当代地震勘探仪器应用技术应用分析与发展

地球物理勘探仪器－应用技术分析与发展2010年10月地球物理勘探仪器－应用技术分析与发展1．概述2．地震仪器的结构与使用状况分析3．常用地震仪器采用的先进技术分析4．地震仪器的发展趋势展望内容提要地球物理勘探数字化•自数字计算机问世以来的半个多世纪中，人们越发地强调用数字精确地量化各种物理量，用数字来传递一切信息，因此各行各业纷纷发展数字化技术，从而带动了微电子和计算机技术的飞速发展。地球物理勘探从六十年代提出数字化，先行官便是数字地震仪。美国著名的电子器件制造商德克萨斯仪器公司TI造出了DFSⅣ，DFSⅤ数字地震仪，并在1964年申请了瞬时浮点放大器（放大-衰减型）专利。数控地震仪•法国的SERCEL公司则不干落后地推出SN328，SN338数字地震仪，使用七阶型瞬时浮点放大器。其他的一些地球物理厂商，例如GEOSPACE则推出了游标型瞬时浮点放大器，并且创新地首次将数字计算机PDP11/15应用到了数字地震仪中，制成了世上第一台数控地震仪—计算机控制的GS2000地震数据采集系统。48道或120道地震仪器七十年代，DFSV和SN338两种仪器由于性能稳定、工艺精良从而成百上千台地涌入地震勘探市场作为地震队的核心采集设备。当然，其它一些地球物理仪器制造商，例如GEOSOURCE,GEOSPACE,包括国内仪器厂也占据了一些份额，为地震勘探作出了很大的贡献。当时的仪器道数为48道或120道。地球物理学家要求提高采集道数当地球物理学家迫切要求提高采集道数以适应三维勘探需要时，仪器制造者曾靠增加箱体做到了240道以上，但由于仪器过于庞大而未能持久。有些地震队也曾采用两台DFSV同步，实现了240道地震数据采集。集中式仪器•集中式仪器DFSV、SN338的设计思想不仅限制了道数的增长，人们也认识到检波器串传感的地震波模拟信号沿粗大笨重的CDP电缆传递走得太长了，甚至长达3千米以上，而且不同道信号沿电缆传递长短不一，信号受到感应严重污染。尽管大线平衡、跟踪陷波等电子技术的应用，但增加道容量的需求和减小模拟信号传递长度以及进一步数字化的设计思想，便使数字地震仪从集中式采集系统结构转向了分布式采集系统结构。曾新技术数传电缆•七十年代末，法国SERCEL公司、美国的GAS公司分别推出了SN348单站单道和GAS-BUS单站四道这两种遥测数字地震仪器。作出这一贡献的GAS公司在早些时候就已设计制造了单站四道的分组地震数据记录站，就地采集的地震数据存储在盒式磁带上，然后回收、转录分析。为了将数据实时地传回到仪器主机上，自然需要数传技术，模拟CDP电缆被新技术数传电缆替代了，模拟电缆变成了数字电缆。遥测数字地震仪•第一批遥测数字地震仪SN348和GAS-BUS是先行者，引人注目，但由于新技术复杂，可靠性不尽人意，产量不多，使用也不理想。然而随之而来的各种新推出的遥测地震仪，由于不断引入电子工业中的有线数据传输和无线数据传输（电台）等新技术却大有作为。人们对扁平馈线、双扭线、同轴电缆、光导纤维等各种有线传输介质都在遥测数字地震仪中作了尝试，并为提高数传速率增加单线道容量，保证可靠稳定性等方面作了大量努力。道采集设备三维地震勘探的多道采集设备。•SERCEL公司的SN368，I/0公司的SYSTEMⅠ以及GEASOURCE公司的MDS-14，MDS-16，GEOSPACE公司的WAVEⅢ，TI公司的DFSⅦ，我国的SK-1004，YKZ-480，SK-1005等遥测地震仪器在八十年代成为地震勘探，特别是三维地震勘探的多道采集设备。无线遥测地震仪采集技术•除了有线遥测地震仪，最初的无线遥测地震仪采集技术则体现在美国公司的OPSEIS5586和TELESEIS以及法国地球科学院的MYRISEIS，这几种仪器中，无线遥测以在空中传播的电磁波作为数据传输介质，采集道容量已不受限制，人们也常称这种地震仪为万道地震仪，但数据传输率还是有限的，每放一炮，数传时间较长，牺牲了野外生产效率，采用多频窄带并行传输数据，但仪器庞杂，可靠性受到一定影响。微电子工业和计算机工业最新技术•二十世纪六十年代初到九十年代初的三十年中，地震勘探数字化取得了惊人的进展，微电子工业和计算机工业中飞速发展的高新技术作出了突出贡献，令人叹为观止的新型仪器层出不穷。从起初的24道发展到了千道以上，数字计算机控制、数据传输和数据实时分析处理都体现出了当时的最新技术。•毕竟，地震数据采集系统与地震勘探方法的发展的需求还是距离很大，地球物理学家也一直抱怨仪器动态范围不够。在高分辨率勘探地质任务面前更是越来越显示出了它的不足。数字化的核心部件–模数转换器•于是仪器研制人员又被迫回到数字化的核心部件–模数转换器来考虑问题。当时适合地震信号数字化成的传统模数转换通常采用逐次比较设计方案，连续变化的模拟信号按采样频率离散为一系列保持平定的子样，对这些子样用类似天平称重的方法，通过加减一系列标准的电压码来测量子样。当比较码值的总和电压与子样电压相等时便实现了量化。这种传统模数转换所用的线路包括电压码生成、子样保持、以及比较等均为模拟线路，而模拟线路的精度要靠复杂严格的制造工艺来有限度地保证，而且受时效和温度变化的影响很大，例如产生标准电压码所用衰减电路的精密电阻，选用材料苛刻，且需极为复杂严格的工艺制造。因此传统的十六位模数转化器最优线性度只能达到万分之一，畸变最好指标也不过是万分之五，动态范围大约80dB左右。瞬时浮点放大器的弊端•随后人们开始认识到瞬时浮点放大器的弊端，既是对在低频大信号上叠加的高频小信号起平滑作用而不利于高频信号的采集。恰好在这个时候微电子器件中Δ—Σ过采样模数转换器问世，从而使此问题迎刃而解。Δ—Σ模数转换器的理论在七十年代就已提出，这种基于概率论的模数转换技术可以使用易于制造的宽容限模拟元件，但需要快速和非常复杂的数字信号处理。仅仅由于应用了与微处理机芯片同步发展的微电子超大规模计算芯片才使Δ—Σ模数转换器得以投入使用。动态达120dB的Δ—Σ模数转换器使仪器研制者彻底停用了瞬时浮点放大器这一模拟部件，也去除了繁琐的各种模拟滤波器瞬时动态范围的新概念•瞬时动态范围的新概念：即在同一采样间隔内能够记录到的不同频率的最大信号与最小信号之比。1992年I/O公司率先造出了采用Δ—Σ模数转换器进行数字化的系统Ⅱ仪器。在随后的八年中，地震数据采集系统又经历了一次更新换代。美国I/O公司的SYSTEMⅡ，SYSTEM2000，IMAGE，法国SERCEL公司的SN388，408UL等优质品牌的遥测数字地震仪迅速占领了市场，基本上满足了地球物理勘探的需求。值得一提的是加拿大GEO-X公司推出了具有网络数传结构的ARAM-24仪器，随后又更新推出ARAM-ARIES型号。数据传输采纳网络结构•法国SERCEL的408UL的数据传输也采纳了网络结构，将采集系统的各个部分均视为网络结点。形成“地震区域网络”，灵活可靠地实现地震数据的传输交换，而这一切都有幸于计算机网络通讯技术的飞速发展以及TCP/IP、IPX等先进重要通讯协议对信息高速公路的贡献遥测地震仪快速发展•二十世纪后八年的遥测地震仪的发展，更加现代化，更加快速，更加全球化，日本、德国、俄罗斯和我国也都各自造出了技术水平较高的24位遥测地震仪，无线遥测仪器则有OPSEIS-EAGLE和BOX，而BOX仪器的新技术应用和制造工艺更是表现得极为优秀。•回顾地震数据采集仪器数字化四十年的历程，人们经历着认识、实践、再认识、再实践的反复，人们更是度过了科学技术飞速发展年代。数字地震仪三次更新换代•这四十年大体分为三个阶段，三次更新换代：1962—1980，集中式48道120道数字地震仪；1980—1992，遥测地震仪；1992—2000，24位遥测地震仪。由于油气能源的需求，以及地震勘探工作日益加剧的高成本、高风险、高难度，人们不断寻求高保真地采集地震数据以解决地质任务的装备与方法。更新换代的步伐越来越快。一直努力寻求彻底数字化，不断地革除复杂的模拟部件，代之以先进的、高精度的数字化装臵。在不到八年的时间里，便完成了Δ—Σ24位遥测数字地震仪的更新换代。地震信号传感器•关键是地震信号传感器这一环节在半个世纪以来确实一直徘徊不前，未能摆脱动圈式机电转换的机理。比如地震队成千上万使用的GS-20DX检波器是三十年前研制的产品，七十年代初，当数字地震仪推广使用时，为了与数字地震仪相配套，人们曾把GS-20DX检波器称为“数字检波器”，顾名思义完全牵强附会，只不过是这种检波器性能指标比以往检波器要高，频带要宽，质量控制严格，可以配合数字仪使用。但确实是一种不折不扣的机电模拟产品。制约其动态范围的畸变（失真度）指标仅为0.2%，这说明动态范围仅为54Db。近年来各厂家花费大力物力研制的各种超级检波器，其性能指标也未能数量级地向上突进，其失真度指标不过在0.1%左右。光纤压力传感和微机械电子传感•目前很多地区地震采集数据不理想，分辨率不高，除了激发接收条件有待改进之外，所使用的传感器器件应该说不够精良。地震信号传感的器件才应该是地震数据采集系统的核心关键部分。地震勘探工作者通过半个世纪的不断实践，几乎无所争议地达到共识，这就是说目前常规检波器的性能已成为制约高分辨率地震数据采集发展的重要因素。可喜的是，恰恰在二十一世纪之初，多年来科技工作者努力攻克的地震信号传感元件：光纤压力传感和微机械电子传感都突破性地成功出世了。而微机械电子传感更为成熟优越。在1992年第一个推出24位Δ—Σ模数转换地震仪SYSTEMⅡ的I/O公司已经成功地将体积微小、频带响应宽、失真度达百万分级的微电子机械加速度计引入到了地震勘探领域，并获得了可喜的成果，从而启动了地震数据采集系统下一轮的更新换代。微电子机械加速度计•在1992年第一个推出24位Δ—Σ模数转换地震仪SYSTEMⅡ的I/O公司已经成功地将体积微小、频带响应宽、失真度达百万分级的微电子机械加速度计引入到了地震勘探领域，并获得了可喜的成果，从而启动了地震数据采集系统下一轮的更新换代。微电子机械加速度计使地震信号数字化进入更高水平•微电子机械加速度计使地震信号数字化进入更高水平•微电子机械系统（MEMS）是一种使用类似于集成电路工艺制造的，广泛地应用于汽车工业、国防、生命工程、家用消费电器等各个领域中的微米级器件。•微电子机械技术发展迅猛，起初用于汽车的轮胎压力传感和安全气囊传感，检测冲击力以判定何时打开安全气囊。经过多年的发展和应用，大量、低价、性能各异的微电子机械器件应运而生，像ANALOGDEVICE这样一类半导体器件制造厂家正在积极地开发研制各种MEMS器件。MEMS加速度计快速推广•不仅在汽车工业的安全装臵，诸如侧面气囊、安全窗帘的传感中应用量很大，而且在手机中作为RF射频元件、血压测试中的微型压力传感、游戏机操纵杆中传感、计算机中除键盘和鼠标以外的加速度姿态控制，以及手持投影机中的微镜扫描阵列、DNA检测装臵、微型生物泵、喷墨打印头、微镜传感等诸多项应用中都获得了广泛推广。MEMS加速度计虽然比压电传感器要贵些，但由于其类似于半导体硅芯片的大规模制造工艺，其生产成本会越来越降低，这可能是将快速推广的依据之一。VECTORSEIS数字MEMS检波器•I/O公司在1986年便启动了微机械地震加速度研制开发计划，1994年建立了4英吋硅微晶片生产线，1996年则在STAFFORDTX建立了6吋MEMS生产线，终于在2000年推出了用于油气勘探的VECTORSEIS数字MEMS检波器。随后I/O公司作为投资者和用户在2001年建立了应用MEMS公司，作为美国I/O公司在德克萨斯STAFFORDTX的子公司，工厂面积为35000平方英尺，专门开发研究微重力、精密加速度计。目前地震仪器一览目前以24位ADC仪器作为绝对主体。特点：稳定和可靠性高；系统软/硬件功能强、指标高、指标差距不大，各有特色。有线传输式的网络仪器：408UL；IMAGE；ARAM-ARIES；SI-2000无线数据传输仪器：BOX；Vibte