深水海域油气资源丰富，已成为当前热门的油气勘探领域.深水陡坡带大断层上、下盘地层横向变化大，海底地形地貌也复杂多变，造成了地震波传播速度的横向剧烈变化，使地震波传播的射线路径变得复杂，严重影响了其下伏地层的地震成像，并导致构造形态严重畸变.因此，有必要探索一套有效的地震采集方法，进一步提高深水陡坡带地区地震资料的成像质量.国内针对深水崎岖海底(李绪宣等，2010)、深水坡折带(刘伟等，2006)、深水二、三维地震采集(朱四新等，2010；但志伟等，2011)，开展了一系列基于正演模拟和地震照明分析的采集观测系统优化方面的研究，取得了一定的效果.基于模型的波场正演模拟和地震照明分析是研究和分析复杂构造区地震资料采集影响因素，优化采集观测系统，提高地震资料品质的有效方法.波动方程波场延拓方法应用较为广泛，主要包括单程波方法(刘礼农等，2004)和双程波方法(陈升昌，2007；朱金平等，2011；尹川等，2014)，后者计算精度更高，能够适应复杂构造横向变速的问题，并且考虑散射、多次反射等问题.

本文针对巴布亚海域—巴布亚高地超深水、陡坡带等复杂问题，综合利用地质、地震等资料，建立逼近实际情况的地震地质模型.采用波动方程交错网格有限差分方法进行波场正演模拟，并在此基础上进行不同采集方向和电缆长度的地震照明分析，提出观测系统优化和资料改善处理思路，并对不同观测方式模拟炮集数据进行了克希霍夫叠前深度偏移，为深水陡坡带地震采集设计提供指导性意见.

巴布亚盆地构造上处于澳大利亚板块、太平洋板块与菲律宾板块三大板块交会处，作为澳大利亚板块向北运动的前沿，它记录了第三纪以来澳大利亚板块与太平洋板块、菲律宾板块的碰撞效应，发育成为典型的新生代弧后前陆盆地.盆地整体上可以划分为三个带8个构造单元(图 1)，盆地北部为与活动大陆边缘及弧-陆碰撞相关的活动带，由巴布亚活动带、欧文斯丹莱复杂构造带和米尔尼蛇绿岩带组成；往南过渡为褶皱-冲断带，由巴布亚褶皱带和奥雷褶皱带组成.巴布亚高地位于海上区域，西部紧邻东部高地，北部与莫瑞斯比地槽和米尔尼蛇绿岩带相连.

图 1

Fig. 1

图 1 巴布亚盆地构造单元划分 Fig. 1 Structural Element of Papua Basin

巴布亚高地在区域构造演化上主要经历了 “两张两挤”四个演化阶段，在古生代为东澳的一部分，侏罗纪为被动陆缘断陷沉积，晚白垩世后纳入巴布亚盆地，在中中新统接受前陆沉积.通过与东澳大利亚Laura盆地、Cooper盆地、Bowen盆地以及Sydney盆地结构对比分析表明，巴新海域区块发育典型的三层结构，即古生代发育的裂谷层序、中生代的陆缘断陷层序和新近系以来的前陆层序.

巴布亚高地为低勘探超深水前沿区，水深普遍大于2000 m，只有稀疏的二维地震测网，无钻井.受水深、海况、地貌、高陡断层两侧岩性的横向剧烈变化等因素影响，造成本区深水地震资料多次波发育、速度敏感等特点，导致盆地边缘陡坡带断裂发育区的勘探目的层照明度的显著下降，并使得这些目的层界面成像困难.针对上述野外地震观测系统设计中的问题，我们利用射线追踪和波动方程联合正演模拟进行了分析.

通过对巴布亚高地地震、地质资料的统计(表 1)，结合有限的大洋钻探、东澳盆地等资料，并参考前期二维地震资料，通过反复修改试验，建立起逼近巴布亚高地深水和高陡断裂的概念地震地质模型(图 2).

表 1(Table 1)

表 1 巴布亚高地岩性及速度参数统计 Table 1 Lithology and velocity paprameters of Papua Highland 地层 岩性 纵波波速 密度 上新统 泥岩 1600 m/s 2.1 g/cm3 中新统 泥岩 2000 m/s 2.2 g/cm3 古新统 泥岩 2200 m/s 2.25 g/cm3 上侏罗统 砂岩 3000 m/s 2.30 g/cm3 下侏罗统 砂岩 3500 m/s 2.35 g/cm3 上二叠统 砂岩 4000 m/s 2.40 g/cm3 下二叠统 砂岩 4500 m/s 2.44 g/cm3 基底 变质岩 5000 m/s 2.48 g/cm3

表 1 巴布亚高地岩性及速度参数统计 Table 1 Lithology and velocity paprameters of Papua Highland

图 2

Fig. 2

图 2 巴布亚高地深水陡坡带地震地质模型 Fig. 2 Seismic model of Papua Highland

基于全波场波动方程的数值模拟可以考虑速度和密度的任意变化，其中有限差分法是进行波动方程数值模拟的一种有效方法，具有计算速度快、占用内存小等优点，已经在波动方程数值模拟领域得到了广泛应用.但常规有限差分法通常具有较强的频散现象，计算精度较低. 通过调研对比前人对波动方程及其数值解法的理论研究和应用效果，本区研究采用以交错网格高阶有限差分技术为核心的地震波场正演方法.

地震正演模拟技术是研究地震波传播规律的有效途径，通过正演模拟分析，弄清地震波在复杂地质构造中的传播特征，可以根据不同地区的实际情况，采用更加合理的野外观测系统(如测线方向、排列长度、道距及覆盖次数等)，使用更加合理的处理流程和处理参数，提高地震资料品质，并指导地震资料解释工作.

目前海上地震采集主要采用拖缆单边采集方式.本文结合实际地质情况，分别设计了左边放炮和右边放炮两种采集方式，缆长5 km和8 km两种排列长度，共4种采集观测系统分别进行正演模拟(图 3).其余观测系统参数一致：炮间距：100 m，道间距：50 m.

图 3

Fig. 3

图 3 观测系统示意图 Fig. 3 Observation system schematic diagram

图 4

Fig. 4

图 4 不同观测系统正演模拟全炮数据的克希霍夫叠前深度地震剖面 缆长5000 m：①右侧激发，左侧接收；②左侧激发，右侧接收； 缆长8000 m：③右侧激发，左侧接收；④左侧激发，右侧接收. Fig. 4 Kirchhoff Depth Pre-Stack Migration section of all shots in seismic forward modeling Cable length 5000 m：①right shot,left receiver;②left shot,right receiver;Cable length 8000 m：③right shot,left receiver; ④left shot,right receiver.

为了优化采集观测系统，得到较好的陡坡带成像效果，我们首先利用上述模型正演数据，按照常规地震资料处理流程进行处理，得到4种采集观测方式的克希霍夫叠前深度偏移成像结果(图 5)，在此基础上进行对比分析，优选出最佳的观测方向和排列长度.

图 5

Fig. 5

图 5 震源位于陡坡带上方不同位置的单炮地震照明 Fig. 5 Single shot seismic illumination

从排列方向上而言，比较图 5中①和②，观测方式②在陡坡区(区域B)断面和地层的成像效果明显好于观测方式①陡坡区(区域A)，这就说明左侧激发效果好于右侧激发.从排列长度而言，图 5中③和④成像效果均好于①和②.因此，从模型正演的角度来说，陡坡带断裂附近，采用左侧激发，右侧接收，8000 m排列长度具有较好的采集效果.

在模型波场正演分析的基础上，同时进行地震照明模拟，探索影响不同观测方式采集效果的主要原因.

首先从单炮照明效果的角度分析不同位置激发震源，对陡坡带照明能量的贡献大小.从图 5的单炮照明分布可以看出，对于我们研究的陡坡带，小于40炮和大于120炮的炮点排列基本对陡坡带贡献很小，小于40炮排列的激发点在陡坡带断裂处出现阴影带，且上盘地层的能量分布很不均匀，下盘基本无照明；而大于120炮排列的激发点在陡坡带的地层处都出现了阴影带，断层上盘基本无照明能量.

因此，对于陡坡带而言，照明能量贡献最大的炮点集中在在40~120炮之间但是这个区间不同炮点的照明能量分布很不均匀，对于陡坡带大断层而言，在断裂正上方炮集照明比较强；而陡坡带断层下降盘的地层照明分布极不均匀，且能量相对较弱.所以为了陡坡带断裂及地层更好的成像，应该着重分析这一区域的多炮照明以获取更加丰富的断裂及地层信息.

针对陡坡带大断层及地层成像难的问题，将对陡坡带贡献最大的40~120炮分成陡坡带大断层的左、右两部分，分别为40~69炮和70~120炮，将其部分炮照明能量分别叠加后，如图 6、7所示，陡坡带附近的照明增强很多，但是有所不同的是，图 6中显示陡坡带大断层的上盘和断面位置照明较强，下盘的地层照明就比较弱，且断面左侧还存在阴影区.而图 7中显示大断层的下盘地层照明很强，但是上盘基本无照明.

图 6

Fig. 6

图 6 最佳照明范围多炮照明(40-69炮) Fig. 6 Steep slope left seismic illumination energy statistics(shot40-shot69)

图 7

Fig. 7

图 7 最佳照明范围多炮照明(70-120炮) Fig. 7 Steep slope left seismic illumination energy statistics(shot70-shot120)

由于受到观测系统和深水的影响，在特定观测系统条件下，部分位置还存在阴影区，尤其是对陡坡带大断层的照明，这意味着此种观测系统难以获取该处构造的反射信息，也就意味着对基于这样的地震观测系统采集的反射地震数据进行偏移成像，会出现阴影区域.

为了证最佳照明范围的理论意义，利用从图 5得出的结论，我们优选效果较好的8000 m排列长度的左侧激发，右侧接收观测方式进行克希霍夫叠前深度偏移成像.针对陡坡带大断层区域，分别对陡坡带大断层左侧30炮(40~69炮)和右侧的51炮(70~120炮)进行深度偏移成像，结合图 5中④的全炮数据区域D的深度成像，进行对比分析后，可以看出图 8区域G中大断层及下盘地层已经较好的成像，图 9相同位置的H区域，对于大断层基本没有清晰的成像，而且大断层上盘为空白区域.结合图 6和图 7的多炮地震照明，这就说明在特定观测方式下，大断层左侧炮集对成像贡献更大，更加印证了在最佳照明范围内的炮点激发照明能量的重要性.

图 8

Fig. 8

图 8 最佳照明范围内-陡坡带大断层左侧40-69炮的克希霍夫叠前深度地震剖面 Fig. 8 Kirchhoff Depth Pre-Stack Migration section of steep slope main fault left shots

图 9

Fig. 9

图 9 最佳照明范围内-陡坡带大断层70-120炮的克希霍夫叠前深度地震剖面 Fig. 9 Kirchhoff Depth Pre-Stack Migration section of steep slope main fault right shots

需要说明的是，本文理论试验确定的陡坡带照明能量集中范围在实际野外地震数据采集中应理解为针对某一勘探目标的加密炮范围，具体可通过两种施工方式实现.其一是针对陡坡带照明能量有贡献的炮点加密；其二是在激发试验前提下，在确定的炮点加密范围内增加激发能量，通过提高炮点的激发能量尽可能地提高勘探目标区域的照明能量.

4.1    针对深水区不同区带特点制定不同的采集策略.在巴布亚高地深水缓坡较小区域，由于没有巨厚的地震波吸收层，目前的采集参数基本满足要求；而在深水区陡坡带，由于地层横向变化快，断层位置存在地震照明阴影区，建议加密炮点增加照明能量，采用7000~8000 m缆长，并朝向陡坡带方向采集.在二维不能解决侧面波和断层归位等为题，建议直接上三维或者宽方位三维及全方位三维，并在处理时采用叠前深度偏移，最大限度地陡坡带对地震波场的影响.

4.2    开展增加震源有效能量的特种震源研究.目前，海上地震资料采集普遍采用空气枪平面组合震源，这种震源主要靠增加气枪容量来增加震源能量，但气枪在压力一定的情况下，容量增加到一定程度，震源有效能量并不随容量增加而增加，相反有害的气泡效应却增大.

4.3    目前在深水区正在探索应用斜缆、宽方位角、环形激发等新的采集技术，这些新技术理论上都是增加震源有效下传能量以及向拓宽深层资料频宽从而改善地震资料品质，从多个方向“照亮”以揭示地层面貌，提交的地下构造面貌更为清晰，记录的资料信噪比较高，地震分辨率也得到提高，在成像难的复杂地区(如复杂盐下构造)比较有效.但在实践中，都应针对深水区地质特点优化采集参数与处理流程，才能实现深水区地震资料品质的改善，从而为深水区油气勘探打下坚实的资料基础.

巴布亚高地的超水深因素和陡坡带是决定地震资料采集质量和叠加偏移成像质量的根本原因.笔者认为，基于地震照明的观测系统优化设计，是复杂构造区地震勘探的有效工具，能避免野外地震勘探的盲目性，达到在较小成本投入情况下有小提高地震波对勘探目标的照明强度，从而改善深水陡坡带的成像效果.