天然气水合物是具有巨大能源前景的非传统能源，因其能量高、分布广、规模大和埋藏浅等特点，被公认为是21世纪的重要后续能源.据有关资料显示，全球天然气水合物总量大约相当于已探明传统化石燃料碳总量的两倍，可供人类使用上千年(王淑红等，2005)，而我国仅海域可燃冰的远景资源量就与海域和陆地油气资源量相当.通过发展研究可燃冰，世界许多国家可能实现能源自给，现存的世界能源贸易可能将彻底改变.

青藏高原天然气水合物调查研究在最近十来年才刚刚开始，并做了许多相关的地质工作，部分地质学者的研究成果显示(徐学祖等，1999;张立新等，2001;黄朋等，2002;伊海生等，2002;刘怀山和韩晓丽，2004;陈多福等，2005;吴青柏等，2006;潘豪杰等，2014;卢振权等，2007;库新勃等，2007;坚润堂等，2009；张洪涛和祝有海，2011;李伟华和陈永峤，2011)，青藏高原冻土区具备较好的天然气水合物形成条件，并有可能形成天然气水合物.从2002年开始，祁连山地区开展地质、地球物理、地球化学、模拟等方面调查与研究.2006年，利用煤田钻井在祁连山冻土区开展了补充地质地球化学调查，取得了一定的认识.2008年10月18日，中国第一口陆地永久冻土带天然气水合物科学钻探孔(DK-1)在青海省天峻县木里煤田正式开钻，并首次钻获了人们所期望的天然气水合物样品.2009年5月31日，中国陆地永久冻土带天然气水合物调查评价科学钻探第二孔(DK-2)正式开钻，在孔深144.4 m，再次钻取了天然气水合物样品(如图 1)，为我国进一步开展陆域永久冻土天然气水合物调查评价提供非常有价值的信息，这也使得中国成为加拿大、美国之后，在陆域上通过国家计划钻探发现可燃冰的第三个国家.库新勃等(2007)，祝有海等(2009)对青海祁连山多年冻土区发现天然气水合物可能分布的范围及形成特点做了研究，认为与国外发现的水合物相比，祁连山地区天然气水合物具有埋深浅，冻土层薄，气体组分复杂，以煤层气为主等明显特征，初步分析为一种新型水合物，具有重要的科学意义.张永勤(2010)概述了国外天然气水合物调查研究的进展情况，介绍了我国在天然气水合物调查研究历史，工作过程及目前取得的进展.张旭辉等(2014)对天然气水合物开采方法研究做了一个系统的描述，并针对我国水合物产出层特点提出了机械-热开采方法，为实现我国水合物高效、安全、经济的开采方案的编制提供参考.

图 1

Fig. 1

图 1 钻探施工取出的水合物样品在现场试燃(据 祝有海等，2009)Fig. 1 The hydrate sample of drilling construction try burning at the scene(according Zhu Y H et al., 2009)

根据收集资料显示，本区域的地球物理工作还是比较缺乏，可借鉴的物探资料也比较少.高兴军等(2003)；周越(2010)；郭星旺(2011)；田贵发等(2013)；宁伏龙等(2013)对冻土区天然气水合物储集测井响应特征做了详细的分析及评价.刘彦君等(2007)；张世晖(2011)研究了地球物理技术在冻土区天然气水合物预测中的应用及地震反射特征分析，这给后续的地球物理工作提供了基础.在藏北以及南祁连山地区曾进行过地震勘探，但是，由于施工条件的影响，资料覆盖次数较低，信噪比低，不连续，局部浅层缺失.并且，在本次研究区以及相邻区域内，只有2012年所做的一条长23km的地震剖面记录，且得到了可燃冰的地球物理特征的初步分析结果，具有重大意义.但这并不能够很清晰地描述青海南部的深部结构以及地球物理响应特征.

为了进一步发现有利目标区，2013年对祁连山地区做了四条高精度二维地震勘探剖面，为该区天然气水合物钻探工程部署提供地球物理依据.本文主要介绍本次地震勘探的野外采集技术，地震资料处理关键的静校正技术及剖面对比初步分析. 1 工区概况

工区位于青藏高原腹地，在可可西里盆地与藏北高原之间，研究范围为沱沱河地区，常年覆盖着大面积冻土，属于中低 纬度高海拔冻土.平均海拔在4800 m左右，交通条件较差，大部分道路不能到达测线.工区雨季，草原、草甸区地表表层为极薄的草皮层，下面则为稀泥，机动车极易陷车，地表分布有山体、草甸、沼泽、河道等，很大程度上影响地球物理调查工作(如图 2).资源较匮乏，蔬菜、煤等需格尔木购买，饮用水需火车站购买，医疗条件差，只能简单的救治.

图 2

Fig. 2

图 2 工区环境Fig. 2 The environment of work area

山体区地表出露二叠、三叠系老地层，主要为火山岩，风化严重，岩层破碎，激发、接收条件差，冻土区地表解冻后草皮及其下稀泥2~2.5 m，稀泥下为含砾石的冻土层，激发接收条件较好，但钻井难度较大.据2012年测线资料层析反演速度模型看，工作区山体区表层速度3500 m/s~4500 m/s，冻土区表层速度达到2000 m/s以上，变化较大，整体速度变化趋势与地势和岩层出露基本一致(图 3).

图 3

Fig. 3

图 3 工区表层结构图和山体出露及冻土区典型岩性图Fig. 3 The surface layer structure of work area and The typical lithologic figure of Mountain exposed and thus

工作区从北往南多年冻土区依次存在着三套主要沉积建造类型，如图 4红色框所示，即分布于不冻泉-五道梁地区的以第三系灰白色灰岩为主沉积建造、沱沱河地区 的二叠系黑色含煤系地层为主沉积建造、雁石坪-安多地区的侏罗系海相地层为主沉积建造.其中，在雁石坪-安多地区，侏罗系海相地层主要为一套砂岩夹深灰色(含生物碎屑)灰岩，局部如土门格拉地区还含有一套三叠系煤系地层.在这三套主要沉积建造中，二叠系含煤地层、三叠系含煤地层、侏罗系灰岩是该地区潜在天然气水合物的有利气源生 烃层系.

图 4

Fig. 4

图 4 青海省构造区划略图Fig. 4 The tectonic districts sketch of Qinghai province

黄绪德(1979)，王妙月(1997)在对复杂盆地及山体区复杂的地震地质条件和探测技术问题，比如：各类多次波，侧面波的干扰等，针对这些问题提出了一系列解决的方案.在祁连山地区，宁宏晓等(2011)对于山地地震勘探激发方法做了全面的阐述，并总结出提高激发效果的适用条件，这对这次野外激发参数的选择提供很大的参考价值.2012年在该区也进行了较为系统的试验，对激发参数的认识较成 熟、全面的试验内容为本次设计激发参数提供了试验基础，本次试验工作是在充分借鉴2012年试验资料的基础上进行，其目的为进一步验证所拟定激发参数的合理性及提高勘探资料的分辨率，同时为后续地震勘探激发方面提供有利的依据.

根据工区地表和地下地震地质特点，在构造和地形的不同部位确定试验点3个，试验点S1桩号为8390.5，地形为草原冻土区，地表第四系覆盖；试验点S2桩号为8240.5，地形为草原区和山体交接区，地表第三系覆盖；试验点S3桩号为8090.5，地形为山体区，地表三叠系岩石出露(图 5).并且分别对山体区，冻土区，过渡区做了不同的井深和药量对比分析，试验情况如表 1所示.

图 5

Fig. 5

图 5 试验点位置示意图Fig. 5 The sketch map sites of test point

表 1(Table 1)

表 1 试验情况一览表Table 1 Test cases list 试验点 试验项目 固定参数 试验项目 试验工作量 山体区 井深 6 kg 4 m、5 m、6 m、7 m 4 药量 6 m 1 kg、2 kg、3 kg、4 kg、5 kg、6 kg 6 药量 5 m 3 kg、4 kg、5 kg 3 冻土区 井深 4 kg 3 m、4 m、5 m、6 m、7 m 5 药量 4 m 1 kg、2 kg、3 kg、4 kg、5 kg、6 kg 6 药量 5 m 2 kg、3 kg 2 过渡带 井深 4 kg 3 m、4 m、5 m、6 m、7 m 5 药量 4 m 1 kg、2 kg、3 kg、4 kg、5 kg、6 kg 6 药量 5 m 2 kg、3 kg 2 合计 39炮

表 1 试验情况一览表Table 1 Test cases list

通过冻土区的原始单炮和不同频段分频记录分析，3 m井深面波较强，7 m井深高频段出现假频，从信噪比看3~7 m的资料信噪比在同一数量级上(图 6)，因此井深4~5 m较为合适，综合考虑建议井深采用5 m.从药量对比单炮分析，药量1 kg压制能力差，环境噪音较重，2 kg以上资料品质没有明显的变化，从估算信噪比看，2 kg药量的资料信噪比有优势(图 7).

图 6

Fig. 6

图 6 冻土区试验点(井深对比)—(30~60 Hz)Fig. 6 The test point of permafrost region(well-depth)-(30 to 60 Hz)

图 7

Fig. 7

图 7 冻土区试验点(药量对比)—(30~60 Hz)Fig. 7 The test point of permafrost region(dose)-(30 to 60 Hz)

通过过渡区的原始单炮和分频记录分析，井深对资料影响不明显，3 m资料声波干扰稍强. 资料能量随着药量的增加而增强，6 m井深的资料在能量为转折点(图 8)，因此该区建议井深采用6 m.从原始单炮和分频记录分析，药量2 kg以下压噪能量弱，但目的层3 s以上，药量3 kg~6 kg资料品质相当(图 9)，过大的药量带来安全环保问题，建议该区药量采用3 kg.

图 8

Fig. 8

图 8 过渡区试验点(井深对比)-(30~60 Hz)Fig. 8 The test point of transition region(well-depth)-(30 to 60 Hz)

图 9

Fig. 9

图 9 过渡区试验点(药量对比)—(30~60 Hz)Fig. 9 The test point of transition region(dose)-(30 to 60 Hz)

山体区的原始单炮和分频记录分析，井深对资料影响不明显.从定量分析，资料能量随着药量的增加而增强，估算信噪比5 m井深的资料较好(图 10)，从资料质量和安全角度考虑，该区建议井深采用6 m.从原始单炮和分频记录分析，药量2 kg以下压噪能量弱，药量3 kg~6 kg资料品质相当.定量分析，4 kg资料在能量和信噪比方面有优势(图 11)，因此建议该区药量采用4 kg.

图 10

Fig. 10

图 10 山体区试验点(井深对比)—(30~60 Hz)Fig. 10 The test point of mountain area(well-depth)-(30 to 60 Hz)

图 11

Fig. 11

图 11 山体区试验点(药量对比)—(30~60 Hz)Fig. 11 The test point of mountain area(dose)-(30 to 60 Hz)

通过野外试验资料的系统分析论证，确定本项目激发参数如下：1)在冻土区采用5 m井深，2 kg药量激发；2)在山体区采用6 m井深，4 kg药量激发；3)过渡区根据地表情况采用6 m井深，3 kg药量激发. 4 静校正处理技术研究

地震数据处理中会遇到很多的问题，为了后期的剖面叠加效果，必须提出解决的办法(马在田，1988).而静校正是陆域地震勘探中一直存在的重要问题，它的处理结果好坏直接影响CDP的叠加效果，特别是在构造时差很小的情况，很容易造成构造形态失真，掩盖掉一个低幅度构造及后续地震资料处理解释(查文峰和于小磊，2014).从原理上来说，静校正无非就是分别给每一炮点和检波点一个固定的时间校正量，而这个校正量就是这一炮点或这一检波点所在地表位置地震波在低降速带的旅行时，由此只要知道低降速带的厚度和速度，问题就解决了.事实上在复杂地表地区要想得到真实的静校正量也并非易事，刘伊克等(2001)利用初至走时数据，根据最小平方与QR分解相结合的算法，采用一种计算量与模型复杂程度无关的三维射线追踪方法，并应用于野外资料的处理.林依华等(2003)对于复杂地形的静校正问题提出了一种具有局部收敛速度快，全局搜索能力强的综合寻优反演方法，并在实际运用中取得了很好的效果.王式玲和徐中英(1965)，刘振宽等(1995)，井西利等(2002)，杨锴等(2007)，李彦鹏等(2012)，张正峰等(2013)对静校正的全局优化问题的求解，转换波静校正等方面展开了系统的研究，提出了一系列的措施，且在实际资料中得到良好的应用效果.根据前人的研究，且此次地震资料采集工区位于祁连山地区，地形复杂，起伏较大，静校正问题尤为突出，因此解决好静校正问题是关键.所以，作者对工区资料作了高程静校正，折射静校正，层析反演静校正进行对比分析，以找到合适本研究区的静校正方法.

为了更好的提取正确的静校正量，首先对原始记录的波场做了简要的分析(如图 12)所示，并且对初至时拾取也要准确，这样才能确保静校正处理的准确性.

图 12

Fig. 12

图 12 原始记录的波场分析Fig. 12 The wave field analysis of original records

高程静校正(林伯香等，2006)它不考虑低速带，仅对物理点与基准面的高程进行校正.其优点是计算效率高，较好地解决长波长静校正问题.缺点则是适应条件有限，解决短波长静校正问题有限.校正方法是直接在其间 填充上速度为υ_c的介质，即

该方法是基于层状地表的模型反演，利用生产记录的折射初至信息计算静校正量，既可以计算基准面静校正，也可以计算剩余静校正(于豪，2012).其远离都是基于基本折射方程，即

它的优点是利用大量的折射初至信息，对每一个炮点或检波点进行多次覆盖，具有较好的统计性，避免了插值引起的误差.该方法要求有一个平稳光滑的低降速带底界，且须追踪同一折射层.这种方法不受静校正量大小的限制，同时能解决长短波长静校正问题.它的致命缺点就是初至拾取困难，因需要做折射波静校正的地震测线往往地表比较复杂，得不到较好的折射初至. 4.3 层析反演法

一种非线性模型反演技术，以地震记录的初至信息(包括直达波、折射波、回转波等)作为反演的目标，由于直达波主要体现了均匀介质模型"回转波主要体现了连续介质模型"而折射波主要体现了层状介质模型"通过三者的组合以及层析法对介质横向变化的适应性"经反复迭代，根据正演初至时间的误差，修正速度模型，最终达到要求的误差精度.求取静校正时采用射线法计算炮点到检波点的旅行时，从而得到基准面校正量(韩晓丽等，2008).冯世民(2012)分析了层析静校正在地震资料处理中的应用和其应用效果，表明应这种方法优点是：反演出较可靠的表层速度模型；射线追踪的地震波传播路径与实际相符；可根据速度模型确定可靠的低降速带底的高程.于豪(2012)对折射静校正和层析静校正适用性做了详的分析，并且在低山体区和黄土去做了实际资料的对比.完整的层析速度算法包括以下几个步骤：大炮初至拾取，成像域参数化，射线追踪和分割，剩余时间(误差)计算，更新速度、减小误差.层析反演流程如图 13所示.

图 13

Fig. 13

图 13 层析反演流程Fig. 13 The process of tomographic inversion

本次勘探四条线都做了上述三种方法的对比研究，鉴于篇幅，在此文中，作者对其中一条测线QLS2013-1的静校正进行分析.

通过以上(图 14~图 16)的分析，结合工区的地表起伏变换，地质条件，认为适用层析反演的条件：1)首先工区近地表结构复杂，低降速带速度横向变化大.2)单炮记录有比较清晰的大炮初至，良好的初至是保证静校正计算正确的前提.3)最好有工区低降速带的相关资料(小折射或微测井资料).从图 18中单炮记录的三种静校正对比来看，本工区采用折射静校正较为实用.

图 14

Fig. 14

图 14 QLS2013-1折射静校正处理Fig. 14 QLS2013-1 refraction static correction procssing

图 15

Fig. 15

图 15 QLS2013-1层析静校正处理Fig. 15 QLS2013-1 tomographic static correction processing

图 16

Fig. 16

图 16 QLS2013-1静校正量对比Fig. 16 QLS2013-1 statics contrast

通过资料处理叠加剖面对比看(如图 19所示)，本次整体成像效果较以往有大幅度的提高，尤其0.5 s以上的浅层能量得以加强，并且有很清晰的反射，更好划定冻土层的厚度.1 s以上的地震记录有所改善，反射连续，资料信噪比增强，复杂山体区断裂系统刻画的更为明显，1 s到2 s之间反射特征明显，反射波组比较连续，更好地对深部结构进行勾勒.由此确定高覆盖的观测系统对该区提升资料成像效果有明显优势，阶梯性地设计药量，使得整体资料能量均衡，进一步保证了资料成像效果.

图 17

Fig. 17

图 17 QLS2013-1(1147)三种静校正对比Fig. 17 QLS2013-1(1147)The three static contrast

图 18

Fig. 18

图 18 2012年叠加剖面与QLS2013-1叠加剖面对比Fig. 18 The profile of 2012 and the profile of QLS2013-1

通过以上采集方法试验研究及叠加剖面对比分析，作者取得如下认识：

1 )在地形起伏较大、气候变化较大等高原地区进行地震探测时，野外数据采集利用小道距、小炮距、高覆盖观测系统，在提高资料成像效果方面初显优势.

2)根据地表和地下实际情况，阶梯型设计药量，保证整个面上单炮资料能量的均衡，为后续叠前时间偏移处理提供良好的数据基础.

3 )山体区及过渡区适当的增加药量，提高远偏移距能量，进一步提高复杂地段资料信噪比.

4)在静校正方面，充分利用小道距优势，初至时拾取准确，优化静校正量，从而提高资料成像效果.