2022年初青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室主辦了 *** 公開課，邀請了很多專家來授課。專家們都帶來了自己的最新研究成果。比如海大賈永剛老師講授了深海原位測試成果。博主前段時(shí)間還對其進(jìn)行專門的介紹。除了賈老師的成果以外，博主對海洋一所的深拖式多道高分辨率地震探測系統(tǒng)也非常感興趣。
博主搜索了相關(guān)的文獻(xiàn)，并按照時(shí)間順序進(jìn)行排列介紹，以期知悉這款國產(chǎn)設(shè)備的來龍去脈。
按照慣例，先說結(jié)論：
（1）近海PSS500J 等離子體震源系統(tǒng)的成功研制打破國外壟斷，其等離子體震源激發(fā)產(chǎn)生的電脈沖為單脈沖, 脈沖持續(xù)時(shí)間不足 0.2 ms，優(yōu)于傳統(tǒng)電火花 震源（脈沖持續(xù)時(shí)間1 ms），而且能量傳輸效率高；在山東海域獲得的一段淺剖資料, 激發(fā)能量為200 J, 水深 40 m, 穿透深度為海底以下約 40 m。
（2）在PSS500J的基礎(chǔ)上，研究深水高分辨率多道地震探測系統(tǒng)研究，研發(fā)成功了高頻10 000 J大能量等離子體震源，主頻在700 Hz左右。從50m水深試驗(yàn)測線剖面可以看出,剖面地層顯示清晰,地層穿透深度優(yōu)于150 m，地層分辨率約1.2 m。
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（3）在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“近海底高精度水合物探測技術(shù)”的支持下，研發(fā)成功了深拖式高分辨率多道地震探測系統(tǒng)kuiyang-ST2000，在南海試驗(yàn)中，剖面資料顯示頻帶范圍為 200～2400Hz，主頻約1000Hz ，地層穿透深度更大可達(dá)雙程時(shí)380ms（約300m），并呈現(xiàn)縱向分辨率<1m及橫向分辨率<10m的高分辨率特點(diǎn)。疊加剖面圖上，海底以下50ms內(nèi)同相軸連續(xù)性好，波阻清晰，判斷可能有斷層等不連續(xù)構(gòu)造或褶皺、小規(guī)模氣煙囪、似海底反射層（Bottom Simulating Reflectors，BSR）特征，基本達(dá)到了預(yù)期效果。
脈沖等離子體震源及其在海洋地震勘探方面的應(yīng)用_裴彥良 2007年
電火花震源是最早應(yīng)用于海洋地震勘探的非 *** 震源之一。然而, 由于傳統(tǒng)電火花震源子波的重復(fù)性差,正逐步被槍震源所替代。近年來, 隨著大功率半導(dǎo)體開關(guān)的問世以及多電極無電弧放電發(fā)射陣的應(yīng)用, 脈沖放電震源又重新應(yīng)用于海洋工程地震勘探, 為了區(qū)別于傳統(tǒng)的電火花震源, 稱之為脈沖等離子體震源。
等離子體震源與傳統(tǒng)電火花震源相比, 具有震源子波重復(fù)性好、能量傳輸效率高、安全可靠、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。與 *** 和槍陣震源不同, 等離子體震源多用于海洋工程地震調(diào)查。根據(jù)水深、底質(zhì)類型、所需地層穿透深度等要求的不同, 震源的輸出能量可以在幾十到數(shù)千焦耳之間, 穿透深度可達(dá) 100～250 m, 并能達(dá)到0.3～1 m 的分辨率。
PSS500J 等離子體震源系統(tǒng)的研制成功, 打破了國際壟斷, 對于我國海洋工程、海洋地學(xué)研究甚至國防均有較大意義。PSS500J 等離子體震源系統(tǒng)已經(jīng)為國家的多個(gè)重大重點(diǎn)項(xiàng)目提供了服務(wù), 其中僅在“我國近海海洋綜合調(diào)查與評價(jià)( 908 專項(xiàng)) ”項(xiàng)目中, 利用該系統(tǒng)就已經(jīng)獲得了 4 000 km 的高質(zhì)量淺底層剖面資料。圖 7所示為在山東海域獲得的一段淺剖資料, 激發(fā)能量為200 J, 水深 40 m, 穿透深度為海底以下約 40 m。應(yīng)用效果表明, 該系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到并部分超過國際同類產(chǎn)品水平, 預(yù)計(jì)有著較好的市場前景。
下面以 PSS500J 等離子體震源系統(tǒng)為例, 具體討論并模擬震源放電的兩個(gè)階段。PSS500J 等離子體震源單次激發(fā)能量 500 J, 儲能電容器電容 32 μF, 發(fā)射電纜電阻 0.09 Ω, 電感 30 μH, 發(fā)射陣共有 100 個(gè)高壓電極,單個(gè)電極直徑約 0.5 mm。
之一階段( 電容放電階段)等離子體震源激發(fā)的之一階段, 電容釋放的能量將發(fā)射陣高壓電極附近的海水加熱汽化并生成等離子體。50 μs電容電壓為0關(guān)斷，電流更大。
第二階段( 電感放電階段)第二階段儲能電容器已經(jīng)從放電回路斷開, 放電電流回路由續(xù)流電路、發(fā)射電纜和發(fā)射電極之間的海水組成。
將兩個(gè)階段進(jìn)行合并，得到下面的波形圖，脈沖放電持續(xù)時(shí)間為0.2ms。
由上述討論可以看出, 等離子體震源激發(fā)產(chǎn)生的電脈沖為單脈沖, 脈沖持續(xù)時(shí)間不足 0.2 ms; 而傳統(tǒng)電火花震源激發(fā)產(chǎn)生的電脈沖為衰減震蕩脈沖, 脈沖震蕩持續(xù)時(shí)間可達(dá) 1 ms。雖然震源激發(fā)的電脈沖不同于最終產(chǎn)生地震波的壓力脈沖, 但電脈沖質(zhì)量也決定著壓力脈沖質(zhì)量, 從而導(dǎo)致等離子體震源子波優(yōu)于傳統(tǒng)電火花震源子波。
此外, 等離子體震源發(fā)射陣的高壓電極與地極間距較大, 震源激發(fā)時(shí)只是在高壓電極發(fā)射針尖端形成等離子體, 而并不是在高壓電極與地極之間形成等離子體放電通道。這一點(diǎn)導(dǎo)致了等離子體震源放電激發(fā)時(shí)負(fù)載電阻和高壓電極與地極之間的距離無關(guān), 且負(fù)載電阻遠(yuǎn)大于傳輸電纜的電阻, 能量傳輸效率高。（這段話確實(shí)沒有看懂）
深水淺地層高分辨率多道地震探測系統(tǒng)研究_裴彥良 2008年
目前國內(nèi)外尚無專用的深水淺地層高分辨率多道地震探測設(shè)備,已有的深水地震勘探設(shè)備可分為2大類,即海面拖曳型和深拖型。海面拖曳型地震探測使用 *** 或槍陣震源,單道或多道接收拖纜。 *** 震源發(fā)射能量大,聲波穿透深度深,但由于其子波寬度大,地層分辨率低,無法為深水海上工程的施工作業(yè)提供高分辨率的地層信息。深拖型地震探測使用水下拖曳裝置,由于深水高壓環(huán)境,不得不采用單點(diǎn)發(fā)射和單點(diǎn)接收的工作方式,作業(yè)船速降至極低,直接影響工作效率。
目前深水地震勘探主要使用海面拖曳型設(shè)備。為了解決現(xiàn)有設(shè)備地層分辨率低的問題,近年來國外在海上地震震源系統(tǒng)和海上地震接收系統(tǒng)方面做出了一些改進(jìn)。震源方面,荷蘭Geo-Resources公司研制了1 000～ 16 000 J的多電極等離子體震源,根據(jù)其網(wǎng)站提供的剖面,該震源可以用于深海淺地層研究,其分辨率達(dá)到了2 m左右。在接收技術(shù)方面,國內(nèi)外生產(chǎn)的高分辨率接收電纜仍使用壓電水聽器,基于壓電水聽器的數(shù)字式多道接收電纜系統(tǒng)已經(jīng)研制成功,例如美國Geometrics公司生產(chǎn)的GEOEEL數(shù)字式多道水聽器電纜。
在國家“十五”計(jì)劃期間,我國研制了一套適用于淺水的高分辨率多道淺地層探測系統(tǒng),可工作于5～ 70 m水深的近海,探測深度在120 m以上,經(jīng)過處理后的淺地層剖面的實(shí)際分辨率可達(dá)到0.3 m。這套高分辨率多道淺地層探測系統(tǒng)雖然僅適用于近海,但其研究經(jīng)驗(yàn)為深水淺地層高分辨率多道地震探測系統(tǒng)的研究提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。（應(yīng)該是指PSS500J）
為了將高分辨率淺地層地震探測拓展到深海,在震源技術(shù)方面本文研究了高頻10 000 J大能量等離子體震源;地震接收和記錄技術(shù)方面則不再基于壓電水聽器,而討論基于光纖水聽器的96道光纖地震拖纜及其數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。最后結(jié)合深水淺地層地震勘探后處理軟件的研發(fā),形成一套完整的深水淺地層高分辨率多道地震探測系統(tǒng),既適合深水工作環(huán)境又要有較高的地層分辨率,滿足我國深海海洋環(huán)境調(diào)查及資源勘查的實(shí)際需求。
為檢驗(yàn)研究成果、測試設(shè)備性能,2008年7月依托海南昌江核電廠廠址海域物探項(xiàng)目,在海南儋州北部灣海域進(jìn)行了部分已研制設(shè)備的聯(lián)調(diào)測試。測試的設(shè)備包括10 000 J大能量等離子體震源系統(tǒng),96道海上地震數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)及深水淺地層地震勘探后處理軟件。由于96道光纖水聽器拖纜尚未研制完成,未能參加本次測試,測試中使用“十五”國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃研制的24道水聽器拖纜替代,96道海上地震數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)記錄24道水聽器拖纜采集的數(shù)據(jù)。
應(yīng)用深水淺地層高分辨率多道地震探測后處理軟件,對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理、分析和解釋。頻譜分析顯示地震反射數(shù)據(jù)資料的頻帶在100～ 1 500 Hz,主頻在700 Hz左右。若取地層地震波傳播速度為1 700 m/s,則地震波的優(yōu)勢波長為2.4 m,地層分辨率約1.2 m。圖6為1條試驗(yàn)測線剖面,從剖面可以看出,剖面地層顯示清晰,地層穿透深度優(yōu)于150 m
深拖式多道高分辨率地震探測系統(tǒng)在南海首次應(yīng)用_魏崢嶸 2020年
深拖式多道地震探測技術(shù)是將震源和水聽器陣列通過拖曳于近海底的方式進(jìn)行波場觀測（圖１）。
由于采用的震源具有較高主頻（２００～１１００Ｈｚ）以及近海底的觀測方式，避免了信號受海水吸收、海洋混響、環(huán)境噪聲等的影響，從而可采集得到高品質(zhì)原始地震資料。目前常用的深拖地震探測裝備主要有美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室（ＮＲＬ）在２０ 世紀(jì) ８０ 年代研發(fā)的 ＤＴＡＧＳ系統(tǒng)和法國海洋研究所（ＩＦＲＥＭＥＲ）在本世紀(jì)初研發(fā)的ＳＹＳＩＦ系統(tǒng)。
隨著中國主要海域的水合物資源勘探逐步進(jìn)入詳查和試開采階段，對海底水合物礦體空間分布的探查精度要求顯著提高。海上常規(guī)多道地震探測的分辨率明顯不足，無法分辨表征水合物礦體存在的地球物理異常，難以滿足水合物詳查及開采的需要。
從２０１６年開始，由自然資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局牽頭，聯(lián)合之一海洋研究所及國內(nèi)相關(guān)高校等單位設(shè)立國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“近海底高精度水合物探測技術(shù)”，Ｋｕｉｙａｎｇ－ＳＴ２０００系統(tǒng)即是其子課題“深拖式高分辨率多道地震探測技術(shù)與裝備研究”的階段性成果。
本文詳述了 Ｋｕｉｙａｎｇ－ＳＴ２０００系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)組成、關(guān)鍵參數(shù)及特性；應(yīng)用該系統(tǒng)在中國南海 Ｅ海域進(jìn)行了首次海試，所采集數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到了高信噪比和高垂向、橫向分辨率的成像剖面。
（王揆洋，研究員，男，1949年8月出生，青島蛟龍深海技術(shù)公司總經(jīng)理。1986年至1987年在法國巴黎居里大學(xué)地球物理研究所訪問研究員，1992年至1996年參加三次中法海洋地質(zhì)與地球物理合作調(diào)查項(xiàng)目，在第三次合作中，作為中方首席科學(xué)家與法方一起進(jìn)行了東海至沖繩海槽的地球物理調(diào)查。90年代以來，不僅利用國外地震系統(tǒng)開展研發(fā)和工程勘探，而且同國內(nèi)大學(xué)、研究所等單位合作開發(fā)自主技術(shù)和產(chǎn)品，先后承擔(dān)和參加多項(xiàng)國家重點(diǎn)項(xiàng)目，其中“中法合作渤海東部潮流沉積及動力成因機(jī)制研究”獲國家海洋局二等獎，東海重點(diǎn)區(qū)域工程地質(zhì)和災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查與評價(jià)獲國家海洋局三等獎。）
Ｋｕｉｙａｎｇ－ＳＴ２０００深拖探測系統(tǒng)主要由拖體和拖纜組成（圖４）。拖體上集成了水下控制中心（ＯＣＣ）和１個(gè)姿態(tài)傳感器（ＭＴＩ）、等離子體電火花震源、水下聲學(xué)定位超短基 線 （ＵＳＢＬ）、深度計(jì) （ｄｅｐｔｈｏｍｅ－ｔｅｒ）和高度計(jì)（ａｌｔｉｍｅｔｅｒ，測量拖體距海底高度）；拖纜主要有前彈段、作業(yè)段及掛接阻力傘的尾彈段，作業(yè) 段包含３．１２５ｍ間距的４８道零浮力數(shù)字拖纜，其連接處包含４個(gè)姿態(tài)傳感器（ＭＴＩ）。
應(yīng)用 Ｋｕｉｙａｎｇ－ＳＴ２０００系統(tǒng)于２０１９年１０月在中國南海 Ｅ 海 域 進(jìn) 行 了 首 次 海 上 實(shí) 際 數(shù) 據(jù) 采 集。工區(qū)位于瓊東南盆地，為新生代被動大陸邊緣盆地，處于印度板塊、歐亞板塊和太平洋板塊的接合部，區(qū)內(nèi)海底地勢較平坦。
系統(tǒng)拖曳速度為２～３節(jié)，炮間距為６．２５ｍ，道間距為３．１２５ｍ，最小炮檢距為１３ｍ（前彈段），采樣率為８ｋＨｚ，記錄長度為３０００ｍｓ。
圖６ 為 采 集 單 炮 記 錄 （０～２３０ｍｓ）帶 通 濾 波（１５０～１３００Ｈｚ）結(jié) 果。
地 震 記 錄 中 主 要 包 含 直 達(dá)波、上行反射波（海底及地層反射波）、海面反射波。由于拖曳深度達(dá)１４００ｍ，避免了水底多次被、自由表面多次波及微屈多次波等，故干擾波主要有拖船造成的線性噪聲，可能存在層間多次波或互層多次波。
數(shù)據(jù)處理由于系統(tǒng)位于水下１００～２０００ｍ，所以 ＧＰＳ無法對炮—檢點(diǎn)進(jìn)行定位。炮點(diǎn)水平位置采用中心頻率為２２～３０ｋＨｚ的水下聲學(xué)定位系統(tǒng)—超短基線進(jìn)行定位；炮點(diǎn)深度 采 用 深 度 計(jì) 與 高 度 計(jì) 聯(lián) 合 定位。圖７為炮點(diǎn)定位深度，圖８為拖曳時(shí)炮點(diǎn)相對于測線（紅線）的平面位置（藍(lán)線）。
近海底高分辨率地震探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)_裴彥良 2020年
天然氣水合物是有望成為替代常規(guī)油氣的清潔能源。天然氣水合物廣泛分布于全球海洋中，發(fā)育區(qū)域的水深一般在1000m 以上，埋深大多不超過300m。水合物層厚度小于10m的情況占很大比例，有的甚至不足1m 。我國科學(xué)家經(jīng)過十多年的地質(zhì)地球物理綜合調(diào)查，取得了天然氣水合物勘探、開發(fā)的重大突破。
隨著我國主要海域的水合物資源勘查逐步進(jìn)入詳查和試開采階段，對海底水合物礦體空間分布的探查精度要求顯著提高。天然氣水合物沉積層的橫向展布范圍差異巨大，層狀水合物的橫向延展可達(dá)數(shù)千米，而分散狀水合物、斑塊狀水合物的橫向范圍則小很多，甚至不足1m。由于天然氣水合物礦床產(chǎn)狀多樣、發(fā)育地質(zhì)條件復(fù)雜、垂向厚度有限和橫向分布不均勻，導(dǎo)致傳統(tǒng)地震資料難以滿足水合物勘探需求。國外采用多道、三維、深拖等多種 *** 聯(lián)合作業(yè)，綜合解釋區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征，對水合物進(jìn)行詳細(xì)的地球物理研究。
在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持下，我國“十三五”期間開展了“近海底高精度水合物探測技術(shù)”“天然氣水合物高分辨率三維地震探測技術(shù)”等項(xiàng)目的研究工作，本文內(nèi)容基于“近海底高精度水合物探測技術(shù)”項(xiàng)目開展研究。
近海底地震探測技術(shù)是將震源和接收纜均置于近海底拖曳，進(jìn)而提高地層分辨率的地質(zhì)探測 *** 。在海底高靜壓環(huán) 境 下，氣 槍 等 震 源 不 能 用 于 近 海 底 激 發(fā)。國 外 成 功 的 近 海 底 地 震 探 測 系 統(tǒng)，包 括 美 國 的DTAG系統(tǒng)和法國的SYSIF系統(tǒng)，均采用赫姆霍茲共振腔作為深拖震源，本項(xiàng)目則采用等離子體震源作為深拖震源。此外，深拖接收纜的采集和控制亦均集成于海底拖體上，也是本項(xiàng)目需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。
赫姆霍茲共振腔 在實(shí)際生活中，吹啤酒瓶就是一個(gè)很接近的案例，當(dāng)用合適的氣流速度去吹酒瓶的時(shí)候，酒瓶內(nèi)就會發(fā)出響聲，且會有更大響聲的存在。這就是吹進(jìn)瓶子內(nèi)的氣流引起了瓶子內(nèi)氣體的振動，氣體共振時(shí)候瓶子本身也是振動的，這些振動形式向外傳播，便有了上述的“共鳴”。那此時(shí)有吸聲存在嗎？當(dāng)然是有的，但由于存在激勵源，也就是你吹進(jìn)去的氣流，所以瓶子才可以持續(xù)發(fā)出響聲。這也就是說，吸聲和共鳴并不矛盾，而且只有在“共鳴器”本身特性匹配時(shí)候才能發(fā)出聲響。如下圖所示(使用陶甕作為擴(kuò)散聲場)，為什么不直接用城墻掏的洞呢？里面為啥還要加個(gè)罐子？這就是聲波很難引起城墻的“共鳴”。
采用近底深拖地震探測系統(tǒng)橫向分辨率更高
將等離子體震源主頻范圍擬定為（ 750+250）Hz，震源聲源級應(yīng)≥210dB，與國外深拖系統(tǒng)的參數(shù)對比如下：
為實(shí)現(xiàn)在水深超高靜壓環(huán)境下震源的有效激發(fā)，承載震源發(fā)射陣的容器需要兼具耐壓和透聲特性。應(yīng)用于海洋深水條件下的耐壓容器多采用不銹鋼或者鈦合金材料，耐壓性能好，但透聲性很差；應(yīng)用于海洋地質(zhì)勘探的透聲材料一般包括橡膠、聚氨酯等，水聽器和換能器等都應(yīng)用到這類材料，然而這類材料透聲性好，但剛性很差，不能用于 *** 耐壓容器。碳纖維材料透聲性能好，強(qiáng)度高，具有耐腐蝕和高模量等特點(diǎn)。然而，碳纖維材料的耐沖擊性較差，進(jìn)行開孔、焊接等機(jī)械加工難度大。因此，耐壓透聲艙的艙壁主體采用碳纖維材料，兩側(cè)端蓋使用不銹鋼材料。碳纖維材料的艙體可以有效抵御外部深層海水靜壓力，并能將內(nèi)部聲波能量輻射出去。
耐壓艙抵御了外層海水的高靜壓力，艙內(nèi)保持了常壓條件。但等離子體震源發(fā)射陣激發(fā)的原理是利用強(qiáng)電場和脈沖電流使海水局部氣化產(chǎn)生氣泡，利用氣泡膨脹、收縮的過程向外輻射脈沖聲波。由于碳艙內(nèi)灌裝的海水基本不可壓縮，若無減壓增容措施，多電極放電將導(dǎo)致碳艙內(nèi)壓瞬間急劇抬升，氣泡膨脹將受到抑制，進(jìn)而導(dǎo)致聲波能量的衰弱。為此，為發(fā)射陣設(shè)計(jì)了氣體緩沖艙，緩沖艙位于碳艙頂部并與碳艙連通。
2019年在瓊東海域試驗(yàn)。
試驗(yàn)中震源激發(fā)能量設(shè)置為 3000J，激發(fā)炮間距6.25，最小炮檢距12.5。更大拖曳深度為 2025m ，拖體離底高度保持在90～110 ，拖曳速度保持在2～3kn 。由處理后的深拖多道地震疊加剖面結(jié)果（見下圖）可知，地層穿透深度更大可達(dá)雙程時(shí)380ms，從疊加結(jié)果對比單道剖面可以看出系統(tǒng)探測時(shí)間上達(dá)到了約350ms（雙程時(shí)）。疊加剖面海底以下50ms內(nèi)同相軸連續(xù)性好，波阻清晰；此外疊加剖面中存在多處繞射現(xiàn)象，可能為斷層等不連續(xù)構(gòu)造或褶皺（黃色圈）；有可能有小規(guī)模氣煙囪（紅色三角），在2415ms處可能有似海底反射層（Bottom Simulating Reflectors，BSR）特征?？梢婎l帶范圍為 200～2400Hz，主頻約1000Hz 。疊加剖面顯示了縱向分辨率<1m及橫向分辨率<10m的高分辨率特點(diǎn)，基本達(dá)到了預(yù)期效果。
