0 引言

气枪震源由BOLT公司的 Chelminski于1960年发明，便逐渐应用于海洋地质勘探^[1-2]；随后，Ziolkowski^[3]、Safar^[4]等完善了气枪激发的配套理论，从气枪激发的运行机理研究模拟气枪远场信号，但此时主要还是采用大容量单枪激发方式，所得地震信号的信噪比相对较低，难以满足勘探需求。为此，Giles^[5]于1968年提出相干枪；在此基础上，Parkes等^[6]将多个不同容量的相干枪组合为调谐阵列；Nooteboom^[7]给出避免气枪组合相互干扰的最小距离公式，进一步阐明枪阵长度对震源子波的影响。中国国内对气枪的研究起步较晚。狄帮让等^[8]、陈浩林等^[9]针对气枪震源的子波属性进行模拟分析；张鹏等^[10]、曹明强等^[11]从气枪震源方向性入手，设计了兼顾频谱质量和能谱分布的四子阵非对称分布点震源阵列；孙郁遥^[12]针对气枪震源沉放深度对产生的子波做了属性分析；李绪宣等^[13-14]、王建花等^[15]、王立明等^[16]提出针对深海条件的气枪震源排列方式。

上述文献从理论分析、数值模拟和试验测试角度分别对空气枪震源的影响因素和优化设计进行了研究，大多基于深水条件。而渤海海域平均水深约18 m，最大水深为40余米，该浅水环境下地震波的传播特性与深海区存在较大差异，主要表现在两个方面：①海面与海底构成较窄的边界条件，气枪激发脉冲与海面、海底发生多次相互作用；②因水体较浅，气枪阵列长度和宽度与水深相近，考虑到广角反射及声波在海水中的传输损耗，气枪震源不能简单地作为点震源处理。因此，对于采用拖缆观测系统的浅海条件下采集方案设计，拖缆与震源的空间组合成为影响震源激发子波特性的关键因素。

本文基于非理想气体条件气枪子波模型，模拟渤海浅水条件下的气枪子波，综合分析拖缆与震源不同沉放深度组合、平面阵列中气枪展布对震源激发子波的影响规律，为渤海浅水条件下气枪震源的设计，震源与拖缆沉放深度及震源阵列长度、宽度的选择，提供了理论和技术指导。应用本文研究成果，2021年在渤海油田渤中地区开展了拖缆数据采集，通过与以前拖缆炮集资料对比，发现新采集数据的中深层地震信号更突显，其低频更强、频带更宽，为该区后续勘探评价提供了良好的技术支持。

1 浅水条件下气枪激发子波特征

渤海特殊的浅水环境决定了其地震波传播规律与深海的差异性。针对浅海环境，震源优化时首先须厘清浅水环境下水层地震波传播特征及此条件下鬼波对激发子波的影响。为此，将重点剖析海域水速变化、不同形式鬼波对激发子波的影响。

1.1 渤海浅水层地震波的传播特征

在影响气枪脉冲传播的因素中，浅海与深海的主要区别在于边界条件。由于渤海水体较浅，使得气枪脉冲与海面、海底之间相互作用，导致由反射和散射引起的声传播损耗严重的问题更突出。声波传输到海底后发生反射和透射，针对勘探目标，透射波的能量占比越高越有利于提高地震采集信号的分辨率和信噪比^[17]。但当水体较浅时，入射波与海底之间的夹角相对变大，更易形成广角散射，导致反射波的能量占比会更大；同时，较浅水深对声波散射损耗较低的中低频段具有很大影响，不利于中深层地质目标的精细勘探。

浅海水体的声速剖面对气枪脉冲的传播规律认识具有重要作用。浅海中声波传播的显著特点是声速剖面向声波速度慢的方向折射或在深度上几乎恒定，折射影响接收能量的强弱，而这一机制与海水的温度、盐度、深度有直接关系，这三个因素决定了声波的速度剖面。在浅水条件下，温度是影响声速结构的主导因素。从图1可知，渤海海域四个季节的声速剖面具有明显差异。在冬季，海水受对流混合作用影响，不同海水深度的水温变化均匀，随海水压力的增大声速缓慢增加，在声速剖面上表现为正梯度结构；春、夏、秋三季的海水层结构自上而下依次为混合层、季节性跃层及下均匀层，声速剖面的负梯度强度主要受季节性跃层影响。

引力、风力等对海水的影响是持续的，即使在风平浪静的情况下，海面也存在波浪活动，因此不能将海面看作完全反射面。海面反射系数随海浪大小而变化，因而无论声波入射到海面的反射角如何变化，海面反射系数均不可能为-1^[18]。风浪较大时海面会产生散射效应，散射是一种损耗、干扰和波动机制，导致海洋波导中传播的平均声场衰减，散射的能量向各方向传播，散射效应的衰减随频率的增加而增加。

以上主要分析了海水深度、海水声速剖面及海面反射效应对气枪脉冲的影响。当然，其他因素如海底斜坡引起的声传输损耗和海底沉积物引起的散射也会对声波传输产生重要影响，但上述三个因素对声波传播的影响在浅水条件下表现更突出；同时，上述因素的存在，使拖缆与震源的空间组合选择成为浅水条件下采集观测系统设计的关键。

1.2 浅水条件下单枪子波模拟

通过以上分析，明确了浅水条件下气枪脉冲的传播特征及主要影响因素。综合考虑各因素，利用非理想气体条件气枪子波模型对浅海条件下的气枪激发子波进行模拟^[19]。模拟中设置环境因素为：海水温度20℃，海水密度1024 kg/m³，海水声速1500 m/s，海水深度20 m，海面反射系数-1，浅地层密度1750 kg/m³，浅地层声速1630 m/s。

图2所示气枪激发子波主要由4部分组成，分别为一次反射波、震源鬼波、缆鬼波、震源＋缆鬼波^[20]，浅水条件下鬼波效应尤为突出。

图3为浅海条件下380 in³单枪激发的模拟子波，震源沉放深度为7 m，拖缆沉放深度为8 m。通过非理想气体条件气枪子波模型可很好地展示近场子波形态，但在实际应用中近场子波形态不稳定且很难捕捉，因此通常不采用近场子波评价震源质量。远场子波作为频率和气枪空间尺寸的函数，在形态上较稳定，仅脉冲压力随距离的增大而衰减，是应用最多的评价气枪阵列优劣的手段^[21]。但正如上述分析，浅水条件下海面与海底之间相距较近，对气枪脉冲的传播影响较大，鬼波效应明显，检波器接收的信号是一次反射波、震源鬼波、缆鬼波相互叠加的结果。因此，利用考虑缆鬼波时的子波对气枪阵列进行评价是对现有评价体系更合理的补充。

图3显示气枪激发后，子波经地层吸收、海面海底反射、透射及在海水中传输损耗过程后的形态及频谱特征。其中远场子波主脉冲（图3b）与近场子波（图3a）相近，虚反射频率由3.3 Hz减至2.0 Hz，反映海面反射作用经长距离传输后气泡脉冲明显减小，观察到陷波效应，陷波频率为125 Hz。当考虑缆鬼波时，气枪子波及频谱（图3c）中一次反射的主脉冲值相对远场子波明显减小，这是脉冲信号与海面、海底多次相互作用的结果。缆鬼波与震源鬼波相互叠加，子波曲线上存在两个波谷，其中小波谷反映了震源鬼波，大波谷对应缆接收信号的主脉冲值（与一次反射主脉冲值相同，但表现为负向），而曲线上第二个小波峰则为缆的虚反射。在图3c中子波频谱陷波效应减弱，有效频带更宽，高频截止值增大的同时低频截止值也增大，反映了气枪脉冲在传播过程中各种因素导致的频带变化。

综上，考虑缆鬼波时气枪子波形态可更好地描述实际气枪激发子波的传播及吸收过程；近场子波及频谱与远场子波及频谱存在明显区别，波形上主要表现为鬼波效应更明显，频谱上表现为有效频带更宽、陷波效应减弱。进一步地，在浅水条件下，拖缆与震源在空间上的展布对子波的影响规律可通过考虑缆鬼波时的子波（图3c）得到更清晰描述。

2 不同缆—源沉放深度组合对单枪子波及频谱的影响

上文分析认为鬼波是影响激发子波的重要因素，而沉放深度是影响鬼波最重要的参数。为此，着重分析缆—源沉放深度对子波的影响。为了更清晰和量化展示影响程度，将对基于单枪激发的含鬼波的子波做分析、研究。

通常情况下，为压制虚反射（鬼波）会增大震源沉放深度，但随着震源沉放深度增大，主脉冲减小^[19]，而拖缆沉放深度也会影响不同类型脉冲信号的接收时间，导致叠加信号的改变，但在以往的关于气枪震源设计的研究中鲜有将震源沉放深度与拖缆沉放深度统一起来考虑的。

基于图4所示渤海油田M区块实际应用的气枪阵列平面图，讨论浅水条件下震源和拖缆沉放深度对气枪子波及频谱的影响。模拟过程的环境因素设置为：海水温度20℃，海水密度1024 kg/m³，海水声速1500 m/s，海水深度20 m，海面反射系数-1，浅地层密度1750 kg/m³，浅地层声速1630 m/s。

图5为固定拖缆沉放深度时不同震源沉放深度的模拟子波及频谱图。可见当拖缆沉放深度固定为6 m时，随震源沉放深度的增加，子波主脉冲与虚反射减小，两者之间差值增大，主脉冲与虚反射时间间隔增大，子波第二个波峰在时间上延迟，但大小无明显变化。从频谱上看出，随震源沉放深度由3 m增至10 m，第一陷波点内高截频由125 Hz减至35 Hz，减幅达90 Hz。虽然随着沉放深度减小有效频带增宽，但增加形式表现为频带整体向频率增大的方向移动，即高频增大的同时低频随之增大。而当震源沉放深度增加时，虽然有效频带变窄，但低频由45 Hz减至25 Hz。经以上分析得知，气枪子波有效频带的增宽并不能说明子波性能的提升，而低频信息的增强将更利于中深层目标地质体的成像。因此，震源沉放深度的选择要针对具体目标，浅层目标可减小沉放深度，中深层目标则可适当增大沉放深度。

图6为固定震源沉放深度时不同拖缆沉放深度的模拟子波及频谱图。从图中可见，若固定震源沉放深度为7 m，随着拖缆沉放深度增加，子波主脉冲大小基本保持不变，但主脉冲峰后降低速度减小，主脉冲宽度增大，子波虚反射增大，两个波谷之间的间隔减小，第二个峰值增大。拖缆沉放深度的变化对子波频谱陷波点之前频带的影响不明显；在陷波点后，随着拖缆沉放深度的增加，频带变窄。

图7和图8分别反映震源沉放深度、拖缆沉放深度同时变化条件下气枪子波及对应的频谱特征。从图中可见，在同一震源沉放深度条件下，随着拖缆沉放深度的增加，子波主脉冲值大小并未发生明显变化，频带呈减窄趋势，但减幅较小。从图7a~图7d可看出，随着震源沉放深度的增加，主脉冲波形变窄，两个波谷之间的间隔明显增大，第二个波峰值无明显改变。对应图8a~图8d，随着震源沉放深度的增加，有效频带宽度减小，频谱曲线整体向低频方向移动，且出现多个陷波点，陷波频率降低。对比图7和图8，子波虚反射与子波频谱之间有明显对应关系，总的虚反射越小，虚反射与主脉冲时间间隔越大，子波频带越窄，但低截频相对更低。同时可看到，震源沉放深度对子波特性的影响程度明显大于拖缆沉放深度。

3 震源平面展布对阵列子波及频谱的影响

在浅水条件下，对于震源下方海底一点，当阵列中气枪的入射角大于某一角度后发生广角反射现象，其下传能量降低，从而影响地质目标的成像效果。虽然发生广角反射的声波可能仍会在满足一定条件时产生转换波入射到地层，但对于纵波勘探而言依然希望尽可能地减少广角反射现象。因此，对于浅水条件下采集方案的设计，气枪阵列长度（Inline方向）和宽度（Crossline方向）的选择显得尤为重要。

3.1 气枪阵列长度对子波及频谱的影响

以渤海油田M区块实际采集气枪阵列（图4）为例，分析不同阵列长度对远场子波及频谱的影响。为保证单一变量，其他环境参数设置不变。从图9中可看出，随阵列长度的增加，子波主脉冲值逐渐增大，但当阵列长度超过21 m后，主脉冲值增幅不明显，此时阵列距海底13 m，两者比例为1.62。对比图9b频谱图可知，随阵列长度的增加，子波低频能量提高，但当阵列长度超过18 m后，频谱无明显变化。

3.2 气枪阵列宽度对子波及频谱的影响

图10为不同阵列宽度条件下气枪子波及频谱。随着阵列宽度的增大，子波主脉冲及虚反射未发生明显变化，子波低频能量增大，高频截止值减小。当阵列宽度超过18 m后，频谱低频能量不再明显增大，此时阵列距海底13 m，两者比例为1.38，而阵列宽度与阵列长度的比例为1。

4 实际资料分析

将本文影响激发子波因素相关认识用于指导渤中地区二次拖缆采集的震源设计。表1为新、老地震采集的主要参数对比。

从表1可知，新、老资料的电缆沉放深度、震源容量和震源深度均存在差异，其中老资料的电缆沉放深度为7 m、震源深度为6 m、震源容量为3950 in³，而新资料的电缆沉放深度为10 m、震源深度为7 m、震源容量为4365 in³，这种组合方式更有利于增强低频分量，增加地震波的穿透能力，为中―深层数据成像提供基础。图11为新、老地震采集单炮记录，对比可知：新采集地震单炮同相轴更明显，尤其在1~2 s之间反射能量增强，有效反射波信号更凸显，2 s之后接收的深处地层反射也更清晰；而老采集参数所接收的有效反射波能量较弱，2 s以下难以观察到清晰、连续的同相轴。从图12的新、老采集资料古近系（1.7~2.3 s）频谱对比可见，新资料比老资料的低频成分更丰富，频带更宽。

基于相同处理流程对新、老资料开展偏移成像处理，对比所得结果（图13）可看出，相对于老采集资料，新采集资料成像结果中断层归位准确，地层成像更清晰，花状断层内部地层反射能量和清晰度得到明显改善。从图14的新、老采集资料成像结果目的层段的频谱对比可知，目的层段频谱消除了陷波影响且主频有所提高，新资料较老资料频带拓宽明显，分辨率提高，有助于构造区主要目的层段东营组砂体展布特征、叠置关系及尖灭点等的刻画，提高了储层描述精度。

5 结论

本文分析了渤海浅水条件下气枪子波的主要影响因素，基于非理想气体气枪子波模型，模拟分析了单枪激发子波及频谱特征；并以渤海油田实际气枪阵列为基础，研究了震源沉放深度、拖缆沉放深度及震源平面展布对震源激发子波特性的影响规律，得到以下主要认识和结论。

（1）渤海浅水条件下，气枪子波波形的显著特征是缆鬼波和震源鬼波叠加导致子波呈现两个波谷。通过拖缆鬼波的子波分析，可定量地描述拖缆和震源的空间分布对子波的影响。

（2）震源沉放深度越深越有利于抑制鬼波效应和提高低频能量，但同时有效频带变窄，陷波效应增强。另外，震源沉放深度较拖缆沉放深度对子波的影响更大。当震源下沉深度为7~8 m，拖缆沉放深度为7 m时，子波的频谱相对较稳定，受拖缆深度波动的影响程度较小。

（3）在浅海条件下设计气枪阵列时应遵循的原则是：先充分考虑阵列长度、宽度与阵列沉放深度的关系，减少气枪脉冲在入射到海底时发生广角反射，提高入射波能量比例；然后在点震源设计理论基础上，适当调整单枪（枪簇）间距和子阵间距。

为方便研究，本文海水深度统一设定为20 m，这较适用于渤海海域，但仍需进行变深度条件下缆—源沉放深度组合的研究。文中虽然定性分析了不同缆—源沉放深度组合对子波性能的影响规律，但更应针对具体特征参数进行剖析。另外，由于较窄边界条件的影响，海底鸣震是浅水与深水气枪模拟的另一重要区别，针对不同海底地形结构且考虑鸣震的气枪子波模拟有待进一步探究。