范鐵江，齊永飛，黃艷林，聶明濤，余飛君，王 勇.

(中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理公司，河北涿州 072751)

通過“兩寬一高”(寬頻、寬方位、高密度)技術(shù)的應(yīng)用追求“三高”(高信噪比、高分辨率和高保真度)采集效果，對(duì)地震采集儀器在帶道能力、動(dòng)態(tài)范圍、等效輸入噪聲方面的技術(shù)指標(biāo)提出更高要求[1-4]。從20世紀(jì)90年代中期開始應(yīng)用的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC仍然是目前采集設(shè)備中的主流。為了提高各自的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，地震勘探儀器廠商和高?？蒲袡C(jī)構(gòu)在產(chǎn)品指標(biāo)優(yōu)化方面做了大量的工作，趙金龍等甚至研究了基于32位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1281的單通道無纜存儲(chǔ)式地震儀[5]。但是，高指標(biāo)的動(dòng)態(tài)范圍必將帶來高昂的產(chǎn)品價(jià)格，是否高指標(biāo)的產(chǎn)品也一定能帶來“三高”的地震采集資料？本文將針對(duì)每位地球物理工作者都關(guān)心的話題展開詳細(xì)的討論。

1 儀器基本理論

儀器動(dòng)態(tài)范圍(Dynamic Range，DR)是指采集系統(tǒng)最大不失真輸出功率與最小輸出功率的對(duì)數(shù)值，單位為分貝(dB)，動(dòng)態(tài)范圍具體分為理論動(dòng)態(tài)范圍(Theory Dynamic Range，TDR)、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍(System Dynamic Range，SDR)、瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍(Instant Dynamic Range，IDR)，用于描述地震儀器拾取和記錄地震信號(hào)的一種能力[6-7]。

TDR不考慮系統(tǒng)噪聲，反應(yīng)儀器記錄大小信號(hào)的能力。目前采用主流24位ADC的儀器，TDR可以達(dá)到138 dB，動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)均能滿足地球物理學(xué)家對(duì)高分辨率地震儀器的要求(120 dB)。

(1)

SDR需要考慮系統(tǒng)等效輸入噪聲(Equivalent Input Noise，EIN)，數(shù)字地震采集系統(tǒng)模擬部件主要由前置放大器、低切濾波器、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)等組成，每一部分都會(huì)產(chǎn)生噪聲，各部件噪聲總和稱為EIN。

(2)

IDR類似于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的定義，不同的是IDR強(qiáng)調(diào)信號(hào)在同一時(shí)刻出現(xiàn)，與儀器的前放增益有關(guān)。

(3)

由于目前地震儀器都是采用固定前放增益，即對(duì)淺、中、深層反射信號(hào)采用相同的放大倍數(shù)，而地層的吸收衰減作用，中深層反射波地震信號(hào)的能量和振幅均發(fā)生衰減，比淺層能量弱很多；因此，如果儀器前放增益對(duì)于淺層反射波正好達(dá)到ADC的滿量程記錄，那么，中深層反射波無法發(fā)揮24位ADC的真正功效。所以目前的主要矛盾不是地震勘探儀器動(dòng)態(tài)范圍和等效輸入噪聲的大小，而是地層的吸收衰減導(dǎo)致無法發(fā)揮ADC的最大功效[8-10]。

2 主流儀器指標(biāo)

為了幫助客戶降低勘探設(shè)備投入成本，實(shí)現(xiàn)大道數(shù)、高密度地震勘探的目標(biāo)，部分儀器廠商選擇了數(shù)字指標(biāo)相對(duì)較低的芯片，具體參數(shù)見表1。

表1 主流儀器等效輸入噪聲和動(dòng)態(tài)范圍統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of EIN and dynamic range of mainstream instruments

結(jié)合表1給出的數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

(1)不同儀器由于采用了不同成本的ADC，具有不同的EIN；

(2)采用24位ADC的地震儀器具有相同的TDR范圍；

(3)同一儀器前放增益越大，EIN越小，儀器的SDR越大；

(4)考慮目前吸收衰減對(duì)中深層資料能量的影響，較大的TDR和SDR是高信噪比地震資料的必要而非充分條件。

在實(shí)際工作中，一方面，地震采集實(shí)施中受地表?xiàng)l件、檢波器埋置的影響，檢波器畸變程度也有所不同，并且檢波器的畸變要遠(yuǎn)大于采集系統(tǒng)；另一方面，環(huán)境噪音的能量遠(yuǎn)高于系統(tǒng)EIN，因此，在地震勘探中通過儀器指標(biāo)參數(shù)衡量設(shè)備優(yōu)劣并沒有什么實(shí)質(zhì)意義。下面主要針對(duì)資料采集過程中不可避免的噪聲進(jìn)行介紹分析。

3 主要噪聲分析

3.1 環(huán)境噪聲

根據(jù)野外采集階段噪音的出現(xiàn)規(guī)律可以分為規(guī)則干擾波和隨機(jī)干擾波，前者包括面波、折射波、聲波等源自炮點(diǎn)的干擾，后者包括風(fēng)吹草動(dòng)等引起的頻帶寬、速度多變的環(huán)境噪音。分析發(fā)現(xiàn)，地震勘探中不可避免的環(huán)境噪聲即使在非常安靜的地方也遠(yuǎn)大于地震儀器的EIN，因此可以忽略地震儀器幾微伏的EIN。

環(huán)境噪聲是與激發(fā)源無關(guān)的地面擾動(dòng)引起測(cè)試儀輸出記錄、干擾有效信號(hào)識(shí)別的一類噪聲。其特點(diǎn)是頻帶寬、強(qiáng)度不一，沒有地震激發(fā)源就存在于地震記錄中。環(huán)境噪聲根據(jù)噪聲源分為自然噪聲(Natural Noise)和人文噪聲(Cultural Noise)。自然噪聲包括風(fēng)吹、水流、潮汐、地震等自然現(xiàn)象引起的噪聲[11-12]。

3.1.1 自然噪聲

自然噪聲的強(qiáng)度往往取決于風(fēng)的大小。風(fēng)吹引起的地表震動(dòng)引入噪聲信號(hào)到傳感器記錄信號(hào)中。下圖為典型的地震勘探信號(hào)強(qiáng)度分布圖，包含了有用信號(hào)和環(huán)境噪聲。

圖1 中國(guó)東部地區(qū)典型地震信號(hào)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of typical signal strength in eastern China

圖1展示了中國(guó)東部地區(qū)典型地震信號(hào)強(qiáng)度和ADC位數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖中可以看到采集系統(tǒng)的EIN一般在ADC的后4位，環(huán)境噪聲占用了ADC的9位數(shù)，強(qiáng)度達(dá)到70 μV。即便假設(shè)后續(xù)采用先進(jìn)的處理技術(shù)將噪聲降低20 dB，仍然有9 μV，遠(yuǎn)高于地震儀器的EIN。

同樣，從圖中風(fēng)速與噪聲信號(hào)強(qiáng)度對(duì)照表可知，即使在微風(fēng)天氣，風(fēng)速為 1.5 m/s(風(fēng)速定義為離地面10 m處的速度)時(shí)，噪聲強(qiáng)度仍可達(dá)4.32 μV。圖中風(fēng)速影響噪聲強(qiáng)度的數(shù)據(jù)來自風(fēng)是吹向較平滑的地表。如果考慮到有植被的情況，風(fēng)的能量將更大地傳到地面，地面震動(dòng)加強(qiáng)，環(huán)境噪聲更大。地震勘探小隊(duì)能否在這樣的條件下施工仍是一個(gè)問題。下面是收集的國(guó)內(nèi)外不同甲方對(duì)施工隊(duì)伍在采集過程中環(huán)境噪音執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)：

(1)在線排列總道數(shù)5%的道，噪音水平不超過設(shè)定值(25 μV)的25%。(戈壁區(qū))

(2)在線排列總道數(shù)60%的道，環(huán)境噪音水平超過60 μV，并/或通過對(duì)比噪音與地震信號(hào)的均方根值(信噪比)不超過設(shè)定值。(城區(qū))

(3)在線排列總道數(shù)30%的道，環(huán)境噪音水平超過20 μV。(沙漠區(qū))

綜合以上合同條款要求，規(guī)定了采集數(shù)據(jù)時(shí)在線排列環(huán)境噪聲閾值的要求，2 ms采樣率、0 dB增益的噪聲閾值一般為20～25 μV甚至更高(60 μV)。

3.1.2 人文噪聲

人文噪聲與人類的生產(chǎn)活動(dòng)有關(guān)，主要由人畜走動(dòng)、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)、交通運(yùn)輸、工業(yè)電等外力隨機(jī)產(chǎn)生。一般人文噪聲可以通過限制人員的行為活動(dòng)來降低，但是城市、工業(yè)區(qū)等特殊區(qū)域無法進(jìn)行警戒。下圖是某采用存儲(chǔ)式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行施工的兩個(gè)典型區(qū)域的RMS(Root-Mean-Square)噪音水平，地點(diǎn)a在繁華城區(qū)內(nèi)，噪音水平一般在45～65 μV，并且噪音以天為單位，呈周期性變化；地點(diǎn)b在戈壁區(qū)域，外界人文噪聲比較小，RMS噪音在20～30 μV[13-15]。

為了驗(yàn)證是否存在一個(gè) “絕對(duì)安靜”的地方，我們?cè)谥袊?guó)國(guó)家地震局提供的環(huán)境噪聲很小的地方進(jìn)行噪聲檢測(cè)試驗(yàn)。

圖2 某地震項(xiàng)目城區(qū)和戈壁RMS噪音展示Fig.2 RMS noise display of a seismic project in urban and gobi area

試驗(yàn)進(jìn)行了野外噪聲檢測(cè)，設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)置為 0 dB 增益、1 ms 采樣率、 將設(shè)備埋置在10 cm深坑內(nèi)進(jìn)行噪聲連續(xù)記錄，試驗(yàn)時(shí)間選擇為一個(gè)寒冷而安靜的夜晚。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了凌晨2:00—4:00噪聲信號(hào)的均方值(時(shí)窗6 s)，RMS噪音樣點(diǎn)值如下圖3所示，地點(diǎn)2的RMS噪音范圍在6～10 μV之間，地點(diǎn)2的RMS噪音范圍在7～10 μV。

圖3 中國(guó)地震局提的供小噪音點(diǎn)噪音統(tǒng)計(jì)Fig.3 Noise statistics of small noise points provided by China Seismological Bureau

從試驗(yàn)結(jié)果得知，在相對(duì)比較安靜的環(huán)境下，噪音值遠(yuǎn)高于儀器EIN，所以EIN的大小不會(huì)影響采集資料的信噪比。

3.2 耦合噪聲

荷蘭Sensor公司的馬克斯威爾先生在1994年EAGE年會(huì)上發(fā)表的一篇文章中提到“制造地面儀器的人是工程師，他們只管儀器本身，而地球物理學(xué)家只管地下，唯獨(dú)中間一步，即把檢波器埋進(jìn)地里的問題沒人管，問題也就出在這一步”。

理想情況下，檢波器應(yīng)該完全重復(fù)地面運(yùn)動(dòng)并精確記錄下來。但是有兩件事讓檢波器振動(dòng)情況與地面震動(dòng)不一致：一是即使檢波器與地面完全耦合，但檢波器的存在已然影響了地震波場(chǎng)；二是差的耦合會(huì)導(dǎo)致記錄信號(hào)失真，稱之為失真噪聲。人們已經(jīng)分析了各種影響耦合效果的因子，比如尾椎形狀、長(zhǎng)度、材料，地面土質(zhì)硬度、濕度、部署方式等，然而，并沒有一套完整的方法和技術(shù)解決耦合問題。好的耦合需要檢波器尾椎牢固插入地下，并保持垂直，甚至將檢波器填埋，但是這些都會(huì)受到勘探環(huán)境、地質(zhì)條件、人員執(zhí)行力的限制。復(fù)雜而又不確定因子導(dǎo)致耦合噪聲很難量化，但是耦合噪聲的影響是不能忽視的。

高分辨率采集系統(tǒng)往往與單只高靈敏檢波器聯(lián)合應(yīng)用。高靈敏檢波器對(duì)非常小的微震動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)可辨識(shí)的電平輸出。計(jì)算一個(gè)高靈敏度檢波器(假設(shè)靈敏度為80 V/(m·s)產(chǎn)生4 μV電壓的最小位移值是多少？感興趣的頻率范圍為2～200 Hz，通過輸出方程和運(yùn)動(dòng)方程可以計(jì)算出來最小位移值小于4 nm。傳感器根本無法在環(huán)境噪聲和伴生噪聲下避免如此小的軸向偏移[16-18]。

研究發(fā)現(xiàn)，地震資料中受風(fēng)影響的高頻噪聲主要源于檢波器與大地耦合效果差。所以，施工質(zhì)量是決定獲取地震資料動(dòng)態(tài)范圍(信噪比)的關(guān)鍵因素。

4 結(jié)論

本文從地震儀器動(dòng)態(tài)范圍和等效輸入噪聲的理論概念入手，結(jié)合實(shí)際地震采集施工中影響采集資料信噪比的主要噪聲，得出以下結(jié)論：

(1)如果不能有效解決高頻噪聲和地層吸收衰減影響，24位地震儀(甚至32位)的優(yōu)點(diǎn)根本無法體現(xiàn)出來，因?yàn)榇藭r(shí)主要矛盾已經(jīng)不再是動(dòng)態(tài)范圍不夠的問題，而是高頻部分信噪比不夠的問題。

(2)地震勘探中地震道輸入噪聲都明顯高于儀器EIN，儀器EIN均湮沒在環(huán)境噪音中，所以，具有較高EIN的儀器雖然從數(shù)字指標(biāo)上具有較大的IDR，但并未影響采集資料的頻譜和信噪比。

(3)通過分析實(shí)際地震采集資料中的噪聲數(shù)量級(jí)，具有較高性能指標(biāo)的地震儀器不一定能獲得具有較高信噪比的地震采集資料，所以地震儀器性能指標(biāo)夠用就好，不要錯(cuò)誤地以為越高越好。

(4)李慶忠先生曾指出的“唯武器論”對(duì)我國(guó)盛行的迷信跟隨具有較高指標(biāo)的地震儀器熱進(jìn)行了批評(píng)。建議地震勘探分包商結(jié)合地震儀器指標(biāo)和設(shè)備成本，理性地選擇合適的地震儀器。