可控震源的互補組合激發技術

2013-09-25 14:27:54王忠仁趙博雄

吉林大學學報(地球科學版) 2013年6期

王忠仁，劉瑞，陳衛，趙博雄

吉林大學儀器科學與電氣工程學院／地球信息探測儀器教育部重點實驗室，長春 130026

0 引言

在地震勘探領域，震源激發地震波是至關重要的環節，震源信號的能量強度與品質直接影響地震勘探的效果，沒有激發階段的震源信號質量作保證，后續的數據采集和數據處理都是毫無意義的。在深部油氣資源地震勘探領域，炸藥震源作為一種常用的震源一直沿用至今。近年來隨著人們環保意識的增強，大噸位的液壓可控震源[1]正在逐步替代炸藥震源[2-3]。在近地表淺層地震勘探領域，目前工程上還是以勞動強度較大的人工錘擊震源為主，輕便可控震源還處于實驗和完善階段。電磁驅動輕便高頻可控震源代表著振動式便攜可控震源的主流。荷蘭Utrecht州立大學于1989年研制了第一臺電磁輕便高頻可控震源[4]；20世紀90年代中期日本的OYO公司也推出了電磁驅動方式的輕便高頻可控震源；吉林大學在1995-2001年期間研制出500N和1000N2種型號的輕便電磁驅動可控PHVS系列震源[5-7]。這種電磁驅動可控震源信號一般都設計成掃頻信號，Crawford等[8]認為這種在發射期間不具有周期和重復性的掃頻長信號經過相關解碼運算后可以壓縮成一個短脈沖，因而一個反射界面才不會出現多個回波。激發掃頻信號的振動式可控震源具有優良的相關解碼特性，但是為了防止脫耦現象的出現，要求震源的自重必須大于震源的輸出力。要使輸出力增大，就必須使震源的質量也增大，因而便攜性就大大降低了。便攜沖擊式可控震源與振動式可控震源相比不存在脫耦問題，相對較小的質量可產生較大的沖擊功。沖擊式可控震源不同于夯擊震源，不是采用簡單的單次沖擊方式激發地震波，而是采用遵循一定規律的沖擊編碼序列的多次累積沖擊方式，并通過相關解碼運算獲得與單次大能量沖擊等價的地震記錄。Mini-SOSIE方法[9-11]和SIST技術[12]是基于沖擊式可控震源的2種主要方法。沖擊式可控震源存在的最大問題是有限長沖擊序列總不能達到真正意義下的隨機序列，因而相關解碼過程中總不可避免地要出現相關噪聲[13]。由于隨機性相對增強，沖擊序列長度的增加能夠使這種相關噪聲逐漸降低，但這要以增加施工成本為代價。筆者研究沖擊式與振動式可控震源的互補組合激發技術，尋求在不增加沖擊序列長度的前提下，削弱沖擊震源解碼地震記錄中相關噪聲的新途徑。

1 互補組合激發技術

地震勘探中的組合激發技術，通常是同一種類同一型號的震源進行同步激發，其目的是增強激發能量，增大勘探深度。筆者提出的互補組合激發技術是沖擊式可控震源與振動式可控震源按設定的激發方式進行組合激發，目的是實現沖擊式可控震源與振動式可控震源之間的能量互補，保持沖擊式震源能量強的優勢并減弱沖擊式可控震源解碼地震記錄中的相關噪聲。文中沖擊式可控震源采用掃描沖擊地震技術（SIST）的線性增量間隔序列[12-13]，振動式可控震源采用掃頻信號[8]。

1.1 互補組合激發技術的相關分析

首先對振動式可控震源激發的Chirp掃頻信號、沖擊式可控震源激發的SIST序列以及二者互補組合激發的信號進行相關分析。相關分析技術可用于評價震源信號的理論依據見附錄。分別構造振動式可控震源激發的Chirp信號、沖擊式可控震源激發的SIST序列、沖擊式可控震源與振動式可控震源互補組合激發的震源信號，各信號的持續時間均為2s（圖1）。分別對這3個震源信號進行相關分析，三者的自相關函數如圖2所示。由圖2可見：Chirp信號經過相關解碼運算被壓縮成了一個比較理想的單脈沖（筆者稱之為相關子波）；SIST序列的自相關函數中存在嚴重的尾震，這種尾震將導致解碼地震記錄中出現相應的相關噪聲；互補組合震源信號的自相關特性與Chirp信號相比差別不大，而且自相關函數中的尾震與SIST序列相比有了明顯的減弱。從相關分析結果可見，互補組合激發與沖擊激發相比，在壓制相關噪聲方面具有明顯的優勢。

1.2 互補組合激發技術的頻譜分析

對圖1中的各個信號進行了頻譜分析，圖3為對應頻譜的分析結果。由圖3可見：Chirp信號的頻譜具有典型帶通濾波器的特征，中間部分平坦，兩端的高低頻截止頻率到平坦部分的過渡帶較陡；SIST序列的頻譜在有限的頻帶內幅度不夠平坦，以單次沖擊的頻率為中心峰值頻率，向兩側變化時幅度逐漸降低，這表明SIST序列的頻譜在頻帶兩端的高低頻成分能量很弱，從信號處理角度來說不利于高分辨率信號處理；由于Chirp信號的調制作用，互補組合震源信號頻譜的頻帶兩端的高低頻成分能量與SIST序列相比有明顯增強。從頻譜分析結果可見，互補組合激發與沖擊激發相比，由于高低頻成分在能量上的增強使得互補組合激發在提高分辨率方面更具優勢。

圖1 可控震源信號Fig.1 Controllable seismic source signals

圖2 震源信號的自相關函數Fig.2 Autocorrelation functions of seismic source signals

圖3 震源信號的頻譜Fig.3 Spectra of seismic source signals

1.3 互補組合激發技術的數值模擬

可控震源信號的自相關僅僅是衡量相關子波特性優劣的一個因素，震源信號通過不同波速的地層經過地下界面的反射與透射最后被地震檢波器所接收是一個復雜的過程；因此，通過數值模擬震源信號的地震響應可以更直接地展現震源信號的地震響應效果。筆者構造了如圖4所示的地層模型，最深目的層為z＝300m處的界面。采用有限差分法對互補組合激發技術進行了數值模擬。模擬中最小炮檢距為40m，道間距為10m，地震道數為32道。沖擊震源單次沖擊的震源子波采用主頻90Hz的雷克子波，其沖擊序列的構成如圖1b所示；振動震源信號是掃描頻率范圍為20～180Hz的經過部分錐化的Chirp信號。2個震源信號的持續激發時間均為2s。地震記錄的時間采樣步長為0.0002s，地震儀采集時間長度為2.42s，解碼后截取的記錄長度為0.42s。

圖5是沖擊震源按圖1b所示的沖擊序列激發所得到的解碼地震記錄，圖6是沖擊震源與振動震源互補組合并且按圖1c所示的激發信號所得到的解碼地震記錄。比較圖5和圖6可以看出，對于剖面中下部反射波同相軸所在的區域，互補組合激發情形解碼記錄中的相關噪聲比單純沖擊激發情形有明顯減弱。雖然互補組合激發解碼記錄中直達波的旁瓣比單純沖擊激發情形有所增強，但對于反射地震勘探而言，采用切除處理直達波的方法對后續疊加處理結果不會產生太大影響。

圖4 水平層狀介質模型Fig.4 Model of horizontal layers

圖5 沖擊源的解碼記錄Fig.5 Decoded record of shock source

2 互補組合激發技術的實驗研究

圖6 互補組合源的解碼記錄Fig.6 Decoded record of combined source

對互補組合激發技術進行了地震波激發采集對比實驗，實驗中選用的沖擊震源是吉林大學自行研制的便攜式液壓沖擊震源，振動式震源是吉林大學自行研制的便攜式500N可控震源，地震儀為吉林大學自行研制的集中式地震儀。實驗中設置地震道數為43道，道間距為2m，最小偏移距2m。采樣間隔為0.0005s。圖7是單獨液壓震源獲得的解碼地震記錄，圖8是液壓震源與500N震源互補組合激發獲得的解碼地震記錄。比較圖7和圖8可見，互補組合激發獲得的解碼地震記錄的分辨率與液壓震源單獨激發獲得的解碼地震記錄相比有明顯提高，相關噪聲得到了有效壓制，分辨率有了明顯提高。

3 結論

沖擊式可控震源SIST序列沖擊與振動式可控震源Chirp掃描的互補組合激發，保持了沖擊式震源在能量與便攜性方面的優勢，增加了組合震源信號的隨機性，優化了相關子波的性能，降低了沖擊式可控震源解碼地震記錄的相關干擾噪聲。與單純沖擊式可控震源相比，互補組合震源擴展了頻寬，提高了地震記錄的分辨率。該種激發技術可實現兩種激發方式在能量上的互補，可在不增加沖擊序列長度的前提下提高地震記錄的信噪比和分辨率，從而顯著提高野外施工的效率和質量。

圖7 單獨液壓沖擊震源獲得的解碼地震記錄Fig.7 Decoded seismic record gained by hydraulic impact source only

圖8 互補組合激發獲得的解碼地震記錄Fig.8 Decoded seismic record gained by complementary and combined source

（References）：

[1]Chapman W L，Brown G L，Fair D W.The Vibroseis System：A High-Frequency Tool[J].Geophysics，1981，46（12）：1657-1666.

[2]姜福豪，王德江.可控震源高分辨率地震勘探采集技術：以莫桑比克2005年項目為例[J].石油地球物理勘探，2007，42（2）：127-131.Jiang Fuhao， Wang Dejiang.Vibroseis’ High-Resolution Seismic Exploration Acquisition Techniques：Case of Mozambique Project in 2005[J].Oil Geophysical Prospecting，2007，42（2）：127-131.

[3]陶知非.改善可控震源高頻信號輸出品質的探討[J].物探裝備，2008，18（2）：71-77.Tao Zhifei.Study on Improving Quality of High-Frequency Output Signal in Vibroseis[J].Equipment for Geophysical Prospecting，2008，18（2）：71-77.

[4]林君.電磁驅動可控震源地震勘探原理及應用[M].北京：科學出版社，2004.Lin Jun.Seismic Exploration and Application of Vibrator Driven by Electromagnetic[M].Beijing：Science Press，2004.

[5]張子三，林君，陳祖斌，等.輕便高頻可控震源的計算機測控系統[J].計算機自動測量與控制，2000，8（4）：10-12.Zhang Zisan，Lin Jun，Chen Zubin，et al.Industrial PC Based Measurement ＆Control System in Portable High-Frequency Vibrator[J].Compute Auto-Measure and Control，2000，8（4）：10-12.

[6]Chen Zubin，Lin Jun.Design for Vibrator Field Experiment Based on Vibrator-Earth System[J].Journal of Geoscientific Research in Northeast Asia，2000，3（1）：107-113.

[7]王俊秋，林君，姜弢，等.可控震源地震方法在金昌銅鎳礦區的應用實驗[J].吉林大學學報：地球科學版，2011，41（5）：1617-1622.Wang Junqiu，Lin Jun，Jiangtao，et al.Experiment and Application of Controlled Vibrator Seismic Methoda at Jinchang Copper-Nickel Metal Deposit[J].Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2011，41（5）：1617-1622.

[8]Crawford J M，Doty W E N，Lee M R.Continuous Signal Seismograph[J].Geophysics，1960，25（1）：95-105.

[9]Barbier M G，Viallix J R.SOSIE：A New Tool for Marine Seismology[J].Geophysics，1973，22（4）：673-683.

[10]Barbier M G，Viallix J R.Pulse Coding in Seismic Prospecting-SOSIE and SEISCODE[J].Geophysical Prospecting，1974，22：153-175.

[11]Barbier M G，Bondon P，Mellinger R，et al.Mini-SOSIE for Land Seismology [J].Geophysical Prospecting，1976，24：518-527.

[12]Park C B，Miller R D，Steeples D W，et al.Swept Impact Seismic Technique（SIST）[J].Geophysics，1996，61（6）：1789-1803.

[13]王忠仁，高健，孫鋒.脈沖編碼可控震源信號設計[J].地球物理學進展，2008，23（6）：1931-1935.Wang Zhongren，Gao Jian，Sun Feng.Signal Design for Controllable Seismic Source by Pulse Coding[J].Progress in Geophysics，2008，23（6）：1931-1935.