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給海洋地殼做“B 超”

發布時間:2019-03-12 19:57:00  作者:國土資源科普與文化 吳志強 溫珍河   來源:https://mp.weixin.qq.com/s/zdpmoq-7q4fB-EaWzkgufA   瀏覽次數:

 

   大家都知道,在醫學上有一種給人體做檢查的 方式——B 超,它通過發射聲波穿透人體,當聲波遇到人體內部組織或器官時會產生反射波,通過計 算反射波的走時和振幅等參數并進行處理成像,來 判斷人體的組織和器官是否存在病灶。大家可能還不太了解,在海洋地質、油氣和礦產資源調查中, 也有一種給海底之下的地殼(海洋地殼)做“B 超” 的方法,那就是海洋地震探測技術。

 海洋地殼與海洋地震探測

   海洋幅員遼闊,面積占地球表面總面積的 70% 以上。海洋地殼結構復雜,它的構造運動是造成海洋與沿岸地區地震、火山噴發和海嘯的主要原因。 同時,海底之下蘊藏著豐富的油氣、天然氣水合物等礦產資源。因此,研究海底之下地殼結構、尋 找礦產資源,是海洋地質工作者義不容辭的責任。 然而,茫茫的海水覆蓋在地殼之上,就像醫生無法 用肉眼直接觀察人體內部組織器官一樣,我們也無 法憑肉眼透過海水觀察海洋地殼的結構及其活動規 律。因此,從 20 世紀 30 年代開始,海洋地球物理 學家們發明了一種利用地震波探測海底地殼的方 法——海洋地震探測技術。

    海洋地震探測是利用海洋與地殼地層中的地震 波速度與密度差異,通過觀測、處理與分析地殼中 不同地層結構對人工激發地震波的反射響應,研究 地震波的傳播規律,推斷地下巖石性質、地層結構 的一種海洋地震測量方法。它的原理是利用在海水中人工激發的地震波向下傳播時,遇到不同速度、 密度的地層分界面就會產生反射波或折射波返回海水中,用專門的儀器可記錄這些地震波,分析它的傳播時間、振動幅度與形狀等,通過專門的計算程 序處理,能較準確地測定地殼中地層界面的深度和形態,判斷地層的巖性和結構。

海洋地震探測原理解讀

    海洋地震探測由資料采集、處理與解譯三個環節組成。資料采集系統由衛星導航系統、地震波震 源激發系統和記錄系統的儀器設備組成,將這些儀器設備安裝在專業的地震調查船上,探測施工時將激發地震波的 震源和記錄電纜布放在船尾后面的海水中,由地震船拖曳震源和電纜按測線方向行進。船載震源 控制系統控制震源以一定的距離 間隔激發地震波,并通過裝有大 量的壓電檢波器的電纜接收來自 地殼地層的地震反射波信號,并傳輸到地震船上的記錄系統中進行儲存。由于電纜被地震船拖曳行進,行業內將其稱之為“拖纜”。 衛星導航系統通過接收衛星定位信號,確定船只、震源及電纜的具體位置,并引導地震船按照設計的探測線軌跡航行。因此, 海洋地震探測資料采集與陸地不同,它采取的是邊航行、邊激發、邊接收的工作方式。

    早期的海洋地震探測資料采集,采用 TNT 炸藥爆炸激發 地震波的方式進行,它存在著 污染海洋環境、傷害海洋生物, 且施工效率低、安全隱患大的問題。1964 年美國BOLT公司發明了氣槍震源,它通過電磁閥控制瞬間釋放槍膛內的高壓 氣體,在海水中產生的氣泡振蕩形成地震波。它具有操作容 易、施工效率高、安全,以及保護海洋環境,對海洋生物無害的優點,成為目前海洋地震探測激發地震波的主流震源。

   拖纜接收系統主要包括電纜 及電纜控制器兩大部分。電纜被設計的比重與海水基本相同,在電纜控制器的作用下可以沉放到固定深度,因此又稱為等浮電纜。 電纜內部包含接收地震波信號的壓電檢波器在內的全部數字記錄線路,通過導線將接收到的地震 信號數字化并傳輸到地震船的記 錄系統中。

    與醫學上B超檢查 一 樣, 海上采集的地震資料也要通過處理才能觀察到地殼中地層的結構,只是地震資料處理工作更為復雜、數據量巨大,因而難度非常大。目前,地震資料處理一般 以大規模的 CPU 或 GPU 集群為硬件平臺,以專業的處理軟件進行。地震資料的處理主要由噪音剔除,地震波的速度、振動幅度(振幅)和形態等屬性分析,地震波成像等部分組成。

   在海洋地震資料采集過程 中,勘探區內的風浪、商船航行、 漁業生產和海洋工程施工都會對地震信號產生干擾,在資料處理 中必須首先將記錄中的這些干擾信號剔除。在此基礎上,根據地 震波的運動學和動力學特征,分 析地震波在不同區域、不同地層 結構的速度、振幅和形態等特征, 為成像處理和地層分析提供支撐。地震成像處理就是將不同的 反射信號接收點的記錄進行有機組合,形成一個連續的、可橫向 追蹤的地質斷面。

   在以上工作的基礎上,根據不同地層組合的地震反射結構、 速度和波形及振幅變化特征,對 地震剖面進行對比解譯。在地震 剖面上,連續的、波形相似的一 套地震反射波組代表了一組地層或巖層的反射,它的起伏代表了 地層的起伏,拾取地震波的反射到達時間,再結合數據分析得到地震速度信息,通過計算獲得地層的埋藏深度,進而形成地質剖面。這樣,地質學家們就可以據此推 測地層分布和結構關系,研究它的構造與沉積演化歷史,尋找石油、 天然氣等礦產資源。

 海洋地震探測類別及前景

   海洋地震探測可分為二維地震、三維地震和四維地震探測。二維 地震探測是一條“線”的探測,得到的是一條測線的地震剖面,只能 對測線之下的地層結構進行分析解譯。三維地震探測是一個“面”的探測,由地震船拖曳由多條等間 距平行布放的電纜同時接收同一 震源激發的地震反射信號,成像 處理后得到是三維空間上的數據 體剖面,能夠對一個勘探區域的 地層結構進行整體分析解譯,它 比二維地震探測更精確、更直觀, 是海洋石油勘探的有利工具,我 國近期發現的渤海渤中 34-1 億 立方米級大油田和南海荔灣 3-1 千億立方米級的大氣田,高精度 的三維地震勘探技術功不可沒。

   四維地震探測就是在三維地震的基礎上增加了時間維度的探測,即對相同的探測區域,在不同的時間上進行重復三維地震觀測。就像醫生對比病人治療前后的 B 超檢查結果,分析治療效果 和制定下一步的治療方案一樣, 四維地震勘探主要應用在油氣田 的開發階段,油氣開發工程師們 通過對不同開發階段的三維地震 探測成像結果對比,分析剩余油氣的分布狀況與油氣運移特征, 制定下一步有針對性的開發方案,減少開發的盲目性,提高石油、天然氣的開采量。

   目前,海洋地震探測技術裝 備與觀測方法正在快速發展中,目標是探測的高精度、高效率與低成本,為海洋地質調查與礦產資源探測提供更加豐富、準確的地震波場信息。

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