海底构造地球物理研究方法（3）
胡经国（yuanzi16）
㈢、海上地震数据的采集
1、海上反射地震波的激发和接收
海区地震探测有其特殊性。在水中发射地震波的震源、接收地震波的观测系统，完全不同于陆地。检波器的换能器和电缆也是特殊设计的，尤其是海上定位需要特殊的方法和专用设备。
⑴、海上反射地震波的激发
①、对激发的要求
足够的能量；尽量加大有效波能量。
②、气泡震荡
在海水面下，无论什么能源产生的地震波，其作用都会在水中引起一个急剧的压力脉冲，造成水质点的压缩而产生冲击波，向四周以球面波形式在水中传播。在震源附近，因冲击波的延迟作用，将会引起水质点的震荡。
③、理想的震源
单一的高能脉冲、极大的频率范围。
④、海上激发地震波的震源种类
脉冲型、可控型。
⑤、脉冲式震源
A、导言
海上地震勘探最常用的震源，是水中气泡膨胀产生的弹性波。
B、化学爆破
化学爆破：炸药是能量最集中、释放能量最快的震源。通常用硝化炭硝酸盐（NCN）。
炸药震源：几克炸药（浅部地层）～10吨炸药（数10公里深度）。
深拖爆破震源（DETES）：在海地附近爆破，能提高地震分辨率。
C、压电和磁致收缩
压电传感器——声波～10-200kHz回声探测；穿透海底几米深，能解释薄的火山灰层。
中心为镍的或者其它磁致收缩物质的线圈，2-5kHz，穿透超过100米的地层；3.5kHz的传感器广泛用于深海和大陆架勘探；2-8kHz（4.6kHz）大陆架高分辨率地震剖面勘探。
AtlasParasound2.5-5.5kHz
Parasound20.5-23.5kHz（18kHz）
D、电火花
电火花
Knott和Hersey（1956）发现，当高压电容器组通过水下电极突然放电产生电火花，充满离子化气体的气泡迅速膨胀，产生足够的能量能够穿透数百米的沉积物。
电火花已广泛用于大陆架研究。
E、强震板（Boomer）
19世纪60年代早期，电磁震源或Boomer得以发展。地震能量来自植入环氧树脂中的铝板和扁平的铜线圈的突然分离。
近海面和离海底10～50米的深拖Boomer，已应用于大陆边缘浅层高分辨调查。
脉冲长度在0.1～0.2ms的强Boomer被应用于水深几米的调查，可分辨率不到0.3的反射体。
F、气枪
压缩空气释放到水中，产生短促、高能脉冲。
气枪压力可达2000psi（14MPa），有些甚至超过10000psi（69MPa）。
气枪大小由下方气室的体积测定，0.16～33升。
套筒气枪：允许气室更快打开，增加空气释放频率，提高输出信号的峰压值。
排列：
典型情况是两个震源阵列被拖在水深3～10米处；
在石油、深海地震剖面测量中，可以用到几十条气枪；
间距和气枪型号一致，是涉及阵列的重要因素。
G、水枪、自由落体重物
a、压缩空气推动中心活塞向下，快速排出活塞前部的水；
b、当活塞被标有“STOP”的凸缘卡住，移动的水哨子从活塞分离，形成气穴。随后，气穴爆破；
c、当活塞到达底部，空气从上层气室排出，静水压力推动活塞回到激发前位置准备下一次放炮。
⑥、可控地震震源
A、可控震源
在塑料药管中装入少量炸药制成小弹丸，然后放在多孔的球形铁壳中心，拖在船的尾部沉入海水中。多孔的铁壳可起破除气泡震荡的作用。
震动频率范围和震动持续时间可以调节控制。
B、优点
a、峰值压力低，环境影响小；
b、输出频率可控；
c、经过处理的数据，对来自船只和海洋生物噪音的干扰不敏感。
⑵、海上地震反射波的接收
①、海上反射波探测一般多采用单船作业
海上探测不能固定爆炸点和检波点的位置。在不使用爆炸震源的情况下，震源和检波记录拖缆用同一条船拖牵。使用多道拖缆检波电缆，分成48个记录段，每段为一道记录。有些拖缆只有24道记录，而有些则有96道记录。
②、海上反射地震波的接收都用共深度点观测方法
发震之间的时间间隔取决于覆盖次数。
6次覆盖时，每隔两检波器（200米）发震一次，当船速为185.3m/min时，即每分钟发震一次。
12次覆盖时，每隔100米发震一次，即30秒发震一次。
24次覆盖时，每隔50米发震一次，即15秒发震一次。
或以船速决定相等时间间隔发震，
③、水听器
压电材料：钛酸钡、锆酸铅或铅偏铌酸盐。
传感器；形状（球体、管子、金属板、、细电线），灵敏度1～100mv/mbar，地震频率10～1000Hz。
水听器：组成阵列，安装在充满油的柔韧的塑料管中。
④、地震检波器
通常的设计包括：一个带圆形狭槽的柱状永久磁性体，其上包括一个挂在触发叶上的线圈。安装在压力箱内。当海底发生垂直运动时，磁性体随地面运动，线圈由于惯性保持固定。根据线圈和磁性体相对运动的速度，线圈的末端产生相应电动势。信号通过电缆或无线连接，以模拟或数字信号传送到记录器上。
⑤、悬挂在记录船上的水听器
最早：单个水听器。
二战后，在双船地震调查中，更多地使用水听器组。
为了最小化海水湍流噪音的影响，水听器被改进保持中性浮动状态；海底反射在很大频率范围内可见，海底下的反射只在较低频段（小于600～1000Hz）可辨别。
⑥、声呐浮标
Hill（1952）深呐浮标，自由漂浮；接收一般限制在无线电范围内（40～50公里）；声呐浮标上内置记录器；船上发射编码信号激活记录器。
20世纪60年代末，投弃式军用声呐浮标用于地震勘探；除了用于广角地震剖面探测以外，投弃式声呐浮标组的排列（阵列）检测局部地区的微震。
⑦、海底地震仪（OBS）
深水中的海底接收器噪音小；海底设备可记录除了压缩波（纵波）以外的剪切波和面波；固定的海底设备具有长时间间隔记录的能力，使监测小的局部地震成为可能，同时能监测更多更远的远震事件……
能放置的范围超过深呐浮标无线传输的最大距离，可用于长偏移距地震探测，深达几十公里的结构构造。
固定在海底的接收器，降低了因地形不平坦和构造的横向变化造成的地震走时解释的不确定性。
浅部构造的P波被海底地震仪（OBS）记录为初至波，提供了精确的速度－深度曲线，对深海研究尤为重要。
⑧、海底多道接收器
由一个柔软的塑料管组成，包括12个间隔100米的水听器，并连接到电池驱动的记录设备上。
海底水听器阵列曾被海军应用；美国海军SOSUS（SoundandSurveillanceSystem）覆盖了北大西洋和北太平洋的大部分。
三分量地震检波器－记录剪切波（Ｓ波）－天然气地层勘查、裂隙（各向异性）；纵、横波－岩性。
四分量阵列－油田详查。
海底电缆（OBC），4维／4C（分量）地震调查。
⑨、拖曳式水听器接收器
A、单一水听器
EwingandTirey（1961）采用单一水听器记录来自200gTNT每隔2分钟点火一次产生的回波；船只速度约为5m/s；
电缆在每次放炮前几秒钟松弛下来，水听器缓慢沉入水中，并达到静止；
用这种方法得到数千公里反射剖面，第一次显示了海底沉积层的密度和结构是如何变化的。
B、单道水听器排列
每个探测器浸入绝缘的油中，放在一个直径超过100毫米的柔韧塑料管里，（油具有与海水非常接触波阻抗）；还使用充满冲淡剂和泡沫的拖缆（且不容易损坏，在甲板上占据空间也更小）；优点：受随机噪音影响小；随方向改变会作出响应；被用于记录几千公里的反射剖面，拖行速度15km/h（～8节）。
C、多道水听器排列
分成几个记录单元分别记录，可以用叠加或其它方法加强反射；拖行速度～2.5m/s（～9km/h，5节），深度5～15米；缓冲加重段（一系列弹簧降低船体运动的影响）；由8组12.5米长、每组16个水听器组成的单元（直径8毫米的柔软塑料管内）；不活动段；拖缆后端更多的缓冲段、减震段、顶端装有雷达反射器的浮标。
D、拖曳水听器排列
较早，水听器信号通过拖缆以模拟信号传输。
模－数转换器和编码器通过光缆进行数字信号传输，速率大于5Mb/s；数字传输避免了信号失真和传输途径上其它因素的影响；利用许多水听器组，可以在不回收拖缆的情况下，轻松改变接收装置。
大于6000米、500或更多道的水听器阵列。
三维调查中，8缆～12缆。
不同水密度、水流和风的影响，每个水听器单元已经组合了保持拖缆在特定深度和水听器单位的功能。在放炮开始以前，调整油的体积，使拖缆平衡漂浮。通过电控定深器，拖缆保持在预先设定的水平，一系列压力传感器监测着拖缆深度。利用阵列前端、中间、后端高频水听器对一个拖在船体附近50～100kHz小声源发出的脉冲的探测，就能通过三角测量确定拖缆的形状。
E、深拖水听器排列
水听器排列拖曳深度加深－地震分辨率提高。BowenandWhite（1986），近水面气枪震源，离海底几百米的水听器阵列（长30米）。阵列中，一个3.5kHz的变频器提供浅层剖面，也显示了拖缆相对于海底和水面船只的位置。
2、海上地震数据的记录和显示
早期：用示波器或变密度记录器显示，存储在磁带上（动态范围5060dB）。
20世纪60年代：数字存储器（高保真、便于数据处理）取而代之。
数字记录系统包括：记录多道电缆输出的船上单元、记录海底地震检波器和水听器信号的远程系统（可包括一个微型处理器）。
⑴、地震数据的记录和显示
前置放大器和滤波器；
多路转换器单元；
增益控制放大器；
模数转换器；
数字磁带记录器；
舷侧信号分离器；
剖面显示单元。
⑵、放炮－接收配置
折射地震剖面
单道反射剖面
多道反射剖面：二维调查
三维、四维地震调查
广角扩展（排列）剖面
广角常偏移距剖面
①、折射地震剖面
单端、翻转、分裂；
双船、单船放炮；
声呐浮标、海底或井中接收器；
用环形模型围绕一个接收器放炮，可研究地震各向异性。
②、单道反射剖面
A、单道反射剖面（1）
3.5kHz反射剖面（希腊西部Patras海湾）；
地形受近期活动断层影响，穿透大于50米，可确定不足1米的反射体。
B、单道反射剖面（2）
使用气枪的单道反射剖面（苏格兰西北部）。
C、单道反射剖面（3）
深拖Boomer震源反射剖面（苏格兰大陆架坡折带）。
D、单道反射剖面（4）
近表面的气枪，深拖单道水听器阵列。
海底变化反映了水听器阵列的深度变化导致的震源－接收器的偏移距变化情况。
对水听器距离海底高度的改变和接收器深度改变造成的反射点测向偏移进行了时间校正。
③、多道反射剖面：二维调查
拖曳震源阵列，多道拖缆。
英国BIRPS和法国ECORS研究组（1991，1993）使用大型（～1000升）宽带气枪阵列和长（～5公里）拖缆；
高频震源阵列和较短的水听器拖缆用于不足1公里的高分辨率剖面调查；
悬浮气枪和冰流中的水听器阵列，已被设计用于两极地区（1985）。
若深部反射被厚的高导电的碳酸岩、蒸发盐和火山岩所覆盖，则可通过试验震源－接收器观测系统的合成剖面进行一些流程的处理，以达到最优化效果。
④、三维反射地震调查
19世纪80年代早期，三位地震调查还是通过单船拖着一个震源阵列和一条多通道电缆沿很近距离的航迹得到（间距一般75米）；
双源阵列和双拖缆于1985年引入使用（间距25米）；不久后，使用双船平行航迹运动，每船拖两条电缆和两个震源，得到更密集更快速的地下覆盖（共4条电缆，放炮间隔～10s）；
宽梁船多道电缆的普及，单船获取三维覆盖变得越来越经济。
三维地震数据处理流程
交互式计算机工作站、可视化软件－旋转、切片构造解释－建立三维地震模型。
全三维地震数据处理；
导航和拖缆声学监控；
墨西哥湾、西北欧，三维地震反复应用于确定反射系数和反射体深度的变化，监测油气运移；
四分量海底地震拖缆。
⑤、广角扩展（排列）剖面
使用双船或多船扩展接受范围，改进速度确定问题；
以大角度入射时，可能观察到模式转换形成的折射能量和波至，有助于限制结构模型的数量。
⑥、广角常偏移距剖面
通过将震源和接收器分别拖在两艘固定距离移动的船上，能够得到更宽的接收半径；
大接收半径的优势在于提高速度信息的质量，严格区分一次波和多次反射；
扩展到三船采集系统。
大型震源阵列、多道长拖缆的使用、地震处理计算能力的极大增强，单船以较低成本就能够记录到很多深部的地震目标。
3、海上地震反射波数据处理和解释
⑴、数据处理基本流程
数据处理是对获取的地震信息进行各种加工处理，主要包括：预处理、数字处理、绘制时间剖面等步骤。
⑵、资料解释基本流程
数据采集－处理－正、反演－物理模型－地质解释－地质模型。
⑶、反射波对比识别的三个标志
反射层位在时间剖面图上表现为同相轴的形式；地震波的双程旅行时大致和界面的法线深度成正比；t0时间大，界面埋藏深。
同一反射界面的反射波，同相轴具有以下特点；
A、强振幅特性
反射波有较强的能量。
B、波形相似性
同一反射界面的反射波路程相近，在相邻道地震记录上波形（T、A、Φ）相似。
C、同相性
不同相位的同相轴彼此平行。
⑷、时间剖面
野外地震资料－数字处理－水平叠加（或偏移）的时间剖面，是地震资料经数字处理以后的主要成果。其纵轴为t0时间，横轴为CDP点在地面的位置排列，两个CDP点之间的距离为道距离的一半。
⑸、时间剖面的地质解释
①、地层标准层的确定和追踪
结合地质和钻孔资料，在时间剖面上找出特征明显、可连续追踪对比、具有地质意义的标准层。
②、断层的识别
A、反射波同相轴错位，但是两侧波组关系稳定、特征清楚，反映断层断距小、延伸短、破碎带窄。
B、反射波同相轴突然增减或消失，波组间隔突然变化，反映基底大断层。
C、反射波同相轴产状突变，反射零乱或出现空白带，反映断层错动，两侧地层产状突变。
D、标准反射波同相轴发生分叉、合并、扭曲、强相位转换等，是小断层的反映。
③、不整合的识别
在角度不整合面上，时间剖面出现多组视速度有明显差异的反射波组，并且沿水平方向有逐渐合并和尖灭的趋势。
⑹、解释成果图件
①、深度剖面图
地震资料经数字处理后得出的主要成果是时间剖面，但是时间剖面不是地质剖面，必须进行时－深转换处理。
②、地震构造图2018年5月5日编写于重庆
2018年5月23日修改于重庆
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