气枪：水下震源理论与操作（Ⅰ）＊

Paul M Krail（德克萨斯州立大学，休斯顿，美国）



气枪：水下震源理论与操作（Ⅰ）＊

Paul M Krail
（德克萨斯州立大学，休斯顿，美国）

摘 要详细了解震源的辐射场对于有效的震源设计和震源波场反褶积是非常必要的。为了了解气枪理论和操作原理，就有必要研究气枪在水下释放产生的气泡运动。气枪能够在水下释放高压气泡，气泡膨胀产生地震波，被用于反射地震学研究。本论文是关于水中气泡运动产出地震压力波，也称为气枪信号。首先讨论单个气泡的相关物理原理，其次从海洋流体力学和空气热力学的基础方程推导出气泡的动态特性。一旦了解单个气泡的动态特性，就容易了解一组气枪气泡的行为特性。本文详细解释了使用气枪阵列的原因，并讨论了在实际应用中的性能规范。本文探讨了不同类型的气枪，解释了具体的操作流程，并讨论了安装于地震勘探船上由GPS导航系统和气动式电脑联合控制的枪控系统。

关键词气枪；水下震源；原理；操作；单枪；气枪阵列

1　气枪发展史

为了了解气枪原理和操作规则，有必要研究气枪在水下产生和释放的气泡运动。1917年Rayleigh是首个研究水下气泡运动理论与处理方法的学者之一［1］，他通过观察煮水过程研究沸水产生气泡现象。Rayleigh对当水壶里的水沸腾后发出声音这一现象产生兴趣，并解释为由于气泡从较凉的水中浮出发生局部或完全破裂而产生。Rayleigh的理论把水作为一种不可压缩的液体。我们脑海中关于沸水产生气泡的记忆图像和气泡破裂的声音，对于我们描述在海洋里的气枪气泡和产生的地震声波具有很好的指导意义。早期的震源船所配置的爆破炸药能量较小。水下高速爆破可以产生高压气泡，因此，如果我们研究水下气泡运动，就能在一定程度上认知气枪和爆破源。由炸药产生的气压比气枪产生的压力大得多。如果我们假设炸药的爆炸影响范围是直径一英尺的球面，当它在中心位置爆炸时，能使得固体物质在短时间内升温并变为高密度气体。实心弹内部未爆炸部分会产生约1.38×104MPa的峰值压力。这显然比气枪产生的压力大得多，而且比从地下深处反射的能量大。

在二战期间，许多机密研究涉及到水下声波的监控，这些包含了气泡脉冲的产生与研究以及许多理论和仪器的进展，在随后被公开的部分研究也得益于此，如后来Ewing等人在1948年发表了水下地震研究［2］。二战以后，在墨西哥湾和加州沿岸开展了地震爆破研究。在这些研究中都用到炸药，而利用炸药导致了环境和安全问题。20世纪60年代中期，Chelminski开始生产和测试气枪用于地震研究使用，1970年代他创办了Bolt技术股份有限公司，并给他的气枪命名为PAR（pneumatic acoustic repeater，气动式声波中继器）。从那时起，Bolt持续完善和发展气枪。1975年，Chelminski获取了气枪设计专利。当时寻求炸药替代品的需要非常高，以至于还发展了许多其他震源，但没有一个震源像气枪这样通用。

在理论方面也取得了进展。Rayleigh曾经预测，当把周围液体视为可压缩时，关于气泡运动的解释将得到进一步深化。Cole在1948年的工作填补了此项研究［3］。Keller和Kolodner于1956年成功地解决了不可压缩液体的气泡问题［4］，并从气泡运动包括气泡的阻尼振荡理论中得到新的预测，该结论与实地测量结果非常接近。在本文中，将涉及到这些研究的进展情况。尽管气枪作为最受欢迎的震源来说具有优越性，但并不是说它不存在问题。当前它仍不是地震工程需要的理想震源。

气枪需要3项具体的改进，包括更具可靠性、动力更大和更宽的信号频带。地球物理服务公司（GSI）着手一项发展规划以解决这些需求。一种基于外设套筒的全新气枪取代了传统的内设换向阀气枪。1984年3月，标准实验系统进行测试，同年6月完成了第一个成品。该创新设计来自E.R.Harrison 和GSI的专利。气枪持续发展以及引进内设换向阀的改进模型，使得如今双套筒式气枪和内设换向阀气枪很受欢迎。SEG意识到Chelminski和Harrison对于震源发展所做的重要创新贡献，因此分别在1975年授予了Chelminski考夫曼金牌勋章和在1998年授予Harrison费森登奖。

在气动式震源研究中，还有其他两个创新设计需要提到，它们都是Pascouet和他的公司Sodara研发的产品。首先是水枪，其通过向海水中注水，利用气泡破裂产生声波能量，而气枪则依赖于气泡膨胀。1981年，Pascouet针对液压装置向海里注水获取了专利。水枪作为理想震源存在可能性，但由于工程困难大而仍未实现。Pascouet的第二个创新是GI枪。GI（gas injector）气枪通过先产生一个气泡，然后将空气注入该气泡中来阻止不需要的气泡振荡。1989年，Pascouet为地震工程展示了新的震源，并在1991年发表了一篇论文解释说明他的发明和GI枪的操作规则。

资料来源：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 译， 黄宏生 校）

（译者电子信箱，王林：wl＿0117＠163.com）

参考文献

［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

文献标识码：A；

中图分类号：P315.62；