海洋小多道地震高精度探测关键技术研究

【摘要】：海洋小多道地震高精度探测是一门正在发展的学科，是地球物理勘探方法中地震勘探的重要组成部分，也是海底科学与探测技术三维立体观测与探测重要支持体系之一。它对于资源调查、沉积构造单元划分和工程地质灾害等调查，特别是海洋油气和天然气水合物等能源的调查具有重要的战略意义。传统的多道地震探测由于排列长、道间距大、近海施工灵活性差等特点，通常适用于海底千米深度以下深层探测，一般用于海洋油气资源的探测；浅地层剖面由于频率高，穿透地层深度能力差，通常用于海底以下50m深度以内的高分辨率地层探测，一般适用于近海海洋工程建设的地球物理调查，而单道地震由于缺少多次覆盖，信噪比低，不能获得速度等资料，因此，对海底以下50-1000m深度范围内地层的高精度探测，目前常用方法达不到地质目标要求的深度和精度。基于小道距的高精度海洋地震探测手段可以弥补目前方法的不足，由于国外的小道距高分辨率海洋地震全数字拖缆技术对我国实施出口限制，因此，研究海洋小多道地震高精度探测关键技术有着重要的意义。论文依托国家973计划“南海北部天然气水合物的地球物理异常特征研究”的子课题“基于共反射面元的天然气水合物渗透特性研究”和国家自然科学基金“基于海洋地震学的近海海洋水体特征研究”，对海洋小多道地震高精度探测关键技术进行了重点研究，突破了宽高频大能量等离子体震源技术、小道距高分辨率数字拖缆技术及提高勘探精度的优化和处理方法，取得了显著的应用效果。 在对海洋地震勘探主要震源总结和分析的基础上，得出了气枪震源频率低、穿透地层能力高，换能器震源频率高、穿透地层能力低的结论。针对宽高频大能量电火花震源进行了系统和深入的研究，重点研究了基于脉冲电晕放电方式的宽高频大能量等离子体震源技术。首次利用比理想气体状态方程精度更高的昂尼斯方程来表征气泡的运动，探索了等离子体电火花震源电极阵列设计的原理和原则，获得了适合高精度海洋地震探测的电火花震源电极阵列方式。 针对目前海洋地震拖缆存在着道间距大、分辨能力低、不能很好地控制等缺点，系统的分析了各个构成单元的工作原理和关键技术，构成了小道距高分辨率数字拖缆技术。对用于拖缆工作性能测试的各个参数的意义及其测试方法进行了逐一研究和验证，通过实验手段对由相同水听器组合方式、不同填充介质组成的拖缆进行对比分析，获得了提高地震拖缆探测精度的方法。综合各项研究结果，研发了两套具有自主知识产权的高分辨率海洋多道数字拖缆。 根据虚反射和多次波的形成原因，研究了基于海洋小多道地震高精度探测系统的虚反射和多次波的主要特征及识别方法。对海洋小多道地震高精度观测系统和采集参数、方法进行了系统的分析，在此基础上得到了适用于该系统的野外工作方法。建立了野外观测系统布设和观测参数选择的流程，提高了野外观测的精度，建立了基于海洋小多道地震高精度探测的参数选择和处理流程最佳方法。 通过海洋小多道地震高精度探测技术与单道地震、浅地层剖面和大排列多道地震探测技术的比较，研究了海洋小多道地震高精度探测的主要应用范围和勘探目标，在我国首先实现了利用小多道地震高精度探测方法探测温盐细结构。利用自主研发的“高精度海洋地震勘探数据采集系统”和“高分辨率海洋地震勘探多道数字拖缆”在我国南海、东海、北黄海和渤海完成了近20000km的地震剖面。 通过宽高频大能量等离子体震源技术、小道距高分辨率数字拖缆技术及提高勘探精度的优化和处理方法关键技术的研究，主要取得了以下创新或突破： （1）首次利用非理想气体状态方程——昂尼斯方程来表征电火花震源激发产生的气泡的状态方程，该方程能够更好的反映实际气体的变化，基于此建立的震源子波模型也更接近实测子波信号。 （2）研发了“高分辨率海洋地震勘探多道数字拖缆”和“高精度海洋地震勘探数据采集系统”，具有探测精度高、分辨能力强、作业方式灵活、机动能力强等突出优点。 （3）取得了显著的应用效果。利用自主研发成果对我国部分海域开展了沉积构造单元划分、工程地质灾害调查、海洋能源尤其是天然气水合物调查，在我国某海域调查时发现了多处疑似BSR显示，在我国某海域首先实现了利用地震方法探测温盐细结构。“高精度海洋地震勘探数据采集系统”实现了1000m海水深度时能够穿透1000m深度地层，且地震波的主频能够达到1000Hz，高分辨率剖面能达到2m，浅层最高分辨能力达1m的目标。