摘 要

摘　要：海底高频地震仪(HF-OBS)可获得含天然气水合物(以下简称水合物)层的纵横波速度、波阻抗等多种有效地震反射信息，对准确估算水合物的资源量具有重要意义。根据我国南海北

摘　要：海底高频地震仪(HF-OBS)可获得含天然气水合物(以下简称水合物)层的纵横波速度、波阻抗等多种有效地震反射信息，对准确估算水合物的资源量具有重要意义。根据我国南海北部海底水合物HF-OBS勘探实例，基于射线追踪法、双聚焦法、波动方程的正演模拟法3种方法，对HF-OBS观测系统进行了优化设计，并利用纵横波联合走时反演获得了该区含水合物层的纵横波速度关系。结论认为：①采用射线追踪法模拟目的层射线分布和叠加次数，同时结合波动方程的正演模拟结果，可以有效地进行观测系统优化设计；②双聚焦理论的参数模拟能够进一步验证观测系统设计的合理性，针对特定的水合物目标体，为了获取矿体内部精细的速度结构，HF-OBS的分布形态应采用长方形或正方形的矩阵分布，分布间距以300～500m为宜；③优化后的观测系统有利于获得高质量的HF-OBS地震数据，而纵横波联合反演获得的速度信息减小了水合物识别的不确定性。

关键词：中国南海  海底高频地震仪  观测系统  优化设计  天然气水合物  声波速度  联合走时反演  分布形态

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

海洋天然气水合物(以下简称水合物)的识别，通常利用地震反射特征——如水合物赋存的四大地震异常特征(即BSR、BZ、速度异常及极性反转)来确定其分布，而含水合物层物性参数主要通过地震反射信息间接获取。由于水合物纵波速度比海洋正常沉积物要高，致使水合物沉积物的体积模量增加；同时，沉积物孔隙内的水合物胶结物也改变了沉积物的剪切模量，沉积物内声波阻抗亦呈“谱白化”现象。因此，随着勘探程度的深入，需要高精度的速度和高分辨率地震波形资料以获得含水合物沉积物的空间分布及其物性参数，对水合物的资源量进行估算。由于水合物海底高频地震仪(HF-OBS)观测具有震源与检波器间的距离大、曳航方式获得低角度反射波、能够较直观地观测BSR反射波波形等优点，因此，利用HF-OBS可获得含水合物地层的纵波速度(vp)、横波速度(vs)、速度结构及波阻抗等的变化，对准确估算水合物的资源量具有重要意义^[1-2]。此外，海底高频地震仪调查获取的多种资料还可满足波形反演、走时反演、非线性全波形走时联合反演等各种研究的需要。目前HF-OBS在我国已经由研制和试验阶段逐渐转化为成熟应用阶段^[3-4]，近年来广州海洋地质调查局采用HF-OBS探测技术，对水合物进行了详细勘探和深入研究^[5-7]。

1　HF-OBS结构及工作原理

1．1　HF-OBS结构和勘探特点

20世纪90年代以前，以拖缆为主体的人工地震探测方法为探测海底地球物理信息的主流方法。但是，在复杂多变的海洋环境中，海水的存在无疑产生了诸多不利影响，例如，微弱的地震信息受到海水层的作用而产生明显衰减，从而导致信号畸变等。此外，拖缆采集无法获得有效的横波信息，从而难以满足地层速度结构等研究。随着海洋地震学的诞生与发展，对海洋岩石圈与地壳结构、地球起源、地震起因乃至海洋资源与环境等研究迫切需要一种能够接收海底地震纵横波的高保真度、大动态范围的探测仪器。因此，海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer，OBS)应运而生，从而揭开了海洋勘探OBS技术研究的序幕。海底高频地震探测系统(High Frequency Ocean Bottom SeiSmometer，HF-OBS)，因其具有较宽的频宽和良好的高频响应特性，在天然气水合物勘探方面受到越来越多的关注和重视^[8]。

天然气水合物海底高频地震仪(HF-OBS)除了需要具备较宽的勘探频带与良好的高频响应特性之外，还要求仪器与海底之间具有良好的耦合特性。因此，仪器设计主要围绕以下3个方面开展设计：①高采样率的模数转换模块设计；②姿控检波器的没计与性能优化；③海底耦合的研究与HF-OBS的结构设计^[9-10]。其结构由塑料壳玻璃仪器舱、脱钩机构、沉耦架3部分组成(图1)。其中，塑料壳玻璃仪器舱是海底地震仪的主体部分，也是其可回收部分，它内部采用单球一体化结构，主要由水声通讯模块、检波器与常平装置、采集系统的电子电路、地震仪电源、数据提取模块、无线数传模块及电子电路版频闪等构成。

1．2　HF-OBS工作原理

如图l-a所示，HF-OBS共有4个地震通道，其中1个通道为水听器(只能接收纵波，即H分量)，另外3个通道为三分量动圈式速度换能器(位于仪器底部与海底接触，可接收横波)，工作频带介于5～250Hz，采集器动态范围超过110dB；地震采样率不低于1ms；在2ms采样率下，在水下的连续工作时间可超过60d；采用内置罗盘进行定向，声学测距设备实现水下定位；工作水深超过4000m，满足我国南海海域天然气水合物地震数据采集的需要^[11]。

 

三维拖缆地震与HF-OBS的联合勘探在近年来水合物地震勘探中经常用到^[12]，其目的是综合利用纵、横波信息详细了解水合物矿体的内部结构。根据勘探目的，将多个HF-OBS以不同的排列方式置于海底目标点以采集地震信号，达到拖缆和HF-OBS联合记录纵横波地震反射信息的目的，其典型的采集方式见图1-b。为保证地震仪能位于期望位置，通常将仪器随钢缆下放至距海底一定深度后，使仪器自由下落至海底。在完成采集后通过指令使地震仪脱钩上浮^[13]。

2　HF-OBS观测系统优化设计

水合物勘探区海底地形地貌情况通常较复杂，HF-OBS投放数量有限，为了获取地层的纵波、转换横波等多种有效的地震波信息，对HF-OBS站位的分布形态、分布间距等技术参数选择非常重要。因此，在海上资料采集前，需要针对水合物探区的海底地质条件，进行海底地震观测系统模拟。

图2为南海北部陆坡测线A的地震剖面，剖面上BSR非常清晰、连续，振幅空白带、与地层斜交等特征明显。为了进一步弄清水合物矿体的内部速度特征，观测系统设计以突出地震测线所穿过的水合物矿体作为目标。

 

2．1　射线追踪法

射线追踪法是在以往水合物调查的基础上，针对特定的水合物目标体采用“二维拟三维”的方法建立三维数据体，然后沿特定方向抽取地震剖面，模拟海上采集的作业环境，分析HF-OBS分布区间的射线数量，最终确定HF OBS的分布形态与分布间距，实现观测系统设计。以地震剖面上水合物为特定目标，建立相应的地质模拟模型，模拟野外采集的作业环境，计算不同测线段内覆盖次数以及均匀程度，分析HF-OBS分布区间的射线数量，从而最终确定HF-OBS的形态间距与分布形态，实现观测系统优化设计。

通过目标体的二维地震剖面，按HF-OBS分布间距，通过射线追踪模拟，分析纵、横波接收情况，根据覆盖次数与均匀程度，选取最佳的覆盖效果(图3)。图中蓝色表示水合物目标体(剖面)，射线所指的红色区域表示所对应的反射转换波射线分布区域。通过对HF-OBS分布间距为100m、200m、300m、400m、500m、600m、700m和1000m等情况下模拟得到的几组数据的分析比较，分别计算落入不同距离的线段内的叠加次数，并用色标进行表示，然后分析叠加次数的均匀程度和覆盖效果。当HF-OBS分布间距在500m以下时(300～400m效果最佳)，线段内的叠加次数达超过30次，并且叠加次数的分布比较均匀。最后，确定HF-OBS台站间距小于500m时效果较好，且分布间距愈小，所使用的HF-OBS台数愈多，叠加次数愈高，覆盖效果愈好。

 

因此，针对天然气水合物目标体，结合软件模拟和实际投放时海流等因素所造成的投放误差的影响，最终确定针对特定目标体的HF-OBS最佳观测系统方案如下：分布间距应该小于500m，300～400m效果最佳；分布方式为长方形或正方形的矩阵分布方式。

2．2　双聚焦法

双聚焦法以双聚焦理论为基础，通过评价主瓣分辨率、主瓣能量、旁瓣能量及主旁瓣能量比等设计观测系统的一种方法。通过对射线追踪法和双聚焦法两种方法所设计的观测系统进行对比验证，最终合理设计海底地震探测观测系统^[14]。根据双聚焦理论^[15]，震源在目标体周围一定范围内激发，将检波器置于目标点。因此，可以用震源阵列聚焦束评估观测系统中震源对目标点的成像分辨率的影响。具体做法是：①选取不同的炮点间距、测线间距(炮线间距)，进行聚焦模拟；②选取不同的HF-OBS分布间距，进行聚焦模拟；③根据分析结果，确定最佳的观测系统。

2．2．1评价准则

基于双聚焦理论研制的软件评价准则，主瓣分辨率要高(分辨率曲线中最大极值点与左右第一极小值点间距离大者表示分辨率)；主瓣能量大，且聚焦点的位置应为目标点的位置；主旁瓣能量比(主瓣能量与旁瓣能量的比值)大。因此，设计HF-OBS观测系统时，首先将震源阵列置于目标点位置，HF-OBS当成接收点分布于目标点周围的海底附近，接收地震信号，当聚焦波束主瓣能量大且波束位置不变，旁瓣能量小且旁瓣数少时，表示HF-OBS的分布间距合理，从而达到HF-OBS观测系统设计的目的。

2．2．2聚焦模拟

在以往调查的基础上，建立水合物目标层与相邻地层简化的地球物理模型，将BSR简化为平行海底的地层。假定炮间距与线间距分别为25m(与野外采集一致)，然后根据不同HF-OBS分布间距聚焦模拟。

2．2．3参数确定

图4为聚焦模拟效果图。当HF-OBS分布间距为500m时，出现明显旁瓣，但模拟震源的位置并未发牛变化(图4-b)；当分布间距为750m时，模拟震源的位置发生变化，成像效果明显变差(图4-c)；当分布间距变小时，模拟成像效果愈来愈好(图4-a)。

 

在南海北部陆坡进行水合物三维地震与海底地震联合采集试验时，由于试验海域海流变化大、速度快，HF-OBS投放位置精度误差较大。据试验统计，如果HF-OBS采用海面投放方式，位置误差为l00～500m。另外，观测系统设计时，需要考虑HF-OBS台站不可能太多。综合上述因素，双聚焦理论的模拟结果表明：HF-OBS分布间距应小于500m，并且愈小愈好。

2．3　波动方程的正演模拟法

采用正演模拟方法首先根据研究区资料建立地质模型，然后将震源置于目的层中，根据波动理论正演合成地震记录，在地表接收地震记录，再将接收到的地震记录成像到震源位置。根据正演结果，可以模拟HF-OBS接收信息的地层效果，用于指导野外采集。

以南海北部陆坡地震测线A所对应的二维地震剖面作为波动正演模型的基础，炮点位于模型中间的海面上，在海上和海底同时接收。图5为波动方程正演模拟的结果与HF-OBS实际接收资料的效果对比图。正演模拟结果可以帮助分析野外HF-OBS数据的接收效果，对野外采集具有较好的指导作用。

 

3　效果分析

根据观测系统设计研究结果，广州海洋地质调查局于2006年在南海北部陆坡利用HF OBS进行了采集试验，研究区水深介于1000～1750m。试验时采用三维地震与海底地震联合采集方式：把HF-OBS投放到具有明显BSR显示的海底位置，以提高采集地震数据的针对性。

试验一共投放了20台HF-OBS；针对可能的水合物矿体目标，HF-OBS采用长方形矩阵(5×4阵列)进行布设，分布间距为500m；激发震源为540in³(1in＝25.4mm)的GI枪组合“点震源”系统，炮间距为25m，线间距为25m(图6)。考虑到HF-OBS与海底的耦合度及静止于海底后的稳定性，施工时HF-OBS的投放点选择相对平缓的区域，以尽可能消除海流的影响；而且投放时以钢缆控制HF-OBS下降，到达一定深度后让其在水中自由下落至海底，因此，每个HF-OBS在海底的实际位置及其间隔与设计位置会不一致。试验结束后，实际回收l3台HF-OBS。

 

图7为拖缆采集纵波数据与HF-OBS采集转换横波数据成像对比。尽管由于HF OBS数量有限并且其实际位置不可控等因素造成纵波的整体成像效果优于横波，但在沉积物物性发生变化的界面，横波成像数据表现出更明显的异常特征。

 

对比可以发现，BSR在横波成像数据的强振幅特征明显，也更容易识别。特别是在气体运移通道位置，纵波成像数据表现为一个模糊反射区域，而横波成像数据可以确定明显的反射界面，这也是横波信息不受流体干扰最好的证明，其成像结果对于水合物形成所需游离气是如何运移至水合物稳定带以及整个水合物储层系统的地质模式有更充分的认识^[16-17]。

尽管横波的整体成像效果尚无法与纵波相比，但其走时信息可用于纵横波速度联合反演以获得HF-OBS所在位置较可靠的纵波和横波速度，进而进行定量分析并确定水合物存在与否。图8为HF-OBShl7站位的速度反演结果。纵横波速度在BSR上部明显增大，纵波速度值介于1788～2742m／s，增幅为420～1090m／s；横波速度介于400～600m／s，增幅为200～260m／s，反映水合物矿体的存在。浅部的纵波速度急剧下降而横波几乎没有变化，表明此处存在浅部游离气或游离气运移通道。从图8可以看出，HF-OBS反演速度的垂向分辨率比传统的速度谱分辨率有了很大的提高，充分揭示了天然气水合物的纵、横波速度结构，并且速度结构异常与BSR及水合物矿体的分布层位有很好的对应关系^[18]，从而增强了对水合物矿体的分辨能力。

 

4　结论

1)采用射线追踪法模拟目的层射线分布和叠加次数，同时结合波动方程正演模拟显示剖面的合成效果，可以进行有效的观测系统的优化设计。双聚焦理论的参数模拟能够进一步验证观测系统设计的合理性；针对特定的天然气水合物目标体并结合实际地质情况，为了获取矿体内部精细的速度结构，HF-OBS的分布形态应采用长方形或正方形的矩阵分布方式，分布间距以300～500m为宜。

2)通过HF-OBS探测获取了含水合物地层的纵波、转换横波等多种有效的地震波信息，野外采集数据质量较高。

3)HF-OBS获得的横波信息是对常规地震资料的有效补充，可以减小常规地震资料解释的不确定性。

 

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本文作者：沙志彬  郑涛  张光学  刘学伟  伍忠良  梁金强  苏丕波  王静丽

作者单位：中国地质大学(武汉)资源学院

  国土资源部海底矿产资源重点实验室·广州海洋地质调查局

  中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院