應用于海洋地震勘探的震源技術

隨著海洋地震勘探的發展和對海洋地震勘探精度要求越來越高的需要，海洋地震勘探已成為關係到國家經濟、安全、戰略、資源等方面的重要活動。

海洋地震勘探多數採用聲學探測的方法，主要研究對象是海洋環境中經過漫長地質歷史而形成的沉積地層，進而獲取這些地層的聲學特徵。在這個聲學探測過程中，關鍵設備是用於產生強脈衝壓力波的聲源，通常也稱為震源。在早期進行的海洋地震勘探中，人們只能利用TNT等烈性炸藥來作為爆炸源（即聲源）。由於炸藥震源的不安全性和不穩定性，20世紀50年代末期，爆炸源（即炸藥震源）已逐步被其它類型的新型震源系統所取代，如常用的氣槍震源、水槍震源、電火花震源和套筒槍震源等。

隨著對海洋資源不斷地開發與利用，這些震源將發揮越來越大的作用。為了提高海洋地震勘探勘探精度，為後期開發提供有效依據，本文介紹了幾種目前廣泛應用于海洋地震勘探中的震源技術。

一、不同震源技術

⒈ 炸藥震源

在早期的海洋地震勘探中，人們通常採用是炸藥震源來進行地震勘探。炸藥震源是利用炸藥的快速化學反應，迅速釋放高熱量形成的高壓氣團，瞬間推動它周圍的水體，從而形成強烈的衝擊波（地震波）傳播出去。炸藥震源具有高功率、寬頻帶、脈衝尖銳、無指向性和能量較強等特點，可以應用於水聲干擾。此外，炸藥震源的源級較高，一般高於200dB，並且具有很高的聲轉換效率，大約40％的化學能可以轉化為聲能。

然而，炸藥震源也面臨著許多不可避免的問題，它受約於炸藥裝填密度等因素影響，炸藥震源的頻率可控性較差，而且炸藥震源的重複性（即一致性）也較差。此外，因為HSE的原因，對炸藥的運輸、存放等環節的要求也高，加大了施工成本，維護成本也很高，且容易引發安全生產事故。另外，炸藥震源還存在一定的破壞性，除對海洋生態系統產生破外，還直接表現為化學污染以及對海洋生物的直接殺傷，不符合我們HSE對環境要求的需要，所以，炸藥震源逐漸被其他新型的震源所取代。

⒉ 氣槍震源

最早的氣槍（Air Gun）震源是由美國的BOLT公司於1964年研製出來的，並運用于海洋地震勘探中。

早期的氣槍震源一般為單槍作業，採用工作壓力為34.5MPa的高壓槍。隨著氣泡震蕩的衰減方式和氣泡脈動模型等理論的不斷發展，建立了氣槍陣列理論模型，為氣槍陣列的發展提供了很好的理論依據。通過適當的氣槍組合，它可以有效的壓制氣泡震蕩，從而提高了主脈衝峰－峰值的輸出，使獲得採集所獲的地震資料有明顯的改善。

氣槍震源多種多樣，它們按用途可分為深水槍、淺水槍、泥槍、陸地槍；按結構可分為BOlt槍、G槍、GI槍、套筒槍等，但它們的基本工作原理是一致的。

氣槍通常有兩個氣室，分別為主氣室（上氣室）和啟爆氣室（下氣室）。啟爆氣室起類似於彈簧的作用，當啟爆氣室的氣壓高過主氣室時，啟爆氣室就會爆發推動活塞進而產生聲壓脈衝，壓力釋放後活塞迅速還原到準備狀態，等待下一次爆發。

氣槍震源的優點是信噪比高、頻帶寬、可重複性好（子波一致性好）、勘探成本低，而且安全隱患小。氣槍震源的能量大，頻率低，對深層勘探比較有利。另外，氣槍震源對海洋生態系統也不會產生很大的破壞。所以，在目前的海洋地震勘探中，氣槍震源依然扮演著非常重要的角色。

⒊ 水槍震源

水槍（Water Gun）震源出現於20世紀80年代，水槍震源的基本工作原理是用大團高速的海水通過活塞擠壓出水槍眼，這部分水又排開周圍的水，此時活塞速度急劇下降，水團與活塞分離，並且由於慣性會形成一個空腔，隨著空腔的破裂而產生脈衝聲波信號。

水槍產生的脈衝聲波信號簡單而清晰，頻帶寬，可重複性好，最顯著的是不會產生氣泡脈動。水槍震源在海洋地震勘探中發揮了重要作用。曾應用於我國渤海南部海域，採用的是S15型水槍，S代表水槍是汽動的，「15」表示以立方英寸為單位的腔膛尺寸。

⒋ 電火花震源

電火花（Sparker）震源是最早的炸藥震源替代產品，屬於電聲轉換裝置。它是將電能快速儲存，再按要求快速釋放轉化為聲能（地震波）。轉換方式有兩種：一是通過其他裝置將電能轉化為機械能，在水中在轉化為聲能，代表性的有壓電陶瓷換能器或Boomer，這種轉換方式獲得的聲波頻率高、波形穩定性好，但轉換能量僅有幾百焦耳，無法放大。另一種就是直接將電能直接地釋放在海水中，瞬間產生出幾十萬焦耳的熱能，使海水汽化產生巨大的衝擊力，從而實現電聲轉換（地震波）。通常所使用的電火花震源，它產生的頻率大約為100～200KHz，對淺層的解析度為5m左右，所以，電火花震源對淺海震勘探來說是不錯的震源選擇，它也通常用於淺層的高分變率地震勘探之中。

電火花震源是將電能儲存在電容中，並通過大功率開關在水中進行高壓脈衝放電，放電時產生的機械效應產生聲輻射，這個過程首先由前蘇聯科學家Yutkin命名為「液電效應」。

1956年Knott和Hersry採用簡單的電容儲能，向水中電極放電產生脈衝壓力波，可以穿透海底數百米地層。1957年，Alpine Geophysical開發了第一套電火花震源系統。此後數十年里，電火花震源發展迅猛，先後有EG＆G公司、Fairfield公司和Aquatronics等公司都開發了不同能量等級別的電火花震源系統。如EG＆G公司生產的230系列，它的能量等級為1K～8KJ。在我們國內，中科院電工所自20世紀70年代也開始研製用於陸地地震勘探所使用的電火花震源系統，而且已有部分產品使用在我們的油田地震勘探作業中。

電火花震源一般由脈衝電源、傳輸線和發射電極等組成。脈衝電源用於產生高壓脈衝，通過傳輸線把它輸送到發射電極，並引發水下高壓脈衝放電。水中高壓脈衝放電可風味脈衝電弧放電和脈衝電暈放電。

傳統的電火花震源主要採用脈衝電弧放電的形式。脈衝電弧放電的電壓等級較高，峰值電壓一般在10Kv以上，且採用的是火花隙開關控制電路的導通。然而，火花隙開關導通電壓高，瞬間導通的電流大，電氣安全性較差，且雙嚮導通，輸出波形不穩定，電磁干擾嚴重。受限於主電極燒蝕嚴重的影響，開關壽命較短。同時由於電路導通，電流在電路上損耗較大，極易造成發射電極的燒蝕。EG＆G公司的產品說明書上明確提出，電火花震源設備在運行數小時之後，必須更換電極的要求。

自20世紀90年代以來，基於大功率半導體開關器件和多電極發射陣技術的成功研發解決了傳統電火花震源在實際應用中存在的缺陷，主要解決了開關和電極壽命問題，並由此開發出新一代電火花震源設備。荷蘭GEO Resource和法國SIG都研發了各自的產品，在我國，「十五」和「十一五」期間，分別開發了單脈衝能量500J和10KJ的新一代電火花震源，並稱之為「等離子體震源」。

等離子體震源採用脈衝電暈放電，放電所需要的電壓等級較低，採用半導體開關，電極壽命長，脈衝聲壓信號相關性好，獲取地震資料的地層解析度明顯高於傳統的電火花震源。然而，其電聲轉化效率不如脈衝電弧放電，多年的實驗數據表明脈衝電暈放電的電聲效率在1％～3％，而脈衝電弧放電的電聲效率可以達到20％左右。

二、結論

本文扼要介紹了四種震源技術，這四種震源除炸藥震源外，都不同程度地應用于海洋地震勘探中。海洋勘探的關鍵設備是震源，在未來的高精度海洋勘探中，等離子體震源由於其獨特的優勢將發揮其更重要的作用。當然，等離子體震源目前依然有很多問題需要解決，但實驗研究已經表明超高水靜壓力並不會抑制高壓脈衝放電，所以在未來的高精度海洋勘探中，震源深拖技術方面等離子體震源將有較強的優勢。

【作者簡介】黃健，男，1958年出生，工程師，中石化石油工程地球物理有限公司西南分公司，主要從事地震資料採集設備管理及檢修工作。本文來自《內蒙古石油化工》（2015年第21期），參考文獻略，用於學習與交流，版權歸作者與出版社共同擁有。

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