海底地质剖面 -海底地质层

蒙自博越科技有限公司 · 发表于地质类 2023-10-26 06:40:34

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一、引言

随着海洋强国战略持续推进，近岸涉海工程建设越来越多。为确保工程顺利安全施工，建设前期需探明海底管线状况和海底地质结构。浅地层剖面仪作为一种重要的海底声学探测设备，以其高分辨率、可穿透地层、可连续走航式探测、操作方便等优点，在海洋调查中的应用越来越广泛。

本图片来自网络

近年来，浅地层剖面探测仪器已有了较大发展，探测数据仍主要依赖于仪器配套的软件处理，主要包括数据回放、粗差修正、参数修改等功能，少数软件具有辅助层界划分功能。浅地层剖面数据采集时，易受仪器设备与外部环境噪声的干扰影响，产生随机噪声，数据信噪比低；再者，部分海域海底地层复杂，声呐信号在自由界面与地层之间来回反射，形成多次波，导致浅地层剖面数据成像模糊，有效信息被多次波掩盖，影响海底管线识别和海底地层划分。施凤应用滑动均值滤波、改进的中值滤波等方法对浅地层剖面图噪声处理，以此提高图像信噪比，提出了改进预测反褶积法多次波压制方法，突出有效波；王国强研究了浅地层剖面多次波自动搜索与压制方法，设计了多次波压制流程；刘宏扬等、赵铁虎等详细介绍了几种常见的浅地层剖面干扰因素及声学特征，给出了合理化建议；赵波等提出了基于同相轴追踪的多次波剔除与多道维纳滤波相结合的衰减方法，验证了该方法在多次波预测与匹配衰减方法的有效性。由于目前涉海工程大多位于近岸海域，相比于远海，外界环境更为复杂，海流更为紊乱，随机噪声也相对更为发育；再者，近岸海域水深较浅，地层更为复杂，多次波也相对更为发育。因此，有必要在前人研究的基础上，对近岸海域复杂条件下的浅地层剖面数据处理技术进行有针对性的研究。

本文针对近岸海域浅地层剖面随机噪声和多次波发育的问题开展深入研究，对其产生的机理进行分析，采用了空间域和频率域滤波相结合的方式衰减随机噪声，提高信噪比；再利用预测反褶积滤波法压制多次波，进而提高浅地层剖面数据成像质量。

二、随机噪声和多次波发育成因

浅地层剖面仪主要包括震源装置、收发基阵和记录显示系统，其中震源装置、收发基阵位于固定或拖拽于船底，采用连续走航式探测，以声学剖面图形记录。在近岸海域探测过程中，浅地层剖面影像容易受到船体自身、船速、安装位置、海况、海流、过往船舶等多种因素的影响，在浅地层剖面影像上出现一些随机的、离散的、孤立的像素点，即随机噪声（图1）。船体不稳，船速不固定，安装螺旋桨越近，海况越差，顺流逆流掌控不好，过往船舶越多，随机噪声越明显。

图1 随机噪声发育的浅地层剖面影像

浅地层剖面探测是单道自激自收，遇到海底面直接反射叫做一次“真”波，但由于声波在海水面、海底面，海底地层面等介质中传播形成波阻抗的强反射界面，经再次反射在剖面图上呈现非垂直反射引起的波叫做二次声波，多次反射形成多次波。多次波与一次波走时相近时，会干扰甚至掩盖一次波有效信号，影响成像质量，尤其在近岸海域，水深越浅，多次波越发育（图2），若不能有效压制，将会导致深埋管线和地层信息被覆盖而无法识别。

图2 多次波发育的浅地层剖面影像

三、浅地层剖面数据处理技术

随机噪声处理是浅地层剖面数据首先需要解决的重要问题。为了在不损失有效波的情况下尽可能消除随机噪声，本文先采用空间域滤波对浅地层剖面影像进行预处理，消除孤立、随机的噪声点，再进行频率域滤波噪声衰减。

中值滤波是基于排序统计理论的非线性平滑技术。基本原理是：将数字图像中一点的像素值用该点邻域中各点像素值的中值代替，从而消除孤立噪声点。

随机噪音在频率域的频带比有效波宽，可滤除其对应频带去噪。本文引用李国以二维矩形预测算子代替常规随机噪声衰减技术（RNA）使用的一维预测算子，并利用浅地层剖面数据的相关性增强先验信息，以提高数据处理质量。首先，对浅地层剖面数据进行频率域转换，再在每个频段数据选择合适时窗和算子长度，沿x方向做预测滤波去噪，然后将处理后的数据转换回空间域，完成滤波去噪。

数据时窗选择和预测算子长度决定了随机噪音的效果。数据时窗是每次处理的道总数，当有效波同相轴为直线时，预测误差较小；当有效波同相轴为曲线时，预测误差较大。预测算子越小，随机噪声衰减越大，但有效波损失越多；预测算子越大，有效波损失越少，但随机噪声衰减也越小。因此，在数据处理时，应选取不同预测算子长度尝试，确定最佳长度，提高信噪比。

四、多次波压制技术

多次波在近岸海域浅地层剖面探测中是干扰海底管线和地层划分影响最大的波。根据多次波具有周期的特性，采用预测反褶积对浅地层剖面数据中多次波进行处理，其基本原理是利用一次波与多次波之间的相关性，预测出多次波，再减去预测出的多次波，从而得到一次反射波信号。浅地层剖面的褶积模型可近似表示为：

其中，G（t）是地震记录；Ri是反射系数序列；Wi是地震子波。反褶积是这个褶积过程的逆过程，其中较常用是预测反褶积。预测反褶积公式如下：

其中，φ（T＋l）为时间为T＋l时的预测值；l为预测步长（ms）；C（τ）为预测算子；n为预测算子长度（ms）。由式（2）可以得出，多次波压制效果跟预测算子长度n和预测步长l有关。在实际数据处理中，一般预测滤波算子长度取100～150ms；采用自相关函数来选择预测步长l，如当预测滤波算子长度为n，预测步长为n时，自相关长度不得小于n＋l。

由于预测反褶积对浅地层剖面数据中一阶多次波压制效果较好，但当浅地层剖面数据中存在二阶、三阶多次波等高阶多次波时，效果减弱。为增强压制效果，可在预测得到一阶多次波后，再和预测算子做褶积得到二阶多次波，以此类推，得到高阶多次波；然后将多次波叠加移除，得到一次波。该方法对压制复杂介质情况下的多次波效果较好。但预测的高阶多次波数越髙，删除的信息也越多，有可能损失有效一次波。因此，在实际数据处理时，应尝试不同阶数效果，选择最佳阶数。

五、应用案例

以某沿岸建设工程为例，为保障项目前期方案制定，及后期施工顺利实施，需对整个工区范围的海底管线和地质条件进行调查。工区为沿海段，水深0～10m，海底表面以淤泥质滩涂为主。本项目采用ChirpⅢ浅地层剖面系统，重量轻，方便携带和运输，适合在小船浅水作业，采集频率2～12KHz。由于工区位于近海岸海域，探测时海况较差，时常为避让船只偏离测线，改变航速，以至于随机噪声和多次波较为发育，掩盖了海底面下的管线识别和地层划分。图3（a）为浅地层剖面原始记录影像图；图3（b）为单独采用3×3中值滤波的浅地层剖面影像图；图3（c）为单独采用频率域滤波后的影像图，其中，数据时窗和预测算子长度分别为120ms和4ms；图3（d）为本文空间域滤波和频率域滤波相结合处理后的影像图。

图3 地层剖面原始记录及采用不同滤波处理后的浅地层剖面影像

通过对比图3各图可知，图3（a）的背景噪声发育，地层信息模糊不清，界面不连续；图3（b）中虽然背景噪声仍然存在，但影像得到明显改善，地层界面逐渐显现，孤立、随机的噪声点基本消除；图3（c）的背景噪声在很大程度上得到了压制，地层界面更为清晰，由于孤立、随机的噪声点的存在导致部分地层不连续；图3（d）的背景噪声基本消除，地层界面清晰可辨，地层连续性较好，展示了更多的细节信息，海底界面辨识别度高。

图4为经过多次波压制技术处理后的影像图，其中，预测算子长度120ms和预测步长13ms，虽然海底面和地层信息变得相对模糊，但在影像图中的a和b两个位置的异常反射弧较为明显，走时分别为4．5ms和6．3ms，通过不同测线多次验证，在相同位置均出现了类似的异常反射弧，并与已有海底管线资料对比，验证了此两处为海底管线。本实例的应用说明了本方法的有效性和可靠性。

（a）浅地层原始剖面

（b）多次波压制处理后的浅地层剖面

图4 多次波压制处理后的影像

六、结论

本文通过对近岸海域浅地层随机噪声和多次波发育的问题开展研究，首先分析了产生随机噪声的主要干扰因素和多次波发育的原因；在此基础上，采用空间域中值滤波和频率域滤波相结合的方式衰减随机噪声，提高信噪比；然后，采用改进型的预测反褶积对浅地层剖面数据多次波处理，增强有效信息的可识别性。在实际资料处理中采用本方法，浅地层剖面影像质量得到明显改善，辨识度高，可展示更多海底面以下管线和地层的信息，为方案设计和后续施工提供技术支撑。

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END

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【作者简介】文/张体强，男，1992出生，上海东海海洋工程勘察设计研究院有限公司，工程师，主要从事海洋测绘和海洋工程勘察工作。本文为基金项目，国家海洋局东海分局青年科技基金（编号：202111）。文章来自《工程地球物理学报》（2023年第1期），用于学习与交流，参考文献略，版权归作者及出版社共同拥有，编发时文章略有修改，已取得作者授权。

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