海洋單道地震勘探震源技術

萬 芃 牟澤霖 馮強強

氣槍震源和電火花震源作為兩種最主要的海洋單道地震震源，由于其技術特點的不同，它們的應用范圍也各不相同。本文首先簡要回顧了兩種地震震源的發展歷程，接著從聲學基礎理論對單道地震勘探反射技術進行了介紹，然后分別介紹了氣槍震源和電火花震源的工作原理及其技術特點，并對典型的設備技術參數和海上地震剖面進行了對比分析，最后對兩類震源的實際應用和發展方向進行了總結。

早期，海洋地震勘探主要以炸藥做地震震源，但是炸彈震源具有高危險性、不穩定性和環境污染等缺點。為了替代炸彈震源，各種類型替代震源陸續出現。1964 年Bolt 公司的卡爾米斯克發明了氣槍類震源。20 世紀60年代末至70 年代初，奇奧科夫斯基、舒爾茨-蓋特曼等根據氣泡震蕩的衰減方式，建立了氣槍陣列的理論模型，為氣槍震源的使用打下了理論基礎。另一方面，20 世紀60 年代初期，美國開始了陸地電火花震源的研制工作，1967 年納什使用了四組電級放點。韋納等于1966 年取得了海洋電火花震源的專利。1973 年，巴伯研制了海洋勘探用的編碼電火花震源，成為了第一代海洋電火花震源。近年來，隨著電子和精密機械加工技術的發展，對氣槍震源和電火花震源的可靠性、穩定性及其子波特性等技術性能進行了不斷的改進和完善，目前，這兩類震源成為了海洋單道地震勘探中使用頻率最高的地震震源。這兩類地震震源由于其工作原理的區別，其震源能級和頻譜特性也各不相同，因此，其針對的地震勘探目的也不相同。

本文將從單道地震勘探反射技術的基礎理論出發，結合典型設備的技術指標和剖面的分析，對氣槍震源和電火花震源這兩類海洋單道地震震源技術特征進行研究，為不同單道地震勘探目的中單道地震震源的選擇提供理論依據。

單道地震勘探反射技術的基礎理論

海洋單道地震勘探技術與海洋環境下的聲學特征密切相關。地震波反射是聲波在兩種具有不同聲學阻抗特性介質的邊界發生反射。在單道地震勘探中，聲波入射角接近垂直入射，由于在沉積物橫切面的聲學阻抗特性的差異，將產生了一系列的反射波，正是通過對這些反射波特性的分析來研究海底沉積物地層構造。介質聲學阻抗特性不同是因為兩種不同物理介質，它們的聲速伸縮性和容積密度的差異而造成。在光滑表面上的聲波反射系數（μ0）等于反射波和垂直入射波的振幅之比，如下式：

在這里I 為聲學阻抗，V 為聲速，ρ 為容積密度，下標是代表反射面兩邊不同的物理介質。能量經過反射回到檢波器，它的大小與震源能級和兩種不同介質之間的聲學阻抗差異（反射系數的絕對值）成比例關系。在單道地震勘探反射中的反射系數由于反射面的粗糙很明顯的受到散射的影響。這個作用的大小如等式2 所示。

在等式中μ0為反射系數，它只有在光滑反射面的條件下才有意義。（如等式1 所示，這里μ 是粗糙反射面的反射系數）指數大小受發射表面粗糙程度所影響，這里R 為Rayleigh（雷利）參數。

未被反射或者散射的能量將透過分界面進入下一層介質。反射能量的大小與反射系數無關，但是當阻抗差異為負，既I2小于I1的時候，波形的相位將被顛倒。在海洋單道地震勘探中，反射面的上層介質永遠是水，地震震源和檢波器懸浮在水中，而各種沉積物在海底呈復雜的層狀分布。通過檢波器接收到的反射波振幅大小主要與地震震源的能級，檢波器的位置分布和靈敏度，傳播過程中的能量損失和其他能量損耗因素和檢波器周圍環境的噪聲大小等因素有關。

在一種給定的介質中，黏彈性能量損失過程與能量吸收有關，它的大小與波陣面擴散的范圍和頻率有關，其關系如下式：

這里，Pr是在距震源距離為r（兩倍傳播距離）處接受到波形的振幅值，而距震源1m 處的參考振幅值為P0，αk為給定介質的吸收系數，單位是奈培/米＊赫茲，fr是接受頻率。表示吸收損失，1/r 表示聲波球型擴散過程中的振幅衰減。聲波球面擴散也受反射面的粗糙程度的影響。從一個光滑平面反射（例如一個反射鏡），傳播過程中由擴散造成的損失為20log（2r）。當底面是粗糙的（例如一個散射體），擴散損失就變成了20log（r2）。等式（3）顯示聲波頻率越高在傳播過程中將會能量損失越大，這也就意味著聲波頻率越高其沉積物地層穿透能力就越差。

震源工作原理

（1）氣槍震源

氣槍震源屬于加速水團類震源，其采用壓縮空氣作為能量存儲介質。氣槍震源收到觸發信號后，將氣槍震源中的高壓空氣釋放到水中，迅速形成球形的氣泡，由于氣泡內壓力大于周圍靜水壓力，導致氣泡迅速膨脹形成第一個壓力脈沖，即氣槍震源的主脈沖，它傳播出去就形成地震波。氣泡繼續膨脹，直至初始獲得的能量全部轉化為周圍水壓的勢能，體積達到最大。隨后氣泡開始變小，氣體重新被壓縮直至高壓狀態，從而開始一個新的氣泡膨脹周期，形成第二個氣泡脈沖。由于氣泡的第一個振蕩都會有能量的損耗，所以每一次形成的脈沖就越來越小。最后氣泡浮出水面破裂，這就是氣泡效應。每一次氣泡膨脹都會產生地震波，單槍子波波形中主脈沖后面就是氣泡效應引起的氣泡脈沖，由于多次氣泡脹縮使氣槍震源子波產生多次振蕩，降低了地震資料的分辨率。常規氣槍不適用于單道地震勘探，一般使用于單道地震勘探中的氣槍容量都比較小，且采用多槍組合方式（GI 槍或者G 槍陣）以壓制氣泡。相對于電火花震源而言，氣槍震源具有更強的穿透能力，并且可以在高噪聲背景下工作。

表1 氣槍震源技術總結

（2）電火花震源

電火花震源是水中脈沖放電技術在水下聲學和地震勘探技術方面的一個重要應用，電火花震源又稱為水下等離子體聲源。脈沖功率技術就是把“慢”儲存起來的具有較高密度的能量，進行快速壓縮，轉換或直接釋放給負載的電物理技術。電火花震源通過放置在導電液體例如海水中的電極釋放電能，產生氣泡，氣泡的迅速膨脹產生了一個幾乎完美的正壓脈沖。輸出能量范圍由一百焦到上萬焦。然而，氣泡只有在膨脹到超過周圍壓力時才會破裂，但會產生一個氣泡振蕩的二次高壓脈沖。這個過程將持續下去，直到能量耗盡。目前常用的電火花震源多采用多電級放電技術來壓制氣泡效應，提高勘探分辨率。

表2 電火花震源技術特點總結

典型震源技術參數及海上采集剖面

目前，在海洋單道地震勘探中主要使用的氣槍震源有GI 槍震源，而電火花震源有SIG 2Mille 小容量電火花震源和Geo-Spark 6KJ 大容量電火花震源。其技術參數見表3。

從圖1 震源頻譜特性圖中可以看出，GEO -SPARK 6KJ 電火花震源頻率最高其頻帶最寬，SIG2Mille 電火花震源其次，而GI 槍震源頻率最低且頻帶最窄，單道地震勘探反射技術的基礎理論分析可知：GEO-SPARK 6KJ 電火花震源分辨率最高，SIG2Mille 電火花震源次之，而GI 槍震源分辨率最低；而在地層穿透能力方面，三種震源的次序剛好相反。從圖2-4 南海海域野外采集剖面可以看出，GI 槍震源采集剖面的分辨率最低，但是其剖面信噪比最高，地層穿透能力最強。而GEO-SPARK 6KJ 電火花震源和SIG2Mille 電火花震源在地層分辨率和地層穿透能力相差不大。

表3 典型震源技術參數

結束語

海洋單道地震勘查是一種海洋高分辨率地震勘探技術方法，其廣泛的應用于海洋工程勘探、海洋井位及路由調查以及海洋區域調查等。氣槍震源和電火花震源作為目前最主要的單道地震震源，而由于其不同的工作原理，使得其技術參數也各不相同，因而其在海洋單道地震勘探中的應用各不相同。在野外作業中，應該根據具體的野外勘探目的和實際作業條件，選擇合適的單道地震震源，以達到最佳的野外勘探作業效果。

圖1 典型氣槍震源和電火花震源頻譜特性

圖2 采用GI 槍震源在南海海域采集的單道地震剖面，顯示剖面長度300ms

氣槍震源由于其主頻較低，頻帶較窄，且輸出能量較高，其穿透能力強而勘探分辨率一般，其適用于深水單道地震勘探和對底質穿透要求較高的單道地震勘探項目。

小容量電火花震源其主頻較高，頻帶較寬，但是輸出能量強度一般，其具有高勘探分辨率的特征，且其操作簡單，對外圍輔助設備要求較低，其特別適用于近岸工程高分辨率物探勘探項目。

大容量電火花震源其主頻高且頻帶寬，輸出能量較強，其具有高勘探分辨率和較強的地層穿透能力，其適用于深水井場等深水高分辨率單道地震勘探，但是由于其體積較大，且對供電要求較高，一般不適用于近岸小船作業。

圖3 采用GEO-SPARK 6KJ 電火花震源在南海海域采集的單道地震剖面，觸發能量3000J，顯示剖面長度300ms

圖4 采用SIG2Mille 電火花震源在南海海域采集的單道地震剖面，觸發能量1000J，顯示剖面長度300ms