水體形狀對(duì)陸地氣槍激發(fā)信號(hào)的影響

胡久鵬+王寶善+陳颙

摘要：分析比較4處不同形狀水體氣槍激發(fā)信號(hào)的主要特征，得到水體形狀對(duì)氣槍激發(fā)波形影響的關(guān)系，并利用數(shù)值方法模擬不同陸地水體中氣槍激發(fā)的過程。研究結(jié)果表明：不同水體形狀對(duì)氣槍信號(hào)存在一定程度的影響，并且對(duì)高頻信號(hào)成分影響較強(qiáng)，對(duì)低頻信號(hào)成分影響較弱。在進(jìn)行的4組實(shí)驗(yàn)中，馬刨泉實(shí)驗(yàn)信號(hào)氣槍能量轉(zhuǎn)化為低頻能量的效率高，所激發(fā)信號(hào)波形尖銳。

關(guān)鍵詞：水體形狀；氣槍震源；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：P315.31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2017）04-0543-07

0引言

近年來海洋勘探引入氣槍震源作為陸地結(jié)構(gòu)探測(cè)及介質(zhì)變化監(jiān)測(cè)的人工震源（Chen et al，2008；Wang et al，2010）。隨著云南賓川和新疆呼圖壁氣槍地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)站（王彬等，2015，蘇金波等，2016）的建立，陸地氣槍震源為區(qū)域尺度問題的地震學(xué)觀測(cè)提供了有力的工具。陸地氣槍震源通常是在一個(gè)水庫或者人工水池中激發(fā)的，相對(duì)于海洋環(huán)境，陸地氣槍的激發(fā)環(huán)境為尺度較小的有限水體。有限水體中存在的固液邊界會(huì)對(duì)氣槍信號(hào)造成一定的影響。林建民等（2010）討論了陸地有限水體中氣槍激發(fā)信號(hào)的子波特征，分析了氣槍震源沉放深度、工作壓力等不同激發(fā)條件對(duì)氣槍信號(hào)的影響，陳蒙（2015）提出氣槍所處水體的水位變化會(huì)影響激發(fā)信號(hào)的能量。由此可見，了解陸地氣槍震源的激發(fā)與傳播機(jī)制，對(duì)于應(yīng)用氣槍震源勘測(cè)地下精細(xì)結(jié)構(gòu)與介質(zhì)的細(xì)微變化具有重要意義。

陸地氣槍與傳統(tǒng)氣槍的差別在于多了固液邊界的影響。固液邊界對(duì)氣槍信號(hào)的影響可分為兩種模式：一是對(duì)氣泡發(fā)育的影響，二是對(duì)信號(hào)傳播的影響。前者較為復(fù)雜，本文僅做初步探討。而固液邊界對(duì)信號(hào)傳播的影響則主要體現(xiàn)在水體形狀上。隨著陸地氣槍工作在全國的開展，出現(xiàn)激發(fā)水體形狀各不相同的情況，不同形狀陸地有限水體對(duì)氣槍激發(fā)信號(hào)的影響成為亟需解決的問題。

為解決上述問題，本文綜合分析了北京房山區(qū)馬刨泉、云南賓川縣大銀甸水井、水庫和新疆呼圖壁縣人工水池4個(gè)陸地氣槍實(shí)驗(yàn)（Yang et al，2013）。以上各個(gè)實(shí)驗(yàn)的水體環(huán)境相差很大，各具代表性。利用各實(shí)驗(yàn)參考臺(tái)站的數(shù)據(jù)，對(duì)比分析不同水體形狀情況下氣槍激發(fā)信號(hào)的主要特征，得到水體形狀對(duì)氣槍激發(fā)波形影響的關(guān)系。此外，數(shù)值模擬是研究信號(hào)傳播性質(zhì)的有效方法，可以規(guī)避實(shí)驗(yàn)中復(fù)雜的干擾因素，唐杰等（2009，2011）曾利用數(shù)值模擬的方法討論了氣槍信號(hào)對(duì)激發(fā)條件的響應(yīng)。因此，本文利用數(shù)值方法模擬不同陸地水體中氣槍激發(fā)的過程，作為對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的補(bǔ)充驗(yàn)證。

1數(shù)據(jù)選取及研究方法

選取北京房山?？谟R刨泉實(shí)驗(yàn)（簡(jiǎn)稱馬刨泉）、云南賓川大銀甸人工井實(shí)驗(yàn)（簡(jiǎn)稱賓川水井）、云南賓川大銀甸水庫實(shí)驗(yàn)（簡(jiǎn)稱賓川水庫）和新疆呼圖壁人造水池實(shí)驗(yàn)（簡(jiǎn)稱呼圖壁水池）進(jìn)行分析。各個(gè)實(shí)驗(yàn)的水體形狀描述如下：

（1）馬刨泉：天然水池，坡度較陡。水面開口近似為橢圓形，長軸約37 m，短軸約25 m，水深約15 m。

（2）賓川水井：人工井，井壁垂直。直徑約5 m，井深約20 m。

（3）賓川水庫：中型水庫，水面開闊。氣槍位置距離岸邊一側(cè)約50 m，距離另一側(cè)約2 000 m，水深約20 m。

（4）呼圖壁水池：人工水池，坡度較緩。水面直徑約100 m、水池底直徑約20 m，池深約20 m。

實(shí)驗(yàn)選取Bolt公司生產(chǎn)的Long Life氣槍，實(shí)驗(yàn)時(shí)工作壓力均設(shè)置為15 MPa，馬刨泉實(shí)驗(yàn)和賓川水井實(shí)驗(yàn)采用單槍激發(fā)，賓川水庫實(shí)驗(yàn)和呼圖壁水池實(shí)驗(yàn)采用氣槍組激發(fā)。實(shí)驗(yàn)所用接收儀器為CMG-40T和Reftek130數(shù)采，采樣頻率為100 Hz。在實(shí)驗(yàn)過程中，均在氣槍點(diǎn)附近架設(shè)參考臺(tái)站。各個(gè)實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)信息見表1。

氣槍信號(hào)可以分為壓力脈沖和氣泡脈沖。壓力脈沖是較高頻信號(hào)，為氣槍激發(fā)時(shí)高壓氣體瞬間沖擊水體產(chǎn)生。氣泡脈沖是較低頻信號(hào)，為氣槍釋放的氣體形成的氣泡震蕩產(chǎn)生。本文將選取參考臺(tái)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，討論壓力脈沖和氣泡脈沖的特征。

地震研究40卷第4期胡久鵬等：水體形狀對(duì)陸地氣槍激發(fā)信號(hào)的影響常用的數(shù)值模擬方法包括有限差分法、有限元法、偽譜法和譜元法等。其中譜元法（Tromp et al，2008）是有限元與偽譜法結(jié)合的產(chǎn)物，具有計(jì)算速度較快和精度較高的優(yōu)點(diǎn)，近年來成為地震學(xué)數(shù)值模擬的重要工具。其程序提供外部接口，可以借助第三方軟件進(jìn)行建模的工作，得到高質(zhì)量的網(wǎng)格，保證計(jì)算的精度。本文用譜元法進(jìn)行數(shù)值模擬，得到水體形狀與氣槍信號(hào)特征的一般規(guī)律。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1氣槍信號(hào)頻譜特性

我們從參考臺(tái)記錄數(shù)據(jù)中截取氣槍的激發(fā)信號(hào)。為了避免干擾因素的影響，只選取某一較短時(shí)間窗口內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)如下：馬刨泉水池30條，賓川水井16條，賓川水庫23條，呼圖壁水池23條。各組實(shí)驗(yàn)信號(hào)具有很高的信噪比和極好的相關(guān)性（圖1）。

由于各實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)驗(yàn)條件不同，因此對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行自歸一化處理以方便討論。從圖1中可以看到，氣槍信號(hào)的重復(fù)性非常好。馬刨泉實(shí)驗(yàn)的接收臺(tái)站距離震源最遠(yuǎn)，氣槍信號(hào)可能經(jīng)過地層反射等影響，持續(xù)時(shí)間較長，波形較復(fù)雜（圖1a）；呼圖壁氣槍信號(hào)壓力脈沖（1 s處）與氣泡脈沖（1～3 s處）很明顯（圖1d）；賓川水庫氣槍實(shí)驗(yàn)壓力脈沖較為復(fù)雜，可能信號(hào)經(jīng)過水底的多次反射導(dǎo)致（圖1c）；賓川水井氣槍實(shí)驗(yàn)信號(hào)中沒有低頻的成分（圖1b）。得益于氣槍信號(hào)的高相關(guān)性，我們將各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)多次疊加求平均作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。接著，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析（圖2）。圖2a、b分別為單槍激發(fā)的馬刨泉實(shí)驗(yàn)和賓川水井實(shí)驗(yàn)。馬刨泉實(shí)驗(yàn)信號(hào)高頻部分衰減很快，接收信號(hào)的頻率在25 Hz以下。賓川水井實(shí)驗(yàn)信號(hào)低頻成分很少。

圖2c、d分別為賓川水庫實(shí)驗(yàn)和呼圖壁水池實(shí)驗(yàn)。此2組實(shí)驗(yàn)為在較大體積水體中使用氣槍組進(jìn)行的激發(fā)實(shí)驗(yàn)，氣泡脈沖較為完整。參考Johnson（1994）等關(guān)于氣泡震蕩周期的計(jì)算：T=2πr0 13γp0（1）式中：r0為氣泡平衡狀態(tài)下半徑，單位為m，γ為熱力學(xué)常量，通常取值1.13，p0為氣泡深度處靜水壓力，單位為Pa。為方便計(jì)算，本文按單條槍的情況來估算氣槍氣泡的震蕩周期。我們?nèi)鈽屓莘e2 000 in3，氣槍深度10 m，可得T約為0.3 s，對(duì)應(yīng)頻率約3～4 Hz。也就是，圖2中5 Hz以下的信號(hào)為氣泡脈沖信號(hào)。圖2c、d中，均包含氣泡脈沖信號(hào)和較高頻的壓力脈沖信號(hào)，但壓力脈沖信號(hào)有明顯差異。賓川水庫實(shí)驗(yàn)波形比較復(fù)雜，可能由水庫底部復(fù)雜形狀造成；而呼圖壁水池為形狀對(duì)稱的人工水體，信號(hào)經(jīng)水底的反射路徑簡(jiǎn)單，波形相對(duì)簡(jiǎn)單。endprint

2.2氣槍信號(hào)高頻性質(zhì)

為研究不同水體形狀對(duì)高頻壓力脈沖的影響，我們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行拐角頻率為8 Hz的高通濾波后進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)各實(shí)驗(yàn)差異較大（圖3）。呼圖壁水池實(shí)驗(yàn)（圖3d）的高頻信號(hào)成分持續(xù)時(shí)間很短，其余3組實(shí)驗(yàn)（圖3a～c）持續(xù)時(shí)間較長。賓川水庫實(shí)驗(yàn)信號(hào)（圖3c）高頻成分存在等振幅的3～4個(gè)波峰，印證了信號(hào)可能經(jīng)過水底邊界的多次反射。

結(jié)合信號(hào)的頻譜圖，對(duì)比圖2中各個(gè)信號(hào)8 Hz以上的部分可以發(fā)現(xiàn)：除馬刨泉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖2a）炮檢距較遠(yuǎn)、高頻部分衰減很快外，其余實(shí)驗(yàn)的壓力脈沖信號(hào)集中在30～40 Hz，這是由于壓力脈沖信號(hào)主要取決于所用氣槍的規(guī)格及工作條件。馬刨泉實(shí)驗(yàn)和賓川水庫實(shí)驗(yàn)的信號(hào)具有較強(qiáng)的10 Hz以及20 Hz信號(hào)的成分（圖2a、c），而賓川水井實(shí)驗(yàn)與呼圖壁水池實(shí)驗(yàn)此頻段信號(hào)很弱（圖2b、d）。結(jié)合實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地條件（賓川水庫及馬刨泉水池由自然條件形成，水底界面復(fù)雜；而呼圖壁水池和賓川水井為人工水體，水體形狀規(guī)則），可以推斷出氣槍實(shí)驗(yàn)中10 Hz及20 Hz信號(hào)部分為不規(guī)則水體形狀所引起。

2.3氣槍信號(hào)低頻性質(zhì)

低頻的氣泡脈沖信號(hào)是陸地氣槍震源應(yīng)用的主要信號(hào)。我們對(duì)4個(gè)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波（2～8 Hz），得到低頻的氣泡脈沖成分，如圖4所示。

賓川水井實(shí)驗(yàn)中低頻成分很弱（圖4b），馬刨泉實(shí)驗(yàn)信號(hào)具有2個(gè)明顯高峰（圖4a），應(yīng)是氣槍信號(hào)在傳播過程中經(jīng)過了界面的反射。賓川水庫實(shí)驗(yàn)和呼圖壁水池實(shí)驗(yàn)相比，賓川水庫實(shí)驗(yàn)信號(hào)振幅較小，主峰振幅與次主峰差異較小（圖4c）；呼圖壁水池氣槍信號(hào)振幅較大，主峰突出，波形尖銳（圖4d）。

由于實(shí)驗(yàn)條件差異，我們選取信號(hào)絕對(duì)振幅A、信號(hào)相對(duì)振幅a，優(yōu)勢(shì)頻率F和相關(guān)系數(shù)C來描述信號(hào)的特征。各個(gè)參數(shù)計(jì)算方法如下：

（1）絕對(duì)振幅A表示氣槍信號(hào)能量的大小，取參考臺(tái)站接收信號(hào)經(jīng)距離補(bǔ)償?shù)脚跈z距為50 m后的結(jié)果。各個(gè)實(shí)驗(yàn)炮檢距不同，所用氣槍的個(gè)數(shù)不相同，單純比較絕對(duì)振幅不確定性較大。

（2）相對(duì)振幅a代表氣泡脈沖能量占?xì)鈽屷尫诺娜磕芰康谋壤疚腶取為炮檢距50 m處，氣泡脈沖振幅相對(duì)于壓力脈沖振幅的比值。此處A和a的計(jì)算要去除距離衰減的影響。

（3）優(yōu)勢(shì)頻率f可以取非壓力脈沖信號(hào)的頻率組分，相關(guān)系數(shù)c取為各個(gè)實(shí)驗(yàn)的原始信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)平均值。

（4）信號(hào)特征Ω代表信號(hào)的聚攏程度。由波形的上包絡(luò)線Ω1和下包絡(luò)線Ω2，得到平均的包絡(luò)線Ω0，并取Ω0的高與寬的比值作為波形的形狀參數(shù)Ω。對(duì)于馬刨泉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只按波形前半部分計(jì)算以去除反射的影響。

計(jì)算得到各個(gè)實(shí)驗(yàn)的具體參數(shù)如表2所示。

由表2可見，所有信號(hào)的相關(guān)性非常好，相關(guān)系數(shù)在0.99以上。這說明氣槍對(duì)近場(chǎng)環(huán)境的破壞很?。ㄍ鯇毶频?，2011）。除賓川水井實(shí)驗(yàn)沒有氣泡脈沖外，其余3組實(shí)驗(yàn)的主頻均在4～5 Hz。氣槍組激發(fā)信號(hào)的主頻與單個(gè)氣槍激發(fā)信號(hào)的主頻相差不大，說明氣槍組激發(fā)的形式不會(huì)明顯改變氣槍信號(hào)的主頻特征。

信號(hào)的絕對(duì)振幅變化規(guī)律不明顯，這可能是由于距離補(bǔ)償計(jì)算時(shí)引入了較大的誤差。而賓川水井實(shí)驗(yàn)的記錄振幅比賓川水庫實(shí)驗(yàn)大，這是由于賓川水井實(shí)驗(yàn)中氣槍能量釋放的時(shí)間遠(yuǎn)小于賓川水庫實(shí)驗(yàn)，使得水井中實(shí)驗(yàn)的能量轉(zhuǎn)化功率更高，造成1槍信號(hào)比4槍信號(hào)產(chǎn)生的絕對(duì)振幅更大。

氣泡脈沖信號(hào)的相對(duì)振幅a與形狀參數(shù)Ω則隨水體形狀的不同發(fā)生較顯著變化。隨著水體側(cè)壁從陡峭（馬刨泉）變得平緩（呼圖壁水池），直至一邊側(cè)壁完全開放（賓川水庫），氣泡脈沖的相對(duì)振幅a和形狀參數(shù)Ω的值均變小，說明氣槍能量的轉(zhuǎn)換效率降低，氣槍氣泡脈沖信號(hào)越來越不尖銳。

3數(shù)值模擬驗(yàn)證

作為對(duì)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充及驗(yàn)證，本文采用譜元法對(duì)陸地氣槍激發(fā)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬。由于賓川水井實(shí)驗(yàn)沒有形成完整的氣泡發(fā)育，此處不再模擬。本文采取以下措施簡(jiǎn)化模型：用單一點(diǎn)源模擬氣槍震源；固體介質(zhì)簡(jiǎn)化為均勻介質(zhì)；規(guī)則化水體形狀，只考慮水體主要特征的二維模擬。

3組實(shí)驗(yàn)都建立大小為10 000 m×500 m的模型，水體均設(shè)在模型中央上部。以短軸10 m、長軸20 m的橢圓形面的水體模擬馬刨泉水池，以上底2 000 m、下底1 500m、高20 m的直角梯形截面水體模擬賓川水庫，以上底100 m、下底20 m、高20 m的等腰梯形截面模水體模擬呼圖壁水池。震源位于水面下方15 m處，震源時(shí)間函數(shù)取Ricker子波，主頻分別設(shè)為5 Hz、8 Hz、10 Hz以及20 Hz，具體模型形狀及詳細(xì)參數(shù)見圖5。模型采用Gmsh建立并生成四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格大小5 m。水體中縱波速度設(shè)置為VP=1 000 m/s，固體介質(zhì)中縱波速度設(shè)置為VP=3 000 m/s，橫波速度設(shè)置為VS=1 700 m/s，密度設(shè)置為2 900 kg/m3。接收臺(tái)站置于震源右側(cè)100 m、深80 m處。取震源主頻為4 Hz與20 Hz時(shí)的模擬結(jié)果，經(jīng)對(duì)比得到圖6。

圖5中固體介質(zhì)用白色表示，水體用灰色表示，五角星為震源位置。需要注意的是，示意圖比例不代表模型實(shí)際比例，模型尺寸以圖中標(biāo)注的長度單位為準(zhǔn)。

由圖6可以看出，在震源主頻為4 Hz時(shí)，各個(gè)模型接收到的波形十分相似，僅有振幅上較小的差異。在震源主頻為20 Hz時(shí)，各個(gè)實(shí)驗(yàn)信號(hào)差異變大。值得注意的是，主頻為20 Hz時(shí)，以Ricker子波為震源時(shí)間函數(shù)的氣槍信號(hào)包含20 Hz以下的成分。當(dāng)對(duì)主頻20 Hz的信號(hào)進(jìn)行濾波后，得到與圖6a相似的結(jié)果。這一現(xiàn)象說明，在本文研究的水體尺度內(nèi)，水體形狀對(duì)低頻的氣槍信號(hào)（8 Hz以下）影響沒有對(duì)高頻氣槍信號(hào)（10 Hz以上）影響明顯。其原因可以歸結(jié)于氣槍信號(hào)的波長與水體尺度的相對(duì)關(guān)系。對(duì)于主頻為4 Hz的信號(hào)，信號(hào)波長在300 m左右，大于或遠(yuǎn)大于水體的垂直尺度，其信號(hào)對(duì)水體形狀敏感度不高。而主頻提高時(shí)，信號(hào)波長減小，其信號(hào)對(duì)水體形狀敏感度變高。endprint

隨著信號(hào)主頻的增加，不同水體形狀對(duì)信號(hào)的影響變大。但是不同的水體形狀對(duì)不同頻率的信號(hào)敏感度變化并非線性。我們對(duì)于不同主頻的信號(hào)，進(jìn)行窄帶濾波后，整理得到其各項(xiàng)參數(shù)，見表3。

由表3可見，每組實(shí)驗(yàn)接收臺(tái)站處的頻率與震源所設(shè)置的主頻并不相同。對(duì)于較低頻率如3～4 Hz的信號(hào)，不同水體的接收信號(hào)頻率相似；對(duì)于8 Hz和12 Hz的信號(hào)，接收信號(hào)頻率出現(xiàn)一些差異；對(duì)于20 Hz的信號(hào)，接收信號(hào)頻率差異很大。一方面這是由于數(shù)值模擬水中震源的情況下，震源時(shí)間函數(shù)加載在速度勢(shì)函數(shù)上，這樣經(jīng)微分運(yùn)算得到的速度信號(hào)頻率會(huì)有變化。另一方面由于模擬中氣槍震源時(shí)間函數(shù)為Ricker子波，為寬頻信號(hào)。模擬結(jié)果中接收信號(hào)主頻的變化，反映了水體對(duì)不同頻率的信號(hào)有不同的放大作用。

從表中可以看出，對(duì)于不同主頻的信號(hào)，不同的水體對(duì)其影響不同。對(duì)于低頻的信號(hào)（3 Hz與4 Hz），因?yàn)椴煌w模型信號(hào)十分相似（圖6a），各信號(hào)的形狀參數(shù)Ω主要取決于信號(hào)的振幅。當(dāng)震源主頻為8～12 Hz時(shí)，馬刨泉水池模型接收的信號(hào)振幅最大，而呼圖壁水池模型的形狀參數(shù)Ω的值最高，此時(shí)的結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相符。而隨著震源頻率的增加，接收信號(hào)的性質(zhì)變得不清晰。

4解釋和討論

陸地有限水體中與海洋中的氣槍實(shí)驗(yàn)存在著顯著不同，必須考慮固液界面的影響。本文通過綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)，馬刨泉實(shí)驗(yàn)中氣槍激發(fā)信號(hào)的相對(duì)振幅最大，對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中各項(xiàng)參數(shù)也較為突出。另外我們發(fā)現(xiàn)水體形狀對(duì)不同頻率的信號(hào)影響不同，這取決于信號(hào)的波長與水體尺度的相對(duì)大小。對(duì)于低頻的信號(hào)，信號(hào)波長遠(yuǎn)大于水體尺度，信號(hào)對(duì)水體形狀敏感度較低。隨著頻率的增加，信號(hào)波長變小，受水體形狀的影響變大。在表3中，震源主頻20 Hz的馬刨泉實(shí)驗(yàn)信號(hào)波形主頻在19 Hz，與其他實(shí)驗(yàn)變化規(guī)律不同，這可能是由于不同尺度的水體具有不同的本征頻率，對(duì)特定頻率的信號(hào)具有放大作用。

值得指出的是，本文各實(shí)驗(yàn)中的氣槍容量并不相同。實(shí)驗(yàn)中所用到的氣槍組，可視為不相干槍陣（李孝賓等，2016），其效果可視作對(duì)信號(hào)的疊加，僅增強(qiáng)了信號(hào)的能量，而對(duì)信號(hào)波形形態(tài)的影響較小。經(jīng)過本文的補(bǔ)償計(jì)算調(diào)整后，不同容量氣槍對(duì)本文結(jié)論的影響不顯著。

雖然譜元法的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)吻合較好，但依然存在一些差異。這可能是由實(shí)際實(shí)驗(yàn)中復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)環(huán)境造成的。首先實(shí)際實(shí)驗(yàn)水體形狀比較復(fù)雜，例如賓川水庫，其底部極不規(guī)則；其次，實(shí)際中固液界面并非單一介質(zhì)，而是雙相介質(zhì)層；再次實(shí)際氣槍激發(fā)過程復(fù)雜，而模擬實(shí)驗(yàn)中只以簡(jiǎn)單的Ricker子波代替。

前文提到水體形狀可對(duì)氣槍氣泡的發(fā)育造成影響。從賓川水井實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，水體過小可能導(dǎo)致氣槍不能激發(fā)低頻信號(hào)或者轉(zhuǎn)化為低頻信號(hào)的效率很低。考慮到水是可壓縮液體，因此有體積模量：K=-dPdVV0（2）式中：K是水的體積模量；V0是水的體積；dP和dV分別代表壓力和體積的變化量，可以計(jì)算出氣槍激發(fā)所需要最小的水體體積。取K為2.22×109 N/m2，壓力變化約為15 MPa，氣泡半徑為1 m（2 000 in3的氣體在靜水壓力下的半徑），可以得出V0為78 m3，對(duì)應(yīng)半徑約7 m，這是為保障氣槍氣泡脈沖的完全發(fā)育所選取水體的最小體積半徑。若水體體積小于這個(gè)值，氣槍的氣泡發(fā)育會(huì)受到界面的影響，導(dǎo)致激發(fā)效果較差。

5結(jié)論

將氣槍震源用作陸地主動(dòng)震源，實(shí)現(xiàn)了氣槍激發(fā)環(huán)境從半無限空間水體到有限水體的轉(zhuǎn)變。由于固液界面的存在，陸地有限水體氣槍信號(hào)具有獨(dú)特的波形形態(tài)。本文通過分析實(shí)際氣槍激發(fā)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，從絕對(duì)振幅、相對(duì)振幅、頻率以及形狀參數(shù)等幾個(gè)方面，綜合分析了水體形狀對(duì)陸地大容量氣槍激發(fā)信號(hào)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，不同水體形狀對(duì)信號(hào)存在一定程度的影響，并且不同水體形狀對(duì)不同頻率的信號(hào)具有不同程度的影響。在幾十米的水體尺度內(nèi)，陸地有限水體對(duì)高頻的脈沖信號(hào)影響較強(qiáng)，而對(duì)低頻的氣泡脈沖信號(hào)影響較弱。陸地氣槍信號(hào)形成完整的氣泡脈沖需要足夠的水體體積，而在水體體積足夠大的情況下，水體邊界越陡，氣槍能量轉(zhuǎn)化為低頻能量的效率越高，所激發(fā)信號(hào)波形越尖銳，而這也是陸地有限水體氣槍應(yīng)用的理想水體激發(fā)環(huán)境。

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