萬 芃 吳 衡 王勁松 溫明明

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣東廣州 510760)

海洋高分辨反射地震勘探震源的技術(shù)特征

萬 芃 吳 衡 王勁松 溫明明

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣東廣州 510760)

本文首先簡要地回顧了海洋高分辨地震勘探反射技術(shù)的基礎(chǔ)理論,介紹了海洋工程勘探中主要使用的四大類高分辨地震震源——受控波束類震源(聲納)、加速水團(tuán)技術(shù)類震源、擠壓震源、爆炸式震源,并對(duì)各類震源技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析,指出了這些技術(shù)的發(fā)展方向、使用范圍和應(yīng)用前景。

地震震源 受控波束類震源 加速水團(tuán)技術(shù) 擠壓震源 爆炸式震源 海洋

1 引言

海洋地震勘探始于20世紀(jì)30年代末期。當(dāng)時(shí),除設(shè)備部件的防水、水密措施外,在儀器和方法上大都沿襲陸地人工地震測(cè)量技術(shù):以炸藥做震源,用密封的檢波器接收,將地震波記錄到感光紙上再進(jìn)行解釋。調(diào)查主要集中在瀕臨陸岸的淺水區(qū)。50年代,海洋地震勘探仍舊使用炸藥震源,接收裝置采用晶體(酒石酸鉀鈉)檢波器,用光點(diǎn)式地震儀在觀測(cè)船行進(jìn)中采集數(shù)據(jù)。50年代末期,由于多次覆蓋技術(shù)的出現(xiàn)和數(shù)據(jù)的重復(fù)處理,導(dǎo)致了震源、接收和記錄裝置的更新,非炸藥震源(壓縮空氣槍、電火花震源等)得到廣泛的使用,用漂浮組合電纜在水下接收。裝備的改善提高了勘探的速度和效果。60年代中期,由于電子計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,促使70年代初數(shù)字地震儀逐步代替模擬磁帶地震儀,又由于采用多次覆蓋技術(shù)和覆蓋次數(shù)的增加,使水下接收裝置由24道發(fā)展到96道,從而也相應(yīng)要求提高震源的能量與效率。80年代以來,海洋反射地震勘探技術(shù)向著高分辨率、高的接收道數(shù)和震源的大容量發(fā)展。

近二三十年中,高分辨海洋反射地震勘探技術(shù)在第四系分層、底質(zhì)調(diào)查、工程應(yīng)用和砂礦等沉積結(jié)構(gòu)以及物源分析研究等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與油氣勘探中的常規(guī)地震勘探系統(tǒng)相比,高分辨反射地震勘探系統(tǒng)的技術(shù)要求與其差異很大,具體表現(xiàn)為:震源能量低,阻抗變化小,頻帶帶寬寬,信噪比小,并且信號(hào)衰減速度快。因此在采集系統(tǒng)、震源、接收器、數(shù)據(jù)、處理和數(shù)據(jù)顯示方面,兩種勘探系統(tǒng)都有明顯的區(qū)別。目前,海洋高分辨反射地震勘探中使用的震源主要有以下四類:(1)受控波束(如,聲納、3.5k Hz淺地層剖面儀,連續(xù)變頻聲納,差頻聲納);(2)加速水團(tuán)技術(shù)(如,boomer布默震源,氣槍);(3)爆炸式震源(如,電火花)和(4)內(nèi)爆式震源(如,水槍),可以根據(jù)勘探目的的不同選擇不同類型的震源。本文將從基礎(chǔ)理論、各種震源的技術(shù)特征研究,結(jié)合相關(guān)技術(shù)的典型設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)分析,就海洋工程的高分辨反射地震勘探的震源技術(shù)特征進(jìn)行討論。

2 海洋高分辨地震勘探反射技術(shù)的基礎(chǔ)理論

海洋高分辨地震勘探技術(shù)與海洋環(huán)境下的聲學(xué)特征密切相關(guān)。地震波反射是聲波在兩種具有不同聲學(xué)阻抗特性介質(zhì)的邊界發(fā)生反射。在高分辨地震勘探中,聲波入射角接近垂直入射,產(chǎn)生了一系列的反射波,這是由于在沉積物橫切面的聲學(xué)阻抗特性發(fā)生了變化。聲學(xué)阻抗特性不同是因?yàn)閮煞N不同物理介質(zhì),它們的聲速伸縮性和容積密度的差異而造成。能量經(jīng)過反射回到檢波器,它的大小與震源產(chǎn)生的聲波脈沖振幅和兩種不同介質(zhì)之間的聲學(xué)阻抗差異(反射系數(shù)的絕對(duì)值)成比例關(guān)系。未被反射或者散射的能量將透過分界面進(jìn)入下一層介質(zhì)。反射能量的大小與反射系數(shù)無關(guān),但是當(dāng)阻抗差異為負(fù),波形的相位將被顛倒。

在海洋地震勘探中,反射面的上層介質(zhì)永遠(yuǎn)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(fù)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震源的脈沖振幅,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,代表沉積柱的反射系數(shù)序列的振幅大小,和檢波器周圍環(huán)境的噪聲大小等因素有關(guān)。高頻聲波在傳播過程中將會(huì)損失更多的能量,這使得檢波器接收到的回波振幅更小。在高分辨海洋地震剖面中,沉積柱本身中的聲學(xué)阻抗變化較小是很普遍的,而且頻率高、帶寬大的聲波信號(hào)可以從低能量級(jí)的震源獲得。另外,表面粗糙程度的標(biāo)準(zhǔn)和分辨率的要求可以在同一個(gè)等級(jí)上,因此聲波散射是聲波信號(hào)傳播過程中的一個(gè)重要組成部分。正是這些物理方面的限制,導(dǎo)致了高分辨地震反射勘探技術(shù)和常規(guī)地震反射勘探技術(shù)之間有明顯的區(qū)別。

3 海洋高分辨地震勘探反射震源技術(shù)特征

在海洋地震剖面中使用的各類聲學(xué)震源都是將震源能量轉(zhuǎn)化成周圍水團(tuán)的動(dòng)能。這個(gè)水團(tuán)本身運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生一個(gè)壓力波,以震源為中心向外傳播,其在介質(zhì)中傳播也遵守各種物理定律,如反射,吸收,衍射,折射,散射等物理定律。這里有4種目前廣泛使用在高分辨地震勘探中的海洋地震震源:(1)受控波束;(2)加速水團(tuán)技術(shù);(3)內(nèi)爆式震源;(4)爆炸式震源。

3.1 受控波束(聲納)

聲納換能器已經(jīng)在海洋地質(zhì)學(xué)研究中廣泛使用了四十多年。聲納換能器的工作原理是給壓電物質(zhì)加上電場(chǎng),構(gòu)成換能器,從而產(chǎn)生一個(gè)大小和電場(chǎng)的強(qiáng)度成正比的機(jī)械張力。當(dāng)電場(chǎng)頻率接近機(jī)械共振頻率時(shí),電場(chǎng)的能量高效率地轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,并傳遞到周圍的水團(tuán)中。這個(gè)過程是可逆的,加在換能器上的壓力場(chǎng)特征也能產(chǎn)生一個(gè)電模擬信號(hào)輸入。

常用的海底淺層剖面探測(cè)的聲納設(shè)備主要有普通的3.5k Hz海底淺層剖面儀、連續(xù)變頻聲納和差頻參量聲納等幾類。長期以來,3.5k Hz海底淺層剖面儀(圖1)是海底高分辨反射剖面的主要設(shè)備。它可以安裝在船體外部,也可以拖曳在單獨(dú)的載體上。由于傳感器自身內(nèi)部的強(qiáng)度問題,它不適用于深水作業(yè)(水深大于1500m)。

傳統(tǒng)的海底剖面儀主要是從單一參數(shù)或者從回波強(qiáng)度來判斷海底的軟硬度、粗糙度等。但由于受聲波承載的信息有限,進(jìn)行多參數(shù)識(shí)別的可能性難度很大,即便用于識(shí)別,準(zhǔn)確度難以保證。到了80年代后期,A.DE Roos等提出了利用連續(xù)變頻脈沖進(jìn)行海底沉積物探測(cè)和識(shí)別的設(shè)想。連續(xù)變頻聲納(Chirp)由此誕生。它發(fā)射的調(diào)頻脈沖具有可選擇性,實(shí)質(zhì)上是在一個(gè)在400Hz到20k Hz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描。這種掃描可以增大震源寬帶,同時(shí)增大脈沖長度。要想通過帶寬的倒數(shù)來推算理論上的瞬時(shí)分辨率,可使用數(shù)字壓縮濾波器對(duì)調(diào)頻脈沖壓縮處理,如匹配濾波器或脈沖反褶積,這樣可以消除震源信號(hào)中波長比較長的那一部分波束信號(hào)。通過這樣的處理可以顯著提高聲納的信噪比,并且可以重建相位信息。

差頻參量聲納可以同步發(fā)出兩個(gè)不同頻率的信號(hào)。兩個(gè)信號(hào)干涉產(chǎn)生的二次波頻率大小等于兩個(gè)信號(hào)頻率的差值。二次波頻率主要是產(chǎn)生在波束能量級(jí)別最高的部分。最終產(chǎn)生了一個(gè)低頻,帶寬非常窄并且沒有旁頻帶的定向發(fā)射波束 。這個(gè)參量的作用可以使一個(gè)物理體積小的換能器具有高指向性和低頻率的特性(這些特性可以減少傳播過程中的能量損失)。差頻參量聲納一般有一個(gè)主頻為18k Hz和一個(gè)備頻,這個(gè)備頻在2.5～5.5k Hz之間。然而由于差頻參量聲納的波束錐角小,會(huì)使得斜面成象相對(duì)比較困難,而且其信號(hào)的帶寬也非常小。

3.2 加速水團(tuán)技術(shù)

許多使用水團(tuán)加速運(yùn)動(dòng)技術(shù)的系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用在地震調(diào)查作業(yè)中。這些就包括電動(dòng)式震源,通稱為布默震源(Boomers)和空氣震源,例如空氣式和套筒式槍陣。

布默震源可產(chǎn)生一個(gè)壓力脈沖,這個(gè)脈沖是由一個(gè)運(yùn)動(dòng)的環(huán)形金屬活塞的加速運(yùn)動(dòng)形成的。當(dāng)儲(chǔ)存在電容器中的電能通過一個(gè)位于活塞后面的平面線圈釋放出去,產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向和線圈電流方向相反,從而產(chǎn)生一個(gè)排斥力使活塞和線圈迅速分離?；钊倪\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了一個(gè)穩(wěn)定的壓力子波。目前常用的布默震源能量一般為100～1000焦耳,其可以得到一個(gè)持續(xù)時(shí)間為100～200微秒,峰壓值為1巴-米的脈沖。在高分辨地震反射研究中,布默震源是目前最好的沖擊式震源之一。布默震源的子波能量分布頻帶較寬。

更加常見的用于深穿透的水團(tuán)加速技術(shù)震源是使用壓縮空氣作為能量存儲(chǔ)介質(zhì)。氣槍和它新近的派生物,套筒式氣槍和GI槍。

氣槍子波的主脈沖后面有一個(gè)很強(qiáng)的氣泡脈沖,它是壓縮空氣從釋放后到上浮到海面的過程中在靜水壓力作用下振蕩性的膨脹和收縮而產(chǎn)生的。氣泡脈沖的振幅與釋放氣體的體積和氣槍的沉放深度成正比。振蕩周期可以通過 Rayleigh-Willis公式來計(jì)算:

式中:T——?dú)馀莸恼袷幹芷谝悦霝閱挝?ρ——液體密度;Q——膨脹氣泡的勢(shì)能,K——常量,它的值取決于表達(dá)式Q所采用的單位;d——?dú)馀葜行脑谝后w中的深度。

氣泡脈沖中所包含的能量可以對(duì)信號(hào)的振幅譜產(chǎn)生干擾。受影響的頻率取決于振蕩周期。氣泡脈沖疊加在地震記錄上,干擾了主記錄道,從而影響地震剖面的解釋。通過使用一排同時(shí)觸發(fā)或是幾乎同時(shí)觸發(fā)的槍陣可以減弱氣泡效應(yīng),并提高信號(hào)強(qiáng)度。這種技術(shù)可以增大頻譜寬度,提高信號(hào)振幅和增強(qiáng)震源的可重復(fù)使用性。

常規(guī)氣槍不適用于高分辨地震勘探,一般使用在高分辨地震勘探中的氣槍容量都比較小,頻率比較高。相對(duì)于其它高分辨地震勘探震源而言,氣槍震源具有更強(qiáng)的穿透能力,并且可以在高噪聲背景下工作,但是需要仔細(xì)調(diào)整它的位置和航行狀態(tài),這樣才能使震源子波特征達(dá)到最優(yōu)化。

3.3 擠壓震源

擠壓震源是利用氣泡或真空的內(nèi)爆形成一個(gè)脈沖壓力波。板式擠壓震源、小型板式擠壓震源和高壓蒸汽槍就是此類震源,它們就是利用氣泡或水蒸汽泡的內(nèi)爆來工作的。最新的發(fā)展是水槍,它有多種尺寸大小,可用于探測(cè)淺水和中等水深中的目標(biāo)。這個(gè)系統(tǒng)使用了大量壓縮氣體來加速閉合活塞的運(yùn)動(dòng),活塞再將水柱高速的發(fā)射到周圍的水團(tuán)中。由水柱尾流造成的空穴實(shí)際上接近于真空,它的內(nèi)爆將產(chǎn)生一個(gè)壓力急劇上升的子波?；钊退畧F(tuán)的初始加速和延遲會(huì)形成一個(gè)低頻、振幅小的前兆信號(hào)。水槍的操作性和適用性與氣槍相類似,其特點(diǎn)是頻譜相比氣槍稍微寬一點(diǎn)。

3.4 爆炸式震源

爆炸式震源包括炸藥,起爆雷管和氣爆震源。在高分辨地震勘探中最常見的爆炸式震源是電火花。它也是最早使用的海洋地震震源之一,迄今為止仍然是一種成本較低的地震勘探震源。電火花通過放置在導(dǎo)電液體的電極釋放電能,產(chǎn)生氣泡,氣泡的迅速膨脹產(chǎn)生了一個(gè)幾乎完美的正壓脈沖。輸出能量范圍由100焦～30千焦。然而,氣泡只有在膨脹到超過周圍壓力時(shí)才會(huì)破裂,但會(huì)產(chǎn)生一個(gè)氣泡振蕩的二次高壓脈沖。這個(gè)過程將持續(xù)下去,直到能量耗盡。這個(gè)振蕩過程增長了震源信號(hào)的持續(xù)時(shí)間,但會(huì)在有效的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生破壞性干擾;并且這個(gè)振蕩過程是變化的,還會(huì)影響震源的可重復(fù)使用性。和氣槍陣列一樣,多電極電火花可以通過多個(gè)氣泡的相互作用來減弱氣泡效應(yīng)的影響。多電極排列還可以增大峰壓。

4 海洋高分辨地震勘探反射震源的各種技術(shù)對(duì)比分析

震源類型 震源具體型號(hào) 工作頻率 勘探分辨率 能量級(jí)別 觸發(fā)間隔 勘探深度DA TASON IC SBP5000 中心頻率為3.5k Hz 15～30cm 最大輸出能量12kW 最小可達(dá)0.125s 最大穿透深度30m受控波束(聲納) DA TASON IC CAP6000 FMCH IRP 1.5～10k Hz,連續(xù)變頻掃描最高分辨率可達(dá)7cm 最大輸出能量1kW 最小可達(dá)0.25s 最大穿透深度100m SES-96差頻淺地層剖面儀主頻:100kHz,差頻: 4/5/6/8/10/12k Hz最高分辨率可達(dá)1cm 最大輸出能量18kW 0.03s 最大穿透深度50m最高分辨率可達(dá)加速水團(tuán)AA 200(布默震源) 中心頻率為 500～6000Hz 10cm 最大輸出能量300J 最小可達(dá)0.17s 穿透深度為20～30m M IN IGI槍 中心頻率為 50～400Hz最高分辨率可達(dá)2m容積60立方英寸時(shí),工作壓力2000psi 5s 最大穿透深度為3000m擠壓震源 H YDROADAPTER 7001 中心頻率為41Hz 最高分辨率可達(dá)2m容積378立方英寸時(shí),工作壓力2000psi 8s 最大穿透深度為200m Geo-Spark 800多級(jí)電火花震源中心頻率為 500～2000 Hz最高分辨率可達(dá)30 cm 200焦到1萬焦的能量范圍穿透深度為100～250m爆炸震源充電速度可達(dá)2500J/s,能量為1萬焦時(shí),觸發(fā)間隔大約為4s CSP-1500多級(jí)電火花震源 (使用 AAE Squid2000電極)中心頻率為 20～4000Hz最高分辨率可達(dá)20cm能量最高可達(dá)1500焦充電速度可達(dá)1500J/s,能量為1500焦時(shí),觸發(fā)間隔大約為1s穿透深度為80～100m

5 結(jié)束語

綜上所述,由于各類震源的技術(shù)特點(diǎn)不同,造成了其不同的應(yīng)用方向。受控波束(聲納)技術(shù)主要用于淺水高分辨勘探中,如海底管線路由調(diào)查中,需要對(duì)預(yù)選路由的海底工程地質(zhì)條件、海洋動(dòng)力環(huán)境、腐蝕環(huán)境狀況以及海洋開發(fā)活動(dòng)等進(jìn)行綜合性調(diào)查。這類調(diào)查項(xiàng)目對(duì)震源的穿透能力要求不高,但是對(duì)震源分辨率要求很高。氣槍類震源如 GI槍,由于其固有的子波頻率較低,主要用于中深部海域的高分辨地震勘探。布默震源由于其主頻在幾百 Hz到幾千 Hz之間,其穿透性和分辨率剛好介于聲納和氣槍震源之間,與電火花震源相比其還可在淡水中使用,在內(nèi)河、湖泊內(nèi)的高分辨地震勘探中具有廣闊的應(yīng)用前景。擠壓震源,如高壓蒸汽槍、水槍等的技術(shù)特點(diǎn)與氣槍基本類似,它們與氣槍相比最大的區(qū)別在于它沒有氣泡干擾,而且它的頻譜寬至高頻(頻率可以高達(dá)上千赫茲),因此相比氣槍,其更適合于中深部海域的高分辨地震勘探。而電火花震源主要應(yīng)用在濱海淺水高分辨地震勘探中,如近岸水域的跨海橋梁、海底隧道、核電廠設(shè)施等大型工程項(xiàng)目初期勘探調(diào)查中。這類調(diào)查項(xiàng)目對(duì)震源穿透能力要求一般,但是要求震源具有較高的分辨率。

1 Ardus,D.A.(ed.),Offshore Site Investigation Graham and Trotman Publishers,London.1980

2 Helbig,k.,and Treitel,S.,,Seismic Exp loration on CDRom:Elsevier Science L TD,London.1997

3 Purdy,G.M.and Gove,L.A.Reflection p rofiling in the deep ocean using a near bottom

4 劉伯勝、雷家煜.水聲學(xué)原理.哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社,1993年

5 何祚鏞等.聲學(xué)理論基礎(chǔ)著.國防工業(yè)出版社.1981

6 王潤田.海底聲學(xué)探測(cè)與底質(zhì)識(shí)別技術(shù)的新發(fā)展[J].聲學(xué)技術(shù).2002(1)

2010年4月12日)