地震野外數據采集技術與方法2

第四節(jié)高分辨率地震數據采集系統(tǒng)

主要指地震數據接收設備，高分辨率地震勘探對數據采集系統(tǒng)的要求：主要包括地震儀、檢波器等。1.儀器應有較高的靈敏度；2.有大的動態(tài)范圍動態(tài)范圍是指地震儀能夠線性記錄地震信號的最大值與最小值之間的范圍，通常用他的比值來表示。其表達式為：地震儀器20log（線性記錄的最大信號電壓）/（線性記錄的最小信號電壓）單位為分貝（db）.例如當比值為104時，動態(tài)范圍為80分貝；地震儀應有寬的頻帶和可選擇的濾波器；4.對地震脈沖有良好的分辨能力；5.儀器對各道有良好的一致性；DZQ24地震儀6.一個檢波器+一個放大器+記錄顯示系統(tǒng)=一個地震記錄道一、檢波器1.是將地震波返回到地表時所引起的地面振動轉換成電信號的一種裝置；2.有動圈電磁式（用于陸地工作）和壓電式（用于海洋和沼澤地）（一）動圈式地震檢波器工作原理1.當線圈在磁板間隙內運動時，線圈切割磁力線，在線圈內產生感應電動勢；2.電動勢的大小與與切割磁力線的速度成正比，故又叫速度檢波器；見圖3.4-1檢波器的特性及參數3.該結構對于水平方向的運動，線圈與磁鐵之間沒有相對運動，因此沒有輸出。(二）檢波器的特性及參數1．檢波器具有自己的固有頻率，固有頻率高，可以消除低頻噪聲2.阻尼系數h是檢波器的另一特性指標，設檢波器的固有頻率為

0圖3.4-1動圈式檢波結構草圖（1）h>

0

稱為過阻尼，使接收到的信號減弱，甚至失真，見圖3.4-3(b)(2)h<

0

稱為欠阻尼，見圖3.4-3(a)（3）實際工作中選擇之間，一般把h/

0

=0.7稱最佳阻尼，見圖3.4-3(c)檢波器3.加速度檢波器的固有頻率很高；4．靈敏度是檢波器的重要參數；以上各參數在檢波器出廠時就有標定。5.寄生共振特性是檢波器的重要特性，見圖3.4-4圖3.4-3檢波器的頻率響應曲線圖3.4.3阻尼系數與檢波器固有振動的關系圖3.4-4不同型號檢波器的寄生噪聲

土壤表面與檢波器底面的接觸，構成了檢波器—土壤振動系統(tǒng)，并存在一個諧振頻率，在檢波器插在剛性巖石上時，諧振頻率高，在軟的巖石上，諧振頻率低。檢波器與地面的耦合情況也影響諧振頻率，使輸出響應發(fā)生強烈畸變。為此需將檢波器埋的正、直、緊，盡量使其與地面耦合好。（三）檢波器的安置條件100HZ垂直檢波器;100HZ水平檢波器CDJ低頻系列檢波器

CDJ低頻系列檢波器其規(guī)格有1HZ、2HZ、2.5HZ、3HZ，以及由其組成的三分量檢波器，廣泛用于深部地震勘探、地震監(jiān)測、工程微振測量，以及其他方面的低頻測振。

數字地震檢波器（傳感器）系列自然頻率從1HZ~100HZ。有垂直，水平，三維，雙向，地面，井中，槽波等規(guī)格的檢波器，以及萬向調節(jié)三分量檢波器，54.7度三分量檢波器等特種檢波器，還有垂直、水平雙向傳感器等，規(guī)格、品種齊全。該系列的檢波器具有靈敏度高，參數一致性好，抗震、抗沖擊、密封防水性能好等特點。CDJ高靈敏度系列檢波器

1．由于檢波器接收到的信號很微弱，需將信號送至前置放大器進行放大；2．放大器對來自淺、中、深層的反射信號自動調節(jié)放大倍數；二、放大器3．地震儀中的瞬時浮點增益放大器以二進制增益控制方式為基礎，以6分貝為階躍臺階,即以2的整數次冪跳變。三、記錄系統(tǒng)

地震數據經模數轉換為數字形式，記錄在磁盤上。

第五節(jié)地震勘探的分辨率

一、垂向分辨率

1．用地震記錄沿垂直方向所能分辨的最薄地層的厚度稱為垂直分辨率；

3。當來自頂、低反射波的時差大于地震子波的延續(xù)時間長度

t時，頂、底界面的反射波才能分開。見圖3.5-1因此

>t

是頂、底界面的反射波能否分開的條件，。圖3.5-1接收點R所記錄的地震記錄是兩個反射波疊加的結果4.當地層厚度

h>

/4時，才能由波形特征分辨夾層頂、底界面的存在；5.當地層厚度

h<

/4時,稱為薄層，不能由波形特征分辨夾層頂、低界面的存在；6.在地層厚度

h=

/4時，出現相對振幅的極大值，這種現象稱為薄層的調諧效應。此時的地層厚度稱調諧厚度，利用調諧效應可以分辨四分之一波長的波層的厚度。見圖3.5-2圖3.5.2薄層干涉的分辨率研究1.指沿橫向方向所能分辨的最小地質體的尺寸；2.第一菲涅爾帶：地表點震源發(fā)出的球面波到達界面時的波前面，與前面相距1/4波長先期到達的另一波前面在界面上形成的圓稱第一菲涅爾帶，見圖3.5.3；二、橫向分辨率3.在頻率較高時，第一菲涅爾帶半徑為下式4.如果地質體的水平寬度a滿足不等式則這樣的地質體相當于一個點的繞射，不能分辨該地質體的存在；5.第一菲涅爾帶半徑r隨頻率f增高而減小，隨勘探深度h增大而增大，因此不能撇開地質體的埋深而談分辨率問題(橫向分辨率隨勘探深度的增大而減小)。圖3.5.-3第一菲涅爾帶范圍確定示意圖6．圖3.5.4是砂巖體模型寬度與其對應的地震響應，對于大于菲涅爾帶的反射段，顯示的反射圖形與反射段的形態(tài)一致，對于小于菲涅爾帶的反射段，地震反射特征發(fā)生變化，呈現點繞射型效應、振幅隨巖層橫向寬度的減小而降低。三、對影響分辨率的幾個因素的討論

無論是垂向分辨率還是橫向分辨率，都是與子波的頻率成分、頻帶寬度和相位特征等因素有關，子波的波長越短，分辨率越高，頻帶越寬，分辨率越高，在頻譜相同的情況下，零相位子波具有較高的分辨率，這是因為零相位子波，頻帶較寬，振動延續(xù)時間最短所致。圖3.5-4表示寬度不等的砂巖體橫向分辨模型（一）分辨率與頻率成分的關系分辨率不依賴于單頻諧波的頻率，單頻波的分辨率為零，只有同時增加頻帶寬度方可；見圖3.5-5.(二）分辨率與信噪比之間的關系

1.地震記錄信噪比會影響地震記錄的分辨率；2.設地震記錄的分辨率為Pa(無噪聲存在條件下的分辨率)，信噪比為r，可以證明圖3.5-5相同頻帶寬度的子波具有相同的分辨率示意圖式中pn為有噪聲存在條件下的分辨率，r為信噪比，Pa為無噪聲時的分辨率；3.地震記錄的分辨率可以用子波的分辨率來描述，零相位子波的分辨率最高；4.當信噪比r趨于零時，分辨率pn趨于零；5.當r趨于無窮大時，等于無噪聲時的分辨率Pn=Pa分辨率與信噪比之間的關系6.當r=1時，Pn=1/2Pa；7.當r

2時，pn

Pa；8.信噪比r=2

4比較合適；9.如果工區(qū)干擾成分大，應重點提高記錄的信噪比，干擾小，應以提高分辨率為主。

(三）分辨率與大地濾波作用1.地震記錄的分辨率隨傳播深度的增加而降低，要提高縱向分辨率，又有較大的勘探深度，就要拓寬子波的頻帶寬度，使子波向低頻端擴展。

2.影響反射波到達時差

的因素主要是地層波速和地層厚度，但在同一巖層中橫波速度比縱波速度小，因此利用橫波勘探可提高垂向分辨率；3.深層速度大，頻率明顯降低，同樣厚度的地層在淺層可以分辨，深層可能不能分辨。一、記錄長度與時間采樣率1.記錄長度的選擇必須保證記錄到最深目的層來的反射波,并留有一定的余量；2.記錄長度=地震儀的采樣點數

采樣率（采樣間隔），采樣點數確定了，采樣率高，測量精度高，但勘探深度變淺；第六節(jié)地震勘探工作參數選擇3.采樣率的選擇應滿足采樣定理：二、最大和最小炮檢距

1.最大炮檢距xmax就是炮點與最遠一道之間的距離，一般最大炮檢距應大致等于最深目的層的深度h，或

2.最大炮檢距太大會帶來寬角反射的畸變影響；3.最小炮檢距xmin是炮點與最近一道檢波器之間的距離,又稱偏移距；4.xmin不應小于最淺目的層的深度；5.xmin大一些可以消除聲波和面波干擾。三、最佳接收地段的選擇最佳接收地段又稱“最佳窗口技術”，如圖3.6-1四、道間距的選擇道間距又稱空間采樣率，它影響地震記錄的橫向分辨率，用

x表示，道間距小，橫向分辨率高，但勘探費用大，選擇道間距應從以下因素考慮：圖3.6-1最佳窗口技術

(一）有效波能夠可靠對比的條件是:其中T是有效波的視周期，

t是相鄰接收道的波至時間差；因此道間距應滿足：（二）確保足夠的空間采樣率即要求在一個波長內至少兩次采樣，避免陡傾界面的假頻化；（三）對反射界面進行充分采樣選擇道間距應保證第一菲涅爾帶內至少有兩道四個CDP點接收，也就是x應小于第一菲涅爾帶的半徑。例如：第七節(jié)淺層地震勘探野外抗干擾技術一、組合法組合是指用一組檢波器產生一道信號輸入或多個震源同時激發(fā)構成一個縱震源，前者稱為組合檢波，后者稱為組合激發(fā)，是應用波傳播方向的不同來壓制干擾波的一種方法。它主要用于壓制面波之類低視速度規(guī)則干擾波及無規(guī)則的隨機干擾。按照互換原理，震源組合與檢波器組合的原理是等價的。我們以檢波器組合為例介紹組合法原理。實際中組合形式多樣，有面積組合、線形組合、等靈敏度組合、不等靈敏度組合。但大都以簡單線性組合為基礎。故主要介紹簡單線性組合法。簡單線性組合形式是組合檢波器沿測線等間距直線排列，設各檢波點間距為

x,第k個檢波器分布在測點的位置為X=(k-1)

x,第k個檢波器接收的任一規(guī)則波可表示為如果有n個檢波器組合，則組合后的輸出為設f(t)的頻譜為g(j

),組合后的頻譜為G(j

)組合后地震波的頻譜與組合前相差一個因子k(j

)=k(

,

t),若固定頻率

,就是研究地震波組合的方向特性,若固定

t=

ti,就是研究來自某一方向的地震波的頻率特性,1.規(guī)則波線性組合的方向特性由(3.7.2)可知,組合因子式(3.7.3)是組合的綜合特性,它是頻率

和時間差

t的函數,顯然組合因子k的幅角這是組合的相位特性,如果n是奇數,組合后的相位延遲是組合內中間那個檢波器的值,如果n是偶數,則是中間兩個檢波器的平均值.K的模值為這時組合的振幅特性,組合后的輸出振幅與頻率和入射方向有關,歸一化的組合方向特性為表明:(1)只要地震波的視速度很大,近乎垂直出射到各接收點,則

t

0,組合后的輸出達到最大值,在區(qū)間內,

0.707,稱通放帶.圖3.7.2是組合數目不同的方向特性曲線.(2)在區(qū)間內,

值最小,有(n-1)個零值點,這個區(qū)間稱為壓制帶(3)組合數目n增加,通放帶變窄;(4)有效波的視速度很大,可以落入通放帶,組合后的輸出達到最大,是未組合前單個檢波器輸出振幅的n倍;(5)對于低視速度的面波可以落入壓制帶,組合后相對受到壓制;所以組合法也叫視速度濾波.圖3.7-2組合數目不同的方向特性

2.規(guī)則波線性組合的頻率特性取(3.7.3)中的頻率為變量,固定

t,得到歸一化的組合頻率特性公式.歸一化的組合頻率特性公式為固定組合數目n，以

t為參變量，頻率f為橫坐標，可繪制組合頻率特性曲線。見圖3.7-3.表明:(1)視速度為無窮大時，組合后對所有頻率成分都沒有頻率濾波作用；

圖3.7-3組合法頻率特性

(2)隨

t增大，組合對高頻成分有壓制作用；(3)組合的頻率特性會使有效波形產生波形畸變；(4)實際工作中應設法提高有效波的視速度，例如近炮點接收，傾斜界面時，采用下傾激發(fā)上傾接收。

(二）不規(guī)則波的組合特性由于組合法是對不同位置上振動的疊加,所以只研究波在位置上的相關性.組合內兩點之間波形的相似程度用相關系數R(l

x)表示,當距離系數L=0時,R(0)表示自相關,用

(L

x)表示標準化的相關系數當

(l

x)

0時,表示相距l(xiāng)

x的不規(guī)則干擾波互不相似,這兩點之間的距離成為相關半徑.組合接收時,組合內每個檢波器點接收到的地震波是有效波和干擾波組成的,f(t)=s(t)+n(t)(3.7.9)對于隨機干擾波n(t),統(tǒng)計特性參數是M是數學期望符號,對于干擾波組合前的方差D為

是隨機干擾的均方值,組合前的信噪比組合后隨機干擾的方差由于和的數學期望等于數學期望的和,上式中第一項令第二項,由于x,y的互相關系數所以同理根據常量的數學期望等于常量本身,得到當L=0時,得到自相關系數又因為所以式中組合后的信噪比為整理后得到組合后的統(tǒng)計效應為設有n個檢波器組合,如果組合內不規(guī)則干擾波相互統(tǒng)計獨立,則

(l

x)=0,

=0,且有效波的時間差

t

0,這時統(tǒng)計效應有最大值說明:1.G代表組合后的信噪比除以組合前的信噪比，可見組合可以提高地震記錄的信噪比倍。2．組合法具有平均效應,對提高分辨率不利.（一）垂直疊加1.利用地震儀的信號增強功能，在相同接收排列上，將炮點多次重復激發(fā)的信號疊加在一起，達到提高信噪比的目的；2.經m次垂直疊加后，使有效波振幅增強m倍；3.對相互統(tǒng)計獨立的干擾波，經m次垂直疊加后，振幅將增強倍，因此利用垂直疊加可以提高信噪比。二、疊加法(二)水平疊加(共反射點多次疊加法)

檢波器組合法在壓制面波等低視速度干擾方面有著明顯的作用，但組合后的反射信息卻是界面上某一小段反射波信息的平均，因而存在平均效應，“降低了橫向分辨力。此外，它對于多次反射波之類的干擾波壓制效果很差，甚至無能為力.

為了彌補組合法的弱點，梅恩(Mayne,1962)提出了多次疊加方法。其觀測系統(tǒng)是多次覆蓋.所得資料經動、靜校正、疊加等數字處理后，可壓制多次反射波之類的干擾，提高信噪比。實踐誕明，這種方法顯著地提高了地震勘探的工作質量，，因此，它己成為世界上廣泛應用的地震勘探工作方法。共反射點多次疊加又稱共深度點多次疊加、共中心點多次疊加或多次覆蓋技術?；舅枷胧窃诘孛嫔喜煌挠^測點或以不同的方式對地下某點的地質信息進行重復觀測，可以保證即使有個別觀測點受到干擾,亦能得到地下每一點的信息。1.水平界面的共反射點時距曲線

此方法是建立在水平界面假設的基礎上的。界面上任一點A在地面的投影為M，以M點為中心分別在地面點激發(fā)，在對應的點接收來自界面上同A點的反射波，A點稱為共反射點或共深度點。M稱為共中心點或共地面點。將共深度點道集從原始共炮點記錄中抽出并集合在一起，即構成共深度點道集。各點時間繪制的圖形是雙曲線。共中心點處的時間它相當于在M設置激發(fā)點，在同一M點接收所觀測到的波至時間。它有別于共炮點時距曲線上炮點的回聲時間，一般稱它為自激自收時間。習慣上把共深度點道集內第一道(炮檢距最小者)的炮檢距稱為偏移距。

2.動校正和多次疊加原理由于道集內各接收道有著不同的炮檢距，則各道反射波存在一定的相位差。以自激自收時間t0作為基準時間，由共反射點道集內各道反射波到達時間減去t0時間可得到各道相對于共中心道的時間差，稱為正常時差t。

經校正t后共反射點道集時距曲線變成一條t=t0的直線,如圖3.7.5。這一過程稱為正常時差校正或動校正。經動校正后共反射點道集中各反射波不僅波形相似，且沒有相位差，此時進行疊加，反射波將得到加強。把疊加后的總振動作為共中心點M一個點的自激自收時間的輸出，就實現了共反射點多次疊加的輸出對動校正后的信號進行疊加成為水平疊加，疊加次數即多次覆蓋次數；把疊加后的總振動作為共中心點M的輸出，就是共中心點多次疊加的輸出；圖3.7.5動校正示意圖在對水平多層界面的有效反射波時距曲線作動校正時，如果有多次反射波存在，那么多次反射波時距曲線比一次反射波時距曲線曲率大。因此，動校正后的多次反射波時距曲線未變成t=t0的直線，仍殘留時差，我們把這種經動校正后殘留的時差稱為剩余時差，如圖3.7.6所示。假設一次反射波的t0時間與某個多次反射波的t0時間相同，按一次反射波作動校正后，多次波的剩余時差為（3.7.19）q為多次波剩余時差系數,圖3.7-6多次反射波的剩余時差返回式中

td為多次波的正常時差，

t為一次反射波的正常時差。可見，多次波剩余時差與炮檢距平方成正比，各疊加道剩余時差不一樣，進行疊加時不是同相位疊加。因此，疊加后多次波會被削弱。這就是水平疊加壓制多次波,突出有效波的原理.3.水平疊加特性討論共反射點多次疊加特性主要以單邊激發(fā)的多次覆蓋觀測系統(tǒng)進行。設地下某一共反射點到達地面共中心點M處的正常一次反射波為f(t),對該共反射點道集內各道反射波進行動校正并疊加。對于正常的一次反射波來說，疊加后輸出結果為其頻譜為:G(

)=nF(

)然而，對于多次反射波之類的干擾波作動校正仍有剩余時差

tk,由于多次波速度vd低于相同t0時刻的一次反射波的速度，所以一般為正值，疊加后輸出結果為其頻譜為由(3.7.23)式可見。K(

)表征了多次疊加特性。因此，我們定義它為多次疊加特性函數，即K（

）亦可理解為濾波特性，只是物埋意義不同，從這個意義可以認為多次疊加是線性濾波系統(tǒng)。它具有振幅特性和相位特性。K(

)的模就是多次疊加的振幅特性，

即從上式明顯可見，對于正常反射波，剩余時差等于零,疊加后輸出信號振幅增強n倍。對于多次波之類干擾波存在剩余時差,疊加后相對削弱。為表示多次波疊加后相對于正常一次反射波的壓制程度，我們用疊加后多次波的振幅與疊加后一次波的振幅之比來表征疊加效果，則有而炮檢距其中,偏移距道數則為炮點距道數

定義

k為疊加參量，它表示各疊加道剩余時差所占諧波周期的比數，于是疊加振幅特性公式表示為(3.7.25)(3.7.25)稱為水平疊加的頻率特性函數式中

為偏移距道數;

=d/

x為炮點距道數,

與疊加次數n及儀器記錄道數N有關。所以需確定的參數為:疊加次數n;偏移距道數;

炮點距道數;道間距x。水平疊加的相位特性函數為對于剩余時差為零的一次反射波,疊加后信號相移為零,即疊加后的信號的相位與共中心點處M的相位一致.5.水平疊加法的參數對疊加特性的影響(1)以道間距為參量制作不同道間距的疊加特性曲線，見圖3.7.8，隨著道間距的增大，通放帶變窄，邊界頻率降低,有利于壓制與一次波速度相近的多次波等干擾波，但也不宜過大，如果

x過大，不僅影響波的同相位對比，而且也會使一次波產生剩余時差受到壓制。道間距亦不能太小，太小的道間距不能壓制多次波。小的道間距有利于提高分辨率.(2)偏移距

對疊加振幅特性曲線的影響見圖3.7.7.偏移距越大，通放帶變窄，有利于壓制與有效波速度相近的規(guī)則干擾波。但也不宜太大，偏移距太大，會使某些規(guī)則干擾波進入二次極值區(qū)，影響壓制干擾波的效果，另外也會損失淺層有效波。(3)疊加次數n對疊加特性的影響見圖（3.7-10）疊加振幅特性曲線中壓制帶的平均值的大小與疊加次數n有關系，疊加次數越大壓制帶平均值越小，壓制效果越好。所以增大疊加次數對于提高信噪比是有利的。但也不能過大，因為疊加次數越高，生產效率越低，耗資越大。對多次反射波，經疊加后會被削弱的，但有時也會有殘余能量，殘余能量的同相軸根據疊加相位特性呈現特殊規(guī)律，即相位隨偏移距分段變化而同相軸分段錯開各段之間錯開的相位差隨疊加次數n增加而減小。疊加次數越高，就越增強多次波同相軸的連續(xù)。高疊加次數時，應注意有否多次波剩余同相軸。共反射點多次疊加法也有類似組合法的統(tǒng)計效應.

4．不規(guī)則干擾波的疊加效應（1）對不規(guī)則干擾波疊加后振幅增大倍，而一次反射增加n倍，因此水平疊加后信噪比提高倍。（2）疊加法比組合法有更好的統(tǒng)計效應。共反射點多次疊加法也有類似組合法的統(tǒng)計效應，由于疊加道之間的距離(多次疊加相關半徑)大于組合檢波的組合距，所以疊加法對隨機干擾有更好的壓制效果，其統(tǒng)計效應優(yōu)于組合法。

圖3.7-7偏移距對頻率特性的影響圖3.7-8

疊加頻率特性曲線(3)大炮檢距對分辨夾層頂底界面的反射波不利；見圖(3-7-9),因此小道間距、小偏移距和短排列接收有利于保護高頻成分，