非炸药震源 炸药震源
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1.\u843d\u91cd\u6cd5\u6216\u673a\u68b0\u649e\u51fb\u9707\u6e90
\u843d\u91cd\u6cd5\u662f\u4e00\u79cd\u6700\u53e4\u8001\u7684\u975e\u70b8\u836f\u9707\u6e90\u3002\u5b83\u662f\u628a\u51e0\u5428\u91cd\u7684\u5927\u94a2\u5757\u7528\u94fe\u6761\u540a\u5728\u4e00\u79cd\u4e13\u7528\u6c7d\u8f66\u7684\u8d77\u91cd\u673a\u4e0a\uff0c\u7136\u540e\u8ba9\u5176\u52a0\u901f\u4e0b\u843d\u649e\u51fb\u5730\u9762\u800c\u4ea7\u751f\u5730\u9707\u6ce2\u3002\u6d77\u4e0a\u5730\u9707\u52d8\u63a2\u4e5f\u53ef\u5229\u7528\u673a\u68b0\u649e\u51fb\u578b\u9707\u6e90\uff08\u79f0\u4e3a\u6c34\u9524\uff09\uff0c\u5b83\u7684\u539f\u7406\u662f\u7a7a\u6c14\u6d3b\u585e\u628a\u653e\u5728\u6c34\u4e2d\u7684\u4e00\u6216\u4e24\u5757\u94a2\u5757\u7a81\u7136\u63a8\u5f00\uff0c\u6c34\u5c31\u51b2\u5165\u677f\u540e\u6216\u677f\u95f4\u5f62\u6210\u7684\u7a7a\u7a74\uff0c\u6c34\u7684\u51b2\u6324\u4f5c\u7528\u4ea7\u751f\u51b2\u51fb\u6ce2\u3002\u8fd9\u79cd\u9707\u6e90\u7684\u6700\u5927\u7f3a\u70b9\u662f\u53ef\u4ea7\u751f\u80fd\u91cf\u5f88\u5f3a\u7684\u5e72\u6270\u9762\u6ce2\u3002
2.\u53ef\u63a7\u9707\u6e90\uff08\u8fde\u7eed\u632f\u52a8\u9707\u6e90\uff09
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3.\u6c14\u7206\u9707\u6e90\u548c\u6c14\u52a8\u9707\u6e90
\u6c14\u7206\u9707\u6e90\u662f\u8ba9\u6df7\u5408\u6c14\u4f53\uff08\u4e19\u70f7\u548c\u6c27\u6c14\uff09\u5728\u4e00\u4e2a\u5bc6\u95ed\u7684\u5706\u67f1\u72b6\u7206\u70b8\u5ba4\u5185\u7206\u70b8\uff0c\u9a71\u52a8\u7206\u70b8\u5ba4\u6d3b\u52a8\u5e95\u677f\u649e\u51fb\u5730\u9762\uff0c\u6fc0\u53d1\u5730\u9707\u6ce2\u3002\u8fd9\u79cd\u9707\u6e90\u7c7b\u4f3c\u4e8e\u9524\u51fb\u9707\u6e90\uff0c\u4e00\u822c\u7528\u4e09\u53f0\u6216\u66f4\u591a\u7684\u6c14\u52a8\u88c5\u7f6e\u540c\u65f6\u70b9\u706b\uff0c\u5f15\u7206\u4fe1\u53f7\u7531\u8bb0\u5f55\u88c5\u7f6e\u7528\u65e0\u7ebf\u7535\u53d1\u9001\u3002\u6c14\u7206\u9707\u6e90\u5b89\u88c5\u5728\u91cd\u578b\u8f66\u8f86\u4e0a\uff0c\u5b83\u4ea7\u751f\u7684\u8109\u51b2\u5bcc\u542b\u4f4e\u9891\uff0c\u56e0\u6b64\u6709\u8f83\u5927\u7684\u7a7f\u900f\u80fd\u529b\uff0c\u591a\u7528\u4e8e\u9646\u5730\u52d8\u63a2\u3002\u7528\u4e8e\u6d77\u6d0b\u7684\u6c14\u7206\u9707\u6e90\u79f0\u4e3a\u6c34\u8109\u51b2\u3002
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4.\u7535\u706b\u82b1\u9707\u6e90
\u7535\u706b\u82b1\u9707\u6e90\u662f\u7535\u706b\u82b1\u4ea7\u751f\u5668\u901a\u8fc7\u6c34\u4e2d\u7535\u6781\u4e4b\u95f4\u7535\u6d41\u7684\u7a81\u7136\u653e\u7535\u6765\u6fc0\u53d1\u5730\u9707\u6ce2\u3002\u5de5\u4f5c\u65f6\uff0c\u9996\u5148\u7531\u53d1\u7535\u673a\u5411\u7535\u5bb9\u5668\u7ec4\u5145\u7535\uff0c\u7136\u540e\u7528\u4e00\u4e2a\u7279\u6b8a\u8bbe\u8ba1\u7684\u5f00\u5173\u628a\u7535\u5bb9\u5668\u63a5\u901a\u5230\u6c89\u653e\u5728\u8239\u5c3e\u6d77\u6c34\u4e2d\u7684\u7535\u6781\u4e0a\uff0c\u901a\u8fc7\u7535\u6781\u4e4b\u95f4\u7684\u76d0\u6c34\u653e\u7535\uff0c\u9020\u6210\u9ad8\u70ed\u4f7f\u6c34\u7a81\u7136\u6c14\u5316\u4ea7\u751f\u8fc5\u901f\u81a8\u80c0\u7684\u84b8\u6c7d\u6c14\u6ce1\uff1b\u653e\u7535\u540e\u53c8\u5f88\u5feb\u51b7\u5374\uff0c\u84b8\u6c7d\u6c14\u6ce1\u7834\u706d\u800c\u6fc0\u53d1\u51fa\u538b\u529b\u8109\u51b2\uff0c\u4e24\u8005\u5408\u5e76\u4e3a\u603b\u7684\u58f0\u9707\u6e90\u3002\u8be5\u9707\u6e90\u7684\u7279\u70b9\u662f\u9891\u7387\u9ad8\uff08100Hz\uff5e1000Hz\uff09\uff0c\u6545\u5206\u8fa8\u7387\u9ad8\u3002\u5b83\u4e3b\u8981\u7528\u4e8e\u6d77\u6d0b\u52d8\u63a2\u3002
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虽然炸药震源是一种理想震源,随着勘探规模的扩大和技术的发展,逐渐发现炸药震源存在着许多缺点。例如,施工的危险性比较大,保管不安全,钻井和放炮所需成本费用较高;更主要的问题是在无法钻井、严重缺水的地区(如沙漠)工作困难,有的地区(如工业区、人口稠密区或海上渔业区等)甚至不允许炸药爆炸。另外,有时不同爆炸点所产生的脉冲波形不一致,影响记录面貌。因此,地震勘探逐渐发展了非炸药震源。特别是近年来,国内外非炸药震源的发展非常迅速,并得到广泛应用。非炸药震源种类很多,简介如下。
1.落重法或机械撞击震源
落重法或机械撞击震源是最古老的一种非炸药震源,早在1925年就已应用。最简单的落重法或机械撞击震源就是利用几磅重的铁锤或其他重物撞击地面作为震源。由于能量弱,激发的地震波传播的距离不远,目前只在工程地震勘探中使用。现代石油地震勘探使用的落重法是把数千千克重(或数百千克重)的物体从大约2~3m的高处落到地面,撞击地面激发地震波。重物一般是重锤,即几吨重的大铁块,用链条吊在一种专用汽车的起重机上,需要撞击时将其从高处落下。
自由落体的速度受重力加速度的限制,能量不够大。后来又出现了新的撞击震源,可以使重锤获得更大的末速度;同时,撞击地面产生的脉冲更尖锐,频谱接近于炸药震源产生的脉冲频谱。例如,用压缩空气驱动气缸内的活塞或驱动钢板而撞击地面的气锤震源,其撞击速度比一般的落重法大许多倍。
这类震源的最大缺点是会产生严重的水平方向的干扰噪声(如能量很强的面波)。
2.可控震源(连续振动震源)
这是一种自20世纪50年代出现以来一直在不断发展改进的新型非炸药震源。它产生一个延续时间从几秒到数十秒、频率随时间变化的正弦振动,因此称为连续振动震源。又因它产生的振动频率和延续时间都可以事先控制和改变,故又称为可控震源。这种震源产生的可控制的振荡波(扫描信号或调频信号)的函数形式为
地震波场与地震勘探
式中:A(t)是变化缓慢的振幅包络函数;
既然这种震源发出的振动信号延续时间很长,该信号传入地下经反射返回地面被记录到的反射波的延续时间也会比较长。不同界面反射波之间的时间间隔与这个延续时间相比要小得多,于是来自不同层位的反射波就互相重叠起来,构成复杂的波形,无法分辨,不能直接解释,见图3-3-2。为了解释这种记录,必须把接收到的每道地震记录同震源发出的扫描信号用互相关技术进行处理,得到相关记录。在相关记录上,每个界面的反射波都被压缩成延续时间约为几十毫秒的零相位相关子波,与炸药震源获得的记录相似。这时,
震源信号自相关子波的极大值相当于爆炸信号。图3-3-2中1为震源变频扫描信号,2为野外记录,它是3、4、5的三个反射A、B、C的叠加结果,6是2和1作互相关后的互相关记录。由此可见,扫描信号的自相关函数决定了相关记录上的基本波形。显然,最理想的相关子波应当是δ(t)脉冲函数了,因为它的宽度无限小,幅度无限大,分辨率最高。可是,在技术上无法实现以白噪声作为扫描信号(δ(t)是白噪声的自相关),因为需要无限大的能量。况且,白噪声的频带无限宽,其中绝大部分成分在地层中被吸收而不能传送。但是,可以考虑采用一定的方法使相关子波尽可能地接近于δ(t)脉冲。鉴于白噪声的自相关之所以具有宽度无限小的脉冲形式,是由于它各部分之间完全没有相似之处,或者说是由于它的任一部分都不重复。因此,只要扫描信号的瞬时频率不重复,该信号的自相关函数就接近δ(t)脉冲函数。这就是为什么采用单调的升频或降频扫描的理由。
图3-3-1 变频扫描信号
a.频率由低变高;b.频率由高变低
图3-3-2 连续振动记录与相关记录
相关记录上,各层反射的相关子波也具有能量、极性和频谱等特征。τ=0 时的自相关函数值就等于信号的总能量,相关函数的频谱包含了信号的频率成分,而相关子波的极性反映了反射界面两侧波阻抗的关系。此外,互相关也是一种滤波,可以提高信噪比。
但是,采用调频震源及相关处理技术,也带来所谓“相关噪声”的特殊干扰。一是地震仪器录放速度不均匀时引起波形畸变,再经相关处理而造成噪声;二是由于大地有时表现为非线性的机械特性,使传到地层中的信号发生非线性畸变,即除了扫描的基频成分之外,还有二次以上的高次谐波,经相关处理后成为噪声。这种作用对降频扫描来说较为弱些,但升频扫描在设备上更易实现。为了减少这种干扰,可缩短扫描时间,缩短扫描频带。
仪器发出的等幅线性扫描信号在地下传播时,由于受到大地的滤波作用,高频部分能量被吸收而严重衰减,使中深层反射的信噪比远小于1,并且大大地降低了分辨率。为了提高分辨率,就要设法弥补地层吸收对高频能量的衰减。地层对地震波的吸收衰减作用是非线性的,只要设计一个变化规律为衰减系数倒数的非线性扫描信号就能达到目的。
图3-3-3 可控震源的工作框图
图3-3-4 可控震源原理简图
可控震源系统结构及工作原理如图3-3-3和图3-3-4所示。可控震源的振动器是激发地面振动的功率输出部件,它把电能扫描同步地转换为液压机械振动。液压伺服振动器由电路系统和机械系统组成。电路系统的作用是通过甚高频无线电收发机接收来自记录仪器的无线电扫描信号,以驱动伺服装置推动振动器振动,变频扫描信号用固定程序由计算机控制。振动器的机械部分有一动力泵把油液注入高压储集器,由电路系统驱动的伺服阀则控制油流的方向,该油流直接推动与重锤连接的双动活塞,使活塞在垂直面上来回振动(图3-3-4)。重锤通过活塞安装在框架上,活塞杆与框架、框架与平板都是刚性连接。因此,活塞、活塞杆、框架及平板组成一个整体。活塞把伺服油缸分成两个油腔,它们各有一个油孔通过伺服阀与油源连接。当油源的高压端经油孔A与油腔A连通时,高压油进入油腔A;油腔B中的油经油孔B流回油源的低压端,这时作用在活塞上的控制力方向向上。此力经活塞杆传送到框架、平板而作用于地面。当油腔B与高压端相通而油腔A与低压端相通时,作用在活塞上的控制力方向向下,该力同样被送至地面。
伺服阀的柱塞位置控制油流进入或流出油腔。在电路系统没有接收到扫描信号时,伺服阀的柱塞处于正常位置,它正好把两个油孔都盖住,没有油流进入或流出油腔。当柱塞受扫描信号控制而自正常位置向上移动时,油孔B与高压端相通,作用于活塞上的控制力向下;当柱塞向下移动时,油孔A与高压端相通,控制力向上。于是,扫描信号使伺服阀的柱塞按选定的频率上下移动,使被伺服阀控制的活塞按同样规律运动。结果驱动振动器底板按扫描信号的频率振动,向地下发送振荡波。
可控震源施于地面的力一般为15 t,加上车负荷可达17 t或20 t左右。尽管如此,这个力还是较小的。为了增强能量并压制回波的干扰,多半采取组合激发:用数台震源在相距不远处同时振动,而且每台震源在一个点上振动几次至几十次,总振动时间需要几分钟到几十分钟,最后得到一个激发点叠加能量的野外记录。
可控震源有许多优点,首先是可以控制传播的地震波的频率以满足勘探的需要,充分利用震源的能量。其次,与炸药和气动震源比较,它的消耗是低的。最后,它能在城市工作,既可不用钻机,又可不损害环境。因此,可控震源逐渐在地震勘探中得到了广泛的应用。
3.气爆震源和气动震源
1967年起开始使用的一种利用气态化学能作为陆上地震勘探的震源称为气爆震源。它的地震波发生器是一个密闭的圆柱状爆炸室,其底板可自由伸缩,直接与地面接触,顶部为一沉重的反冲体。将混合气体(丙烷和氧气)导入爆炸室内,用电火花引爆,驱动爆炸室活动底板撞击地面激发地震波。一般用三台或更多的气动装置同时点火,引爆信号由记录装置用无线电发送。这种震源类似于锤击震源,多半安装在汽车上用于陆地勘探。它产生的脉冲富含低频,因此有较大的穿透能力。
用于海上地震勘探的气爆震源称为水脉冲。与陆地上使用的震源相似,在钢室中引爆混合气体后,高压混合气体通过一个细长的橡皮密封装置迅速膨胀,产生一个压力脉冲进入水中。当橡皮筒的体积达到最大时,安装在钢室的排气阀被打开,废气直接逸入空中,避免了气泡效应。
海洋勘探最普遍应用的非炸药震源是空气枪。它属于气动震源,即把爆炸改为高压气体的释放,把混合气体改为空气。图3-3-5是一种PAR型空气枪的结构原理图。整个装置做成枪一样的形状,容量达数十升的空气,从高达152×105 Pa压力的压力机送入装置的左上侧进入枪膛A,又从梭子中心的细孔进入枪膛B,空气的压力平衡使梭子保持着如图左的关闭状态。用电触发时,顶部的螺丝管打开一阀门,使高压气体(空气)压入梭子上部凸缘C的底部,产生一个向上的力,它超过了保持梭子关闭的力,打破了平衡,于是梭子迅速向上运动而打开枪膛B,枪膛B中的高压空气通过气门冲到水中,产生很强的冲力,激发出类似于爆炸产生的重复振荡。因为能量较小,二次脉冲衰减很大,主要产生与脉冲波非常类似的地震波。当高压空气进入水中后,梭子因向上的力迅速衰减及枪膛A内空气的向下压力增大而回到关闭位置,枪膛B 再次被充以高压空气,等待下一次的激发。整个释放周期只需要25~40 ms。这种震源是典型的脉冲震源。
图3-3-5 空气枪震源原理图
4.电火花震源
在浅海或江湖河上地震勘探常用的是电火花震源。它是由火花发生器通过水中电极之间电流的突然放电来激发地震波。图3-3-6是电火花震源系统的原理框图。其主要部件是由船曳引的置于水中的电极组,它同船上能由发电机充电的电容器组通过一个特殊设计的开关系统相连接。首先由发电机向电容器组充电,在激发的一瞬间,这个专门设计的开关系统突然接通电流,于是电容器组就通过电极之间的盐水间隙放电。放电产生的热度相当高,以至于水被突然汽化而产生迅速膨胀的蒸汽气泡;放电后又很快冷却,蒸汽气泡破灭而激发出压力脉冲,两者合并为总的振动。该震源的特点是激发的地震波频率高(一般100~1000 Hz或以上),因而分辨率较高。电火花震源可提供的能量较低,故多采用组合激发。
图3-3-6 电火花震源原理框图
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