位于冰岛所属海域东北部的M区块勘探项目，为中国首次在北极圈以作业者身份开展的海上石油勘探。M区块与挪威海域盆地、格陵兰岛东部盆地在中生代同属一个沉积盆地，具有相似的沉积特征和石油地质条件。与此同时，挪威西部海域盆地和格陵兰岛东部盆地均已揭示了中生界侏罗系—白垩系含油气系统。目前，挪威西部陆架Voring、More、Faroes-Shetland盆地等已获得1.5×10¹⁰bbl当量的油气发现。冰岛M区块勘探程度低，尽管暂时没有油气发现，但通过地质类比推测，此区应该具备一定的油气勘探潜力；附近的大洋钻探也揭示了冰岛M区块存在活跃的侏罗系油苗，证实该区发生过油气生成、运聚过程，展示出良好的油气勘探前景^[1-5]。

结合已有的重力、磁法资料，在地层格架建立的基础上，对全区中生界进行追踪分析，初步建立了“两洼夹一隆”的构造格局，研究人员提出北区和南区是有利区带。M区块位于扬马延脊南部倾没端，水深总体在800m至2000m之间，北部的扬马延岛出露水面。研究区目前没有油气探井，只有9口深海大洋钻探井，但钻探深度较浅，均小于500m，只揭示了浅层上始新统以上地层。

整个扬马延脊共实施了8批次二维地震勘探，总计超过2×10⁴km，无三维地震资料。Spectrum公司分别在2008年、2013年对该区所有批次的二维地震重新进行处理。从已有资料可以看出晚期采集和处理的剖面地震品质好于早期采集和处理的剖面，但地震资料品质普遍较差，无法满足勘探和研究需要。

为调研和收集冰岛M区块区域地质和地震资料信息，建立基础数据库，决定在M区块进行二维地震勘探的部署及采集工作。

在实际的海洋地震资料采集中，为了尽量避免噪声干扰，可选择海况较好的季节进行地震资料采集，或适当增加震源、电缆的沉放深度，有利于减小涌浪等环境噪声的影响^[6]。

M区块地处高纬度67.2°~69.2°N，接近北极圈，部分甚至在北极圈以内，有极昼极夜现象，适合作业的天气为每年的6月到9月中旬。图 1为该地区年度平均浪高统计，可以看出，6、7、8三个月浪高低于3m的在10%以下，8月中旬或下旬浪高超过3m的约占8%，9月份浪高超过3m的约占22%，往后的月份更高。根据实际作业经验，浪高超过3m时，无论是作业安全，还是所采集的地震资料品质都会受到较大影响。因此，采集时窗十分有限。

图 1

图 1 冰岛M区块年度平均浪高统计图

M区块新生代以来强烈的火山活动，使得该区域内存在两套大型的玄武岩层，其中一套为全区发育，另一套为局部发育：古新世晚期玄武岩覆盖整个研究区，而渐新世晚期玄武岩局部分布，主要集中在M区块的中部和东南角、西北角位置。

玄武岩具有速度高、非均质性强等特点，对地震信号产生强烈的屏蔽作用和散射作用，使得下传地震波能量衰减严重，从而造成下伏地层的反射能量微弱，下伏地层和基底反射不清，信噪比低，多次波发育，干扰严重，中深层成像困难^[7-15]。

冰岛M区块有过多次地震采集，关键参数见表 1。不难看出，采集参数差别并不十分明显，主要在于震源的容量及震源、电缆的沉放深度稍有差别。这几次资料的处理效果差别也并不大，所以如果继续采用类似参数进行作业，很难得到有突破的资料，需要通过对以往参数及处理结果进行详细对比分析，找到突破点。

表 1

表 1 工区内已有采集参数统计 测线年份 激发参数 记录参数 震源容量/in3 震源沉放深度/m 压力/(lbf·in-2) 炮间距/m 电缆长度/m 电缆沉放深度/m 道间距/m 记录长度/s 1985 3564 7.5 2000 50 3000 10 25 8 2001 4240 6 2000 25 10050 8 12.5 10 2008 4000 10 2000 25 10050 12 12.5 10

表 1 工区内已有采集参数统计

通过对不同年度采用不同参数的原始资料及其重处理成果剖面资料，以及不同年度测线交会点处资料进行对比分析，研究区已有资料品质具有以下特点：① 玄武岩层、海水面、海底共同作用造成多种形式的多次波发育，多次波波场复杂；② 玄武岩下伏地层最佳成像频段为3~20Hz，40Hz以上基本看不到有效反射信息，成像十分困难；③ 1985年采集资料时电缆长度较短，无法真实反映深层波场信息，而2001年和2008年采集资料时，虽然有所改善，但震源能量仍然没有达到最佳，深层反射信息仍然不足。总体来说，晚期采集和处理得到的地震数据及剖面品质虽优于早期，但地震资料品质普遍较差，无法满足勘探和研究需要。

通过以上难点分析，可以知道此次采集主要为解决玄武岩屏蔽作用下的地层成像问题，从而能够较为清楚地识别深部地层和基底的地震反射特征。这需要从以下两个关键方面进行实现。

对3个年度的叠加成果资料进行频谱扫描，2001年资料中深层优势频带主要集中在5~20Hz，对其主要目的层进行频谱分析，强屏蔽层主频主要集中在25Hz左右，屏蔽层下伏地层主频基本在20Hz以下（图 2）；而2008年资料低频成分丰富，中深层成像效果更好，优势频带主要集中在3~20Hz，原始资料比较缺少低频信号。

图 2

图 2 2001年度成果频谱扫描分析

M区块内以往勘探资料证明：大震源加长电缆能够改善中生界的成像效果。由于玄武岩的屏蔽作用，导致中生界低频信息不足，对比3个年度资料，发现震源、电缆沉放较深时，低频信号相对丰富一些，但深度较大的电缆接收道的高频信息不足，为此提出宽频采集攻关。

在玄武岩高速层的内部及其地层与围岩之间，具有较强的横向、纵向非均质性，这种特性会对地震波场产生很强的散射和屏蔽作用。因此利用低频信号可降低非均质性强的玄武岩地层对地震波场的散射和屏蔽作用，提高深层成像质量，利用低频信号和低频接收将在更大程度上得到高速层信息^[6]。因此，有必要用强的低频源进行相关设计。

玄武岩屏蔽就震源来说主要是屏蔽其穿透的能力，而穿透能力与其激发能量密切相关，因此通过增加震源总容量来提高震源能量，同时设计时加大单个大容量气枪在整个震源阵列中所占比例，以提高子波的低频成分。最终M区块的地震采集使用G-GUNⅡ型气枪、容量达6280in³的4子阵组合震源，其中单枪最大容量为310in³。

与此同时，在对玄武岩覆盖区进行中深部成像处理时，可以采用低频信号成像的方法，强化非均质性强的玄武岩层对波场传播信号的散射和屏蔽作用^[16]。

相对于常规海上拖缆，倾斜电缆采集随着电缆沉放深度的不同，对应的陷波点位置不同，随着沉放深度递增，第一个陷波点对应的频率逐渐降低。陷波具有多样性特征，在一个道集内进行不同深度的多道叠加，可以一定程度上抑制海面虚反射，拓宽频带。在低频端，鬼波的振幅谱随着深度增加而增加^[17-20]。

根据2008年采集测线建立二维地质模型（图 3），针对玄武岩下伏地层h₆分别进行不同参数倾斜电缆和不同深度水平电缆正演模拟，并进行基于鬼波算子的脉冲响应叠加平均谱对比分析。

图 3

图 3 依据2008年采集测线所建的二维地质模型

如图 4所示，固定倾斜电缆展布方式0~4000m为变深度，4000~9000m为等深度，其沉放深度分别为5~10m、5~20m、5~30m、5~40m、5~50m，基于深层目的层h₆进行脉冲响应频谱分析。图 5为深层目的层h₆不同沉放深度倾斜电缆脉冲响应叠加频谱对比，图 6为深层目的层h₆倾斜电缆沉放深度5~30m和不同水平电缆沉放深度（10m、15m、30m、50m）脉冲响应叠加频谱对比。可以看出：对于深层目的层，倾斜电缆扩频优势更加明显，陷波点处能量增强；考虑深层最佳成像频段为3~20Hz，此频段内，倾斜电缆沉放深度5~30m与水平电缆沉放深度30m效果差距不大。

图 4

图 4 不同沉放深度倾斜电缆示意图

图 5

图 5 深层目的层h6不同沉放深度倾斜电缆脉冲响应叠加频谱对比图

图 6

图 6 深层目的层h6倾斜电缆与不同沉放深度水平电缆脉冲响应叠加频谱对比图

一般情况下，电缆沉放深度越浅，资料的主频也就越高，频带越宽，分辨率越高。但是，当目的层较深时，如果电缆沉放深度较浅，受风浪影响噪声较大，对资料品质有一定影响。M区块水深在800~2000m，目的层又位于具有强烈屏蔽作用的玄武岩之下，为了保证采集资料具有良好的品质，在后续处理中得到更加清晰可靠的成像成果，电缆的沉放深度应根据实际情况进行设计，既要保证所需的主频、频带，又要兼顾深层信息的接收，尽量减少噪声影响。

最终本次项目采集所用的电缆长度为8100m，电缆沉放在9m至50m的深度。图 7为理论设计电缆沉放深度与实际实时电缆沉放深度监控显示对比图，在M区块较差的海况和天气情况下，可见电缆沉放状态控制得非常好，为获取最佳资料奠定了基础。

图 7

图 7 M区块电缆理论设计与实际沉放对比

选取M区块相同位置的老资料与新采集的资料进行对比（图 8），可以明显看到：新采集的资料有效提高了地震资料分辨率，成像效果有很大的提高，特别是玄武岩屏蔽下的中、深层成像更为清晰，取得了较好的地震勘探效果。

图 8

图 8 新、老资料对比图

针对玄武岩屏蔽下的地质目标进行地震勘探是一项困难复杂的工作，除了考虑常规的天气和海况等影响因素，地震勘探设计时必须着重考虑如何使信号穿透玄武岩屏蔽层；而冰岛M区块的特殊地理位置带来的极昼极夜影响，又使得采集时窗一定程度上受到限制，因此实际作业难上加难。通过倾斜电缆采集方式，采用低频、大容量震源设计，能够在玄武岩屏蔽区取得高品质的地震资料：

(1）针对玄武岩下伏地层成像问题，最有效的解决方案是增大震源激发子波的低频端能量，提高低频信号，配备大容量震源。

(2）倾斜电缆采集可以实现宽频采集，兼具高、低频成分，成像效果好，同时也利于有效去除鬼波，对构造细节刻画得更为清晰。