地震野外数据采集技术与方法PPT演示课件

第四节高分辨率地震数据采集系统主要指地震数据接收设备，高分辨率地震勘探对数据采集系统的要求：主要包括地震仪、检波器等。,1,1.仪器应有较高的灵敏度；2.有大的动态范围动态范围是指地震仪能够线性记录地震信号的最大值与最小值之间的范围，通常用他的比值来表示。其表达式为：,地震仪器,2,20log（线性记录的最大信号电压）/（线性记录的最小信号电压）单位为分贝（db）.例如当比值为104时，动态范围为80分贝；地震仪应有宽的频带和可选择的滤波器；4.对地震脉冲有良好的分辨能力；5.仪器对各道有良好的一致性；,3,DZQ24地震仪,4,5,6.一个检波器+一个放大器+记录显示系统=一个地震记录道一、检波器1.是将地震波返回到地表时所引起的地面振动转换成电信号的一种装置；2.有动圈电磁式（用于陆地工作）和压电式（用于海洋和沼泽地）,6,（一）动圈式地震检波器工作原理1.当线圈在磁板间隙内运动时，线圈切割磁力线，在线圈内产生感应电动势；2.电动势的大小与与切割磁力线的速度成正比，故又叫速度检波器；见图3.4-1,7,8,9,检波器的特性及参数,3.该结构对于水平方向的运动，线圈与磁铁之间没有相对运动，因此没有输出。(二）检波器的特性及参数1检波器具有自己的固有频率，固有频率高，可以消除低频噪声2.阻尼系数h是检波器的另一特性指标，设检波器的固有频率为0,10,图3.4-1动圈式检波结构草图,11,（1）h0称为过阻尼，使接收到的信号减弱，甚至失真，见图3.4-3(b)(2)ht是顶、底界面的反射波能否分开的条件，。,25,图3.5-1接收点R所记录的地震记录是两个反射波叠加的结果,26,4.当地层厚度h/4时，才能由波形特征分辨夹层顶、底界面的存在；5.当地层厚度h/4时,称为薄层，不能由波形特征分辨夹层顶、低界面的存在；,27,6.在地层厚度h=/4时，出现相对振幅的极大值，这种现象称为薄层的调谐效应。此时的地层厚度称调谐厚度，利用调谐效应可以分辨四分之一波长的波层的厚度。见图3.5-2,28,图3.5.2薄层干涉的分辨率研究,29,1.指沿横向方向所能分辨的最小地质体的尺寸；2.第一菲涅尔带：地表点震源发出的球面波到达界面时的波前面，与前面相距1/4波长先期到达的另一波前面在界面上形成的圆称第一菲涅尔带，见图3.5.3；,二、横向分辨率,30,3.在频率较高时，第一菲涅尔带半径为下式4.如果地质体的水平宽度a满足不等式则这样的地质体相当于一个点的绕射，不能分辨该地质体的存在；,31,5.第一菲涅尔带半径r随频率f增高而减小，随勘探深度h增大而增大，因此不能撇开地质体的埋深而谈分辨率问题(横向分辨率随勘探深度的增大而减小)。,32,图3.5.-3第一菲涅尔带范围确定示意图,33,6图3.5.4是砂岩体模型宽度与其对应的地震响应，对于大于菲涅尔带的反射段，显示的反射图形与反射段的形态一致，对于小于菲涅尔带的反射段，地震反射特征发生变化，呈现点绕射型效应、振幅随岩层横向宽度的减小而降低。,34,三、对影响分辨率的几个因素的讨论无论是垂向分辨率还是横向分辨率，都是与子波的频率成分、频带宽度和相位特征等因素有关，子波的波长越短，分辨率越高，频带越宽，分辨率越高，在频谱相同的情况下，零相位子波具有较高的分辨率，这是因为零相位子波，频带较宽，振动延续时间最短所致。,35,图3.5-4表示宽度不等的砂岩体横向分辨模型,36,（一）分辨率与频率成分的关系分辨率不依赖于单频谐波的频率，单频波的分辨率为零，只有同时增加频带宽度方可；见图3.5-5.(二）分辨率与信噪比之间的关系,37,1.地震记录信噪比会影响地震记录的分辨率；2.设地震记录的分辨率为Pa(无噪声存在条件下的分辨率)，信噪比为r，可以证明,38,图3.5-5相同频带宽度的子波具有相同的分辨率示意图,39,式中pn为有噪声存在条件下的分辨率，r为信噪比，Pa为无噪声时的分辨率；3.地震记录的分辨率可以用子波的分辨率来描述，零相位子波的分辨率最高；4.当信噪比r趋于零时，分辨率pn趋于零；5.当r趋于无穷大时，等于无噪声时的分辨率Pn=Pa,分辨率与信噪比之间的关系,40,6.当r=1时，Pn=1/2Pa；7.当r2时，pnPa；8.信噪比r=24比较合适；9.如果工区干扰成分大，应重点提高记录的信噪比，干扰小，应以提高分辨率为主。,41,(三）分辨率与大地滤波作用1.地震记录的分辨率随传播深度的增加而降低，要提高纵向分辨率，又有较大的勘探深度，就要拓宽子波的频带宽度，使子波向低频端扩展。,42,2.影响反射波到达时差的因素主要是地层波速和地层厚度，但在同一岩层中横波速度比纵波速度小，因此利用横波勘探可提高垂向分辨率；3.深层速度大，频率明显降低，同样厚度的地层在浅层可以分辨，深层可能不能分辨。,43,一、记录长度与时间采样率1.记录长度的选择必须保证记录到最深目的层来的反射波,并留有一定的余量；2.记录长度=地震仪的采样点数采样率（采样间隔），采样点数确定了，采样率高，测量精度高，但勘探深度变浅；,第六节地震勘探工作参数选择,44,3.采样率的选择应满足采样定理：,二、最大和最小炮检距1.最大炮检距xmax就是炮点与最远一道之间的距离，一般最大炮检距应大致等于最深目的层的深度h，或,45,2.最大炮检距太大会带来宽角反射的畸变影响；3.最小炮检距xmin是炮点与最近一道检波器之间的距离,又称偏移距；4.xmin不应小于最浅目的层的深度；5.xmin大一些可以消除声波和面波干扰。,46,三、最佳接收地段的选择最佳接收地段又称“最佳窗口技术”，如图3.6-1四、道间距的选择道间距又称空间采样率，它影响地震记录的横向分辨率，用x表示，道间距小，横向分辨率高，但勘探费用大，选择道间距应从以下因素考虑：,47,图3.6-1最佳窗口技术,48,(一）有效波能够可靠对比的条件是:,其中T是有效波的视周期，t是相邻接收道的波至时间差；因此道间距应满足：,49,（二）确保足够的空间采样率即要求在一个波长内至少两次采样，避免陡倾界面的假频化；（三）对反射界面进行充分采样选择道间距应保证第一菲涅尔带内至少有两道四个CDP点接收，也就是x应小于第一菲涅尔带的半径。例如：,50,第七节浅层地震勘探野外抗干扰技术一、组合法组合是指用一组检波器产生一道信号输入或多个震源同时激发构成一个纵震源，前者称为组合检波，后者称为组合激发，是应用波传播方向的不同来压制干扰波的一种方法。它主要用于压制面波之类低视速度规则干扰波及无规则的随机干扰。,51,按照互换原理，震源组合与检波器组合的原理是等价的。我们以检波器组合为例介绍组合法原理。实际中组合形式多样，有面积组合、线形组合、等灵敏度组合、不等灵敏度组合。但大都以简单线性组合为基础。故主要介绍简单线性组合法。,52,简单线性组合形式是组合检波器沿测线等间距直线排列，设各检波点间距为x,第k个检波器分布在测点的位置为X=(k-1)x,第k个检波器接收的任一规则波可表示为,53,如果有n个检波器组合，则组合后的输出为设f(t)的频谱为g(j),组合后的频谱为G(j),54,组合后地震波的频谱与组合前相差一个因子k(j)=k(,t),若固定频率,就是研究地震波组合的方向特性,若固定t=ti,就是研究来自某一方向的地震波的频率特性,1.规则波线性组合的方向特性由(3.7.2)可知,组合因子,55,式(3.7.3)是组合的综合特性,它是频率和时间差t的函数,显然组合因子k的幅角,56,这是组合的相位特性,如果n是奇数,组合后的相位延迟是组合内中间那个检波器的值,如果n是偶数,则是中间两个检波器的平均值.K的模值为,57,这时组合的振幅特性,组合后的输出振幅与频率和入射方向有关,归一化的组合方向特性为,58,表明:(1)只要地震波的视速度很大,近乎垂直出射到各接收点,则t0,组合后的输出达到最大值,在区间内,0.707,称通放带.图3.7.2是组合数目不同的方向特性曲线.,59,(2)在区间内,值最小,有(n-1)个零值点,这个区间称为压制带(3)组合数目n增加,通放带变窄;(4)有效波的视速度很大,可以落入通放带,组合后的输出达到最大,是未组合前单个检波器输出振幅的n倍;(5)对于低视速度的面波可以落入压制带,组合后相对受到压制;所以组合法也叫视速度滤波.,60,图3.7-2组合数目不同的方向特性,61,2.规则波线性组合的频率特性取(3.7.3)中的频率为变量,固定t,得到归一化的组合频率特性公式.归一化的组合频率特性公式为,62,固定组合数目n，以t为参变量，频率f为横坐标，可绘制组合频率特性曲线。见图3.7-3.表明:(1)视速度为无穷大时，组合后对所有频率成分都没有频率滤波作用；,63,图3.7-3组合法频率特性,64,(2)随t增大，组合对高频成分有压制作用；(3)组合的频率特性会使有效波形产生波形畸变；(4)实际工作中应设法提高有效波的视速度，例如近炮点接收，倾斜界面时，采用下倾激发上倾接收。,65,(二）不规则波的组合特性,由于组合法是对不同位置上振动的叠加,所以只研究波在位置上的相关性.组合内两点之间波形的相似程度用相关系数R(lx)表示,当距离系数L=0时,R(0)表示自相关,用(Lx)表示标准化的相关系数,66,当(lx)0时,表示相距lx的不规则干扰波互不相似,这两点之间的距离成为相关半径.组合接收时,组合内每个检波器点接收到的地震波是有效波和干扰波组成的,f(t)=s(t)+n(t)(3.7.9)对于随机干扰波n(t),统计特性参数是,67,M是数学期望符号,对于干扰波组合前的方差D为是随机干扰的均方值,68,组合前的信噪比组合后随机干扰的方差,69,由于和的数学期望等于数学期望的和,上式中第一项,令,70,第二项,由于x,y的互相关系数,所以,71,同理根据常量的数学期望等于常量本身,得到,72,当L=0时,得到自相关系数又因为,73,所以式中,74,组合后的信噪比为整理后得到组合后的统计效应为,75,设有n个检波器组合,如果组合内不规则干扰波相互统计独立,则(lx)=0,=0,且有效波的时间差t0,这时统计效应有最大值,76,说明:1.G代表组合后的信噪比除以组合前的信噪比，可见组合可以提高地震记录的信噪比倍。2组合法具有平均效应,对提高分辨率不利.,77,（一）垂直叠加1.利用地震仪的信号增强功能，在相同接收排列上，将炮点多次重复激发的信号叠加在一起，达到提高信噪比的目的；2.经m次垂直叠加后，使有效波振幅增强m倍；3.对相互统计独立的干扰波，经m次垂直叠加后，振幅将增强倍，因此利用垂直叠加可以提高信噪比。,二、叠加法,78,(二)水平叠加(共反射点多次叠加法),检波器组合法在压制面波等低视速度干扰方面有着明显的作用，但组合后的反射信息却是界面上某一小段反射波信息的平均，因而存在平均效应，“降低了横向分辨力。此外，它对于多次反射波之类的干扰波压制效果很差，甚至无能为力.,79,为了弥补组合法的弱点，梅恩(Mayne,1962)提出了多次叠加方法。其观测系统是多次覆盖.所得资料经动、静校正、叠加等数字处理后，可压制多次反射波之类的干扰，提高信噪比。实践诞明，这种方法显著地提高了地震勘探的工作质量，因此，它己成为世界上广泛应用的地震勘探工作方法。,80,共反射点多次叠加又称共深度点多次叠加、共中心点多次叠加或多次覆盖技术。基本思想是在地面上不同的观测点或以不同的方式对地下某点的地质信息进行重复观测，可以保证即使有个别观测点受到干扰,亦能得到地下每一点的信息。,81,1.水平界面的共反射点时距曲线此方法是建立在水平界面假设的基础上的。界面上任一点A在地面的投影为M，以M点为中心分别在地面点激发，在对应的点接收来自界面上同A点的反射波，A点称为共反射点或共深度点。M称为共中心点或共地面点。,82,将共深度点道集从原始共炮点记录中抽出并集合在一起，即构成共深度点道集。各点时间绘制的图形是双曲线。,83,共中心点处的时间它相当于在M设置激发点，在同一M点接收所观测到的波至时间。它有别于共炮点时距曲线上炮点的回声时间，一般称它为自激自收时间。习惯上把共深度点道集内第一道(炮检距最小者)的炮检距称为偏移距。,84,2.动校正和多次叠加原理由于道集内各接收道有着不同的炮检距，则各道反射波存在一定的相位差。以自激自收时间t0作为基准时间，由共反射点道集内各道反射波到达时间减去t0时间可得到各道相对于共中心道的时间差，称为正常时差t。,85,经校正t后共反射点道集时距曲线变成一条t=t0的直线,如图3.7.5。这一过程称为正常时差校正或动校正。经动校正后共反射点道集中各反射波不仅波形相似，且没有相位差，此时进行叠加，反射波将得到加强。把叠加后的总振动作为共中心点M一个点的自激自收时间的输出，就实现了共反射点多次叠加的输出,86,对动校正后的信号进行叠加成为水平叠加，叠加次数即多次覆盖次数；把叠加后的总振动作为共中心点M的输出，就是共中心点多次叠加的输出；,87,图3.7.5动校正示意图,88,在对水平多层界面的有效反射波时距曲线作动校正时，如果有多次反射波存在，那么多次反射波时距曲线比一次反射波时距曲线曲率大。因此，动校正后的多次反射波时距曲线未变成t=t0的直线，仍残留时差，,89,我们把这种经动校正后残留的时差称为剩余时差，如图3.7.6所示。假设一次反射波的t0时间与某个多次反射波的t0时间相同，按一次反射波作动校正后，多次波的剩余时差为,（3.7.19）,90,q为多次波剩余时差系数,91,图3.7-6多次反射波的剩余时差,返回,92,式中td为多次波的正常时差，t为一次反射波的正常时差。可见，多次波剩余时差与炮检距平方成正比，各叠加道剩余时差不一样，进行叠加时不是同相位叠加。因此，叠加后多次波会被削弱。这就是水平叠加压制多次波,突出有效波的原理.,93,3.水平叠加特性讨论共反射点多次叠加特性主要以单边激发的多次覆盖观测系统进行。设地下某一共反射点到达地面共中心点M处的正常一次反射波为f(t),94,对该共反射点道集内各道反射波进行动校正并叠加。对于正常的一次反射波来说，叠加后输出结果为,95,其频谱为:G()=nF()然而，对于多次反射波之类的干扰波作动校正仍有剩余时差tk,由于多次波速度vd低于相同t0时刻的一次反射波的速度，所以一般为正值，叠加后输出结果为,96,其频谱为由(3.7.23)式可见。K()表征了多次叠加特性。因此，我们定义它为多次叠加特性函数，即,97,K（）亦可理解为滤波特性，只是物埋意义不同，从这个意义可以认为多次叠加是线性滤波系统。它具有振幅特性和相位特性。K()的模就是多次叠加的振幅特性，,98,即从上式明显可见，对于正常反射波，剩余时差等于零,叠加后输出信号振幅增强n倍。对于多次波之类干扰波存在剩余时差,叠加后相对削弱。为表示多次波叠加后相对于正常一次反射波的压制程度，,99,我们用叠加后多次波的振幅与叠加后一次波的振幅之比来表征叠加效果，则有,100,而炮检距其中,偏移距道数则为炮点距道数,101,定义k为叠加参量，它表示各叠加道剩余时差所占谐波周期的比数，于是叠加振幅特性公式表示为,(3.7.25),(3.7.25)称为水平叠加的频率特性函数,102,式中为偏移距道数;=d/x为炮点距道数,与叠加次数n及仪器记录道数N有关。所以需确定的参数为:叠加次数n;偏移距道数;炮点距道数;道间距x。,103,水平叠加的相位特性函数为,对于剩余时差为零的一次反射波,叠加后信号相移为零,即叠加后的信号的相位与共中心点处M的相位一致.,104,5.水平叠加法的参数对叠加特性的影响(1)以道间距为参量制作不同道间距的叠加特性曲线，见图3.7.8，随着道间距的增大，通放带变窄，边界频率降低,有利于压制与一次波速度相近的多次波等干扰波，但也不宜过大，,105,如果x过大，不仅影响波的同相位对比，而且也会使一次波产生剩余时差受到压制。道间距亦不能太小，太小的道间距不能压制多次波。小的道间距有利于提高分辨率.,106,(2)偏移距对叠加振幅特性曲线的影响见图3.7.7.偏移距越大，通放带变窄，有利于压制与有效波速度相近的规则干扰波。但也不宜太大，偏移距太大，会使某些规则干扰波进入二次极值区，影响压制干扰波的效果，另外也会损失浅层有效波。,107,(3)叠加次数n对叠加特性的影响见图（3.7-10）叠加振幅特性曲线中压制带的平均值的大小与叠加次数n有关系，叠加次数越大压制带平均值越小，压制效果越好。所以增大叠加次数对于提高信噪比是有利的。但也不能过大，因为叠加次数越高，生产效率越低，耗资越大。,108,对多次反射波，经叠加后会被削弱的，但有时也会有残余能量，残余能量的同相轴根据叠加相位特性呈现特殊规律，即相位随偏移距分段变化而同相轴分段错开,109,各段之间错开的相位差随叠加次数n增加而减小。叠加次数越高，就越增强多次波同相轴的连续。高叠加次数时，应注意有否多次波剩余同相轴。共反射点多次叠加法也有类似组合法的统计效应.,110,4不规则干扰波的叠加效应（1）对不规则干扰波叠加后振幅增大倍，而一次反射增加n倍，因此水平叠加后信噪比提高倍。,111,（2）叠加法比组合法有更好的统计效应。共反射点多次叠加法也有类似组合法的统计效应，由于叠加道之间的距离(多次叠加相关半径)大于组合检波的组合距，所以叠加法对随机干扰有更好的压制效果，其统计效应优于组合法。,112,图3.7-7偏移距对频率特性的影响,113,图3.7-8叠加频率特性曲线,114,(3)大炮检距对分辨夹层顶底界面的反射波不利；见图(3-7-9),因此小道间距、小偏移距和短排列接收有利于保护高频成分，提高分辨率;(4)叠加法还有频率滤波作用，对于有剩余时差的波起低通滤波的作用，对于无剩余时差的波没有频率滤波作用。,115,图3.7-9简单地层模型和时距关系图,116,图3.7-10覆盖次数对叠加频率特性的影响,=12、x=20,q=15.610-9,117,（1）叠加速度误差对叠加效果的影响叠加效果好坏，关键是动校正量是否准确。对于有效反射波，如果动校正量正确，那么动校正后叠加道集的各道信号校正为t=t0的直线，能同相叠加，叠加后有效波能量大大加强，叠加效果好，否则叠加效果差。动校正量正确与否取决于叠加速度。如果叠加速度大于有效反射波的真速度、那么动校正量就会小，,6.影响叠加效果的因素,118,动校后有效反射波的同相轴不能变为t=t0的直线，仍是曲线状，在地震记录上其同相轴方向与初至波同相轴方向一致。如果叠加速度小于有效反射波的真速度，则动校正量会过大，动校正出现过校正现象，其同相轴方向与初至波的相反。这两种情况下，有效反射波都不是同相叠加，叠加效果是不会好的。,119,倘若选择的叠加速度恰好等于多次波速度时，那么叠加后非但没有压制多次波，反而使之增强，削弱了有效波。因此，叠加速度提取得是否合适，直接关系到叠加剖面的质量。,120,总之：a)速度小于正常速度，动校正量过大，形成的同相轴与初至方向相反；b)速度大于正常速度，校正不足，校正后的同相轴与初至方向相同,他们都不能形成同相位叠加；,121,(2)非共反射点叠加,当地下的反射界面为倾斜界面时，按水平多次覆盖观测系统进行观测，会出现非共反射点叠加问题。在数据处理时，若仍按共反射点道集规律抽道，此时所抽的道集已不是共反射点道集了。因此，动校正后的叠加类似于组合的情况，这必然影响叠加的实际效果。见图3.7.11,122,图3.7-11倾斜界面时共反射点的分散,123,各反射点之间的分散距离与界面倾角大小有关，即倾角越大，共反射点的分散距离越大，越影响共反射点意义下的叠加。,124,倾斜界面情况下;按水平界面情况抽取共反射点道集虽然是非共反射点的，但却是共中心点道集;对于这种道集的反射波时距曲线称为共中心点时距曲线，其方程是共中心点时距曲线方程。,(3)剩余时差的存在影响叠加效果,125,图3.7-12倾斜界面共中心点与反射点的几何关系,126,利用图示的简单几何关系很容易建立以共中心点M处法线深度表示的共中心点反射波时距曲线方程式,127,即式中hM是共中心点M处的法线深度。上式还可写为,128,式中称为等效速度，t0M是共中心点M处的自激自收时间。可见，当=0时，方程式恰为共反射点时距曲线方程。倾斜界面情况下的精确动校正量应为,129,或,t为倾斜界面时的动校正量,130,它与水平界面情况下的动校正量t之间有差异，,当x/2h1时，,131,由上式可见，对于倾斜界面按水平界面的动