海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像装置及方法

摘要

本发明公开了一种海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像装置及方法，属于海洋地震勘探技术领域。方法实现包括如下步骤。首先进行海洋面波人工地震观测系统设计，根据作业区的地质情况设计合理的观测系统以保证成像的分辨率，完成海上人工源地震作业。其次开展海底面波的数据预处理。然后分别开展三分量地震计的舒尔特波与声导波频散能量成像、一分量水听计声导波频散能量成像。最后将三分量舒尔特波频散能量谱与一分量声导波频散能量谱进行叠加与归一化处理。装置基于上述方法实现。通过本发明可实现海洋四分量海洋面波的频散分析，提取多阶海洋面波频散曲线，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。

权利要求

1.一种海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤101：设计海洋面波人工地震观测系统，包括海底地震仪投放点位与人工震源激发点位；按照设计的海洋面波人工地震观测系统开展海上地震数据采集，包括海底地震仪投放、气枪放炮、海底地震仪回收、海底地震仪原始数据回收；

步骤102：利用人工震源激发的时间与位置导航信息，从海底地震仪记录的原始连续数据序列中截取气枪激发的共接收点道集，并完成剖面位置校正、钟差校正，然后进行道均衡处理、带通滤波处理，输出结果并保存为SU或SEGY格式；

步骤103：读取三分量地震计的人工震源共接收点道集数据，对三分量地震计进行姿态校正，获得炮线方向、垂直炮线方向和垂向的三分量地震道集数据，利用相移法对炮线方向和垂向的舒尔特波分别进行频散能量成像，分别获得舒尔特波炮线方向频散能量谱、垂向频散能量谱；

步骤104：读取水听计分量的人工震源共接收点道集数据，利用相移法对该分量的海洋声导波进行频散能量分析，获得水听计分量的声导波频散能量谱；

步骤105：将炮线方向舒尔特波频散能量谱、垂向舒尔特波频散能量谱和声导波频散能量谱进行叠加，对叠加后的海洋面波频散能量谱进行归一化处理，获得最终海洋面波频散能量图。

2.如权利要求1所述的海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像方法，其特征在于，所述方法步骤101中，对于用于采集海洋面波的海底地震观测设备海底地震仪，设备规格参数要求如下：四分量数采系统，包括三分量地震计和一分量水听计；三分量地震计为宽频带地震计，频带范围最低要求为1Hz–250Hz；声学水听计频带范围为5Hz–500Hz，具备低频3

声学信号记录能力；数据采样率500SPS，气枪激发震源要求气枪总容量3000inch ，激发子波频带范围宽度大于60Hz，其中高频不高于120Hz，低频不低于5Hz。

3.如权利要求1所述的海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像方法，其特征在于，所述方法步骤101中，观测系统设计水深不超过100m，气枪震源激发的最大偏移距不小于2500m；气枪的投放深度大于5m，气枪激发点距Δx需满足下式：其中，Vag为探测区域的海洋面波最小相速度，fmax为海洋面波可观测的最大频率；作业过程中，先投放海底地震仪，待海底地震仪着底后，再进行气枪震源激发作业，最后开展海底地震仪回收。

4.如权利要求1所述的海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像方法，其特征在于，所述方法步骤103中，对于三分量地震计姿态校正包括两步：首先校正翻滚角和俯仰角；

然后校正方位角；对俯仰角和翻滚角的校正方法如下：Vxyv＝RθRφVxyz

其中，Vxyv为校正至水平姿态的三分量地震数据列向量，Vxyz为原始三分量地震数据列向量，Rθ、Rφ分别为俯仰角和翻滚角的旋转矩阵，表达式为：其中，θ为俯仰角， 为翻滚角；进行方位角校正的方法为：Vrtv＝RγVxyv

其中，Vrtv为方位角校正后列向量，Rγ为方位角旋转矩阵，其中：其中，γ为利用直达波偏振分析获得的方位角。

5.如权利要求1所述的海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像方法，其特征在于，所述方法中，用相移法计算海洋面波的频散能量谱方法如下：对时空域垂向分量海洋面波共接收点道集ri进行傅里叶变换：Ri(xk,ω)＝FFT(ri)

其中，i为道数序号，xk为偏移距，Ri(xk,ω)为频谱；然后对频谱进行振幅归一化处理获得归一化频谱Ti(xk,ω)：

其中，|Ri(xk,ω)|表示取模运算；

给定一点的海洋面波相速度vs和频率ω时，获得该点的频散能量值为：其中，j为复数单位，选取海洋面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，获得该时空域共接收点道集的海洋面波频散能量谱；针对四分量舒尔特波和声导波频散能量谱计算，相速度计算范围取值为100m/s–

1800m/s，相速度计算间隔取值1m/s，频率范围取值0.8Hz–150Hz。

6.如权利要求1所述的海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像方法，其特征在于，所述方法中，对炮线方向舒尔特波频散能量Dr(vs,ω)、垂向舒尔特波频散能量Dz(vs,ω）与水听计分量声导波频散能量Dd(vs,ω)利用下式进行叠加、归一化处理：其中，Ds(vs,ω)为叠加归一化海洋面波频散能量值。

7.一种用于实现权利要求1至6任一项所述的海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像方法的海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像装置，其特征在于，所述装置包括：海底地震仪原始数据读取模块，用于读取海底地震仪记录的原始二进制格式数据；海洋面波数据预处理模块，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；海洋面波相移法分析模块，用于计算共接收点道集的频散能量谱；海洋面波频散能量叠加模块，用于叠加舒尔特波和声导波频散能量谱，并进行归一化处理；海洋面波频散能量谱保存输出模块，用于保存输出经归一化的海洋面波频散能量图。

说明书

海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及属于海洋地震勘探技术领域，具体涉及一种海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像装置及方法。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

[0002] 因海洋浅部沉积层的剪切波速度与剪切模量直接相关，剪切模量常常作为一种间接评价手段，被广泛应用于海上石油平台、海洋风场、海底管道和海底隧道等海洋工程建设
中，以衡量海底沉积层中是否存在“软”的介质、裂隙及含水溶洞等。在我国近海海域，浅部
沉积层多为松软的泥沙岩，对应剪切波速度值最低达80m/s，传统的体波剪切波分析方法很
难获得高信噪比的转换波数据。而海洋面波具有频散特性，横向传播衰减较慢，且频散曲线
对于剪切波速度参数敏感度最高，海洋面波频散分析方法技术成为一种目前应用最广、技
术最可靠的海底剪切波探测技术。

[0003] 在海底存在两种界面波，一种是频率介于1Hz‑20Hz的舒尔特波，以首次证明其存在的国外学者Scholte命名(Scholte,1947)；另一种是频率介于5Hz–150Hz的声导波
(Glangeaud等,1999；Klein等,2005)。两种波最大的不同是，舒尔特波沿海水与海底的分界
面传播，声导波在海水中沿海面和海底多次反射传播。这就决定了两种波的速度存在较大
差异，舒尔特波一般与浅部剪切波速度相关，其速度值是剪切波速度值的0.95倍，速度较
低；声导波速度则介于海水中压缩波(P波)和浅部沉积层压缩波速度之间，远高于舒尔特
波。

[0004] 目前现有技术都是单纯利用一种海洋面波进行频散能量成像，无两种不同类型海洋面波联合成像先例。在舒尔特波频散能量成像中，大多数研究仅只利用了垂向舒尔特波，
利用三分量舒尔特波开展频散分析的案例较少。在声导波海洋面波频散能量成像中，也是
仅利用了水听分量。实际上，三分量高频地震计同样记录了声导波，因此利用两种类型海洋
面波联合频散能量成像技术，将会大大促进海洋面波探测技术发展。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像方法，以解决海洋面波探测多阶频散曲线提取的难题，通过四分量海洋面波数据采集、四分量人
工源道集数据预处理、三分量舒尔特波频散能量成像、一分量声导波频散能量成像与四分
量频散能量谱叠加，实现舒尔特波与声导波四分量海洋面波联合频散能量成像。这将大大
提高海洋面波频散曲线的阶数，特别是能够更多高阶海洋面波频散曲线。高阶面波频散曲
线在后续的剪切波速度反演中会提供更多的约束，特别是能增加反演模型的深度、提高反
演模型的分辨率。

[0006] 具体的，海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像方法，所述方法包括以下步骤：

[0007] 步骤101：设计海洋面波人工地震观测系统，包括海底地震仪投放点位与人工震源激发点位；按照设计的海洋面波人工地震观测系统开展海上地震数据采集，包括海底地震
仪投放、气枪放炮、海底地震仪回收、海底地震仪原始数据回收；

[0008] 步骤102：利用人工震源激发的时间与位置导航信息，从海底地震仪记录的原始连续数据序列中截取气枪激发的共接收点道集，并完成剖面位置校正、钟差校正，然后进行道
均衡处理、带通滤波处理，输出结果并保存为SU或SEGY格式；

[0009] 步骤103：读取三分量地震计的人工震源共接收点道集数据，对三分量地震计进行姿态校正，获得炮线方向、垂直炮线方向和垂向的三分量地震道集数据，利用相移法对炮线
方向和垂向的舒尔特波分别进行频散能量成像，分别获得舒尔特波炮线向频散能量谱、垂
向频散能量谱；

[0010] 步骤104：读取水听计分量的人工震源共接收点道集数据，利用相移法对该分量的海洋声导波进行频散能量分析，获得水听计分量的声导波频散能量谱；

[0011] 步骤105：将炮线方向舒尔特波频散能量谱、垂向舒尔特波频散能量谱和声导波频散能量谱进行叠加，对叠加后的海洋面波频散能量谱进行归一化处理，获得最终海洋面波
频散能量图。

[0012] 另一方面，本发明还提供了一种用于实现上述方法的海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像装置，所述装置包括：海底地震仪原始数据读取模块，用于读取海底地震
仪记录的原始二进制格式数据；海洋面波数据预处理模块，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；海洋面波相移法分析模块，
用于计算共接收点道集的频散能量谱；海洋面波频散能量叠加模块，用于叠加舒尔特波和
声导波频散能量谱，并进行归一化处理；海洋面波频散能量谱保存输出模块，用于保存输出
经归一化的海洋面波频散能量图。

[0013] 本发明的有益效果在于：本发明设计一种海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像装置及方法，对于浅部沉积层剪切波速度低时提取高阶海洋面波频散曲线的难题，
利用三分量地震计舒尔特波频散能量谱与一分量水听计声导波频散能量谱叠加的方式，获
得多阶海洋面波频散曲线。特别是构建了一整套频散能量谱叠加分析技术，从四分量海洋
面波仪器设备、海上作业系统设计、后期数据处理方面均提出了具体技术要求、细节。

附图说明

[0014] 图1是本发明方法的流程图。

[0015] 图2是本发明装置的结构框图。

具体实施方式

[0016] 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

[0017] 如图1所示，本发明提出的一种海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像方法，包括如下步骤：

[0018] 步骤101：设计海洋面波人工地震观测系统，包括海底地震仪投放点位与人工震源激发点位。按照设计的观测系统开展海上地震数据采集，包括海底地震仪投放、气枪放炮、
海底地震仪回收、海底地震仪原始数据回收。

[0019] 步骤102：利用人工震源激发的时间与位置导航信息，从海底地震仪记录的原始连续数据序列中截取气枪激发的共接收点道集，并完成剖面位置校正、钟差校正，然后进行道
均衡处理、带通滤波处理，并输出保存为SU或SEGY格式。

[0020] 步骤103：读取三分量地震计的人工震源共接收点道集数据，对三分量地震计进行姿态校正，获得炮线方向、垂直炮线方向和垂向的三分量地震道集数据，利用相移法对炮线
方向和垂向的舒尔特波分别进行频散能量成像，分别获得舒尔特波炮线向频散能量谱、垂
向频散能量谱。

[0021] 步骤104：读取水听计分量的人工震源共接收点道集数据，利用相移法对该分量的海洋声导波进行频散能量分析，获得水听计分量的声导波频散能量谱。

[0022] 步骤105：将炮线方向舒尔特波频散能量谱、垂向舒尔特波频散能量谱和声导波频散能量谱进行叠加，对叠加后的海洋面波频散能量谱进行归一化处理，获得最终海洋面波
频散能量图。

[0023] 上述步骤101中，对于用于采集海洋面波的海底地震观测设备海底地震仪，设备规格参数要求如下：第一，四分量数采系统，包括三分量地震计和一分量水听计；第二，三分量
地震计为宽频带地震计，频带范围最低要求为1Hz–250Hz；第三，声学水听计频带范围满足
为5Hz–500Hz，具备低频声学信号记录能力；第四，数据采样率满足500SPS，最好能满足
3
1000SPS。对于气枪激发震源的要求，气枪总容量需满足3000inch的要求，激发子波频带范
围宽度大于60Hz，其中高频不高于120Hz，低频不低于5Hz。

[0024] 上述步骤101中，观测系统设计需满足水深不超过100m，气枪震源激发的最大偏移距不小于2500m，更大的偏移距会提高频散能量成像分辨率；气枪的投放深度大于5m，在水
深较大的区域建议投放深度大于10m；气枪激发点距Δx需满足下式：

[0025]

[0026] 其中，Vag为探测区域的海洋面波最小相速度，fmax为海洋面波可观测的最大频率。作业过程中，需先投放海底地震仪，待海底地震仪着底后，再进行气枪震源激发作业，最后
开展海底地震仪回收。

[0027] 上述步骤103中，对于三分量地震计姿态校正包括两步：首先校正翻滚角和俯仰角，这样即保证垂向分量铅锤于海面法线方向；最后校正方位角，保证X分量指向炮线正方
向，Y分量垂直于炮线正方向。对俯仰角和翻滚角的校正方法如下：

[0028] Vxyv＝RθRφVxyz

[0029] 其中，Vxyv为校正至水平姿态的三分量地震数据列向量，Vxyz为原始三分量地震数据列向量，Rθ、Rφ分别为俯仰角和翻滚角的旋转矩阵，其表达式为：

[0030]

[0031] 其中，θ为俯仰角，为翻滚角。进行方位角校正的方法为：

[0032] Vrtv＝RγVxyv

[0033] 其中，Vrtv为方位角校正后列向量，Rγ为方位角旋转矩阵，其中：

[0034]

[0035] 其中，γ为利用直达波偏振分析获得的方位角。

[0036] 上述步骤103和步骤104中，用相移法计算海洋面波的频散能量谱方法如下。对时空域垂向分量海洋面波共接收点道集ri进行傅里叶变换：

[0037] Ri(xk,ω)＝FFT(ri)

[0038] 其中，i为道数序号，xk为偏移距，Ri(xk,ω)为频谱。然后对频谱进行振幅归一化处理获得归一化频谱Ti(xk,ω)：

[0039]

[0040] 其中，|Ri(xk,ω)|表示取模运算。

[0041] 给定海洋面波相速度vs和频率ω时，可获得该点的频散能量值为：

[0042]

[0043] 其中，j为复数单位。选取一定的海洋面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
集的海洋面波频散能量谱。针对四分量舒尔特波和声导波频散能量谱计算，建议相速度计
算范围取值与100m/s–1800m/s，相速度计算间隔取值1m/s，频率范围取值0.8Hz–150Hz。

[0044] 上述步骤105中，对炮线方向舒尔特波频散能量Dr(vs,ω)、垂向舒尔特波频散能量Dz(vs,ω)与水听分量声导波频散能量Dd(vs,ω)利用下式进行进行叠加、归一化处理：

[0045]

[0046] 其中，Ds(vs,ω)为叠加归一化海洋面波频散能量值。

[0047] 基于同一发明构思，本发明还提供了一种海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像装置。

[0048] 图2是本发明的一种海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像框图，包括，海底地震仪原始数据读取模块201，海洋面波数据预处理模块202，海洋面波相移法分析模块
203，海洋面波频散能量叠加模块204，海洋面波频散能量谱保存输出模块205，对该结构说
明如下。

[0049] 海底地震仪原始数据读取模块201，用于读取海底地震仪记录的人工源地震原始数据。

[0050] 海洋面波数据预处理模块202，用于海底地震仪位置校正、钟差校正、道均衡处理、带通滤波处理和姿态校正。

[0051] 海洋面波相移法分析模块203，用于通过相移法计算共接收点道集的频散能量谱。

[0052] 海洋面波频散能量叠加模块204，用于叠加、归一化处理舒尔特波和声导波频散能量谱。

[0053] 海洋面波频散能量谱保存输出模块205，用于保存输出叠加归一化的海洋面波频散谱。

[0054] 上述模块202中，对于三分量地震计姿态校正包括两步：首先校正翻滚角和俯仰角，这样即保证垂向分量铅锤于海面法线方向；最后校正方位角，保证X分量指向炮线正方
向，Y分量垂直于炮线正方向。对俯仰角和翻滚角的校正方法如下：

[0055] Vxyv＝RθRφVxyz

[0056] 其中，Vxyv为校正至水平姿态的三分量地震数据列向量，Vxyz为原始三分量地震数据列向量，Rθ、Rφ分别为俯仰角和翻滚角的旋转矩阵，其表达式为：

[0057]

[0058] 其中，θ为俯仰角，为翻滚角。进行方位角校正的方法为：

[0059] Vrtv＝RγVxyv

[0060] 其中，Vrtv为方位角校正后列向量，Rγ为方位角旋转矩阵，其中：

[0061]

[0062] 其中，γ为利用直达波偏振分析获得的方位角。

[0063] 上述模块203中，用相移法计算海洋面波的频散能量谱方法如下。对时空域垂向分量海洋面波共接收点道集ri进行傅里叶变换：

[0064] Ri(xk,ω)＝FFT(ri)

[0065] 其中，i为道数序号，xk为偏移距，Ri(xk,ω)为频谱。然后对频谱进行振幅归一化处理获得归一化频谱Ti(xk,ω)：

[0066]

[0067] 其中，|Ri(xk,ω)|表示取模运算。

[0068] 给定海洋面波相速度vs和频率ω时，可获得该点的频散能量值为：

[0069]

[0070] 其中，j为复数单位。选取一定的海洋面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
集的海洋面波频散能量谱。针对四分量舒尔特波和声导波频散能量谱计算，建议相速度计
算范围取值与100m/s–1800m/s，相速度计算间隔取值1m/s，频率范围取值0.8Hz–150Hz。

[0071] 上述模块205中，对炮线方向舒尔特波频散能量Dr(vs,ω)、垂向舒尔特波频散能量Dz(vs,ω)与水听分量声导波频散能量Dd(vs,ω)利用下式进行进行叠加、归一化处理：

[0072]

[0073] 其中，Ds(vs,ω)为叠加归一化海洋面波频散能量值。

[0074] 本发明实现了如下技术效果：一种海底地震仪四分量海洋面波多阶频散能量成像方法与装置，利用人工震源激发与海底地震仪实现人工源海洋面波数据采集，结合舒尔特
波频散能量谱成像、声导波频散能量谱成像、两种类型海洋面波频散能量谱叠加，实现多阶
多类型海洋面波频散能量谱综合成像。此方法技术是海洋面波分析中提取高阶频散曲线的
基础，利用从该技术频散能量谱结果图中的极值位置，可提取多阶海洋面波频散曲线，为海
洋面波频散曲线反演分析提供更多约束，会大大促进海洋面波探测技术的发展。

[0075] 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。