地震勘探仪器-地震

1、1 地震勘探仪器设备 seismograph 2 地震勘探仪器设备 第一节 地震仪器主机 第二节 地震检波器 第三节 震源及其同步系统 第四节 地震数据采集系统 第五节 地震数据传输系统 第六节 相关叠加器 第七节 地震数据记录系统 3 本章地震勘探仪器要点： 地震勘探仪器发展史 数字地震仪及其原理 勘探对于仪器的要求 主流仪器简介 检波器类型与工作原理 第一节 地震仪器主机 4 地震勘探仪器发展史地震勘探仪器发展史 公元132年，东汉时期杰出的自然科学家张衡就创造了世 界上第一台观测地震的仪器候风地动仪(seismoscope)。 第一阶段为“模拟光点”记录阶段(19271952)，采用电

2、子管元件，把波变成光点的摆动，记录在照像纸上。克拉 玛依油田、大庆油田、胜利油田、玉门油田等 第二阶段为“模拟磁带”记录阶段(19531963)，这时把 磁带录音技术用于地震勘探，它由晶体管元件组装而成， 把接收的地震波录制在磁带上，在室内可以用模拟电子计 算机(基地回收仪)，对资料进行处理，得到地震时间剖面， 使资料整理工作实现了半自动化，工作效率和精度也得到 了提高，资料也便于保存。大港油田、辽河油田、南阳油 田、中原油田和江苏油田等。 第一节 地震仪器主机 5 第三阶段为“数字磁带”记录阶段(1964 现在)，使用了数字地震仪，它采用了电子 集成电路技术，把地震波以数字的形式记 录在磁带

3、上，然后直接输入电子计算机进 行各种处理，这样使资料的整理工作实现 了自动化，工作效率和精度得到了空前提 高。 第一节 地震仪器主机 6 地震仪基本原理 仪器由地震检波器、电缆、覆盖开关、模 拟箱、控制箱、磁带机、示波器、遥控震 源同步系统、电台和电源等构成。 地震波的激发与遥控震源同步系统 地震检波点的移动(滚动)与覆盖开关 地震信息的采集与采集系统 ：采集系统由 前置放大器、多路采样开关、主放大器和 模数转换器与检测电路。 数据存储与回放 第一节 地震仪器主机 7 集中式逻辑控制型数字地震仪总框图集中式逻辑控制型数字地震仪总框图 如SN338、DFS-V和MDS-10等 第一节 地震仪器主

4、机 8 集中式数控地震仪框图 第一节 地震仪器主机 9 分布式遥测型数字地震仪 第一节 地震仪器主机 10 SK-1004遥测地震记录系统框图 第一节 地震仪器主机 11 分布式遥测系统布置模拟 第一节 地震仪器主机 12 第一节 地震仪器主机 常规数常规数 字地震字地震 仪仪DFS- V型的结型的结 构框图构框图 及电原及电原 理框图理框图 13 地震勘探对数字地震仪的基本要求地震勘探对数字地震仪的基本要求 地震道数的要求 ：二维勘探是48道和96道，或60道和 120道，目前作三维勘探至少要240道，或512、1024道或 更多道。 对地震检波器的要求 ：陆地上勘探用电动式地震检波器， 在

5、海上勘探用压电式地震检波器。 对幅频特性、相频特性的要求 对地震道一致性的要求 对前置放大器动态范围的要求 对谐波失真系数的要求 对地震仪系统噪声的要求 频带要求：低、高截、陷 仪器结构、工艺、适应性能 第一节 地震仪器主机 14 第一节 地震仪器主机 15 新型的数字地震仪器介绍新型的数字地震仪器介绍 第一节 地震仪器主机 16 第一节 地震仪器主机 地面三维地震SN388仪器 17 第一节 地震仪器主机 TSP203隧道地质超前预报系统硬件组成 矿井巷道超前探仪配套设备 18 WZG-24A、48A工程地震仪工程地震仪 主要技术指标主要技术指标 通 道 数：24/48道 采样点数：1024

6、样点、2048样点、4096样点、8192 样点、16384样点 地脉动测量1M样点若干档 采 样 率： 10s、25s、50s、100s、200s、500s、1ms、 2ms、5ms、10ms、20ms 地脉动测量为1ms200ms多档可选 A/D 转 换 器：24位 信号迭加增强：32位 动态范围：144dB 通 频 带：0.1Hz4000Hz 噪 音：全频状态下为1V 幅度一致性：0.2% 相位一致性：0.01ms 失 真 度： 0.05% 延 时：09999ms 输入阻抗：20K 道间串音压制：90dB 低截滤波器陡度：软件滤波 高切滤波器陡度：优于72dB/倍频程 50Hz陷波器：4

7、0dB 主 机（工业控制级微机）：PIII 500MHz 内 存：128MB 硬 盘：不小于40GB 光 驱：内置 显 示 屏：800600点阵VGA液晶显示屏（TFT真彩） 输入设备：触摸屏输入、精致小键盘、光电鼠标 接 口：双串一并、双USB口、鼠标口、键盘口等 标准口 移动存储：256M电子U盘 数据格式：SEG-2 工作温度：-1050 90RH 储存温度：-2060 电 源：DC12V 4A（48道时为5.5A） 重 量：12Kg（WZG-24A）/15Kg（WZG-48A） 体 积：400mm310mm180mm 第一节 地震仪器主机 19 KDZ1114-3型便携式矿井地质探测仪

8、型便携式矿井地质探测仪 显显 示：示：采用640200大屏幕图形点阵液晶显示器； 打打 印：印：标准并行接口，可外接常用打印机； 键键 盘：盘： 64键，由数字键、功能键和子母键等； 操作界面：操作界面： 全中文界面，有字符、专(通)用库、拼音、五笔等输入法； 采集通道采集通道 通通 道道 数：数： 采样通道数为4个，可同时采样四个测点数据； 采样速度：采样速度： 单道采样最快速度为2.5s(高速型)，5s(次高速型)； 分分 辨辨 率：率： 采样数据分辨率为12位； 内存容量：内存容量： 1M8M字节可选，可存储1000个左右测点数据资料； 增增 益：益： 0dB96dB (042dB以6d

9、B、42dB96dB以3dB增量可选)； 低低 通：通： 最高截止频率为4000Hz； 带带 通：通： 在1HZ4000HZ之间任取频带，但高截不能超过低截的5倍； 全全 通：通： 可通过0HZ7KHZ任意频率信号； 容容 量：量： 采样存储器容量为8K字节； 间间 隔：隔： 声波采样 ：2.5s32000s (以0.5s为增量可选)。 探测介质探测介质 探测深度：探测深度： 自动探测为100m以内，用户自定义探测深度不限。 探测层数探测层数：5层； 电电 源源 供供 电：电：内含有高能锂电池，可连续工作4小时以上； 数据保持：数据保持：掉电情况下，可保证数据1000小时不丢失； 充充 电：电

10、：外配有电池充电器，可直接输入220V交流电对机内电池进行充电，充电时间大于等于8小时。 外设选件外设选件 通讯存储卡：通讯存储卡：存储部分容量为1M8M字节可选，用于记录探测历史数据，可存1千个左右探点数据；通讯 部分采用RS232接口标准，可使仪器与微机直接通讯； 打打 印印 机：机：可选用常用打印机； PC 键键 盘：盘：可选通用标准PC键盘。 环境条件环境条件 防防 爆：爆：本质安全型防爆产品，可适用于井下高瓦斯环境； 防防 湿湿：采用密封措施，可适应于井下高潮湿环境； 防防 尘：尘：采用密封措施，可适应于井下高粉尘环境； 工作温度：工作温度：040； 相对湿度：相对湿度：95%。 重

11、量规格重量规格 重重 量：量：主机重量为4.4Kg，携带方便。 规格尺寸：规格尺寸：350mm248mm88mm。 第一节 地震仪器主机 20 NZ专业型专业型24位坚实地震仪位坚实地震仪 通通 道道 数：数：整机地震记录系统-3,6,12,1664道可选（以8道递增），TM视 窗操作系统，全套地震软件，配以Geode，总道数视实际需要（1000道）。 A/D转换器：转换器：采用Crystal半导体公司和Geometrics公司专利的-A/D 转换； 动态范围：动态范围：在2ms采样，24位时，达到144dB（系统），110dB（瞬态 测量）； 畸畸 变：变：2ms采样，1.75208Hz，0

12、.0005%； 通通 频频 带：带：1.75Hz20KHz，低频区域可选； 共模抑制：共模抑制：100dB (=100Hz，36dB)； 道间串音：道间串音：-125dB（23.5Hz，24dB，2ms）； 噪声背景：噪声背景：2ms，36dB，1.75208Hz条件下，射频干扰0.20V； 叠加开关精度：叠加开关精度：采样率的1/32； 最大输入信号：最大输入信号：2.8V峰-峰值； 前放增益：前放增益：以4道一组，由软件成对可选12和24dB或24和36dB，对于 大能量震源也可直接跳到0dB； 去假频率波：去假频率波：在Nyquist频率的83%处为-3dB，下至90dB； 采集和显示滤

13、波器：采集和显示滤波器： 低低 截：截：输出10,15,25,35,50,70,100,140,200,280,400Hz,Butterworth 滤波器，每倍频24或48dB； 陷陷 波：波：50,60,150,180Hz，压制50dB以上，中心频率2%宽度； 高高 截：截：输出250,500或1000Hz，每倍频24或48dB，滤波频率用户可 选； 采样间隔：采样间隔：0.02,0.03125,0.0625,0.125,0.5,1.0,2.0,4.0,8.0,16.0ms； 第一节 地震仪器主机 21 相相 关关 器：器：内置用于可控震源的高速硬件相 关器，还可选用于伪随机震源（Minis

14、osie） 的先导相关器； 记录长度： 记录长度：标准16384样点，也可选 65536样点； 延时触发： 延时触发：最大4096样点； 智能型自触发： 智能型自触发：可供天然地震观察和可 控源； 延 延 迟：迟：0至9999ms一步到位； 辅 辅 助助 道：道：可以通过程序设置任意工作道 为辅助道或数据道； CDP滚动： 滚动：全部工作道可通过软件实现 滚动覆盖； 大线测试： 大线测试：实时监测排列上检波器的噪 音，测量检波器故障同时指出大线短路或短路 位置； 本机检测： 本机检测：内置或外带检测系统，根据 用户需要设计检测结果显示方式； 数据格式： 数据格式：标准SEG-2格式，同时具备

15、SGOS，SEG-D和SEG-Y格式； 软 软 件：件：WindowsTM平台操作系统，采 用Geometrics的MGOS软件控制本机各道和4 线Geodes外接各道的数据采集； 数据存储： 数据存储：数据存储在内置硬盘上或通 SCSI接口存入磁带记录，数据格式有SEG2， SEGY或SEGD； 绘 绘 图图 仪：仪：可驱动各种NT兼容的打印机， 包括48和12英寸的连续热敏打印机； 触 触 发：发：正，负触发或接触式闭路，软 件控制触发门槛值； 电 电 源：源：20W，采集时每道增加0.65W， 等待时消耗电为30%，12V外接电源供电； 工作环境： 工作环境：启动温度5-+40，工作温

16、度-5-+40。全封闭结构，小雨中可工作， 通过MIL810E冲击和振动试验； 几何尺寸： 几何尺寸：267457533.4mm。 22 一种机械振动转换为电信号的机电装置 速度型、压电加速度型检波器主要用于陆 地地震勘探 压电压敏型检波器主要用于水域及海洋的 地震勘探。 地震检波器Geophone 第二节 地震检波器 地震检波器的发展大致经历了三个阶段： 1978年前，地震检波器以窄频带(1460Hz)、低灵敏度30dB为主，型号单一。 上世纪80年代中期，地震仪器实现数字化，检波器的灵敏度、自然频率、失真 度、假频系数等技术指标都得到较大改进，其性能及适用范围大大提高，井中检波 器，海上压

17、电检波器等先后研制成功。 上世纪90年代至今，三维地震、高分辨率地震日益成熟，出现了四维地震、 多波多分量勘探，井间地震等新技术和新方法，随之相适应，检波器的型号和品种 也越来越丰富，如三分量检波器、四分量检波器、涡流检波器、高性能压电检波器 等。 23 速度检波器 第二节 地震检波器 24 涡流检波器内部结构图 1接线柱，2上顶盖，3卡簧，4上弹簧片， 5线圈，6磁钢，7线架，8紫铜片，9下弹簧片， 10卡簧，11外壳，12下底盖 WY-GJ-4400型涡流检波 器主要技术指标 (1)固有频率：17Hz (2)阻尼系数Damping Factor ： 60-70 (3)灵敏度： 0.010-

18、 0.018V/cms-1 (4)内阻：300 5 第二节 地震检波器 25 加速度检波器 第二节 地震检波器 HYD-1型压电检波器 dB系列水听器 压电加速度型检波器的内部结构示意图和力学模型 压电压敏型检波器的内部结构剖面 26 第二节 地震检波器 检波器的主要技术参数及特点检波器的主要技术参数及特点 1、阻尼 阻尼系数可分为开路阻尼和线圈电 流阻尼两部分。 由于线圈回路电阻较小，线圈电流 阻尼较大，选择的开路阻尼应 较小。开路阻尼典型值一般为 0.250.36，考虑到阻尼电阻 会消耗一部分反射信号能量， 目前部分国产检波器没接阻尼 电阻。这种没有内接阻尼电阻 的检波器，线圈回路电阻很大

19、， 线圈电流阻尼很小。 检波器总阻尼系数主要由回路阻尼 提供，国产检波器的开路阻尼 一般为0.50.7。 2、自然频率 检波器的幅频响应呈现高通滤 波器的特性。当自然振频偏低 时，接收深层低频信号的能力 强，而压制面波的能力弱。为 了加强高通滤波效果，数字地 震仪都设置了高通滤波电路。 显而易见，检波器的自然频率 若比地震仪中的高通滤波器截 止频率还低，就没什么意义。 而且动圈式检波器的自然频率 越低其弹簧片越软，惯性体质 量越重，则越易损坏。因此， 在反射法地震勘探中使用的电 动式检波器的自然频率为8Hz， 10Hz，14Hz。自然频率更低的 检波器一般适用于低频地震勘 探用途。 27 3、

20、灵敏度 灵敏度是指机电转换 的效率，效率越高， 检波器输出电压越大， 灵敏度也越高。因此， 提高检波器的灵敏度， 实质上是提高检波器 的机电转换效率。 4、非线性 由于制造工艺上的原 因，检波器存在一定 的非线性。检波器的 非线性与仪器的非线 性一样会造成地震信 号的畸变，因此，检 波器的非线性畸变越 小越好以保证有效信 号不失真。 第二节 地震检波器 28 5、绝缘电阻 检波器芯必须与外界绝缘， 如果绝缘不好，外界的工频电 网和天磁干扰就通过线圈与地 面之间的漏电电阻进入地震仪， 从而对地震信号形成干扰。因 此检波器的绝缘电阻应为数十 兆欧数量级。 1）SWJ-14主要技术指标 (1)自然频

21、率： 145%Hz (2)线圈电阻： 4005% (3)灵敏度：1310mV/cms-1 (4)阻尼系数： 0.45-0.65 (5)失真系数： 0.3 (6)截止频率： 400Hz (7)直径： 22.3mm (8)高度： 26.5mm (9)质量： 45g 第二节 地震检波器 29 接头与大线 防水插头 SN388电缆 SYSTEM/2000-I/O-2电缆 各种检波器小小线、电源线 海洋物探常用电缆 第二节 地震检波器 30 第三节 震源及其同步系统 人工方法激发地震波 1、炸药震源，从20世纪20年代开始到现在 优点：脉冲尖锐、频率范围较宽、能量强 缺点：不安全、对周围环境易造成破坏，

22、 钻炮井所需费用大。 成型炸药 爆炸索 31 2、气动震源：可燃气体导入爆炸室，然后 由电火花引爆。爆炸时产生的脉冲经爆炸 室底板传至地下 3、重锤震源 ：将3t以上的重锤高举至3m 让其坠落 4、电火花震源：万伏的高压，电极间水介 质中形成数万安培的放电电流，瞬间产生 出几十万焦耳的热能，使海水汽化，对海 水产生巨大的冲击力，激发出地震波。电 火花震源激发的地震波频谱很宽(50Hz- 500Hz) 第三节 震源及其同步系统 32 5、空气枪震源 ：海上勘探 应用最广的震源 空气压缩机把高压空气经左上方的 进气管打进气室，推动活塞向下运 动，活塞中心有一孔道将高压空气 引入储气室。上下储气室内

23、的压强 虽然相同，但上活塞顶面积大于下 活塞的底面积，合力向下推动活塞 关闭储气室，气枪处于待发状态， 激发时触发电磁阀，高压气经引发 气室推动上活塞向上运动。当活塞 向上高速运动滑过排气口时，急速 打开排气口，储气室中的高压空气 便通过四个排气孔急速喷入水中产 生高压气泡，气泡在静水压力作用 下将产生胀缩震荡(气泡效应)形成向 外传播的弹性波 气枪激发的地震波的能量 谱主要集中在地震勘探有 效波的频率范围内，所以 能量的利用率较高。 第三节 震源及其同步系统 33 6、可控震源 扫描的起始频 率和终了频率 可以控制和改 变的，振动的 延续时间也是 可以控制的， 因此叫可控震 源。 可控震源相

24、关记录和脉冲震源记录波的到达时间 扫描信号的自相关图形 可控震源的原始记录和相关记录 扫描信号 第三节 震源及其同步系统 34 可控震源的组成框图 第三节 震 源及其同步 系统 35 震源同步系统震源同步系统 震源激发与记录开始应是同时的， 可以通过地震电缆中专用通信芯线建立联 系。但目前大都与无线电台配合使用。 第三节 震源及其同步系统 36 第三节 震源及其同步系统 地震同步系统放炮工作流程 37 第四节 地震数据采集系统 地震数据采集系统是由检波器、前置放大、 滤波、主放和模数转换等电路组成 38 1、前放电路 加在前置放大器输入端的电压包括三部分： 差模信号VSd，差模干扰VNd，共模

25、干扰VNc 第四节 地震数据采集系统 共模电压转换成差模电压 前放输入等效电路 两条导线送至前放的电压信号包括两部分： 一部分是检波器送来的地震信号电压，它 经由两根连线加至前放的两个输入端之间， 称之为差模输入电压。另一部分是干扰电 压信号。 干扰信号以两种形式存在，差模干扰和 共模干扰。同一道检波器的两根连线虽 然结构性能基本上一致，但它们的电阻 (R1、R2)和它们对地的漏电电阻(r1、 r2)及分布电容C(C1、C2)不可能完全 相同，这些参量的不一致性会使共模干 扰电压VNc转换成一部分差模干扰电压 VNd 39 前放电路的特点 1）高共模抑制比 2）低噪声放大 3）阻抗匹配 第四节

26、 地震数据采集系统 40 滤波器电路滤波器电路 截止频率(fnc)：一般定义增益下降到-3dB点，在 有源滤波器中，指其相对下降3dB点。 滤波陡度s一般定义每十倍频程增益下降的 值。其单位为dB/oct。 滤波器特性曲线 有效波和干扰波的频谱曲线 第四节 地震数据采集系统 41 多路转换开关多路转换开关 m道的地震信号要 由同一主放大器进 行放大和A/D转换， 如DFS-V每60道公 用一个主放电路， 又称之为集中采集。 在采样周期内k道信 号与主放相连接， 进行离散化. 用单刀多掷开关示意多路转换开关 第四节 地震数据采集系统 42 浮点放大器浮点放大器(IFPA) 瞬时浮点的增益控制方式

27、对输入的每一个 子样都进行最佳放大，其增益的改变由每 一个子样的瞬时值控制，具有最大的压缩、 扩展速度，在10S和24S内放大器增益可 变化84-90dB，任意幅度的子样经放大后的 输出均在特定的范围内 逐 次 比 较 型 A/ D 框 图 第四节 地震数据采集系统 43 模数转换器模数转换器(A/D) 1）转换精度 2）量化方式和量化误差 3）电路误差 4）转换速度 第四节 地震数据采集系统 44 第五节 地震数据传输系统 国内外采用电缆传输的基本结构可分为三 种类型：双绞线(SN368/SN348)、电视平 行馈线(GUS-BUS)、同轴电缆(Geocor-) 。 无线传输系统 光纤通信

28、45 第六节 相关叠加器 实时相关叠加器是用可控震源作震源的地 震数据采集系统必不可少的辅助设备，它 将反射的地震信号与震源扫描信号在现场 进行实时相关运算；将各次震动接收的反 射信号进行实时叠加运算，以达到压缩磁 带记录的数据量和监视并改进野外磁带记 录质量的目的。 46 垂直叠加 m次叠加后的信噪比 ( ) () ij m m Sk SNRm SNR m 叠加器简化框图 第六节 相关叠加器 47 相关器相关器 相关器对震源产生的 扫描信号与各地震道 接收的地震信号做实 时相关运算，实现对 地震数据的压缩，形 成与炸药震源类似的 回放监视记录(相关记 录)。 相关运算有时域法和 频 域法 时域数字相关原理 源信号X，采集数据Y 相关信号 N0由源长度T0和采样 周期Ts ,N0 T0/ Ts 若采集过程持续T2， 那么反射信号的子样 总数N2为N2T2/TS 相关信号的子样总数 N1= N2-N0 0 1 N k knii YXr s H s T T NN T TT N 02 02