前言
    Trabant（1984）根据震源主频范围，将工作频率在1.0~14.0 kHz的高分辨率反射地震勘探系统划分为地层剖面仪（系统），这类系统能够连续获取海底以下30 m以浅地层的高分辨率地震剖面记录。笔者认为按照工作频率和探测深度来划分存在着界限模糊的问题，因此笔者提倡根据观测系统来划分，将可近似为自激自收的高分辨率反射地震勘探系统均归为地层剖面系统，包括通常所说的浅地层剖面仪（通常是收发一体）和单道地震勘探系统（收发分置），因为这些探测系统的目的都是直接获取连续的地层剖面。
    地层剖面探测是海洋区域地质调查、海洋工程勘察的一项主要内容，对资源勘探、工程建设、科学研究等均具有重大的意义。地层剖面探测的需求推动了许多相关学科的发展，并在这些学科发展的驱动下，“硬件”和“软件”技术都得到了显著的提升（目前“软件”技术的储备是相对比较完善的）。用于探测地层剖面的设备通常被称为地层剖面仪、地层剖面声呐或地层剖面系统。从工作原理上讲，浅地层剖面探测与传统的油气地震勘探本质上并无区别，但由于其利用的声波频段比传统油气地震勘探的地震波频段要高得多，且应用领域或探测目标也有所差异，因此用户群体、关键技术及所采用的专业术语可能也有一定的区别。考虑到本文重点是讲述电火花震源（以及他好基友——Boomer）的海洋工程应用，一般是指海上单道地震调查（勘探），以下内容无特殊需求就简称“单道地震”。

图1 SIG Pulse获取的地震剖面（From S.I.G官网）

图2 AAE CSP2200+Squid 2000获取的地震剖面（笔者曾经参与的项目）

图3 GEO 2kJ获取的地层剖面（国内GEO“独家”代理提供）

    上面三张图片分别是国外三个知名厂商产的电火花震源实测地层剖面。电火花震源常应用于海上单道地震，实际上以下内容主要是关乎单道地震，与电火花震源并无直接联系。
    众所周知，震源作为海上单道地震系统的核心部分，对探测效果起着至关重要的作用。当然，接收端的水听器（检波器）同样扮演了不可或缺的角色，二者可谓是相辅相成，谁也不能掉链子（当然采集系统的稳定性和可靠性也非常重要）。震源和接收缆通常可以灵活搭配，以满足不同的勘探需求。理论上，两者合理搭配，参数合理设置，市场上流通的这些“主流”商业产品都能取得较为令人满意的探测结果（毕竟都是久经用户考验的）。不过另一个前提是这些设备得保养好。
    那问题就来了，何谓合理？
工作原理
    要合理，首先得清楚原理。
    简单复习一下概念，所谓的单道地震剖面实际上是指很多个零偏移距（炮检距）地震道按顺序排列而形成的，能直观地反映地下地质构造特征的一张“断面图”。

图4 零偏移距地震道获取示意图

    工作原理如上图所示，黑色矩形表示发射换能器，也就是震源，灰色矩形表示接收换能器，也就是水听器（缆）。地震波（声波）从震源出发，经过海底及海底以下地层反射之后抵达水听器，由采集系统记录震源触发时刻，并在震源触发之后采集记录水听器接收到的信号，由用户或预置的自动检测算法在记录的数据中识别出这些来自不同路径的反射信号，判别哪个来自海底，哪些来自地层，哪些是干扰。一般情况下，需要将发射和接收换能器的距离控制在一定的范围内，满足小角度入射-反射（主要原因是反射率与入射角度有关，角度过大，反射波的能量不足），以近似为自激自收观测系统，获得零偏移距地震道。

    图中的发射和接收换能器在空间上移动，即可沿着移动轨迹获得正下方的地层剖面。移动过程中，震源按一定的空间间隔激发，匀速移动时亦可按一定的时间间隔激发，每次激发（bong，bong，bong）均由采集系统记录水听器接收到的反射信号，每次形成一个地震道，也就是“声声是道”。

备航

    当然，前面只是最最基本的理论。实际海上工程应用中可能会涉及到许多选择性的难题。比如说，震源类型那么多，该选用哪一种？同一类型的震源有那么多厂商，该选择哪一个厂商的哪一个型号？水听器缆也同样面临着类似的难题，需要关注哪些参数？哪家好？
    个人观点：根据探测需求，先选择震源类型，主要是兼顾穿透深度和分辨率。当然，往往两者是不可能同时满足的。根据确定的震源类型再选择接收缆，主要是根据震源子波的主频范围来选择接收缆，确保接收缆采用的水听器频响范围包括震源子波的主频带，保证有效信号不遗漏。
    当然，这也只是最基本的原则！
    选定好震源和接收缆，就可以出海啦！

图5

    当然，别忘记带数据采集系统了（Cue一下某次出海测试干的蠢事）……
    不妨假设你是第一次带队出海干活，由于各种巧合，没有前辈指导，只有脑袋里装得满满当当的理论知识，还有一本葵（技）花（术）宝（手）典（册）。等你领着小伙伴们把设备都搬上船，连线完毕，调试完毕，设备正常，准备下水。不对，设备已经在水里了，因为这里用的是电火花震源，所以调试之前得先把发射头（放电电极）扔到水里。
    准备出发！调查船跑起来了……
    小伙伴A和B问：震源发射头从哪里放？放多长？
    小伙伴C问：水听器缆从哪里放？放多长？
    路飞说：全速前进！
    你说：停停停！我得打电话求助一下！
    我说：不要停，往下接着看！（或者看一下你带的技术手册）

图6

观测系统设计——横向排列观测系统
    “震源发射头和水听器接收缆平行后拖于调查船后一定距离”是一种常用的海上单道地震作业方式，也称为横向排列观测系统（如下，原图来自国内某代理商提供的设备技术手册封面）。读者大概也能猜到还有一种对应的作业方式称为纵向排列观测系统。

图7  海上单道地震调查——横向排列观测系统

    上面加粗部分解决了震源发射头和水听器缆“从哪里放”的问题（当然不是唯一的方案，仅供参考），但是究竟放多长呢？
    首先，不能超过你的电缆长度……
    放缆长度主要得考虑两个因素：一是调查船尾流对采集信号的影响程度；二是作业过程中，入水端设备的安全性。显然，后拖距离越短，离调查船尾部越近，受航行尾流的影响越大，船舶噪声的影响也越大，从这里考虑，后拖距离越长越好。但是，拖的越长，越不好控制，尤其是遇到紧急情况需要临时回收设备时（想象一下你在交通繁忙的海域作业，时不时有货船、渔船或快艇路过），或者是海况不好时，或者是更换测线调查船需要转弯时……这些情况都可能危害设备安全性。

    一般规律是，船越大或航速越快，航行过程中尾流越长，放缆长度就得越长。缆不够长的情况下，降低航速也是一种解决方案。降低航速有两个好处，一是尾流的影响会减轻，二是水听器缆本身的拖曳噪声也会减小；有一个坏处，工作效率会降低，同样的测线长度，在海上呆的时间会变长，施工成本也会增加（不过有出海补贴的话也会变多……）。

  图8 DEBYE e-PPS + e-Boomer采集的地震剖面

    综上所述，采用不同的调查船（用渔船，渔船就变成调查船了），震源发射头和接收缆布放的长度也需要进行相应的调整，具体还是得看工作人员的作业经验以及对现场采集数据质量的监控。此外，不同厂商的生产工艺水平必然有所差异，故不同型号接收缆的性能也必然不同，可能就会直接体现在拖曳噪声上。不过笔者尚未对这种情况进行详细调研，暂且不论。（从研制接收缆的角度来看，需要生产能够抗拖曳噪声的缆，在高速拖曳下仍能保持低噪声水平，以配合高性能震源，提高海上调查的工作效率。）

    这里主要是想强调：后拖距离计算的几个端点分别是：震源发射头的几何中心点、震源拖曳绳（缆）在船尾处的固定点、水听器阵列的几何中心点、水听器电缆在船尾处的固定点，另外还有GPS天线的安装位置，用于推算实际的反射点位置。海上作业时，尽量以这两个几何中心点为基准，控制两条缆的释放长度。啰嗦一句，建议备航时做好标记，一劳永逸。

水听器组合缆

    上面探讨水听器缆该放多长时提到了“水听器阵列的几何中心点”。没错，虽然单道地震采用的接收缆通常只有一个信号输出通道，但入水端用于检测信号的传感器（水听器）通常是多个，俗称基元。比如说，笔者最近常用的SIG 16.8.5是8个基元，基元间距0.5m；以前常用的AAE的AH150/20是20个基元，基元间距0.15m；GEO的Mini-Streamer基元数量有8至24个以上，笔者常用的一条缆是20个基元，基元间距0.2m。这些技术参数通常也可以在厂商提供的Data Sheet中查找到，也可以自己动手量一量。一般而言，用户亦可根据自己的需求向厂商提出规格要求，定制基元数量和基元间距。

    图7描的横向排列观测系统示意图正是拖着一条8基元的水听器组合缆，不难看出，水听器阵列的几何中心点是第4和第5个基元的中点。不过，这里对长度或距离的测量精度要求也没那么高，如果使用的是电火花或Boomer震源的话，个人认为累积误差控制在分米级，足矣。

水听器阵列长度对接收信号的影响关系

    那么，水听器阵列长度对接收信号有何影响呢？

图9 阵列长度对海底反射信号的影响

    上图是笔者以SIG 16.8.5水听器缆的几何参数为原型所作的海上观测系统示意。

    不难想象，震源产生的声波到达各个水听器基元的旅行时是有所差异的，包括直达波和反射波（们）。而这个差异大小取决于两个因素，一是工作人员对布放长度的控制，二是接收缆中水听器阵列的长度。

    当阵列固定时，比如上图中的8个基元，基元间距0.5m，上面提到的旅行时差就取决于工作人员对放缆长度的控制。当两个几何中心严格对齐时，震源所产生的声波及各类反射波到达各个水听器的旅行时差理论上会达到最小。这种情况下，来自不同路径的反射波基本上是同相的（相干），而其它信号通常是不相干的，可视为是随机的，叠加后就弱了。这也就是地震勘探原理课堂上常说的检波器组合效应。

    以上图的观测系统为例，假设水深为15m，由于工作人员手扌斗，导致震源发射头的几何中心点与第一个水听器基元对齐了，而不是与水听器阵列的中心点对齐（如上图中灰色圆形的情况），则在海底平坦的情况下，反射波到达第1个基元和第8个基元的旅行时差约为0.14ms。以我们团队在水池实测的Boomer震源的声压波形为例，这0.14ms的时差影响并不大（不过水再浅一些，情况就不一样了，感（有）兴（需）趣（要）的读者可以自己动手画一画、算一算）。一般情况下，震源子波的主频越低，影响越小。此外，深度越大，被影响越小。

图10 e-Boomer震源实测声压波形延时叠加效果示意图

观测系统设计——纵向排列观测系统

    前面提到还有一种观测系统称为纵向排列，示意图如下：

图11  海上地震调查——纵向排列观测系统

    事实上，纵向排列常用于多道地震，单道地震很少见。

    Baradello和Carcione（2008）对两种排列的优劣进行了详细的探讨，当接收缆水听器基元的数量和间距固定时，横向排列在浅水区及浅层高分辨率勘探具有明显的优势。

    需要强调一下，并不是说纵向排列观测系统就不能用于单道地震！仔细琢磨上述文献得出的结论，反向思考，为了弥补纵向排列在浅水区及浅层高分辨率勘探的劣势，我们应该从接收缆水听器基元的数量和间距入手，提高纵向排列在浅水区的适用性。

    实践表明，选择窄间距的水听器缆是一种可行的弥补方案。下图正是笔者所在项目团队近期用纵向排列观测系统获取的单道地震剖面，这里仅截取测线的其中一段，目的是让读者能够看清细节。顺便提一下，与采用横向排列在同一位置获取的剖面基本是一致的。（由于相关成果写了论文，投了稿，暂且不变透露太多细节，择期再细论）

图12 纵向排列观测系统采集的地震剖面

    需要说明一下，笔者也是因为项目研究需要才选用了纵向排列，绝不是因为头铁。从个人实践经验来看，如果是海上单道地震调查，还是横向排列观测系统合适。置于纵向排列，六个字：非必要 ，不建议！

后记

    上回发布的那篇《海洋电火花震源的基础研究现状与展望》，在后记里预告了这篇推文要聊聊“电火花震源的海洋工程应用和资料处理”，写着写着发现很难紧扣主题（从小作文就写不好），原因大概是因为电火花震源的海洋工程应用就是海上单道地震调查，而海上单道地震调查可用的震源类型不仅有电火花，还有Boomer等，单聊“电火花震源的海洋工程应用”实在是有（说）点（不）局（过）限（去）。所以写着写着仿佛就变成“海上单道地震调查的细枝末节”了。（那就顺其自然吧）

    很多人可能会认为海上单道地震调查这么简单的工作，能有啥可挖掘的？嗯……其实我也是这么觉得的，确实没啥可挖的，本来就是很基础的一项工作，本意是做好这件“小事”。不过，小事依然可以做细，精益求精嘛！写这篇文章的目的只是想把笔者入行以来积累的一些经验分享给大家，相信对刚入行的朋友应该还是会有所启发的。（大佬们可绕道，不过大佬应该也不会看到这里）

    从12年上研究生跟师兄们第一次出海，到现在也满10年了，How time flies...那时候干的就是单道地震，用的就是电火花震源，在这里感谢一下那时候带我入门的前辈们。（想你们了...）

    老规矩，后期有空再聊聊单道地震资料处理的细枝末节吧。感谢看到这里的朋友们，下期见。

    PS：上面显示的地震剖面几乎都是经过笔者后处理的。

象征性的参考文献：

Trabant P K. Applied high-resolution geophysical methods: offshore geoengineering hazards[M]. Springer Science & Business Media, 2013.（最新版）

Parkinson R. High resolution site surveys[M]. CRC Press, 2000.

Zhou H W. Practical seismic data analysis[M]. Cambridge University Press, 2014.

Dondurur D. Acquisition and Processing of Marine Seismic Data. Elsevier, 2018

Margrave G F, Lamoureux M P. Numerical methods of exploration seismology: With algorithms in MATLAB®[M]. Cambridge University Press, 2019.

Baradello L, Carcione J M. Optimal seismic-data acquisition in very shallow waters: Surveys in the Venice lagoon[J]. Geophysics, 2008, 73(6): Q59-Q63.