地球物理勘探(王永刚)08第三节地震波的激发和接收

地球物理系王永刚 地震资料采集方法与技术 地球物理勘探 课程内容 第1章绪论第2章地震波运动学理论第3章地震资料采集方法与技术第4章地震波速度第5章地震资料解释的理论基础第6章地震资料构造解释 第一节野外工作概述第二节野外观测系统第三节地震波的激发和接收第四节低 降 速带测定和静校正第五节地震组合法第六节共反射点叠加法 第3章地震资料采集方法与技术 第三节地震波的激发和接收 一 地震波的激发1 对激发的基本要求2 炸药震源3 非炸药震源二 地震波的接收1 对接收的基本要求2 动圈式地震检波器3 压电式水听器4 数字检波器5 采集站6 数字地震记录仪7 野外采集参数的确定 第三节地震波的激发和接收 一 地震波的激发 shooting 1 对激发的基本要求 激发的地震波要有足够的能量 以利于反射波法查明地下数千米深度范围内的一整套地层的构造形态 激发产生的有效波与干扰波之间在能量 频谱特性等方面要有明显的差异 有利于记录有效波 激发的地震波要有较高的分辨能力 适应于精细地震勘探和开发地震的要求 在同一工区内要求使用的震源类型 激发参数 激发岩性 激发井深 药量等 记录特征等应该保持基本一致 即记录面貌的一致性和稳定性 第三节地震波的激发和接收 2 炸药震源 山地钻机 沙漠钻机 钻激发井所用的各种钻机 砾石钻机 第三节地震波的激发和接收 2 炸药震源炸药量的大小 爆炸介质的岩性 激发井深 药包形状及其与爆炸介质的耦合等因素 对地震波的形状 振幅 频率等特点有重要的影响 地震波的振幅A与炸药量Q的关系遵循以下规律 式中 当炸药量较小时 m1为1 1 5 当炸药量较大时 m1为0 5 0 2 第三节地震波的激发和接收 振幅A与炸药量Q的关系主频f 与炸药量Q的关系 地震脉冲波的视周期T 或主频f 与炸药量Q的关系是 式中C为比例系数 Q为药量 表明药量越大 波的视周期越大 主频越低 第三节地震波的激发和接收 实践表明 炸药包的形状为球状效果最佳 长柱状药包的效果差一些 如果把炸药包制成下图形式 可使炸药能量下传的能量大为加强 实验表明 爆炸机制的性质对所激发的地震脉冲波亦有影响 如在低速疏松岩石中激发时产生的振动频率低 在坚硬岩石中激发所得到的振动频率偏高 在胶泥 泥岩中或潜水面以下激发得到的振动频率比较适中 第三节地震波的激发和接收 实验还表明 爆炸能量与介质之间的耦合关系影响波的能量 爆炸能量与介质存在几何耦合和阻抗耦合的关系 当炸药包的直径与爆炸井的直径接近时 几何耦合为100 炸药的特性阻抗 炸药密度 炸药起爆速度 与介质的特性阻抗 岩石密度 岩石中纵波的波速 之比称为阻抗耦合 当该比值等于1时 激发地震波的能量最大 第三节地震波的激发和接收 3 非炸药震源地震勘探使用的非炸药震源有气动震源 重锤以及可控震源等 可控震源的使用最为广泛 第三节地震波的激发和接收 为了说明可控震源的工作原理及优点 先讨论关于增强地震波能量的问题 根据脉冲信号总能量的计算公式可知 一个延续时间为的地震脉冲S t 的能量ES是 显然 ES的大小与信号的振幅有关 也与信号的延续时间有关 因此 要增大有效波的能量有两个途径 增大振幅 如适当加大药量 但受到一定限制 增大信号的延续时间 t 但信号的延续时间过长又降低了地震勘探的分辨能力 第三节地震波的激发和接收 基于相关分析原理的脉冲压缩记录方法 即连续振动法 Vibroseis 向地下输入一延续时间很长的脉冲信号 记录的地震响应在资料处理阶段将其压缩成短脉冲 从而达到既增强信号能量 又不降低分辨能力的目的 可控震源使用液压驱动的震动器装置 将不同的压力作用在底盘钢板上 钢板是利用车辆自身的重量与地面紧密耦合 压力P的变化过程满足下式 适用于多波勘探的可控震源 第三节地震波的激发和接收 式中df dt可正 升频扫描 可负 降频扫描 如果是线性扫描则为常数 A t 为振幅 f1是起始频率 频率f f1 df dt t的变化范围在12 60Hz之间 扫描长度一般为7 35秒 可控震源的工作原理右图所示 第三节地震波的激发和接收 可控震源往地下发射的是一个延续时间较长 频率随时间变化的 简谐信号 目前用于地震勘探的线性扫描信号为 式中 f是t时刻的扫描频率 a是扫描速率 即扫描频率每秒变化多少赫芝 式中的正号表示扫描频率随时间逐渐增高 升频扫描 负号表示扫描频率随时间逐渐降低 降频扫描 第三节地震波的激发和接收 可控震源地震勘探的记录过程如下图所示 第三节地震波的激发和接收 实际的可控震源记录 第三节地震波的激发和接收 利用线性扫描和非线性扫描的可控震源所得的地震剖面见右图 图中左半部分是非线性扫描 频率为10 90Hz 右半部分是线性扫描 频率为13 50Hz 第三节地震波的激发和接收 与炸药震源相比 可控震源的突出优点 不产生地层不传播的振动频率 从而节约能量 炸药震源记录到的地震波是带限频率 而可控震源则可以根据地层特性选择损耗最少 最适合于地层传播的频带作为扫描频带 不破坏岩石 不消耗能量于岩石的破碎上 可控震源冲击地面的力量一般是5 15吨 对岩石的破坏较小 抗干扰能力强 可控震源引起地面损害小 特别适宜于居民稠密的工区工作 但缺点是结构庞大复杂 对地表复杂的地区 使用不便 第三节地震波的激发和接收 二 地震波的接收1 对接收的基本要求 具备强大的信号放大功能 对微米数量级的地面位移进行可变倍数放大 记录的原始地震资料要有良好的信噪比 地震仪器必须有频率选择功能 具备足够大的动态范围 地震波在地层内传播过程中 由于波前的扩散 界面的透过损失 介质的吸收等原因 其能量浅层很强 深层很弱 在地震勘探中 把地震波振幅强弱差别的变化范围称为地震波的动态范围 第三节地震波的激发和接收 记录的原始地震信息具有良好的分辨能力 是指在地震记录上区分某地层顶底反射波的能力 在仪器设计方面应该合理选取仪器参数 使仪器的固有振动延续时间不要太长 具有较好的分辨能力 对记录仪器的一些技术要求 要求仪器是多道的 且各道间应是高度一致的 原始记录长度应是任意的 但必须大于5秒长度 把记录数据准确地传输到计算机处理中心 便于各种分析与处理 具有精确的计时装置 便于地震资料的地质解释 地震勘探野外作业的自然环境千变万化 要求地震仪器在结构上具备轻便 稳定 耗电少 操作简单 维修方便等特点 还能经得起颠簸和恶劣的气候变化等 第三节地震波的激发和接收 2 动圈式地震检波器 geophone seismometer detector 检波器是安置在地面 水中或井下以拾取大地振动的地震探测器或接收器 其实质是将机械振动转换为电信号的一种传感器 目前地震检波器几乎都是动圈式 用于陆地工作 和压电式 用于海洋和沼泽 的 动圈式电磁检波器 其机电转换通过线圈相对磁铁往复运动而实现 第三节地震波的激发和接收 涡流地震检波器 这是美国OYO公司1984年研制成的一种检波器 其结构见下图 它是利用惯性部件和固定在机壳里永久磁场作相对运动产生涡流 涡流又使固定在机壳里的线圈感应出电流的原理而制成 第三节地震波的激发和接收 3 压电式水听器 Hydrophone 这种检波器是用压电晶体或类似的陶瓷活化元件制成的薄片作为压力传感元件 当薄片受到外力 如水压力变化 作用发生弯曲 则在薄片的两面产生电压差 每一面上都有薄的电镀层和电路连接 用来测量这个电压差 该电压差与瞬时水压 与地震信号有关 成正比 在海洋地震勘探中 水听器通常安置在一条或多条拖缆内 拖缆拖在地震船尾 距水面的深度为10 20米 见下图 第三节地震波的激发和接收 由于水听器记录的是压力变化 而陆地检波器记录的是质点的速度 两种记录不匹配 这在过渡带施工时是不可避免的 两种记录不匹配最常见的特征就是存在900的视相位差 第三节地震波的激发和接收 4 数字检波器成功开发出数字检波器产品有美国I O公司的VectorSeis和法国Sercel公司的ViborSeis 这种检波器利用硅片受到振动会发生相对形变 从而改变控制电路电压的变化 将这一变化的电压放大并进行数字化 24位模数转换 彻底改变了地震勘探使用了几十年 以机电转换为主的传感器 第三节地震波的激发和接收 由于加速度型数字检波器采用微电子技术 MEMS MicroElectronMechanicalSystems微电子机械系统 硅片的质量小 失真小 对振动非常敏感 加上微电子线路的整形 动态范围大 它的另一个优势是利用电子线路来识别检波器的方位 用软件区分不同方向的波 克服了过去三分量检波器用水泡来定位的麻烦 提高了矢量保真度 矢量保真度是指每个分量互相耦合的信号量度 第三节地震波的激发和接收 数字检波器的所有线路利用光刻工艺制造 线路稳定性能好 使用这种检波器将大大简化野外采集站的功能 减小体积 提高野外施工效益 为多波多分量勘探提供了工具 与常规10Hz三分量速度检波器性能比较表 下图为常规检波器与数字检波器的记录对比 由图可知 利用6只普通检波器组合所得的记录与单只VectorSeis数字检波器所得记录完全一样 第三节地震波的激发和接收 关于检波器的安置条件 可用谐振频率f0和阻尼系数来度量之 大量的试验和生产实践表明 与检波器接触的岩石越致密 坚硬 谐振频率越高 可达数百Hz 而接触于疏松地面时 谐振频率只有数十Hz 且干扰特强 频率向低处移动 不同表层的谐振频率见下表 第三节地震波的激发和接收 检波器与地面的耦合良好时 阻尼系数较大 挖坑并去掉浮土埋置检波器可提高f0和阻尼系数 需强调的是 检波器耦合谐振所造成的缺陷远大于所有地震仪及检波器的精心改进 第三节地震波的激发和接收 5 采集站 acquisitionunit 采集站目前有两种发展趋势 简单 稳定 达到免维护能力的趋势 增加一些处理 存储 自动调整 大线管理的能力 即趋于复杂化 功能简单型采集站以SN338型仪器的采集站为代表 它只具备信号放大 模数转换 数据传输或存储等三大功能 这种类型的采集站 体积小 结构简单 基本做到免维护 其它功能都留在主机里进行 因此采集站的价格便宜 成本低 但主机的工作量比较大 功能相对要强 如滤波 陷波 相关或叠加 频谱整形等都在主机内进行 第三节地震波的激发和接收 功能复杂型采集站除完成三大基本功能外尚有模拟滤波 陷波 频谱整形 高频提升 自动调节等功能 还有一种类型仪器的采集站的功能更复杂些 采集站内部有一中央控制器和存储器 可在采集站内进行相关或叠加 在其交叉站里有数据排列 分选之功能 也就是把大线管理部件之功能分解在交叉站里 这样 主机就非常简单 只是一个单纯的计算机用于完成转录 质量控制 现场处理等功能 第三节地震波的激发和接收 6 数字地震记录仪 1 地震记录仪的发展概况第一代 模拟光点记录地震仪国外是从20世纪30年代初到50年代末 大体经历了30年 是地震勘探的初期 也是四代地震勘探仪器经历时间最长的一代 我国从20世纪50年代初到60年代末应用模拟光点记录地震仪 简称为51型地震仪 第二代 模拟磁带记录地震仪国外是从20世纪50年代初到60年代末 经历了约十几年 模拟磁带地震仪在开始时是直接记录式的 即由磁记录器直接记录模拟地震信号 但由于其记录动态范围小 很快改为经调制后记录 如脉冲调宽式 调频式 第三节地震波的激发和接收 第三代 数字磁带记录地震仪20世纪70年代初期 数字地震仪采用了瞬时浮点增益控制放大技术 模数转换技术 数字磁记录技术以及现代通讯技术 如美国德克萨斯公司1970年研制的DFS V型 法国舍赛尔公司研制的SN 338B型数字地震仪 第四代 遥测地震仪为了适应三维 高分辨率 多波多分量地震勘探和超多道 超高次叠加等新方法 新技术的需要 并随着数字通讯 遥控遥测 计算机控制处理 磁记录等方面的新技术的发展 使得新一代遥测多道数控地震仪应运而生 并发展迅猛 所谓的遥测就是利用电缆 光缆 无线电或其他传输技术对远距离的物理点进行测量 第三节地震波的激发和接收 无线电遥测示意图 第三节地震波的激发和接收 目前 在石油工业中使用的数字地震仪的型号主要有 美国A A Inc公司生产的Opseis 5500型无线遥测地震仪 美国Fairfied公司生产的Telseis RtDt型地震仪 美国Opseis公司生产的Opseis Eagle型地震仪 美国I O公司生产的SYSTEM 24位模数转换器的遥测地震仪 法国Sercel公司生产的SN388地震仪 1999年从美国Fairfied公司引进了BOX采集系统 第三节地震波的激发和接收 2 数字地震仪记录过程 SN 338B型数字地震仪记录过程示意图 第三节地震波的激发和接收 遥测数字地震仪记录过程 SN 388型数字地震仪记录过程示意图 第三节地震波的激发和接收 法国Sercel公司生产的SN388遥测地震仪有两个主要部件 野外采集设备 包括采集站 接收地震信号 离散采样 信号放大 模 数转换 传输数据到交叉站 交叉站 转发和传送数据 也可为采集站供电 和电源站 对采集站供电 中央控制记录系统 由人机交互界面 HumanComputerInterface HCI 和采集处理部件 AcquisitionProcessingModule APM 组成 第三节地震波的激发和接收 7 野外采集参数的确定 1 最大偏移距Xmax 这是炮点与排列中最远一道间的距离 应该大致等于最深目的层的埋深 2 最小偏移距Xmin 这是炮点与排