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地震勘探的野外工作方法

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1第二章 地震勘探的野外工作方法(10 学时)野外工作是整个地震勘探中重要的基础工作,它的基本任务是采集地震数据。第一节 野外工作方法是从地震队的组织形式来完成的,分试验工作和生产工作。主要内容:激发地震波、接收地震波、以及地震测线,激发点、接收点的测定。一、试验工作目的:了解本地区的地震地质情况,确定解决任务所需要的最佳野外方法。1、干扰波的调查,调查干扰波的类型及其特点。2、地震地质情况的调查。⑴调查低降速带的厚度及速度 1 在潜水面具有很强的反射,则透射的就少,找油而不是找水,则希望在低降速带的底部爆处,潜水面的深度决定了打井深度。⑵工区速度的分布规律,一般速度是深度的垂直,这个任务由地震测井来完成。⑶调查有无标准层:标准层:大面积连续追踪的地下反射界面。3、选择最佳的激发条件:炸药埋藏深度,药量、炸药组合方式。4、选择合适的接收条件:确定检波器的组合方式,合适的观测系统。比如:道间距的为多少最好,第一个检波器与炮点多远,选择合适的仪器因素。二、生产工作根据试验得出的结论进行野外生产第二节 干扰波一、地震波波场的特点:地震震源激发以后,在地质介质中产生的振动的总和就是波场L1(x, y,z, t) ,震源性质以及地质介质中的弹性参数分布情况决定了波场的特点。在陆地震勘探时,广泛使用浅井、炸药包和它在井中安置的不对称性也会产生一定强度的横波和面波,当采用非炸药震源的激发的波场更加复杂,有的主要激发纵波,有的主要激发横波,但这些震源也不会是纯的,它们总是激发出两种体波以及面波。各种震源之中,有些是脉冲型的,激发出很短的(约 50超过 3~4 个周期的振动,有的产生变频正弦振动,其延续时间达若干秒震源激发的振动形状对波场的总形态有重大影响,它会改变不同类型和不同形式的波所引起的振动之间的关系,当波的震源传播到具有大量界面的地质介质时,产生多次生波(各种类型的一次波和多次波)波场是由数目不多的强一次波和部分二级波加上许多弱2的一次波和多次波构成的,当存在折射界面时,则除了反射波外,还有折射波,除了地震震源引起的振动外,波场中还包括外部震源激发的振动→微震。由于吸收的影响,波在传播过程中,它的振幅逐渐减小,主频逐渐降低,在勘探深度达到 4—5 射波法工作中,纵波的主频一般为 30~70高频率达 150~200坚硬岩石层出露地表面以有在坑道、井中、工程地质勘探时)反之,当进行偏移距达数百公里的区域工作时,纵波的主频不超过3~5波的频率一般小于相同路径纵波频率约 ,瑞雪面波和勒末波之间频率比纵波的小 3~5 倍)为了定量估计波场振幅随时间的变化程度采用自然动态范围概念,所谓自然动态范围指的是为解决所提高地质任务必须记录的最强振动 g1(t),与最弱振动g,的振幅比,用分贝( 表示。自然动态范围由记录的时间区间及地质剖面决定,当记录时间达到 3 分时,所有波的现有动态可达 100—120记录折射波时,自然动态范围大大减小,一般不超过 20—40际观测小的振动脉冲状由震源特点、介质的吸收作用界面的影响,向接收和记录仪器的情况决定,为了用解决或表达所观测的振动的形状,已有不同学者提出不同的分式,别尔拉格地震脉冲由表达式:, 指出其中 a 和 n 是决定包络出具体形式的参数说脉冲波前有几阶0t段连续间断。此外,较常用的还有以钟形包络函数来描述的地震波2()0t参数 和 选择的不同,能得到不同包络变化的振动借助于这两个公式或其它类似的表达式即可,足称精确地追近实际反射波的形状。在地震勘探测量中,地震仪器及可接收到观测点处的所有扰动,在这些扰动中,只有用于解决所提出的地质任务的时才称为主波,所有妨碍波识别和的其它波称为干扰波,由于地震勘探方法及其解决地质的任务的不同所需要记录的种类和形式不同,有些波在某种场合称为有效波,即在另外的场合波划分为干扰波如:在反射波勘探中,一般只有反射波纵波是有效波,其它波都属于干扰波范畴,而在折射波勘探中,反射波一般视为干扰波。主要分两大类1、第一类:规划干扰波,由震源产生的其传播路径不同,有效波的波称为有一定主和传播方向的干扰波。类型:产生原因声波:在浅井爆炸产生的声波在空气中传播,在地震到来上形成尖锐强韧的波。3面波:当震源较浅和表层具有明显成层性时,注意改善激发条件和利用检波结合是克服面波的主要方法。在大地和空气的分界面附近,由纵横波在地面干涉形成沿地区传播。主频较高,频率在 80~300=340 米/秒,V 米100~1000m/s。振幅弦延续时间长,时距曲线为直线,外形为扫帚形。即波散(频散)结果频率稳定,50强度可超过地震有效收许多位。工艺干扰 高压电浅层折射波 存在折射界面(V 2>V 1)时距曲线为直线与反射波相切由反射界面和地面之间多次反射形成。几次反射的旅行时间,近似为有效的几倍。(测浅两弯海底有巨大凸起物如:暗礁、沿船)虚反射 地面对爆炸直线波的反射补充了有效波的相位,使信号延续时间。它伴随在地震直接向上传播界面反射的正常的波源,由于它干扰正常反射波,复杂化,相位数目增多,虚反射波频率及速度甚于有时比振幅都正常。侧反射:海底潜山戎凸起, 地面的山等产生的反射。V *低,V 海=V 声 (在水中)(在地形变化剧烈的黄土高原减速是地层情况下也会产生侧反射)第二类:不规则干扰波:没有固定主频,没有固定传播方向上随机干扰叫不规则干扰波。类型 产生原因 微震:与激发震地球公转和自转过程中所固有的震动,风吹带动,机动车和工厂等人为干扰。特点:出在整张记录上形成干扰背景。次生干扰:地面障碍物是次生震源,在近处直达波的方式,在远处的折射波的方式传到检波器产生干扰,浅层介质的不均匀性引起高、低速次生干扰。特点:出现在整张记录上,视速度有高有低,形成交频及低频干扰背景。低频主频背景:在沼泽、流河、等至松介质中激发地震源时,低高频背景的特点是整张记录出现,而且复杂化无率。底波:在浅海地震勘探时,如果附近海底激发就会在淤它底面产生类似于面波形状的底波,其特点是频率低、视速度α(1000m/s)横向意域延续时间长。这些介质的原有振动形成低散频(10~30炸时,如石乐石多孔岩石上产生的散频,形成高频的干扰波(80~200。鸣震:地震波在海底及平面之前的多次反射。类似正弦振动,有周期忙,持续的时间长等特点。侧面波:在地表条件比较复杂的地区进行地震勘探工作时,还会出叫侧面波的干扰波如:黄土高原地区,由于水系切割形成谷沟交错的复杂地形,当黄土高原侧面波是沟原和沟的相对差达几百米,在原与沟的交界为陡峻的黄土高原与空气的接触面,形成一个强波阻抗界面,因而地震波激发后,传播到黄土高原边沿,主波反射回来,记录上可出现不同的方向具有不同视速度的干扰波,这种干扰波是一种侧面波。4(三)干扰波的观测方式1、小排列采用土坑爆炸,连续小排到接收的方法追踪干扰波。面波和声波是主要干扰,此法可观测到道间距 △ X=3~5 米若震离检波器很近将接收不到折射波 △ X 很小,观则声波和面波, △ X 拉大观测折射波(折射波有盲区)2、通过对激发条件及仪器因素的改变,了解干扰波的特点,产生条件频带宽度,视速度、出现规律等。3、采用直排到查明干扰波在地面的传播方向。当南北排列所得记录峰值对齐时,说明波是东西方向来的。当东西排列所得记录峰值对齐时,说明波是南北方向来的。当波非南也非北排列时 如:西南→东北方向干扰波的方向: 东 西一、地震测线布置:(一)原则1、应尽量为直线:一是反映的构造形态比较真实,二是解释工作方便。2、一般应垂直走向(二)不同勘探阶段对测线布置的要求1、路线普查:了解基底起伏情况及基本地层结构,线距几十~几百公里。(未超过地震地区)2、面积普查:了解盆地二级构造形态及范围采用丰字型测线,线距几公里~几十里(二级构造是多个小块构造)3、面积详查:了解已知构造的具体形态及各种参数采用丰字型测线,线距1~3 公里。4、构造细测:详细了解构造的特点,准确地确定井位,线距几百米~1 公里,再增加垂直断层走向的测线及连井测线。二、观测系统及其图示方法(一)观测系统的概念为了查明地下构造形态,必须连续地追踪各界面的地震波,因此就要沿测线在许多个激发点上分别激发地震波目进行连续多次观测,即多次覆盖技术,每次观测时,激发点和接收点相对位置应保持一定的关系。观测系统:描述炮点和检测点相对位置关系的平面图叫观测系统。:纵 观 测 系 统 炮 点 和 检 波 点 在 一 条 直 线 上 非 纵 观 测 系 统 炮 点 和 检 波 不 在 一 条 直 线 上 和 三 维 观 测 系 统 工区的地震地质条件和采用的方法总的原则是:尽量使记录的地下界面能连续追踪避免发生有效波彼此干涉现象,施工简单。(二)观测系统的图示方法:1、作用方法:时距平面、普通平面法、综合平面法、现在野外都采用综合平面图法,我们只讲此具体作图该当如下:①作报直线(测线)将各炮点标在直线上②过炮点作一个向排到 45°直线③将排投影到 45°斜线上得到斜线上的排到 1’、2’ 、…、N’分别是检波点 1—N 在炮点组成 45°角的直线上的排列的投影。画观测系统图的目的:①对野外激发点、接收点的坐标进行描述②指导抽共反射点道集为水平迭加提供参数。共反射点道集:接收自地下同一反射点的各检波器的道号集合目前野外分:单边放炮、中间放炮(有偏移距)(大号、小号、正序、反序……(无偏移距) )2、观测系统中的几个术语:物理点:地面上任何一个激发点或接收点都叫物理点。野外排列:在一次激发时,最远两个物理点间所夹的线段叫野外排列。线段可以是直线也可以是曲线。野外道间距:地面观测时两个相临接收点的距离。剖面道间距:野外道间距的一半。炮间距:炮点与检波点的距离。偏移距:最小炮检距(三)一次覆盖观测的基本类型a、简单连续观测系统(中间放炮、两边接收、无偏移距)优点:不受折射波的干扰施工方便(因为折射波有盲区)缺点:近炮点的几道爆炸后的声波,面波干扰。b、间隔连续观测系统(具有一定的偏移距)单边放炮优点:避开声波干扰c、延长时距曲线的观测系统A 点放炮,B—N 摆排列得时距曲线 踪 面。B 点放炮, A—N’摆排列得时距曲线 踪 面。(四)多次覆盖观测系统(对被追踪的界面观测多次)从测线端点放炮最先满足覆盖次数的地下反射点数= () 总 道 数覆 盖 次 数6多次覆盖是通过炮点和检波点同时搬家使其共反射不变来实现的,那么每放一炮炮点移动必须有一定的规律,否则不能完成共反射点迭加每放一炮移动的道数 d= ()2排 列 总 道 数覆 盖 次 数 12单 边 放 炮双 边 放 炮共反射点迭加是来自同一个反射点的各个检波器的地震记录进行迭加,我们把接收到对应于地下同一点的反射波的各道的集合叫共反射点道集。下面以 24 道,6 次覆盖为例(有偏移距)来说明这种观测系统。最先满足覆盖次数的地下反点数= 24()6每放一炮移动道数 2d道即炮点在排列的一端,每放一炮,炮点和整个排列向前移动 2 个道间距即若 △ X=50 米,则炮点和排列向前移动 100 米。实行施工时,在移动炮点的同时,将近炮点的两道检波器拿掉,排列末尾再加上两道即可,这样连续放炮,使可组成一个 6 次覆盖的观测系统将所有的炮点2,…标在同一条直线上,然后从各炮点的向排列前进的方向作一条与炮点星45°的斜线上,即每一根直线表示一个排列获得一张原始记录:下面具本分析一下:炮点向前移动两道反射点不变,根据反射定律按收 A 点的检波器应是向后移动 2 道的道号则: A B C D(1)炮 21 22 23 24(2) 17 18 19 20(3) 13 14 15 16(4) 9 10 11 12(5) 5 6 7 8(6) 1 2 3 4放 36 炮 A、B、C、D 点正好得到了 6 次覆盖,继续放炮得到了一系列满足覆盖次数的共反射道集。在多次覆盖系统的综合平面图上,补充一条线构成列线图。(1)从炮点出发的斜线代表一个排列,在此线上所有的接收点有共同的炮点→共炮点线。(2)从接收出发的斜线,在此线上所有道都是在同一个地面点接收的→共接收点线。(3)与测线平行的水平线上,各接收点炮检距都相等→共炮检距线。(4)垂直测线的竖线上,各点接收到来自地下同一反射点的的反射→共反7射点线。第四节 地震波的激发和接收一、地震的激发在地震勘探的野外工作中,第一步要人工方法激发地震波激发的有效地震波要有足够的能量,良好的频谱性和较高分辩能力,这样才能查明地下几千米深度范围的地层的构造形态。 炸 药 震 源震 源 非 炸 药 震 源目前陆上主要以炸药震源、可控震源、气动震源为主。海上用电火花、空气枪、无气泡蒸汽枪。(一)炸药震源炸药震源同炸药爆炸的方法激发地震波,激发地震波的强度和频率主要决定于炸药量及爆炸场的物理性质。a:与介质有关的常数 波速度 :炸药量6vf= 1、激发岩性的选择①不能在干燥、疏松低速激发地震波。因为在这种岩石中激发时纵波的传播及分数 a 较小,对高频成份有吸收作用,激发频谱中主要频率较低,且爆炸能量大部分被松散的岩层所吸收,转化为有效的弹性能量不大。②不能在坚硬的岩石中激发地震波因为大部分能量消耗在坏井壁围的岩石上,转唤为弹性能量的不多。造成激发的地震源能量不强。③一般在湿的沙土、粘土等可塑性岩石上激发效果好。因为在这种岩石中激发能获得丰富的频谱深度一般在潜水面以下 3~5 较好,潜水面是一个强反射界面,爆炸所激发的能量由于潜水面二级反射作用而大部分往传播,从而增加有效激发的能量由于潜水面的强反射作用大部分往下传播,从而增加有效波的能量减少干扰波的能量。2、炸药量的选择:炸药是与地震波振幅之间关系: 8弹性常数m=化,当 值较小时,m≈1,激发产生的弹性波与炸药量成正比地增加,但随着 值的不断增加,邻道 道增加而加大的速度慢时炸药量增加到一定程度时,增加炸药量不会增加地震波的振幅,新增加的药量全部被岩石破坏了(因为炸药量增大后,岩石的破坏作用急速增大,而激发弹性振动的能量反而相对减少,所以激发产生的地震波振幅也就会再随炸药量的增加而加大)一般的增加药量解决不了记录较时,采用组合炸加强地震波的能量可以相对地减小由爆炸产生的偶然干扰水平提高有效信号的振幅,提高有效波振幅与其它爆炸无关的干扰水平比值,有利于有效波的方向选择接收。同时引炸两口井,组合经验分式井间距离 (二)非炸药震源使用炸药震源有许多优点,但也存在着使用上的障碍,安置炸药需要钻井,但在地形起伏和缺水地区进行钻井是相当困难的,因炸药量是一种危险品,在运输、储存和使用上也受到一定限制,因此目前大力发展非炸药震源,这些震源有:重锤、气锤。电火花和连续振动的可控震源等,在使用上可探震源效果最好。1、人工可控震源原理①相关出数的概念:用量 来度量两个21()信号的相似性,x(t)与 y(t)完全一样时即 越小,越相似0越大,越不相似 211[]其中 , 代表地震源的能量是常数,那么 只决定于 其21i21i 12大 越相似,这时我们定义12相 似 系 数越大,两个信号越相似,将 y(t)向左9移得 21定义: 为 x(t)和 y(t)的相关函数1()连续形式的相关函数为 ()()②可控震源原理可控震源是通过液压控制系统推出重锤振动,而振动的状态受固定的程序控制,可控震源向地下发送的不是脉冲信号,而是一个达几秒钟不断要比频率的类似正弦度的信号,这种信号称为扫描频率信号它的振源稳定,频率渐变(15~90,延续时间长(10~20s)扫描频率信号向地下发送的同时,在震源附近用一个专门检波器 A 记下震源,信号的图形如图:将参考道信号和检波器输出信号作相关将参考信号 y(t)移到 ,相关函数就达到第一次最大值。将参考信号 y(t)移到 ,相关函数就达到第二次最大值。将参考信号 y(t)移到 ,相关函数就达到第三次最大值。出现最大值的时间就是在三个反射界面到达检波器的时间。原理:用参考道的记录与实际的地震道的记录作相关,当参考道移到与每一个反射界面的位置对齐时,相关函数为极大值,因而依据极值的位置,可以决定每个反射界面反射波的到达时刻。根据采集方法:1、震源多次重复振动,采用激发多次按收后进行迭加,可以有效地加强有效波,压制随机干扰这种迭加方法叫垂直迭加。2、多台可控震源人工组合加强信号的能量③可控震源的优点:多台可控震源人工组合可加强信号的能量迭了 3~4 台,震源组合与炸药震源相比,可控震源有三个方面的突出优点。a、不产生地层不传播的振动频率从而节约能量,当炸药炸时在炸药附近产生的是一个实脉冲,它的频谱很宽,随着这个脉冲向地下传播时,高频和低频部分。地被地层吸收,而只有一个部分,频率的波得到比较顺利的传播,炸震源消除了一部分能量,产生无用的频率,而厂控震源则可以根据地层特性选择抽耗量最小,最适于地层传播的频率作为扫描的频带,这样震源的能量便能发挥更大的效果。b、不破坏岩石、不消耗能量于岩石破碎上。用炸药震源时,在炸药附近,相当一个范围是岩石破坏圈,所以炸药的很大10部分,能量消耗在这里,而可控震源冲击地配力量一般是 5~15 吨,所以对岩石破坏较小,大部分能量用于产生了单性波。C、抗干扰能力较强由于可控震源系统采用了相关技术,所以可避免许多干扰,提高信息比。除此之外,可控震源的特殊地点在于:引起地面挽救小,特别适用于居民稠密的工区工作,但缺点是结构庞大复杂,对地表复杂的地区使用不便。到目前为止,作为地震波激发使用的震源种类繁多,尤其是非炸药震源,种类更多,尽管各有优点,同进却各有缺点。目前,还没有哪一种震源在多数情况下超过炸药的性能和适应性,因而现阶段非炸药震源还只是炸药震源的一种补充而不是取代。然而从长远观点看,非炸药震源是有很大发展前途的。空气枪属于气动震源,做成枪一样形状的装置,将高压气体(氢气)压入枪膛,并让其在枪口端释放,产生很强的冲力,以激发地震波,是典型的脉冲震源,类似于炸药爆炸产生的脉冲波。二、地震波的接收(一)对地震仪器的要求1、有放大作用(主要有地震放大器装置)地震波经过长距离的传播,到达地面的振动是极其微弱的,由检波器所接收的最小地震信号,输出电压小至 1μV,这样微弱的地震信号,通常是不能直接记录的。因此,在记录之前,必须先进行放大,直到地震信号的幅度达到记录设备所要求的电平范围。2、滤波有效波与干扰波的频率范围是有显著差异的,通常有效波频率范围为25~60面波的频率范围为 5~20了压制干扰波放大有效波,地震放大器中没有带定滤波装置,有选择地放大有效波,阻止通过干扰波。3、增益控制来自深层的地震信息十分微弱,但来自浅层的地震信息却相当强烈。强弱的变化可达几十万倍,甚至近百万们,若以最大振幅与最小振幅之比,定为动态范围,则地震信息的动态范围为 120样大幅度的变化则超出了记录设备的动态范围,这就要求地震放大器在记录浅层信号时,降低增益,在记录深层信号时,提高增益。可是浅层至深层的信号,在时间上的变化只有几秒钟,因此地震放大器必须根据地震信号幅度变化,自动地进行增益控制,使放大器的输出信号总是维持在记录设备所要求的动态范围之内。4、地震记录仪器具有较好的分辨能力(分辨地层厚度的能力)5、数字记录(A/D 模数转换器)是以数字形式记录地震信号,但检波器所接收的、放大器所放大的都是连续的地震信号,为此必须将连续的地震信号进行离散取样变成数字形式的离散振幅值。2 截频12(二)道间距的选择道间距 是指埋置在排列上相临两道之间的距离,它的大小直接影响地震为 过大,将导致同一层有效波追踪辨认的可靠性。而过小,则使野外工作量增加,因此 要在当地选取。原则,经过处理后能在靠地追踪波的同一相位。因此选择 时必须考虑的(1)在相邻道上记录形状的重点性。 (2)有效波与干扰波是随机振动背景的振幅关系。 (3)波到达相领接收点的时差 。t(4)振动的视同期 T*。选择应使相临道时差 为地震信号的主频视同期即 排列总长度 L=()检波器的埋置条件:埋置又埋紧,插头不接地,接线不漏电,极性不接反,要没在 的浅坑中。三、低速带的测定低速带:浅层钢化剥能有厚薄不均的一层速度很低的地层,它的存在对地震波能量呈有强烈吸收作用和产生散射及噪音,并会使反射波旅行时显著增大。在地震勘探中,为了校正低速带有在对地震波传播时间和其它特点的变影响,就要对低速带的厚度,波速进行测定,为进行必要的校正提供参数。(一)浅层折射波测定低速带低速带测定包括低还带速度和低速事的厚度测定,主要是根据直达波和折射波的时距曲线来估计的。低速带的直达波和折射波时距曲线如图示:从直达波时距曲线 可得k可通过折射波时距曲线求得高速层 2则 量取交叉时121122(二)微地震测井测定低速带折射法测定低速带,有它的不足之处,如初至折射波所得界面速度往往比层速度大,因为初至波法所观测的,有时只是剖面上部某些高速薄层的折射波,不能反映低速带全貌。因此,我们采用微地震测井,也叫炮井地震测井,即炮井内放炮,地面接收或地面放炮,炮井内接收,由深→浅逐步观测,获得不同深度地震记录,根据 线斜率划分出不同速度层,从而确定低速带。第五节 地震组合法原理一、规则干扰波的组合前面讲的多次覆盖是野外获得高质量原始记录的一种方法,今天咱们讲另外一种行之有效的方法组合。组合法是利用有效波和干扰波传播方向上的差别来压制干扰波的方法组合:将多个检波器按一定的方式连接起来,组成一个地震道的输出。它是在一点激发,多道接收,每道一个检波器这一最基本的地震野外工作方法的基础上发展起来的一种压制干扰的有效措施,目前仍是野外工作的一种最基本的技术。组合不但可以压制规则干扰波,还可以压制随机干扰。要想压制干扰波,那么就得清楚干扰波与有效波的主要区别,前面我们已经学了各类干扰波的主要特点,下面我们总结一下有效波与干扰波的主要区别:干扰波与有效波的主要区别1、传播的方向可能不同。 (组合)2、频谱可能不同。 (有效波主频在 30~50波的主频在 10~30(滤波)3、出现的规律不一样。 (有效波时距曲线为双曲线 ,而干214扰波则不同,如面波出现的规律为直线,随机干扰随时出现) (组合,多次迭加)4、动校正后的剩余时差不一样(多次迭加)下一章讲问题:为什么组合法能消弱干扰波呢?(一)组合法原理若反射界面很深,则反射波到地面时,与地面的夹角特别小(因为深层速度很高,浅层速度较小 ,所12以一般认为有效波近似垂直入射) 。有效波近乎同时到达检波器,几个检波器的信号加在一起做为一道输出则因13同相迭加振幅显著加强。而干扰波多出现在浅层,传到各个检波器的信号有先有后,迭加时就不同相反而被削弱,若 干 正好是波的半个周期时,则干扰波就认为相互抵消了。干怎么改变 干 使得干扰波得到最大程度地压制,可以调整 此地区以可以调整一个合适的 主要干扰波得到最大程度地压制。原理:几个检波器组合时,由干有效波接近垂直入射地面 有 =0,几个检波于倾斜入射地面的干扰波 干 ≠0 可调节使,组合后干扰信号迭加后相互抵消,从而加强了有效波,压制了干扰12干 干波。二、简单线性组合的方向特性组合以后压制了干扰波,突出了有效波,但压制的程度如何?突出的程度如何?这都和波入射的角度有关(角度反映方向) 。(一)组合的滤波作用线性组合的基本假设:(1)检波器沿直线排列;(2)地震波是简谐平面波;(3)各检波器接收的信号的形状一样,只是时间延迟不同。第 2 个检波器收到的振动相对于第一个要晚 f(t),则第 2 个检波器的信号为 f( 个检波器的信号为 f(第 n 个检波器的信号为 f[t-(]所以组合以后的输出信号为 f(t) 10())[()][]A f(t)为输入信号,以组合后的输出为总输出输入 f(t)→组合系统→F(t)(输出)[在组合系统中,有几个形状相同而相位不同的信号相迭加]组合系统相当于一个滤波系统,对于干扰信号滤除,对有效波加强,下面我们利用滤波理论来研究组合系统。设 f(t)的频谱为 g(根据频谱定理中的时延定理有:的谱 ()()14[(1)(1)(t)的频谱 →G (据线性叠加定理则有: (1)()()()[1]()比为 ,首项=1,尾项=012A (1)(等比级数前几项之和 ) 所以 1)1(g(k( (相当于线性滤波)K(映了组合系统的特性())() 为了书写方便,令 t 我们将它化简看看,它到底具有什么特性?1()2222[]]A15振幅特性: ,相位特性:2结论:1、组合系统相当于一个滤波器,组合输出信号 F(t)的频谱 G(于输入频谱乘以滤波因子 k(2、函数 k(信号的形状无关,与信号到达时间也无关,只与信号的频率有关,以及信号到达组内各检波器的相对时差 有关。在 k()中(1) 是常数 (W=则称 k( )为组合的方向特性,反映了组合对来自不同i 的简谐波的迭加结果。组合当中相临检波器的距离 x所以 α 反映波的方向)(,)(A(2)如果 是常数,则称 k(组合的频率特性,即只研究来自某一方向的不同频率的信号组合的效果。(二)组合后输出信号的特点当单个检波器接收到的振幅是 始相位为 O 的简谐波则: [(1)]()A()[(1)]A1[]22结论:此式的物理意义:(1)几个检波器组合后的总输出也是同一频率的简谐波,其总输出信号的振幅为:( )16表明 波的入射角 α 有关(在反射波法中,从深层来的反射波差不多垂直入射地面即 α=0) ,这时 Az=总振幅增加了 n 倍。(2)输出信号的相位与组合系统中中心处的信号的相位相同。反映中心信号, 为第一个信号到第二个信号相位相差值,中心信n1 为了更清楚地了解组合的这种相对加强或压制作用同波的入射角,检波器数目、检波器间距 δx 等参数之间的关系,下面作进一步分析:(三)组合方向特性(1)定义:组合之后输出信号的幅度 组合步单个检波器接收信号振幅的几倍之比称为组合的方向特性(条件:W 是固定的谐波)用表示 (,))o)(,)()关系)此式具体给出方向特性同 α 之间的关系又 *,)(2)方向特性曲线的特点如果我们对一组给定的参数 V, ,W 等讨论 与 的关系就x(,),用上面的式子)方面特性曲线的图形这个问题在数学上就是根据17令 则 来画出函数的图形问题,))y下面我们来分析这个函数的图形的主要特点。当 y=0 时, ( 为(),0)10极大)当 y=1,2,3,…等正整数时, ,仍是 型应用si,) 1,23分子 1s,为 偶 数 时 即 为 偶 数 整 数分母 为 偶 数为 整 数(,)n, 整 数 或 数 , 意 数为 整 数 为 偶 数零点 的条件是)0y, 1,2, 3,…而 y≠0 ,1,2,…则 时有零点,n设 n=2,零点为 n=3,零点为 (检波个数 n 为整数时,中心点 代入 ,12,3 12y()y得 )2 (,)118在 y=0~1 之间共有 零点, ,波落入零点有最大的压12,制,我们关心的是 的大小,即组合以后对有效波加强了多少倍,所以取(,)绝对值。当 时, =1 是 的最大值,即振动到达相邻检波器的时差0(,)=0 时,组合后总振动的幅度得到最大加强,等于单个检波器接收到的振动的几倍,通常深层水平界面来的反射波到达爆炸点附近的观测点时,近似满足到达相邻检波器的时差 →0 的条件,因而通过检波器组合的作用能使这种反射得到于某些干扰波,例如:面波,由于它沿水平方向传播,当它的传播方向与组合基线平行时,到达相临检波器的时差, 较大,组合后其总振动的幅度对就受到压制,如果波落入二次极大,也能得到最大加强。上面讨论的是对有效波最有利和对干扰波压制最厉害的两种情况,实际上不一定能同时实现这两种情况,因此还要引入通放带和压制带的概念来分析组合的效果。一般习惯上定义对不可救药一波若组合后的 ≈ y 的变1()2y化范围就是通放带,定义[0 ,y 1]为通放带,大致可以解出 ,压制带定义[1n]压制带有极值和周期性,极值的个数为 ,大小为 ,我们希望有1,n效波落在通放带得到加强,干扰波落在压制带得到削弱,在分析了组合的方向特性后,我们想结算一下组合对信噪比的改善程度 、组合的方向效应若组合前有效波的振幅为 则干扰波的振幅为 组合前信噪比组合后有效波的振幅为 合后规则干扰波的振幅为 组合信噪比 定义比值 为组合的方向效应,即结算组合对信2 2比的改善程度 组合后有效波加强,即 S,22/则干扰波被压制 p,则 1,所以方向效应反映了加强有效波和压19制规则干扰波的一个综合指标,大,组合系统设计得越好。另外: 其中2(,)有有2(,)p (,)()所以组合的方向效应也可定义为有效波的方向特性与规则干扰波的方向特性之比,如果 在通放带,可以认为 (最大时)(,)1如果 在通放带,可以认为 (最小时)e=n 即在最有利的条件下,组合的方向效应与组内检波器数相等,检波器个数 n 越多,信噪比的改善度越大。四、组合的频率特性上面讨论了组合的方向特性,知道了对于垂直入射到地面的有效波,组合后振帐会大大增强,但是组合后的波形与组合前单个检波器的波形是否一样呢?也就是组合是否会引起波形的畸变?引起什么样的畸变?这就是我们将要讨论的问题。前面讨论组合的方向特性时已得出结论:对平面简谐波来说,组合后的信号频率与组合前单个检波器的信号的频率是一样的。因此没有频率畸变,而组合后信号的相位,相当组内中心位置的检波器接收到的信号的相位,但实际的地震波不是简谐波,而是脉冲波,在这种情况下,如果有效波到达相临检波器的时差为0(即 V*=∞) ,那么很容易理解,组合后的脉冲波形仍然是不变的,只是振幅增强了几倍。然而,实际上对于有效波来说,到达相邻检波器的时差虽然可能很小,但不一定就等于 0,这时组合后的波形就要发生畸变了。分析这种畸变的基本思想是:把组合看作一种频率滤波装置,又从频谱分析的观点,把脉冲波看成是由许多不同频率的简谐波组成,每种频率的简谐波在组合后的变化,可以利用组合的方向频率公式来计算,最后再把组合后的各种简谐波成分叠加起来,就可以得到脉冲波组合的输出了。下面就按这一思路进行分析,组合方向频率特性公式可由 改为 。现)y)此可以取定一个检波器数目20n,再取几个不同的 值参数,分析组合的频率特性 的关系,例如对fn=7 的情况,取 == =算出 曲线如图 2示,从曲线可以看出,只有 =0 时,组合没有频率滤波作用,随着 的率特性曲线的通频带越窄,总的来说具有低通特点,因此, 较大时,组合后显然压制了某些频率成分,特别是一些高频万分。通过讨论说明了组合相当于一个低通滤波器,因此组合后信号的频谱与组合前单个检波器的信号的频谱是不同的,也就是说波形发生了畸变,需要指出我们进行组合是为了利用地震波在传播方向的差异来压制干扰波,加强有效波,但组合本身也具有一定的频率选择作用。不过,我们不是,也不可能用这种频率选择作用来进行频率滤波,因为原来设计组合方案时,只考虑到有效波和干扰波在传播方向上的差别,而不是考虑到它们在频谱上的差别。因此,组合的这种低道频率特性,只能起着使有效波波形畸变的不良作用,特别是如果有效波的视速度沿测线发生变化时(实际上,地震反射波是球面波,一般来说,当炮检距增大时,视速度要变小)这就造成在不同地点相组合时,其 值随炮检距增大而加大,大而变窄,就会使组合后的波形延续时间加位数增多,引起有效波动力学特点的变化。五、脉冲波的组合特征前面已指出,我们得出的组合方向特性公式虽然是从脉冲波 f(t)出发的,但经过付立叶变换后,其结论实际上只适用于简谐波,因为只有固定频率 f,才能得到确定的 y 及 ,以求得确定的方向特性数值,那么对于一个脉冲波,组合解决这个问题有两种方法:一种办法是把脉冲波分解为无数个
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本文标题:地震勘探的野外工作方法
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