薛 花， 杜 民， 尚久靖， 文鹏飞， 张宝金

(广州海洋地质调查局 国土资源部海底矿产资源重点实验室,广州 510075)



海底天然气渗漏高精度浅层剖面处理技术

薛 花， 杜 民， 尚久靖， 文鹏飞， 张宝金

(广州海洋地质调查局 国土资源部海底矿产资源重点实验室,广州 510075)

浅地层剖面测量方法是基于水声学原理的连续走航式探测水下浅部地层结构和构造的一种地球物理方法。对广州海洋地质调查局近几年野外采集的两种不同类型(Chirp和SES-2000)的浅地层剖面原始资料特点进行了分析，野外获得的浅剖资料，仅仅是经过采集系统后续单一的处理，对于海况较差时采集的数据，上述单一的处理方法根本无法满足后续资料的解释。为此有针对性的提出了高精度浅剖资料处理技术，结合某区实际资料进行应用，系统讨论和分析了该区海底天然气渗漏的声学特征。总的来说，适合浅剖资料高精度处理方法的提出增加了识别天然气水合物层，天然气渗漏或扩散引起的沉积物声学异常特征的精度，为后续资料的对比和综合解释奠定了基础。

海底天然气渗漏； 高精度处理； 浅地层剖面； 沉积物声学异常特征

0 引言

浅地层剖面测量方法是基于水声学原理的连续走航式探测水下浅部地层结构和构造的一种地球物理方法[1]，在海洋区域地质调查、海底矿产资源探测中都发挥了比较重要的作用。该方法在大洋科考中能较好地探明富钴结壳，在海底矿产资源探测中能识别天然气水合物沉积物声学异常特征和海底微地貌异常特征。

在2011年以前获得的浅剖资料，基本上都不做后续处理工作，因为未记录SGY数据，解释人员直接拿纸质剖面进行解释。但随着调查目的的明确为了更好地识别如麻坑、泥火山等海底微地貌异常特征以及气泡羽状流或类海底气体“火焰”等异常特征。我局2011年正式开始将浅剖资料的处理作为生产任务，但是野外获得的浅剖资料都只是经过采集系统的后续简单单一的处理，在海况不好的情况下，由于各种噪音干扰，资料的信噪比整体会出现比较低的情况，除了同相轴连续性较差外，地质特征更加不明显，有的地方多次波发育，使得有效层位更加追踪困难。由于采集获得的SGY数据道头中未记录导航FIX号，由此直接影响资料的对比和解释，并且道头记录的地理坐标单位与解释系统不匹配，这样不满足后续软件解释的需要[2]。

目前，国内、外对浅剖资料的研究主要是对采集后的数据直接进行简单后续处理后就直接解释[3-4]，对浅剖数据进行专门的处理研究相对来说比较少。近年来，陆续开始出现了对浅剖数据的处理研究，赵铁虎等[1]利用浅地层剖面测量方法对浅水区存在的典型问题进行了分析；罗进华等[5]研究了消除涌浪影响的处理技术；陈晓辉等[6]分析了北黄海地区的原始数据资料特点；郑红波[7]分析了Chirp信号采集的原始数据特点；但是针对不同设备采集的具有不同特征和特点的浅剖资料并没有详细和完善地研究。因此，对不同设备采集的不同浅剖资料的高精度处理方法的研究，有着重要的理论和现实意义。作者对广州海洋地质调查局近几年野外采集的两种不同类型(Chirp和SES-2000)的浅地层剖面原始资料特点进行了分析，形成了一套浅剖资料高精度处理流程；结合某区的实际资料，系统讨论和分析了该区海底天然气渗漏的声学特征。

1 浅层剖面的野外采集

目前Parasound P70和SES-2000 Medium这两大设备是广州海洋地质调查局专门用于浅地层剖面采集，Parasound P70全海域参量浅层剖面仪来自德国ATLAS公司，它以线性调频脉冲(Chirped)串的发射模式通过直接激发2 kHz～10 kHz的声波信号来跟踪海底。该设备具有分辨率高、波束窄和穿透强等特点，主要用于南海天然气水合物的资源勘查以及大洋科考中富钴结壳海底矿产资源探测。图1为用P70采集的原始浅地层剖面和频谱图，可以看出浅剖的分辨率相当高，主频可达4 500 Hz，振幅有正有负。

图1 P70采集的浅地层剖面和波形图Fig.1 Sub-bottom profile and waveform figure using P70 acquistion

图2 SES-2000采集的浅地层剖面和波形图Fig.2 Sub-bottom profile and waveform figure using SES-2000 acquistion

SES-2000 Medium型参量浅地层剖面仪来自德国INNOMAR公司，它通过参量阵原理得到2 kHz～10 kHz的声波信号。该设备主要用于海洋区域浅地层结构、浅层气和浅地层断裂发育情况的调查。图2为用SES-2000 Medium采集的原始浅地层剖面，可以看出高分辨率是浅剖的主要特征，野外原始资料振幅本身为包络且为正值，其谱低频强，随着频率的增加呈指数形式变化。

2 浅层剖面的处理难题

野外采集的浅剖数据由于在采集过程中受各种噪声干扰，直接影响后续资料的解释，面临实际生产任务的需要，2011年我们首次将浅地层剖面的资料处理工作提上日程。由于以往没有记录过浅地层剖面的原始数据，因此也没有进行过处理，只能对纸质剖面进行解释。在处理前浅层剖面数据存在几个大方面的问题：

1)由于仪器本身原因需要定期更换文件名记录造成测线分段，拼接任务量大。

2)由于间隔性采集对原始数据进行了延时记录，无法正确反映反射波的时间信息。

3)对于采集记录为振幅的数据，由于测线为包络，振幅值为正且谱低频强无法进行常规去噪，同相轴模糊不清。

4)由于各种噪音干扰，造成资料信噪比极低，无法进行层位追踪。

5)由于SGY数据未记录导航FIX号信息且记录的地理坐标单位与解释系统不匹配，这样直接影响资料后续对比和解释。

3 处理技术

目前市面上并没有针对浅剖专门的处理软件，对比CGG、OMEGA、FOCUS三大处理系统，结合原始资料的特点，选择了交互性良好的处理系统软件FOCUS5.4地震处理系统作为处理浅剖的软件平台，同时利用了linux系统下的awk编程语言和seismic unix地震处理系统中的相关模块。

将高精度地震技术运用到浅剖资料中，结合浅地层剖面的地震特征来压制噪音和多次波，细化消除涌浪对浅地层剖面造成的影响，将FIX号信息植入道头数据中，实现了地形起伏较大的浅层剖面的绘图(图3)。图4是利用高精度处理方法处理浅剖资料前后的效果对比图，由图4可以看出，处理有效地压制了各种噪音干扰，恢复了被覆盖的有效反射，消除了涌浪造成的同相轴高频抖动，使得微幅的精细构造得以正确识别，气泡效应得到改善，斜干扰和随机噪声等干扰波的压制也使剖面变得干净。总之，处理明显提高了地震数据的信噪比、分辨率和同相轴的连续性，获得了高信噪比、高分辨率的清晰地震剖面，为正确地进行地质解释提供了资料基础。

图3 浅剖资料的高精度处理流程图Fig.3 Sub-bottom data high precision processing flow figure

图4 高精度浅层剖面处理效果对比图Fig.4 High precision sub-bottom processing effect contrast figure(a)原始剖面；(b)处理后成果剖面图

4 某区海底天然气渗漏的声学特征

4.1 海底天然气渗漏的反射剖面特征

我局利用Parasound P70全海域参量浅层剖面仪在某区进行了浅地层剖面测量，通过对资料的分析和详尽的高精度处理后，发现了研究区浅地层剖面特征显示出较好的海底连续性，剖面层次结构较为清晰，平均达到海底以下100 ms，可达到海底以下60 m厚的沉积层，平均穿透厚度小于100 m，属于第四纪沉积层。含渗漏气泡或水合物的沉积物表现为声学异常，在浅地层剖面和地震反射剖面上通常表现为声空白带、声混浊、增强反射、亮点、速度下拉、气烟囱等特征[8-11]。

1)声空白带。声空白是层内界面反射突然变弱或消失的区域，剖面形态类似补丁状[12]。研究区浅地层剖面上发现了大量的声空白带现象(图5)，一般认为是该沉积物中含有气体，对声能量的屏蔽作用，或者说声波信号被较快吸收掉。

图5 海底天然气渗漏典型反射剖面特征Fig.5 Seabad gas leakage typical reflection profile feature

2)声浑浊。声浑浊在浅层剖面上表现为黑色斑点或团块的现象，极易识别[13]。它是由于声波能量被气泡散射所致，通常会对下部地层反射造成屏蔽。图5显示了在研究区发现的大量具有团块特征的声浑浊现象。

3)增强反射。增强反射表现为连续反射层的局部振幅增强的现象，在很浅的沉积物中,天然气在含孔隙的(富沙和粉沙)沉积物中呈聚集状,而在不渗透的(富泥)沉积物中呈分散状。声浑浊通常是聚集状天然气的反映, 而增强反射则通常是分散状天然气的表现[14-15]，研究区增强反射现象较为常见。

4)多次波。多次波是因为下行波在向下传播的过程中能量遇到含气层界面或浅层硬底上被反射回来，然后在海底界面又被反射回去，这种低能量损失的反射方式在经过多次反复进行后就形成了多次波。在研究区的浅剖资料中，我们没有发现多次波的存在，但利用SES-2000 Medium型参量浅地层剖面仪，在另一浅地层剖面的区域地质调查中发现了多次波的存在(图6)。

图6 海底天然气渗漏多次反射剖面特征Fig.6 Seabad gas leakage multiple reflection profile feature

4.2 与海底天然气渗漏相关的声学微地貌特征

海底沉积层气体以一种喷涌或渗漏的方式注入海洋，在水柱中形成特殊的海洋地质现象—海底冷泉。它逸出大量的气泡遮蔽海底，从而形成强的波阻抗界面，这个波阻抗界面可在人工地震、浅地层剖面、多波束、旁扫声纳及其他回声测量系统中形成异常记录，如“火焰状”异常，从而对海底渗漏进行有效识别。由于国内多波束测量的分辨率较低，且尚未开展侧扫声纳调查工作，对海底冷泉等喷溢的识别主要依靠高分别率地震和浅地层剖面资料。

通过对研究区浅地层剖面的详细观察，发现了疑似海底喷溢的冷泉反射特征(图7)。该喷溢现象表现为海底以上水柱内的振幅异常，海底以下出现振幅空白带异常，可能为气体渗漏的通道所在。在疑似海底渗漏带的周围，同时发现了具有地层含气特征的声浑浊、声空白带和海底圆丘，指示该区域地下具有充足的气体汇聚。这种具有明显声学标志特征的类“海底火焰”特征的发现为今后天然气水合物声学特征的试验选区也提供了依据。

图7 研究区浅地层剖面的类”海底火焰”特征Fig.7 Sub-bottom submarine suspected flame feature in area(a)测线A; (b)测线B

5 结论

目前国内、外尚未有专门针对浅剖资料处理的软件，因原始数据的特殊性尤其是频率相当高和采集设备的不同，对浅剖资料处理不能按常规地震资料处理流程思路来按部就班，要针对具体情况进行分析。

作者浅剖资料高精度处理技术的提出，弥补了浅剖资料在采集上后期处理方法单一的现状。处理后的剖面有效地压制了各种噪音干扰，恢复了被覆盖的有效反射，消除了涌浪造成的同相轴高频抖动，使得微幅的精细构造得以正确识别，气泡效应得到改善，斜干扰和随机噪声等干扰波的压制也使剖面变得干净。总之处理明显提高了地震数据的信噪比、分辨率和同相轴的连续性，获得了高信噪比、高分辨率的清晰地震剖面，为正确地进行地质解释提供了资料基础

结合实际工区运用，可以看到通过对资料的分析和详尽的高精度处理后，发现了研究区浅地层剖面特征显示出较好的海底连续性，剖面层次结构较为清晰，平均达到海底以下100 ms，可达到海底以下60 m厚的沉积层，平均穿透厚度小于100 m，属于第四纪沉积层。由此可以认为，适合浅剖资料高精度处理方法的提出，增加了识别天然气水合物层，天然气渗漏或扩散引起的沉积物声学异常特征(如声混浊、空白带、增强反射等)及海底微地貌(类“海底火焰”特征)的精度，同时对今后野外施工及后续地质分析与解释具有现实指导意义。

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The high precision processing technology in sub-bottom profile for seabad gas leakage

XUE Hua， DU Min， SHANG Jiu-jing， WEN Peng-fei， ZHANG Bao-jin

(Key Laboratory of Marine Mineral Resources, Ministy of Land and Resources Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510075, China)

At present, using shallow acoustic detection technology to detect seabad gas leakage has already formed a relatively mature technology processes and methods. However, to have targeted high precision processing methods are rare reported, especially in the natural gas hydrate resources investigation to detect sediments acoustic anomaly characteristics caused by gas leakage closely relationship with gas hydrate. In recent years, Guangzhou marine geological survey had acquainted two different types (Chirp and SES-2000) of the sub-bottom raw data, characterized are analyzed in the paper, and formed a set of high precision processing flow for sub-bottom profile. Combined with the actual data of the north slope of the South China Sea area, the system discusses and analyzes on the underwater acoustic characteristics of gas leakage. In general, suitable for sub-bottom profile the high precision processing method is proposed to increase the recognition of gas hydrate layer, gas leakage or the accuracy of anomaly characteristics of the diffusion caused by sediment acoustics, which leads to a foundation for subsequent data comparison and interpretation.

seabad gas leakage; high precision processing; sub-bottom profile; sediment acoustics anomaly characteristics; the north of the South China sea slope area

2015-07-31 改回日期：2015-11-18

国土资源部海底矿产资源重点实验室开放基金课题(GZH201200307,KLMMR-2013-A-19)

薛花(1985-)，女，硕士，研究方向为海洋浅剖及单道资料处理，E-mail：xuehua2011hyl@163.com。

1001-1749(2016)05-0660-06

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.05.14