1、本科毕业论文（20 届）海陆联测中渤海湾气枪信号的检测所在学院 专业班级 海洋技术 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 目录中文摘要 .I英文摘要 .II第一章 绪论 .11.1 研究背景 .11.2 国内外研究概况 .11.3 研究路线 .2第二章 气枪震源及特性 .32.2 气枪震源的工作原理 .42.3 气枪震源激发模式 .42.4 气枪震源的特性 .72.5 气枪震源在地震探测中的应用 .8第三章 渤海湾气枪激发试验 .103.1 试验介绍 .103.2 试验数据处理 .113.2.1 编码序列互相关 .113.2.2 叠加技术 .123.2.3 互信息量法检测 .143
2、.3 总结 .14第四章 浅海区域气枪震源激发信号特征分析 .15第五章 总结及讨论 .19参考文献： .20附录 1 （英文文献） .23附录 2 (中文译文) .32致谢 .47中文摘要I海陆联测中渤海湾气枪信号的检测摘要 传统的地震勘探通常采用数十公斤级的炸药震源进行地球浅部结构的高分辨率探测，探侧距离不超过几十公里。进行数百公里的区域性深部地壳结构探测时，则需要使用上百公斤甚至吨量级的炸药，由于这种震源激发存在危险因素，破坏环境，对地下管线、地下建筑、道路和居民等会造成损害，因此，使用大当量炸药进行地震探测变得越来越困难。气枪震源因其卓越性能（如绿色环保、可重复性好、可控性强、子波可测
3、等）而被广泛应用于海洋地球物理勘探，包括地下油气、矿藏等资源的探测。此外，传统深地震探测绝大部分都是海洋与陆地分开进行的，这样就会在海陆过渡带和可能的板块边界留下深地震探测的空白带。近年来已出现一些利用海上气枪激发、陆上接收信号的海陆联合地震探测试验。但是，由于海陆联测中通常偏移距较大，在海上激发的气枪信号能量传播到陆上接收台站，其能量经过长距离传输之后被衰减很多，因此，如何从记录数据中检测和提取微弱的气枪信号在海陆联测中是个关键环节。本文利用叠加技术、互相关技术以及互信息量技术对渤海湾气枪震源激发试验中陆上记录气枪信号进行了检测和提取，并对气枪信号的特征及传播特性进行了分析。关键词 气枪震源
4、 地震波 海陆联测 气枪激发 脉冲信号英文摘要IIONSHORE-OFFSHORE SEISMIC AIRGUN SIGNAL DETECTION IN BOHAI BAYAbstract The traditional seismic exploration usually adopts dozens of kilograms of explosives source for high resolution shallow earth the structure of detection, Ethan side distance is not more than a few tens of
5、kilometers. For hundreds of kilometers of regional deep crustal structure detection, the need to use hundreds of kilograms of explosives, even tons middleweight because the source inspire exist risk factors and damage the environment of underground pipeline, underground construction, road and reside
6、nts wait is caused damage, therefore, to use big equivalent dynamite seismic exploration, became more and more difficult. Airgun seismic source for its outstanding performance (such as green, good repeatability, controllable strong, wavelet measurable, etc) is widely used, including Marine geophysic
7、al exploration resources such as oil and gas, minerals underground of detection. In addition, the traditional deep seismic exploration, the majority is oceans and land taken separately, so will the sea-land transitional zone and possible plate boundary left a deep seismic exploration, with the blank
8、. In recent years have appeared some using sea-land of airgun source inspired, land of signals stimulate joint onshore-offshore seismic experiment, onshore-offshore seismic exploration,Its energy after long distance transmission attenuation many before being.Therefore, how to test and extract weak s
9、ignal from recorded data is a key link in the onshore-offshore seismic experiment. This paper had been utilized stack technology, cross-correlation technique and mutual information technology to test and extract the signal from the Onshore airgun signal in test ,that is airgun seismic source provoca
10、tion test in Bohai Bay Keywords airgun seismic source，seismic wave，onshore-offshore seismic experiment， airgun source inspired，pulse signal;第一章 绪论1第一章 绪论1.1 研究背景气枪作为地震勘探的震源，最早应用在煤矿领域中，直到 1964 年，美国BOLT 公司的卡尔米思克(Stephen Chelminski)先生发明的 34.5 MPa 高压枪已经开始用于海洋地质勘探，到了 70 年代,已有相当数量的气枪子波理论研究成果正式发表。随着人们对气枪震源
11、认识的不断加深和相干枪技术的发现和应用使气枪阵列技术更加的完善。气枪震源因其卓越性能（如绿色环保、可重复性好、可控性强、子波可测等）而被广泛应用于海洋地球物理勘探，包括地下油气、矿藏等资源的探测。其激发信号主要由压缩气体的瞬间释放及所形成的气泡振荡产生。同时，气枪震源是理想的低频震源。由于低频信号能量在传播过程中衰减相对高频信号较低，因此，长距离深穿透的大尺度地下结构探测中，震源的低频信号至关重要，其决定了震源激发信号的探测范围及深度。气枪震源激发信号具有丰富的低频成分，可产生宽角长炮检距的地震记录截面以进行深地壳速度结构成像（Lau et al., 2007） 。近年来已出现一些利用海上气枪
12、震源激发、陆上接收信号的海陆联合地震探测试验，并取得了很好的成果，如国外的 LARSE 计划、SIGHT 计划，南海东北部海陆联合勘探计划等（丘学林，陈顒，朱日祥等，2007；Nazareth and Clayton,2003；Van Avendonk et al.,2004)。由于海陆联测中通常偏移距较大，在海上激发的气枪信号能量传播到陆上接收台站，其能量经过长距离传输之后被衰减很多，因此，如何从记录数据中检测和提取微弱的气枪信号在海陆联测中是个关键环节。1.2 国内外研究概况早期的海上人工震源，几乎全部借助于炸药的爆炸，炸药在水中爆炸后产生气体，充满气体的气泡在水中震荡会产生压力波(P 波
13、)，通过接收回波信号和弱信号提取来探测研究对象的相关信息。但使用炸药做震源后，人们很快发现它有许多缺点：第一，可控性差，随机性强，会产生许多无用信号；第二，操作危险性大；第三，自动性差，无法自动地连续工作；第四，对环境造成了污染。有鉴于此，非炸药震源应运而生。科学家发现气枪作为震源较为理想，因为它是一种重复性好、稳定性高、性能可靠、频谱特性好、绿色环保的深部探测源。目前，95%以上的海上地震勘探震源是气枪。在利用地震波进行地震勘探中，如果能利用小能量的绿色人工震源激发实现远偏移距、深穿透的地震探测，这将为地球科学建立研究地下介质的技术平台(陈顺，张尉，陈汉林，齐诚，陈棋福，2006；葛洪魁，林
14、建民，王宝善，宋丽莉，罗桂纯，陈顺，2006； Barbier,1982)，它将在能源勘探、减轻地震灾害和城市地球物理学研究等方面具有重大的潜在应用。气枪震源是一种新兴、环保、第一章 绪论2绿色的人工震源，在区域尺度深部探测中有重要的应用前景。低频震源是利用小能量进行远距离探测的一个突破点。由于深部结构不均匀性和介质衰减的存在，高频地震信号的衰减和散射非常严重，其传播距离和探测能力受到限制。而震源激发的低频信号成分可以在地下介质中传播得更远。因此，震源激发的低频信号能量对深地壳结构研究尤为重要。此外，大多数地震反演方法都要求包含低频信号(Lindseth,1979； Oldenburg et
15、al.,1984)。而且，低频信号对地震成像解释中的垂向分辨率和数据处理中的反褶积都具有重要意义(Martin and Stewart, 1994)。在以往的地震勘探中，记录截面中的低频信号往往通过高通滤波(一般5Hz)被去除，其主要原因有以下两点:首先是因为大部分采集环境中该频段信号受以面波或地滚波为主的噪声干扰严重，尤其是在近场范围内(Sheriff and Geldart, 1982; Yilmaz, 1987)；其次，在传统的陆上地震勘探震源炸药源的设计中，要提高激发信号的有效低频能量存在很多技术上的限制。近年来，lHz 以下的低频信号的潜在应用越来越受到地球物理学者的重视，2005
16、年 SEG 年会针对低频地震勘探组织了专题研讨会(Dragoset and Gabitzsch, 2007)。气枪震源激发信号具有丰富的低频成分，可产生宽角长炮检距的地震记录截面以进行深地壳速度结构成像，其效果在海洋地球物理勘探中得到验证(Lau et al., 2007)。自从 1985 年气枪专利失效后，随着气枪理论和气枪技术的不断发展和完善，气枪震源被大量使用(罗桂纯，王宝善，葛洪魁等，2006)。近年来已出现利用海上气枪激发、陆上信号接收的海陆联合地震探侧试验，并且取得了很好的成果(丘学林，陈顺，朱日祥等，2007； Nazareth and Clayton, 2003；Van Ave
17、ndonk et al., 2004)。但在陆地上利用气枪震源进行地下深部结构探测的尝试在国际上尚不多。我们通过渤海湾气枪信号的检测试验，对渤海湾环境下的激发气枪震源信号进行处理并对产生的气枪信号进行分析，总结出浅海区气枪信号的特征和气枪信号的应用。1.3 研究路线(1) 调研前人在气枪震源方面的研究成果，追踪国内外研究动态；(2) 在对气枪信号调研结果的基础上，重点分析气枪震源在海陆联测中的研究应用；(3) 渤海湾气枪震源激发试验的实际数据处理；(4) 利用不同方法检测和拾取气枪信号，并比较效果；(5) 分析拾取的气枪信号特征；(6) 总结实验数据处理结果并进行分析；第二章 气枪震源及特性3
18、第二章 气枪震源及特性2.1 气枪震源的发展气枪震源是1964年由美国BOLT公司的卡尔米思克先生发明的，最初用于海洋地质调查（周宝华，刘威北，1998a） 。初期使用的气枪，都是工作压力为5000( l =6. 89kPa )的高压枪，且基本上是单个大气枪作业。60年代末70年代psii初，齐奥科斯基、舒尔茨一盖特曼等人建立了气枪阵列的理论模型，提出了气泡振荡的衰减方式、振荡周期和气泡振荡模型等理论，随后，气枪生产厂家和各气枪使用单位，根据这些模型设计了各种气枪阵列。气枪阵列的应用，大大提高了气枪主脉冲和峰一峰值的输出，有效地压制了气泡振动效应，使气枪的子波有了明显改善，同时也减少了二次脉冲
19、。因此，气枪震源在海洋石油勘探中的应用，得到了迅速的发展。二十世纪 70 年代末 80 年代初，美国西方地球物理公司，根据多年使用气枪的经验，又设计出了 LRS-6000 高压气枪。LRS-6000 高压枪与老式 BOLT 枪相比具有结构简单、可靠性好、频带宽、能量强、穿透力强、收放容易等优点而被广泛应用（周宝华，刘威北，1998a,b） 。随着气枪阵列设计技术日趋成熟，高压枪主脉冲输出大的优势逐渐减弱，而且高压枪安全性差，不符合日益严格的 HSE 的要求。因此，80 年代末，高压枪被逐渐淘汰，取而代之的是工作压力低于 3000 的低压枪。1983 年，BOLT 公司的psi气枪技术专利失效后
20、，美国西方地球物理公司结合 BOLT 公司的技术，又研制出了工作压力为 2000 的套筒枪。由于它具有同步性好、结构简单、可靠性好(可psi实现 25 万震次无大修)等优点，所以，这种枪很快便风行世界，成为 80 年代的主流枪。90 年代初，美国西方地球物理公司在 I 型套筒枪的基础上，进行了较大改进，生产出了 g 型套筒枪，进一步提高了该枪的可靠性，达到了 30 万震次无大修的要求，气枪同步误差(绝对值)小于 0. 013ms。随着人们对气枪震源认识的不断加深，技术人员发现，几个小枪组成一个相干枪产生的主脉冲，比相同容量的一个大枪产生的主脉冲大(相干枪是由几个枪安装在一个设计好的刚性枪架上组
21、成的)，80 年代末 90 年代初，相干枪技术得到了广泛地应用，并使气枪阵列技术更加完善并广泛推广。二十世纪 80 年代末 90 年代初，相干枪技术的发展进一步完善了气枪阵列理论。1989 年，美国地震系统有限公司(SSD)研制了一种新型枪 G 和 GI 枪，其中GI 还能自身消除气泡效应。鉴于市场竞争，BOLT 公司拓展了气枪的应用范围，生产出适用于海滩、沼泽和陆地使用的泥枪和陆地枪。同时公司对老式 BOLT 枪进行改进，于 1991 年生产出 BOLT 长命(Long Lifer)枪。Long Lifer 吸收了套筒枪和 G 枪的优点，具有更高的可靠性(50 万震次无需大修)(周宝华，刘威
22、北，1998a,b)。目前这种枪约占据了 70%的市场，成为主流枪.最近，BOLT 公司又开第二章 气枪震源及特性4发出一种弧形端口枪(APG: Annular Port Gun)。这种气枪产生的气泡为环形而非传统的球形，这种形状的气泡非常有利于气枪能量的集中。独特的设计使 APG便于操作，寿命长而且容易组合。2.2气枪震源的工作原理气枪震源的工作原理基本相同，气枪通常有两个气室：控制气室和启爆气室。空气压缩机将高压气体压入这两个气室中，当启爆气室的气压超过控制气室时便通过电磁阀将高压气体瞬间释放，产生声压脉冲激发地震波。控制室承担了弹簧的作用提供恢复力，使活塞在爆发之后迅速回到准备状态，以便
23、尽快进行下一次激发。气枪的基本工作参数主要有（周宝华，刘威北，1998）：1.主脉冲：气枪激发后产生的第一个正压力脉冲的振幅值，单位：bar m；2.峰-峰值：第一个正压力脉冲与负压力脉冲的幅度的差值，单位：bar m，表征气枪能量；3.气泡周期：主脉冲与第一个气泡脉冲的时间间隔；4.初泡比：第一个正压力脉冲振幅值比上第一个气泡脉冲的振幅。bar m：指的是以距离震源中心 lm 的假想点的压力值为度量单位，来衡量气枪压力脉冲的大小。气枪激发效果的影响因素主要有(周宝华，刘威北，1998a,b)：1.工作压力：气枪在释放之前达到稳定状态时启爆气室中的压力；2.系统压力：气枪在正常工作时储气瓶内的
24、压力；3.气枪容量：表征气枪大小、能量强弱的直接指标，对于气枪阵来说，为所有枪容量的总和；4.延迟时间：电磁阀开启到高压气体释放到水中的时间间隔；5.控制器：根据传感器信息决定启爆时间，决定了气枪阵中各枪的同步性，直接影响输出结果；6.充气时间：从充气开始到达到稳定可以激发状态所需要的时间；2.3气枪震源激发模式气枪在水中瞬间释放的高压气体被水体包围形成气泡。该气泡在脉冲力作用下产生，因此必然存在振荡，影响激发波形。同时，由于气枪通常放置在水面以下好儿米，水面的自由表面反射现象也很明显。因此气枪子波由两部分组成：压力脉冲和气泡脉冲。压力脉冲又包括 A1 和 A2(图 2-1)。A1 是由气枪内
25、高压气体突然释放到水中形成的压力波所产生的脉冲。A2 的形成有两个因素，一是压力脉冲的水面反射，由于水面的反射系数为负，且理论上接近-1，所以形成一个负脉第二章 气枪震源及特性5冲;二是压力脉冲本身的振荡和各种滤波因素的影响。A3 则为气泡脉冲，由气泡在水中的自由振荡产生(王云峰，1996)。图 2-1 气枪子波，来自文献 (王云峰，1996)由于气泡效应和自由表面反射的原因，接收到的气枪激发波形通常不是单一脉冲波形，而是多成分叠加的结果。为获得地下结构的信息，在进行人工震源勘探时通常需要将源的因素扣除掉。单气枪源(或气枪阵列)在远场记录中可以看成点源，其远场子波特征可以通过距离较远(通常 1
26、00 一 300m)的水听器获得。多支单枪经过适当的组合，可以构建气枪阵列，以提高能量，并改善频谱。组合气枪的最简单办法是将数个气枪捆绑在一起并同时激发。气枪群(airgun cluster)的构成方法是将数个枪固定在一个刚性支架上，它可以看成一个大容量的单枪，但其主脉冲要比相当容量的大枪更高。为获得更高的激发能量，需要使用更多的单枪组成气枪阵(airgun array)(Caldwell and Dragoset, 2000)，如图 2-2。图 2-2 海豹 3 号气枪船上的侧吊型气枪阵 (2005 年 7 月摄于渤海新港 )及气枪组合气枪震源在不同领域使用时，需要不同的组合和激发模式，以适
27、应不同的探测要求。目前常用的气枪激发模式有以下两种(Avedik et al., 1993)：1.加强主脉冲，压制气泡脉冲气枪释放高压气体进入介质水中，由于高压释放，起始时刻气泡内的压力远远高于周围静水压力，如此巨大的压差迫使气泡迅速膨胀;随着气泡体积的膨胀增大，内部压力逐渐减小，在某一时刻，当内部压力降低到与周围静水压相等时，第二章 气枪震源及特性6由于惯性作用，气泡继续膨胀扩大；随后，气泡内部压力逐渐降低至小于气泡外部静水压力，负向压差迫使气泡开始收缩，直到内部压力再一次高于静水压力。如此反复，压力波也因此形成并向水介质中传播。气泡内部压力在反复振荡过程中表现为振幅逐渐衰减、周期逐渐减小，
28、可用“自由气泡方程”进行描述(陈浩林，宁书年，熊尽良，2003)。单枪气泡脉冲比较大且很规则，经多枪组合后(包括相干枪的使用)，气泡脉冲受到抑制，但形态较为复杂(如图 2-3(a), (b)在一般的调谐气枪阵中，必须采用不同容量大小的气枪相组合，以抑制气泡振动。只要保证各个单枪的同步性，使得主脉冲相互叠加，而各个单枪产生的气泡，因为周期不一样而相互消减。为了获得较强能量，同时使气泡相互抑制，一般采用相干枪阵，因为它具有较高的抑制气泡振荡的能力。在实际勘探中，当目的层较浅，所需能欣较小时，可能只用一个相干枪足矣；但在目的层较深，所需能量较大时，就要用多个相干枪阵。相干枪阵之间，其总容量是不等的，
29、振动周期也不等，这可进一步抑制气泡振荡。枪阵加大后，补偿了因枪身沉放浅而造成的能最损失，使子波既有高分辨率的宽频谱，又有足够的能量。另外还可以通过调整单个气枪的沉放深度及气枪之间的间距来控制气泡振荡之间的相互干涉，或者将高压气体直接注射到气泡内以防止气泡的剧烈振荡和爆破(王云峰，1996)。这种气枪激发模式主要用于高分辨率的浅层石油勘探，在国内外都已经有成熟的运用。图 2-3 (a), (b)：加强主脉冲，抑制气泡脉冲；不同容量单枪同时激发，主脉冲 IP 因五加而增强，气泡脉冲串B1 因相互作用而被削弱或抵消；(c),(d) ：抑制主脉冲，加强气泡脉冲；调核各个单枪的激发时间，保证第一个最大的气泡脉冲 B1 因叠加而增强，而使主脉冲 IP 被削弱；来自文献(Avedik et al., 1993)2.压制主脉冲，加强气泡脉冲
