海洋工程高分辨反射地震勘探的震源技术特征

维普资讯 http://www.cqvip.com ・论文・　海洋工程高分辨反射地震　勘探的震源技术特征①　万芄②、吴衡、王劲松、温明明　摘要　文中首先简要的回顾了海洋高分辨地震勘探反射技术的基础理论，介绍了海　洋工程勘探中主要使用的四大类高分辨地震震源一受控波束类震源（声纳）、加速水团技术　类震源、挤压震源、爆炸式震源，并对各类震源技术的技术特点进行了对比分析，指出了　这些技术发展方向、使用范围和应用前景。　关键词　高分辨地震震源受控波束类震源加速水团技术挤压震源爆炸式震源　海洋反射地震勘探始于２Ｏ世纪３Ｏ年代末期。当时，除设备部件的防水、水密措施　外，在仪器和方法上大都沿袭陆地人工地震测量技术：以炸药做震源，用密封的检波器　接收，将地震波记录到感光纸上再进行解释。调查主要集中在濒临陆岸的浅水区。５Ｏ　年代，海洋地震勘探仍旧使用炸药震源，接收装置采用晶体（酒石酸钾钠）检波器，用　光点式地震仪在观测船行进中采集数据。５Ｏ年代末期，由于多次覆盖技术的出现和数　据的重复处理，导致了震源、接收和记录装置的更新，非炸药震源（压缩空气、电火　花震源等）得到广泛的使用，用漂浮组合电缆在水下接收。装备的改善提高了勘探的速　度和效果。６０年代中期，由于电子计算机和计算技术的发展，促使７Ｏ年代初数字地震　仪逐步代替模拟磁带地震仪，又由于采用多次覆盖技术和覆盖次数的增加，使水下接收　装置由２４道发展到９６道，从而也相应要求提高震源的能量与效率。８Ｏ年代以来，海洋　反射地震勘探技术向着高分辨率、高的接收道数和震源的大容量发展。　近二三十年中，高分辨海洋反射地震勘探技术在第四系分层、底质调查、工程应用　和砂矿等沉积结构以及物源分析研究等领域得到了广泛的应用。与油气勘探中的常规地　震勘探系统相比，高分辨反射地震勘探系统的技术要求与其差异很大，具体表现为：震　源能量低，阻抗变化小，频带带宽宽，信噪比小，并且信号衰减速度快。因此在采集系　统、震源、接收器、数据、处理和数据显示方面，两种勘探系统都有明显的区别。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类：　（１）受控波束类震源　（如，声纳、３．５ＫＨｚ浅地层剖面仪，连续变频声纳，差频声纳）；　（２）加速水团技术　（如，ｂｏｏｍｅｒ布默震源，气）；（３）挤压震源（如，电火花）和（４）内爆式震源（如，　①国家“８６３”项目海洋技术领域大容量电火花震源的技术研究课题（２００６ＡＡ０９Ｚ３４７）。　②（１９８３一），男，２００４年毕业于哈尔滨工程大学电子信息工程（水声）学院，广州海洋地质调查局高新技术　研究室助理工程师，从事海洋地质勘查技术方法研究。Ｅｎｔａｉｌ：ｗａｎｐｅｎｇ９９９９＠１２６．ｃｏｒｎ　１一　维普资讯 http://www.cqvip.com 水），可以根据勘探目的的不同选择不同类型的震源。本文将从基础理论、各种震源　的技术特征研究，结合相关技术的典型设备的技术指标分析，就海洋工程的高分辨反射　地震勘探的震源技术特征进行讨论。　一、海洋高分辨地震勘探反射技术的基础理论　海洋高分辨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。在高分辨地震勘探中，声波入射角接　近垂直入射，产生了一系列的反射波，这就由于在沉积物横切面的声学阻抗特性发生了　变化。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（　）等于反射波和垂直入射波的振幅之比，　如下式：　＝　＝　㈩　这里Ｉ为声学阻抗，Ｖ为声速，ｐ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，它的大小与震源产生的声波脉冲振幅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。在高分辨地震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。　：ｅｘｐ（Ｌ——　一　，　）　：　。一。　　ｔ…２）　，在等式中　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　里肚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Ｒａｙ一　１ｅ础（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Ｉ　小于Ｉ。的时候，波形的相位将被颠倒。在海洋地　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震源的脉冲振　幅，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，代表沉　积柱的反射系数序列的振幅大小，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：　Ｐ　：　ｒ　（３）　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１米　处的参考振幅值为Ｐｏ，　为给定介质的吸收系数，单位是奈培／米＊赫兹，ｆｒ是接受频　率。多项式ｅ—ａｋ　表示吸收损失，多项式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　一２一　维普资讯 http://www.cqvip.com 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（　）。　等式（３）显示高频声波在传播过程中将会损失更多的能量，这使得检波器接收到　的回波振幅更小。在高分辨海洋地震剖面中，沉积柱本身中的声学阻抗变化较小是很普　遍的，而且频率高、带宽大的声波信号可以从低能量级的震源获得。另外，表面粗糙程　度的标准和分辨率的要求可以在同一个等级上，因此声波散射是声波信号传播过程中的　一个重要组成部分。正是这些物理方面的，这导致了高分辨地震反射勘探技术和常　规地震反射勘探技术之间有明显的区别。　二、各种海洋高分辨地震勘探反射震源技术特征　及其技术指标比较　１．四类海洋高分辨地震勘探反射震源的技术特征　在选择地震震源上有一个穿透深度和分辨率折衷的问题，采用信号频率低可以提高　震源的穿透能力，而要想提高震源的分辨能力则要求更大的频带带宽（即高频率）。另　外要求接收器要对震源产生的各种频率的波束都能反应灵敏。周围环境噪声和接收器的　带宽有某种函数关系，通常分辨率高就意味着在接收器上噪声水平高。那么频带内的噪　声将会干扰那些从海底反射回来的有效波束。这就要求能够分辨出高噪声级别下的相干　反射波束，并最终得到沉积物目标的有效信息。最小化噪声的方法之一是设计一个具有　指向特性的接收器；另一种方法就是以通过系统的合理配置使特定类型噪声达到最小　化。　下面我们将介绍目前主要的四大类型震源，以及它们相应的技术特征。在海洋地震　剖面中使用的所有声学震源都是将震源能量转化成周围水团的动能。这个水团本身运动　并产生一个压力波，以震源为中心向外传播，其在介质中传播也遵守各种物理定律，如　反射，吸收，衍射，折射，散射等物理定律。这里有四种目前广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）加速水团技术；（３）挤压震源；（４）爆炸式　震源。　（１）受控波束（声纳）　声纳换能器已经在海洋地质学研究中广泛使用了将四十多年。声纳换能器的工作原　理是给压电物质加上电场，构成换能器，从而产生一个大小和电场的强度成正比的机械　张力。当电场频率接近机械共振频率时，电场的能量高效率地转化为动能，并传递到周　围的水团中。这个过程是可逆的，加在换能器上的压力场特征也能产生一个电模拟信号　输人。　常用的海底浅层剖面探测的声纳设备主要有普通的３．５ＫＨｚ海底浅层剖面仪、连续　变频声纳和差频参量声纳等几类。长期以来，３．５ＫＨｚ海底浅层剖面仪（图１）是海底高　分辨反射剖面的主要设备。它可以安装在船体外部，也可以拖曳在单独的载体上。由于　传感器自身内部的强度问题，它不适用于深水作业（水深大于１５００ｍ）。　——　１——　维普资讯 http://www.cqvip.com 常规的声纳信号是由几个周期的正弦波信号组成，它的频率取决于压电晶体的共振　频率（图１，Ｂ和Ｃ）。用于海底地层研究的频率范围一般从２０Ｈｚ到２０ＫＨｚ。声学换能器　所能产生的最大能量受气穴效应，以及发射器表面形成的气泡所影响。这些气泡是由水　的破裂造成的，而水的破裂是由于已形成的声场在水中形成的真空造成的。表１总结了　声纳传感器特点。　表１声纳换能器总结　优　点　缺　点　易于使用和维护　窄带宽（除了线性调频脉冲）　好的可重复使用性和高功效　缺少相位信息　深水拖曳能力　低能量和高频率了它在硬沉积层的穿透性　深水作业能力　脉冲长度长了它的分辨能力　　Ｉ震源组合指向性一般　、　逛　图１（Ａ）在水深１２５０ｍ，传感器安装在船体外部的条件下，３．５ＫＨｚ剖面仪测量到的海底剖面数　据。（Ｂ）在这个剖面系统中使用的３．５ＫＨｚ震源特征，相关的频谱图，（ｃ）显示频率峰值为３．２ＫＨｚ，　并且带宽非常窄　——４——　维普资讯 http://www.cqvip.com 传统的海底剖面仪主要是从单一参数或者从回波强度来判断海底的软硬度、粗糙度　等。但由于受声波承载的信息有限，进行多参数识别的可能性难度很大，即便用于识　别，准确度难以保证。到了８０年代后期，Ａ．ＤＥ　Ｒｏｏｓ等提出了利用连续变频脉冲进行　海底沉积物探测和识别的设想。连续变频声纳（Ｃｈｉｒｐ）由此诞生。它发射的调频脉冲　具有可选择性，实质上是在一个在４００Ｈｚ到２０ＫＨｚ的频率范围内进行动态扫描。这种扫　描可以增大震源宽带，同时增大脉冲长度。要想通过带宽的倒数来推算理论上的瞬时分　辨率，可使用数字压缩滤波器对调频脉冲压缩处理，如匹配滤波器或脉冲反褶积，这样　可以消除震源信号中波长比较长的那一部分波束信号。通过处理可以显著提高声纳的信　噪比，并且可以重建相位信息。若不对接收波形进行数字取样和后处理，线性调频脉冲　是不可用于高分辨地震反射作业中。　ＤＡＴＡＳＯＮＩＣ　ＣＡＰ６０００Ａ就属于此类声纳。下面是通过ＤＡＴＡＳＯＮＩＣ　ＣＡＰ６０００Ａ采集到　的一个剖面实例。　Ａ　∞∞　∞∞　｛０　器　∞　二　Ｃ　图２（Ａ）是一个连续变频脉冲声纳，发射脉冲扫描频率范围在１．５到７．５ＫＨｚ，（Ｂ）显示经过匹　配滤波器处理后的情况。（Ｃ）是一个线性调频脉冲剖面的实例，这个剖面是在Ｈｕｍｎ湖，使用一台　Ｄａｔａｓｏｎｉｃｓ　ＣＡＪ）６（）ｏｏ剖面仪采集到的，这个剖面仪的脉冲长度为ｌＯＯｍｓ，扫描范围为４到１０ＫＨｚ　崤布维普资讯 http://www.cqvip.com 差频参量声纳可以同步发出两个不同频率的信号。两个信号干涉产生的二次波频率　大小等于两个信号频率的差值。二次波频率主要是产生在波束能量级别最高的部分。最　终产生了一个低频，带宽非常窄并且没有旁频带的定向发射波束。这个参量的作用可　以使一个物理体积小的换能器具有高指向性和低频率的特性（这些特性可以减少传播过　程中的能量损失）。差频参量声纳一般有一个主频为１８ＫＨｚ和一个备频，这个备频在　２．５到５．５ＫＨｚ之间。然而由于差频参量声纳的波束锥角小，会使得斜面成象相对比较　困难　而且其信号的带宽也非常小。　Ａ　千米　０　５　１ｌ　５　—　僦一…一　…㈦激辅　…　…ｌ　＿■ｔ■■■■Ｉ——Ｉ　ｌ＃　ｌ■■　Ｈ■Ｈ＿　￡　骶月＿・＿＿，憨　　目＿叫翩　嘲黼　镳嬲　一一一　Ｉ　｝ｌ　§霈　协　筵Ｓ　譬　臻　飘叠　焉　５　Ｌ　Ｌ　Ｌ　Ｌ－Ｌ　Ｌ　Ｌ　｛　１５　Ｌ　０　０　；　＝＝＝　、　：　、　州　擞　‘　，　警　．　。０　ｍ　ａｍｏ　㈣　ｍ　１㈣　嚣　Ｃ　貘章　８　图３　Ｋｒｕｐｐ—Ａｔｌａｓ差频参量浅地层剖面仪的记录结果，这些数据是在破冰的情况下，从阿蒙森　海盆地水下４４００ｍ深处，并且探测器海底穿透深度超过４０ｍ的条件下得到的。由于没有相位信息，声　纳数据一般显示为振幅的包络图（频率平方的逆变换），如（Ａ）所示。将其与（Ｂ）相比较，（Ｂ）为　一个振幅轨迹示意图，它是地震数据的典型显示。频率分析（ｃ）显示这些数据带宽非常窄，并且以　３．９ＫＩｑ￣为中心　维普资讯 http://www.cqvip.com ＳＥＳ一９６差频参量浅地层剖面仪的照片如下图所示：　图４　ＳＥＳ一９６差频参量浅剖系统　（２）加速水团技术　许多使用水团加速运动技术的系统广泛的应用在地震调查作业中。这些就包括电动　式震源，通称为布默震源（Ｂｏｏｍｅｒｓ）和空气震源例如空气式和套筒式阵。　布默震源产生一个压力脉冲，这个脉冲主要反映为一个运动的环形金属活塞的加速　运动。当储存在电容器中的电能通过一个位于活塞后面的平面线圈释放出去，产生的感　应电流的方向和线圈电流方向相反，从而产生一个排斥力使活塞和线圈迅速分离。活塞　的运动产生了一个稳定的压力子波。在１００到１０１３０焦耳范围内的存储能量能被现有的　布默震源吸收，还可以得到一个脉冲持续时间为１００到２００微秒下的１巴一米的峰压　值，表２和图５总结了布默震源的一些特点。在高分辨地震反射研究中，布默震源是目　前最好的冲击式震源之一。在图５的小插图中显示了布默震源的子波，从中可以明显看　出其在很宽的频带内都有能量分布。这个带宽相当重要。　表２布默震源总结　优　点　缺　点　可重复使用性好　深水拖曳能力有限　尖峰频率高，带宽大　电压大，电流大　相对于声纳而言输出能量高　物理尺寸受到布麦尔震源电极板的　有一定的指向　性低功效　——　１——　维普资讯 http://www.cqvip.com

Ａ　Ｂ　，；｝　厘　智　窝　迎　逛　１　图５（Ａ）在输出能量设定为２８０焦耳时，１ＫＢ—ＳｅｉｓｔｅｃＴＭ布默震源的振幅和频率谱，（Ｂ）是在　Ｇｕｌｆ岛采集的一个地震剖面。布默震源显示出良好的放炮重复性（如插图所示），相对比较高的能量　输出水平，它的能量均匀地分布在５００到２０ＫＨｚ频谱范围内，这些最终产生了一个分辨率大小和地层　穿透能力的适当组合　ＧｅｏＡｃｏｕｓｔｉｃｓ公司的ＧＥＯＰＬＵＳＥ５４２０单道震源和ＡｐｐｌｉｅｄＡｃｏｕｓｔｉｃｓ公司的ＡＡ２００单道震　源就属于布默震源类型。　更加常见的用于深穿透的水团加速技术震源是使用压缩空气作为能量存储介质（参　看Ｉ（ｒ砌ｅｒ等人，１９６８；Ｇｉｌｅｓ，１９６８；Ｚｉｏｌｋｏｗｓｋｉ等人，１９８２；Ｐａｒｋｅｓ和Ｈａｔｔｏｎ，１９８６；Ｒａｃ—　ｃａ和Ｓｃｒｉｍｇｅｒ，１９８６；Ｑｕｉｎｎ等人，１９８８）。气和它新近的派生物，套筒式气和ＧＩ　。　气的子波示意图很明显地显示在主脉冲的后面有一个很强的气泡脉冲（图７Ｂ）。　这个气泡脉冲是一个假声学震源，它是压缩空气从释放后到上浮到海面的过程中在静水　压力作用下振荡性的膨胀和收缩而产生的。气泡脉冲的振幅与释放气体的体积和气的　沉放深度成正比。振荡周期可以通过Ｒａｙｌｅｉｇｈ—Ｗｉｌｌｉｓ公式来计算：　Ｔ：１．１４ｐ￣・　（ＫＱ）。　（ｄ＋３３）　一８一　维普资讯 http://www.cqvip.com 这里Ｔ是气泡的振荡周期以秒为单位，ｐ是液体密度，Ｑ是膨胀气泡的势能大小，Ｋ为　常量，它的值取决于表达式Ｑ所采用的单位，ｄ是气泡中心在液体中的深度。　图６　ＧＥＯＰＬＵＳＥ５４２０型Ｂｏｏｍｅｒ（左）和ＡＡ２００型Ｂｏｏｍｅｒ（右）　气泡脉冲中所包含的能量可以使信号的振幅谱出现额外的槽口（图７Ｂ）。受影响的　频率取决于振荡周期。气泡脉冲叠加在地震记录上干扰了主记录道（图７Ｃ），从而影响　地震剖面的解释。通过使用一排同时触发或是几乎同时触发的阵可以减弱气泡效应，　并提高信号强度。这种技术可以增大频谱宽度，提高信号振幅和增强震源的可重复使用　性（图７）。　表３气震源总结　优　点　缺　点　高能量输出　深水拖曳能力有限　在低频部分带宽大　没有指向性　应用广泛（技术易于得到和熟悉）　需要定期的保养维修　有气泡效应干扰　常规气不适用于高分辨地震勘探，一般使用在高分辨地震勘探中的气容量都比　较小，频率比较高。　相对于其它高分辨地震勘探震源而言，气震源具有更强的穿透能力，并且可以在　高噪声背景下工作，但是需要认真调整它的位置和航行状态，这样才能使震源子波特征　达到最优化，表３和图７总结了气的一些特点。　一９一　维普资讯 http://www.cqvip.com Ｂ　ｌ　：　；　＇ｏ　・　叠ｕ　。再柙雕；　埘　｝　，”　…　一・……｝…一…　………一　…　ｉ　ｏ：　…～　……｝　－　鑫岫　ｕ　：　厂　｝　；　；　ｉ；　甜　Ｏ　潜　Ｏ　甜　ｎｆ　，＃　扭ｆ●　Ｔｌｎｅ｛￥０ｃ０　Ｉ　—　ｊ　’　………“｝……一…ｉ　　ｊ…‘｛　～　！　、ｉｊｉＩ＾　‘＇１　《｛・　＿＿Ｉ’－・－・＿　…～　…　≯　…一　……　……　；黧　戆　爨　燮　雹　譬姆　—～～　穆　蠢蔓　螨　憾猢船】Ｉｒ　ｌ　，－■基嚣　…一　≮　一¨ｈ　譬：　冀　脚　嫱　乎　尊稳笔龄　爱嗡　攀嫜爨　●：耄蓑墓荫　厘　‘垃　茹端警　瞿　≮争　肇　囊　辍　＃　：≥　０　ｌ＿：　：　善　，　蕊薯　啦　≯　每　乎萎耄　鬈　、　：　≯慧　冀　０　ｎ　－美　■　０一ｉ÷茹　：　，。§　爹　釜；话　东：　参　ｉ　ｊ　一　誓＾—　　“　ｌｌ｜＿　　～　＿；＿　０　Ｓｏｏ　ｏ０ｏ　献ｒｅｓ　２　ｘ’０ｌｎ‘气阵列　Ｉ　单独一把１　０Ｊｎ‘气抢　图７（Ａ）显示了一个２Ｘ　１０ｉｎ３调谐气阵列的子波示意图，将其与（Ｂ）相比较，（Ｂ）是一个单　独的ｌＯｉｎ３气震源性能示意图。（Ｃ）是一个剖面的示例图，这个剖面是在Ｊｕａｎ　ｄｅ　Ｆｕｅａ海峡东部采集　到的，首先使用（Ａ）中的气阵列，然后再使用一个单独的ｌ０ｉ　气。注意在第二个剖面中能量比　较低，但是在气泡脉冲影响方面有优势　（３）挤压震源　挤压震源是利用气泡或真空的内爆形成一个脉冲压力波。板式挤压震源、小型板式　挤压震源和高压蒸汽就是此类震源，它们就是利用气泡或水蒸汽泡的内爆来工作的。　最新的发展是水，它有多种尺寸大小，可用于探测浅水和中等水深中的目标。这个系　统使用了大量压缩气体来加速闭合活塞的运动，活塞再将水柱高速的发射到周围的水团　中。由水柱尾流造成的空穴实际上接近于真空，它的内爆将产生一个压力急剧上升的子　波。活塞和水团的初始加速和延迟会形成一个低频、振幅小的前兆信号。水的操作性　和适用性与气相类似（表３），其特点是频谱相比气稍微宽一点（图９）。　一ｌＯ一　维普资讯 http://www.cqvip.com 图８　ＭＩＮＩ　ＧＩ照片　如图所示Ｓｅｒｅｅｌ的ＭＩＮＩ　ＧＩ作为其具有代表性的产品，主要用于高分辨地震勘探。　８　、　蟹　茁　隳　逍芝　氇：　ｄ　图９（Ａ）显示一个容量为８０ｉｎ３的水（挤压震源）的子波特性和能量谱。水产生一个具有前　兆特征的尖锐脉冲。（Ｂ）是一个取自太平洋西部赤道附近的水剖面样本　维普资讯 http://www.cqvip.com

图１０　Ｓ１５型水　Ｓｅｒｃｅｌ公司的Ｓ１５型水为一种通用性挤压震源，可用于海上、草沼地区、陆上或　井下放炮，既可作为震源也可在阵列中使用。　（４）爆炸式震源　爆炸式震源包括炸药，起爆雷管和气爆震源。然而在海洋高分辨地震勘探中最常见　的爆炸式震源是电火花。它也是最早使用的海洋地震震源之一，迄今为止仍然是一种成　本较低的海洋高分辨率地震勘探震源。电火花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　１００焦到３０千焦。　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。这个振荡过程增长了震源信号的持续　时间，但会在有效的频率范围内产生破坏性干扰；并且这个振荡过程是变化的，还会影　响震源的可重复使用性（图１１）。　和气阵列一样，多电极电火花可以通过多个气泡的相互作用来减弱气泡效应的影　响。多电极排列还可以增大峰压。表４和图１１总结了电火花震源的一些特点。　表４电火花震源总结　优　点　缺　点　高能量输出　可重复使用性低　带宽宽而且频率相对比较高　了方向性　一般的深水拖曳能力　脉冲持续时间长而且有气泡效应　费用低廉，使用方便，可靠　目前，ＡｐｐｌｉｅｄＡｃｏｕｓｔｉｃｓ单道震源、ＳＩＧ　ＳＩＧ８００Ｊ单道震源、Ｇｅｏｐｌｕｓｅ单道震源和Ｃ，￣ｏｒ—　ｅｓｅａｓｅ单道震源在我局的海洋高分辨地震勘探中得到了广泛的使用。　一１２—　维普资讯 http://www.cqvip.com Ａ　窟管璺ｆ毒｝姆　∞　批　酏　蜘　∞　酾　渤　‘　Ｉｔ　曩—混，一　图１１（Ａ）是一个剖面，它是通过一个Ｈｕｍｅｃ能量为５００焦耳的电火花系统在Ｇｅｏｒｇｉａ海峡采集到　的。（Ｂ）详细显示了一部分轨迹，通过这些轨迹表明每炮之间是相似的，但是有些炮有开始时间延迟　（检查Ｂ中左边第四个轨迹），这个是电火花系统的典型问题，也就是说，很难准确的控制电火花的点　火时间。（ｃ）显示电火花震源的时域和频域子波特性。这里可以将能量频率提高到６ＫＨｚ，但是会出　现明显的频谱零点，也就是说和Ｄ中的Ｈｕ￣ｅｃ布麦尔震源相比较，电火花的能量不能均匀的分布在整　个频谱范围内，举例说明，这个槽口就是强气泡脉冲造成的破坏性干扰而产生的。布默震源相比电火　花震源，在高频部分能量更高，而低频部分能量更低　图１２　ＡｐｐｌｉｅｄＡｃｏｕｓｔｉｃｓ单道震源系统　一１３一　维普资讯 http://www.cqvip.com 图１３　ＳＩＧ　８００Ｊ单道震源系统　２．各种海洋高分辨地震勘探反射震源的技术指标的比较　上文谈论了目前主要使用的四大类高分辨震源的技术特征，由于它们的工作原理不　同，以至于它们的主要技术指标也各不相同。下表通过对它们的各项技术指标进行一个　简单的比较：　震源　类型　震源具体　型号　工作频率　勘探分　辨率　能量级　别　触发间隔　勘探深度　ＤＡＴＡＳ０ＮＩＣ　中心频率为３１５ｃｍ到　最大输　最小可达　最大穿透深　．５ＫＨｚ　ＳＢＰ５０００　３０ｃｍ　出能量　０．１２５ｓ　度３０ｍ　受　１２ｋｗ　控　ＤＡＴＡＳ０ＮＩＣ　最高分　最大输　波　１．５—１０ＫＨｚ，连续变　最小可达　最大穿透深　束　吉　ＣＡＰＩ５Ｏ０ｏ　＿、　频扫描　辨率可　出能量　刑ＣＨＩＲＰ　达７ｃｍ　ｌｋｗ　０．２５ｓ　度１００ｍ　纳　、　ｓＥＳ一９６差　主频：１００ＫＨｚ，差频：　最高分　最大输　最大穿透深　频浅地层　辨率可　出能量　０．ｏ３Ｓ　剖面仪　４／５／６／８／１０／１２ＫＨＺ　达ｌｃｍ　１８ｋｗ　度５０ｍ　ＡＡ２００（布　中心频率为５００—　最高分　最大输　最小可达　穿透深度为　默震源）　６ＫＨＺ　辨率可　出能量　加　达１０ｅｒａ　３０ｏＪ　０．１７ｓ　２０到３０ｍ　速　水　最高分　容积６０立　团　中心频率为５０一　方英寸时，　最大穿透深　唧ＧＩ　加ＯＨｚ　辨率可　达２ｍ　工作压力　５ｓ　度为３０００ｍ　２０００ｐｓｉ　挤　ＨＹＤＲ０一　最高分　容积３７８　压　震　ＡＤＡＰＩ　Ｒ　中心频率为４１Ｈｚ　辨率可　时立方英寸　最大穿透深　工作压　８ｓ　度为２００源　７００１　达２ｍ　，ｍ　力２０００ｐｓｉ　维普资讯 http://www.cqvip.com 最高分　２００焦到　充电速度可　８００多级电　Ｇｅｏ—Ｓｐａｒｋ　中心频率为５００辨率可　１万焦的　达２５００Ｊ／ｓ，能　穿透深度为　—　火花震源　２ＫＨｚ　达３０　ｃｍ　能量范　量为时，触发间隔　１０１万焦　０ｍ到２５０ｍ　爆　围　大约为４ｓ　炸　震　源　ＣＳＰ一１５０ｏ　充电速度可　多级电火　花震源（使　中心频率为２０—　最高分　能量最　达１５００Ｊ／ｓ，能　穿透深度为　用ＡＡＥ　４ＫＨｚ　辨率可　高可达　量为１５００焦　Ｓ达ｑｕｉｄ２０００　２０ｃｍ　１５００焦　时，触发间隔　８０到１００ｍ　电极）　大约为１ｓ　三、结束语　通过海洋高分辨地震勘探反射技术的基础理论回顾、海洋高分辨地震勘探反射震源　技术特征分析以及各种技术的比较，我们可以看出四大类震源由于工作原理、技术指标　和所针对目标等方面各不相同，它们今后的技术发展和应用方向也各不相同。　用于海底浅地层研究的受控波束（声纳）技术的发展主要经历了由早期的普通海底　浅层剖面仪（例如，ＤＡＴＡＳＯＮＩＣ　ＳＢＰＳ０００）到连续变频声纳（例如，ＤＡＴＡＳＯＮＩＣ　ＣＡＰ６０００　ＦＭＣＨＩＲＰ），再到最新的差频参量声纳（例如，ＳＥＳ一９６）这三个阶段。通过三　种典型声纳设备的各项技术指标的对比，我们可以看出声纳技术的基本发展方向，不断　提高声纳设备的工作频率（提高设备的分辨率）和波束指向性（增强设备的穿透能力），　缩短触发间隔（增加了单位时间采集的数据量，有利于高分辨地震勘探）。但是声纳设　备受其工作原理的，它的能量小，其作用水深和穿透能力相比其它类型震源要弱。　它主要用于浅水高分辨勘探中，如海底管线路由调查中，需要对预选路由的海底工程地　质条件、海洋动力环境、腐蚀环境状况以及海洋开发活动等进行综合性调查。此外，还　要从埋设施工的要求出发，进行路由埋设评价调查，为最终确定经济上合理、技术上可　行、安全性高的海缆路由和施工方案提供科学技术依据。海底管线路由的埋藏深度一般　不会很深，故海底管线路由调查对震源的穿透能力要求不高，但是对震源分辨率要求很　高，在调查中一般选用声纳作为勘探震源。　加速水团技术主要有两类震源，布默震源和气及其派生物，套筒式气和ＧＩ。　其中的气震源目前已经发展到非常完善的地步，但由于其固有的子波频率较低，加上　施工等方面的原因，它并不适合于浅海高分辨工程地质调查的需要，而更多的服务于深　海油气勘探。现今用于海洋高分辨反射地震勘探中使用的气类震源是ＧＩ，它主要　用于中深部海域的高分辨地震勘探。布默震源由于其主频在几百Ｈｚ到几千Ｈｚ之间，其　一１　５—　维普资讯 http://www.cqvip.com 穿透性和分辨率刚好介于声纳和气震源之间，与相比电火花震源还可在淡水中使用，　在内河、湖泊内的高分辨地震勘探中具有广阔的应用前景。　挤压震源，如高压蒸汽、水等的技术特点与气基本类似，它们与气相比最　大的区别在于它没有气泡干扰，而且它的频谱宽至高频（频率可以高达上千Ｈｚ），因此　相比气，其更适合于中深部海域的高分辨地震勘探。　当今主要使用的爆炸式震源是电火花震源，它利用电容器充电后经电极在水中瞬间　导通，电流的突然放电来激发声脉冲。由傅里叶分析可知，此声脉冲在很宽频段内其谱　级较平直，因而电火花震源是一种较理想的震源。正是由于电火花的高能量输出，带宽　大而且频率高，费用低，使用方便，电火花是最早使用在海洋地质勘探的震源类型之　一。但是后来由于技术水平的，诸如气泡效应、充放电时间长、电极损耗造成的可　重复利用性低等问题没有得到解决，它一度被气和水所代替。随着使用脉冲变压器　充电、可控硅整流管开关放电、负脉冲电源充放电等技术先后出现，现代多级电火花技　术正朝着高能量、快速充放电（充电时间有早期的１２００Ｊ／ｓ提高到现在的２５００Ｊ／ｓ，）、电　极低损耗、多电极放电（从早期的３电极发展到现在的１６００级）、高频率（早期频率一　般在５０Ｈｚ～４００Ｈｚ，现在主频一般在５００　Ｈｚ～２ＫＨｚ）的方向发展。由于电火花工作原理　的，它只能用于含盐达到一定溶度的海水中。目前，电火花震源主要应用在滨海浅　水高分辨地震勘探中，如近岸水域的跨海桥梁、海底隧道、核电厂设施等大型工程项目　初期勘探调查中。这些调查要求对施工区域及周围水域的地层、断层等进行详细勘察，　探明水域基岩面及上覆沉积层的分布范围以及揭示出基底断层构造的产状及空问延伸方　向，对施工区域是否存在能动断层进行判断。其对震源穿透能力要求一般，但是要求震　源具有较高的分辨率，在此类调查中一般使用电火花震源。　我国有１．８万Ｋｒｎ的漫长海岸线，拥有３００万　的管辖海域，广袤而辽阔。我国　近海架海域相当于我国可耕作面积的两倍，是世界上少有的海洋大国之一。随着我　国改革开放的不断深入，经济持续高速发展，必然需要加大对近海及内河大型基础设施　建设的投入，这就需要进行大量的近海及内河高分辨工程勘探。我们应针对不同的勘探　目的和不同的作业环境等条件，采用不同的海洋高分辨震源或震源组合，这样使各类震　源得到合理地使用，并达到最佳的勘探效果。　参考文献　［１］Ａｒｄｕｓ，Ｄ．Ａ．（ｅｄ．），Ｏｆｆｓｈｏｒｅ　Ｓｉｔｅ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　Ｇｒａｈａｍ　ａｎｄ　Ｔｒｏｔｍａｎ　Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，Ｌｏｎｄｏｎ，１９８０．　［２］Ｈｅｌｂｉｇ，ｋ．，ａｎｄ　Ｔｒｅｉｔｅｌ，Ｓ．，Ｓｅｉｓｍｉｃ　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｏｎ　ＣＤＲｏｍ：Ｅｌｓｅｖｉｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ＬＴＤ，Ｌｏｎｄｏｎ，１９９７．　［３］Ｐｕｒｄｙ，Ｇ．Ｍ．ｎａｄ　Ｃｏｖｅ，Ｌ．Ａ．Ｒｅｌｆｅｃｉｔｏｎ　ｐｒｏｉｆｌｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｅｐ　ｏｃｅａｎ　ｕｓｉｎｇ　ａ　Ｉｌｅａｌ＂ｂｏｔｔｏｍ．　［４］Ｒｏｂｂ，Ｊ．Ｍ，Ｓｙｌｗｅｓｔｅｒ，Ｒ．Ｅ，ａｎｄ　Ｐｅｎｔｏｎ，Ｒ．Ｓｉｍｐｌｉｉｆｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｄｅｅｐ—ｔｏｗ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｐｒｏｆｉｌｉｇｎ：ＣＯｏ—Ｍａｒｉｎｅ　—ｌｅｔｔｅｒｓ，１９８１．　［５］Ｒｏｓｔｅｋ，Ｆ，Ｓｐｉｅｓｓ，Ｖ，ａｎｄ　Ｂｌｅｉｌ，Ｕ．Ｐａｒａｓｏｕｎｄ　ｅｃｈｏｓｏｕｎｄｉｎｇ；ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｆｏ　ａｎａｌｏｇｕｅ　ｎａｄ　ｄｉｓｔｌａ　ｅｅｈｏｓｏｕｎｄｅｒ　ｒｅｃｏｒｄｓ　ａｎｄ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｓｅｄｉｍｅｎｔｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｅｑｕａｔｏｒｉｌａ　Ｓｏｕｔｈ　Ａｔｌｎａｔｉｃ：Ｍａｒｉｎｅ　Ｇｅｏｌｏｇｙ，１９９１．　［６］Ｄａｖｉｄ　Ｃ．Ｍｏｓｈｅｒ，Ｐｅｔｅｒ　Ｇ．Ｓｉｍｐｋｉｎ．ＳＴＡＴＵＳ　ＡＮＤ　ＴＲＥＮＤＳ　ＯＦ　ＭＡＲＩＮＥ　ＨＩＧＨ—ＲＥＳＯＬＵＴＩＯＮ　ＳＥＩＳＭＩＣ　ＲＥＦＬＥＣＴＩＯＮ　ＰＲＯＨＨＮＧ：ＤＡＴＡ　ＡＣＱＵＩＳＩＴＩＯＮ，１９９９．　［７］Ｔｏｄｄ，Ｂ．Ｊ，ａｎｄ　Ｌｅｗｉｓ，Ｃ．Ｆ．Ｍ．Ａ　ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　ｓｕｒｖｅｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｋａｗａａｈａ　ｌａｋｅｓ　ａｎｄ　Ｌａｋｅ　Ｓｉｍｃｏｅ，　一１６—　维普资讯 http://www.cqvip.com Ｏｎｔａｒｉｏ：Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｅ　ｐｈｙｓｉｑｕｅ　ｅｔ　Ｑｕａｔｅｒｎａｉｒｅ，１９９３．　［８］Ｔｏｄｄ，Ｂ．Ｊ，Ｌｅｗｉｓ，Ｃ．Ｆ．Ｍ．，Ｎｉｅｌｓｅｎ，Ｅ．，Ｔｈｏｆｌｅｉｆｓｏｎ，Ｌ．Ｈ．，Ｂｅｚｙｓ，Ｒ．Ｋ．，ａｎｄ　Ｗｅｂｅｒ，Ｗ．Ｌａｋｅ　Ｗｉｎ・　ｎｉｐｅｇ：ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｅｄｉｍｅｎｔ，１９９７．　［９］Ｕｒｉｃｋ，Ｒ．Ｊ．Ｓｏｕｎｄ　Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｓｅａ．Ｐｅｎｉｎｓｕｌａ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，Ｌｏｓ　Ａｌｔｏｓ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，１９８２．　『１０］Ｕｒｉｃｋ，Ｒ．Ｊ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｎｄｅｒｕｗａｔｅｒ　ｓｏｕｎｄ．ＭｃＧｒａｗ—Ｈｉｌｌ　Ｂｏｏｋ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ，１９８３．　『ｌ１］ＷＵｎｄｅｒｌｉｃｈ　Ｊ．Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ａｒｃｈａｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｏｂｊｅｃｔｓ　ｕｓｉｎｇｎｏｕｌｉｎｅａｒ　ｓｕｂｂｏｔｔｏｍ　ｐｒｏｆｉｌｅｒｓ　ｌ　Ａ　Ｊ．Ｐｒｏｃｅ—　ｄｄｉｎｇｓ　ｆｏ　ｈｔｅ　ｅＳｖｅｎｔｈ　Ｅｕｒｏｐｅａｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｕｎｄｅｗｒａｔｅｒ　Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ　ｌＣＪ，２００４（６）．　［１２］刘伯胜，雷家煜，水声学原理，哈尔滨船舶工程学院出版社，１９９３年。　［１３］何祚镛等，声学理论基础著，国防工业出版社，１９８１。　［１４］王润田，海底声学探测与底质识别技术的新发展［Ｊ］，声学技术，２００２（１）。　［１５］周宝华，刘威北，气的发展与使用分析，物探装备，１９９８（８）。　［１６］王兴泰，工程与环境物探新方法新技术，北京：地质出版社，１９９６。　［１７］张兆富，ＳＥＳＯ６参量阵测浅地层剖面仪的特点及其应用［Ｊ］，中国海湾建设，２００１（３）。