海洋高分辨反射地震勘探震源的技術(shù)特征

萬(wàn) 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(wàn) 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(jiǎn)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(lèi)高分辨地震震源——受控波束類(lèi)震源(聲納)、加速水團(tuán)技術(shù)類(lèi)震源、擠壓震源、爆炸式震源,并對(duì)各類(lèi)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(lèi)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(lái),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(lèi):(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(lèi)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(guò)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(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),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(guò)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(guò)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?chē)h(huán)境的噪聲大小等因素有關(guān)。高頻聲波在傳播過(guò)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(guò)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(lèi)聲學(xué)震源都是將震源能量轉(zhuǎn)化成周?chē)畧F(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?chē)乃畧F(tuán)中。這個(gè)過(guò)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(lèi)。長(zhǎng)期以來(lái),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(wèn)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(lái)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(zhǎng)度。要想通過(guò)帶寬的倒數(shù)來(lái)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(zhǎng)比較長(zhǎng)的那一部分波束信號(hào)。通過(guò)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(méi)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(guò)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(chēng)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(guò)一個(gè)位于活塞后面的平面線(xiàn)圈釋放出去,產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向和線(xiàn)圈電流方向相反,從而產(chǎn)生一個(gè)排斥力使活塞和線(xiàn)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(jiàn)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(guò)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(guò) Rayleigh-Willis公式來(lái)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(guò)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(lèi)震源,它們就是利用氣泡或水蒸汽泡的內(nèi)爆來(lái)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(lái)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?chē)乃畧F(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。活塞和水團(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(lèi)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(jiàn)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(guò)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(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。這個(gè)振蕩過(guò)程增長(zhǎng)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(guò)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(guò)多個(gè)氣泡的相互作用來(lái)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(lèi)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(wàn)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(wàn)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(yǔ)

綜上所述,由于各類(lèi)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(xiàn)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(kāi)發(fā)活動(dòng)等進(jìn)行綜合性調(diào)查。這類(lèi)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(lèi)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(lèi)似,它們與氣槍相比最大的區(qū)別在于它沒(méi)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(lèi)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(guó)防工業(yè)出版社.1981

6 王潤(rùn)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)