謝興隆，馬雪梅，龍慧，李秋辰，郭淑君，程正璞

(中國地質調查局 水文地質環(huán)境地質調查中心，河北 保定 071051)

0 引言

震源作為地震勘探中的重要組成部分，在很大程度上影響著勘探質量。目前常用震源分為炸藥震源和非炸藥震源兩大類[1]，炸藥震源存在著安全系數低、破壞性強、有效利用率低等問題，再加之嚴格的管控政策，因此非炸藥震源逐漸代替了炸藥震源，尤其是精密主動可控震源近些年得到了較大發(fā)展，已成為國際上地震勘探的重要激發(fā)源之一[2-3]。可控震源通過掃描信號的精確設定可以控制發(fā)出信號的頻率、相位等參數[4]，同時還具有施工成本低、安全環(huán)保、組織靈活等優(yōu)點，在高原凍土、戈壁等眾多復雜地區(qū)也取得了較好勘探效果[5-7]。自20世紀90年代一直持續(xù)到現(xiàn)在，可控震源進入到高效采集階段，先后出現(xiàn)了交替掃描、滑動掃描、獨立同步掃描、多點同步掃描等高效采集方法[8-10],從技術趨勢來看，“高效+高保真”是可控震源采集的發(fā)展趨勢[11-12]。

可控震源無論是采集階段還是處理階段的技術都較為成熟，因主要目的是為石油地質服務，勘探深度較大，其參數選擇也主要圍繞著深部目的層進行研究[5,7,12]。隨著應用領域的擴展，可控震源在中淺部勘查也取得了一些成效，許多文章對可控震源激發(fā)參數的選擇進行了論述，取得了一些非常有意義的認識[13-15]。但在使用可控震源進行參數選擇研究時，涉及的參數還不夠全面，往往忽略了檢波器自然頻率這一重要參數，大部分文章中所采用的檢波器自然頻率為10 Hz，涉及高頻檢波器采集的較少。近年來，筆者依托中國地質調查項目，在雄安地區(qū)使用可控震源開展了大量中淺部地震勘查工作，為了探索如何獲取高品質地震數據，對相關參數進行了大量實驗，實驗選用自然頻率為40、100 Hz兩種型號的高頻檢波器進行接收。本文在實驗數據的基礎上，系統(tǒng)論述了可控震源疊加次數、掃描長度、初始頻率、終止頻率、驅動幅度、斜坡長度與檢波器型號等參數的選擇對采集數據的影響，發(fā)現(xiàn)了可控震源激發(fā)、高頻檢波器接收的規(guī)律特點。本文的研究成果有效指導了本區(qū)中淺部高精度地震勘探工作，也為其他地區(qū)可控源地震勘探的參數選擇提供重要參考依據。

1 涉及參數及相關概念

1.1 可控震源激發(fā)參數

可控震源的工作原理是在一段時間內連續(xù)向地下激發(fā)頻率不斷變化的掃描信號，掃描信號的振幅、頻率和時長等參數則是根據勘探需求設計，然后利用相關技術將原始記錄變換為類炸藥的常規(guī)地震記錄。常規(guī)線性掃描信號是可控震源地震采集常用的掃描方式，它一般是關于時間的正弦函數，數學表達式如下[16]：

(1)

式中：t為時間，A為信號幅度，f0為起始掃描頻率，f1為終止掃描頻率，T為掃描長度。

為了抑制吉布斯效應，通常在掃描信號的兩端加上鑲邊信號，即斜坡函數，以往主要采用余弦函數，現(xiàn)在主要采用對初始激發(fā)能量影響更小的Blackman窗函數[17]，數學表達如下：

0≤t≤T-1 。

(2)

式中:T-1即為斜坡長度。

可控震源的驅動幅度直接影響震動能量的大小，通俗來講，驅動幅度可解釋為震源出力。總之，可控震源激發(fā)參數主要包括疊加次數、掃描長度、初始頻率、終止頻率、驅動幅度、斜坡長度等參數。

1.2 檢波器參數

檢波器特性包含動態(tài)特性和靜態(tài)特性，這些特性決定了檢波器的品質。衡量檢波器性能指標的參數較多，主要包含自然頻率、靈敏度、阻尼系數、諧波失真、典型假頻、直流電阻等參數[18]。決定響應特性的主要參數是檢波器的自然頻率和阻尼比，因此在實際采集中通常需要說明所使用檢波器的自然頻率。檢波器自然頻率是檢波器自身振動系統(tǒng)的固有頻率[19]，數學表達如下：

(3)

(4)

式中：w0為無阻尼時的固有頻率，m為系統(tǒng)質量，k為剛度系數，ε為檢波器阻尼系數，wd為有阻尼時的固有頻率。

通常在地震勘探中使用的速度檢波器在自然頻率附近才能線性檢測速度，遠離自然頻率感應的振幅比會隨著頻率比降低，自然頻率為10 Hz檢波器是地震勘探中最為常用的型號。為了提高高頻放大系數，即為了獲取更高頻率的地震信號，人們又制造了自然頻率為40、60、100 Hz的高頻檢波器。

2 試驗場地及布置

我們在雄安多個場地進行了參數選擇試驗，本文以容城南劇村南部試驗場地為例進行說明。試驗場地布置如圖1所示，試驗排列沿田間土路布置，排列共120道，道間距5 m，可控震源位于1道激發(fā)。整體上，試驗場地地表較為平坦，背景噪聲較小，72道上有高壓輸電線經過，對附近檢波器形成了固定的50 Hz工業(yè)電干擾。

圖1 試驗場地布置Fig.1 The layout of the test field

試驗場地被第四系覆蓋，厚度在200 m以上，巖性由黏土、砂土與細砂、粉細砂、粉砂等組成，不等厚互層，結構松散，對地震波吸收衰減嚴重，不利于激發(fā)寬頻帶、強能量的地震波。第四系下伏新近系明化鎮(zhèn)組，整個新近系深度在900 m左右，主要為砂泥巖，內部存在明顯波阻抗差異。由于場地位于容城凸起的東緣，基巖埋深較淺，與新近系呈不整合接觸關系，兩者之間波阻抗差異較大，反射層能量強?；鶐r為薊縣系霧迷山組巖層，其巖性主要為灰白色、紫紅色白云巖、白云質灰?guī)r，內部波阻抗差異小，反射特征不明顯。整體上，試驗場地的地震地質條件良好，有利于中淺層地震工作的開展。

在本次參數試驗中，選用美國Geometrics公司的StrataVisorNzxp24型地震儀及其擴展模塊Geode進行數據采集，選用自然頻率為40、100 Hz的高精度速度檢波器進行數據接收，選擇美國18 t的M18-612型可控震源進行激發(fā)。

3 可控震源激發(fā)參數分析

本次試驗嚴格按照單一因素變化的原則，對可控震源的震動次數、掃描長度、初始頻率、終止頻率、驅動幅度、斜坡長度共6個激發(fā)參數進行了分析。在分析中，除了對原始單炮記錄進行定性分析，還采用反射波頻譜進行了定量分析。為了突出研究效果，頻譜分析時選用的單炮記錄均切除了面波、直達波，只保留反射波區(qū)域，窗口選擇如圖2所示。

圖2 頻譜分析窗口選擇示意Fig.2 The diagram of window selection for spectrum analysis

在參數對比中，規(guī)律相似的參數均以40 Hz檢波器進行說明，部分參數對比為了增強說明效果會適當補充其他對比圖例。在頻譜分析中，40 Hz檢波器接收的單炮記錄選擇了1 200 ms以內的反射波記錄，如圖2a所示；100 Hz檢波器接收的單炮記錄由于深部信噪比極差，為了明確對比效果，只選擇了500 ms以內的反射波記錄，如圖2b所示。

增加可控震源的臺數是加強向地下發(fā)射信號能量的常用手段，雖然增加震源臺數可以有效提高資料信噪比，但同時也使得反射波主頻向低頻方向移動，降低分辨率[13]。由于一臺震源已經可以滿足本次中淺部地震試驗信噪比的要求，因此沒有再進行震動臺數試驗。

3.1 震動次數

震動次數就是指可控源的垂直疊加次數，通過將同一位置激發(fā)多次的記錄疊加在一起形成單張地震記錄，主要是為了提高信噪比，壓制隨機干擾，從而提高目的層的反射能量。

固定掃描長度8 s，驅動幅度70%，斜坡長度 0.5 s，掃描頻率20～160 Hz，震動次數分別選用1、2、4、6次進行對比。試驗結果的頻譜對比如圖3所示，由于試驗時隨機噪聲較小，震源出力較大，1次震動的單炮記錄信噪比就較高，隨著震動次數的增加，高頻段的隨機噪聲受到壓制，但整體改善不大。整體來說，本次試驗中1次震動即可滿足勘探需要，而在實際施工中，每一炮都需要綜合考慮隨機噪聲水平、偏移距大小、固定干擾等因素，適當選擇震動次數一般在1～3次。

圖3 不同震動次數頻譜對比(40 Hz檢波器)Fig.3 Spectrum comparison of different vibration times

增加震動次數在壓制時變噪聲時效果較好，主要指的是隨機噪聲；對于時不變噪聲壓制效果較差或沒有任何壓制效果。從壓制噪聲的角度考慮，增加震動次數遠沒有增加覆蓋次數效果好[20]，再考慮到疊加次數過多可能會改變地震記錄相位及降低主頻，因此，震動次數應根據實際情況靈活選擇，但不宜過高。

3.2 掃描長度

簡單地說，可控震源在向下傳播掃描信號時的時間即為掃描長度，掃描長度越長，累計的能量也越強，相應的信噪比也會提升。在實際工作中，需要綜合考慮目標層的能量需求及施工效率，合理選擇掃描長度，另外，還需要避免相關虛像(二次諧波虛像、“多初至”虛像)對單炮記錄的影響。

固定震動次數2次，驅動幅度70%，斜坡長度0.5 s，掃描頻率20～160 Hz，掃描分別選用4、8、12、16 s進行對比。試驗結果的頻譜對比如圖4所示，當掃描長度在8 s以上時，反射波的分辨率沒有明顯變化，信噪比提升不明顯，綜合考慮掃描長度選擇 8 s。

圖4 不同掃描長度頻譜對比(40 Hz檢波器)Fig.4 Spectrum comparison of different sweep lengths

3.3 驅動幅度

驅動幅度是可控震源一項關鍵參數，俗稱出力。驅動幅度越大，震源給出的掃描信號也越強，但并不是越大越好，過大的驅動幅度容易引起掃描信號的強烈畸變。在實際工作中，還需要考慮到震源底板與地表的耦合情況，尤其是在凹凸不平基巖出露等耦合較差地區(qū)，大的驅動幅度容易產生相關假象。因此，在保證地震記錄不失真、底板與地面耦合性較好的情況下，可以適當加大震源驅動幅度。

固定震動次數2次，掃描長度8 s，斜坡長度0.5 s，掃描頻率20～160 Hz，驅動幅度分別選用30%、50%、70%進行對比。試驗結果的頻譜對比如圖5所示， 驅動幅度在50%以上時，記錄信噪比隨著驅動幅度的增大略微改善，尤其是淺部信息改善效果有限，驅動幅度在30%時，整體信噪比出現(xiàn)了明顯下降。由于試驗路段為農田土路，底板與地面耦合性較好，記錄無失真現(xiàn)象，故震源驅動幅度選擇70%。

圖5 不同驅動幅度頻譜對比(40 Hz檢波器)Fig.5 Spectrum comparison of different drive levels

3.4 斜坡掃描長度

斜坡掃描長度分為起始掃描斜坡長度與終止掃描斜坡長度，兩者的值可以單獨設定，一般情況下兩者取相同。掃描信號加了斜坡之后有效抑制了吉布斯效應，但同時也約束了掃描信號的邊緣頻率。掃描斜坡的選擇一般需要考慮起止頻率、低頻干擾范圍與能量，加大斜坡長度可以抑制低頻干擾。

固定震動次數2次，驅動幅度70%，掃描長度 8 s，掃描頻率20～160 Hz，斜坡長度分別選擇0.3、0.5、0.8 s進行對比。試驗結果的頻譜對比如圖6所示，斜坡長度0.5 s時高頻隨機干擾明顯低于其他兩個參數，主要原因為斜坡長度0.3、0.8 s采集記錄時間晚于斜坡長度0.5 s一個小時，后期風速變大導致背景隨機噪聲增強，與斜坡長度的選擇無關。整體來看，斜坡長度在0.3～0.8 s之間對地震記錄信噪比與分辨率影響都不大，最后選用中間值0.5 s。

圖6 不同斜坡長度頻譜對比(40 Hz檢波器)Fig.6 Spectrum comparison of different slope lengths

3.5 掃描頻率

掃描頻率的設計需要綜合考慮工區(qū)地層的頻率響應、干擾波發(fā)育情況、檢波器性質與采集參數等因素，設計中主要是對掃描最低頻率與掃描最高頻率這兩個參數進行選擇。由于目前可控震源絕大多數采用升頻掃描進行激發(fā)信號，因此所討論的起始頻率指的是掃描最低頻率，在本文中起始頻率、終止頻率分別與掃描最低頻率、掃描最高頻率一一對應。

3.5.1 起始頻率

地震低頻信號在識別隱伏目標體、地震反演與成像的精度中有重要作用，因此進行低頻地震數據采集勢在必行[21-22]。在油氣勘探中常使用低頻可控震源作為“兩寬一高”的激發(fā)方式，有些在采集時掃描最低頻率可達1.5 Hz[23-24]。總之，在深部地震勘探中希望采集數據的低頻頻率越低越好。

固定震動次數2次，驅動幅度70%，斜坡長度0.5 s，掃描長度8 s，終止頻率160 Hz，起始頻率分別選擇10、15、20、25、30、35 Hz進行對比。試驗結果的單炮記錄與頻譜對比分別如圖7、圖8所示，當起始頻率超過20 Hz時，有效頻帶寬度隨著起始頻率的升高而明顯減小，分辨率下降，由于缺少低頻信息，信噪比也隨之降低。起始頻率在15～20 Hz之間頻譜曲線產生了突變，突變主要原因如圖7中的單炮記錄所示，當起始頻率為10、15 Hz時，單炮記錄在40～70道出現(xiàn)了明顯的低頻干擾，而震源的面波干擾在20 Hz以下也較為發(fā)育。在雄安地區(qū)進行中淺部勘探時，經常發(fā)生各類線桿因與震源共振而產生干擾面波的現(xiàn)象，起始頻率過低不利于低頻干擾波的壓制。與石油深部勘探目的不同，起始頻率20 Hz已經可以滿足中淺部勘探需求，因此通過綜合考慮，本區(qū)可控震源的起始頻率設置為20 Hz。

圖7 不同起始頻率單炮對比(40 Hz檢波器)Fig.7 Single shot record comparison of different starting frequencies

圖8 不同起始頻率頻譜對比(40 Hz檢波器)Fig.8 Spectrum comparison of different starting frequencies

100 Hz檢波器接收有關起始頻率的頻譜對比如圖9所示，其試驗參數與40 Hz檢波器一致。起始頻率在20 Hz以下也出現(xiàn)了低頻干擾，但干擾幅度較小。因此從提高中淺部地震勘探信噪比的角度出發(fā)，起始頻率的選擇還需考慮低頻噪聲的壓制效果。

圖9 不同起始頻率頻譜對比(100 Hz檢波器)Fig.9 Spectrum comparison of different starting frequencies

3.5.2 終止頻率

固定震動次數2次，驅動幅度70%，斜坡長度0.5 s，掃描長度8 s，起始頻率20 Hz，終止頻率分別選擇80、90、100、110、140、160、180 Hz進行對比。在單炮對比記錄(圖10)的基礎上，結合頻譜對比圖(圖11)可以發(fā)現(xiàn)：終止頻率小于100 Hz時，有效頻帶寬度隨著終止頻率的升高而升高，分辨率也隨之升高；終止頻率超過100 Hz后有效頻帶寬度基本無增加，分辨率變化不大，高頻隨機干擾開始出現(xiàn)。較高的終止頻率會降低資料的信噪比，如圖10所示，終止頻率180 Hz時高頻干擾較為嚴重，尤其800～1 000 ms內的反射波信噪比下降明顯。

圖10 不同終止頻率單炮對比(40 Hz檢波器)Fig.10 Single shot record comparison of different ending frequencies

圖11 不同終止頻率頻譜對比(40 Hz檢波器)Fig.11 Spectrum comparison of different ending frequencies

有效頻帶的高頻截止頻率隨著終止頻率的升高會逐漸固定在一個值附近，為了表述方便，把該值稱為高截止頻率，如圖10所示，本次試驗中40 Hz檢波器的高截止頻率為95 Hz。為了使得有效頻率寬度達到最大，根據試驗規(guī)律，建議終止頻率應至少大于高截止頻率10%。

100 Hz檢波器接收有關終止頻率的頻譜對比如圖12所示，其試驗參數與40 Hz檢波器一致。同40 Hz檢波器規(guī)律類似，本次100 Hz檢波器的高截止頻率為120 Hz。終止頻率小于130 Hz時，有效頻帶寬度、分辨率隨著終止頻率的升高而升高；終止頻率超過130 Hz后有效頻帶寬度基本無變化。

圖12 不同終止頻率頻譜對比(100 Hz檢波器)Fig.12 Spectrum comparison of different ending frequencies

本文所提出的高截止頻率主要受檢波器的自然頻率影響，自然頻率越大，高截止頻率也越高，當地質背景、目的層信息不同時，相同檢波器的高截止頻率也會發(fā)生變化。高截止頻率在以往參數選擇中很少涉及，在深部地震勘探中，終止頻率一般選擇100 Hz左右，可以較好地保證10 Hz檢波器接收信息的有效頻帶寬度，因此很少出現(xiàn)高截止頻率的討論。而中淺部地震勘探所使用的檢波器自然頻率較高，因此明確高截止頻率對于高品質數據的采集有重要指導作用。

由于大地濾波作用的存在，信號的高頻部分對資料信噪比的貢獻很小，而同等級的震源能量如果被高頻段分掉過多，勢必會造成低頻段激發(fā)能量的減少，從而造成單炮記錄信噪比的下降，因此，終止頻率不能選擇過高。綜合各類分析來看，40 Hz檢波器終止頻率選擇最好大于120 Hz而不超過160 Hz；100 Hz檢波器終止頻率選擇最好大于140 Hz而不超過180 Hz。本文為了對比研究方便，最終選擇160 Hz作為終止頻率，掃描頻率選擇20～160 Hz，在保證信噪比的情況下，兩種檢波器均可充分發(fā)揮自身頻帶優(yōu)勢。

4 檢波器對比

固定震動次數2次，驅動幅度70%，斜坡長度0.5 s，掃描長度8 s，掃描頻率20～160 Hz不變，分別使用40、100 Hz及3個/串40 Hz檢波器進行同線同點對比觀測。3個/串40 Hz檢波器采用間距0.3 m，方向與測線一致的線性組合方式進行接收。單炮記錄對比如圖13所示，頻譜對比如圖14所示，由于100 Hz檢波器深部信噪比較差且受工業(yè)電干擾嚴重，為了突出頻譜對比效果，頻譜分析窗口的選擇如圖2b所示，并對所選區(qū)域50 Hz工業(yè)電干擾進行了壓制。

圖13 不同檢波器單炮對比Fig.13 Single shot record comparison of different geophone

圖14 不同檢波器頻譜對比Fig.14 Spectrum comparison of different geophone

在單炮記錄中，40 Hz組合檢波器與40 Hz單只檢波器的信噪比和分辨率均無明顯差別，僅在72道附近組合檢波器表現(xiàn)出略好的壓制工業(yè)電干擾的能力，兩者的頻譜曲線也較為接近，仔細對比可以發(fā)現(xiàn)，單只檢波器的有效頻譜寬度略高一點且高頻干擾略大一些。在頻譜圖中，40 Hz檢波器的優(yōu)勢頻率為45 Hz，有效頻帶寬度22～95 Hz；100 Hz檢波器的優(yōu)勢頻率為85 Hz，有效頻帶寬度28～130 Hz。100 Hz檢波器的優(yōu)勢頻率、有效頻帶寬度均較大幅度高出40 Hz檢波器，從單炮記錄中也可看出100 Hz檢波器淺部分辨率非常高，但同時100 Hz檢波器抗干擾能力較差，尤其是在72道附近的工業(yè)電干擾，正常信號被嚴重干擾，500 ms以下難以看到有效反射波。當震源出力降至30%時，如圖15所示，40 Hz組合檢波器表現(xiàn)出了較高的信噪比，即使是最簡單的組合方式，其抗干擾能力也遠勝過單檢波器。

圖15 出力30%時單只與組合檢波器單炮對比Fig.15 Single shot record comparison of different geophone at vibrator output of 30%

保持檢波器對比試驗中的激發(fā)參數不變，在同一位置采用相同的地震采集方式，分別使用40、100 Hz及3個/串40 Hz檢波器進行疊加剖面對比。地震采集方式如下：偏移距100 m，炮間距20 m，道間距5 m，72道滾動接收，共13炮。

疊加剖面如圖16所示，900 ms附近綠色層位為新近系底界面，下伏薊縣系霧迷山組巖層。霧迷山組及其下部巖層地震反射規(guī)律性差，本次主要針對霧迷山組以上部分的信噪比和分辨率進行討論。

圖16 不同檢波器疊加剖面對比Fig.16 Seismic stack profile comparison of different geophone

與單炮記錄對比結果類似，40 Hz組合檢波器與單只檢波器在疊加剖面上的信噪比和分辨率無明顯差異，均可滿足本區(qū)勘查需求。100 Hz檢波器在分辨率上明顯高于其他兩者，但500 ms以下信噪比明顯變差。多次覆蓋減少了隨機干擾，使得500 ms以下開始出現(xiàn)反射軸，但難以滿足實際需求。由于大地濾波作用，深部高頻信號返回較少，高頻檢波器對深部低頻信號感應振幅較小，即使再增加震源出力，對于提高高頻檢波器的勘探深度也收效甚微。

綜合本次對比結果并結合施工效率，本區(qū)中淺部地震勘探選擇40 Hz單檢波器較為適宜，如若進行500 m以淺的高精度勘查，則可以使用100 Hz檢波器。

5 結論

可控震源激發(fā)參數與檢波器自然頻率的選擇直接影響了中淺部地震勘探的分辨率與信噪比，綜合可控震源激發(fā)參數和檢波器自然頻率的研究結果，本文的主要認識如下：

1)中淺部地震勘探參數的選擇不應盲目借鑒石油物探選擇依據，需根據勘探目標并結合施工背景條件進行靈活選擇?？傮w上，震動次數、掃描長度、驅動幅度主要影響地震數據的信噪比，掃描頻率、檢波器自然頻率主要影響地震數據的分辨率，斜坡長度對信噪比與分辨率影響較小。

2)中淺部地震勘探對于起始頻率的選擇應兼顧低頻噪聲的壓制與勘探目標的要求，不應按照深部地震勘探的習慣直接選擇較低頻率。終止頻率的選擇需要充分考慮檢波器自然頻率的特點，適當的終止頻率可以讓檢波器發(fā)揮最大效果，過高的終止頻率非但對分辨率的提升無任何意義，反而會降低數據的信噪比。

3)檢波器自然頻率越高，淺部分辨率越高，但抗干擾能力下降，勘探深度變小。即便是最簡單的檢波器組合方式對噪聲的壓制也遠勝于單檢波器，但在保證信噪比的情況下，中淺部地震勘探仍可使用單檢波器達到較好效果。

4)中淺部地震勘探應結合勘探目標，首先保證地震資料的信噪比。在提高信噪比方面，應該首先考慮提高震源的出力及增加覆蓋次數，其次增加掃描長度，干擾特別大的地區(qū)可以考慮組合檢波器，疊加次數根據實際情況靈活選擇。

5)本文提出了高截止頻率的概念，高截止頻率隨著檢波器的自然頻率增大而增大，還與地質背景和目的層信息相關。對于不同的檢波器，本文建議終止頻率應至少大于高截止頻率10%，在本文試驗中，40 Hz檢波器的高截止頻率為95 Hz，100 Hz檢波器的高截止頻率為120 Hz。