大家都知道,在医学上有一种给人体做检查的方式——B超,它通过发射声波穿透人体,当声波遇到人体内部组织或器官时会产生反射波,通过计算反射波的走时和振幅等参数并进行处理成像,来判断人体的组织和器官是否存在病灶。大家可能还不太了解,在海洋地质、油气和矿产资源调查中,也有一种给海底之下的地壳（海洋地壳）做“B超”的方法,那就是海洋地震探测技术。

海洋幅员辽阔,面积占地球表面总面积的70%以上。海洋地壳结构复杂,它的构造运动是造成海洋与沿岸地区地震、火山喷发和海啸的主要原因。同时,海底之下蕴藏着丰富的油气、天然气水合物等矿产资源。因此,研究海底之下地壳结构、寻找矿产资源,是海洋地质工作者义不容辞的责任。然而,茫茫的海水覆盖在地壳之上,就像医生无法用肉眼直接观察人体内部组织器官一样,我们也无法凭肉眼透过海水观察海洋地壳的结构及其活动规律。因此,从20世纪30年代开始,海洋地球物理学家们发明了一种利用地震波探测海底地壳的方法——海洋地震探测技术。

海洋地震探测是利用海洋与地壳地层中的地震波速度与密度差异,通过观测、处理与分析地壳中不同地层结构对人工激发地震波的反射响应,研究地震波的传播规律,推断地下岩石性质、地层结构的一种海洋地震测量方法。它的原理是利用在海水中人工激发的地震波向下传播时,遇到不同速度、密度的地层分界面就会产生反射波或折射波返回海水中,用专门的仪器可记录这些地震波,分析它的传播时间、振动幅度与形状等,通过专门的计算程序处理,能较准确地测定地壳中地层界面的深度和形态,判断地层的岩性和结构。

海洋地震探测由资料采集、处理与解译三个环节组成。资料采集系统由卫星导航系统、地震波震源激发系统和记录系统的仪器设备组成,将这些仪器设备安装在专业的地震调查船上,探测施工时将激发地震波的震源和记录电缆布放在船尾后面的海水中,由地震船拖曳震源和电缆按测线方向行进。船载震源控制系统控制震源以一定的距离间隔激发地震波,并通过装有大量的压电检波器的电缆接收来自地壳地层的地震反射波信号,并传输到地震船上的记录系统中进行储存。由于电缆被地震船拖曳行进,行业内将其称之为“拖缆”。卫星导航系统通过接收卫星定位信号,确定船只、震源及电缆的具体位置,并引导地震船按照设计的探测线轨迹航行。因此,海洋地震探测资料采集与陆地不同,它采取的是边航行、边激发、边接收的工作方式。

早期的海洋地震探测资料采集,采用TNT炸药爆炸激发地震波的方式进行,它存在着污染海洋环境、伤害海洋生物,且施工效率低、安全隐患大的问题。1964年美国BOLT公司发明了气枪震源,它通过电磁阀控制瞬间释放枪膛内的高压气体,在海水中产生的气泡振荡形成地震波。它具有操作容易、施工效率高、安全,以及保护海洋环境,对海洋生物无害的优点,成为目前海洋地震探测激发地震波的主流震源。

拖缆接收系统主要包括电缆及电缆控制器两大部分。电缆被设计的比重与海水基本相同,在电缆控制器的作用下可以沉放到固定深度,因此又称为等浮电缆。电缆内部包含接收地震波信号的压电检波器在内的全部数字记录线路,通过导线将接收到的地震信号数字化并传输到地震船的记录系统中。

与医学上B超检查一样,海上采集的地震资料也要通过处理才能观察到地壳中地层的结构,只是地震资料处理工作更为复杂、数据量巨大,因而难度非常大。目前,地震资料处理一般以大规模的CPU或GPU集群为硬件平台,以专业的处理软件进行。地震资料的处理主要由噪音剔除,地震波的速度、振动幅度（振幅）和形态等属性分析,地震波成像等部分组成。

在海洋地震资料采集过程中,勘探区内的风浪、商船航行、渔业生产和海洋工程施工都会对地震信号产生干扰,在资料处理中必须首先将记录中的这些干扰信号剔除。在此基础上,根据地震波的运动学和动力学特征,分析地震波在不同区域、不同地层结构的速度、振幅和形态等特征,为成像处理和地层分析提供支撑。地震成像处理就是将不同的反射信号接收点的记录进行有机组合,形成一个连续的、可横向追踪的地质断面。

在以上工作的基础上,根据不同地层组合的地震反射结构、速度和波形及振幅变化特征,对地震剖面进行对比解译。在地震剖面上,连续的、波形相似的一套地震反射波组代表了一组地层或岩层的反射,它的起伏代表了地层的起伏,拾取地震波的反射到达时间,再结合数据分析得到地震速度信息,通过计算获得地层的埋藏深度,进而形成地质剖面。这样,地质学家们就可以据此推测地层分布和结构关系,研究它的构造与沉积演化历史,寻找石油、天然气等矿产资源。

海洋地震探测可分为二维地震、三维地震和四维地震探测。二维地震探测是一条“线”的探测,得到的是一条测线的地震剖面,只能对测线之下的地层结构进行分析解译。三维地震探测是一个“面”的探测,由地震船拖曳由多条等间距平行布放的电缆同时接收同一震源激发的地震反射信号,成像处理后得到是三维空间上的数据体剖面,能够对一个勘探区域的地层结构进行整体分析解译,它比二维地震探测更精确、更直观,是海洋石油勘探的有利工具,我国近期发现的渤海渤中34-1亿立方米级大油田和南海荔湾3-1千亿立方米级的大气田,高精度的三维地震勘探技术功不可没。

四维地震探测就是在三维地震的基础上增加了时间维度的探测,即对相同的探测区域,在不同的时间上进行重复三维地震观测。就像医生对比病人治疗前后的B超检查结果,分析治疗效果和制定下一步的治疗方案一样,四维地震勘探主要应用在油气田的开发阶段,油气开发工程师们通过对不同开发阶段的三维地震探测成像结果对比,分析剩余油气的分布状况与油气运移特征,制定下一步有针对性的开发方案,减少开发的盲目性,提高石油、天然气的开采量。

目前,海洋地震探测技术装备与观测方法正在快速发展中,目标是探测的高精度、高效率与低成本,为海洋地质调查与矿产资源探测提供更加丰富、准确的地震波场信息。