地球物理勘探王永剛08第三節(jié)地震波的激發(fā)和接收

1、地球物理系 王永剛,地震資料采集方法與技術,地球物理勘探,課 程 內 容,第1章 緒論 第2章 地震波運動學理論 第3章 地震資料采集方法與技術 第4章 地震波速度 第5章 地震資料解釋的理論基礎 第6章 地震資料構造解釋,第一節(jié) 野外工作概述 第二節(jié) 野外觀測系統(tǒng) 第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收 第四節(jié) 低(降)速帶測定和靜校正 第五節(jié) 地震組合法 第六節(jié) 共反射點疊加法,第3章 地震資料采集方法與技術,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,一、地震波的激發(fā) 1、對激發(fā)的基本要求 2、炸藥震源 3、非炸藥震源 二、地震波的接收 1、對接收的基本要求 2、動圈式地震檢波器 3、壓電式水聽器 4、數(shù)字檢波器

2、5、采集站 6、數(shù)字地震記錄儀 7、野外采集參數(shù)的確定,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,一、地震波的激發(fā)(shooting) 1、對激發(fā)的基本要求 激發(fā)的地震波要有足夠的能量，以利于反射波法查明地下數(shù)千米深度范圍內的一整套地層的構造形態(tài)。激發(fā)產(chǎn)生的有效波與干擾波之間在能量、頻譜特性等方面要有明顯的差異，有利于記錄有效波。激發(fā)的地震波要有較高的分辨能力，適應于精細地震勘探和開發(fā)地震的要求。在同一工區(qū)內要求使用的震源類型、激發(fā)參數(shù)（激發(fā)巖性、激發(fā)井深、藥量等）、記錄特征等應該保持基本一致，即記錄面貌的一致性和穩(wěn)定性。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,2、炸藥震源,山地鉆機,沙漠鉆機,鉆激發(fā)井所用的各種鉆機

3、,礫石鉆機,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,2、炸藥震源 炸藥量的大小、爆炸介質的巖性、激發(fā)井深、藥包形狀及其與爆炸介質的耦合等因素，對地震波的形狀、振幅、頻率等特點有重要的影響。 地震波的振幅A與炸藥量Q的關系遵循以下規(guī)律： 式中：當炸藥量較小時，m1為11.5；當炸藥量較大時，m1為0.50.2。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,振幅A與炸藥量Q的關系 主頻f*與炸藥量Q的關系,地震脈沖波的視周期T*或主頻f*與炸藥量Q的關系是：,式中C為比例系數(shù)，Q為藥量。表明藥量越大,波的視周期越大,主頻越低。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,實踐表明：炸藥包的形狀為球狀效果最佳，長柱狀藥包的效果差一些。如果把炸

4、藥包制成下圖形式，可使炸藥能量下傳的能量大為加強。,實驗表明：爆炸機制的性質對所激發(fā)的地震脈沖波亦有影響，如在低速疏松巖石中激發(fā)時產(chǎn)生的振動頻率低；在堅硬巖石中激發(fā)所得到的振動頻率偏高；在膠泥、泥巖中或潛水面以下激發(fā)得到的振動頻率比較適中。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,實驗還表明：爆炸能量與介質之間的耦合關系影響波的能量，爆炸能量與介質存在幾何耦合和阻抗耦合的關系。當炸藥包的直徑與爆炸井的直徑接近時，幾何耦合為100%。炸藥的特性阻抗（炸藥密度炸藥起爆速度）與介質的特性阻抗（巖石密度巖石中縱波的波速）之比稱為阻抗耦合。當該比值等于1時，激發(fā)地震波的能量最大。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,3、非

5、炸藥震源 地震勘探使用的非炸藥震源有氣動震源、重錘以及可控震源等，可控震源的使用最為廣泛。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,為了說明可控震源的工作原理及優(yōu)點，先討論關于增強地震波能量的問題。根據(jù)脈沖信號總能量的計算公式可知，一個延續(xù)時間為 的地震脈沖S(t)的能量ES是：,顯然，ES的大小與信號的振幅有關，也與信號的延續(xù)時間有關。因此，要增大有效波的能量有兩個途徑：增大振幅，如適當加大藥量，但受到一定限制；增大信號的延續(xù)時間t，但信號的延續(xù)時間過長又降低了地震勘探的分辨能力。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,基于相關分析原理的脈沖壓縮記錄方法,即連續(xù)振動法(Vibroseis):向地下輸入一延續(xù)時間很

6、長的脈沖信號,記錄的地震響應在資料處理階段將其壓縮成短脈沖,從而達到既增強信號能量,又不降低分辨能力的目的。,可控震源使用液壓驅動的震動器裝置，將不同的壓力作用在底盤鋼板上，鋼板是利用車輛自身的重量與地面緊密耦合，壓力P的變化過程滿足下式：,適用于多波勘探的可控震源,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,式中df/dt可正（升頻掃描）可負（降頻掃描），如果是線性掃描則為常數(shù)。A(t)為振幅，f1是起始頻率。頻率f=f1+(df/dt)t的變化范圍在1260Hz之間，掃描長度一般為735秒。可控震源的工作原理右圖所示。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,可控震源往地下發(fā)射的是一個延續(xù)時間較長、頻率隨時間變化的“

7、簡諧信號”。目前用于地震勘探的線性掃描信號為：,式中 ，f是t 時刻的掃描頻率；a是掃描速率，即掃描頻率每秒變化多少赫芝。式中的正號表示掃描頻率隨時間逐漸增高升頻掃描。負號表示掃描頻率隨時間逐漸降低降頻掃描。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,可控震源地震勘探的記錄過程如下圖所示。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,實際的可控震源記錄,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,利用線性掃描和非線性掃描的可控震源所得的地震剖面見右圖，圖中左半部分是非線性掃描，頻率為1090 Hz，右半部分是線性掃描，頻率為1350 Hz。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,與炸藥震源相比，可控震源的突出優(yōu)點： 不產(chǎn)生地層不傳播的振動頻率，從而

8、節(jié)約能量。炸藥震源記錄到的地震波是帶限頻率，而可控震源則可以根據(jù)地層特性選擇損耗最少、最適合于地層傳播的頻帶作為掃描頻帶。不破壞巖石，不消耗能量于巖石的破碎上?？煽卣鹪礇_擊地面的力量一般是515噸，對巖石的破壞較小?？垢蓴_能力強。可控震源引起地面損害小，特別適宜于居民稠密的工區(qū)工作，但缺點是結構龐大復雜，對地表復雜的地區(qū)，使用不便。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,二、地震波的接收 1、對接收的基本要求 具備強大的信號放大功能對微米數(shù)量級的地面位移進行可變倍數(shù)放大。 記錄的原始地震資料要有良好的信噪比地震儀器必須有頻率選擇功能。 具備足夠大的動態(tài)范圍地震波在地層內傳播過程中，由于波前的擴散、界面的

9、透過損失、介質的吸收等原因，其能量淺層很強，深層很弱。在地震勘探中，把地震波振幅強弱差別的變化范圍稱為地震波的動態(tài)范圍。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收, 記錄的原始地震信息具有良好的分辨能力是指在地震記錄上區(qū)分某地層頂?shù)追瓷洳ǖ哪芰?。在儀器設計方面應該合理選取儀器參數(shù)，使儀器的固有振動延續(xù)時間不要太長，具有較好的分辨能力。 對記錄儀器的一些技術要求要求儀器是多道的，且各道間應是高度一致的；原始記錄長度應是任意的，但必須大于5秒長度；把記錄數(shù)據(jù)準確地傳輸?shù)接嬎銠C處理中心，便于各種分析與處理；具有精確的計時裝置，便于地震資料的地質解釋；地震勘探野外作業(yè)的自然環(huán)境千變萬化，要求地震儀器在結構上具備輕便

10、、穩(wěn)定、耗電少、操作簡單、維修方便等特點，還能經(jīng)得起顛簸和惡劣的氣候變化等。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,2、動圈式地震檢波器(geophone, seismometer, detector) 檢波器是安置在地面、水中或井下以拾取大地振動的地震探測器或接收器，其實質是將機械振動轉換為電信號的一種傳感器。目前地震檢波器幾乎都是動圈式（用于陸地工作）和壓電式（用于海洋和沼澤）的。 動圈式電磁檢波器其機電轉換通過線圈相對磁鐵往復運動而實現(xiàn)。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,渦流地震檢波器這是美國OYO公司1984年研制成的一種檢波器，其結構見下圖。它是利用慣性部件和固定在機殼里永久磁場作相對運動產(chǎn)生渦流

11、，渦流又使固定在機殼里的線圈感應出電流的原理而制成。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,3、壓電式水聽器（Hydrophone） 這種檢波器是用壓電晶體或類似的陶瓷活化元件制成的薄片作為壓力傳感元件,當薄片受到外力（如水壓力變化）作用發(fā)生彎曲,則在薄片的兩面產(chǎn)生電壓差,每一面上都有薄的電鍍層和電路連接,用來測量這個電壓差,該電壓差與瞬時水壓（與地震信號有關）成正比。,在海洋地震勘探中，水聽器通常安置在一條或多條拖纜內，拖纜拖在地震船尾，距水面的深度為1020米，見下圖。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,由于水聽器記錄的是壓力變化，而陸地檢波器記錄的是質點的速度，兩種記錄不匹配，這在過渡帶施工時是不可避免

12、的。兩種記錄不匹配最常見的特征就是存在900的視相位差。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,4、數(shù)字檢波器 成功開發(fā)出數(shù)字檢波器產(chǎn)品有美國I/O公司的VectorSeis和法國Sercel公司的ViborSeis。這種檢波器利用硅片受到振動會發(fā)生相對形變，從而改變控制電路電壓的變化，將這一變化的電壓放大并進行數(shù)字化，24位模數(shù)轉換，徹底改變了地震勘探使用了幾十年、以機電轉換為主的傳感器。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,由于加速度型數(shù)字檢波器采用微電子技術（MEMS-Micro Electron Mechanical Systems微電子機械系統(tǒng)），硅片的質量小，失真小，對振動非常敏感，加上微電子線路的

13、整形，動態(tài)范圍大。它的另一個優(yōu)勢是利用電子線路來識別檢波器的方位，用軟件區(qū)分不同方向的波，克服了過去三分量檢波器用水泡來定位的麻煩，提高了矢量保真度(矢量保真度是指每個分量互相耦合的信號量度)。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,數(shù)字檢波器的所有線路利用光刻工藝制造,線路穩(wěn)定性能好。使用這種檢波器將大大簡化野外采集站的功能，減小體積,提高野外施工效益,為多波多分量勘探提供了工具。與常規(guī)10Hz三分量速度檢波器性能比較表：,下圖為常規(guī)檢波器與數(shù)字檢波器的記錄對比，由圖可知，利用6只普通檢波器組合所得的記錄與單只VectorSeis數(shù)字檢波器所得記錄完全一樣。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,關于檢波器的安

14、置條件,可用諧振頻率f0和阻尼系數(shù)來度量之。大量的試驗和生產(chǎn)實踐表明：與檢波器接觸的巖石越致密、堅硬，諧振頻率越高,可達數(shù)百Hz；而接觸于疏松地面時,諧振頻率只有數(shù)十Hz，且干擾特強,頻率向低處移動。不同表層的諧振頻率見下表：,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,檢波器與地面的耦合良好時，阻尼系數(shù)較大。挖坑并去掉浮土埋置檢波器可提高f0和阻尼系數(shù)。需強調的是，檢波器耦合諧振所造成的缺陷遠大于所有地震儀及檢波器的精心改進！,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,5、采集站(acquisition unit) 采集站目前有兩種發(fā)展趨勢：簡單、穩(wěn)定，達到免維護能力的趨勢；增加一些處理、存儲、自動調整、大線管理的能力，

15、即趨于復雜化。 功能簡單型采集站以SN338型儀器的采集站為代表，它只具備信號放大、模數(shù)轉換、數(shù)據(jù)傳輸或存儲等三大功能。這種類型的采集站，體積小、結構簡單，基本做到免維護，其它功能都留在主機里進行。因此采集站的價格便宜、成本低。但主機的工作量比較大，功能相對要強。如濾波、陷波、相關或疊加，頻譜整形等都在主機內進行。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,功能復雜型采集站除完成三大基本功能外尚有模擬濾波、陷波、頻譜整形、高頻提升、自動調節(jié)等功能。還有一種類型儀器的采集站的功能更復雜些，采集站內部有一中央控制器和存儲器，可在采集站內進行相關或疊加。在其交叉站里有數(shù)據(jù)排列、分選之功能，也就是把大線管理部件之功

16、能分解在交叉站里。這樣，主機就非常簡單，只是一個單純的計算機用于完成轉錄、質量控制、現(xiàn)場處理等功能。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,6、數(shù)字地震記錄儀 （1）地震記錄儀的發(fā)展概況 第一代：模擬光點記錄地震儀 國外是從20世紀30年代初到50年代末，大體經(jīng)歷了30年，是地震勘探的初期，也是四代地震勘探儀器經(jīng)歷時間最長的一代。我國從20世紀50年代初到60年代末應用模擬光點記錄地震儀，簡稱為51型地震儀。 第二代：模擬磁帶記錄地震儀 國外是從20世紀50年代初到60年代末，經(jīng)歷了約十幾年。模擬磁帶地震儀在開始時是直接記錄式的，即由磁記錄器直接記錄模擬地震信號，但由于其記錄動態(tài)范圍小，很快改為經(jīng)調制后

17、記錄，如脈沖調寬式、調頻式。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,第三代：數(shù)字磁帶記錄地震儀 20世紀70年代初期，數(shù)字地震儀采用了瞬時浮點增益控制放大技術、模數(shù)轉換技術、數(shù)字磁記錄技術以及現(xiàn)代通訊技術，如美國德克薩斯公司1970年研制的DFS-V型，法國舍賽爾公司研制的SN-338B型數(shù)字地震儀。 第四代：遙測地震儀 為了適應三維、高分辨率、多波多分量地震勘探和超多道、超高次疊加等新方法、新技術的需要，并隨著數(shù)字通訊、遙控遙測、計算機控制處理、磁記錄等方面的新技術的發(fā)展，使得新一代遙測多道數(shù)控地震儀應運而生，并發(fā)展迅猛。 所謂的遙測就是利用電纜、光纜、無線電或其他傳輸技術對遠距離的物理點進行測量。,

18、第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,無線電遙測示意圖,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,目前，在石油工業(yè)中使用的數(shù)字地震儀的型號主要有：美國A.A.Inc公司生產(chǎn)的Opseis-5500型無線遙測地震儀；美國Fairfied公司生產(chǎn)的Telseis-RtDt型地震儀；美國Opseis公司生產(chǎn)的Opseis-Eagle型地震儀；美國I/O公司生產(chǎn)的SYSTEM-24位模數(shù)轉換器的遙測地震儀；法國Sercel公司生產(chǎn)的SN388地震儀。1999年從美國Fairfied公司引進了BOX采集系統(tǒng)。,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,（2）數(shù)字地震儀記錄過程,SN-338B型數(shù)字地震儀記錄過程示意圖,第三節(jié) 地震波的激發(fā)和接收,遙測數(shù)字地震儀記錄過程,SN-388型數(shù)字地震儀記錄過程示意圖,第三節(jié)