个预测间隔搜索不同周期的海底多次波并将其同时压制.该方法的主要优点在于进行反褶积运算所需要的原始数据仅仅是地震道本身,除海水层旅行时间“深度”需已知外,对于包括海水层在内的层状构造的有关参数并无更多要求,因而大大便于运算的具体实现,特别是对复杂海底的条件.该方法采用自相关函数可以识别多次波,并自动确定预测间隔(即多次波周期);子波为最小相位时,用预测反褶积能得到较为理想的压制多次波的结果.通过反复求取不同类型多次波的周期,可以压制地震道数据中多种周期的多次波,最终实现OBS数据海底多次波的自动搜索、自动识别和自动压制.

OBS剖面长、总道数多(超万道)、数据量大、多次波的周期多样,预测反褶积算法计算量要比通常自适应预测反褶积方法大.因此本文运用OpenMP多线程并行计算技术,有效加快计算速度.本文中水听器、垂直分量数据进行了海底多次波压制处理,在不伤害有效信息的前提下,OBS剖面上的海底多次波得到了有效压制,同一波组内的同相轴变得稀疏,震相特征清晰,利于后续震相拾取、追踪和解释.

本文以k03站位的水听器数据为例,详细对比多次波的压制效果.在压制前的记录中(图 15a),有效波和海底多次波的共同影响使得一个目标的地震反射波组呈现出3~4个强能量波峰与波谷,它们之间的能量基本相当,地震波组特征不明显.对图 15a进行海底多次波自动搜索识别和压制后,其结果如图 15b所示,地震波组特征得到明显改善,多个能量相当的波峰、波谷得到压制,突出了主要同相轴的信息和波组特征.将图 15a图 15b相减得到被压制的海底多次波信息(图 15c),可以看出,在压制海底多次波记录的同时,保留了有效信号.为了进一步分析压制效果,分别对海底多次波压制前、后及所压制的数据(图 15a-c)做自相关,结果显示海底多次波压制前的地震数据在150~200 ms范围内存在反映海底多次波的次极值能量(图 16a);而进行了海底多次波压制后,次极值消失,能量集中(图 16b),即海底多次波得到了有效压制;被压制的海底多次波的自相关记录(图 16c)表明,利用自动搜索识别与压制方法去掉的主要是海底多次波.

图 15 多次波压制前后的剖面(k03水听器,位置见图 1b) (a)压制前;(b)压制后;(c)压制前后差异剖面.横坐标“距离”指炮检距,obs站位以西为负、以东为正,折合速度为6 km·s-1. Fig. 15 Hydrophone profiles of k03 station before and after multiple wave suppression. The location of station k03 is shown in Fig. 1b (a) Before multiple wave suppression. (b) After multiple wave suppression. (c) Differential profile before and after multiple wave suppression. The "distance" of the horizontal coordinate refers to the offset, which is the negative to the west of the OBS and the positive to the east. The reduced velocity is 6 km·s-1.
图 16 海底多次波压制前、后的自相关记录(k03水听器) (a)压制前;(b)压制后;(c)差异剖面. Fig. 16 Autocorrelation profiles of k03 station (hydrophone component) (a) Before multiple wave suppression. (b) After multiple wave suppression. (c) Differential profile.

分别选取k03水听器大炮检距和小炮检距处的部分数据,进一步分析多次波的压制效果.图 17所示为海底多次波压制前、后大炮检距处的对比剖面,从图上可以明显看出,压制前红色箭头所指处(图 17a),有多个同相轴顺序排列,这是海底多次波干扰所导致的现象,不明显的波组特征给震相解释与拾取带来极大的困难.对其进行海底多次波压制后(图 17b),箭头所指的波组由多个同相轴变为单同相轴,整个剖面波组特征突出.由此可见,海底多次波自动搜索与压制技术对OBS大炮检距处的数据具有好的应用效果.图 18是小炮检距处数据压制前、后的对比剖面.红色箭头所指的波组在去海底多次波前(图 18a)由3~4个同相轴组成,特征模糊;去除海底多次波以后(图 18b),同相轴变得较为单一,整个剖面震相特征明显.上述对比结果表明,本文中自动搜索识别与压制方法对OBS小炮检距处的数据同样具有好的应用效果.

图 17 海底多次波压制前(a)、后(b)的大炮检距局部放大记录对比(k03水听器) 横坐标“距离”指炮检距,obs站位以西为负、以东为正,折合速度为6 km·s-1. Fig. 17 Enlarged hydrophone profile of k03 station at a far offset before (a) and after (b) multiple wave suppression The "distance" of the horizontal coordinate refers to the offset, which is the negative to the west of the OBS and the positive to the east. The reduced velocity is 6 km·s-1.
图 18 海底多次波压制前(a)、后(b)的小炮检距局部放大记录对比(k03水听器) 横坐标“距离”指炮检距,obs站位以西为负、以东为正,折合速度为6 km·s-1. Fig. 18 Enlarged hydrophone profile of k03 station at a near offset before (a) and after (b) multiple wave suppression The "distance" of the horizontal coordinate refers to the offset, which is the negative to the west of the OBS and the positive to the east. The reduced velocity is 6 km·s-1.
4 噪声组合压制效果

为了定量描述噪声的组合压制效果,本文对反射/折射震相的延续范围进行了统计与分析.

本文组合压制所呈现的剖面与常规处理的剖面(Kim et al., 2019)相比,反射/折射震相清晰、连续,可有效识别的范围大大增加.表 1详细列出了组合净化后的震相有效识别范围,其中最小范围(炮检距)达到90 km(c08站位),最大达到200 km(c07站位,图 19ab),平均范围为135 km.c08站位水听器数据震相识别距离提升最小,约提升2%;c19站位垂直分量数据提升最大,约为252%,整条测线的震相延续范围平均提升为69%.

表 1 常规方法与本次组合净化处理后OBS数据的有效震相距离对比 Table 1 Distance comparison of seismic phase between the profile processed by the conventional method and the one processed by the combined purification treatment method in this paper
图 19 净化处理后的震相对深部构造的良好约束 (a)数据净化前剖面--以c07站位(水听器)为例;(b)数据净化后剖面--以c07站位(水听器)为例;(c)数据净化前剖面--以c15站位(垂直分量)为例;(d)数据净化后剖面--以c15站位(垂直分量)为例;(e)射线分布;(f)震相拟合情况.横坐标“距离”指在速度模型中的位置. PmP-Moho反射震相,净化后清晰的PmP震相良好的约束了速度模型中的A和B位置,c07中PmP控制A、c15中PmP控制B. Fig. 19 Constraints on deep structures after data purification processing (a) Profile before data purification-Hydrophone component of c07 station. (b) Profile after data purification-Hydrophone component of c07 station. (c) Profile before data purification-Z-component of c15 station. (d) Profile after data purification-Z-component of c15 station. (e) Ray distribution. (f) Seismic phase fitting. The x-coordinate "distance" refers to the position in the velocity model. PmP is the reflection from Moho, which well constrains the depth of A and B in the velocity model after purification. PmP controls A in c07 and B in c15, respectively.

综上所述,经不同参数与处理模块测试后,本文针对浅海水域的OBS数据制定了一套组合净化方案.净化处理后,剖面信噪比得到提高,振幅和子波趋于一致,震相特征清晰度大为提升,为后续正确识别反射/折射震相创造了条件,且净化处理后剖面中可识别的震相范围大幅度增加,为地壳深部结构的研究(图 19)提供了基础数据.

5 结论

本文以南黄海OBS2016测线为例,详细分析了浅海水域水听器与垂直分量的数据特征及净化方法,得到以下三点结论:

(1) 浅海水域OBS水听器、垂直分量等不同组数据在系统时间、能量及子波等方面存在明显差异,海底多次波干扰严重、有效频段中陷波问题突出,原始记录信噪比低、品质差,大炮检距处的有效震相难以识别和拾取.

(2) 针对此,研发了一套适用于浅海水域OBS数据的噪声组合压制技术与流程,主要由基于统计子波反褶积的子波整形、基于多项式插值的t-x域线性噪声压制和采用自动搜索的海底多次波压制等三部分组成.

(3) 净化处理之后,OBS反射/折射震相波组特征清晰,信噪比得到有效改善与较大提高,可识别震相的范围较之前常规处理扩大,平均扩大60%以上,为地壳深部结构的认识与构造解释提供了可靠数据.

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