海洋高分辨反射地震勘探震源的技术特征

万 芃 吴 衡 王劲松 温明明

(广州海洋地质调查局 广东广州 510760)

海洋高分辨反射地震勘探震源的技术特征

万 芃 吴 衡 王劲松 温明明

(广州海洋地质调查局 广东广州 510760)

本文首先简要地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——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,指出了这些技术的发展方向、使用范围和应用前景。

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

1 引言

海洋地震勘探始于20世纪30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。50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。50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(压缩空气枪、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70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。80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(如,声纳、3.5k Hz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,气枪);(3)爆炸式震源(如,电火花)和(4)内爆式震源(如,水枪),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。

2 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,这是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。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。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,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。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限制,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。

3 海洋高分辨地震勘探反射震源技术特征

在海洋地震剖面中使用的各类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4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)内爆式震源;(4)爆炸式震源。

3.1 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入。

常用的海底浅层剖面探测的声纳设备主要有普通的3.5k Hz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,3.5k Hz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)。

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20k Hz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。通过这样的处理可以显著提高声纳的信噪比,并且可以重建相位信息。

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18k Hz和一个备频,这个备频在2.5～5.5k Hz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。

3.2 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枪阵。

布默震源可产生一个压力脉冲,这个脉冲是由一个运动的环形金属活塞的加速运动形成的。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。目前常用的布默震源能量一般为100～1000焦耳,其可以得到一个持续时间为100～200微秒,峰压值为1巴-米的脉冲。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。布默震源的子波能量分布频带较宽。

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。气枪和它新近的派生物,套筒式气枪和GI枪。

气枪子波的主脉冲后面有一个很强的气泡脉冲,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枪的沉放深度成正比。振荡周期可以通过 Rayleigh-Willis公式来计算:

式中:T——气泡的振荡周期以秒为单位;ρ——液体密度;Q——膨胀气泡的势能,K——常量,它的值取决于表达式Q所采用的单位;d——气泡中心在液体中的深度。

气泡脉冲中所包含的能量可以对信号的振幅谱产生干扰。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,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枪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。

常规气枪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枪容量都比较小,频率比较高。相对于其它高分辨地震勘探震源而言,气枪震源具有更强的穿透能力,并且可以在高噪声背景下工作,但是需要仔细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。

3.3 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枪就是此类震源,它们就是利用气泡或水蒸汽泡的内爆来工作的。最新的发展是水枪,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。水枪的操作性和适用性与气枪相类似,其特点是频谱相比气枪稍微宽一点。

3.4 爆炸式震源

爆炸式震源包括炸药,起爆雷管和气爆震源。在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地震勘探震源。电火花通过放置在导电液体的电极释放电能,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～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。和气枪阵列一样,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。

4 海洋高分辨地震勘探反射震源的各种技术对比分析

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DA TASON IC SBP5000 中心频率为3.5k Hz 15～30cm 最大输出能量12kW 最小可达0.125s 最大穿透深度30m受控波束(声纳) DA TASON IC CAP6000 FMCH IRP 1.5～10k Hz,连续变频扫描最高分辨率可达7cm 最大输出能量1kW 最小可达0.25s 最大穿透深度100m SES-96差频浅地层剖面仪主频:100kHz,差频: 4/5/6/8/10/12k Hz最高分辨率可达1cm 最大输出能量18kW 0.03s 最大穿透深度50m最高分辨率可达加速水团AA 200(布默震源) 中心频率为 500～6000Hz 10cm 最大输出能量300J 最小可达0.17s 穿透深度为20～30m M IN IGI枪 中心频率为 50～400Hz最高分辨率可达2m容积60立方英寸时,工作压力2000psi 5s 最大穿透深度为3000m挤压震源 H YDROADAPTER 7001 中心频率为41Hz 最高分辨率可达2m容积378立方英寸时,工作压力2000psi 8s 最大穿透深度为200m Geo-Spark 800多级电火花震源中心频率为 500～2000 Hz最高分辨率可达30 cm 200焦到1万焦的能量范围穿透深度为100～250m爆炸震源充电速度可达2500J/s,能量为1万焦时,触发间隔大约为4s CSP-1500多级电火花震源 (使用 AAE Squid2000电极)中心频率为 20～4000Hz最高分辨率可达20cm能量最高可达1500焦充电速度可达1500J/s,能量为1500焦时,触发间隔大约为1s穿透深度为80～100m

5 结束语

综上所述,由于各类震源的技术特点不同,造成了其不同的应用方向。受控波束(声纳)技术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。这类调查项目对震源的穿透能力要求不高,但是对震源分辨率要求很高。气枪类震源如 GI枪,由于其固有的子波频率较低,主要用于中深部海域的高分辨地震勘探。布默震源由于其主频在几百 Hz到几千 Hz之间,其穿透性和分辨率刚好介于声纳和气枪震源之间,与电火花震源相比其还可在淡水中使用,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,如高压蒸汽枪、水枪等的技术特点与气枪基本类似,它们与气枪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(频率可以高达上千赫兹),因此相比气枪,其更适合于中深部海域的高分辨地震勘探。而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。这类调查项目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。

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 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

5 何祚镛等.声学理论基础著.国防工业出版社.1981

6 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)

2010年4月12日)