氣槍：水下震源理論與操作（Ⅰ）＊

Paul M Krail（德克薩斯州立大學，休斯頓，美國）

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氣槍：水下震源理論與操作（Ⅰ）＊

Paul M Krail
（德克薩斯州立大學，休斯頓，美國）

摘 要詳細了解震源的輻射場對于有效的震源設計和震源波場反褶積是非常必要的。為了了解氣槍理論和操作原理，就有必要研究氣槍在水下釋放產生的氣泡運動。氣槍能夠在水下釋放高壓氣泡，氣泡膨脹產生地震波，被用于反射地震學研究。本論文是關于水中氣泡運動產出地震壓力波，也稱為氣槍信號。首先討論單個氣泡的相關物理原理，其次從海洋流體力學和空氣熱力學的基礎方程推導出氣泡的動態特性。一旦了解單個氣泡的動態特性，就容易了解一組氣槍氣泡的行為特性。本文詳細解釋了使用氣槍陣列的原因，并討論了在實際應用中的性能規范。本文探討了不同類型的氣槍，解釋了具體的操作流程，并討論了安裝于地震勘探船上由GPS導航系統和氣動式電腦聯合控制的槍控系統。

關鍵詞氣槍；水下震源；原理；操作；單槍；氣槍陣列

1　氣槍發展史

為了了解氣槍原理和操作規則，有必要研究氣槍在水下產生和釋放的氣泡運動。1917年Rayleigh是首個研究水下氣泡運動理論與處理方法的學者之一［1］，他通過觀察煮水過程研究沸水產生氣泡現象。Rayleigh對當水壺里的水沸騰后發出聲音這一現象產生興趣，并解釋為由于氣泡從較涼的水中浮出發生局部或完全破裂而產生。Rayleigh的理論把水作為一種不可壓縮的液體。我們腦海中關于沸水產生氣泡的記憶圖像和氣泡破裂的聲音，對于我們描述在海洋里的氣槍氣泡和產生的地震聲波具有很好的指導意義。早期的震源船所配置的爆破炸藥能量較小。水下高速爆破可以產生高壓氣泡，因此，如果我們研究水下氣泡運動，就能在一定程度上認知氣槍和爆破源。由炸藥產生的氣壓比氣槍產生的壓力大得多。如果我們假設炸藥的爆炸影響范圍是直徑一英尺的球面，當它在中心位置爆炸時，能使得固體物質在短時間內升溫并變為高密度氣體。實心彈內部未爆炸部分會產生約1.38×104MPa的峰值壓力。這顯然比氣槍產生的壓力大得多，而且比從地下深處反射的能量大。

在二戰期間，許多機密研究涉及到水下聲波的監控，這些包含了氣泡脈沖的產生與研究以及許多理論和儀器的進展，在隨后被公開的部分研究也得益于此，如后來Ewing等人在1948年發表了水下地震研究［2］。二戰以后，在墨西哥灣和加州沿岸開展了地震爆破研究。在這些研究中都用到炸藥，而利用炸藥導致了環境和安全問題。20世紀60年代中期，Chelminski開始生產和測試氣槍用于地震研究使用，1970年代他創辦了Bolt技術股份有限公司，并給他的氣槍命名為PAR（pneumatic acoustic repeater，氣動式聲波中繼器）。從那時起，Bolt持續完善和發展氣槍。1975年，Chelminski獲取了氣槍設計專利。當時尋求炸藥替代品的需要非常高，以至于還發展了許多其他震源，但沒有一個震源像氣槍這樣通用。

在理論方面也取得了進展。Rayleigh曾經預測，當把周圍液體視為可壓縮時，關于氣泡運動的解釋將得到進一步深化。Cole在1948年的工作填補了此項研究［3］。Keller和Kolodner于1956年成功地解決了不可壓縮液體的氣泡問題［4］，并從氣泡運動包括氣泡的阻尼振蕩理論中得到新的預測，該結論與實地測量結果非常接近。在本文中，將涉及到這些研究的進展情況。盡管氣槍作為最受歡迎的震源來說具有優越性，但并不是說它不存在問題。當前它仍不是地震工程需要的理想震源。

氣槍需要3項具體的改進，包括更具可靠性、動力更大和更寬的信號頻帶。地球物理服務公司（GSI）著手一項發展規劃以解決這些需求。一種基于外設套筒的全新氣槍取代了傳統的內設換向閥氣槍。1984年3月，標準實驗系統進行測試，同年6月完成了第一個成品。該創新設計來自E.R.Harrison 和GSI的專利。氣槍持續發展以及引進內設換向閥的改進模型，使得如今雙套筒式氣槍和內設換向閥氣槍很受歡迎。SEG意識到Chelminski和Harrison對于震源發展所做的重要創新貢獻，因此分別在1975年授予了Chelminski考夫曼金牌勛章和在1998年授予Harrison費森登獎。

在氣動式震源研究中，還有其他兩個創新設計需要提到，它們都是Pascouet和他的公司Sodara研發的產品。首先是水槍，其通過向海水中注水，利用氣泡破裂產生聲波能量，而氣槍則依賴于氣泡膨脹。1981年，Pascouet針對液壓裝置向海里注水獲取了專利。水槍作為理想震源存在可能性，但由于工程困難大而仍未實現。Pascouet的第二個創新是GI槍。GI（gas injector）氣槍通過先產生一個氣泡，然后將空氣注入該氣泡中來阻止不需要的氣泡振蕩。1989年，Pascouet為地震工程展示了新的震源，并在1991年發表了一篇論文解釋說明他的發明和GI槍的操作規則。

資料來源：Krail P M.Airguns：Theory and operation of the marine seismic source.2010.http：∥hdl.handle.net／2152／11226

（福建省地震局 王林 譯， 黃宏生 校）

（譯者電子信箱，王林：wl＿0117＠163.com）

參考文獻

［1］Rayleigh L.On the pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity.Philosophical Magazine，1917，34：94－98

［2］Ewing M，Worzel J L，Perkeris C L.Propagation of sound in the ocean.The Geological Society of A－merica，Memoir 27，1948

［3］Cole R H.Underwater Explosions.New Jersey：Princeton University Press，1948

［4］Keller J B，Kolodner I.Damping of underwater explosion bubble oscillations.Journal of Applied Physics，1956，27（10）：1152－1161

收稿日期：(＊)2015－05－05。

doi：10.3969／j.issn.0235－4975.2015.10.008

文獻標識碼：A；

中圖分類號：P315.62；