王忠仁，劉 瑞，陳 衛(wèi)，趙博雄

吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院／地球信息探測(cè)儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130026

0 引言

在地震勘探領(lǐng)域，震源激發(fā)地震波是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，震源信號(hào)的能量強(qiáng)度與品質(zhì)直接影響地震勘探的效果，沒(méi)有激發(fā)階段的震源信號(hào)質(zhì)量作保證，后續(xù)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理都是毫無(wú)意義的。在深部油氣資源地震勘探領(lǐng)域，炸藥震源作為一種常用的震源一直沿用至今。近年來(lái)隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，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(lǐng)域，目前工程上還是以勞動(dòng)強(qiáng)度較大的人工錘擊震源為主，輕便可控震源還處于實(shí)驗(yàn)和完善階段。電磁驅(qū)動(dòng)輕便高頻可控震源代表著振動(dòng)式便攜可控震源的主流。荷蘭Utrecht州立大學(xué)于1989年研制了第一臺(tái)電磁輕便高頻可控震源[4]；20世紀(jì)90年代中期日本的OYO公司也推出了電磁驅(qū)動(dòng)方式的輕便高頻可控震源；吉林大學(xué)在1995-2001年期間研制出500N和1000N2種型號(hào)的輕便電磁驅(qū)動(dòng)可控PHVS系列震源[5-7]。這種電磁驅(qū)動(dòng)可控震源信號(hào)一般都設(shè)計(jì)成掃頻信號(hào)，Crawford等[8]認(rèn)為這種在發(fā)射期間不具有周期和重復(fù)性的掃頻長(zhǎng)信號(hào)經(jīng)過(guò)相關(guān)解碼運(yùn)算后可以壓縮成一個(gè)短脈沖，因而一個(gè)反射界面才不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)回波。激發(fā)掃頻信號(hào)的振動(dòng)式可控震源具有優(yōu)良的相關(guān)解碼特性，但是為了防止脫耦現(xiàn)象的出現(xiàn)，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(zhì)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(dòng)式可控震源相比不存在脫耦問(wèn)題，相對(duì)較小的質(zhì)量可產(chǎn)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(jiǎn)單的單次沖擊方式激發(fā)地震波，而是采用遵循一定規(guī)律的沖擊編碼序列的多次累積沖擊方式，并通過(guò)相關(guān)解碼運(yùn)算獲得與單次大能量沖擊等價(jià)的地震記錄。Mini-SOSIE方法[9-11]和SIST技術(shù)[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(wèn)題是有限長(zhǎng)沖擊序列總不能達(dá)到真正意義下的隨機(jī)序列，因而相關(guān)解碼過(guò)程中總不可避免地要出現(xiàn)相關(guān)噪聲[13]。由于隨機(jī)性相對(duì)增強(qiáng)，沖擊序列長(zhǎng)度的增加能夠使這種相關(guān)噪聲逐漸降低，但這要以增加施工成本為代價(jià)。筆者研究沖擊式與振動(dòng)式可控震源的互補(bǔ)組合激發(fā)技術(shù)，尋求在不增加沖擊序列長(zhǎng)度的前提下，削弱沖擊震源解碼地震記錄中相關(guān)噪聲的新途徑。

1 互補(bǔ)組合激發(fā)技術(shù)

地震勘探中的組合激發(fā)技術(shù)，通常是同一種類(lèi)同一型號(hào)的震源進(jìn)行同步激發(fā)，其目的是增強(qiáng)激發(fā)能量，增大勘探深度。筆者提出的互補(bǔ)組合激發(fā)技術(shù)是沖擊式可控震源與振動(dòng)式可控震源按設(shè)定的激發(fā)方式進(jìn)行組合激發(fā)，目的是實(shí)現(xiàn)沖擊式可控震源與振動(dòng)式可控震源之間的能量互補(bǔ)，保持沖擊式震源能量強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)并減弱沖擊式可控震源解碼地震記錄中的相關(guān)噪聲。文中沖擊式可控震源采用掃描沖擊地震技術(shù)（SIST）的線性增量間隔序列[12-13]，振動(dòng)式可控震源采用掃頻信號(hào)[8]。

1.1 互補(bǔ)組合激發(fā)技術(shù)的相關(guān)分析

首先對(duì)振動(dòng)式可控震源激發(fā)的Chirp掃頻信號(hào)、沖擊式可控震源激發(fā)的SIST序列以及二者互補(bǔ)組合激發(fā)的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析。相關(guān)分析技術(shù)可用于評(píng)價(jià)震源信號(hào)的理論依據(jù)見(jiàn)附錄。分別構(gòu)造振動(dòng)式可控震源激發(fā)的Chirp信號(hào)、沖擊式可控震源激發(fā)的SIST序列、沖擊式可控震源與振動(dòng)式可控震源互補(bǔ)組合激發(fā)的震源信號(hào)，各信號(hào)的持續(xù)時(shí)間均為2s（圖1）。分別對(duì)這3個(gè)震源信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析，三者的自相關(guān)函數(shù)如圖2所示。由圖2可見(jiàn)：Chirp信號(hào)經(jīng)過(guò)相關(guān)解碼運(yùn)算被壓縮成了一個(gè)比較理想的單脈沖（筆者稱(chēng)之為相關(guān)子波）；SIST序列的自相關(guān)函數(shù)中存在嚴(yán)重的尾震，這種尾震將導(dǎo)致解碼地震記錄中出現(xiàn)相應(yīng)的相關(guān)噪聲；互補(bǔ)組合震源信號(hào)的自相關(guān)特性與Chirp信號(hào)相比差別不大，而且自相關(guān)函數(shù)中的尾震與SIST序列相比有了明顯的減弱。從相關(guān)分析結(jié)果可見(jiàn)，互補(bǔ)組合激發(fā)與沖擊激發(fā)相比，在壓制相關(guān)噪聲方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1.2 互補(bǔ)組合激發(fā)技術(shù)的頻譜分析

對(duì)圖1中的各個(gè)信號(hào)進(jìn)行了頻譜分析，圖3為對(duì)應(yīng)頻譜的分析結(jié)果。由圖3可見(jiàn)：Chirp信號(hào)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(guò)渡帶較陡；SIST序列的頻譜在有限的頻帶內(nèi)幅度不夠平坦，以單次沖擊的頻率為中心峰值頻率，向兩側(cè)變化時(shí)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(hào)處理角度來(lái)說(shuō)不利于高分辨率信號(hào)處理；由于Chirp信號(hào)的調(diào)制作用，互補(bǔ)組合震源信號(hào)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(qiáng)。從頻譜分析結(jié)果可見(jiàn)，互補(bǔ)組合激發(fā)與沖擊激發(fā)相比，由于高低頻成分在能量上的增強(qiáng)使得互補(bǔ)組合激發(fā)在提高分辨率方面更具優(yōu)勢(shì)。

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

圖2 震源信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)Fig.2 Autocorrelation functions of seismic source signals

圖3 震源信號(hào)的頻譜Fig.3 Spectra of seismic source signals

1.3 互補(bǔ)組合激發(fā)技術(shù)的數(shù)值模擬

可控震源信號(hào)的自相關(guān)僅僅是衡量相關(guān)子波特性?xún)?yōu)劣的一個(gè)因素，震源信號(hào)通過(guò)不同波速的地層經(jīng)過(guò)地下界面的反射與透射最后被地震檢波器所接收是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程；因此，通過(guò)數(shù)值模擬震源信號(hào)的地震響應(yīng)可以更直接地展現(xiàn)震源信號(hào)的地震響應(yīng)效果。筆者構(gòu)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(duì)互補(bǔ)組合激發(fā)技術(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬中最小炮檢距為40m，道間距為10m，地震道數(shù)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(gòu)成如圖1b所示；振動(dòng)震源信號(hào)是掃描頻率范圍為20～180Hz的經(jīng)過(guò)部分錐化的Chirp信號(hào)。2個(gè)震源信號(hào)的持續(xù)激發(fā)時(shí)間均為2s。地震記錄的時(shí)間采樣步長(zhǎng)為0.0002s，地震儀采集時(shí)間長(zhǎng)度為2.42s，解碼后截取的記錄長(zhǎng)度為0.42s。

圖5是沖擊震源按圖1b所示的沖擊序列激發(fā)所得到的解碼地震記錄，圖6是沖擊震源與振動(dòng)震源互補(bǔ)組合并且按圖1c所示的激發(fā)信號(hào)所得到的解碼地震記錄。比較圖5和圖6可以看出，對(duì)于剖面中下部反射波同相軸所在的區(qū)域，互補(bǔ)組合激發(fā)情形解碼記錄中的相關(guān)噪聲比單純沖擊激發(fā)情形有明顯減弱。雖然互補(bǔ)組合激發(fā)解碼記錄中直達(dá)波的旁瓣比單純沖擊激發(fā)情形有所增強(qiáng)，但對(duì)于反射地震勘探而言，采用切除處理直達(dá)波的方法對(duì)后續(xù)疊加處理結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生太大影響。

圖4 水平層狀介質(zhì)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(bǔ)組合激發(fā)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

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

對(duì)互補(bǔ)組合激發(fā)技術(shù)進(jìn)行了地震波激發(fā)采集對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中選用的沖擊震源是吉林大學(xué)自行研制的便攜式液壓沖擊震源，振動(dòng)式震源是吉林大學(xué)自行研制的便攜式500N可控震源，地震儀為吉林大學(xué)自行研制的集中式地震儀。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置地震道數(shù)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(dú)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(bǔ)組合激發(fā)獲得的解碼地震記錄。比較圖7和圖8可見(jiàn)，互補(bǔ)組合激發(fā)獲得的解碼地震記錄的分辨率與液壓震源單獨(dú)激發(fā)獲得的解碼地震記錄相比有明顯提高，相關(guān)噪聲得到了有效壓制，分辨率有了明顯提高。

3 結(jié)論

沖擊式可控震源SIST序列沖擊與振動(dòng)式可控震源Chirp掃描的互補(bǔ)組合激發(fā)，保持了沖擊式震源在能量與便攜性方面的優(yōu)勢(shì)，增加了組合震源信號(hào)的隨機(jī)性，優(yōu)化了相關(guān)子波的性能，降低了沖擊式可控震源解碼地震記錄的相關(guān)干擾噪聲。與單純沖擊式可控震源相比，互補(bǔ)組合震源擴(kuò)展了頻寬，提高了地震記錄的分辨率。該種激發(fā)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)兩種激發(fā)方式在能量上的互補(bǔ)，可在不增加沖擊序列長(zhǎng)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(zhì)量。

圖7 單獨(dú)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(bǔ)組合激發(fā)獲得的解碼地震記錄Fig.8 Decoded seismic record gained by complementary and combined source

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附錄 可控震源相關(guān)解碼原理

設(shè)s（t）為單個(gè)脈沖震源輸入到地下的地震子波，r（t）為地層反射序列，則理想條件下單個(gè)脈沖震源的反射地震記錄y（t）可表示為

其中，＊ 號(hào)表示卷積運(yùn)算。

設(shè)q（t）是可控震源激發(fā)的信號(hào)或多個(gè)可控震源激發(fā)的組合信號(hào)，則其原始反射地震響應(yīng)可表示為

用q（t）對(duì)（2）式做互相關(guān)運(yùn)算可得

其中：?號(hào)表示互相關(guān)運(yùn)算；ACF表示自相關(guān)函數(shù)。把 ACF｛q（t）｝稱(chēng)為可控震源信號(hào)q（t）的相關(guān)子波。

比較式（1）和式（3），如果 ACF｛q（t）｝＝s（t），則有

此時(shí)，可控震源的相關(guān)解碼記錄yq（t）與單個(gè)脈沖震源的理想反射地震記錄y（t）是等價(jià)的。因此，可控震源信號(hào)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是尋求適當(dāng)?shù)目煽卣鹪葱盘?hào)q（t），使得其相關(guān)子波 ACFq（t）與單個(gè)脈沖震源的地震子波s（t）充分相似。