电磁驱动可控震源技术及应用2012

电磁驱动的可控震源系统及应用

地震勘探简介

电磁驱动可控震源系统设计

电磁驱动可控震源系统应用

相控可控震源系统设计

结论与建议地球信息探测仪器教育部重点实验室主要内容一地震勘探简介地球信息探测仪器教育部重点实验室地下探测成像示意ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室课题背景及研究意义

地震勘探是一种常用的地球物理勘探方法。震源是地震勘查技术的重要组成部分，是产生地震信号的源头。其中，相控阵可控震源是在城镇人口稠密区不允许使用冲击震源的前提下，进行浅层地震勘探的有效设备。天然地震人工锤击炸药可控震源内蒙正镶白旗地下水勘察内蒙正镶白旗地下水勘察内蒙正镶白旗地下水勘察城市环境云南省铜业集团有限公司易门矿务局狮凤山矿巷道入口矿井巷道二可控震源系统设计地球信息探测仪器教育部重点实验室理想的能量无限大尖脉冲（a）及其频谱（b），尖脉冲（c）及其频谱（d）幅度频率0炸药震源通过地震仪的限带接收后得到的频谱ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室扫描信号的形成示意可控震源工作示意ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室MrapMpa

m-f(t)=Mrar+Mpap基板作用于可控震源基板的反作用力MrapMpa

m-f(t)=Mrar+Mpap基板可控震源控制原理图反馈信号伺服系统驱动力控制预定扫描控制CRTADCAD7008信号调理多路切换RAMDAC幅度控制MrMp基板Timer基板加速度运动体加速度功放工控586微机硬盘轻便高频可控震源系统框图激振器不同大地的影响ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室增加扫描信号长度的效果示意扫描信号频率与宽度变化对相关波形的影响ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室线性扫描信号的频谱ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室f1f2Ttf非线性扫描示意线性扫描非线性扫描联合扫描示意f1f2feftElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室PHVS-500型可控震源系统在郑州黄河滩实验现场PHVS-1000型电磁驱动可控震源2004年获发明专利一项出力是国外同类产品的两倍三电磁驱动的可控震源系统应用地球信息探测仪器教育部重点实验室CDP(1.5m)5010015020001002003004005000100200300400500Time(ms)Time(ms)2503001河北迁安县首钢大石河矿区可控震源激发地震实验剖面图

ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室河北迁安县首钢大石河矿区可控震源地震实验深度剖面图(比例尺水平1:3000垂直1:3000)

ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室1002000m80mTime:ms40m振幅强度颜色投影标尺：-52.8m0m7.0m7.0m4.9m6.2m花岗岩地层深度24m2鞍山涵洞可控震源地震探测成像3.

易门铜矿井中地震勘探我国当前正在开采的众多有色金属生产基地，曾为我国经济的发展做出了较大的贡献，但这些大型有色金属矿山，很大一部分的探明资源均已枯竭，保证年限低于5年。地球信息探测仪器教育部重点实验室

在众多有色金属工业基地中，存在众多矿业型城市，矿业及矿产品加工业产值占该城市工业总产值的30%以上，有的甚至达90%，可以说，这些重要资源生产基地的兴衰决定着所在城市的兴衰。而由于矿产资源枯竭导致的社会矛盾，严重危及地区经济发展和社会稳定。ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室长春北京昆明ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室凤山狮山No.9中段No.13中段No.14中段No.17中段观测系统参数设计：中段号测线号震源类型叠加次数扫描频率(Hz)采样率(Hz)记录时间(ms)偏移距道间距141可控震源450~500200061442012可控震源450~500200061441013可控震源450~50020006144201171可控震源450~500200061441412可控震源450~500200061442013可控震源450~50020006144101131锤击震源16__400010242022锤击震源16__40001024202云南易门矿务局危机矿山增储勘探技术研究云南省铜业集团有限公司易门矿务局狮凤山矿巷道入口吉林大学地震勘探工作组在狮凤山矿井下工作照片（一）ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室吉林大学地震勘探工作组在狮凤山矿井下工作照片（二）ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室吉林大学地震勘探工作组在狮凤山矿井下工作照片（三）ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室图1浅层点实验地震记录

ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室CK1420-2CK9020-5.4CK付9018-6CK付9018-1.2CK付1122-2CK7322-2CK9022-2CK80221-1CK1822-1CK7324-1CK7320-3CK付9018-8.7F283158F26F26F26F10F26-1440046004800440046004800640066006800640066006800DMMPDMDMDMMPMP测线2测线1测线3图2.14中段3条勘探剖面所处位置示意图

197-2197-3(97)(98)F26F26-1F26F26-1MPMPDMMP100980985990995910098098599099594600470046004700图12.凤山矿段付20号横剖面图46104679.5100ms图11.14中段1号测线地震解释剖面ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室46054634.5100ms图14.14中段2号测线地震解释剖面5858197F26MPDMDMMPMPMPF6809859909959100980985990995910094700460047004600图15.凤山矿段20号横剖面图313121F10DLDMStF26-1F26-172MP809859909959100980985990995910094400450044004500图18.凤山矿段22号横剖面图图18.凤山矿段22号横剖面图F10FL2DMDMDMDLSt859909959809759100985990995980975910094400450044004500图19.凤山矿段付20号横剖面图3131(23)(24)DLDMDLMP(20)MP809859909100980985990995910094400450044004500959图20.凤山矿段20号横剖面图图17.14中段3号测线地震解释剖面Time:ms1003002006560Time:ms1003002006641.5南北测线2测线1测线3MPDMMPDLDLDLMPMPF9-4F45F51F9-3F9-2F9-1StStStF45FL4CK付158S-1CK付9008S-4CK付9008S-1CK2110-1CK94S-1CK94S-2CK2110-12CK9012-2CK9012-1CK付9010-1CK9151-3CK1310-1CK1310-2CK9261-1CK付128SCK付128S-2135413681359MP88738747000720074004600480046004800700072007400MP图4.17中段3条勘探剖面所处位置示意图

Time:ms1004003002004600Time:ms1004003002004677.5西东图22.17中段1号测线(1360巷道)地震解释剖面图24.17中段2号测线(1355巷道)地震解释剖面Time:ms1004003002004600Time:ms1004003002004659.5西东图26.17中段3号测线(1368巷道)地震解释剖面

西东4590Time:ms1004003002004623.5Time:ms100400300200DMDL75-1CK9014-6CK2114-10CK9014-5CK付1314-1CK付2514-1CK付1316-2.1CK7514-1CK2316-3CK1316W-5.4CK1118W-3CK1118W-4CK1318N-3.2.1CK2318-3CK2316-459-2CK2316-1测线2测线118S680070007200付10400042007200付107000680018S42004000CK1116-4CK1316B-2.1图6.13中段2条勘探剖面所处位置示意图

Time:ms100400300200CDP:1100400300200540西南东北图28.13中段1号测线地震解释剖面Time:ms100400300200CDP:1Time:ms100400300200132西南东北图30.13中段2号测线地震解释剖面ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室四相控震源系统设计地球信息探测仪器教育部重点实验室1相控震源地震勘探理论基础地球信息探测仪器教育部重点实验室研究背景

在城镇人口稠密区不允许使用冲击震源的前提下，利用相控阵可控震源实现地下信息的弹性波高分辨无损探测，为城市地下活断层探测、地下洞穴探测、文物考古探测、灾害地质调查、工程勘察等提供有效的技术与装备。深部(大激震力)浅层(高分辨率)

地球信息探测仪器教育部重点实验室相控震源地震勘探理论基础

相控阵地震系统是由一组可控震源共线排列而成，通过对各台震源激励信号的延时或相位控制，使得目标点的信号同相叠加，震动最强，从而在空间形成任意方向的波束。相控阵地震系统使得地震波汇聚成束，目标点信号得到增强，其他方向震动减弱，信噪比得到提高。地球信息探测仪器教育部重点实验室（1）地震波波束形成原理

考虑两个震源的情况，如右图：虚线表示波束方向，与阵法线成角，p为波束方向上的一点。在远场上，和可看成平行。则波程差可表示为，由波程差引起的相位差为：

通过补偿这个相位差使地震波到达目标点时的相位同相，实现在波束方向上同相叠加。（2）主波束方向上地震波的汇聚4123使地震波在接收点同相叠加控制各个震源的相位

同样，对多个震源来说，适当控制各个震源的相位，使地震波在传到检波器处同相，从而形成波束。30º地震波束方向图

地下形成如图四个波束30º，90º，120º，180º，除主波束外，其它波束形成副瓣。主波束ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室45º地震波束方向图

地下形成如图四个波束

45º

，90º，120º，180º，除主波束外，其它波束形成副瓣主波束ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室60º地震波束方向图

地下形成如图四个波束

60º，105º，140º

，除主波束外，其它波束形成副瓣。

主波束ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室90º地震波束方向图

地下形成如图三个波束

45º，90º，135º

，除主波束外，其它波束形成副瓣。主波束ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室相控地震系统的创新点优点缺点结论组合地震提高输出力各震源产生的波前不同步，接收信号差不能实现高分辨率地震勘探，尤其不适合多台震源相控地震提高输出力，各震源产生的波前同步，接收信号信噪比提高可实现高分辨率地震勘探，震源台数增加效果更好地球信息探测仪器教育部重点实验室相控地震系统的创新点相控系统实现方法：为了保证接收信号同相，可用延时和相位控制两种方法实现。

具体地，可通过精确控制延时时间和相位，形成不同的波束方向和波束宽度。地球信息探测仪器教育部重点实验室2相控可控震源系统设计地球信息探测仪器教育部重点实验室系统构成信号发生卡+功放+激震体相控阵系统硬件相控阵震源硬件系统构成：

1个主控系统+4台震源单个震源的相关指标：工作频率：5-1400Hz；最大出力：500N；相控震源的相位同步精度：3（1400Hz时的控制精度）；地球信息探测仪器教育部重点实验室线性CHIRP扫描的实现非线性扫描的实现激震器系统地球信息探测仪器教育部重点实验室供电系统——UPS考虑野外供电的不方便，采用UPS供电地球信息探测仪器教育部重点实验室863信息获取与处理主题前沿探索类课题测试结果延时2.5ms约100ms稳定，稳定时间与延时基本长短无关延时7.5ms相控阵系统的实验研究

——信号发生卡的波形线性调频信号（50-300Hz）中截取的一段地球信息探测仪器教育部重点实验室相控阵系统的实验研究

——信号发生卡波形与基板波形的对比结论：发生卡波形传到基板后存在一定的失真，参考信号应选用基板信号。信号发生卡的波形基板上的波形地球信息探测仪器教育部重点实验室相控阵系统的实验研究

——基板波形结论：起震时机械系统有一个适应阶段，失真较大，可通过幅度加锥来改善。起震时基板的波形起震后基板上的波形相控阵系统的实验研究

——基板信号与激震器信号的对比结论：起震时基板跟大地有一定程度的脱耦，可通过幅度加锥来改善。激震器附近的波形基板上的波形相控阵系统的实验研究

——1台震源和2台震源信号的对比结论：2台震源信号明显加强1台震源相距3m的震源ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室相控阵系统的实验研究通过2台震源的室内实验，可得出以下结论：

1.本系统已具备控制多台震源共震的能力。

2.本系统已具备采集地下信息的能力。

3.通过对比两台震源与单台震源震动时采集的波形，证明其能量确实加强，为进一步的波束定向研究奠定了基础。ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室相控震源系统模型

建立可控震源相控系统模型—通过对可控震源的激震器合理排列和相位及幅度的控制，使发出的地震波形成方向性较强的波束，从而实现采集系统接收到的反射信号显著增强且具有较高的信噪比；

地球信息探测仪器教育部重点实验室(1)相控阵震源控制信号选取从1#震源起，2#,3#,4#震源控制信号依次延时时间t1,t2,t3,延时时间与震源间距，波束方向，地震波速度等因素有关。延时过后均发出chirp信号。控制各震源chirp信号相位。通过锥化，可使接收信号旁瓣衰减更快

上述两种方法均可实现相控系统。ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室(2)相控阵震源参考信号选取依据：在主波束方向的远场观测点，各震源发出的chirp信号同相叠加。观测点的信号是振幅加强的chirp信号.

以震源控制信号为参考信号

ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室(3)相控阵震源间距选取避免栅瓣出现，间距d<λ/2提高方向系数，间距d应加大为近似远场模型，间距d应取得小一些

震源数量少时，要保持主波束宽度不变，必须增大间距d.结论：本系统间距d在2-4米左右3、正演计算

ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室模型1双层水平层状介质模型2三层水平层状介质模型3双层起伏地层模型相控模型正演模拟计算ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室模型1结构图ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室模型1单个点源地震波场传播模拟ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室模型1单个点源地震波场传播模拟（续）ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室模型1相控阵震源地震波场传播模拟ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室模型1相控阵震源地震波场传播模拟（续）ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室模型1单个点源合成地震记录能量弱分辨率低模型1相控阵震源零延迟模拟结果

有旁瓣信噪比低模型1相控阵技术延迟2ms模拟结果旁瓣有所减少模型1相控阵技术延迟4ms模拟结果(最佳）基本没有旁瓣，分辨率高模型1相控阵技术延迟6ms模拟结果能量减少分辨率降低模型1相控阵技术延迟8ms模拟结果能量进一步减少，分辨率进一步降低模型2结构图ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室模型2单个点源模拟结果能量弱分辨率低模型2相控阵震源零延迟模拟结果

有旁瓣信噪比低模型2相控阵技术延迟2ms模拟结果

有旁瓣信噪比低模型2相控阵技术延迟4ms模拟结果基本没有旁瓣，分辨率高模型2相控阵技术延迟6ms模拟结果能量减少分辨率降低模型2相控阵技术延迟8ms模拟结果能量进一步减少，分辨率进一步降低模型3结构图ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室模型3单个点源模拟结果能量弱分辨率低模型3相控阵震源零延迟模拟结果

有旁瓣信噪比低模型3相控阵技术延迟2ms模拟结果

有旁瓣信噪比低模型3相控阵技术延迟4ms模拟结果基本没有旁瓣，分辨率高模型3相控阵技术延迟6ms模拟结果能量减少分辨率降低模型3相控阵技术延迟8ms模拟结果能量进一步减少，分辨率进一步降低正演结论相控阵地震探测技术能够沿特定方向汇聚地震波的能量，从而使探测目标反射地震波的能量得到增强，达到压制噪声的目的。对于特定的探测目标而言，相控阵地震探测技术一般存在一个最佳的相位延迟值（或时间延迟值）。低于这个最佳值，信躁比降低；高于这个最佳值，分辨率降低。通过计算机模拟计算，可以获得这样的最佳值。地球信息探测仪器教育部重点实验室ElectrodynamicVibroseisandItsApplications4、野外实验验证

ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室37.5m286.5m18m长春市郊秦家屯野外实验剖面排列地球信息探测仪器教育部重点实验室ElectrodynamicVibroseisandItsApplications长春市郊秦家屯野外实验工作参数震源类型道间距(m)偏移距(m)炮点距(m)炮点数采样率(Hz)采样点数工作频率(Hz)锤击3126438k409616次锤击可控震源1102148k4915250~500相控震源1102148k4915250~500组合震源1102148k4915250~500地球信息探测仪器教育部重点实验室ElectrodynamicVibroseisandItsApplications16次锤击单点记录T/ms100200300ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室单震源单点记录T/ms50100150ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室组合震源单点记录T/ms50100150ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室相控震源单点记录T/ms50100150ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室长春秦家屯活断层锤击剖面T/ms150300450CDP100192ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室长春秦家屯活断层锤击剖面CDP192T/ms125250500375100ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室T/ms125250500375长春秦家屯活断层锤击剖面之一ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室T/ms125250500375CDP7640长春秦家屯可控震源地震剖面ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室T/ms125250500375CDP7640长春秦家屯相控震源地震剖面ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室T/ms125250500375CDP7640长春秦家屯组合震源地震剖面ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室T/ms125250500375CDP7640T/ms125250500375CDP7640T/ms125250500375CDP7640T/ms125250500375CDP2714长春秦家屯锤击震源地震剖面长春秦家屯可控震源地震剖面长春秦家屯相控震源地震剖面长春秦家屯组合震源地震剖面机械结构设计与改进可控震源系统

原来需要多于4个人才能移动,通过机械结构设计,1个人就可以方便地移动了!五结论与展望ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室所取得的成果ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室1专利:申请和授权国家发明专利8项

2获奖:获吉林省科技进步1等奖和

教育部科技进步2等奖

3人才培养:培养博士8名

4论著:专著1部,发表高水平论文

20多篇

5应用成果:为内蒙正镶白旗引水工程

和云南易门铜矿增储做出了贡献ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室孙锋，2009，海洋电磁式可控震源系统研制及可控震源扫描方式研究张林行，2007，基于接力式以太网的分布式地震数据采集与传输技术研究姜弢，2006，基于相控震源的地震波定向方法研究蒋忠进，2004，弹性波Chirp信号检测与时延估计研究陈祖斌，2002，电磁式可控震源相位自适应控制与可控震源系统研制孙明，2001，新疆土屋铜矿地震勘探技术应用研究张子山，2001，可控震源地震勘探中基于高阶统计量的信号处理技术研究别红霞，2000，浅层高分辨率地震仪性能优化研究与设计几种新型震源简介ElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室ElectromagneticVehicleVibrator

withoutput10000NElectrodynamicVibroseisandItsApplicationsWorkinginthefield

ElectrodynamicVibroseisandItsApplicationsThisfigureisasinglepointpictureofElectromagneticVehicleVibratorworkinginthefield左边是相控震源和组合震源的单点剖面图，右图是大震源的单点剖面图ElectrodynamicVibroseisandItsApplicationsElectrodynamicVibroseisandItsApplications地球信息探测仪器教育部重点实验室ACROSS(AccuratelyControlledSeismicSystem)。ACROSS震源能产生精度优于10-4Hz的系列性正弦连续振动,振动波进入地下,穿透地下介质,被放置于地表的特殊设计的地震计组接收。由于采用了通信上的提高信噪比技术(主要是窄带精密滤波接收技术和精密时控相位迭加技术),接收的理论能量信噪比提高了106。与1个爆炸震源的能量相比,其能量可以减少10-9。由于这一主要的优势,使ACROSS震源具有了如下主要特点:1)只要用很小的震源能量输出,就可以达到高的接收信噪比,而且传输得比较远。在城市中这种震源不产生振动污染,成为一种名符其实的“环保人工震源”。2)由于用了高信噪比技术,使得接收地震计放在城市交通和人们活动的地动干扰大的地方也能起到抑制地动干扰,提取小信号的目的。这就使地震计可以方便地在城市中布设。ACROSS震源ElectrodynamicVibroseisandItsApplicationsACROSS震源ElectrodynamicVibroseisandItsApplicationsACROSS震源ElectrodynamicVibroseisandItsApplicationsACROSS震源夯击震源典型的夯基参考道夯基冲击系列(检波器)自相关结果零时间ElectrodynamicVibroseisandItsApplications编码过程FromParkandMiller,1996ElectrodynamicVibroseisandItsApplications解码过程FromParkandMiller,1996ElectrodynamicVibroseisandItsApplications非随机效果随机效果参考道质量检查Sidelobes–leadto“ghosts”夯击系列自相关夯击系列自相关t变化t不变ElectrodynamicVibroseisandItsApplications非随机的影响tttt相关噪声(“鬼波”)ElectrodynamicVibroseisandItsApplications劳雷公司冲击夯结果图ElectrodynamicVibroseisandItsApplications冲击夯+加速度计 于2007年9月7日在地