一种海底浅部沉积层剪切波速度探测装置及方法

摘要

本发明公开了一种海底浅部沉积层剪切波速度探测装置及方法，属于海洋地震勘探技术领域。方法实现包括如下步骤。首先进行作业区人工地震探测系统设计，主要是给定合理的海底地震仪器设备投放间距和海面气枪激发间距；按照设计进行海上人工源地震作业。其次开展海底面波的数据预处理，包括格式转换、钟差校正、数据截取等。然后进行海底面波频散能量成像、频散曲线提取。最后开展频散曲线反演。装置基于上述方法实现。通过本发明可实现海底浅部沉积层剪切波速度成像，为我国海洋地质工程调查、海洋地球物理调查提供新的技术支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及属于海洋地震勘探技术领域，具体涉及一种海底浅部沉积层剪切波速度探测装置及方法。主要应用于海洋地质工程调查，同时应用于海洋地球物理调查。

背景技术

海洋浅部沉积层剪切波速度结构探测在海洋地质工程、海洋地球物理调查中至关重要。在许多海洋工程建设活动中，如海上石油平台、海洋风场、海底管道和海底隧道等，需要评价海底沉积层是否存在“软”的介质、断裂等，除了高成本的海底钻井这种直接探测方式外，浅海沉积物的剪切波速度结构是一种有效的间接评价手段。在海洋地球物理勘探中，为了开展多波多分量海底地震勘探，需要先验的浅部剪切波速度模型。在海洋深部剪切波速度成像中，需要先验的浅部沉积层剪切波速度模型进行剪切波到时差校准。

利用海底的体波和面波均可开展浅部沉积层剪切波速度研究。相对于海底体波探测技术，海底面波具有横向衰减慢、传播距离更远的优势。因浅部沉积层往往剪切波速度特别低，体波的压缩波-剪切波比值较低，很难在海底采集到可用于研究的高信噪比转换波。但面波具有频散特性，该特性使得海底面波相速度对浅部沉积层的剪切波速度最为敏感，有利于海底面波频散曲线反演剪切波速度结构。

海底面波是指在海水和沉积物界面之间传播的界面波，因外国学者Scholte于1947年率先完成数学证明，垂向或径向的海底面波命名为舒尔特波(Scholte-wave；Scholte,1947)。切向的海底面波与陆地的切向面波名称一致，均称为勒夫波(Love-wave；Love,1911)。

在海洋地质工程和地球物理调查中，浅部沉积层剪切波速度探测是基础内容。但因海洋特殊环境，对探测仪器、作业方式和数据处理提出了新的要求，传统海洋钻井方式经济成本高。因此，有必要研发一种海底浅部沉积层剪切波速度探测装置及方法，可行性高、算法稳定、施工成本低、反演结果可靠，将为海洋地质工程、海洋地球物理调查提供可靠技术支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海底浅部沉积层剪切波速度探测方法，以解决海洋地质工程调查中浅部沉积层剪切波速度的成像问题，通过海底面波数据采集、主动源道集数据预处理、频散能量成像与多模频散曲线反演，实现海底浅部沉积层剪切波速度成像。这将大大降低海洋地质工程中大面积浅部沉积层地质普查的成本，为快速高效实现区域海洋地质工程调查提供可能，更为海洋多波多分量地震勘探、海底深部剪切波成像提供了重要先验参考模型。

具体的，海底浅部沉积层剪切波速度探测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤101：针对探测区域设计观测系统，包括海底地震仪投放点位与气枪激发间距的确定；按照设计的观测系统进行海上地震数据采集，包括海底地震仪投放、气枪放炮、海底地震仪回收、海底地震仪数据回收；

步骤102：利用人工震源激发的时间与位置导航信息，从海底地震仪连续记录数据序列中截取海底地震仪所在台站对应的共接收点道集，对共接收点道集先后完成时间漂移校正、道均衡处理与带通滤波处理，将结果输出保存为SU或SEGY格式；

步骤103：读取海底地震仪垂向分量的SU或SEGY格式数据，利用相移法进行频散能量成像；从频散能量结果图中，按照能量振幅极大值，提取多阶舒尔特波频散曲线；

步骤104：根据半波长理论选取最大反演深度，建立一维初始地球物理模型，建立多模频散曲线反演目标函数，基于阻尼最小二乘优化算法求取该目标函数，迭代至预设目标函数收敛，获得最优反演模型；

步骤105：保存输出最优反演模型，作为最终的海底浅部沉积层剪切波速度结果。

另一方面，本发明还提供了一种用于实现上述方法的海底浅部沉积层剪切波速度探测装置，所述装置包括：海底人工源地震数据预处理模块，用于转换原始数据格式、提取共接收点道集、进行姿态校准、时钟漂移校正、道均衡及带通滤波；舒尔特波频散能量成像模块，用于计算共接收点道集的频散能量谱；舒尔特波频散曲线提取模块，用于从频散能量谱中通过振幅极值提取频散曲线；舒尔特波频散曲线反演模块，用于反演拟合最优浅部沉积层剪切波速度模型；剪切波模型保存输出模块，用于保存和输出最优剪切波反演迭代模型。

本发明的有益效果在于：本发明设计一种海底浅部沉积层剪切波速度探测装置及方法，对于海底浅部沉积层剪切波速度探测难题，利用海底地震观测仪器与人工震源激发的海上作业方式，经后期面波频散分析成像获得浅部沉积层剪切波速度结构。通过本发明可实现海底浅部沉积层剪切波速度成像，为我国海洋地质工程调查、海洋地球物理调查提供新的技术支撑。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是本发明装置的结构框图。

图3是本发明观测系统设计示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

如图1所示，本发明提出的一种海底浅部沉积层剪切波速度探测方法，包括如下步骤：

步骤101：针对探测区域设计观测系统，包括海底地震仪投放点位与气枪激发间距。按照设计观测系统进行海上地震数据采集，包括海底地震仪投放、气枪放炮、海底地震仪回收、海底地震仪数据回收。

步骤102：利用人工震源激发的时间与位置导航信息，从海底地震仪连续记录数据序列中截取该台站对应的共接收点道集，并先后完成时间漂移校正、道均衡处理与带通滤波处理，并输出保存为SU或SEGY格式。

步骤103：读取海底地震仪垂向分量的SU或SEGY格式数据，利用相移法进行频散能量成像。从频散能量结果图中，按照能量振幅极大值，提取多阶舒尔特波频散曲线。

步骤104：根据半波长理论选取最大反演深度，建立一维初始地球物理模型，建立多模频散曲线反演目标函数，基于阻尼最小二乘优化算法求取该目标函数，迭代至预设目标函数收敛。

步骤105：保存输出最优反演模型，作为最终的海底浅部沉积层剪切波速度结果。

上述步骤101中，以图3为例进行说明，图3中，S点位海底地震观测设备仪器投放点位，O

为获得图中点A点处海底浅部沉积层剪切波速度结构，需要先设定气枪激发震源的最大偏移距Δ，一般取值最小为2500m，更大偏移距会提高频散能量成像分辨率；在距离最大偏移距Δ一半的位置设计海底地震仪器观测点位(图3中S点)；最后设计气枪的投放深度与激发点距，气枪投放深度范围为5-10m，视作业船只、海况和气枪设备而定，气枪激发点距Δ

其中，V

上述步骤103中，用相移法计算舒尔特波的频散能量谱方法如下。对时空域垂向分量海底舒尔特波共接收点道集r

R

其中，i为道数序号，x

其中，|R

给定任一点的舒尔特波相速度v

其中，j为复数单位。选取一定的舒尔特波相速度范围和频率范围，以特定的相速度和频率间隔循环计算该范围内所有点对应的频散能量值，即可获得该时空域共接收点道集的舒尔特波频散能量谱。

上述步骤104中，反演一维模型最大深度(H

其中，v

上述步骤104中，首先建立正演频散曲线函数为：

其中，m为建立模型的总层数，(f

ρ＝0.18lg(v

剪切波的速度(地球模型参数)可以用n维长度的矢量x表示：

x＝[v

舒尔特波的相速度也可以用m维长度的矢量b表示，

b＝[b

因为频散曲线正演公式F

JΔx＝Δb

Δb＝b-c(x

因为在频散曲线中包含的数据点的数量远大于定义的层数(m>n)，我们定义目标函数为

其中：||HΔx-Δb||

其中：

目标函数的解为

Δx＝(A

式中A＝LJ，A可以分解为A＝UΛV

Δx＝V(Λ

其中：d＝Lb，L是单位矩阵。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种海底浅部沉积层剪切波速度探测装置

图2是本发明的一种海底地震仪自动重定位装置的一种结构框图，包括，海底人工源地震数据预处理模块201，舒尔特波频散能量成像模块202，舒尔特波频散曲线提取模块203，舒尔特波频散曲线反演模块204，剪切波速度模型保存输出模块205，对该结构说明如下。

海底人工源地震数据预处理模块201，用于读取原始海底人工源地震数据，实现转换原始数据格式、提取共接收点道集、进行姿态校准、时钟漂移校正、道均衡及带通滤波。

舒尔特波频散能量成像模块202，用于计算共接收点道集的频散能量谱。

舒尔特波频散曲线提取模块203，用于从频散能量谱中通过振幅极值提取频散曲线。

舒尔特波频散曲线反演模块204，用于反演拟合最优浅部沉积层剪切波速度模型。

剪切波模型保存输出模块205，用于保存输出最优剪切波反演迭代模型。

上述模块202中，用相移法计算舒尔特波的频散能量谱方法如下。对时空域垂向分量海底舒尔特波共接收点道集r

R

其中，i为道数序号，x

其中，|R

给定任一点的舒尔特波相速度v

其中，j为复数单位。选取一定的舒尔特波相速度范围和频率范围，以特定的相速度和频率间隔循环计算该范围内所有点对应的频散能量值，即可获得该时空域共接收点道集的舒尔特波频散能量谱。

上述模块204中，反演一维模型最大深度(H

其中，v

上述模块204中，首先建立频散曲线正演函数为：

其中，m为建立模型的总层数，(f

ρ＝0.18lg(v

剪切波的速度(地球模型参数)可以用n维长度的矢量x表示：

x＝[v

舒尔特波的相速度也可以用m维长度的矢量b表示，

b＝[b

因为频散曲线正演公式F

JΔx＝Δb

Δb＝b-c(x

因为在频散曲线中包含的数据点的数量远大于定义的层数(m>n)，我们定义目标函数为

其中：||JΔx-Δb||

其中：

目标函数的解为

Δx＝(A

式中A＝LJ，A可以分解为A＝UΛV

Δx＝V(Λ

其中：d＝Lb，L是单位矩阵。本发明实现了如下技术效果：一种海底浅部沉积层剪切波速度探测方法与装置，利用人工震源激发与海底地震仪器实现数据采集的方式，结合系列人工源地震道集数据预处理、相移法频散能量成像、频谱曲线提取、频散曲线反演，实现海底浅部沉积层的剪切波速度结构探测。此方法技术是海洋地质工程与海洋地球物理调查的基础内容，通过定量海底舒尔特波频散曲线的提取与反演计算，可间接获得具有参考价值的海底浅部沉积层剪切波速度结构，在海洋探测开发中有重要应用价值。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。