萬(wàn) 芃 牟澤霖 馮強(qiáng)強(qiáng)

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(shù)特點(diǎn)的不同，它們的應(yīng)用范圍也各不相同。本文首先簡(jiǎn)要回顧了兩種地震震源的發(fā)展歷程，接著從聲學(xué)基礎(chǔ)理論對(duì)單道地震勘探反射技術(shù)進(jìn)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(shù)特點(diǎn)，并對(duì)典型的設(shè)備技術(shù)參數(shù)和海上地震剖面進(jìn)行了對(duì)比分析，最后對(duì)兩類(lèi)震源的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)。

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(xiǎn)性、不穩(wěn)定性和環(huán)境污染等缺點(diǎn)。為了替代炸彈震源，各種類(lèi)型替代震源陸續(xù)出現(xiàn)。1964 年Bolt 公司的卡爾米斯克發(fā)明了氣槍類(lèi)震源。20 世紀(jì)60年代末至70 年代初，奇奧科夫斯基、舒爾茨-蓋特曼等根據(jù)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(chǔ)。另一方面，20 世紀(jì)60 年代初期，美國(guó)開(kāi)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(jí)放點(diǎn)。韋納等于1966 年取得了海洋電火花震源的專(zhuān)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(lái)，隨著電子和精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)氣槍震源和電火花震源的可靠性、穩(wěn)定性及其子波特性等技術(shù)性能進(jìn)行了不斷的改進(jìn)和完善，目前，這兩類(lèi)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(lèi)地震震源由于其工作原理的區(qū)別，其震源能級(jí)和頻譜特性也各不相同，因此，其針對(duì)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(shù)的基礎(chǔ)理論出發(fā)，結(jié)合典型設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)和剖面的分析，對(duì)氣槍震源和電火花震源這兩類(lèi)海洋單道地震震源技術(shù)特征進(jìn)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(jù)。

單道地震勘探反射技術(shù)的基礎(chǔ)理論

海洋單道地震勘探技術(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(xué)阻抗特性的差異，將產(chǎn)生了一系列的反射波，正是通過(guò)對(duì)這些反射波特性的分析來(lái)研究海底沉積物地層構(gòu)造。介質(zhì)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。在光滑表面上的聲波反射系數(shù)（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(xué)阻抗，V 為聲速，ρ 為容積密度，下標(biāo)是代表反射面兩邊不同的物理介質(zhì)。能量經(jīng)過(guò)反射回到檢波器，它的大小與震源能級(jí)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。在單道地震勘探反射中的反射系數(shù)由于反射面的粗糙很明顯的受到散射的影響。這個(gè)作用的大小如等式2 所示。

在等式中μ0為反射系數(shù)，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(shù)）指數(shù)大小受發(fā)射表面粗糙程度所影響，這里R 為Rayleigh（雷利）參數(shù)。

未被反射或者散射的能量將透過(guò)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(wú)關(guān)，但是當(dāng)阻抗差異為負(fù)，既I2小于I1的時(shí)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(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(guò)檢波器接收到的反射波振幅大小主要與地震震源的能級(jí)，檢波器的位置分布和靈敏度，傳播過(guò)程中的能量損失和其他能量損耗因素和檢波器周?chē)h(huán)境的噪聲大小等因素有關(guān)。

在一種給定的介質(zhì)中，黏彈性能量損失過(guò)程與能量吸收有關(guān)，它的大小與波陣面擴(kuò)散的范圍和頻率有關(guān)，其關(guān)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(zhì)的吸收系數(shù)，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(kuò)散過(guò)程中的振幅衰減。聲波球面擴(kuò)散也受反射面的粗糙程度的影響。從一個(gè)光滑平面反射（例如一個(gè)反射鏡），傳播過(guò)程中由擴(kuò)散造成的損失為20log（2r）。當(dāng)?shù)酌媸谴植诘模ɡ缫粋€(gè)散射體），擴(kuò)散損失就變成了20log（r2）。等式（3）顯示聲波頻率越高在傳播過(guò)程中將會(huì)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(tuán)類(lèi)震源，其采用壓縮空氣作為能量存儲(chǔ)介質(zhì)。氣槍震源收到觸發(fā)信號(hào)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(nèi)壓力大于周?chē)o水壓力，導(dǎo)致氣泡迅速膨脹形成第一個(gè)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(xù)膨脹，直至初始獲得的能量全部轉(zhuǎn)化為周?chē)畨旱膭?shì)能，體積達(dá)到最大。隨后氣泡開(kāi)始變小，氣體重新被壓縮直至高壓狀態(tài)，從而開(kāi)始一個(gè)新的氣泡膨脹周期，形成第二個(gè)氣泡脈沖。由于氣泡的第一個(gè)振蕩都會(huì)有能量的損耗，所以每一次形成的脈沖就越來(lái)越小。最后氣泡浮出水面破裂，這就是氣泡效應(yīng)。每一次氣泡膨脹都會(huì)產(chǎn)生地震波，單槍子波波形中主脈沖后面就是氣泡效應(yīng)引起的氣泡脈沖，由于多次氣泡脹縮使氣槍震源子波產(chǎn)生多次振蕩，降低了地震資料的分辨率。常規(guī)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(duì)于電火花震源而言，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。

表1 氣槍震源技術(shù)總結(jié)

（2）電火花震源

電火花震源是水中脈沖放電技術(shù)在水下聲學(xué)和地震勘探技術(shù)方面的一個(gè)重要應(yīng)用，電火花震源又稱(chēng)為水下等離子體聲源。脈沖功率技術(shù)就是把“慢”儲(chǔ)存起來(lái)的具有較高密度的能量，進(jìn)行快速壓縮，轉(zhuǎn)換或直接釋放給負(fù)載的電物理技術(shù)。電火花震源通過(guò)放置在導(dǎo)電液體例如海水中的電極釋放電能，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。輸出能量范圍由一百焦到上萬(wàn)焦。然而，氣泡只有在膨脹到超過(guò)周?chē)鷫毫r(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(guò)程將持續(xù)下去，直到能量耗盡。目前常用的電火花震源多采用多電級(jí)放電技術(shù)來(lái)壓制氣泡效應(yīng)，提高勘探分辨率。

表2 電火花震源技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)

典型震源技術(shù)參數(shù)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(shù)參數(shù)見(jiàn)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(shù)的基礎(chǔ)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(qiáng)。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(shù)參數(shù)

結(jié)束語(yǔ)

海洋單道地震勘查是一種海洋高分辨率地震勘探技術(shù)方法，其廣泛的應(yīng)用于海洋工程勘探、海洋井位及路由調(diào)查以及海洋區(qū)域調(diào)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(shù)參數(shù)也各不相同，因而其在海洋單道地震勘探中的應(yīng)用各不相同。在野外作業(yè)中，應(yīng)該根據(jù)具體的野外勘探目的和實(shí)際作業(yè)條件，選擇合適的單道地震震源，以達(dá)到最佳的野外勘探作業(yè)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(zhǎng)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(qiáng)而勘探分辨率一般，其適用于深水單道地震勘探和對(duì)底質(zhì)穿透要求較高的單道地震勘探項(xiàng)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(qiáng)度一般，其具有高勘探分辨率的特征，且其操作簡(jiǎn)單，對(duì)外圍輔助設(shè)備要求較低，其特別適用于近岸工程高分辨率物探勘探項(xiàng)目。

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

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(fā)能量3000J，顯示剖面長(zhǎng)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(fā)能量1000J，顯示剖面長(zhǎng)度300ms