海洋地震勘探主要利用地震波在海底地層巖石中的傳播規(guī)律，來研究海底以下地質(zhì)構(gòu)造，推斷巖體物性，勘查海底資源。地震勘探法是目前海底探查應(yīng)用最廣、成效最高的地球物理技術(shù)。20世紀(jì)以來，海底地震迅速發(fā)展，主要表現(xiàn)在采集系統(tǒng)的高集約化、采集技術(shù)的多樣化、探測技術(shù)的多元化、數(shù)據(jù)處理解釋技術(shù)的飛速發(fā)展。探測維數(shù)也從最初的二維發(fā)展到目前的三維地震探測，甚至?xí)r移探測，即四維地震探測。
一、近海地震測量的應(yīng)用
引起地面震動(dòng)的地震，一般分為天然地震和人工地震兩大類。天然地震是當(dāng)?shù)貙訋r石發(fā)生大規(guī)模斷裂錯(cuò)動(dòng)時(shí)發(fā)生的;人工地震是人們利用人工震源(如引爆炸藥等)激發(fā)產(chǎn)生地震波。與聲波在空氣、水中傳播遇到障礙物會(huì)發(fā)生反射一樣，地震波在地層中遇到性質(zhì)不同的地層介質(zhì)交界面時(shí)也會(huì)發(fā)生反射、折射現(xiàn)象。利用聲波折射和反射原理，對天然地震的震源深度和震中分布的對比，獲得了有關(guān)海底構(gòu)造的重要信息。
淺海的人工地震能夠采用許多陸地上不能使用或難以使用的方法，這是海上人工地震的一大特點(diǎn)。利用人工地震的記錄，進(jìn)行分析研究，反演出有關(guān)地層厚度、界面的幾何形態(tài)、巖層形狀和密度等一系列有用的信息;在結(jié)合海上重力、磁力等觀測數(shù)據(jù)，可推斷出地殼構(gòu)造和礦產(chǎn)資源的分布。隨著海上地震折射技術(shù)的發(fā)展以及高精度反射地層剖面儀的廣泛使用。人工地震已經(jīng)在海洋地殼結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源(石油、天然氣等)的探測等方面取得了巨大的成果。
二、地震測量的分類
地震測量可分為反射式和折射式兩類。由于各巖層地質(zhì)構(gòu)造和物理特性不同，地震波在其中的傳播速度也有明顯差別。隨著巖層深度的增加，巖石愈是緊密，地震波速度也不斷增加。比如，海底沉積巖層為1500～3000m/s，基底巖層為4500～5500m/s，大洋層為6500～7500m/s，上地幔則高達(dá)7800～8400m/s。地震波在巖層中傳播時(shí)，遇到兩種性質(zhì)不同的巖層交界面會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象，這是地震反射測量的基礎(chǔ)。不管是反射式還是折射式地震測量，都是為了提高可測深度，采用的人工震源所激發(fā)的地震波頻率應(yīng)在5～500Hz范圍內(nèi)，分析地震測量的資料能提供有關(guān)淺地層結(jié)構(gòu)的深度及其聲速特征。
⒈ 地震波反射測量
是通過測量地層界面反射信號的到達(dá)時(shí)間來確定海底地層形態(tài)構(gòu)造的。由于地震波頻率很低，其穿透海底的能力很強(qiáng)，因此可探測數(shù)千米的深度。根據(jù)地震波能量穿透的深度，反射式地震測量又分為深反射地震測量和淺反射地震測量。前者主要用于勘探目的，后者與回聲測深儀、側(cè)掃聲納以及淺地層剖面儀一起用于海底調(diào)查。深反射地震又根據(jù)所用的檢波器陣列的特性和所獲得信息的特點(diǎn)分為二維地震測量和三維地震測量。
圖1左為反射式地震測量示意圖，當(dāng)震源與檢波器(又稱接收振子)之間的距離很近，地震波接近垂直入射或者小于臨界入射角θc=sin-1(c1/c2)時(shí)，檢波器接收海底巖層反射回波而進(jìn)行的測量，稱為反射式地震測量。
圖1 地震波的反射與折射
⒉ 地震波反射測量
地震波從一種巖層向另一巖層傳播時(shí)，由于巖層密度不同，也會(huì)產(chǎn)生折射現(xiàn)象。地震折射測量是利用地震波在巖層中折射傳播的特點(diǎn)，來測定海底地殼組成及其構(gòu)造的。在測量過程中，利用了兩艘調(diào)查船完成的，一艘激發(fā)地震波，另一艘接收折射地震波。
隨著震源與檢波器距離的擴(kuò)大，地震波入射角大于等于臨界入射角時(shí)，地震波將沿海底地層進(jìn)行折射傳播，圖1右所示，檢波器接收海底巖層折射回波而進(jìn)行的測量，稱為折射式地震測量。
?、?二維和三維地震測量
地震測量的本質(zhì)是測量由海底地層反射回來的地震波的時(shí)間和波形，沿著一個(gè)剖面獲得二維的海底各界面數(shù)據(jù)，主要用于勘探。三維地震測量可以理解為由一系列平行，相距很近的二維反射地震測量線組成。三維地震測量可以在三維空間中將所收集的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合、分類處理，即可以得到某一方向的二維剖面，又可根據(jù)不同時(shí)間的數(shù)據(jù)融合產(chǎn)生三維立體圖。當(dāng)今，三維地震勘探技術(shù)已經(jīng)使石油和天然氣工業(yè)研究革命化。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在石油和天然氣勘探和開發(fā)的所有階段中大大提高了鉆探成功率。目前，數(shù)字化地震測量、高分辨淺震及其數(shù)據(jù)處理是當(dāng)今三維地震勘探技術(shù)的發(fā)展方向。
三、地震測線的布設(shè)
為了準(zhǔn)確反映勘探海底地質(zhì)構(gòu)造的需求，地震測量一般是按照一定的路線(稱為測線)進(jìn)行的。測線的布設(shè)對于了解地下地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系很大。測線布設(shè)的基本原則：一是測線應(yīng)為直線，二是一般應(yīng)垂直構(gòu)造的走向;目的是更好地反映構(gòu)造形態(tài)。地震測線的布設(shè)方法還要根據(jù)不同勘探目的要求而有所區(qū)別。
①路線普查：路線普查又稱大剖面，一般在勘探準(zhǔn)確程度要求不高，未進(jìn)行過地震測量的區(qū)域進(jìn)行，其任務(wù)是了解區(qū)域性的地質(zhì)構(gòu)造情況，取得進(jìn)一步工作所需要的地震、地質(zhì)條件的資料。布設(shè)測線以重力、磁力測量資料中了解到測區(qū)大地構(gòu)造的初步資料為依據(jù)。測線間隔大小可以根據(jù)測區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造規(guī)模的大小而定，一股在幾十公里或幾百公里左右。
②面積普查：面積普查主要是在有含油氣遠(yuǎn)景的地區(qū)尋找可能的儲(chǔ)油氣帶或其它有價(jià)值礦產(chǎn)的區(qū)域，研究地層的分布規(guī)律，查明大的局部構(gòu)造。一般是在路線普查所發(fā)現(xiàn)的構(gòu)造上進(jìn)行。首先應(yīng)證實(shí)構(gòu)造的存在;然后再進(jìn)一步開展工作。布置測線的要求是：主測線垂直構(gòu)造走向，測線間隔以不漏掉局部構(gòu)造為原則，線間不應(yīng)大于預(yù)測構(gòu)造長軸的一半，并要做一定線路的聯(lián)絡(luò)測線，把主測線連接起來，聯(lián)絡(luò)測線一般垂直于主測線，與主測線形成有一定面積范圍的方格網(wǎng)。
③面積詳查：面積詳查的任務(wù)是在已知構(gòu)造上查明其構(gòu)造特點(diǎn)，提供最有利的含礦物地帶，為鉆探準(zhǔn)備井位。面積詳查是根據(jù)初步查明的構(gòu)造大小和形態(tài)來布設(shè)測線。要求主測線一般要垂直構(gòu)造走向，線距為2～3km。聯(lián)絡(luò)測線垂直于主測線，并與主測線形成多邊形的閉合圈，見圖2，穹窿背斜型構(gòu)造的面積詳查，可利用徑向測線系統(tǒng)，再沿構(gòu)造的周邊用少數(shù)測線連接起來見圖3。
圖2 面積詳查的測線布設(shè)
圖3 背斜構(gòu)造的徑向測線布設(shè)
④構(gòu)造細(xì)測：為了進(jìn)行油田開發(fā)，配合鉆井，有時(shí)要進(jìn)一步將測線距離縮短到幾百米到一公里，進(jìn)行細(xì)測。這時(shí)對勘探精度有比較高的要求，測線的布設(shè)應(yīng)以一個(gè)構(gòu)造或一個(gè)構(gòu)造單元為勘探單位。
四、單道反射地震在淺水條件下的應(yīng)用
?、?系統(tǒng)組成
單道反射地震方法在淺海地質(zhì)勘查領(lǐng)域具有較大的優(yōu)勢，可以為地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查研究、海上基建項(xiàng)目選址、填海及航道疏通工程可行性研究等提供大量重要的地質(zhì)信息，也被用于海底管線、隧道和各種掩埋物等的調(diào)查研究。單道海上反射地震具有配置靈活、操作簡單、高效且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，作為一種基礎(chǔ)物探方法，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。
圖4 反射地震剖面系統(tǒng)的組成和工作原理示意圖
單道海上反射地震系統(tǒng)由船載系統(tǒng)和拖曳系統(tǒng)構(gòu)成。拖曳系統(tǒng)包括換能器、水聽器和電纜構(gòu)成;船載系統(tǒng)包括可控震源、數(shù)據(jù)采集和處理平臺、GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，測深系統(tǒng)等，見圖4。
?、?系統(tǒng)安裝及注意事項(xiàng)
在大區(qū)域、深水條件下，發(fā)射和接收設(shè)備(換能器和水聽器)拖在船尾30～50m，以降低發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳及船載設(shè)備對地震系統(tǒng)造成的音頻干擾。
而在近岸淺水區(qū)域，工程特點(diǎn)一是區(qū)域小，測線往往很短，很多工區(qū)在海灣、避風(fēng)塘等半封閉地區(qū)，發(fā)射和接收設(shè)備不能拖在船后足夠距離;二是水淺，水深大多在2～10m，不利于野外作業(yè)。在上述的環(huán)境不允許按深水區(qū)域的配置進(jìn)行工作，如果縮短后置距離，環(huán)境噪聲必然增加，特別是測量船尾流生成的大量氣泡，容易造成聲波混淆。
圖5 受亳達(dá)波和水底多次反射渣干擾的地震剖面
近岸地層的基巖界面較淺，沉積層相對較薄，地震的測量目標(biāo)區(qū)厚度僅幾米到十幾米，直達(dá)波和水底的多次反射波會(huì)嚴(yán)重影響有用信息的獲取。在水深足夠的情況下，可通過設(shè)置延時(shí)接收參數(shù)。去除直達(dá)波，而且它一般對地層剖面沒有影響。而在淺水條件下，水深可能和收發(fā)距相當(dāng)，故而會(huì)疊加在水底反射界面上，嚴(yán)重時(shí)可能使海床面的辨認(rèn)變得極為困難;多次波的情況更復(fù)雜。海底反射多次波在地震剖面上比較容易判斷，往往是形態(tài)相似，和水深相關(guān)，隨反射次數(shù)的增加，波動(dòng)幅度逐漸加大的一組反射界面。
在淺水條件下需組織設(shè)計(jì)一套壓制直達(dá)波和多次波，提高地震信號信噪比的野外施工方案，并在施工中驗(yàn)證方案的有效性。圖5是受直達(dá)波和水底的多次反射波干擾的典型地震剖面?？稍谙到y(tǒng)裝配設(shè)計(jì)時(shí)，將換能器和水聽器分別放置在測量船兩邊，其好處是船體阻隔了直達(dá)波的大部分能量，使其對剖面的影響程度減弱到允許的范圍，破壞了大部分多次反射波的形成途徑。不利的方面是，由于靠近船身，噪聲加大，而且由于涌浪的推動(dòng)，水聽器經(jīng)常碰觸船體而造成干擾。
改進(jìn)的方案是：①在水聽器的尾部設(shè)一個(gè)支點(diǎn)，防止它在測量船轉(zhuǎn)彎時(shí)碰撞船壁，但又給它一定的自由度，保證正常航行時(shí)整條電纜不會(huì)激起氣泡;②其次，航線設(shè)計(jì)成平行于潮水方向，減弱浪涌的作用;③根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)收發(fā)距和水聽器的吃水深度，進(jìn)一步壓制多次波的作用或避免多次反射界面疊加在真實(shí)地層界面上;④選擇合適的震源能量也可以有效地減弱多次波的作用，由于水淺，不但水底的反射產(chǎn)生多次波，基巖面的反射波同樣在水層中產(chǎn)生多次反射，因此，適當(dāng)降低震源的能量在此類情況下是有益的。
?、?抑制噪聲水平的方法
地震勘查依賴于接收器的信噪比水平，通過壓制噪聲來提高信噪比水平同樣是野外作業(yè)人員的工作重點(diǎn)。噪聲包括空間隨機(jī)信號和相干噪聲。噪聲源主要包括電纜晃動(dòng)產(chǎn)生的水體紊亂、微弱的地震信號、海上交通、生物活動(dòng)等造成的環(huán)境噪聲，以及推進(jìn)馬達(dá)、螺旋槳、發(fā)電機(jī)、通訊設(shè)備產(chǎn)生的音頻噪聲。低于10Hz的背景噪聲主要是微弱地震活動(dòng);10～200Hz主要由船引起;200～1000Hz的噪聲主要考慮海水狀態(tài)以及風(fēng)的影響。
抑制噪聲水平的其它方法如下：
?、偻ㄟ^上述對噪聲的頻譜分析得知，噪聲能量集中的頻率范圍為10～1000Hz，主要來源是發(fā)動(dòng)機(jī)的震動(dòng)和螺旋槳引起的，1000Hz以上頻率的噪聲幅度相對減弱。因此，將水聽器同主要噪聲源之間的距離拉大，可以有效地降低噪聲干擾，如將水聽器放置在遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)的一側(cè)。
②通過改變噪聲源的基頻，將之改變到換能器的能量譜之外，然后通過濾波的方法加以消除，如在船的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)座上安裝避震裝置來降低震動(dòng)頻率。
?、劭赏ㄟ^改變船速來降低螺旋槳產(chǎn)生的噪聲，實(shí)驗(yàn)證明，噪聲水平在船速3～4km時(shí)較低，當(dāng)船速達(dá)到6km時(shí)急劇升高。
④對于電噪聲，如50Hz(或60Hz)基頻及其次生諧波的干擾、尖脈沖等，通過給發(fā)電機(jī)輸出端加裝濾波電感，在震源和接收系統(tǒng)處分別接水線等方法加以壓制，再通過低通濾波進(jìn)一步消除。
五、地震剖面資料的解釋與處理
地震剖面解釋建立在聲阻抗理論的基礎(chǔ)上，換能器以一定的時(shí)間間隔向海底發(fā)射聲脈沖，聲波在遇到聲阻抗特性不同的介質(zhì)時(shí)，在界面上會(huì)產(chǎn)生反射。結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)資料及地質(zhì)取樣數(shù)據(jù)和經(jīng)過數(shù)據(jù)處理的地震剖面來區(qū)分和定義不同類型的地層，就可以確定這些界面的屬性。近海淺水區(qū)域的地層一般為填埋層、沉積層及沖淤積層、基巖層等。
?、?填埋層
在部分區(qū)域有填埋層，和其依附的海相沉積層成分相似，但較松軟，二者之間由于密度不同會(huì)產(chǎn)生相對較強(qiáng)的聲波反射界面，層內(nèi)密度不均，相對應(yīng)的地震剖面多呈雜亂反射圖像。
圖6 某工程區(qū)域?qū)游粚?shí)例
?、?沉積層及沖淤積層
海相沉積層構(gòu)成均一，層內(nèi)密度隨深度逐漸增加，其地震剖面沒有強(qiáng)的雜亂反射。沖淤積層最為顯著，也就是說相對厚度最大，依附于風(fēng)化基巖上，成分主要包括密度和強(qiáng)度隨深度逐漸增加，沖積或淤積的沙、淤泥及粘土，從整條剖面來看，沙層、淤泥層和牯土層具有不連續(xù)性，但在局部的地震剖面上，成分之間的界面可辨。
如圖6所示，DM為傾倒物堆積層;MD為HHF類型沉積物，是在河口灣沉積或海積環(huán)境作用下產(chǎn)生的沉積類;EM為屬于SWF類型沉積物，SWF類型沉積依附在CLKF沉積之上，呈現(xiàn)出被深溝剪切的波動(dòng)表面，由滲入這些溝道沙和粘土構(gòu)成，也歸為海相沉積型沉積;A屬于CLKF類型沉積層，積通常稱作沖淤積層，也可能包括塌積、河口沖積、潮積等。
⒊ 基巖層
風(fēng)化基巖面多呈現(xiàn)弧狀反射，聲波在基巖內(nèi)的傳播速度明顯加快，在信號的時(shí)間-幅度圖中，該層的地震子波周期明顯加大，圖7為地震解釋剖面上顯示的基巖層圖像，圖中的GM即為基巖層。
圖7 地震解釋剖面上顯示的基巖層
?、?各層厚度值的獲取
為了獲取地層的厚度，在界定了各地層的聲波反射界面之后.需要利用地震數(shù)據(jù)處理軟件提供的數(shù)字化功能，將層的時(shí)間數(shù)據(jù)提取出來。這個(gè)時(shí)間為雙程走時(shí)，是聲波從發(fā)射開始，傳播至反射界面再回到接收所經(jīng)歷的時(shí)間。如果知道該介質(zhì)的聲速c、各地層的層速，這個(gè)界面的深度就能根據(jù)公式算出。
六、結(jié)語
單道海上反射地震因其高效、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢，在調(diào)查沉積地層結(jié)構(gòu)、尋找含沙地層以提供建筑用沙、勘測基巖深度以及水下考古、海床下的空洞和隧道探測等近海工程物探領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。合理運(yùn)用抑制多次波和噪聲水平的技術(shù)，選取最佳的數(shù)據(jù)采集參數(shù)，并結(jié)合地質(zhì)資料和鉆孔數(shù)據(jù)，是取得高質(zhì)量地震數(shù)據(jù)以及進(jìn)行正確解釋的基礎(chǔ)和保證。
另外，就地質(zhì)勘探而言，淺海地震測量對研究海底地殼構(gòu)造具有十分重要的作用，也是目前所利用的最為有效的手段和方法。但其探測的精度以及數(shù)據(jù)處理的方法仍有進(jìn)一步的提高和完善的空間，如抗干擾高分辨率地震技術(shù)、多通道數(shù)字化地震技術(shù)等等。(文|溪流 來源|溪流的海洋人生)
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