海洋论坛▏金塘海底隧道工程高精度三维地震反射勘探应用研究 - 海底地质勘测船设计

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目前在水域工程地质勘察工作中，地震映像法、浅地层剖面和二维地震反射勘探方法是最主要的三种地震勘探方法，被广泛应用于各种水域工程地质勘察项目，勘探方式一般均采用二维线性勘探模式。浅地层剖面、地震映像法等水域单道地震勘探方法穿透能力有限，无法获得有效的速度信息；二维地震反射勘探采用线性勘探系统，地层横向变化剧烈条件下易受侧向信号干扰，构造形态和空间位置在成像时存在畸变现象，无法满足高精度勘探需求，且无法有效利用地震的属性信息，在识别断层构造时不具备优势。随着水域工程的建设规模愈来愈大，结构越来越复杂，对地质勘察的精度要求越来越高，尤其对基岩面的起伏形态、暗礁分布、风化槽和构造破碎带等特殊地质现象具有很高的勘探要求，如何在水域工程地质勘探领域实现高分辨率、高精度的地震勘探成了当前迫切的需求。

我国海上高分辨率地震是20世纪90年代初开始立项研究的，到现在己经有30多年的应用历史了，油气资源行业在海上高分辨率地震装备、采集、处理、应用等方面做了大量的研究工作，获得了良好的中深层高分辨率地震资料，为寻找海上油气田发挥了重要作用，诸多应用案例表明三维地震反射勘探对解决水域环境条件下的复杂地质构造具备明显的优势。三维地震反射勘探是一项复杂的系统工程，由于水域工程地质勘察工区范围小、施工环境复杂、作业水深浅、深度变化大、通航繁忙，给地震数据采集带来巨大的困难和挑战，与油气资源三维地震勘探相比，水域工程三维地震勘探需要从采集、导航系统集成、施工方式、数据处理、资料解释到成果资料应用，都具有明显的特殊性，目前国内外水域工程勘察领域鲜有三维地震反射勘探应用实例。

新建宁波至舟山铁路西起宁波东站，经宁波鄞州、北仑，舟山金塘岛、册子岛、富翅岛至舟山本岛，线路全长约77km，为“义甬舟开放大通道”的支撑性运输通道，如图1所示，全线控制性工程—金塘海底隧道西接宁波北仑，东连舟山金塘岛，跨越金塘水道，全长16.2km，海底盾构段长10.87km，最大埋深78m，直径14m，是目前国内埋深最大的海底隧道，也是国内首条海底高铁隧道。预可研阶段二维地震反射勘探成果表明，金塘海底隧道北仑端有4km范围内海底潜山发育，基岩面纵横向起伏变化剧烈，后续工程施工过程中存在盾构机卡机、隧底不均匀沉降等工程风险，需查明隧址区地质复杂区段的地层、潜山空间分布以及构造发育情况，本文以甬舟铁路金塘海底隧道为例，探索应用三维地震反射进行水域工程地质勘察，为设计优化、施工方案组织提供详细、准确的地质资料。

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图1金塘海底隧道线路示意图

一、数据采集

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金塘海底隧道三维地震反射勘探任务范围处于甬江、蛟门水道以及金塘大桥航道三条航道交汇区域，海域通航繁忙，试验使用单源双缆方案进行数据采集，施工安全风险极大，实际生产确定采用单源单缆方案进行数据采集。如图2所示，作业区隧道线路为曲线，使用一个测区覆盖不但勘探工作量巨大且安全风险较大，基于降低勘探成本、提高生产效率的考虑，采集设计按线距10.0m、两个2.0Km×0.28Km的三维地震反射工区设计，可满足覆盖任务范围线路。

图2金塘海底隧道三维地震反射采集设计

金塘水道潮流性质类型属不正规半日潮流，工区内潮流均为潮汐引起的往复流，金塘水道为-强潮通道，涨潮流由东南向西北，落潮流则相反，东南口最大流速为3节，西北口最大流速为6节，根据邓元军等学者浅滩拖缆地震采集研究，为保证作业船姿以及上线率，数据采集作业避开天文大潮以及流速高的时间段，安排在涨潮或高平潮期间更加有利于安全、顺利地完成浅滩的拖缆地震采集作业。

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数据采集系统包括导航定位系统(包括RTK、定位浮标以及无线路由)、地震仪、电火花震源、24通道充油拖缆。常规水域工程地震反射区别于海洋油气勘探，无法实现基于GPS浮标、声学设备、测深计、磁罗盘等构成组合定位系统，通常采用拖缆无定位采集。基于三维地震反射对观测系统定位精度要求更高，本次作业导航定位采用连续运行参考站系统(CORS)测量定位技术通过无线路由对震源、缆中段和缆尾段DGPS浮标持续定位，通对震源、缆中段和缆尾实时定位系统组成了水域工程地震勘探综合定位网络，有效提高水域工程地震采集的定位精度。

正式作业前，在作业区内进行了数据采集试验，通过测试表明作业船在4节航速条件下基本可保持船姿稳定上线并且不会出现大羽角的现象。根据测试了解工区海水深度、目的层预测深度、声速、地震波主频和最高频率，经理论计算并借鉴相关试验成果，确定最小炮检距、最大炮检距、道间距、电缆排列长度、覆盖次数、数据记录长度、数据采样率等采集参数，如表1所示。

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根据采集设计方案，两个反射工区按10m线距布置28条测线，在实际生产中受作业环境、潮汐以及洋流等因素影响，作业船采集上线率不足导致测区存在空面元现象，通过增加航次补齐空面元，最终Zone1反射工区完成77线45311炮数据采集，质量控制后68线33568炮用于处理，Zone2反射工区完成81线54123炮数据采集，质量控制后测线74线48181炮用于处理，两个工区观测系统平面叠加分析图如图3所示。

表1金塘海底隧道三维地震反射采集参数

(a)Zone1工区；(b)Zone2工区

图3金塘海底隧道三维地震反射观测系统平面叠加分析图

图3显示了两个测区面元的覆盖次数分布情况，Zone1工区受宁波端近岸码头影响有约200m无法进行采集作业，局部存在空面元；由于频繁补线导致工区覆盖次数存在不均匀变化，工区内覆盖次数最大值>150次，Zone1区平均覆盖次数大于24次，Zone2区作业环境相对较优，平均覆盖次数大于30次。

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二、数据处理

图4为Zone1反射区原始道集记录和对应的平均振幅谱，通过图4b可见近偏移距道集信号有效带宽3500Hz，中远偏移距带宽也达到2000Hz，根据数据分析结果确定三维地震反射处理流程，如表2所示。

(a)原始道集；(b)振幅-频率谱

图4原始道集频谱分析图

表2金塘海底隧道三维地震反射处理流程参数

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建立观测系统后，使用1500m/s的速度对道集进行线性动校正，检查直达波未拉平炮集并修正观测系统错误，剔除不正常工作道(坏道、坏炮、羽角超限数据)。

⒈潮汐校正

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常规水域二维工程地震反射作业时长一般几十分钟至数小时内，通常不需要考虑潮汐校正问题，本次三维地震数据采集作业周期近一个月，作业期间工区平均高潮位为2.95m，平均低潮位为1.18m，历史最大潮差为3.67m，潮位变化产生了较大的静校正问题，潮汐校正的质量直接影响到成像质量。常规海洋油气资源勘探通常利用验潮站实测的潮汐资料、利用实测的水深资料、或者通过利用历年来实测的基本验潮站资料、临时验潮站资料和潮汐调和常数，编制潮位预测软件，获得较高精度的预测潮位数据实现了地震资料的潮汐校正，本次水域工程反射勘探完全不具备上述潮汐校正的实施条件。

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本次数据采集期间，导航定位使用浙江省CORS系统适时连续记录坐标信息，受潮汐、风浪等海况影响以及动态精度限制，实测高程瞬时动态范围一般10～20cm，无法直接利用实测高程进行潮汐校正。如图5所示，以一个航次数据为例，所有的炮-检(S-R)高程的散点通过局部加权线性回归拟合(图5a)，得到潮汐校正炮检高程拟合曲线，可以有效压制受潮汐、风浪等海况影响产生的野值动态噪声，最终的潮汐校正曲线(图5b)更加平滑、稳健，可以有效提高潮汐校正精度，满足反射数据处理的要求。

(a)S-R高程曲线；(b)S-R潮差校正曲线

图5216000线潮差校正时间曲线

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⒉速度分析

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速度分析的精度依赖于叠加次数、信噪比、速度采样密度、炮检距分布、信号频带宽度等因素，速度分析之前进行预测反褶积处理，不但可以衰减周期性多次波，还能有效提高频带宽度、压缩子波，提高速度拾取分辨率(伊尔马滋，2006)。在速度分析前，首先利用1500m/s的海水速度对去噪处理后的道集进行动校正(NMO)校正和共中心点(CMP)叠加得到粗叠三维数据体，对粗叠剖面反射波组反射特征识别获得水底、潜山基岩起伏界面的初步特征，在测区均匀设置速度分析测点并根据初叠数据体反射波组变化突变区加密速度分析CMP，如图6所示，最终得到两个测区的三维叠加速度体，叠加速度范围1475m/s至3000m/s。

(a)速度分析；(b)叠加速度体

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图6金塘海底隧道速度分析

⒊多次波压制

多次波是水域地震勘探中最主要的干扰波，能否压制好多次波直接影响着水域地震资料处理成果的品质。海洋油气地震数据处理针对多次波压制研究至今，产生了很多种针对多次波压制的方法和技术，根据压制原理的不同，多次波的压制技术整体上可分为滤波方法和基于波动理论的预测减去方法两大类。

水域工程地震反射作业水深浅(一般0～50m)、勘探深度小，覆盖层内地层间波阻抗差异不大、波速差异小，在小道距、小偏移距、小排列作业条件下，浅层反射波和多次波的时差差异、倾角差异和速度差异均比较小，常规滤波法对浅水域地震反射多次波压制存在适用性问题；如图7a所示，基于多次波周期性物征的预测反褶积假设多次波周期固定，理论上对海底鸣震、短周期层间多次波有较好的压制效果，实际生产中水底和强波阻抗界面(基岩面)产生的多次波周期不同，受多次波周期变化影响无法完全压制全程多次波信号。

波场外推法是一种基于波场延拓理论的预测相减法，分为多次波的预测和相减两个步骤，多次波的预测是利用波动方程外推使记录到的地震波场在水层中再传播一个双程走时，这样原来的次波变为二次波，每个特定阶次的多次波阶数加一，原始波场经延拓后波场就是所预测的多次波，相减是指从原始波场中自适应减去上述预测出的多次波，该方法在海洋油气资源勘探叠前处理中应用非常广泛。波场外推法依赖准确的海底模型及海底反射系数信息，理论上叠前、叠后均可应用，水域工程地震反射水深变化剧烈，应用于叠前处理生产效率极低，如图7b、c所示，本文将该方法应用于叠后多次波压制，在叠前预测反褶积的叠加剖面上，通过基于水底模型预测获得多次波模型，应用自适应匹配相减算法后全程多次波得到有效压制。

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(a)叠前预测反褶积压制多次；(b)基于水底模型预测的多次波模型；(c)自适应匹配减去压制多次波

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图7叠前叠后组合压制多次波(Zone1区Inline11线)

⒋叠前时间偏移

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金塘海底隧道三维反射工区水底潜山发育，基岩界面倾角变化大，在叠加剖面上存在明显的绕射波，极大影响地层、构造的解释精度(王棣等，2004；樊卫花等，2007)，如图8所示，对叠加速度体进行平滑插值后，通过三维有限差分对叠后波场外推数据体进行偏移最终得到两个三维反射工区的偏移数据体。

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图8金塘海底隧道三维反射数据体(时间域)

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三、数据解释

⒈地层解释

精确求取层速度并进行时深转换是高精度地层解释的关键，传统的地层解释方法主要分为两步：①使用传统Dix公式计算层速度进行时深转换；②利用波组特征法、区域地质推断法、钻探标定法进行地层解释。该方法的优点在于时深转换周期短、效率高，适用横向变化不大的地层。对于纵横向变化大的复杂地质区，传统Dix层速度求取结果误差纵向传递放大严重，往往导致无约束时深转换的解释结果存在一定的误差，不能很好的满足水域工程对于高精度地层解释的要求。

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通过利用井约束时深转换技术，使用钻孔数据对层速度计算进行约束，使得计算结果克服了Dix层速度求取结果误差纵向传递放大严重的缺点。这样求取的层速度不仅更加符合地质规律，也较大程度上克服了均方根转层速度过程中的抖动和震荡。

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如图9所示，通过对比甬舟铁路金塘海底隧道Zone1区层速度计算结果可知，改进Dix公式反演层速度较直接使用Dix公式反演层速度更加平滑与稳定。为了进一步定量研究改进Dix公式对地层精细划分的效果，利用新增49个钻孔对解译结果进行了验证，以对工程方案影响大的基岩弱风化层为例(其中5孔未入岩)，正值为上偏，负值为下偏，如图10所示，无约束解译结果误差范围在-5.618～5.568m，井控解译结果误差在-1.690～1.919m，结合钻孔揭示弱风化面深度，无约束解译结果平均差值为3.014%,井控解译结果平均差值为0.907%，井控解译结果较传统解译结果明显更加准确，误差更小，可以有效提高水域工程地震反射解释精度。

(a)Dix公式计算层速度(XLine1)；(b)Dix公式计算层速度(XLine15)；(c)改进Dix公式计算层速度(XLine1)；(d)改进Dix公式计算层速度(XLine15)

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图9金塘海底隧道Zone1区层速度计算结果对比图

图10金塘海底隧道弱风化层时深转换解译精度对比

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在井约束时深转换的基础上，在纵、横向层位解释过程中，结合前期既有钻探资料，对不同地震反射层位岩土种类进行标定，根据不同反射波组的层位、频率特征进行分层解释，在纵向深度剖面上找出具有较强振幅、同相轴连续性较好、可在整个场区内追踪的目的反射层作为标准层，对反射工区各条地震反射剖面进行综合分析并在纵、横方向进行对比解释。

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如图11所示，从剖面上来看，地震反射层位明显，波组相位连续、能量均衡，表现为明显的海相沉积特征，在层位解释过程中，依据标定标准层，根据主测线、联络测线剖面反射波组的波组、频率特征解释海底、基岩弱风化两个连续强反射波组以及相对较连续的粉土、细砂及粉砂层(细粒径沉积物)反射波组，其中在潜山区沟谷区域，沉积层位丰富，主要为中粗砂、砾砂及黏土互层(粗粒径沉积物)，依据振幅反射波组连续原则细分两个沉积层位。

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(a)主测线(Inline10)；(b)联络测线(Xline625～641)

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图11金塘海底隧道三维地震反射深度域地层解释剖面(局部)

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⒉构造解释

地震属性技术在油气资源勘探地震资料解释中发挥着极为重要的作用，一般认为地震属性是指由地震数据经过数学变换从而推导出来的用于表征地震波几何形态、运动学特征、动力学特征和统计学特征的量，或纯数学变换引入的物理量，有些地震属性有明确的物理意义，如振幅、相位等，有些只有数学意义，如振幅的一阶导数等。

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图12金塘海底隧道三维地震反射振幅水平切片属性分析图

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金塘海底隧道三维地震测区范围内岩性以凝灰岩为主，由于没有测井的资料，只能简化认为，完整基岩的均方根振幅也基本相似。如图12所显示是两个三维测区范围内100～120m深度范围的均方根振幅水平切片图，由图可知整个作业区基岩反射波组范围内的均方根振幅背景幅值的基本稳定，左侧大部岩性变化整体是平稳的，与潜山发育地质条件一致，在金塘端(右侧)的振幅幅值变化比较杂乱，反应岩体完整性相对比较差；整个测区存在五处条带状强振幅变化区，判定为断层构造破碎带。

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四、地质建模

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三维地质结构模型能够直观地表现地形地貌、地层岩性、地质构造的空间分布形态以及它们之间的相互关系，长期以来建模基础数据广度不够、精度不足，是制约水域工程地质建模应用的关键所在。三维地震数据蕴含着丰富的有关地下岩性、物性和流体等方面的空间分布信息，通过三维地震各类属性分析和反演技术，这些信息得以被充分挖掘，油气资源行业诸多研究与应用表明，通过三维地震建模可以实现高精度地质建模。金塘海底隧道高精度三维地震反射勘探，通过井约束时深转换技术，实现了工区水下地层精细划分，基于地震属性解释技术对隐伏构造进行了准确识别，有效突破水域交通工程地质建模数据不充足、地质复杂未知的问题，综合钻探数据、测井、测绘、区域地质等资料，实现水底地形、地层、三维地质构造、属性精细地质建模。

如图13a、b所示，利用三维地震解释的地层、构造离散数据，结合钻探数据进行井约束地质建模，利用钻探数据高权重与地震解释成果精度高、数据分布均匀的优势，有效提高建模精度，建立更加逼近客观实际的金塘海底隧道构造地质模型，准确模拟不同地层面和构造的形态、位置和空间接触关系；如图13c、d所示，在构造建模的基础上，利用三维地震反射数据体的层速度属性、振幅属性建立了物探属性模型，通过物探属性与地质模型有效联接，建立起定性与定量描述地质现象的桥梁，为工程地质数据分析、物探数据挖掘提供全新的方法和途径。

(a)地层面模型；(b)弱风化基岩模型；(c)层速度格栅模型；(d)弱风化基岩振幅属性体模型

图13金塘海底隧道三维地质模型

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如图14所示，基于金塘海底隧道三维地质模型，建立隧道工程外轮廓模型，通过工程实体模型与三维地质模型的融合分析与立体显示，把复杂的地质构造与工程实体的空间关系通过三维可视化技术准确直观的展现出来，精确、立体的分析隧道洞身与地层、构造的接触情况，划分不同区段洞身的岩土类型，直观揭示对盾构施工存在影响的土岩过渡欠稳定区、半土半岩复合地质断面、洞身围岩偏压区等地质风险区段的分布范围，在勘察阶段不但可以高效、快速的提供了精细地质分层和构造空间位置，服务于钻孔布置优化，有效降低勘探成本，并且在设计阶段还可以为水下隧道方案设计提供可靠地质资料，服务于线位平、纵曲线优化以及施工方案盾构机选型、施工工序刀头置换等施工图设计工作。

(a)俯视图；(b)侧视图；(c)DK20+720～DK24+100地质模型W-E断面接触分析

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图14金塘海底隧道洞身与三维地质模型融合分析

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总体而言，水域工程高精度三维地质建模成果在隧道工程的勘察、设计、施工和运维各个阶段都可以发挥重要作用，模型提供的精确地质信息和参数可以减少设计和施工中的不确定性，服务于工程风险决策，有效降低工程的设计风险和施工风险。

五、结论与讨论

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金塘海底隧道三维地震反射应用研究为复杂水域环境条件下的工程地质勘察提供了一种新思路，上述应用研究表明：

⑴水域工程三维高精度地震反射勘探可以有效查明隧址区地质复杂区段水底、第四系以及下伏基岩(潜山)三维空间分布情况以及构造、破碎带发育范围。

⑵叠前预测反褶积和叠后波场外推法的多次波组合压制技术，可以克服常规水域工程浅层地震反射数据使用单一滤波方式压制多次波受时差、倾角较小限制无法取得理想的压制效果的限制，适用于浅水区、小偏移距条件下的水域工程多次波压制处理。

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⑶水域工程高精度三维地震反射勘探有效突破水域交通工程地质建模基础数据不充分、空间分布不均匀以及数据空白区问题，通过井约束地质建模技术可以有效提高建模精度，构建完整的水下空间地质模型，精确模拟地层、构造的形态、位置和空间接触关系，获得隧址区地层、构造和属性地质模型和图件。

⑷基于三维地质模型与工程结构融合分析可以直观分析隧道洞身岩土地质条件，为钻探方案制订、孔位布置优化、方案设计优化以及风险决策提供有力保障。

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三维地震数据蕴含着丰富的有关地下岩性、物性和流体等方面的空间分布信息，数据解释和属性提取应用很大程度上依赖于原始地震资料的品质，金塘海底隧道三维地震勘探应用研究在水域工程地质勘察领域做了一些有益的尝试，但远未达到油气资源行业的应用水平，如何提升数据采集品质，更好的利用属性分析、反演和地质建模技术充分挖掘地质信息，是未来提升工程地质勘察质量的发展方向。

【致谢】在野外生产中得到了甬舟铁路建设指挥部的大力支持，审稿专家提出了建设性意见，对论文起到了极大的促进作用，在此一并表示感谢。

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【作者简介】文/李凯，男，1977年出生，中铁第四勘察设计院集团有限公司，高级工程师，主要从事工程地球物理勘察应用与研究工作。本文受基金项目资助，国家重点研发计划项目“城市地下空间精细探测技术与开发利用研究示范”(2019YFC0605100)课题一“城市地下空间开发地下全要素信息精准探测技术与装备”。文章来自《地球物理学进展》（2024年第4期），用于学习与交流，参考文献略，原标题为“水域工程高精度三维地震反射勘探应用研究”，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。

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