地震勘察仪器原理与结构

地震勘探仪器原理与结构5.1地震勘探对仪器的基本要求5.1.1地震波运动学特征对仪器的要求为了利用地震波的运动学特征来推测地下反射界面的位置和形态，就要求记录多道地震信号，以便进行波的对比，识别同相轴；记录震源激发信号作为计算反射时间的起点；记录计时信号作为计算反射时间的标尺；在采用炸药震源时还要记录井口信号，以测定地震波从炮井井底的炸药爆炸点传到炮井井口的时间—τ值，进而依据已知的炮井深度h来推算表层的速度v＝h/τ，为今后地震资料处理时进行静校正提供依据。除地震信号以外的这些需要记录的信号统称为辅助信号。通常所说的地震仪记录道数指的是地震道的道数，辅助道不包括在内。地震仪对地震信号的数据采集过程从震源激发时刻开始，一直持续到最深目的层反射信号完全到达时为止。采集过程的持续时间称为记录长度，采用炸药等冲激震源时，记录长度T为:T=2h/v式中h---勘探目的层最大深度；v地震波的平均速度。在地震勘探中，有意义的最大反射界面的深度很少超过10km，而达到这样深度的平均地震波速度，至少是3500m／s。因此，通常要求的记录长度为6s。深钻、地质解释和地震信号穿透力等项技术改进后，需要的记录时间还可能增加。反射时间的标记是根据磁带上记录的计时信号进行的，如果计时信号本身不精确的话，依据它测出的反射时间也就不精确，由此推测出的反射界面的位置也就不准确，因此，一般要求计时信号的可重复性和绝对准确度都应保持在0.05％的容许范围内。5.1.2地震波动力学特征对仪器的要求为了能利用地震波的动力学持征来推测地下岩性，甚至直接找油找气，就要求地震仪高保真、高信噪比、高分辨宰地把地震波记录下来。具体来说，应满足以下几项基本要求：（1）地震仪允许输入的幅度范围(简称仪器的动态范围)必须大于需要记录的地震信号的动态范围。需要记录的地震信号的最大幅度是从震源到最近的检波点的直达波幅度，它与偏移距的大小有关；需要记录的地震信号的最小幅度是最深目的层反射波传到地表时的幅度，由勘探深度要求决定。目的层越深，反射信号则越弱，当反射信号幅度比外界环境噪声的幅度还小时，就会被外界环境噪声淹没。因此，一般认为需要记录的地震信号最小有意义幅度是外界环境噪声的幅度。目前通过地震资料的数字处理，有可能从环境噪声背景中提取幅度仅有环境噪声幅度1／10的弱信号。考虑上述三方面因素，人们普遍认为地震勘探仪器的动态范围应达到或接近120dB。②地震仪应该设置滤波器，在记录之前对接收进来的妨碍有效波记录的干扰波进行压制。这些滤波器给地震仪限定的记录频率范围应该尽可能大于需要记录的地震信号的频率范围。由于地层的选频吸收效应，使得越是深层的反射信号，其主频越低。因此，需要记录的地震信号最低频率由勘探深度要求决定，可能需要延伸到10Hz或10H2以下。需要记录的地震信号最高频率由勘探分辨率要求决定。一般来说，在进行地震普查时取125Hz就可以了，进行地震详查时应取250Hz，高分辨率勘探可能需要取到500Hz，甚至更高。③在所能记录的幅度范围和频率范围内，地震仪应该是一个线性系统。所谓线性系统就是当输入为单一频率的正弦波时，输出也是同频率的单一正弦波。如果给一个系统输入一个频率的正弦波，其输出中出现很多频率为n(n为正整数)的新的频率分量，那么我们就认为这个系统是非线性系统或者说存在非线性失真。实际上，完全线性的系统是不存在的。5.1.3多道记录对地震仪器的要求最早的地震仪是单道的，为了便于进行波的对比和提高野外生产效率，后来发展成为多道地震信号同时记录。随着多次覆盖技术的推广和覆盖次数的提高，要求进一步增加道数。高分辨率地震勘探要求缩短道距至25m、10m甚至5m，而为了保持一定的排列长度，自然也要求道数多一些。三维地震勘探方法的普遍应用更是要求地震仪的道数多达几千道。在多道记录的情况下，为了确保地震记录的质量，还必须要求地震仪内部各地震道电路的振幅特性和相位特性保持良好的一致性，道与道之间的相互干扰(即道间串音)应很小(一般要求小于-80dB)。5.1.4野外工作条件对地震仪器的要求地震仪长年在野外工作，工作环境与室内仪器大不相同。由于野外环境条件差，造成仪器发生故障的外部原因很多。而地震仪一旦发生故障，轻则影响地震记录的质量，重则使整个地震勘探队的工作陷于停顿，所以特别要求地震仪有很高的稳定性和可靠性，并且具有一定的自检能力和野外监视功能。除此之外，体积小、质量小、耗电省、操作简便、易于维修也是应尽可能满足的基本要求。5.2常用地震检波器的工作原理地震检波器是把传输到地面或水中的地距波转换成电信号的机电转换装置，它是地震仪野外数据采集的关键部件。陆上地震勘探普遍使用电动式检波器，海上地震勘探普遍采用压电式检波器。涡流检波器是20世纪80年代发展起来的一种新型检波器。5.2.1电动式地震检波器电动式地震检波器的结构和外形如图3—1所示。它由永久磁铁、线圈和弹簧片组成，磁铁具有很强的磁性，它是地震检波器的关键部件；线圈由铜漆包线绕在框架上而成，有两个输出端，它也是地震检波器的关键部件；弹簧片由特制的磷青铜做成一定的形状，具有线性弹性系数，它使线圈与塑料盖连在一起，使线圈与磁铁形成一相对运动体(惯性体)。当地面存在机械振动时，线圈对磁铁作相对运动切割磁力线，根据电磁感应原理，线圈中产生感生电动势，且感生电动势的大小与线圈和磁铁的相对运动速度成正比，线圈输出的模拟电信号与地面机械振动的速度变化规律是一致的。一、运动方程的建立检波器内部各组成部分的运动关系如图3—2。地震检波器运动方程的建立，以及其基本思路要从地震检波器的功能入手。地震检波器的功能是将地面的机械振动转换为相应的电模拟振动信号。因此，研究地震检波器就应该首先找出地震检波器输出电压和地面运动的关系，而地震检波器输出的电压是由于线圈相对磁铁运动切割磁力线产生的，所以关键是要找出地面运动与线圈运动的关系。地震波传到地面后，假设地面相对其原来位置产生一个向上位移Z。如忽略检波器与地面的藉合问题，即认为检波器外壳与地面一起运动，则地面的位移就是检波器外壳的位移，而磁铁又是同外壳固定在一起的，所以此时磁铁也相对其原位置产生一个向上位移Z。显然，惯性体也会相对其原来的位置产生一个向上的位移y，由于惯性的原因，惯性体的位移将小于地面的位移，于是弹簧被拉长x，即线圈相对磁铁有一个向下的位移x。检波器内各部分的运动关系为Y=z+x(3-1)此时，线圈及框架组成的惯性体受到如下外力的作用。1．弹簧克服惯性体重力后的拉力FKFK＝—kx式中k一一弹簧的弹性系数，负号表示FK与x方向相反。2．线圈受到的电磁阻尼力根据法拉第定律，线圈相对磁铁运动时，线圈产生的感应电动势为Φ—线圈磁通量；n—线圈匝数；S----机电转换系数对低频地震信导而言，线圈的感抗很小可以忽略，因此线圈中的感应电流为Rc——线圈内阻；Ro——线圈负载电阻。由楞次定律可知：当线圈中有电流流过时，线圈将受到阻止其运动的电磁力3．铝制线圈架受到的电磁阻尼力圆筒形铝制线圈架可看作是一个单匝闭合线圈。当线圈架随同线圈一起在磁场中运动时，线圈架内将产生涡流磁场。涡流磁场对此涡流的作用力也将阻止线圈架运动，由（3-7）式可知，这种电磁阻尼力与线圈相对磁铁的运动速度dx／dt成正比，方向相反:式中μ——比例系数。空气阻力比FT小得多，可忽略不计5.2.2压电式地震检波器5.2.3数字式检波器近几十年传统地震检波器的发展一直没有大的突破，地震检波器的技术性能和指标相对十地震仪器本身存在一定的差距，获得高精度地震数据资料的必要条件是:大动态范围的地震检波器和大动态范围的数据记录系统。但是，目前使用的动圈式检波器的动态范围一般都在00分贝左右，很大程度上制约了勘探技术的进步。新型的数字检波器灵敏度较高、动态范围大、失真小，配合数字采集系统可完成高分辨率地震数据采集。20世纪80年代以来，微电子技术的巨大成功在许多领域引发了一场微小型化革命，MEMS(micro-electric-mechanical-system)技术是指采用微机械加工技术可以批量制作的集微型传感器、微型结构、微型执行器以及信号处理和抓‘制电路、接口、通信等十一体的微型数据采集系统。一、MEMS数字检波器的原理MEMS本质上是由两对固定电极和一块可移动的质量块电极构成的。实际上，可移动的质量块电极和固定电极之间形成了一个电容器。当可移动的质量块电极传输重力加速度时，质量块电极就会沿轴的方向上下运动，那么两个电极之间的间隙就会发生变化，因而就产生了一个不同的电容量，这个电容量变化的信息反馈到ASIC电路中，从而使ASIC电路产生一个配平力来阻止质量块电极的运动，以便使质量块电极返回到零位置，因为惯性的作用，质量块电极就会产生震动。这个配平力在ASIC电路中被转换成一个电压来阻止质量块电极的运动，同时这个电压在ASIC电路中被编码成4}格式，并产生4}-24位的数字输出如图1所示。这种MEMS数字检波器只响应重力的变化，是势能到动能的转换装置。其简化的结构包括惯性体、弹簧、控制电路等，而且惯性体是整个装置的核心。基本工作方式是以质量体为传媒介质，以介质电容变化为反馈，再以控制介质恒定位置的电压变化为输出。当外部振动迫使质量体位移时，通过反馈电容变化而调整的控制电压就迫使质量体保持原位不动。由于电容变化量线性取决于外力变化量，而控制电压量线性取决于电容变化量，因此控制电压的变化曲线就实时跟踪外力的变化曲线，这便是检测地震加速度信号的基本原理。由于控制电压变化直接来自A/D转换器输出，也即检波器的响应输出直接就是数字信号，所以地震道电路一开始就是数字信号电路。应用MEMS技术的数字检波器不再有任何连接到地震道的模拟电缆，所以也就不再受任何环境电磁干扰的影响。因此对全数字式仪器，外部的任何电磁干扰都不影响地震勘探资料的品质。更优秀的是，与传统检波器相比，新一代数字检波器具有更好的地震信号响应特性（如表1-3），失真小、噪声低、灵敏度高、频带宽、幅频特性好等是数字检波器的主要优势。由此可见全数字化地震勘探采集系统的核心就在于用数字检波器实现整个采集过程的完全数字化。二、三分量数字检波器的主要性能：（1）数字检波器内部经过MEMS传感器和ADC电路，直接输出24位数字信号；（2）动态范围可达到120dB，比传统检波器的动态范围至少高出50dB-60dB；（3）谐波畸变指标小于0.003%，比传统检波器的谐波畸变至少低一个数量级；（4）数字检波器输出的幅频特性十分平坦，在1Hz-800Hz范围内，始终保持平直，而输出相位为零相位；（5）超低噪音特性、极高的向量保真度、不受外界电磁信号干扰的影响，如天电、工业高压线或地下电缆等干扰。数字检波器将地震道模拟电路部分和转换器等从主机中分离出来，与MEMS传感器集成并微型化在一起，构成了新型数字地震检波器。消除了由于模拟信号长距离传输过程中所引起的干扰，有效提高了采集信号的信噪比，增强了抗干扰能力，是传感器技术的发展方向。MEMS数字检波器采用加速度传感器，工作在谐振频率之下，而常规动圈式检波器采用速度传感器，工作在谐振频率之上，这个差别使得MEMS数字检波器与常规检波器有着完全不同的结构和性能：a、数字检波器内部具有微化的24位ADC电路，直接输出24位数字信号，即采用全数字传输信号；b、动态范围可达到120dB，比传统检波器的动态范围至少高出50dB—60dB；c、谐波畸变指标小于0.003%，比传统检波器的谐波畸变至少低一个数量级；d、数字检波器输出的幅频特性十分平坦，在1Hz-800Hz范围内，始终保持平直，而输出相位为零相位；e、超低噪音特性；f、极高的向量保真度；g、不受外界电磁信号干扰的影响，如人电、工业高压线或地下电缆等干扰；h、系统加电后能自动进行倾斜度和重力测试；i、MEMS加速度传感器特别适用于记录低频反射信号，如来自主要岩石地层边界的反射；j、MEMS数字检波器的振幅校准能力及不随时间温度变化的稳定性优于常规检波器。K、MEMS加速度传感器的瞬时动态范围可高达90dB，