浅海环境中色散地震波的特征分析及其应用

《Journal of Applied Geophysics》：Characteristics analysis and applications of dispersive seismic waves in shallow sea environments

　　

• 海洋地震色散波表现出与海底介质弹性波速度结构密切相关的色散特征。
• 导引P波的色散特性有利于获取海底介质高分辨率P波速度。
• Scholte波和管风琴波的色散特性有利于获取海底介质高分辨率S波速度。
• 各种地震色散波对不同的海洋条件表现出明显不同的色散响应。
• 多分量联合分析能够对海洋地震色散波的多模态色散特征进行综合研究。

引言

确定海底沉积物的基底特性和速度结构对海洋工程、油气资源地震勘探和地震学具有重要意义（Lindsey等，2019）。然而，复杂的海洋环境对传统高成本的水下速度勘探技术提出了相当大的挑战和限制。近年来，得益于海底地震仪器的快速发展[例如四分量（4C）海底电缆（OBC）、海底地震仪（OBS）、海底节点（OBN）以及海底光纤分布式声学传感（DAS）]，海底地震观测技术受到了广泛关注（Wang等，2020）。在海洋地震勘探中，特别是在浅水和浅海浅水区域，采集的地震数据中通常可以观察到各种类型的色散波，包括Scholte波和导引P波（Shi等，2023）。先前的研究表明，这些波可用于反演浅层海底介质的P波和S波速度（VP和VS）（Boiero等，2013）。获取的弹性波速度可以为地震数据处理和海洋工程活动的地基稳定性评估提供基本参数，包括钻井平台、风电场建设、海底管道和隧道以及跨海桥梁等（Kugler等，2007）。

作为在固液界面产生的P-SV极化表面波（Biot，1952），Scholte波表现出多模态色散特性，主要由海底介质的S波速度控制（Wang等，2012；Mi等，2015；Wang等，2016）。其色散行为与陆上Rayleigh波类似，可以为各种用于估算浅层地下结构的反演技术提供基础（Wu等，2025）。早在2000年代初，著名的多道面波分析（MASW）方法已成功应用于描述近海环境（Park等，2005）。例如，众多研究人员（如Klein等，2005；Kugler等，2007；Nguyen等，2009；Socco等，2011；Dong等，2012；Wang等，2020；Trafford等，2022）通过Scholte波地震数据的色散反演进行了浅层海底VS结构成像，所用系统主要由（i）主动源（如气枪或电火花器）组成，由船舶拖曳并在水下激发，以及（ii）部署在海底界面上的地震接收器（如OBC、OBS和OBN）组成。在Scholte波地震勘探中，现场数据采集和色散谱分析的数据处理都是必不可少的步骤。此外，一些研究（如Klein等，2005；Long等，2020）指出，现场观测几何参数（如震源/接收器阵列长度、震源/接收器间距和震源类型）是影响Scholte波色散特征的关键因素，除地下速度结构之外，因为这些参数可以直接决定所采集Scholte波地震数据和相关色散谱的质量。此外，随着互相关技术在海洋环境中的应用扩展，基于MASW的色散分析和反演已有效地应用于由海洋环境噪声数据生成的虚拟Scholte波地震叠加道集（Williams等，2019；Spica等，2020；Cheng等，2021）。然而，主动源和被动源Scholte波色散反演都仅限于获取海底沉积物的VS，因为Scholte波色散曲线对VP变化的灵敏度极低（Shi等，2022）。

为了全面表征陆上和近海环境下的地下VP和VS结构，地震学和油气资源地震勘探领域的研究人员（Gubbins和Snieder，1991；Carcione和Helle，2004；Klein等，2005；Boiero等，2013；Ponomarenko等，2017；Li等，2018）越来越关注泄漏波。先前的研究表明，泄漏波可用于约束VP结构，在传统表面波和经典地震反射和折射方法可能力所不及的情况下提供独特优势（Wu等，2025）。从理论角度来看，泄漏波是相对于表面波正常模的另一种色散模式，代表不受浅层界面约束的色散地震波场，能够传播到更深层或半空间（Shi等，2022）。正常模和泄漏模的色散点对应久期方程的实数根和复数根（Wu和Chen，2017）。许多现场实验表明，泄漏波在陆地浅层固结差或浅海环境中尤为突出（Boiero等，2013；Li等，2021）。根据波场特性的差异，这些波可以分为两种不同类型，包括导引P波（或称为"Π模式"）和管风琴波（或称为"∑模式"）（Watson，1972）。通常，导引P波遵循初至波并表现出与介质VP结构相关的色散特征（Roth等，1998），而管风琴波则表现出更为复杂的特征（Li等，2021）。管风琴波的特征也在先前的陆上多道面波分析研究中观察到（如Lin等，2023），其中在低截止频率处与Rayleigh波模式相连的谱峰被称为L3型泄漏波或快速导引P-SV波。为了术语一致性，本文称这种泄漏波为管风琴波。

基于表面波和泄漏波色散谱分析的多模态色散曲线反演是表征陆地/近海环境的重要方法。鉴于泄漏波的复杂干扰往往会导致色散谱中模式误识别，一些研究（如Wu等，2025）采用了频速谱（FVS）反演方法来增强基于Scholte波的海底S波速度结构调查的稳定性和准确性。因此，在联合研究多种色散地震波时，必须明确介质和观测参数对每种波的色散的影响。Tran等（2024）通过数值方法研究了水深、震源类型（撞击和爆炸）、震源-接收器（如水听器）配置等因素对不同类型色散地震波特征的影响，为实际现场应用提供了可靠的理论支持。随着气枪耦合OBS/OBN/OBC观测系统在浅水工程和烃类地震勘探中日益广泛的工业应用，系统讨论此类系统所采集地震数据中色散波的特性至关重要。特别是，必须明确Scholte波、管风琴波和导引P波的基本模和高阶模对各种因素（包括水深、震源下沉深度和海底基底条件）的色散响应。

尽管现有研究（Boiero等，2013；Li等，2018；Shi等，2023；Wang等，2024）已利用陆地和浅海环境中的现场导引P波数据反演地下VP结构并为表面波色散反演提供互补约束，但由于观测限制，关于浅海环境中色散地震波波场特性的系统研究仍然有限。特别是，很少有工作阐明水层条件、观测配置、海底速度结构和基底类型对Scholte波、导引P波和管风琴波基本模和高阶模的影响机制及相应差异。这一缺陷将阻碍色散波反演技术在多样化浅海地质场景中的发展和推广应用。在本工作中，通过数值计算和现场地震数据处理与分析，研究了浅海环境中色散地震波的特性和应用。具体而言：（i）通过求解固液界面波色散方程计算正常模和泄漏模的理论色散曲线；（ii）通过有限差分正演建模和多道色散分析方法，数值考察Scholte波、导引P波和管风琴波在多分量中的色散特征及其对水深和海底速度结构等各种因素的响应；（iii）基于在两个海域采集的现场OBN数据，分析三种波的色散特征。数值实验和现场数据分析的结果表现出高度一致性，可用于揭示各种条件下的色散波场特征及其差异，从而为后续相关海底速度勘探技术的发展提供基础知识。

节选片段

理论与方法

如图1所示，我们考虑在一个由n+1个平行、均质各向同性层组成的二维（2D）模型中传播的水平相速度为c的平面波。海水层被设为第0层，其下的层为海底固体层。在推导理论色散方程时，必须考虑P波和S波势函数与包含位移和应力等特征值之间的关系

数值模拟与分析

基于先前对海底速度结构的研究（Klein等，2005；Kugler等，2007），设计了两个二维层状介质模型A和B（如图2所示），分别用于描述浅水和浅海浅水情况，并用于在本节中通过数值计算对两种海洋环境下的Scholte波、导引P波和管风琴波进行色散分析。首先，我们计算模型A的

结论

在本工作中，我们通过理论计算、数值模拟和现场OBN地震数据处理与分析，系统地研究了浅水和浅海浅海环境中三种色散地震波的多分量色散特征。得出以下结论。

（i）通过求解实数根和复数根，可以有效地获取海洋环境中Scholte波、导引P波和管风琴波的理论色散曲线

CRediT作者贡献声明

Yi Zhang：撰写——原始草稿、方法论、调查研究、概念构思。Yun Wang：撰写——审阅与编辑、方法论、资金获取。Guangkai Ma：撰写——审阅与编辑、验证、调查研究。Yuan Yang：撰写——审阅与编辑、验证、软件。Wangqin Xu：撰写——审阅与编辑、验证。Dashu Xu：撰写——审阅与编辑、监督、调查研究。

未引用参考文献

Chen，1993；Xia等，2012

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（项目编号[42150201]和[62127815]及[U1839208]）和中石化核心技术研发项目（2024ZG44）的支持。

Yi Zhang | Yun Wang | Guangkai Ma | Yuan Yang | Wangqin Xu | Dashu Xu