0.   引言

海底地震仪(OBS)是一种放置于海底的接收器，其接收数据具有多分量、高信噪比、宽方位、长偏移距等优势^[1]，近年来被引入水合物地震调查研究中。OBS分为水检分量和陆检分量，其中水检分量(P)用于接收纵波，陆检分量用于接收纵波(Z)和转换横波(X、Y)。在南海水合物调查中，OBS常采用25 m炮间距、400 m节点间距的密点放炮、稀疏点接收的观测方式，导致海底以下浅层照明范围窄，成像连续性和分辨率差。基于一次波与多次波具有相同的震源信息，多次波能反应更多的地下构造特征这一思想，本文提出利用双检合并技术进行上行波、下行波波场分离，利用下行波进行成像，提升成像效果。笔者通过对实际OBS资料进行分析研究，通过气泡压制、水陆检合并、镜像偏移技术最终获得理想的OBS成像结果。

1.   水陆检资料分析

双检合并处理主要涉及水检P分量和陆检的Z分量，合并前需对两分量原始数据进行分析，主要从能量、频率和含气泡特征对实际的P、Z资料进行分析，通过原始资料分析发现，其具有以下3方面特点：①振幅特征不一致。在P分量和Z分量上，取同一时窗并统计该时窗内均方根振幅；另外也通过固定增益对比，发现水检P分量的能量比陆检Z分量的能量大10⁸倍。②频率特征不一致。由图 1c图 1d对应的两分量的频谱对比可知，水检分量的主频在35 Hz左右，频带宽度为2~120 Hz；Z分量的主频在70 Hz左右，频带宽度为20~120 Hz。③噪音特征不一致。由图 1a图 1b原始数据分析得出，水检分量中含有较强的气泡，而陆检分量中没有。总体说来OBS资料的信噪比较高，基本不存在常规海洋资料中的涌浪噪音、线性干扰等环境噪音，仅含有多次波和少量大值干扰，这也是OBS资料采集的一种优势。

图  1  原始数据分析

Figure  1.  Raw data analysis

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造成这些不同的原因为水检和陆检海底的耦合特性、敏感度不同以及记录的是完全不同的物理参数，因此两种信号的振幅和频率特征和含气泡特征完全不同。要对两分量进行合并处理，需要有一些针对性的处理，本文拟采用图 2所示思路实现合并处理。

图  2  水陆检合并处理思路

Figure  2.  The process of P-Z merge

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2.   气泡压制

OBS勘探采用空气枪激发震源，其在激发一次波的同时，在水中会伴随着气泡的收缩、膨胀和破裂，从而引起气泡效应^[2]。由资料分析可知，OBS的水检分量含有较多的气泡，气泡的存在使得水检分量的有效同相轴难以识别，从而影响后续的双检合并，因此气泡的有效压制为双检合并处理的关键。

较理想的压制气泡的方式为利用远场子波计算一气泡压制算子，将该算子运用于整个数据中实现气泡压制。在无远场子波的情况下可运用统计子波压制气泡^[3], 本文所采用思路为：为了减少采集过程中枪震源的不同造成的子波一致性差异，利用所有待处理数据的近偏移距道统计一个平均地震子波；对该子波进行预测反褶积计算，压制气泡，获得一理想的气泡压制算子，如图 3a与图 3b所示，子波中的气泡已经得到较好的压制；再将预测反褶积算子运用于所有的水检数据中，获得气泡压制后的结果(图 3c)，气泡得到较好压制，有效的一次反射信号得以凸显，可以实现有效反射轴的清晰最终，更利用与陆检分量进行匹配处理。

图  3  气泡压制效果图

Figure  3.  The result of de-bubble

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3.   双检合并

OBS资料的水检分量P和陆检分量Z对上、下行波具有不同的响应特征。对于上行波而言，二者响应相同；对于下行波而言，二者响应相反^[4]。通过水、陆检合并可有效地将波场分离为上行波和下行波波场。而由于两分量的响应不同，导致不能直接将两种信号进行合并，在合并之前需要进行匹配处理^[5-7]。

实际OBS处理中，将陆检数据标定到相应的气泡压制后的水检数据，使得水检和陆检拥有较为一致的振幅特性和频率特性。标定是基于最小平方系统，所采用的方程为式(1)：

式中：H为水检即P分量；

G为陆检即Z分量；

cal为标定系数；

z为在水中地震波的双程传播算子。

标定Z以后，则可通过合并处理实现波场分离，得到上行波场和下行波场数据，如式(2)所示：

式中:U为上行波场数据；

D为下行波场数据；

P为水检分量数据；

Z_cal为标定后的陆检分量数据；

ρ为海水密度；

c为声速。

在实际处理中，首先将海水速度和声速均给常量，将单个OBS数据P、Z两分量的近偏移距道进行动校正处理^[8]，并将其叠加成近偏移距道，目的是提高待分析数据道的信噪比；其次利用初至求取海底反射系数，选择合适的层位进行P、Z匹配，从而计算标定算子；再利用近偏移距道的结果质控合并效果，如果在近偏移距道中的已经实现了较好的上下行波分离，则可以确定出最终的反射系数和标定算子等参数；最后将计算得到的反射系数和标定算子等参数运用于检波点道集数据，获得波场分离结果。图 4为双检合并效果，标定以后Z分量的振幅及频率基本与Z分量一致，合并以后分离出的上下行波场中，上行波场一次有效波能量加强，多次波能量被压制；下行波反之；另外检验波场分离效果的另一重要方式为，下行波场中没有折射波，分析下行波场数据，发现折射波基本已被压制；说明波场分离获得了较理想的效果。

图  4  双检合并效果图(从左至右为：P分量、标定的Z分量、上行波、下行波)

Figure  4.  The result of P-Z merge (from left to right: P-component, calibrated Z-component, up-going field, down-going field)

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4.   应用效果

下行多次波与一次上行波具有相同的震源信息，但下行波比上行波多了更多的传播路径，因此能反应更多的地下构造特征，提升照明范围^[9-10]。因此对OBS成像处理主要利用下行波进行。实际处理中对其进行镜像偏移处理^[11-12]，可理解为在2倍海底高度的海面上接收信息，如图 5所示。假设海水深度为d，鬼波的记录位置为(x_r, y_r, z_r)，记录为s_r(t)，则鬼波的镜像记录位置为(x_r, y_r, z_r－d)其对应的记录为－s_r(t)，将该记录进行偏移则得出最终结果。

图  5  下行波(a)及镜像路径(b)

Figure  5.  The trail of down-going wave (a) and mirror wave (b)

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在本文所使用的数据中，有效的下行波记录长度约为3 s，因此，虽然OBS的共接收点道集最长偏移距可达万米，但在实际处理中主要还是运用偏移距6 km以内的数据进行镜像偏移处理。最终的偏移成果如图 6a所示，成果剖面偏移归位准确，海底成像清晰，构造特征清楚，层间信息丰富。但就分辨率而言，因为观测系统的限制，使得纵向分辨率不及拖缆。为体现OBS的成像优势，考虑目前常用海洋拖缆资料缺少10 Hz以下低频信息这一特点，将OBS偏移叠加成果进行7 Hz以下低通滤波，分析发现，背景构造特征清晰，低频成分丰富，可以有效地对拖缆数据缺失低频信息进行补充，如图 6b所示，可尝试运用于无井波阻抗反演的低频模型构建中

图  6  OBS成像效果

Figure  6.  The migration stack of OBS

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5.   结论

通过对OBS资料进行分析、处理获得以下结论：

(1) OBS资料的水陆检分量特征不一致，要利用双检合并技术获得好的波场分离效果需要对两分量进行较好的匹配处理，其中较好的气泡压制处理是基础，海底反射系数以及标定算子的求取也极为重要。

(2) 合并处理后的下行波场能够反映更多的地下构造信息；利用下行波进行镜像偏移处理能够获得海底成像清晰、构造特征清晰、连续性和分辨率均较高的成像结果。

(3) OBS的成像剖面具有丰富的低频信息，可有效地补充拖缆缺失的低频信息，或许能够运用于无井波阻抗反演中的低频模型建立。