用于洋中脊热液区结构探测的宽频带气枪震源组合激发模式研究

The air-gun based active seismic exploration method is an important approach to study the geological structure of the mid-ocean ridge and the hydrothermal activity zone. However, the bubble oscillation during air gun stimulation and source ghost reflected from the water surface limit the effective band width and cause significant low frequency loss which become a bottleneck of its application on high resolution seismic and deep structure imaging. This project intends to use the self-developed high-precision air gun source simulation platform to study single gun/cluster based multi-depth synchronous and asynchronous stimulation modes. Focusing on solving the scientific problems of virtual depth construction and combined suppression of source ghost and residual bubble, this project aims to come up broadband air gun source design for MOR shallow sulfide and deep structure simultaneous detection. Utilizing auxiliary source to create a virtual depth and break up the competing effect, and combining with real depth to realize the complementary advantages of synchronous and asynchronous stimulation modes are innovations of this project. The supposed results have important significance for promoting the seabed scientific research and the resource exploration.

基于气枪震源的主动源地震探测方法是研究洋中脊热液区地质结构的重要手段。然而，气枪在激发过程中产生的气泡震荡以及来自于海面反射的震源鬼波，降低了震源信号的有效频带宽度并造成了严重的低频缺失，成为制约气枪震源在洋中脊热液区浅层硫化物堆积体结构探测及深部构造成像等领域进一步应用的瓶颈。本项目拟利用自主研发的高精度气枪震源模拟平台，构建以单枪/相干枪为单元的多深度立体模型，开展基于同步及异步组合激发模式的宽频带震源设计方法研究。重点解决虚拟深度模型构建和震源鬼波及残留气泡联合压制等科学问题，最终得到适用于洋中脊热液区不同尺度、不同深度目标同步探测的宽频带震源方案。本项目的创新之处在于基于辅助震源构建虚拟深度消除中和效应，并与真实深度组合实现同步及异步激发模式优势互补。预期成果对推动海底科学研究和资源勘查具有重要意义。

气枪激发过程中的气泡震荡和鬼波陷波降低了震源信号的有效频带宽度并造成了严重的低频缺失，严重制约了气枪震源在洋中脊热液区结构探测中的应用。本项目依托国家自然科学基金资助，开展了同步与异步组合激发模式下的宽频带气枪震源设计方法研究。利用自主研发的高精度气枪震源模拟平台，以单枪/相干枪为单元构建了多深度立体震源组合模型，通过理论分析、模型构建、公式推导、数值模拟以及模式优化等，解决了虚拟深度模型构建和震源鬼波及残留气泡联合压制两大关键科学问题，最终得到适用于洋中脊热液区不同尺度、不同深度目标同步探测的宽频带震源方案。理论模拟结果表明，优化之后的震源能够实现200Hz以上的宽频带激发，低频响应比常规水平震源高6dB左右，并且能够避免过多对海洋环境造成危害的高频输入。基于归一化能量谱分析的气枪一致性研究结果表明，多深度组合模式能够有效改进能量的一致性，200-250Hz频带范围的有效入射角度能够达到±30°。此外，针对热液系统复杂的地质构造，提出了多频激发和权重反褶积融合模式，实现不同频率区间数据的有效融合，避免了在频率交叠区间的噪音过度放大问题。依托大洋65航次开展了气枪震源远场子波观测，为后续组合激发震源的实际应用和后续高精度子波模拟与反演提供了借鉴。

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