可控震源的互补组合激发技术

2013-09-25王忠仁赵博雄

吉林大学学报（地球科学版） 2013年6期

王忠仁，刘瑞，陈卫，赵博雄

吉林大学仪器科学与电气工程学院／地球信息探测仪器教育部重点实验室，长春 130026

0 引言

在地震勘探领域，震源激发地震波是至关重要的环节，震源信号的能量强度与品质直接影响地震勘探的效果，没有激发阶段的震源信号质量作保证，后续的数据采集和数据处理都是毫无意义的。在深部油气资源地震勘探领域，炸药震源作为一种常用的震源一直沿用至今。近年来随着人们环保意识的增强，大吨位的液压可控震源[1]正在逐步替代炸药震源[2-3]。在近地表浅层地震勘探领域，目前工程上还是以劳动强度较大的人工锤击震源为主，轻便可控震源还处于实验和完善阶段。电磁驱动轻便高频可控震源代表着振动式便携可控震源的主流。荷兰Utrecht州立大学于1989年研制了第一台电磁轻便高频可控震源[4]；20世纪90年代中期日本的OYO公司也推出了电磁驱动方式的轻便高频可控震源；吉林大学在1995-2001年期间研制出500N和1000N2种型号的轻便电磁驱动可控PHVS系列震源[5-7]。这种电磁驱动可控震源信号一般都设计成扫频信号，Crawford等[8]认为这种在发射期间不具有周期和重复性的扫频长信号经过相关解码运算后可以压缩成一个短脉冲，因而一个反射界面才不会出现多个回波。激发扫频信号的振动式可控震源具有优良的相关解码特性，但是为了防止脱耦现象的出现，要求震源的自重必须大于震源的输出力。要使输出力增大，就必须使震源的质量也增大，因而便携性就大大降低了。便携冲击式可控震源与振动式可控震源相比不存在脱耦问题，相对较小的质量可产生较大的冲击功。冲击式可控震源不同于夯击震源，不是采用简单的单次冲击方式激发地震波，而是采用遵循一定规律的冲击编码序列的多次累积冲击方式，并通过相关解码运算获得与单次大能量冲击等价的地震记录。Mini-SOSIE方法[9-11]和SIST技术[12]是基于冲击式可控震源的2种主要方法。冲击式可控震源存在的最大问题是有限长冲击序列总不能达到真正意义下的随机序列，因而相关解码过程中总不可避免地要出现相关噪声[13]。由于随机性相对增强，冲击序列长度的增加能够使这种相关噪声逐渐降低，但这要以增加施工成本为代价。笔者研究冲击式与振动式可控震源的互补组合激发技术，寻求在不增加冲击序列长度的前提下，削弱冲击震源解码地震记录中相关噪声的新途径。

1 互补组合激发技术

地震勘探中的组合激发技术，通常是同一种类同一型号的震源进行同步激发，其目的是增强激发能量，增大勘探深度。笔者提出的互补组合激发技术是冲击式可控震源与振动式可控震源按设定的激发方式进行组合激发，目的是实现冲击式可控震源与振动式可控震源之间的能量互补，保持冲击式震源能量强的优势并减弱冲击式可控震源解码地震记录中的相关噪声。文中冲击式可控震源采用扫描冲击地震技术（SIST）的线性增量间隔序列[12-13]，振动式可控震源采用扫频信号[8]。

1.1 互补组合激发技术的相关分析

首先对振动式可控震源激发的Chirp扫频信号、冲击式可控震源激发的SIST序列以及二者互补组合激发的信号进行相关分析。相关分析技术可用于评价震源信号的理论依据见附录。分别构造振动式可控震源激发的Chirp信号、冲击式可控震源激发的SIST序列、冲击式可控震源与振动式可控震源互补组合激发的震源信号，各信号的持续时间均为2s（图1）。分别对这3个震源信号进行相关分析，三者的自相关函数如图2所示。由图2可见：Chirp信号经过相关解码运算被压缩成了一个比较理想的单脉冲（笔者称之为相关子波）；SIST序列的自相关函数中存在严重的尾震，这种尾震将导致解码地震记录中出现相应的相关噪声；互补组合震源信号的自相关特性与Chirp信号相比差别不大，而且自相关函数中的尾震与SIST序列相比有了明显的减弱。从相关分析结果可见，互补组合激发与冲击激发相比，在压制相关噪声方面具有明显的优势。

1.2 互补组合激发技术的频谱分析

对图1中的各个信号进行了频谱分析，图3为对应频谱的分析结果。由图3可见：Chirp信号的频谱具有典型带通滤波器的特征，中间部分平坦，两端的高低频截止频率到平坦部分的过渡带较陡；SIST序列的频谱在有限的频带内幅度不够平坦，以单次冲击的频率为中心峰值频率，向两侧变化时幅度逐渐降低，这表明SIST序列的频谱在频带两端的高低频成分能量很弱，从信号处理角度来说不利于高分辨率信号处理；由于Chirp信号的调制作用，互补组合震源信号频谱的频带两端的高低频成分能量与SIST序列相比有明显增强。从频谱分析结果可见，互补组合激发与冲击激发相比，由于高低频成分在能量上的增强使得互补组合激发在提高分辨率方面更具优势。

图1 可控震源信号Fig.1 Controllable seismic source signals

图2 震源信号的自相关函数Fig.2 Autocorrelation functions of seismic source signals

图3 震源信号的频谱Fig.3 Spectra of seismic source signals

1.3 互补组合激发技术的数值模拟

可控震源信号的自相关仅仅是衡量相关子波特性优劣的一个因素，震源信号通过不同波速的地层经过地下界面的反射与透射最后被地震检波器所接收是一个复杂的过程；因此，通过数值模拟震源信号的地震响应可以更直接地展现震源信号的地震响应效果。笔者构造了如图4所示的地层模型，最深目的层为z＝300m处的界面。采用有限差分法对互补组合激发技术进行了数值模拟。模拟中最小炮检距为40m，道间距为10m，地震道数为32道。冲击震源单次冲击的震源子波采用主频90Hz的雷克子波，其冲击序列的构成如图1b所示；振动震源信号是扫描频率范围为20～180Hz的经过部分锥化的Chirp信号。2个震源信号的持续激发时间均为2s。地震记录的时间采样步长为0.0002s，地震仪采集时间长度为2.42s，解码后截取的记录长度为0.42s。

图5是冲击震源按图1b所示的冲击序列激发所得到的解码地震记录，图6是冲击震源与振动震源互补组合并且按图1c所示的激发信号所得到的解码地震记录。比较图5和图6可以看出，对于剖面中下部反射波同相轴所在的区域，互补组合激发情形解码记录中的相关噪声比单纯冲击激发情形有明显减弱。虽然互补组合激发解码记录中直达波的旁瓣比单纯冲击激发情形有所增强，但对于反射地震勘探而言，采用切除处理直达波的方法对后续叠加处理结果不会产生太大影响。

图4 水平层状介质模型Fig.4 Model of horizontal layers

图5 冲击源的解码记录Fig.5 Decoded record of shock source

2 互补组合激发技术的实验研究

图6 互补组合源的解码记录Fig.6 Decoded record of combined source

对互补组合激发技术进行了地震波激发采集对比实验，实验中选用的冲击震源是吉林大学自行研制的便携式液压冲击震源，振动式震源是吉林大学自行研制的便携式500N可控震源，地震仪为吉林大学自行研制的集中式地震仪。实验中设置地震道数为43道，道间距为2m，最小偏移距2m。采样间隔为0.0005s。图7是单独液压震源获得的解码地震记录，图8是液压震源与500N震源互补组合激发获得的解码地震记录。比较图7和图8可见，互补组合激发获得的解码地震记录的分辨率与液压震源单独激发获得的解码地震记录相比有明显提高，相关噪声得到了有效压制，分辨率有了明显提高。

3 结论

冲击式可控震源SIST序列冲击与振动式可控震源Chirp扫描的互补组合激发，保持了冲击式震源在能量与便携性方面的优势，增加了组合震源信号的随机性，优化了相关子波的性能，降低了冲击式可控震源解码地震记录的相关干扰噪声。与单纯冲击式可控震源相比，互补组合震源扩展了频宽，提高了地震记录的分辨率。该种激发技术可实现两种激发方式在能量上的互补，可在不增加冲击序列长度的前提下提高地震记录的信噪比和分辨率，从而显著提高野外施工的效率和质量。

图7 单独液压冲击震源获得的解码地震记录Fig.7 Decoded seismic record gained by hydraulic impact source only

图8 互补组合激发获得的解码地震记录Fig.8 Decoded seismic record gained by complementary and combined source

（References）：

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