氣槍：水下震源理論與操作（Ⅰ）＊

Paul M Krail（德克薩斯州立大學(xué)，休斯頓，美國）

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氣槍：水下震源理論與操作（Ⅰ）＊

Paul M Krail
（德克薩斯州立大學(xué)，休斯頓，美國）

摘 要詳細(xì)了解震源的輻射場對于有效的震源設(shè)計(jì)和震源波場反褶積是非常必要的。為了了解氣槍理論和操作原理，就有必要研究氣槍在水下釋放產(chǎn)生的氣泡運(yùn)動。氣槍能夠在水下釋放高壓氣泡，氣泡膨脹產(chǎn)生地震波，被用于反射地震學(xué)研究。本論文是關(guān)于水中氣泡運(yùn)動產(chǎn)出地震壓力波，也稱為氣槍信號。首先討論單個氣泡的相關(guān)物理原理，其次從海洋流體力學(xué)和空氣熱力學(xué)的基礎(chǔ)方程推導(dǎo)出氣泡的動態(tài)特性。一旦了解單個氣泡的動態(tài)特性，就容易了解一組氣槍氣泡的行為特性。本文詳細(xì)解釋了使用氣槍陣列的原因，并討論了在實(shí)際應(yīng)用中的性能規(guī)范。本文探討了不同類型的氣槍，解釋了具體的操作流程，并討論了安裝于地震勘探船上由GPS導(dǎo)航系統(tǒng)和氣動式電腦聯(lián)合控制的槍控系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞氣槍；水下震源；原理；操作；單槍；氣槍陣列

1　氣槍發(fā)展史

為了了解氣槍原理和操作規(guī)則，有必要研究氣槍在水下產(chǎn)生和釋放的氣泡運(yùn)動。1917年Rayleigh是首個研究水下氣泡運(yùn)動理論與處理方法的學(xué)者之一［1］，他通過觀察煮水過程研究沸水產(chǎn)生氣泡現(xiàn)象。Rayleigh對當(dāng)水壺里的水沸騰后發(fā)出聲音這一現(xiàn)象產(chǎn)生興趣，并解釋為由于氣泡從較涼的水中浮出發(fā)生局部或完全破裂而產(chǎn)生。Rayleigh的理論把水作為一種不可壓縮的液體。我們腦海中關(guān)于沸水產(chǎn)生氣泡的記憶圖像和氣泡破裂的聲音，對于我們描述在海洋里的氣槍氣泡和產(chǎn)生的地震聲波具有很好的指導(dǎo)意義。早期的震源船所配置的爆破炸藥能量較小。水下高速爆破可以產(chǎn)生高壓氣泡，因此，如果我們研究水下氣泡運(yùn)動，就能在一定程度上認(rèn)知?dú)鈽尯捅圃?。由炸藥產(chǎn)生的氣壓比氣槍產(chǎn)生的壓力大得多。如果我們假設(shè)炸藥的爆炸影響范圍是直徑一英尺的球面，當(dāng)它在中心位置爆炸時，能使得固體物質(zhì)在短時間內(nèi)升溫并變?yōu)楦呙芏葰怏w。實(shí)心彈內(nèi)部未爆炸部分會產(chǎn)生約1.38×104MPa的峰值壓力。這顯然比氣槍產(chǎn)生的壓力大得多，而且比從地下深處反射的能量大。

在二戰(zhàn)期間，許多機(jī)密研究涉及到水下聲波的監(jiān)控，這些包含了氣泡脈沖的產(chǎn)生與研究以及許多理論和儀器的進(jìn)展，在隨后被公開的部分研究也得益于此，如后來Ewing等人在1948年發(fā)表了水下地震研究［2］。二戰(zhàn)以后，在墨西哥灣和加州沿岸開展了地震爆破研究。在這些研究中都用到炸藥，而利用炸藥導(dǎo)致了環(huán)境和安全問題。20世紀(jì)60年代中期，Chelminski開始生產(chǎn)和測試氣槍用于地震研究使用，1970年代他創(chuàng)辦了Bolt技術(shù)股份有限公司，并給他的氣槍命名為PAR（pneumatic acoustic repeater，氣動式聲波中繼器）。從那時起，Bolt持續(xù)完善和發(fā)展氣槍。1975年，Chelminski獲取了氣槍設(shè)計(jì)專利。當(dāng)時尋求炸藥替代品的需要非常高，以至于還發(fā)展了許多其他震源，但沒有一個震源像氣槍這樣通用。

在理論方面也取得了進(jìn)展。Rayleigh曾經(jīng)預(yù)測，當(dāng)把周圍液體視為可壓縮時，關(guān)于氣泡運(yùn)動的解釋將得到進(jìn)一步深化。Cole在1948年的工作填補(bǔ)了此項(xiàng)研究［3］。Keller和Kolodner于1956年成功地解決了不可壓縮液體的氣泡問題［4］，并從氣泡運(yùn)動包括氣泡的阻尼振蕩理論中得到新的預(yù)測，該結(jié)論與實(shí)地測量結(jié)果非常接近。在本文中，將涉及到這些研究的進(jìn)展情況。盡管氣槍作為最受歡迎的震源來說具有優(yōu)越性，但并不是說它不存在問題。當(dāng)前它仍不是地震工程需要的理想震源。

氣槍需要3項(xiàng)具體的改進(jìn)，包括更具可靠性、動力更大和更寬的信號頻帶。地球物理服務(wù)公司（GSI）著手一項(xiàng)發(fā)展規(guī)劃以解決這些需求。一種基于外設(shè)套筒的全新氣槍取代了傳統(tǒng)的內(nèi)設(shè)換向閥氣槍。1984年3月，標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測試，同年6月完成了第一個成品。該創(chuàng)新設(shè)計(jì)來自E.R.Harrison 和GSI的專利。氣槍持續(xù)發(fā)展以及引進(jìn)內(nèi)設(shè)換向閥的改進(jìn)模型，使得如今雙套筒式氣槍和內(nèi)設(shè)換向閥氣槍很受歡迎。SEG意識到Chelminski和Harrison對于震源發(fā)展所做的重要創(chuàng)新貢獻(xiàn)，因此分別在1975年授予了Chelminski考夫曼金牌勛章和在1998年授予Harrison費(fèi)森登獎。

在氣動式震源研究中，還有其他兩個創(chuàng)新設(shè)計(jì)需要提到，它們都是Pascouet和他的公司Sodara研發(fā)的產(chǎn)品。首先是水槍，其通過向海水中注水，利用氣泡破裂產(chǎn)生聲波能量，而氣槍則依賴于氣泡膨脹。1981年，Pascouet針對液壓裝置向海里注水獲取了專利。水槍作為理想震源存在可能性，但由于工程困難大而仍未實(shí)現(xiàn)。Pascouet的第二個創(chuàng)新是GI槍。GI（gas injector）氣槍通過先產(chǎn)生一個氣泡，然后將空氣注入該氣泡中來阻止不需要的氣泡振蕩。1989年，Pascouet為地震工程展示了新的震源，并在1991年發(fā)表了一篇論文解釋說明他的發(fā)明和GI槍的操作規(guī)則。

資料來源：Krail P M.Airguns：Theory and operation of the marine seismic source.2010.http：∥hdl.handle.net／2152／11226

（福建省地震局 王林 譯， 黃宏生 校）

（譯者電子信箱，王林：wl＿0117＠163.com）

參考文獻(xiàn)

［1］Rayleigh L.On the pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity.Philosophical Magazine，1917，34：94－98

［2］Ewing M，Worzel J L，Perkeris C L.Propagation of sound in the ocean.The Geological Society of A－merica，Memoir 27，1948

［3］Cole R H.Underwater Explosions.New Jersey：Princeton University Press，1948

［4］Keller J B，Kolodner I.Damping of underwater explosion bubble oscillations.Journal of Applied Physics，1956，27（10）：1152－1161

收稿日期：(＊)2015－05－05。

doi：10.3969／j.issn.0235－4975.2015.10.008

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A；

中圖分類號：P315.62；