海洋单道地震勘探震源技术

万 芃 牟泽霖 冯强强

气枪震源和电火花震源作为两种最主要的海洋单道地震震源，由于其技术特点的不同，它们的应用范围也各不相同。本文首先简要回顾了两种地震震源的发展历程，接着从声学基础理论对单道地震勘探反射技术进行了介绍，然后分别介绍了气枪震源和电火花震源的工作原理及其技术特点，并对典型的设备技术参数和海上地震剖面进行了对比分析，最后对两类震源的实际应用和发展方向进行了总结。

早期，海洋地震勘探主要以炸药做地震震源，但是炸弹震源具有高危险性、不稳定性和环境污染等缺点。为了替代炸弹震源，各种类型替代震源陆续出现。1964 年Bolt 公司的卡尔米斯克发明了气枪类震源。20 世纪60年代末至70 年代初，奇奥科夫斯基、舒尔茨-盖特曼等根据气泡震荡的衰减方式，建立了气枪阵列的理论模型，为气枪震源的使用打下了理论基础。另一方面，20 世纪60 年代初期，美国开始了陆地电火花震源的研制工作，1967 年纳什使用了四组电级放点。韦纳等于1966 年取得了海洋电火花震源的专利。1973 年，巴伯研制了海洋勘探用的编码电火花震源，成为了第一代海洋电火花震源。近年来，随着电子和精密机械加工技术的发展，对气枪震源和电火花震源的可靠性、稳定性及其子波特性等技术性能进行了不断的改进和完善，目前，这两类震源成为了海洋单道地震勘探中使用频率最高的地震震源。这两类地震震源由于其工作原理的区别，其震源能级和频谱特性也各不相同，因此，其针对的地震勘探目的也不相同。

本文将从单道地震勘探反射技术的基础理论出发，结合典型设备的技术指标和剖面的分析，对气枪震源和电火花震源这两类海洋单道地震震源技术特征进行研究，为不同单道地震勘探目的中单道地震震源的选择提供理论依据。

单道地震勘探反射技术的基础理论

海洋单道地震勘探技术与海洋环境下的声学特征密切相关。地震波反射是声波在两种具有不同声学阻抗特性介质的边界发生反射。在单道地震勘探中，声波入射角接近垂直入射，由于在沉积物横切面的声学阻抗特性的差异，将产生了一系列的反射波，正是通过对这些反射波特性的分析来研究海底沉积物地层构造。介质声学阻抗特性不同是因为两种不同物理介质，它们的声速伸缩性和容积密度的差异而造成。在光滑表面上的声波反射系数（μ0）等于反射波和垂直入射波的振幅之比，如下式：

在这里I 为声学阻抗，V 为声速，ρ 为容积密度，下标是代表反射面两边不同的物理介质。能量经过反射回到检波器，它的大小与震源能级和两种不同介质之间的声学阻抗差异（反射系数的绝对值）成比例关系。在单道地震勘探反射中的反射系数由于反射面的粗糙很明显的受到散射的影响。这个作用的大小如等式2 所示。

在等式中μ0为反射系数，它只有在光滑反射面的条件下才有意义。（如等式1 所示，这里μ 是粗糙反射面的反射系数）指数大小受发射表面粗糙程度所影响，这里R 为Rayleigh（雷利）参数。

未被反射或者散射的能量将透过分界面进入下一层介质。反射能量的大小与反射系数无关，但是当阻抗差异为负，既I2小于I1的时候，波形的相位将被颠倒。在海洋单道地震勘探中，反射面的上层介质永远是水，地震震源和检波器悬浮在水中，而各种沉积物在海底呈复杂的层状分布。通过检波器接收到的反射波振幅大小主要与地震震源的能级，检波器的位置分布和灵敏度，传播过程中的能量损失和其他能量损耗因素和检波器周围环境的噪声大小等因素有关。

在一种给定的介质中，黏弹性能量损失过程与能量吸收有关，它的大小与波阵面扩散的范围和频率有关，其关系如下式：

这里，Pr是在距震源距离为r（两倍传播距离）处接受到波形的振幅值，而距震源1m 处的参考振幅值为P0，αk为给定介质的吸收系数，单位是奈培/米＊赫兹，fr是接受频率。表示吸收损失，1/r 表示声波球型扩散过程中的振幅衰减。声波球面扩散也受反射面的粗糙程度的影响。从一个光滑平面反射（例如一个反射镜），传播过程中由扩散造成的损失为20log（2r）。当底面是粗糙的（例如一个散射体），扩散损失就变成了20log（r2）。等式（3）显示声波频率越高在传播过程中将会能量损失越大，这也就意味着声波频率越高其沉积物地层穿透能力就越差。

震源工作原理

（1）气枪震源

气枪震源属于加速水团类震源，其采用压缩空气作为能量存储介质。气枪震源收到触发信号后，将气枪震源中的高压空气释放到水中，迅速形成球形的气泡，由于气泡内压力大于周围静水压力，导致气泡迅速膨胀形成第一个压力脉冲，即气枪震源的主脉冲，它传播出去就形成地震波。气泡继续膨胀，直至初始获得的能量全部转化为周围水压的势能，体积达到最大。随后气泡开始变小，气体重新被压缩直至高压状态，从而开始一个新的气泡膨胀周期，形成第二个气泡脉冲。由于气泡的第一个振荡都会有能量的损耗，所以每一次形成的脉冲就越来越小。最后气泡浮出水面破裂，这就是气泡效应。每一次气泡膨胀都会产生地震波，单枪子波波形中主脉冲后面就是气泡效应引起的气泡脉冲，由于多次气泡胀缩使气枪震源子波产生多次振荡，降低了地震资料的分辨率。常规气枪不适用于单道地震勘探，一般使用于单道地震勘探中的气枪容量都比较小，且采用多枪组合方式（GI 枪或者G 枪阵）以压制气泡。相对于电火花震源而言，气枪震源具有更强的穿透能力，并且可以在高噪声背景下工作。

表1 气枪震源技术总结

（2）电火花震源

电火花震源是水中脉冲放电技术在水下声学和地震勘探技术方面的一个重要应用，电火花震源又称为水下等离子体声源。脉冲功率技术就是把“慢”储存起来的具有较高密度的能量，进行快速压缩，转换或直接释放给负载的电物理技术。电火花震源通过放置在导电液体例如海水中的电极释放电能，产生气泡，气泡的迅速膨胀产生了一个几乎完美的正压脉冲。输出能量范围由一百焦到上万焦。然而，气泡只有在膨胀到超过周围压力时才会破裂，但会产生一个气泡振荡的二次高压脉冲。这个过程将持续下去，直到能量耗尽。目前常用的电火花震源多采用多电级放电技术来压制气泡效应，提高勘探分辨率。

表2 电火花震源技术特点总结

典型震源技术参数及海上采集剖面

目前，在海洋单道地震勘探中主要使用的气枪震源有GI 枪震源，而电火花震源有SIG 2Mille 小容量电火花震源和Geo-Spark 6KJ 大容量电火花震源。其技术参数见表3。

从图1 震源频谱特性图中可以看出，GEO -SPARK 6KJ 电火花震源频率最高其频带最宽，SIG2Mille 电火花震源其次，而GI 枪震源频率最低且频带最窄，单道地震勘探反射技术的基础理论分析可知：GEO-SPARK 6KJ 电火花震源分辨率最高，SIG2Mille 电火花震源次之，而GI 枪震源分辨率最低；而在地层穿透能力方面，三种震源的次序刚好相反。从图2-4 南海海域野外采集剖面可以看出，GI 枪震源采集剖面的分辨率最低，但是其剖面信噪比最高，地层穿透能力最强。而GEO-SPARK 6KJ 电火花震源和SIG2Mille 电火花震源在地层分辨率和地层穿透能力相差不大。

表3 典型震源技术参数

结束语

海洋单道地震勘查是一种海洋高分辨率地震勘探技术方法，其广泛的应用于海洋工程勘探、海洋井位及路由调查以及海洋区域调查等。气枪震源和电火花震源作为目前最主要的单道地震震源，而由于其不同的工作原理，使得其技术参数也各不相同，因而其在海洋单道地震勘探中的应用各不相同。在野外作业中，应该根据具体的野外勘探目的和实际作业条件，选择合适的单道地震震源，以达到最佳的野外勘探作业效果。

图1 典型气枪震源和电火花震源频谱特性

图2 采用GI 枪震源在南海海域采集的单道地震剖面，显示剖面长度300ms

气枪震源由于其主频较低，频带较窄，且输出能量较高，其穿透能力强而勘探分辨率一般，其适用于深水单道地震勘探和对底质穿透要求较高的单道地震勘探项目。

小容量电火花震源其主频较高，频带较宽，但是输出能量强度一般，其具有高勘探分辨率的特征，且其操作简单，对外围辅助设备要求较低，其特别适用于近岸工程高分辨率物探勘探项目。

大容量电火花震源其主频高且频带宽，输出能量较强，其具有高勘探分辨率和较强的地层穿透能力，其适用于深水井场等深水高分辨率单道地震勘探，但是由于其体积较大，且对供电要求较高，一般不适用于近岸小船作业。

图3 采用GEO-SPARK 6KJ 电火花震源在南海海域采集的单道地震剖面，触发能量3000J，显示剖面长度300ms

图4 采用SIG2Mille 电火花震源在南海海域采集的单道地震剖面，触发能量1000J，显示剖面长度300ms