自制Boomer震源在近海地震调查中的应用:从野外采集到资料后处理

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前段时间接连“邪修”并“速递”了两期别人家的研究成果,最近整理资料,心血来潮,呈送一篇自己家前几年发表的论文。
标题为:The application of a homemade boomer source in offshore seismic survey: From field data acquisition to post-processing
这篇论文在2023年发表于《Journal of Applied Geophysics》第210卷,也是鄙人博士后期间的工作成果。


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一、研究背景

研究背景:1)地震地层分析在理解区域沉积与侵蚀历史中具有重要作用。2)单道反射地震是海洋地震勘探中简单高效的手段。3)Boomer是一种基于电磁力驱动的高分辨率地震震源,具有波形特征好、重复性好等优点。

研究内容:本文基于自主研发Boomer震源的经验,提出一套适用于海上单道地震勘探的数据采集与后处理流程。通过消声水池标定和海上实际调查,了解该Boomer震源的子波特征,并验证其有效性。重点探讨如何通过控制震源深度利用海面“虚反射”提高信噪比(SNR),并优化处理参数。

二、实验与方法

震源系统与标定实验
震源系统:自制“Pulse Power Source 1 kJ” 能量箱及Boomer换能器,最大输出能量1000 J。
标定环境:在浙江大学舟山校区的消声水池中进行,水池尺寸为50m × 15m × 10m(长×宽×深)
接收设备:苏州声之源的SP60全向型水听器(灵敏度-200 dB re 1V/μPa),Tektronix MDO3024示波器(采样率1 MHz)。

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图1 子波标定示意图

标定结果:1)子波具有最小相位特性,持续时间约1.5 ms。2)主频带为300–4000 Hz,主频约1200 Hz。3)震源前方信号幅度比后方强约30%。此外,当输出能量从500 J增至1000 J时,幅度加倍,子波延续时间延长1.2倍。

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图3 子波测试@500J
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图6 子波测试@1000J
野外采集观测系统设计
拖曳方式:震源与拖缆平行拖曳,横向偏移6 m。
震源控制:设计双浮球拖筏控制震源深度(0.35 m),利用虚反射作为子波的一部分,提高信噪比。
拖缆对比
  • SIG 16.8.5:8个水听器,间距0.5 m,频响10–1000 Hz,高通滤波120 Hz。
  • HLY-1CH:8个水听器,间距0.25 m,频响5–10000 Hz,高通滤波5 Hz。
测线位置:中国广东省大亚湾,两条测线分别命名为Line-SIG和Line-HLY。

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图7 野外采集观测系统示意图

三、数据处理流程
主要处理步骤
  • 噪声衰减:使用Ormsby带通滤波器(150–300–4000–8000 Hz)。
  • 振幅恢复:球面扩散补偿 & 基于包络函数的自动增益。
  • 预测反褶积:用于压制多次波。
  • 涌浪滤波(可选):用于校正海面波动造成的影响。
数据对比
两条测线使用同一震源,不同规格的拖缆。
结果显示:HLY-1CH拖缆因水听器间距更小、频率频响范围更宽,获得了更高的地层分辨率,表现为同相轴更细。

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图13

四、主要结果与讨论
震源优势与局限
  • 优势:1)最小相位特性,无气泡效应。2)高频成分丰富,稳定性好。3)适合浅水高分辨率勘探。
  • 局限:1)电声转换效率低。2)低频能量弱。两者直接导致了穿透深度有限,在大亚湾海域的地质条件下穿透约30 m。
拖缆参数对成像质量的影响
  • 对于水听器组合接收缆,水听器数量相同时,水听器间距越小,分辨率越高,适用水深越浅。
  • 设备选型时,需确保水听器基元的频率响应范围应覆盖震源主频(300–4000 Hz),否则会损失有效信号。
在我们的研究案例中,所采用的SIG拖缆频率响应上限(<1000 Hz)与震源子波明显不匹配,所采用的HLY拖缆频率响应范围更合理,因此后者在地层垂直分辨率的表现似乎更好。
震源深度与虚反射利用
  • 控制震源深度为0.35 m,使虚反射与主脉冲叠加,虽然降低分辨率但提高信噪比。
  • 船速变化会影响震源深度,海况差时很难严格控制,这些情况对水下拖体设计提出了很高的要求。
多次波与涌浪校正
  • 子波的最小相位特征确保预测反褶积能够有效压制海底多次波。

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图10 & 图11

  • 涌浪校正有助于改善高频地震剖面中同相轴的连续性。

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图12
地质特征识别
在Line-SIG剖面上发现了极性反转地层反射(图13黑色箭头处),可能指示低速层(如含气层),这种特征是双极性显示模式的一个优势。

五、结论
  • 自制Boomer震源在浅水高分辨率地震勘探中表现出良好的应用前景。
  • 震源子波标定对硬件设计和处理参数选择至关重要。
  • 双浮球拖筏控制震源深度以利用虚反射,是提高信噪比的有效手段。
  • 拖缆参数(水听器间距、频响范围) 必须与震源特性匹配,才能获得高质量剖面。
  • 单道地震数据处理流程虽简单,但参数优化和细节处理至关重要。

六、研究贡献
  • 提供了一套完整的Boomer震源应用案例,涵盖从标定、采集、处理到解释的全流程。
  • 提出了利用子波标定结果和虚反射提高野外采集资料信噪比的实用方法。
  • 为地震设备设计和现场施工操作提供了经验参考。


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02

总结完上述内容后,习惯性地让DeepSeek帮我从研究思路、实验方法、创新性和文字语法角度评审一下这篇已经发表多年的论文。

以下是DeepSeek的评审意见(本人修改了部分不太符合行业表达习惯的术语,并标记了下划线):

一、研究思路(评分:8.5/10)

优点:

  1. 问题导向明确:作者聚焦于自制Boomer震源在浅水高分辨率地震勘探中的实际应用,从震源特性标定、观测系统设计到后处理参数优化,形成了完整的闭环。

  2. 思路逻辑清晰:先通过消声水池获取子波特征,再根据特征设计拖曳深度(利用虚反射)、选择滤波频带、确定反褶积参数,体现了“测量驱动设计”的合理思路。

  3. 对比设计得当:在同一测线上使用两种不同参数的拖缆(SIG vs HLY),直接对比了水听器间距和频响范围对成像质量的影响,具有较强的说服力。

不足:

  • 对于“为什么选择0.35 m作为最优深度”缺乏定量分析(如信噪比增益计算或陷波频率图解)。仅给出合成子波与海底反射的波形对比,略显定性。

  • 研究思路中未充分讨论海况变化对震源深度稳定性的影响及应对策略,仅在后文提到“简单方法在好海况下有效”,略显保守。


二、实验方法(评分:7.5/10)

优点:

  1. 标定实验规范:在50 m×15 m×10 m消声水池中进行,使用1 MHz采样率的高精度示波器,测量了前后方向、两种能量(500 J/1000 J)的波形,数据可靠。

  2. 采集几何描述详尽:给出了偏移距、拖缆长度、震源深度控制方式(双浮球拖筏+钢缆)、船速影响等细节,可重复性高。

  3. 处理流程清晰:带通滤波、振幅恢复(球面扩散+自动包络校正)、预测反褶积、可选涌浪滤波,步骤标准且参数依据标定结果设定。

不足与建议:

  1. 消声池测量的局限性:虽然称为“消声池”,但文中未提供反射界面的衰减指标(如边界反射衰减量级)。实际远场子波可能仍受池壁反射影响,建议补充验证方法。

  2. 震源深度控制方式过于简化:仅靠船速和钢缆长度被动调节深度,未使用主动深度控制器,导致深度波动(如图8中Trace23与24波形差异)。建议未来增加深度传感器与闭环控制。

  3. 缺少定量评价指标:对比两条测线时,仅视觉比较剖面,未使用分辨率(如地震子波主频变化、信噪比计算)或穿透深度统计值进行定量对比。

  4. 涌浪滤波可选性说明不足:什么条件下需要涌浪滤波?未给出判断准则。


三、创新性(评分:7/10)

主要创新点:

  1. 主动利用虚反射提高信噪比:传统海洋地震勘探中通常将虚反射视为需要压制或反褶积消除的干扰,本文反其道而行之,通过控制震源深度(0.35 m)使主脉冲与虚反射叠加,虽然降低了分辨率但显著提升了信噪比,且避免了陷波出现在兴趣频带内。这一思路对于浅水高噪声环境具有实用价值。

  2. 自制Boomer震源系统的完整案例研究:从硬件(1 kJ脉冲震源系统)到采集到处理的全链条展示,为同类型设备研发者提供了宝贵经验。

  3. 对比揭示了拖缆匹配的重要性:明确指出水听器频响范围必须覆盖震源主频(1200 Hz),否则SIG拖缆(上限1000 Hz)会损失有效信号,这一结论对设备选型有直接指导意义。

创新性不足:

  • 数据处理方法本身无新算法,均为常规处理模块(滤波、增益、反褶积)。创新主要体现在采集设计思想参数针对性优化上。

  • 虚反射利用并非全新概念,在浅剖和Chirp系统中已有类似做法,但应用于Boomer且给出具体深度设计的工作确实不多。


四、文字与语法(评分:8/10)

优点:

  1. 语言流畅,逻辑连贯:英文表达自然,专业术语使用准确(如“minimum phase characteristic”、“ghost reflections”、“predictive deconvolution”)。

  2. 图表与文字配合良好:文中引用的图号(Fig. 3, Fig. 8, Fig. 13等)与描述对应清晰。

  3. 结构完整:符合科技论文的IMRaD格式(Introduction, Methods, Results, Discussion, Conclusions)。

可改进之处:

  1. 少量语法/表达瑕疵

    • 摘要中 “entirely use ghosts as part of the source wavelet” 中的 “entirely” 建议改为 “fully” 或 “intentionally”。

    • 第2.2节 “the receiver ghost is not evident” 可改为 “the receiver ghost has negligible effect”。

    • 第3.2节公式下方 “0 < μ < 1” 后缺少对 μ 作用的简要解释。

  2. 重复内容:第4节讨论中再次列出震源优缺点,与前面结论部分略有重复,可精简。

  3. 参考文献格式:部分文献缺少页码或DOI(但可能符合期刊风格,非严重问题)。


整体评价

文字质量达到国际期刊发表水平,无需大幅修改即可被接受。



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03

首先,本人认为,DeepSeek专家的评审意见还比较中肯,有助于我思考,有利于继续提升该研究成果的质量,可以接受。

现在让我自己评价的话:

这篇论文创新性一般,但对工程实践有一定的参考价值,尤其对从事震源研发和近海单道地震调查的工程师/研究人员。

不过这项工作放到现在,估计我会直接选择写成推文在本号发布了,因为两条接收缆没有严格的控制变量。

欢迎留言或私信交流,公开批评就算了,私下指正可以有,毕竟文章都已经正式发表好几年了,取其精华去其糟粕,多多合作吧~~图片图片


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后记

前段时间邪修了两篇别人的论文,本想拿自己的论文也邪修一下,发现自己的论文略为“浅显”,没必要邪修。

最近对外交流,有圈内的朋友看到我前段时间推送的在南海的应用案例,想深入了解一下我们设备的应用案例,于是我把这几年整理推送的案例全都转发给他:

德拜速递|用实际案例告诉你2000J电火花震源能穿透多深的沉积地层

德拜速递 | DEBYE e-ACQ系列“海洋地震数据采集系统”研发与海试历程回顾

德拜速递 | DEBYE自研产品大亚湾开团,助力某团队科研项目顺利开展!

德拜速递 | e-PPS & e-Boomer外测回顾

德拜速递 | e-PPS & e-Boomer在东营海域独当一面

德拜速递|e-Boomer在厦门海域与SES2000、SBS-424和谐共处(暗地PK)

在我看来,不多不少。不过结果还是没满足那位朋友的需求,他继续问我有没有更多的应用案例?

另有一个朋友建议我多分享成套设备的典型案例。

事实上,案例是有的,只是没整理成推文,被我“独享”了。

23年5月第一次依托设备应用案例写推文时,当时想的就是把每一个应用案例都写成推文,把经验与大家共享,为促进行业进步贡献自己的一份力量。

然而,理想很丰满,现实很骨感。

最近突然又有了这个想法,不过动力好像不是很足,总感觉内心好像丢了什么东西似的。图片

既然如此,那就让大家的响应刺激一下我吧~


END.