摘 要

摘　要：海底高頻地震儀(HF-OBS)可獲得含天然氣水合物(以下簡稱水合物)層的縱橫波速度、波阻抗等多種有效地震反射信息，對準(zhǔn)確估算水合物的資源量具有重要意義。根據(jù)我國南海北

摘　要：海底高頻地震儀(HF-OBS)可獲得含天然氣水合物(以下簡稱水合物)層的縱橫波速度、波阻抗等多種有效地震反射信息，對準(zhǔn)確估算水合物的資源量具有重要意義。根據(jù)我國南海北部海底水合物HF-OBS勘探實(shí)例，基于射線追蹤法、雙聚焦法、波動(dòng)方程的正演模擬法3種方法，對HF-OBS觀測系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并利用縱橫波聯(lián)合走時(shí)反演獲得了該區(qū)含水合物層的縱橫波速度關(guān)系。結(jié)論認(rèn)為：①采用射線追蹤法模擬目的層射線分布和疊加次數(shù)，同時(shí)結(jié)合波動(dòng)方程的正演模擬結(jié)果，可以有效地進(jìn)行觀測系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)；②雙聚焦理論的參數(shù)模擬能夠進(jìn)一步驗(yàn)證觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，針對特定的水合物目標(biāo)體，為了獲取礦體內(nèi)部精細(xì)的速度結(jié)構(gòu)，HF-OBS的分布形態(tài)應(yīng)采用長方形或正方形的矩陣分布，分布間距以300～500m為宜；③優(yōu)化后的觀測系統(tǒng)有利于獲得高質(zhì)量的HF-OBS地震數(shù)據(jù)，而縱橫波聯(lián)合反演獲得的速度信息減小了水合物識別的不確定性。

關(guān)鍵詞：中國南海  海底高頻地震儀  觀測系統(tǒng)  優(yōu)化設(shè)計(jì)  天然氣水合物  聲波速度  聯(lián)合走時(shí)反演  分布形態(tài)

An optimal design of a high-frequency oceali bottom seismometer(HF-OBS) and its application to the natural gas hydrate exploration in the South China Sea

Abstract：A high-frequency ocean bottom seismometer(HF-OBS)can not only receive multi-component displacement records of the bottom of the sea，but acquire various seismic information of P wave and converted S-wave，which is of great significance to accurately evaluate the hydrate reserves of localities．Therefore，in a case study of natural gas hydrate exploration in the Sou th China Sea．we made an optimal design of the HF-OBS geometry system through three forward modeling simulation methods of ray tracin9，focal beam analysis，and wave equation algorithms．And we adopted a hybrid inversion method of wave-equation travel time inversion(WT)and waveform inversion to obtain the relationship between P and S-wave velocity of hydrate layers in this study area．The following findings were concluded．(1)The ray tracing method simulates the Gamma distribution and stacking folds(superimposition times)of pay zone and integrates the results of wave equation algorithms to effectively improve the optimal design of HF-OBS geometry system．(2)Simulation parameters of the focal beam analysis can further validate the reasonability of the observing system design and as for the specific hydrate target，the matrix distribution of a rectangle or a square with the space between of 300-500m should be employed for the HF-OBS to acquire the very fine inner velocity structure of the hydrate target．(3)The optimized observation system is conducive to obtain HF-OBS seismic data,while velocity obtained by p-and S-wave joint inversion decreases the uncertainty of gas hydrate recognition．

Keywords：South China Sea，HF-OBS，layout design，natural gas hydrate,acoustic velocity

海洋天然氣水合物(以下簡稱水合物)的識別，通常利用地震反射特征——如水合物賦存的四大地震異常特征(即BSR、BZ、速度異常及極性反轉(zhuǎn))來確定其分布，而含水合物層物性參數(shù)主要通過地震反射信息間接獲取。由于水合物縱波速度比海洋正常沉積物要高，致使水合物沉積物的體積模量增加；同時(shí)，沉積物孔隙內(nèi)的水合物膠結(jié)物也改變了沉積物的剪切模量，沉積物內(nèi)聲波阻抗亦呈“譜白化”現(xiàn)象。因此，隨著勘探程度的深入，需要高精度的速度和高分辨率地震波形資料以獲得含水合物沉積物的空間分布及其物性參數(shù)，對水合物的資源量進(jìn)行估算。由于水合物海底高頻地震儀(HF-OBS)觀測具有震源與檢波器間的距離大、曳航方式獲得低角度反射波、能夠較直觀地觀測BSR反射波波形等優(yōu)點(diǎn)，因此，利用HF-OBS可獲得含水合物地層的縱波速度(vp)、橫波速度(vs)、速度結(jié)構(gòu)及波阻抗等的變化，對準(zhǔn)確估算水合物的資源量具有重要意義^[1-2]。此外，海底高頻地震儀調(diào)查獲取的多種資料還可滿足波形反演、走時(shí)反演、非線性全波形走時(shí)聯(lián)合反演等各種研究的需要。目前HF-OBS在我國已經(jīng)由研制和試驗(yàn)階段逐漸轉(zhuǎn)化為成熟應(yīng)用階段^[3-4]，近年來廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局采用HF-OBS探測技術(shù)，對水合物進(jìn)行了詳細(xì)勘探和深入研究^[5-7]。

1　HF-OBS結(jié)構(gòu)及工作原理

1．1　HF-OBS結(jié)構(gòu)和勘探特點(diǎn)

20世紀(jì)90年代以前，以拖纜為主體的人工地震探測方法為探測海底地球物理信息的主流方法。但是，在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中，海水的存在無疑產(chǎn)生了諸多不利影響，例如，微弱的地震信息受到海水層的作用而產(chǎn)生明顯衰減，從而導(dǎo)致信號畸變等。此外，拖纜采集無法獲得有效的橫波信息，從而難以滿足地層速度結(jié)構(gòu)等研究。隨著海洋地震學(xué)的誕生與發(fā)展，對海洋巖石圈與地殼結(jié)構(gòu)、地球起源、地震起因乃至海洋資源與環(huán)境等研究迫切需要一種能夠接收海底地震縱橫波的高保真度、大動(dòng)態(tài)范圍的探測儀器。因此，海底地震儀(Ocean Bottom Seismometer，OBS)應(yīng)運(yùn)而生，從而揭開了海洋勘探OBS技術(shù)研究的序幕。海底高頻地震探測系統(tǒng)(High Frequency Ocean Bottom SeiSmometer，HF-OBS)，因其具有較寬的頻寬和良好的高頻響應(yīng)特性，在天然氣水合物勘探方面受到越來越多的關(guān)注和重視^[8]。

天然氣水合物海底高頻地震儀(HF-OBS)除了需要具備較寬的勘探頻帶與良好的高頻響應(yīng)特性之外，還要求儀器與海底之間具有良好的耦合特性。因此，儀器設(shè)計(jì)主要圍繞以下3個(gè)方面開展設(shè)計(jì)：①高采樣率的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)；②姿控檢波器的沒計(jì)與性能優(yōu)化；③海底耦合的研究與HF-OBS的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)^[9-10]。其結(jié)構(gòu)由塑料殼玻璃儀器艙、脫鉤機(jī)構(gòu)、沉耦架3部分組成(圖1)。其中，塑料殼玻璃儀器艙是海底地震儀的主體部分，也是其可回收部分，它內(nèi)部采用單球一體化結(jié)構(gòu)，主要由水聲通訊模塊、檢波器與常平裝置、采集系統(tǒng)的電子電路、地震儀電源、數(shù)據(jù)提取模塊、無線數(shù)傳模塊及電子電路版頻閃等構(gòu)成。

1．2　HF-OBS工作原理

如圖l-a所示，HF-OBS共有4個(gè)地震通道，其中1個(gè)通道為水聽器(只能接收縱波，即H分量)，另外3個(gè)通道為三分量動(dòng)圈式速度換能器(位于儀器底部與海底接觸，可接收橫波)，工作頻帶介于5～250Hz，采集器動(dòng)態(tài)范圍超過110dB；地震采樣率不低于1ms；在2ms采樣率下，在水下的連續(xù)工作時(shí)間可超過60d；采用內(nèi)置羅盤進(jìn)行定向，聲學(xué)測距設(shè)備實(shí)現(xiàn)水下定位；工作水深超過4000m，滿足我國南海海域天然氣水合物地震數(shù)據(jù)采集的需要^[11]。

 

三維拖纜地震與HF-OBS的聯(lián)合勘探在近年來水合物地震勘探中經(jīng)常用到^[12]，其目的是綜合利用縱、橫波信息詳細(xì)了解水合物礦體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。根據(jù)勘探目的，將多個(gè)HF-OBS以不同的排列方式置于海底目標(biāo)點(diǎn)以采集地震信號，達(dá)到拖纜和HF-OBS聯(lián)合記錄縱橫波地震反射信息的目的，其典型的采集方式見圖1-b。為保證地震儀能位于期望位置，通常將儀器隨鋼纜下放至距海底一定深度后，使儀器自由下落至海底。在完成采集后通過指令使地震儀脫鉤上浮^[13]。

2　HF-OBS觀測系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

水合物勘探區(qū)海底地形地貌情況通常較復(fù)雜，HF-OBS投放數(shù)量有限，為了獲取地層的縱波、轉(zhuǎn)換橫波等多種有效的地震波信息，對HF-OBS站位的分布形態(tài)、分布間距等技術(shù)參數(shù)選擇非常重要。因此，在海上資料采集前，需要針對水合物探區(qū)的海底地質(zhì)條件，進(jìn)行海底地震觀測系統(tǒng)模擬。

圖2為南海北部陸坡測線A的地震剖面，剖面上BSR非常清晰、連續(xù)，振幅空白帶、與地層斜交等特征明顯。為了進(jìn)一步弄清水合物礦體的內(nèi)部速度特征，觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)以突出地震測線所穿過的水合物礦體作為目標(biāo)。

 

2．1　射線追蹤法

射線追蹤法是在以往水合物調(diào)查的基礎(chǔ)上，針對特定的水合物目標(biāo)體采用“二維擬三維”的方法建立三維數(shù)據(jù)體，然后沿特定方向抽取地震剖面，模擬海上采集的作業(yè)環(huán)境，分析HF-OBS分布區(qū)間的射線數(shù)量，最終確定HF OBS的分布形態(tài)與分布間距，實(shí)現(xiàn)觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。以地震剖面上水合物為特定目標(biāo)，建立相應(yīng)的地質(zhì)模擬模型，模擬野外采集的作業(yè)環(huán)境，計(jì)算不同測線段內(nèi)覆蓋次數(shù)以及均勻程度，分析HF-OBS分布區(qū)間的射線數(shù)量，從而最終確定HF-OBS的形態(tài)間距與分布形態(tài)，實(shí)現(xiàn)觀測系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

通過目標(biāo)體的二維地震剖面，按HF-OBS分布間距，通過射線追蹤模擬，分析縱、橫波接收情況，根據(jù)覆蓋次數(shù)與均勻程度，選取最佳的覆蓋效果(圖3)。圖中藍(lán)色表示水合物目標(biāo)體(剖面)，射線所指的紅色區(qū)域表示所對應(yīng)的反射轉(zhuǎn)換波射線分布區(qū)域。通過對HF-OBS分布間距為100m、200m、300m、400m、500m、600m、700m和1000m等情況下模擬得到的幾組數(shù)據(jù)的分析比較，分別計(jì)算落入不同距離的線段內(nèi)的疊加次數(shù)，并用色標(biāo)進(jìn)行表示，然后分析疊加次數(shù)的均勻程度和覆蓋效果。當(dāng)HF-OBS分布間距在500m以下時(shí)(300～400m效果最佳)，線段內(nèi)的疊加次數(shù)達(dá)超過30次，并且疊加次數(shù)的分布比較均勻。最后，確定HF-OBS臺站間距小于500m時(shí)效果較好，且分布間距愈小，所使用的HF-OBS臺數(shù)愈多，疊加次數(shù)愈高，覆蓋效果愈好。

 

因此，針對天然氣水合物目標(biāo)體，結(jié)合軟件模擬和實(shí)際投放時(shí)海流等因素所造成的投放誤差的影響，最終確定針對特定目標(biāo)體的HF-OBS最佳觀測系統(tǒng)方案如下：分布間距應(yīng)該小于500m，300～400m效果最佳；分布方式為長方形或正方形的矩陣分布方式。

2．2　雙聚焦法

雙聚焦法以雙聚焦理論為基礎(chǔ)，通過評價(jià)主瓣分辨率、主瓣能量、旁瓣能量及主旁瓣能量比等設(shè)計(jì)觀測系統(tǒng)的一種方法。通過對射線追蹤法和雙聚焦法兩種方法所設(shè)計(jì)的觀測系統(tǒng)進(jìn)行對比驗(yàn)證，最終合理設(shè)計(jì)海底地震探測觀測系統(tǒng)^[14]。根據(jù)雙聚焦理論^[15]，震源在目標(biāo)體周圍一定范圍內(nèi)激發(fā)，將檢波器置于目標(biāo)點(diǎn)。因此，可以用震源陣列聚焦束評估觀測系統(tǒng)中震源對目標(biāo)點(diǎn)的成像分辨率的影響。具體做法是：①選取不同的炮點(diǎn)間距、測線間距(炮線間距)，進(jìn)行聚焦模擬；②選取不同的HF-OBS分布間距，進(jìn)行聚焦模擬；③根據(jù)分析結(jié)果，確定最佳的觀測系統(tǒng)。

2．2．1評價(jià)準(zhǔn)則

基于雙聚焦理論研制的軟件評價(jià)準(zhǔn)則，主瓣分辨率要高(分辨率曲線中最大極值點(diǎn)與左右第一極小值點(diǎn)間距離大者表示分辨率)；主瓣能量大，且聚焦點(diǎn)的位置應(yīng)為目標(biāo)點(diǎn)的位置；主旁瓣能量比(主瓣能量與旁瓣能量的比值)大。因此，設(shè)計(jì)HF-OBS觀測系統(tǒng)時(shí)，首先將震源陣列置于目標(biāo)點(diǎn)位置，HF-OBS當(dāng)成接收點(diǎn)分布于目標(biāo)點(diǎn)周圍的海底附近，接收地震信號，當(dāng)聚焦波束主瓣能量大且波束位置不變，旁瓣能量小且旁瓣數(shù)少時(shí)，表示HF-OBS的分布間距合理，從而達(dá)到HF-OBS觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。

2．2．2聚焦模擬

在以往調(diào)查的基礎(chǔ)上，建立水合物目標(biāo)層與相鄰地層簡化的地球物理模型，將BSR簡化為平行海底的地層。假定炮間距與線間距分別為25m(與野外采集一致)，然后根據(jù)不同HF-OBS分布間距聚焦模擬。

2．2．3參數(shù)確定

圖4為聚焦模擬效果圖。當(dāng)HF-OBS分布間距為500m時(shí)，出現(xiàn)明顯旁瓣，但模擬震源的位置并未發(fā)牛變化(圖4-b)；當(dāng)分布間距為750m時(shí)，模擬震源的位置發(fā)生變化，成像效果明顯變差(圖4-c)；當(dāng)分布間距變小時(shí)，模擬成像效果愈來愈好(圖4-a)。

 

在南海北部陸坡進(jìn)行水合物三維地震與海底地震聯(lián)合采集試驗(yàn)時(shí)，由于試驗(yàn)海域海流變化大、速度快，HF-OBS投放位置精度誤差較大。據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，如果HF-OBS采用海面投放方式，位置誤差為l00～500m。另外，觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮HF-OBS臺站不可能太多。綜合上述因素，雙聚焦理論的模擬結(jié)果表明：HF-OBS分布間距應(yīng)小于500m，并且愈小愈好。

2．3　波動(dòng)方程的正演模擬法

采用正演模擬方法首先根據(jù)研究區(qū)資料建立地質(zhì)模型，然后將震源置于目的層中，根據(jù)波動(dòng)理論正演合成地震記錄，在地表接收地震記錄，再將接收到的地震記錄成像到震源位置。根據(jù)正演結(jié)果，可以模擬HF-OBS接收信息的地層效果，用于指導(dǎo)野外采集。

以南海北部陸坡地震測線A所對應(yīng)的二維地震剖面作為波動(dòng)正演模型的基礎(chǔ)，炮點(diǎn)位于模型中間的海面上，在海上和海底同時(shí)接收。圖5為波動(dòng)方程正演模擬的結(jié)果與HF-OBS實(shí)際接收資料的效果對比圖。正演模擬結(jié)果可以幫助分析野外HF-OBS數(shù)據(jù)的接收效果，對野外采集具有較好的指導(dǎo)作用。

 

3　效果分析

根據(jù)觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究結(jié)果，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局于2006年在南海北部陸坡利用HF OBS進(jìn)行了采集試驗(yàn)，研究區(qū)水深介于1000～1750m。試驗(yàn)時(shí)采用三維地震與海底地震聯(lián)合采集方式：把HF-OBS投放到具有明顯BSR顯示的海底位置，以提高采集地震數(shù)據(jù)的針對性。

試驗(yàn)一共投放了20臺HF-OBS；針對可能的水合物礦體目標(biāo)，HF-OBS采用長方形矩陣(5×4陣列)進(jìn)行布設(shè)，分布間距為500m；激發(fā)震源為540in³(1in＝25.4mm)的GI槍組合“點(diǎn)震源”系統(tǒng)，炮間距為25m，線間距為25m(圖6)?？紤]到HF-OBS與海底的耦合度及靜止于海底后的穩(wěn)定性，施工時(shí)HF-OBS的投放點(diǎn)選擇相對平緩的區(qū)域，以盡可能消除海流的影響；而且投放時(shí)以鋼纜控制HF-OBS下降，到達(dá)一定深度后讓其在水中自由下落至海底，因此，每個(gè)HF-OBS在海底的實(shí)際位置及其間隔與設(shè)計(jì)位置會(huì)不一致。試驗(yàn)結(jié)束后，實(shí)際回收l3臺HF-OBS。

 

圖7為拖纜采集縱波數(shù)據(jù)與HF-OBS采集轉(zhuǎn)換橫波數(shù)據(jù)成像對比。盡管由于HF OBS數(shù)量有限并且其實(shí)際位置不可控等因素造成縱波的整體成像效果優(yōu)于橫波，但在沉積物物性發(fā)生變化的界面，橫波成像數(shù)據(jù)表現(xiàn)出更明顯的異常特征。

 

對比可以發(fā)現(xiàn)，BSR在橫波成像數(shù)據(jù)的強(qiáng)振幅特征明顯，也更容易識別。特別是在氣體運(yùn)移通道位置，縱波成像數(shù)據(jù)表現(xiàn)為一個(gè)模糊反射區(qū)域，而橫波成像數(shù)據(jù)可以確定明顯的反射界面，這也是橫波信息不受流體干擾最好的證明，其成像結(jié)果對于水合物形成所需游離氣是如何運(yùn)移至水合物穩(wěn)定帶以及整個(gè)水合物儲(chǔ)層系統(tǒng)的地質(zhì)模式有更充分的認(rèn)識^[16-17]。

盡管橫波的整體成像效果尚無法與縱波相比，但其走時(shí)信息可用于縱橫波速度聯(lián)合反演以獲得HF-OBS所在位置較可靠的縱波和橫波速度，進(jìn)而進(jìn)行定量分析并確定水合物存在與否。圖8為HF-OBShl7站位的速度反演結(jié)果?？v橫波速度在BSR上部明顯增大，縱波速度值介于1788～2742m／s，增幅為420～1090m／s；橫波速度介于400～600m／s，增幅為200～260m／s，反映水合物礦體的存在。淺部的縱波速度急劇下降而橫波幾乎沒有變化，表明此處存在淺部游離氣或游離氣運(yùn)移通道。從圖8可以看出，HF-OBS反演速度的垂向分辨率比傳統(tǒng)的速度譜分辨率有了很大的提高，充分揭示了天然氣水合物的縱、橫波速度結(jié)構(gòu)，并且速度結(jié)構(gòu)異常與BSR及水合物礦體的分布層位有很好的對應(yīng)關(guān)系^[18]，從而增強(qiáng)了對水合物礦體的分辨能力。

 

4　結(jié)論

1)采用射線追蹤法模擬目的層射線分布和疊加次數(shù)，同時(shí)結(jié)合波動(dòng)方程正演模擬顯示剖面的合成效果，可以進(jìn)行有效的觀測系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。雙聚焦理論的參數(shù)模擬能夠進(jìn)一步驗(yàn)證觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性；針對特定的天然氣水合物目標(biāo)體并結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況，為了獲取礦體內(nèi)部精細(xì)的速度結(jié)構(gòu)，HF-OBS的分布形態(tài)應(yīng)采用長方形或正方形的矩陣分布方式，分布間距以300～500m為宜。

2)通過HF-OBS探測獲取了含水合物地層的縱波、轉(zhuǎn)換橫波等多種有效的地震波信息，野外采集數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。

3)HF-OBS獲得的橫波信息是對常規(guī)地震資料的有效補(bǔ)充，可以減小常規(guī)地震資料解釋的不確定性。

 

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本文作者：沙志彬  鄭濤  張光學(xué)  劉學(xué)偉  伍忠良  梁金強(qiáng)  蘇丕波  王靜麗

作者單位：中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院

  國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局

  中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院