本發(fā)明屬于地質(zhì)勘探技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于時間切片法的海底地震儀重定位方法。

背景技術(shù)：

在海底地震儀(OBS，Ocean Bottom Seismometer)勘探中，OBS是以自由落體方式沉放到海底，由于在下降的過程中受到海流的影響，所以O(shè)BS在海底的實(shí)際位置可能偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)(部署位置)。因此，需要根據(jù)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行OBS在海底的二次定位。初始位置可以根據(jù)GPS準(zhǔn)確定位得到，但投放后，檢波器在水下無法接受GPS信號，無法用此方法進(jìn)行重定位，但可以根據(jù)采集的數(shù)據(jù)信息來計(jì)算得到水下OBS的準(zhǔn)確位置。

天然氣水合物位于海底附近的地層中，天然氣水合物層的厚度通常很薄，因此重新確定OBS的位置是做好后續(xù)的天然氣水合物勘探研究的一個必要步驟，這種研究涉及數(shù)據(jù)成像和速度反演?？碧酱系娜蚨ㄎ幌到y(tǒng)(GPS)設(shè)備可以用來確定大致的OBS位置，為了準(zhǔn)確定位OBS在海底的位置，通常需要真實(shí)的OBS數(shù)據(jù)。

目前，通常用直達(dá)水波數(shù)據(jù)來重定位OBS位置，其他支持?jǐn)?shù)據(jù)也可以使用，包括通過電導(dǎo)率溫度-深度探針(CTD，Conductivity-Temperature-Depth)或水文得到的速度-深度剖面，以及通過多波束測深儀獲得的高分辨率地形數(shù)據(jù)。在二維實(shí)驗(yàn)中，可利用水深和直達(dá)水波數(shù)據(jù)粗略反演OBS的位置，而在三維實(shí)驗(yàn)中，OBS的重定位需要更加精確。

有許多方法可用來推斷OBS的位置。它們可以利用OBSTOOL平臺下的垂直分量記錄儀記錄的水直達(dá)波數(shù)據(jù)和二維水平分量記錄儀記錄的水平極化角數(shù)據(jù)計(jì)算得到。射線追蹤和曲線擬合法也可以獲 得滿意的重定位結(jié)果。為了提高OBS重定位的精度，人們開發(fā)出利用空氣槍激發(fā)數(shù)據(jù)、測深數(shù)據(jù)以及通過聲學(xué)應(yīng)答器測得的距離數(shù)據(jù)來重定位的方法。

目前，常用的OBS重定位方法是五點(diǎn)重定位法(三角測量法)，當(dāng)炮點(diǎn)位置、直達(dá)波的傳輸時間和地震波在海水中的傳播速度都已知時，可以通過求解線性方程組，計(jì)算得到OBS的位置。然而，由于地震波在海水中傳播的速度隨水深、水溫等因素的變化而變化，所以五點(diǎn)重定位法的定位精度受到制約，難以提高。

五點(diǎn)重定位法原理：

OBS的位置坐標(biāo)可以根據(jù)已知信息，利用最小二乘法反演求取，這些已知信息包括：OBS的深度h，時間距離，激發(fā)船的位置坐標(biāo)(x_i，y_i，h₀)，其中的時間距離是指OBS與激發(fā)船的時間距離，可以通過地震記錄中的直達(dá)水波旅行時得到。設(shè)激發(fā)船在炮點(diǎn)i處，與OBS的時間距離為t_i，且該炮點(diǎn)處的位置坐標(biāo)為(x_i，y_i，h₀)，設(shè)縱波在水中的速度為v，有了這些參數(shù)我們就可以進(jìn)行反演，從而利用幾個炮點(diǎn)的位置與時間距離信息列得幾個包含OBS坐標(biāo)的方程，如下：

經(jīng)過平方化簡，得到：

以上的矩陣方程為G·m＝d的一個超定方程，我們利用最小二乘法 求取該方程，從而求取OBS的位置坐標(biāo)。

如果按非線性關(guān)系提取激發(fā)炮點(diǎn)的位置坐標(biāo)，利用以下原理，也可以反演OBS位置坐標(biāo)。已知條件為激發(fā)船位置坐標(biāo)(x_t，y_t，0)，時間距離(直達(dá)波旅行時)，P波在水中傳播的速度假定變化不大，以常速度V表示，設(shè)OBS位置坐標(biāo)為(X，Y，Z)，水槍深度為z_i，從而震源與OBS之間的走時方程為：

(X-x_t)²+(Y-y_t)²+(Z-z_t)²＝(t_tV)²(i＝1，2，…，m-1，m) (3)

用一般的方法處理這個非線性問題比較困難，需要尋找一個線性系統(tǒng)來代替它，基本函數(shù)就是描述實(shí)際用來代替的方程組，它是由上式經(jīng)代數(shù)變換得到：

對于第一式，(ε＝1)可以得出：

將(4)式中i分別代以2，3，…，m與(5)式相減得：

共有m-1個線性方程式，即為

α_i1X₁+α_i2X₂+α_i3X₃＝α_i4(i＝2，…，m-1，m) (7)

其中：

a_t1＝2(x₂-x₁)，X₁＝X

a_t1＝2(_x1-y₁)，X₂＝Y(jié)

x_t2＝2(z₁-z₁)，X₁＝Z

將(3)式的非線性方程組轉(zhuǎn)化成(7)式的線性方程組，從而把測定地震時空參數(shù)方法從非線性方程組的求解轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性方程組的求解反演問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了提高OBS重定位的精確性，本發(fā)明提供一種基于時間切片法的海底地震儀重定位方法。所述方法相比于現(xiàn)在所用的五點(diǎn)重定位方法具有更高的精確性，能夠?yàn)楹罄m(xù)的研究提供更加可靠的基礎(chǔ)。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一、時間切片法原理

1、水平坐標(biāo)定位基本原理

在假定地震波在海水中的傳播速度為常數(shù)，海面為水平(無海浪)的情況下，相同偏移距的炮點(diǎn)所對應(yīng)的旅行時是相同的。參見附圖1，圓上各個炮點(diǎn)所對應(yīng)的旅行時都相同為1s，那么這些點(diǎn)與OBS在海面上的投影O'的距離均相等。按此思路，在OBS上方的測網(wǎng)中，把各條測線上旅行時為1s的炮點(diǎn)的大地坐標(biāo)繪制到一個平面上，這些點(diǎn)的分布總體上為一個圓，對其進(jìn)行最小二乘擬合得到一個圓心，此圓心即為OBS的水平坐標(biāo)。

一個時間切片得到一個擬合圓心，拾取多個時間切片就會得到多個圓心，對這些圓心進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析最終得到OBS的最優(yōu)水平坐標(biāo)(參見附圖2)。

2、拾取時間切片

在OBS剖面初至上，選取各時間切片對應(yīng)的地震道，從地震道道頭中提取出炮點(diǎn)的坐標(biāo)，并記錄下來。切片的數(shù)量將影響到OBS位置的精度，理論上，切片數(shù)量越大，得到的OBS位置越接近真實(shí) 值。為獲取大量切片，可以先拾取初至，根據(jù)需要插值出各個時間切片對應(yīng)的炮點(diǎn)位置。在多條OBS剖面上拾取時間切片后，將各切片對應(yīng)的炮點(diǎn)進(jìn)行匯總記錄，并繪制到工區(qū)測網(wǎng)圖上，然后對各個時間切片的炮點(diǎn)位置進(jìn)行擬合，得到各時間切片圓，取其圓心位置為OBS水平位置。

3、最小二乘擬合圓

設(shè)圓的方程為(x-A)^x+(y-B)^x-R^x，展開得

x²+y²-2Ax-2By+A²+B²-R²＝0

記c＝A²+B²-R²，得

x²+y²+ax+by+c＝0

各采樣點(diǎn)P_t(x_t，y_t)到圓心的距離為

記

求取a，b，c使最小

記

分別對a，b，c求偏導(dǎo)得

整理得方程組

求解以上方程組得到a，b，c即可得到圓心與半徑。

4、深度與地震波在海水中的傳播速度

在確定了OBS水平坐標(biāo)后，根據(jù)炮點(diǎn)、OBS與射線路徑的幾何關(guān)系(參見附圖3)可通過下式計(jì)算出OBS深度h。

其中v為地震波在海水中的傳播速度，t為時間，offset為偏移距，h為OBS深度。

根據(jù)上式，針對每個時間切片可計(jì)算出一個深度，隨著切片時間值的增大，h將有可能會出現(xiàn)較大的誤差。

由于使用的速度存在誤差δ_v，計(jì)算出來的深度為

計(jì)δ_h為

隨著t增大，誤差δ_v將會被放大；當(dāng)δ_v＝0時，δ_h＝0，即h＝h_trcce。

由上式可以看出δ_h為關(guān)于t的二次函數(shù)，其一次項(xiàng)與常數(shù)項(xiàng)均為零，對稱軸為t＝0，開口方向由δ_v確定。

δ_v(δ_v+2v_trcce)＞0→δ_v＞0orδ_v＜-2v_trcce

取δ_v＞0，即δ_v＞0時，δ_h為正，計(jì)算出來h偏大，隨t增大誤差增大。

δ_v(δ_v+2v_trcce)＜0→-2v_trcce＜δ_v＜0

取δ_v＜0，即δ_v＜0時，δ_h為負(fù)，計(jì)算出來h偏小，隨t增大誤差增大。

當(dāng)δ_v→0時，δ_h→0，h→h_true。

為此，給定一個初始的地震波在海水中的傳播速度v，并對其進(jìn)行迭代，對每個傳播速度計(jì)算出一個t-h序列，實(shí)際的t-h序列由于海浪等原因并非嚴(yán)格的二次曲線，可以用qc＝max(abs(h))-min(abs(h))對其進(jìn)行控制。通過迭代，尋找到最小qc對應(yīng)的傳播速度v，將其視為地震波在海水中的傳播速度，再利用小時間切片計(jì)算OBS深度。

二、方法步驟

一種基于時間切片法的海底地震儀重定位方法，所述方法根據(jù)速度不變的情況下地震波在相同的時間內(nèi)傳播的距離相等的原理，選取地震波到達(dá)時間相同的炮點(diǎn)，依據(jù)各炮點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)行圓擬合，求取圓心坐標(biāo)作為地震儀的參考水平坐標(biāo)之一，通過選取不同的到達(dá)時間，即不同的時間切片，可以計(jì)算得到不同的水平坐標(biāo)，然后對所得的各個水平坐標(biāo)進(jìn)行平均，最終得到地震儀在海底的水平坐標(biāo)；在得到地震儀的水平坐標(biāo)后，依據(jù)地震儀、炮點(diǎn)、炮點(diǎn)與圓心的偏移、地震儀所處的水深以及地震波傳播路徑之間的幾何關(guān)系，反演出地震波在海水中傳播的速度，進(jìn)而計(jì)算出地震儀所處的深度，從而最終確定地震儀在海底的位置，實(shí)現(xiàn)對地震儀在海底的重定位的目標(biāo)。

優(yōu)選的，所述圓擬合的方法是最小二乘法。

優(yōu)選的，所述反演地震波在海水中的傳播速度的方法是，首先依 據(jù)地震波在海水中的傳播特點(diǎn)，給定一個初始傳播速度v，依據(jù)此速度，在不同的時間切片處可以計(jì)算得到不同的深度h，計(jì)算最大深度與最小深度的偏差Δh，然后通過改變速度v的取值，可以得到一系列的Δh值，選取其中最小的Δh值對應(yīng)的速度v作為地震波在海水中的傳播速度，最后，依據(jù)此速度，計(jì)算得到地震儀所在處的海水深度。

一種基于時間切片法的海底地震儀重定位方法，所述方法包括以下步驟：

1)對于海底地震儀水聽器分量數(shù)據(jù)，拾取各個炮點(diǎn)的直達(dá)波旅行時，同時提取各個炮點(diǎn)的水平坐標(biāo)值；

2)針對于直達(dá)波旅行時的某一個時間切片，提取出各炮的水平坐標(biāo)，并對這些坐標(biāo)值采用最小二乘法進(jìn)行圓擬合；

3)對擬合出的圓求取其圓心，該圓心即為由該時間切片反演出的海底地震儀的水平坐標(biāo)；

4)選取直達(dá)波旅行時的其他時間切片，按照步驟2)、3)進(jìn)行反演，可以反演出一系列的海底地震儀的水平坐標(biāo)位置；

5)將上述反演出的一系列的海底地震儀的水平坐標(biāo)加以平均，即為最終反演出的海底地震儀的水平位置；

6)反演出海底地震儀的水平位置后，采取掃描的思想，同時反演海底地震儀所在處海水的深度及地震波在海水里的傳播速度。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果為：

1)本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于各類海底地震儀進(jìn)行的各類勘探中；

2)本發(fā)明所述的方法相較于常用的五點(diǎn)定位法，可以得到更加精確的海底地震儀的位置，為后續(xù)研究奠定更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1為本發(fā)明所述的時間切片法的圓擬合原理圖。

圖中，1是OBS，2是OBS在海面上的投影O'。

圖2為本發(fā)明所述的時間切片法的水平坐標(biāo)計(jì)算原理圖。

圖3為本發(fā)明所述的確定地震儀所在處海水深度的方法原理圖。

圖中，1是OBS，2是OBS在海面上的投影O'，3是炮點(diǎn)，4是炮點(diǎn)與圓心的偏移offset，5是地震儀所處的水深h，6是地震波傳播路徑vt。

圖4為本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例中的工區(qū)測網(wǎng)及OBS位置示意圖。

圖中，4-1是OBS19，4-2是OBS20，4-3是OBS21，4-4是OBS22，4-5是OBS23。

圖5為本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例中五個OBS原始坐標(biāo)，時間切片法定出的OBS坐標(biāo)和五點(diǎn)定位法定出的OBS坐標(biāo)。

圖6為本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例中OBS19原始坐標(biāo)、五點(diǎn)定位坐標(biāo)和時間切片法定位坐標(biāo)的OBS數(shù)據(jù)經(jīng)過LMO處理后的地震波場圖。

圖7為本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例中OBS20原始坐標(biāo)、五點(diǎn)定位坐標(biāo)和時間切片法定位坐標(biāo)的OBS數(shù)據(jù)經(jīng)過LMO處理后的地震波場圖。

圖8為本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例中OBS21原始坐標(biāo)、五點(diǎn)定位坐標(biāo)和時間切片法定位坐標(biāo)的OBS數(shù)據(jù)經(jīng)過LMO處理后的地震波場圖。

圖9為本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例中OBS22原始坐標(biāo)、五點(diǎn)定位坐標(biāo)和時間切片法定位坐標(biāo)的OBS數(shù)據(jù)經(jīng)過LMO處理后的地震波場圖。

圖10為本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例中OBS23原始坐標(biāo)、五點(diǎn)定位坐標(biāo)和時間切片法定位坐標(biāo)的OBS數(shù)據(jù)經(jīng)過LMO處理后的地震波場圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例

參見附圖1和附圖2，一種基于時間切片法的海底地震儀重定位方法，所述方法根據(jù)速度不變的情況下地震波在相同的時間內(nèi)傳播的距離相等的原理，選取地震波到達(dá)時間相同的炮點(diǎn)，依據(jù)各炮點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)行圓擬合，求取圓心坐標(biāo)作為地震儀的參考水平坐標(biāo)之一，通過選取不同的到達(dá)時間，即不同的時間切片，可以計(jì)算得到不同的水 平坐標(biāo)，然后對所得的各個水平坐標(biāo)進(jìn)行平均，最終得到地震儀在海底的水平坐標(biāo)；在得到地震儀的水平坐標(biāo)后，依據(jù)地震儀、炮點(diǎn)、炮點(diǎn)與圓心的偏移、地震儀所處的水深以及地震波傳播路徑之間的幾何關(guān)系，反演出地震波在海水中傳播的速度，進(jìn)而計(jì)算出地震儀所處的深度，從而最終確定地震儀在海底的位置，實(shí)現(xiàn)對地震儀在海底的重定位的目標(biāo)。

優(yōu)選的，所述圓擬合的方法是最小二乘法。

參見附圖3，優(yōu)選的，所述反演地震波在海水中的傳播速度的方法是，首先依據(jù)地震波在海水中的傳播特點(diǎn)，給定一個初始傳播速度v，依據(jù)此速度，在不同的時間切片處可以計(jì)算得到不同的深度h，計(jì)算最大深度與最小深度的偏差Δh，然后通過改變速度v的取值，可以得到一系列的Δh值，選取其中最小的Δh值對應(yīng)的速度v作為地震波在海水中的傳播速度，最后，依據(jù)此速度，計(jì)算得到地震儀所在處的海水深度。

一種基于時間切片法的海底地震儀重定位方法，包括以下步驟：

1)對于海底地震儀水聽器分量數(shù)據(jù)，拾取各個炮點(diǎn)的直達(dá)波旅行時，同時提取各個炮點(diǎn)的水平坐標(biāo)值；

2)針對于直達(dá)波旅行時的某一個時間切片，提取出各炮的水平坐標(biāo)，并對這些坐標(biāo)值采用最小二乘法進(jìn)行圓擬合；

3)對擬合出的圓求取其圓心，該圓心即為由該時間切片反演出的海底地震儀的水平坐標(biāo)；

4)選取直達(dá)波旅行時的其他時間切片，按照步驟2)、3)進(jìn)行反演，可以反演出一系列的海底地震儀的水平坐標(biāo)位置；

5)將上述反演出的一系列的海底地震儀的水平坐標(biāo)加以平均，即為最終反演出的海底地震儀的水平位置；

6)反演出海底地震儀的水平位置后，采取掃描的思想，同時反演海底地震儀所在處海水的深度及地震波在海水里的傳播速度。

應(yīng)用實(shí)例

參見附圖4，南海天然氣水合物資源勘查OBS資料處理項(xiàng)目由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局采集，采集接收站19個，39條Inline方向炮線，27條Crossline方向炮線，四分量采集。地震數(shù)據(jù)采樣間隔為2ms，記錄長度為10s。采集網(wǎng)格大小25m×25m，處理網(wǎng)格大小12.5m×12.5m。

本次重定位采用了兩種方法，五點(diǎn)定位法和時間切片法，并對比兩種方法的精確性。

檢波點(diǎn)位置二次重定位質(zhì)量監(jiān)控是在限定偏移距范圍內(nèi)，經(jīng)過線性動校正后觀測初至?xí)r間是否對齊，以此為依據(jù)來判斷檢波點(diǎn)位置坐標(biāo)是否存在偏差。參見附圖5-10，可以看出，時間切片定位法定出的位置經(jīng)過LMO處理后直達(dá)波被拉平，誤差最大為一個采樣間隔點(diǎn)。而五點(diǎn)定位法定出的位置經(jīng)過LMO處理后直達(dá)波并未被拉平，由此可見，時間切片法定位的位置比五點(diǎn)定位法定位的位置更精確。

最后應(yīng)說明的是：顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非對實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。