琼东南海域OBS纵波资料成像处理关键技术

徐云霞, 文鹏飞, 张宝金, 李福元

徐云霞, 文鹏飞, 张宝金, 李福元. 琼东南海域OBS纵波资料成像处理关键技术[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2018, 38(5): 185-192. DOI: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.05.018
引用本文: 徐云霞, 文鹏飞, 张宝金, 李福元. 琼东南海域OBS纵波资料成像处理关键技术[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2018, 38(5): 185-192. DOI: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.05.018
XU Yunxia, WEN Pengfei, ZHANG Baojin, LI Fuyuan. The key technique of OBS p-wave imaging processing in Qiongdongnan area[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2018, 38(5): 185-192. DOI: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.05.018
Citation: XU Yunxia, WEN Pengfei, ZHANG Baojin, LI Fuyuan. The key technique of OBS p-wave imaging processing in Qiongdongnan area[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2018, 38(5): 185-192. DOI: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2018.05.018

琼东南海域OBS纵波资料成像处理关键技术

基金项目: 

国家水合物专项项目 DD20160211

详细信息
    作者简介:

    徐云霞(1985-),女,高级工程师,硕士, 主要从事海洋地震资料处理及OBS资料处理工作,E-mail:xuyx2013@126.com

  • 中图分类号: P613.4

The key technique of OBS p-wave imaging processing in Qiongdongnan area

  • 摘要: OBS采集具有站点少、站点间距大, 同时包含纵、横波信息的特点,因此, 对OBS进行成像处理相对常规海洋地震资料处理而言具有更多的挑战。本文主要针对OBS纵波资料处理中几个关键处理技术:(1)利用直达波进行重定位处理获得准确的OBS位置,为OBS资料正确成像打下坚实基础;(2)利用水、陆检数据标定获得频率、振幅、相位一致的水检、陆检数据,并进行水、陆检合并处理;(3)通过波场分离有效地分离出上行波场和下行波场数据, 利用具有更宽照明范围的OBS下行波场数据进行镜像偏移处理等。最终可获得海底及海底以下成像分辨率高、构造成像清晰、偏移归位准确的OBS纵波剖面数据。该成像数据频带宽,具有丰富的低、中、高频信息,能为后续的水合物无井岩性处理提供具有丰富频率信息的地震叠加资料。
    Abstract: The OBS data acquisition has the advantages of less receiver and longer distance between receivers and thus may receive both the press wave and shear wave at the same time. As far as imaging processing is concerned, OBS faces more challenges comparing to the conventional seismic data processing. This article focuses on the OBS p-wave data processing as follows. 1. Direct wave is used for OBS reposition to ensure the correctness of location and to lay a solid foundation for correct OBS imaging; 2. P component and z component are used for demarcating to make the two component data consistent on frequency, amplitude and phase for merging processing; 3. through the analysis of wave field to effectively separate upgoing and downgoing wave field data and use the wider range of imaging's downgoing data to do the mirror migration. Finally we can obtain OBS p-wave profiles with clear sea bottom imaging, high resolution imaging below the sea bottom, and more accurate images in migration position. The final section has wide frequency band, rich frequency information, and can provide a lithological interpretation of a hydrate layer without well with rich frequency information of stacked seismic data.
  • 海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer,简称OBS)是一种将检波器直接放置于海底的地震观测系统,可接收多达4个通道的传感器输入,1个相互垂直的三分量地震检波器(陆检)和1个水中地震检波器(水检),能接收到2个水平分量X和Y、1个垂直分量Z和压力分量P共4个分量的地震数据,因此,不仅能记录纵波信息,也能记录转换横波信息。研究表明,在海洋地震地球物理调查中,可以利用OBS研究海底至莫霍面的速度与深度结构,揭示海区盆地及海洋板块俯冲带等深部特征,还可以研究深水油气、天然气水合物等浅部地质特征。目前在我国南海已布设多条OBS测线,对该类OBS数据,目前还没有涉及到共中心点叠加、偏移等方法,取而代之的是一些常规地震数据处理中的滤波、反褶积、增益、傅里叶变换、频谱分析等方法,辅以天然地震层析成像技术,反演出速度结构,进行震相拾取[1-6],或进行速度结构分析[7, 8]用于研究海区深部结构。

    广州海洋地质调查局将OBS应用于天然气水合物调查中。天然气水合物是由水合甲烷分子以氢键联系并在合适的低温高压条件下形成的冰状晶体,广泛分布于世界海域的大陆斜坡及陆地的永久冻土带区域,其存在对于全球未来能源和环境的影响意义重大[9]。在南海琼东南海域,曾布设多条二维测线对该海域的水合物进行调查,琼东南海域是在加里东、燕山期褶皱基底上形成的新生代含油气盆地,新生代沉积地层厚度大,中中新世至晚中新世时期,该海域构造活动强烈,形成一系列北东向断层。该盆地古近系断裂构造发育,特别在凹陷内部,众多的基底主断裂的分支断层及斜坡带的调节型断层使凹陷结构复杂化。除断裂构造外,该区域内大量发育气晕,部分气晕与似海底反射(Bottom Simulating Reflections,简称BSR)伴生,BSR或集中发育于气晕上部,或位于气晕发育区的构造高部位。常规的地震资料分析已经对该海域的可能水合物富集区域进行详细研究。但是仅通过单一的纵波资料对可能的水合物富集区域做详细研究会受到一定限制,辅以横波资料,则可以更精细的识别小断层等,利用在气晕发育区,纵波能量弱而横波不受影响的原理研究水合物的运移通道;利用多波提供各向异性研究,提供更多的物性参数而对水合物可能的富集区域进行更详细地研究。

    结合水合物主要赋存于海底以下几百米范围内这一特征,本文对OBS处理突破常规处理的思路, 进行偏移成像处理。以2013年广州海洋地质调查局开展的27台OBS资料作为实例,介绍OBS资料纵波叠前偏移成像处理的关键技术。

    OBS资料采集采用海面放炮海底接收的形式。2013年广州海洋地质调查局在琼东南海域开展OBS资料采集工作,激发震源为GI枪,容量为620cm3,工作压力为2000psi,震源间隔为12.5m采用双源放炮。野外采集共投放30个OBS,实际回收27个。该工区地形相对平坦,水深大于1300m,相对平坦的海底地形有利于OBS静止于海底后的稳定性,OBS投放间隔为400m,图 1为OBS采集的测线位置及OBS布设位置,设计采集测线7条,OBS投放线左右各3条,线间距为50m。每放一炮,OBS均可记录一道信息,每一个OBS均可记录整个工区的7条测线,就该工区而言,每一条测线,OBS记录的偏移距最大达15000m。

    图  1  OBS采集测线及OBS布设位置
    Figure  1.  OBS line and position

    OBS的采集接收方式与常规拖缆完全不同(图 2)。因此, 对OBS数据成像的处理思路与已具有成熟处理技术的常规拖缆地震资料完全不同。OBS数据同时具有纵波和转换横波信息,如图 2所示,为OBS22记录的一条测线的P、X、Y、Z 4个分量的原始数据,其中P、Z分量主要记录纵波信息,X、Y分量主要记录横波信息。其中纵横波均需要处理的为:(1)OBS位置的重新定位;(2)OBS方位的重新定义。对纵波需做的主要处理为:(1)水陆检数据匹配以及最终分离出上、下行波场;(2)常规噪音的衰减;(3)振幅补偿;(4)对下行波进行镜像偏移,获得海底及以下结构清晰的纵波成像资料。对于转换横波而言,主要涉及:(1)将重定向后水平分量X、Y记录旋转到径向R方向和切向T方向,使得转换横波能量主要集中在R方向;(2)转换横波速度扫描;(3)转换横波叠前时间偏移等。图 3为OBS资料的处理流程。本文着重于OBS纵波处理的关键技术讨论。

    图  2  OBS22记录的原始4分量数据
    a:P分量b:Z分量c:X分量d:Y分量
    Figure  2.  The original 4-component data of OBS22
    a:P-component; b:Z-component; c: X-component; d:Y-component
    图  3  OBS资料成像处理流程
    Figure  3.  The imagine processing flow chart of OBS data

    观测系统定义正确与否直接影响资料处理结果的正确性,OBS的观测系统定义需要炮点坐标、OBS的坐标及对应的水深值。炮点坐标可以通过导航数据正确获得,而OBS坐标却无法通过导航获得,主要原因在于:在OBS资料采集过程中,OBS的投放有一个预设位置,其投放方式为:将OBS放到预设的测线位置上,首先利用钢缆把OBS放到200m左右的水深位置,然后脱开钢缆让其自由下沉,在自由下沉过程中受水流、海底地形等的影响,真实的投放位置通常会偏离设计投放的位置。初始的位置可以根据GPS准确定位得到,但投放后,检波器在水下无法接收GPS信号,无法进行定位,如需正确获得OBS在水下的位置,就需要运用采集的数据信息对水下的OBS位置进行计算,即进行重新定位处理。重定位处理是通常运用P分量的近偏移距直达波资料进行重定位计算[10, 11],其主要原理为:利用OBS数据中的直达波和测深得到的水深值进行旅行时反演得到OBS的位置。

    $$ \left\{\begin{array}{l}{\sqrt{\left(x-x_{0}\right)^{2}+\left(y-y_{0}\right)^{2}+\left(h-h_{0}\right)^{2}}=t_{0} v} \\ {\sqrt{\left(x-x_{1}\right)^{2}+\left(y-y_{1}\right)^{2}+\left(h-h_{0}\right)^{2}}=t_{1} v} \\ {\sqrt{\left(x-x_{2}\right)^{2}+\left(y-y_{2}\right)^{2}+\left(h-h_{0}\right)^{2}}=t_{2} v} \\ {\sqrt{\left(x-x_{3}\right)^{2}+\left(y-y_{3}\right)^{2}+\left(h-h_{0}\right)^{2}}=t_{3} v} \\ {\sqrt{\left(x-x_{4}\right)^{2}+\left(y-y_{4}\right)^{2}+\left(h-h_{0}\right)^{2}}=t_{4} v}\end{array}\right. $$ (1)
    $$ \begin{gathered} \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&{ - 2{x_0}}&{ - 2{y_0}}&{ - 2{h_0}} \\ 1&{ - 2{x_1}}&{ - 2{y_1}}&{ - 2{h_0}} \\ 1&{ - 2{x_2}}&{ - 2{y_2}}&{ - 2{h_0}} \\ 1&{ - 2{x_3}}&{ - 2{y_3}}&{ - 2{h_0}} \\ 1&{ - 2{x_4}}&{ - 2{y_4}}&{ - 2{h_0}} \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{x^2} + {y^2} + {h^2}} \\ x \\ y \\ h \end{array}} \right]{\text{ = }} \hfill \\ \left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {{{\left( {{t_0}v} \right)}^2} - h_0^2 - x_0^2 - y_0^2} \\ {{{\left( {{t_1}v} \right)}^2} - h_1^2 - x_1^2 - y_1^2} \\ {{{\left( {{t_2}v} \right)}^2} - h_0^2 - x_2^2 - y_2^2} \\ {{{\left( {{t_3}v} \right)}^2} - h_0^2 - x_3^2 - y_3^2} \\ {{{\left( {{t_4}v} \right)}^2} - h_0^2 - x_4^2 - y_4^2} \end{array}} \right] \hfill \\ \end{gathered} $$ (2)

    公式(1)中(xi, yi, h0)为炮点坐标, i=0, 1, 2, 3...为炮点;ti为炮点到OBS接收点时间,i=0, 1, 2, 3...可通过直达波旅行时得到;v为纵波水速;(x, y, h)为待求的OBS接收点坐标。将其平方简化得公式(2)利用最小二乘法,从而求得OBS接收点位置。理论上根据3点即可确定一个坐标,但实际处理中,为了获得更多的方位信息,选取尽可能多的坐标进行重定位计算。

    将定位结果直达波用水速进行线性动校正,根据动校正效果确定OBS位置是否准确:如OBS位置正确,则不同偏移距的直达波经过线性动校正以后会被校正在同一水平位置。图 4为OBS22重定位前、后直达波线性动校正效果图,为了更清晰地为动校正效果进行质控,人为地将动校正结果控制在200ms处,图 4a为重定位前OBS直达波线性动校正效果图,重定位前由于OBS位置不准确,动校正效果起伏不平;图 4b为重定位后OBS直达波线性动校正效果图,重定位以后,获得了正确的OBS位置,直达波被线性动校正在同一水平上。图 5为将OBS的漂移量进行统计,发现本次OBS采集OBS的最大漂移量为214.9m,最小漂移量为98.1m,漂移量相对较大,通过重新定位处理,获得了OBS的正确位置,保证了观测系统定义的正确性,为后续OBS的继续处理奠定了坚实的基础。

    图  4  OBS22重定位前(a)后(b)直达波线性动校正对比
    Figure  4.  Comparison of LMO before (a) and after (b) reposition of OBS22
    图  5  重定位前后OBS漂移量
    (最大漂移量:214.9m;最小漂移量:98.1m)
    Figure  5.  The distance between before and after reposition
    (the max is:214.9m, the min distance:98.1m)

    OBS资料中水检(压力检波器即P分量)和陆检(速度检波器即Z分量)对上、下行波具有不同的响应特征。当地震波从地层传播到海底或者从海面传播到海底后即刻反射的信号称为上行波,包括一次有效波和微曲多次波;当地震波从海面传播到海底,没有即刻反射则为下行波,主要指鬼波。水检和陆检对于上行波而言,响应相同;对于下行波而言,响应相反。通过水、陆检数据合并可有效地分离上行波、下行波波场。但由于两种检波器记录完全不同的物理参数、仪器敏感度不同、与海底的耦合特性不同,因此, 两种信号的振幅和相位特性完全不同,不能直接进行合并处理,在合并之前需要进行匹配处理[12-16]

    实际处理中,将陆检数据标定到相应的水检数据,使得两检波器数据拥有较为一致的振幅、相位特性。

    $$ B_{i, j}=\alpha W_{H G}^{i} G_{i, j} $$ (3)

    其中Bi, j为标定结果;Gi, j为陆检数据;Hi, j为水检数据;i为时窗参数道的顺序号;j为时窗内样点号;α为标定因子;WHGi为水检、陆检数据的均方根振幅比。

    $$ W_{H G}^{i}=\frac{\sqrt{\sum\limits_{j=1}^{n} H_{i, j}^{2}}}{\sqrt{\sum\limits_{j=1}^{N} G_{i, j}^{2}}} $$ (4)

    图 6为匹配前后水陆检数据对比图及频谱图,(a)为P分量数据; (b)为未经匹配的Z分量数据; (c)为匹配以后的Z分量; (d)为三分量数据的频带对比图。由对比可知,未经匹配的水、陆检数据能量、相位和频带范围都不一致;Z分量明显缺失低频数据能量弱于P分量。经过匹配处理,两分量在振幅、相位以及频带趋于一致,匹配取得良好结果。

    图  6  OBS22 P分量(a); Z分量(b); 标定后的Z分量(c); 频带对比图(d)
    Figure  6.  The P-component (a); Z-component(b); demarcate Z-component(c); Amplitude figure(d)

    由于检波器放置于海底、节点非常稀疏,成像区域非常有限,因此, 上行波场信号不包括海底信息,不能进行海底成像;而下行波场相对而言能够对海底进行良好地成像、具有更宽的海底以下成像范围(图 7)。对水、陆检合并重点分离出下行波场[17]

    图  7  上(a)、下(b)行波成像范围示意图
    Figure  7.  The sketch map showing the upgoing (a) and downgoing (b) wave imagine areas
    $$ D_{i, j}=H_{i, j}-K B_{i, j} $$ (5)
    $$ K=(1+R) /(1-R) $$ (6)

    其中Di, j为下行波场数据;Bi, j为标定后的陆检数据;R为海底反射系数。

    图 8c为最终获得的下行波场,下行波场中,一次反射波和微曲多次波得到有效衰减,剩余能量主要为鬼波。

    图  8  OBS22 P分量(a); 标定的Z分量(b); 下行波(c)
    Figure  8.  The p- component(a); demarcate Z-component(b); downgoing wave data(c) of OBS22

    由于OBS成本昂贵,且OBS节点投放需要耗费大量时间,因此, 通常投放较为稀疏的OBS节点,稀疏节点导致照明范围受到限制。单个节点能够照明的区域有限,对于深度小于检波点间隔的区域尤其是离海底较近的反射层无法进行成像,如果其中一个节点数据无法回收,那么节点附近的区域都无法成像,照明范围更窄。针对该问题,对OBS数据进行镜像偏移成像。

    镜像偏移是将下行波数据进行偏移成像的技术, 结合水深,真实的反应海底以下成像情况:假设海水深度为d,接收点的位置为(xr, yr, zr),对应记录为sr(t),则其镜像接收点的位置为(xr, yr, zr-d),其对应的记录为-sr(t)[18],将镜像记录进行叠前偏移则得出最终结果。

    全偏移距的OBS下行波数据最大偏移距达15000m,为了消除折射波对成像的影响,进行镜像偏移时主要利用近、中偏移距的反射波进行成像,本工区所用到的偏移距为小于或等于4000m。图 9a为对OBS下行波进行镜像偏移成像的叠加剖面,图 9b为对OBS上行波进行偏移成像的叠加剖面。对下行波进行镜像偏移成像后获得了偏移归位准确,海底成像清晰,构造特征清楚,层间信息丰富的偏移成像剖面。图 10为镜像偏移剖面对应的频谱分析图,以-20dB为分析依据得出剖面的有效频带宽度为1~135Hz,具有非常丰富的低、中、高频信息,相对常规仅具单一P波资料的海洋拖缆地震数据而言拥有更多的低频优势,能为后续研究水合物的无井特殊处理提供更多频率信息的地震剖面。

    图  9  OBS镜像偏移叠加剖面(a)与偏移叠加剖面(b)对比图
    Figure  9.  The stack section (a) and mirror migration stack (b) section of OBS
    图  10  镜像偏移叠加频谱
    Figure  10.  The spectram of migration section

    (1) 本次数据处理,克服了OBS数据处理的困难,突破了目前主要仅针对OBS进行层析成像不做偏移成像处理的思路,运用与常规拖缆数据完全不同的处理方法对顺利回收的27个OBS进行了镜像偏移成像处理:利用OBS的P分量直达波数据实现OBS节点的重定位处理,获得正确的OBS位置,保证观测系统的正确定义;利用标定方法实现P、Z分量匹配,获得振幅、频率匹配良好的分量数据,实现波场分离;利用具有更宽照明范围的OBS下行波数据进行镜像偏移处理;最终成功获得海底成像清晰,海底以下层间信息丰富、分辨率高,构造特征清晰的纵波成像剖面。且剖面有效频带宽,具有丰富的低频信息,能为水合物无井特殊处理提供具有丰富频率信息的地震剖面;

    (2) 目前我们对OBS资料的成像处理也处于摸索阶段,对成像处理的研究也主要集中在几个关键的处理步骤,但实际上其余各个步骤均对OBS成像也具有重要影响,比如此次对OBS速度分析时采用常规的速度分析方法,但是实际上OBS的炮点和检波点均不在同一水平面上,如何对OBS纵波资料进行更细致的速度分析需要以后继续深入研究;

    (3) OBS转换横波是OBS具备的极大优势之一,如何有效地进行OBS资料的SV和SH波的分离,如何获得有效的转换横波速度场,如何对转换横波进行偏移成像处理,也需要进一步探索研究。

  • 图  1   OBS采集测线及OBS布设位置

    Figure  1.   OBS line and position

    图  2   OBS22记录的原始4分量数据

    a:P分量b:Z分量c:X分量d:Y分量

    Figure  2.   The original 4-component data of OBS22

    a:P-component; b:Z-component; c: X-component; d:Y-component

    图  3   OBS资料成像处理流程

    Figure  3.   The imagine processing flow chart of OBS data

    图  4   OBS22重定位前(a)后(b)直达波线性动校正对比

    Figure  4.   Comparison of LMO before (a) and after (b) reposition of OBS22

    图  5   重定位前后OBS漂移量

    (最大漂移量:214.9m;最小漂移量:98.1m)

    Figure  5.   The distance between before and after reposition

    (the max is:214.9m, the min distance:98.1m)

    图  6   OBS22 P分量(a); Z分量(b); 标定后的Z分量(c); 频带对比图(d)

    Figure  6.   The P-component (a); Z-component(b); demarcate Z-component(c); Amplitude figure(d)

    图  7   上(a)、下(b)行波成像范围示意图

    Figure  7.   The sketch map showing the upgoing (a) and downgoing (b) wave imagine areas

    图  8   OBS22 P分量(a); 标定的Z分量(b); 下行波(c)

    Figure  8.   The p- component(a); demarcate Z-component(b); downgoing wave data(c) of OBS22

    图  9   OBS镜像偏移叠加剖面(a)与偏移叠加剖面(b)对比图

    Figure  9.   The stack section (a) and mirror migration stack (b) section of OBS

    图  10   镜像偏移叠加频谱

    Figure  10.   The spectram of migration section

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出版历程
  • 收稿日期:  2016-10-25
  • 修回日期:  2016-12-22
  • 刊出日期:  2018-10-27

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