CN112285768B - 一种高频海洋声导波频散分析装置及方法 - Google Patents

一种高频海洋声导波频散分析装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高频海洋声导波频散分析装置及方法，属于海洋地震勘探技术领域。方法实现包括如下步骤。首先是利用多道水听器在海水中开展人工源声导波数据采集。其次开展海洋声导波数据预处理，包括共炮点道集提取、道均衡与带通滤波等。然后利用线性倾斜叠加法进行频散能量成像，从频散谱的极值中提取频散曲线。最后构建频散曲线目标函数，利用遗传算法开展频散曲线反演。装置基于上述方法实现。通过本发明的频散分析技术，解决海洋地质工程调查、海洋地球物理调查中的海底浅部松软沉积层剪切波速度成像难题。

Description

一种高频海洋声导波频散分析装置及方法
技术领域
本发明涉及属于海洋地震勘探技术领域，具体涉及一种高频海洋声导波频散分析装置及方法。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
海洋地震探测技术作为一种核心地球物理探测技术，被广泛应用于海洋地质调查、海洋能源与资源勘查、海洋灾害预警评价与海洋国防安全中。地震波按照波的传播特性分为体波(body-wave)和面波(interface-wave)两种。海洋体波探测技术发展成熟，特别是海洋油气资源地震勘探技术日臻成熟，但海洋面波探测技术同样具有巨大潜力，发展缓慢、技术成熟度低。
在海洋中存在三种海洋面波，一种是天然地震类型的超低频海洋面波，因该频带范围的海洋面波受海水层影响较小，被命名为与陆地面波同名的瑞雷波(Rayleigh-wave)；第二种是能量集中与海水与海底界面之间的中低频海洋面波，被称为舒尔特波(Scholte-wave)；第三种是在海水中发生多次干涉的高频声波，被称为声导波(acoustic guidedwaves；Klein等,2005)。
尽管从21世纪初便着手对该技术的研究，但重点放在应用示范上，未提出整套的技术探测体系。目前仍未具体开展海洋声导波用于海洋浅部沉积层剪切波速度成像技术的研究，整套技术体系处于空白状态。
因此本发明提出了一套完整的基于人工源海底声导波波垂向分量数据，开展海底浅部沉积层剪切波速度分析的频散分析技术，涵盖了海洋声导波多道声波数据采集、海洋声导波数据预处理、海洋声导波频散能量成像、海洋声导波频散曲线反演。该套方法技术经济成本低、可行性高，将会成为海洋地质工程、海洋地球物理调查中的一把新“利剑”。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高频海洋声导波频散分析方法，以解我国近海浅海区、港湾区的松软沉积层剪切波成像难题，通过海洋声导波数据采集、共炮点声导波道集预处理、频散能量成像与频散曲线反演，实现海底浅部沉积层剪切波速度成像。相当于原有的海洋钻井探测手段，这种间接评价手段会大大降低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。
具体的，高频海洋声导波频散分析方法，所述方法包括以下步骤：
步骤101：基于多道水听计海洋地震探测设备，设计海洋声导波地震数据采集系统；按照海洋声导波地震数据采集系统完成海上施工，包括多道水听计投放、气枪投放、气枪放炮、多道水听计回收、气枪回收；
步骤102：将原始采集的多道水听计数据转换为SU或SEGY格式，提供单个气枪放炮点的共炮点道集，进行道均衡、带通滤波处理；
步骤103：读取垂向分量的海洋声导波共炮点数据，利用线性倾斜叠加法进行频散能量成像；从频散能量谱图中，按照能量振幅极大值，提取多阶海洋声导波频散曲线；
步骤104：建立描述频散曲线与海洋地球物理模型变量的目标函数，通过遗传算法迭代求解该目标函数，获得最优模型；
步骤105：保存并输出最优反演模型为海底浅部沉积层剪切波速度结构结果。
另一方面，本发明还提供了一种用于实现上述方法的高频海洋声导波频散分析装置，所述装置包括：海洋声导波数据整理模块，用于从原始探测的多道水听计数据中提取共炮点道集；海洋声导波预处理模块，用于对共炮点道集的道均衡、带通滤波处理；线性倾斜叠加处理模块，用于计算共接收点道集的频散能量谱；遗传算法多模频散曲线反演模块，用于反演拟合最优浅部沉积层剪切波速度模型；最优模型保存输出模块，用于保存输出最优剪切波反演迭代模型。
本发明的有益效果在于：本发明设计一种高频海洋声导波频散分析装置及方法对于近海、浅滩与海湾区的松软浅部沉积层剪切波速度成像难题，通过多道水听计与气枪震源激发相结合的海上作业方式，经面波频散分析成像获得浅部沉积层剪切波速度结构。特别是构建了一整套海洋高频声导波频散分析技术，从数据采集、频散能量谱计算、频散曲线反演方面，提出了具体技术要求、细节。
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是本发明基于多道水听计开展高频海洋声导波观测的数据采集系统示意图。
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，本发明提出的一种高频海洋声导波频散分析方法，包括如下步骤：
步骤101：基于多道水听计海洋地震探测设备，设计海洋声导波地震数据采集系统。按照该系统完成海上施工，包括多道水听计投放、气枪投放、气枪放炮、多道水听计回收、气枪回收。
步骤102：将原始采集的多道水听计数据转换为SU或SEGY格式，提供单个气枪放炮点的共炮点道集，进行道均衡、带通滤波处理。
步骤103：读取垂向分量的海洋声导波共炮点数据，利用线性倾斜叠加法进行频散能量成像。从频散能量谱图中，按照能量振幅极大值，提取多阶海洋声导波频散曲线。
步骤104：建立描述频散曲线与海洋地球物理模型变量的目标函数，通过遗传算法迭代求解该目标函数，获得最优模型；
步骤105：保存并输出最优反演模型为海底浅部沉积层剪切波速度结构结果。
具体的，如图3所示的基于多道水听计开展高频海洋声导波观测的数据采集系统示意图。其中，S点为气枪震源激发点位，R0和R1分别为海洋多道声学拖缆的起始端和末端对应点位，Δ为最大偏移距，B点为观测点位(即剪切波速度反演结果对应位置)。图中附图标记包括：气枪1；海面2；海底3；托缆4；水深5。
上述步骤101中，对多道水听计仪器设备的要求如下：第一，声学水听计频带范围覆盖5Hz–500Hz，具备低频声学信号记录能力；第二，声学水听计数据采样率满足1000SPS；第三，声学水听计终端数采系统时钟误差在1ms以内。对于气枪激发震源的要求，气枪总容量需满足3000inch3的要求，激发子波频带范围宽度大于50Hz，其中高频不高于100Hz，低频不低于1Hz。
上述步骤101中，以多道水听计拖缆为海洋声导波数据采集装备，地震数据采集系统要求如下：第一，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；第二，多道水听计拖缆设备总长度最小为2450m，多道的道间距建议小于25m，最佳道间距为10m；第三，气枪投放深度范围为5m–10m，视作业船只、海况和气枪设备而定。该作业方式中先投放多道水听计拖缆，然后投放气枪，同时开动船只按照轨迹前往作业点位进行放炮作业，作业完成后，先回收气枪，再回收多道水听计拖缆。
上述步骤103中，用线性倾斜叠加法计算海洋声导波频散能量谱方法如下。即对原始数据V(x,t)的N道地震道集记录进行变换至拉冬域m(p,τ)
Figure BDA0002726387960000031
t是时间，τ是偏移距为零时的时间，p是慢度，xk是炮检距(震源与接收点之间的间距)，xmin是最小偏移距，xmax是最大偏移距。对上式进行傅里叶变换，得到：
Figure BDA0002726387960000041
令V(xk,f)＝d(xk,f)，上式就可以写成如下的矩阵形式：
m＝LTd
式中：d和m为数据空间和模型空间向量；L＝ei2πfpx为拉冬正变换算子，LT为矩阵L转置。
上述步骤104中，反演一维模型最大深度(Hmax)的选择依据海洋声导波的半波长理论：
Figure BDA0002726387960000042
其中，vmax为所提取频散曲线的中海洋声导波的最大相速度取值，fmin为所提取频散曲线中最小的频率值。选取了最大深度后，可选取相同(如1m)或不同(浅部1m，深部10m)的层厚度来建立一维浅部沉积层地球物理模型。模型包括四个参数：层厚度(h，单位m)、压缩波速度(vp，单位m/s)、剪切波速度(vs，单位m/s)和密度(ρ，单位g/cm3)。模型第一层为海水层，厚度根据实测海水深度确定，压缩波速度取值1500m/s，剪切波速度取值0m/s，密度取值1.03g/cm3。
上述步骤104中，正演计算频散曲线的函数表示为：
Figure BDA0002726387960000043
其中，m为建立模型的总层数，(fi,ci)为提取的频散曲线对，fi为频率，ci为该频率对应的海洋声导波相速度，Vs为模型的剪切波向量
Figure BDA0002726387960000044
Vp为模型的压缩波向量
Figure BDA0002726387960000045
Figure BDA0002726387960000046
Figure BDA0002726387960000047
为模型的密度向量
Figure BDA0002726387960000048
Figure BDA0002726387960000049
为模型的层厚度向量
Figure BDA00027263879600000410
上述步骤104中，针对频散曲线反演的四个参数选择问题采取如下策略：在反演迭代过程中，为保证反演的稳定性和快速收敛，压缩波速度和层厚度保持恒定不变，仅反演剪切波速度，密度根据其与剪切波速度关系确定：
ρ＝0.18lg(vs)+0.23
利用遗传算法，可求解上述目标函数，获得的Vs最优解即为浅部沉积层的剪切波速度结构。首先建立如下反演目标函数：
Figure BDA00027263879600000411
其中，X即为所反演的剪切波分量Vs。di为第i阶海洋声导波的频散曲线，Fi为对某一输入模型正演计算的理论第i阶海洋声导波频散曲线，n为所提取的频散曲线总阶数。然后对反演的参数变量Vs中每一个未知变量采用随机生成二进制码0和1字符的方式进行编码，共形成m个顺序连起来的二进制串。对该二进制串进行解码(二进制转十进制)后，利用正演计算频散曲线函数求解该二进制串对应模型的理论频散曲线。然后采用下式计算该理论频散曲线的适应度：
Figure BDA0002726387960000051
其中，Ffit代表转换后适应度，Dmax为足够大的常数，Eij(X)为第i代第j个个体目标函数值。通过对各个体适应度的计算，根据适应度大学进行选择性复制，适应度大的个体被复制，适应度小的个体被抛弃。对于选中的任意两个个体，仿照生物学杂交的原理进行交叉计算，这种交叉计算的个体是被任意选择的。对被选择的个体的某一位进行二进制补运算，实现个体的变异。此时，即可通过判断最优个体适应度大小或误差是否达到要求，即可决定终止迭代与否。若不满足终止条件，继续进行适应度计算、复制、交叉、变异和检查终止条件，直至满足条件为止。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种高频海洋声导波频散分析装置。由于一种高频海洋声导波频散分析装置解决问题的原理与一种高频海洋声导波频散分析方法相似，因此一种高频海洋声导波频散分析装置的实施可以参见一种高频海洋声导波频散分析方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
图2是本发明的一种高频海洋声导波频散分析框图，包括，海洋声导波数据整理模块201，海洋声导波预处理模块202，线性倾斜叠加处理模块203，遗传算法多模频散曲线反演模块204，最优模型保存输出模块205，对该结构说明如下。
海洋声导波数据整理模块201，用于从原始探测的多道水听计数据中提取共炮点道集；
海洋声导波预处理模块202，用于对共炮点道集的道均衡、带通滤波处理；
线性倾斜叠加处理模块203，用于计算共接收点道集的频散能量谱；
遗传算法多模频散曲线反演模块204，用于反演拟合最优浅部沉积层剪切波速度模型；
最优模型保存输出模块205，用于保存输出最优剪切波反演迭代模型。
上述模块203中，用线性倾斜叠加法计算海洋声导波频散能量谱方法如下。即对原始数据V(x,t)的N道地震道集记录进行变换至拉冬域m(p,τ)
Figure BDA0002726387960000061
t是时间，τ是偏移距为零时的时间，p是慢度，xk是炮检距(震源与接收点之间的间距)，xmin是最小偏移距，xmax是最大偏移距。对上式进行傅里叶变换，得到：
Figure BDA0002726387960000062
令V(xk,f)＝d(xk,f)，上式就可以写成如下的矩阵形式：
m＝LTd
式中：d和m为数据空间和模型空间向量；L＝ei2πfpx为拉冬正变换算子，LT为矩阵L转置。
上述模块204中，反演一维模型最大深度(Hmax)的选择依据海洋声导波的半波长理论：
Figure BDA0002726387960000063
其中，vmax为所提取频散曲线的中海洋声导波的最大相速度取值，fmin为所提取频散曲线中最小的频率值。选取了最大深度后，可选取相同(如1m)或不同(浅部1m，深部10m)的层厚度来建立一维浅部沉积层地球物理模型。模型包括四个参数：层厚度(h，单位m)、压缩波速度(vp，单位m/s)、剪切波速度(vs，单位m/s)和密度(ρ，单位g/cm3)。模型第一层为海水层，厚度根据实测海水深度确定，压缩波速度取值1500m/s，剪切波速度取值0m/s，密度取值1.030g/cm3。
上述模块204中，正演计算频散曲线的函数表示为：
Figure BDA0002726387960000064
其中，m为建立模型的总层数，(fi,ci)为提取的频散曲线对，fi为频率，ci为该频率对应的海洋声导波相速度，Vs为模型的剪切波向量
Figure BDA0002726387960000065
Vp为模型的压缩波向量
Figure BDA0002726387960000066
Figure BDA0002726387960000067
为模型的密度向量
Figure BDA0002726387960000068
Figure BDA0002726387960000069
为模型的层厚度向量
Figure BDA00027263879600000610
Figure BDA00027263879600000611
在反演迭代过程中，为保证反演的稳定性和快速收敛，压缩波速度和层厚度保持恒定不变，仅反演剪切波速度，密度根据其与剪切波速度关系确定：
ρ＝0.18lg(vs)+0.23
利用遗传算法，可求解上述目标函数，获得的Vs最优解即为浅部沉积层的剪切波速度结构。
本发明实现了如下技术效果：一种高频海洋声导波频散分析方法与装置，基于多道水听计拖缆与气枪震源激发实现海洋声导波数据采集，结合共炮点道集提取、数据预处理、线性倾斜叠加法频散能量计算、人工手动频谱曲线提取、遗传算法频散曲线反演，实现近海、海湾区海底松软浅部沉积层剪切波速度反演。此方法技术是海洋面波探测的关键技术之一，通过对高频海洋声导波的频散分析，可提取多阶用于反演浅部沉积层剪切波速度结构的频散曲线，在海洋工程勘测、海洋地球物理调查中有潜在应用价值。
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。

Claims (7)

1.一种高频海洋声导波频散分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤101：基于多道水听计海洋地震探测设备，设计海洋声导波地震数据采集系统；按照海洋声导波地震数据采集系统完成海上施工，包括多道水听计投放、气枪投放、气枪放炮、多道水听计回收、气枪回收；
步骤102：将原始采集的多道水听计数据转换为SU或SEGY格式，提供单个气枪放炮点的共炮点道集，进行道均衡、带通滤波处理；
步骤103：读取垂向分量的海洋声导波共炮点数据，利用线性倾斜叠加法进行频散能量成像；从频散能量谱图中，按照能量振幅极大值，提取多阶海洋声导波频散曲线；
步骤104：建立描述频散曲线与海洋地球物理模型变量的目标函数，通过遗传算法迭代求解该目标函数，获得最优模型；
步骤105：保存并输出最优反演模型为海底浅部沉积层剪切波速度结构结果。
2.如权利要求1所述的高频海洋声导波频散分析方法，其特征在于，所述方法步骤101中，对多道水听计仪器设备的要求如下：声学水听计频带范围覆盖5Hz–500Hz，具备低频声学信号记录能力；声学水听计数据采样率1000SPS；声学水听计终端数采系统时钟误差在1ms以内；对于气枪激发震源的要求，气枪总容量需3000inch3，激发子波频带范围宽度大于50Hz，其中高频不高于100Hz，低频不低于1Hz。
3.如权利要求1所述的高频海洋声导波频散分析方法，其特征在于，所述方法步骤101中，以多道水听计拖缆为海洋声导波数据采集装备，地震数据采集系统要求如下：气枪激发震源的最大偏移距Δ，取值最小为2500m；多道水听计拖缆设备总长度最小为2450m，多道的道间距小于25m；气枪投放深度范围为5m–10m，作业方式中先投放多道水听计拖缆，然后投放气枪，同时开动船只按照轨迹前往作业点位进行放炮作业，作业完成后，先回收气枪，再回收多道水听计拖缆。
4.如权利要求1所述的高频海洋声导波频散分析方法，其特征在于，所述方法步骤103中，用线性倾斜叠加法计算海洋声导波频散能量谱方法如下：对原始数据V(x,t)的N道地震道集记录进行变换至拉冬域m(p,τ)
Figure FDA0002971745580000011
t是时间，τ是偏移距为零时的时间，p是慢度，xk是炮检距，xmin是最小偏移距，xmax是最大偏移距；对上式进行傅里叶变换，得到：
Figure FDA0002971745580000012
令V(xk,f)＝d(xk,f)，上式就写成如下的矩阵形式：
m＝LTd
式中：d和m为数据空间和模型空间向量；L＝ei2πfpx为拉冬正变换算子，LT为矩阵L转置。
5.如权利要求1所述的高频海洋声导波频散分析方法，其特征在于，所述方法步骤104中，反演一维模型最大深度Hmax的选择依据海洋声导波的半波长理论：
Figure FDA0002971745580000021
其中，vmax为所提取频散曲线中海洋声导波的最大相速度取值，fmin为所提取频散曲线中最小的频率值；选取了最大深度后，选取相同或不同的层厚度来建立一维浅部沉积层地球物理模型；模型包括四个参数：层厚度h，单位m；压缩波速度vp，单位m/s；剪切波速度vs，单位m/s和密度ρ，单位g/cm3；模型第一层为海水层，厚度根据实测海水深度确定，压缩波速度取值1500m/s，剪切波速度取值0m/s，密度取值1.03g/cm3。
6.如权利要求1所述的高频海洋声导波频散分析方法，其特征在于，所述方法步骤104中，正演计算频散曲线的函数表示为：
Figure FDA0002971745580000022
其中，m为建立模型的总层数，fi,ci为提取的频散曲线对，fi为频率，ci为该频率对应的海洋声导波相速度，Vs为模型的剪切波向量
Figure FDA0002971745580000023
Vp为模型的压缩波向量
Figure FDA0002971745580000024
Figure FDA0002971745580000025
Figure FDA0002971745580000026
为模型的密度向量
Figure FDA0002971745580000027
Figure FDA0002971745580000028
为模型的层厚度向量
Figure FDA0002971745580000029
在反演迭代过程中，压缩波速度和层厚度保持恒定不变，仅反演剪切波速度，密度根据与剪切波速度关系确定：
ρ＝0.18lg(vs)+0.23
利用遗传算法，求解上述目标函数，获得的Vs最优解即为浅部沉积层的剪切波速度结构。
7.一种用于实现权利要求1至6任一项所述的高频海洋声导波频散分析方法的高频海洋声导波频散分析装置，其特征在于，所述装置包括：海洋声导波数据整理模块，用于从原始探测的多道水听计数据中提取共炮点道集；海洋声导波预处理模块，用于对共炮点道集的道均衡、带通滤波处理；线性倾斜叠加处理模块，用于计算共接收点道集的频散能量谱；遗传算法多模频散曲线反演模块，用于反演拟合最优浅部沉积层剪切波速度模型；最优模型保存输出模块，用于保存输出最优剪切波反演迭代模型。
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