戚賓，王祥春，趙慶獻(xiàn)

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083； 2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760)

0 引言

21世紀(jì)是海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略發(fā)展的重要時(shí)期，也是海洋地震勘探技術(shù)發(fā)展的重要階段?？碧缴疃葟臏\層向中深層進(jìn)軍、勘探目標(biāo)從簡單到復(fù)雜，這些勘探要求不斷推動(dòng)著海洋地震勘探技術(shù)的進(jìn)步與革新[1]。電火花震源作為海洋地震勘探重要采集裝備，近年來，又引起了廣泛關(guān)注。

電火花震源利用高壓放電效應(yīng)，使其間的水介質(zhì)形成通路，電極間放電產(chǎn)生的熱能使電極周圍的海水汽化而產(chǎn)生巨大的沖擊力，激發(fā)出地震信號(hào)[2]。它通常由充電單元、脈沖放電單元以及放電電極組成[3]。由于震源采用多電極氣暈放電，有效提高了數(shù)據(jù)主頻及頻帶范圍，因此其數(shù)據(jù)具有較高的縱向分辨率。電火花震源高效、環(huán)保、安全、價(jià)格低廉，滿足海上地震數(shù)據(jù)采集的HSE(健康、安全與環(huán)保)要求；電火花震源結(jié)構(gòu)簡單、易于控制，利于施工難度相對(duì)較大區(qū)域的地震數(shù)據(jù)采集。但電火花震源在發(fā)展初期受電力電子技術(shù)發(fā)展的限制，激發(fā)功率小，導(dǎo)致勘探深度淺；對(duì)于一些地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、波形變化大、子波形態(tài)不規(guī)則，促使數(shù)據(jù)處理難度非常大，很難達(dá)到理想的勘探效果。這一階段，電火花震源的發(fā)展過程變得緩慢、甚至被氣槍震源所取代。伴隨著電力電子科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，電火花震源激發(fā)功率低、信號(hào)不穩(wěn)定的問題逐步被解決；隨著地震資料寬頻處理、子波整形等處理技術(shù)的出現(xiàn)，電火花震源地震資料的高分辨率優(yōu)勢得以體現(xiàn)，推動(dòng)了電火花震源技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

文中總結(jié)了電火花震源在海洋地震勘探領(lǐng)域的發(fā)展歷程，提出了電火花震源數(shù)據(jù)處理過程中存在的問題以及解決這些問題的常用處理方法，展望了電火花震源在海洋地震勘探領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，對(duì)今后海洋地震勘探能力的提高、電火花震源硬件的發(fā)展以及電火花震源數(shù)據(jù)處理方法的進(jìn)步具有一定的借鑒意義。

1 研究歷程

1.1 電火花震源的研究

海洋地震勘探過程中，地震數(shù)據(jù)的采集非常關(guān)鍵。震源直接影響地震勘探的分辨率和穿透深度，根據(jù)不同的勘探環(huán)境，選擇合適的震源對(duì)海洋地震勘探數(shù)據(jù)的采集至關(guān)重要[4]。海洋地震數(shù)據(jù)采集環(huán)境不同于陸地，風(fēng)浪變化大導(dǎo)致海況復(fù)雜，勘探區(qū)域可能涉及到漁業(yè)和海洋生物的生存區(qū)域，需要對(duì)它們進(jìn)行保護(hù)，一些狹窄通道、海域的采集難度很大，這就對(duì)海洋地震勘探震源的選擇提出了更加嚴(yán)格的要求。針對(duì)這些特殊采集情況，電火花震源在海洋地震勘探過程中逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)電火花震源硬件技術(shù)發(fā)展的情況，其發(fā)展可概述為三個(gè)階段。

1.1.1 電火花震源研究的起始階段 1957～1980

1957年，阿爾卑斯地球物理公司率先研究了第一臺(tái)電火花震源系統(tǒng)；美國最早在60年代初期開始電火花的研制工作，并取得了海洋電火花震源的專利[5]。法國SIG公司從1967年起開展海上電火花震源的研制，生產(chǎn)的Energos系列電火花震源輕便靈活，能量250～5 000 J，穿透能力大，適用于深水勘探。我國在70年代初期，最早由中科院電工研究所與石油部、地質(zhì)部等單位合作，研制出大功率電火花震源，裝載6條勘探船進(jìn)行了地震數(shù)據(jù)的采集工作，獲得了非常好的深層反射地震記錄[6]。1973年，巴伯(Barbier)發(fā)表了研制海洋勘探用的編碼電火花震源，雖價(jià)格低廉，但勘探效果較氣槍震源差[7]。1974～1979年，美國、歐洲、加拿大、墨西哥、南美、非洲、遠(yuǎn)東、澳大利亞和新西蘭等國家和地區(qū)使用電火花震源進(jìn)行了海洋油氣勘探，美國使用的次數(shù)相對(duì)最多[8]。但是，隨著使用次數(shù)的增多，傳統(tǒng)電火花震源子波重復(fù)性差、充電效率低、性能不穩(wěn)定等相關(guān)問題日益凸顯，漸漸難以滿足地震勘探的需要，電火花震源也就逐步被氣槍震源所取代。

這一階段屬于電火花震源發(fā)展的初步階段，雖然存在諸多問題，但引起了人們對(duì)于海洋地震勘探開發(fā)研究的興趣，促進(jìn)了海洋地震勘探技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。

1.1.2 電火花震源研究的發(fā)展階段 1997～2007

1997～2007年是電火花震源發(fā)展的又一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期。伴隨電力電子、精密機(jī)械加工技術(shù)快速發(fā)展，電火花震源的電源和發(fā)射電極在這一時(shí)期都得到了很好的改進(jìn)[9]，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電火花存在的缺陷，電火花震源在海洋地震勘探領(lǐng)域中又引起了人們的重視。這一時(shí)期我國也加速了對(duì)電火花震源的研究工作。2000年，我國利用電火花震源裝備7條勘探船在渤海、黃海、東海和南海海域采集了近十萬公里的地震資料[10]。2004年，國家海洋局第一海洋研究所成功設(shè)計(jì)出了一種智能控制復(fù)合相干電火花震源裝置[11]，這種復(fù)合電火花震源可以很好地壓制震源子波的第二個(gè)壓力脈沖，有效地增強(qiáng)了地震資料的品質(zhì)，提高了地震勘探的分辨率。

這一階段電火花震源技術(shù)的革新，使得電火花震源采集到的震源子波波形得到了有效改善，資料的信噪比也有所提升。電火花功率的提高，增加了電火花震源的勘探深度。但出于安全因素的考慮，激發(fā)功率并不能太大，所以，穿透深度依然不高。電火花的寬頻優(yōu)勢，對(duì)于一些薄層的刻畫非常有利，這些跨越式的發(fā)展為電火花技術(shù)的成熟奠定了重要的基礎(chǔ)。由于電火花的激發(fā)功率不高，震源的穩(wěn)定性仍然很差，波形易受海浪、氣泡的影響，多次波、線性干擾以及異常強(qiáng)振幅噪聲發(fā)育明顯。這些方面亟需改善。

1.1.3 電火花震源研究的成熟階段 近10年

近年來，電火花的研制工作日趨成熟，隨著海洋勘探難度的增加和勘探要求的提高，電火花震源也成為海洋領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。國內(nèi)由中國科學(xué)院電工所與廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局聯(lián)合自主研制了海鰻20 kJ電火花震源系統(tǒng)，于2009年在南海北部海域進(jìn)行了試驗(yàn)并獲得了成功[12]。2016年，吳學(xué)兵利用電火花震源，借助初至波定位原理，進(jìn)行檢波器定位，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的定位，驗(yàn)證了電火花震源的技術(shù)可行性[13]。荷蘭GEO公司研制的Geo-Spark1600深海多電極電火花發(fā)射陣列系統(tǒng)專為水深而設(shè)計(jì)，探測深度從2～4 500 m，垂直分辨率30 cm，廣泛應(yīng)用于海洋地形調(diào)查等方面[14]。近10年來，長大物探科技有限公司成功研制出了CD-2便攜式電火花震源[5]。電火花震源也在逐步的發(fā)展成為海洋地震勘探過程中最主要的震源之一。也正是由于電火花震源的靈活性，面對(duì)一些小偏移距、復(fù)雜地質(zhì)特征的地震勘探任務(wù)時(shí)，電火花震源顯得越來越重要。

1.2 電火花震源數(shù)據(jù)處理方法的研究

1.2.1 電火花地震數(shù)據(jù)存在的問題和常用的數(shù)據(jù)處理方法

電火花數(shù)據(jù)子波重復(fù)性差、形態(tài)不規(guī)則，導(dǎo)致道與道之間存在很大的差異。如果不對(duì)子波形態(tài)進(jìn)行有效地處理，會(huì)造成地震剖面上出現(xiàn)地質(zhì)現(xiàn)象模糊、甚至一些虛假層位信息。調(diào)整子波形態(tài)，一般采用反褶積技術(shù)。反褶積要求數(shù)據(jù)是最小相位的，而電火花數(shù)據(jù)是混合相位的，所以，需要對(duì)電火花數(shù)據(jù)進(jìn)行最小相位化處理。1983年，施德豐等人通過對(duì)電火花數(shù)據(jù)的重采樣，利用CILTR模塊將混合相位子波變?yōu)樽钚∠辔蛔硬?，使反射波最小相位化，然后利用反褶積技術(shù)，取得了很好的處理效果[15]。2007年，Mathieu等人利用電火花震源對(duì)第四系沉積進(jìn)行了地震地層學(xué)評(píng)價(jià)，并對(duì)沉積和基巖界面進(jìn)行了成像；他們還利用電火花震源的資料測試了3種不同的反濾波方法(脈沖反褶積、匹配濾波以及VSP反褶積技術(shù))，認(rèn)為對(duì)于電火花資料，應(yīng)用相同的算子長度，匹配濾波可以提高資料信噪比，VSP反褶積提高了資料的垂直分辨率，而同樣的算子對(duì)于脈沖反褶積技術(shù)卻沒有應(yīng)用效果[16]。2018年， Kluesner等人通過電火花單道和多道數(shù)據(jù)，對(duì)兩種不同組合形式的數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，形成了初步的電火花數(shù)據(jù)處理流程，利用剩余靜校正、確定性反褶積、疊后預(yù)測反褶積等技術(shù)提高了電火花數(shù)據(jù)的分辨率[17]。

綜上所述，反褶積技術(shù)和寬頻技術(shù)是處理電火花數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)。反褶積不僅可以整形子波，解決電火花數(shù)據(jù)子波形態(tài)不規(guī)則的問題，還可以對(duì)鬼波效應(yīng)有很好地壓制效果。寬頻技術(shù)可以通過拓寬頻帶有效提高地震數(shù)據(jù)的分辨率，提升同相軸的識(shí)別能力，增強(qiáng)地質(zhì)現(xiàn)象的刻畫程度。

1.2.2 電火花震源數(shù)據(jù)處理的效果

1981年，黃佩智等人采用電火花震源在我國海域完成近九萬公里的地震勘探工作，得到了分辨率高、連續(xù)性好、地質(zhì)現(xiàn)象清楚、深層能量強(qiáng)等特點(diǎn)的地震剖面[18]。1983年，施德豐等人利用電火花震源資料，獲得了比空氣槍震源分辨率更高的地震剖面[15]。2007年，裴彥良等人利用電火花震源激發(fā)、高頻水聽器拖纜接收的淺層反射記錄，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，剖面高頻成分豐富，分辨率可達(dá)2～3 m，各種地震相的形態(tài)非常清楚[11]。2014年， Anitha等人通過對(duì)電火花數(shù)據(jù)的解釋推測了印度某地區(qū)的淺海環(huán)境特征[19]。2017年，于富文等人在水庫地區(qū)利用電火花數(shù)據(jù)彌補(bǔ)了資料的缺口、達(dá)到了補(bǔ)天窗的作用[20]。2018年，任立剛等人應(yīng)用電火花震源在平原水域區(qū)進(jìn)行了采集試驗(yàn)，得到了信噪比高、同相軸連續(xù)性好的三維地震數(shù)據(jù)體[21]。同年，蔣輝等人對(duì)電火花數(shù)據(jù)與氣槍震源數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，認(rèn)為2 500 ms以內(nèi)，兩種震源疊加剖面質(zhì)量相當(dāng)，大于2 500 ms，氣槍震源疊加剖面信噪比更高[22]。通過前人對(duì)電火花震源地震資料的處理結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，電火花數(shù)據(jù)能夠達(dá)到非常好的地震勘探效果，尤其針對(duì)淺層部分，不僅分辨率高，而且頻帶寬，地質(zhì)信息豐富，有利于海洋地質(zhì)調(diào)查的研究與使用。

2 研究現(xiàn)狀

進(jìn)入21世紀(jì)，我國對(duì)于海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的提出，加速了海洋地震勘探的進(jìn)程，高精度、高分辨率的成像要求促進(jìn)了電火花震源的發(fā)展。它的發(fā)展體現(xiàn)在兩個(gè)方面：應(yīng)用頻率和使用范圍。從二維到三維、從大偏移距到小偏移距；從小傾角到大、陡傾角的成像；從常規(guī)拖纜到OBS，電火花震源在海洋領(lǐng)域應(yīng)用的頻率越來越高；從原始的地質(zhì)調(diào)查，到現(xiàn)階段海洋天然氣水合物的開發(fā)、海底隧道等工程領(lǐng)域在海洋物探中的應(yīng)用，電火花震源使用的范圍也越來越廣泛。電火花震源水平的發(fā)展，使得海洋地震勘探的精度、分辨率得到了有效的提高，也使得人們對(duì)于海洋資源的開發(fā)與利用變得更有信心。

通過現(xiàn)階段的研究，電火花在以下3個(gè)方面已取得了卓越的成就。①探測深度越來越深：它的探測深度從之前的幾米甚至幾十米，到現(xiàn)在，600 KJ的震源探測深度可達(dá)到5 000～6 000 m[23]；②電火花數(shù)據(jù)相較于其它震源數(shù)據(jù)更加全面：它在石油勘探、海洋勘探補(bǔ)天窗方面得到了很好的應(yīng)用，從疊加剖面上可以看出，它能對(duì)空白數(shù)據(jù)區(qū)域形成很好的彌補(bǔ)效果，有利于數(shù)據(jù)的分析與解釋[20]；③推動(dòng)微測井技術(shù)的發(fā)展：電火花是微測井技術(shù)的一種新技術(shù)和新方向，它在微測井技術(shù)上已取得了很好的應(yīng)用效果，在環(huán)保的條件下能為社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益[25]。

到目前為止，在硬件方面，我國電火花震源的研究已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平[23]。已成功研制大能量的電火花震源，打破了國際上對(duì)于電火花震源技術(shù)的壟斷，這對(duì)于海洋地質(zhì)、海洋工程以及國防都有重大的研究意義[24]。下一步研究的重點(diǎn)主要集中在硬件設(shè)備的工業(yè)化生產(chǎn)以及海洋三維小偏移距數(shù)據(jù)的采集。在處理方面，已經(jīng)形成了基本的處理流程，通過子波整形技術(shù)，改善了電火花震源子波的形態(tài)不規(guī)則；通過CRP道集速度分析，改善了小偏移距速度譜能量不集中的缺陷；通過疊前與疊后預(yù)測反褶積技術(shù)壓制鬼波，消除了陷波效應(yīng)。

3 展望及結(jié)論

伴隨電子信息技術(shù)的發(fā)展、儀器研發(fā)水平的進(jìn)一步提高，電火花震源的應(yīng)用范圍也會(huì)更加廣泛?？赡軓淖畛醯膬H針對(duì)海洋，到以后的地面、井下、江河湖海等領(lǐng)域。同時(shí)，電火花震源解決問題的領(lǐng)域也會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，包括對(duì)第四紀(jì)地質(zhì)、構(gòu)造地貌學(xué)、基底流體流動(dòng)學(xué)、海底滑坡生成等近地表過程的研究，對(duì)活動(dòng)構(gòu)造和海洋地質(zhì)災(zāi)害以及海洋天然氣水合物的勘探及開發(fā)的研究，以及利用微測井進(jìn)行的表層調(diào)查[25]。隨著地震勘探要求的提高，高分辨率巖石物性參數(shù)反演也越來越重要獲取的高精度的巖石物性參數(shù)，會(huì)成為研究巖石構(gòu)造、地層物性、提升地球物理勘探能力的一種重要手段。在未來的發(fā)展過程中，處理水平肯定也會(huì)有大幅度的提升，針對(duì)不同條件下的數(shù)據(jù)應(yīng)用具有針對(duì)性的處理流程、合理應(yīng)用寬頻處理技術(shù)、反褶積技術(shù)，盡最大限度地提高電火花數(shù)據(jù)的分辨率是未來電火花震源發(fā)展的主要方向。