地震海洋学是什么?关于地震海洋学的详细介绍

创闻科学2020-11-17 12:25:30

地震海洋学是用地震学方法解决处理物理海洋学问题的一门新兴的学科,和传统物理海洋学方法相比较,该方法的主要优势在于提高了横向分辨率,并且能在很短的时间内对大范围海域进行成像。根据大百科全书的分类,地球科学主要包括固体地球科学、海洋科学、大气科学以及空间科学等学科。地球物理学与物理海洋学交叉形成地球物理海洋学,而地震海洋学则是地球物理海洋学发展的分支学科之一。

国内外发展现状

在2003年之前,反射地震主要研究的是海水底下的固态结构,海水中的地震信号被认为是噪声,在研究时需要被过滤掉。2003年,Holbrook等在Science上发表的论文,历史性地打开了对地震海洋学的研究大门。他们采用反射地震勘探的方法对北大西洋洋流(NAC)中的三条测线进行了实验分析,处理后得到的地震成像剖面非常清晰地展示了海水层的细结构,然后围绕着反射系数估算出海水层的温度分辨率大约为0.1℃。不仅如此,他们还通过进一步处理,发现拉布拉多洋流和NAC海洋锋处,海水层与层之间的交融过程中显现出的细结构,而且还发现了多种结构的反射层。从这时开始,世界上多个国家的物理海洋学家开始在地震海洋学这个方向开展合作。欧盟也于2006年至2009年着手推进了地球物理海洋学项目,2008年,第一届国际地震海洋学会议在西班牙召开,2009年《地球物理研究快报》开始出版地震海洋学专辑,这也标志着地震海洋学已经完全进入了一个新的、快速发展的阶段。

之后在2003和2004年,Nandi等人在挪威海上,同样用反射地震勘探方法对一条水平测线上采集到的数据做了处理。他通过对35个测点的投弃式温度探头(Expendable Bathy Thermo-graph,XBT)数据和两个测点的投弃式温盐深探头(Expendable Conductivity-Temperature-Depth system,XCTD)数据进行研究处理,最终结果显示叠加剖面和温度剖面非常吻合。另外,他通过对处理结果进行分析,得出的结论为低频反射地震技术可以探测最低温度为0.03℃的微小结构,并且该研究对大西洋暖流和挪威海深层冷水的范围同样有不错的描述。

2005年,Tsuji等重点研究了日本Muroto半岛不远处的黑潮现象。实验过程中,他们创新性地将81条地震剖面等同为一个剖面,并且认为每一个剖面在温盐结构上反映的偏差不是由实验测线位置不同引起的,主要原因在于时间不同。不仅如此,他们又围绕着1994年在足折(Ashizuri)半岛附近观测得到的温盐深仪(Conductivity-Temperature-Depth system,CTD)数据进行处理,计算出了海水的声速以及密度,并且通过更深一步处理,得到了反射系数。最后将得到的反射系数与35 Hz的瑞克(Ricker)子波做褶积处理生成了与偏移剖面非常类似的地震图。

国内虽然在地震海洋学上的研究尚处于起步阶段,但也有不少有价值的研究成果,比如振幅保真领域和海水层温盐结构研究等。近年来张宇、张关泉等系统性地开展了很多振幅保真工作的单程波方程偏移理论和算法研究。另外从2007年开始,上海同济大学的宋海斌教授带领他的团队在地震海洋学领域做了大量工作,极大地推动了地震海洋学地发展。具体来说,他们的团队提出并发展了用于研究并揭示海水层温盐结构的处理流程和一些用于特殊处理的方法。他们还通过对地震海洋学的物理性质进行坚持不懈的研究,积极搭建了物理海洋学与反射地震学这两门学科之间的联系。

2018年,武汉大学的鲁统祥等人针对海洋水层反射的处理方法做了大量研究。首先他们围绕着水介质反射特征在水体反射方向上开发了相应的处理技术,然后考虑到水介质间差异较小,水层反射信号相对较弱的特点,提出了水层弱信号保护方法。另外他们还针对水层噪声强、信噪比低的缺陷,利用高精度线性干扰滤波器技术(Linear Interference Filter Technique,LIFT)技术进行处理,得到干扰更少的道集。最后在所有研究成果的基础之上,他们提出了一套特别用于水层弱反射的情况下的处理方法,并且应用在实际海洋资料中的效果非常好。

地震海洋学理论基础

地震海洋学是利用反射地震勘探方法来研究海洋水平结构的一门新兴的交叉学科,2003年正式由Holbrook等人提出。和传统物理海洋学方法相比较,该方法的主要优势在于提高了横向分辨率,并且能在很短的时间内对大范围海域进行成像。地震海洋方法具有广阔的发展前景,必将在物理海洋学领域获得广泛应用,并对海洋学发展产生深远影响。

反射地震勘探在地震海洋学上应用时,由海平面浅层用气枪震源激发地震波。向水下传播时,只要接触到不同性质的介质分界面,就会在该位置反射,最后在与震源几乎同等高度处安置的检波器接收这种地震波。检波器或水听器接收到的地震波信号和震源的特性以及地震波传播通过的介质的诸多性质有关,故可通过接收到的地震波信号反演出很多海洋环境参数。

上图显示了反射地震勘探的实际工作过程。具体来说,震源(即炮点)处发出地震波信号后,经介质分层界面反射后由若干个检波器接收,然后通过电缆将接收到的地震道信号传送到处理中心中的地震仪器上进行处理分析,最后进行资料解释。炮点与每一个检波器之间经介质分层处反射过的信号传播路径称为地震道,震源放一炮后所有的道的集合称为共炮点道集。每放一炮,都会得到一个共炮点道集。在实际处理时,为了克服多次波和其他噪声的干扰,需要抽取共中心点(Common Middle Point,CMP)道集。为了方便形成CMP道集,炮点间距通常设为检波器间距的整数倍。

展望未来

1.速度拾取方向

在反射地震勘探法中的速度分析这一步,手动对速度值进行拾取虽然仍然是如今石油勘探行业拾取速度值的主要方式,但是石油勘探行业最关注的是地质形态,而不是单纯的速度值,就算在海洋中进行石油勘探,关注的主体也是海底的地质形态。在这种情况下,海水中的反射地震波信息对他们而言就是噪声干扰,需要去除。然而,不管是海底还是陆地,都是固体介质,声波传播速度都非常大,手动拾取速度值造成的误差相对真实速度值来说,完全可以接受。因此,目前工业生产上的大部分软件都是手动交互式拾取速度值,哪怕是当前国内石油勘探业最顶级的地震处理软件——GEOEAST,同样没开发出计算机自动拾取的功能。国外的地震数据处理巨头OMEGA虽然有一定的能力进行自动拾取,但是在精度控制上仍有发展空间,并且安装费用昂贵,只适用于大型商业公司使用,在科研单位的普及性不高。

行业内普遍认为,如果想高效地将反射地震勘探理论用于海水声速剖面的提取,未来开发出特定的处理海洋地震数据的商业软件是非常有必要的。尤其是自动拾取速度值这一步,理论上算法并不难实现。完全依赖处理陆地上地震数据的工具来处理海洋中的数据对提取海水声速剖面这一技术的发展并不是好事,相信这一问题未来一定会得以解决。

2.抽CMP道集方向

反射地震勘探法中非常重要的一步就是抽取的CMP道集,这一步是后面进行速度分析,NMO以及叠加的基础,其重要性可见一斑。抽取CMP道集的目的是将反射点在同一位置的所有数据放在一个道集里,这样可以有效提高信噪比,压制干扰信号。抽取CMP道集本身应用在陆地上没有任何问题,因为陆上主要分布的是固态介质,介质位置都是固定不变的,然而用来处理海水数据就会出现一些问题,因为海水是流体介质,建立观测系统后,在坐标轴上可以计算出每一个CMP号的坐标,并且可以将反射点在相同CMP位置的反射地震波找出来。然而在震源上一次激发放炮时,这个确定CMP坐标上的水介质已经不能说完全就是下一炮这一坐标上的水介质,因为水体具有流动性。这样实验后面进行叠加处理时,叠加的仅仅是某一确定坐标位置的地震波,而不是反映某一确定水介质层位置的地震波。

当前,这一问题并没有很好的解决办法,但是有学者提出未来可以根据实际的需要,扬长避短,尽量减少这一问题带来的影响,比如当重点关注深海声速剖面,或者海面环境非常良好时,海水流动相对而言不那么剧烈,可能更适合本方法来提取声速剖面。另外,也有学者提出可以选择在湖泊上进行试验,并可以借助外力设计实验,探究不同水面流动速度时反射地震勘探方法应用的精度情况。

3.试验优化方向

科研人员通过对某海域海试数据进行分析处理时发现,海试数据存在着非常多的干扰。对海试数据进行各种滤波切除处理是一件非常复杂、繁琐的工作,但是为了获取海水声速剖面,进行海洋试验是必不可少的。通过阅读某海域海洋试验班报(包含开展海洋试验的各种信息),以及实际处理海试试验数据,大部分学者认为有必要对未来海洋试验的展开过程进行研究。

当前处理海试数据是基于非常传统的开展方式获得的。进行试验时,震源每放一炮,检波器阵列接收一次数据,然后试验船前进一段距离,重复放炮,采集数据的流程。传统试验船为了提供相应的硬件设备与技术处理平台,因此具有非常大的体积,哪怕在船静止不动时,检波器阵列仍能采集到明显的船体本身带来的噪声,并且较大的试验船体积,在行驶过程中会加速水的流动,使得水体层与层之间杂糅更为剧烈,这些都不利于声速剖面的提取。为了改善获得的原始野外信号的质量,优化海试展开过程是非常有必要,比如尽可能地减小试验船体积,以及在船体外侧设计并安装隔音装置,尽量降低试验船带来的噪声。