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一T值，进而依据已知的炮井深度h来推算表层

的速度v = h/T，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）。

Ca）电为式检注界基本結构

7WW

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

S3-2检波器内各部分的运动关系

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 F K

F K = — kx

式中 k 一一弹簧的弹性系数，负号表示

F K 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

①一线圈磁通量

;

韶 d_r

du ??「■

n—线圈匝数；

S----机电转换系数

(3-4)

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

(3 " 5)

R c――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 -6)

WC3-3)式、(3-5)式代入(3-6)式得

(3 -7)

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：

式中卩一一比例系数。

空气阻力比F T小得多，可忽略不计

线圈架组成的惯性体运动符合牛顿第二定律，即

SF=M^a

SF= F K + F L + F T = _ 忌 - @ +

當

化为一般式有

M

+ (尸 + F/R 〉# + kx = M

(3 -9)

d 2x 「“ + F/Rdz L b df +

d 2z = _d?

(3- ?10)

(3 -

-ID

式中k —袁减系数?

⑹一自然频率，OA )=/K7M? 衰减系数与自然频率之比称为阻尼系数，简称D

■D - h/o>i (3 - 12)

(3-11)式反泱了线圈运动与地面运动的关系.称为电动丈检波器的运动方程，在此基础上 可进一步导出电动式捡波器箱出电压与地面运动的关系一出电压方程.

二、输出电压方程和固有援动 电动式检波器的输出电压为

将(3-3)式代入上式得

V

^~R ?$?石■仏石

D

弍中G 严令 5 对(3-14)式两边对「取-?阶导数和二阶导数得

(3? 13)

(3 - 14)

dU_广 d 2x

将(3?11〉式对，再取一次导数，然后将上两式代入得

石厂2A 石f H--G 护

上式即为电动式检波器的输出电压方趕.令(3-1S)式右边等于琴则

(3-15)

(3-16)

解齐次微分方可求得电动式检波器输出电压的固有振动形式.齐次方程弍(3-16)的 待征方程为

r 2 + 2hr + 品=0 下面

分三种悄况逬行讨论：

①当Df/a<1时，(3-17〉式有两个共扼复根.即

(3-17)

ru = -h±j ?/wl-h 2 匸-h ±;wi

式中?>.——检波誥固有娠动角频率，3严-ZT 7*7 即周期

T, = 2ir/W )

0-18) (3-16》式的通解为

V - e -te (c, coscoi f + q sirkui t)=c ? c~h ? sinCcui * + 0)

(3 - 19)

式中 c- 5/c? +d ;

f = arctgci/cj 这种情况称为欠阻尼，

由(3-19)式可知.在欠甲尼情况下电动式检波卷輪岀电压的周冇扳动为逐渐衰减的 正弦扳动，如图3-3 (a)所禾。

② 当Df/s>l 时，式C3 - 17)冇两个不相等的实札HJ

rj.j = ~ A ± y/h 2 ~

( Jt 中 3 = W - ?4)

(3-16)式的通解为 V^=c l e r >* +c 2e rj,二 e '(“戸'? c 2e

(3- 20)

这种悄况称为过限尼.在过阻尼情况下?电动式检波器IS 有振动具有非屈卿性，且迅速衰 戲，如图3-3

所示。

③ 当D"仏"时,(3-17)式有两个相等的实根，即

n.a= f (3?16〉式的通解为

V = e-*(c 1+￡：2/)

(3-21)

就种情况称为临界阻尼.在临界用尼悄况下，同有撮动处于周期撮动向非周期按动过渡的状 态，如图3-3

(c)所示。(3-19)式、(3-20)式、(3-21)弍中的门、c 均取决于检波 器初始状态(Z = 0)的待定常数，

由于固有振动的特点是输入信号消失后.输出烫延续一段时间.所以当检波器固冇掃动 的延续时间大于相邻前界因的反射时羞时，则检波器输出的这两个界血的反射信号就会重叠 在…起而无法分辨.很明显.为了提离分辨率，检波赛固冇掘动延续时冋应缩短.因此.从 提高分髯率考虑，电功式检波器的阻尼应选取临界阻尼，即力=侦.D=l.

三、频TPRJ2

由于电动式检波器的输岀电压与线圈相对于磁铁的运动速度成比例式(3-14),因就电 动式检波卷通常又称

为速度检波蹇.电动弍检波誥输岀电^V(i)的频谱VGG

与地面撮

啦动成楡披器的面件安动良形