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地震波的激发和接收
论文提要
在地震勘探的野外工作中，第一步要用人工方法激发地震波，为了适应各种地表条件及具体工作特点，震源及激发方式是多种多样的。使用与地震勘探的震源基本上分为两大类。一类是炸药震源，另一类是非炸药震源。目前以炸药震源为主。地震波的接受问题就是使用专门的仪器设备，采用合适的工作方法，把地震波传播情况纪录下来。当我们激发地震波时，既产生有效波，也会产生干扰波。人们往往利用有效波和干扰波的差异，在野外条件下采用不同的仪器手段和观测方式，来压制干扰波、突出有效波的。
正文
一、地震波的激发
1.  对激发的要求
     激发的有效地震波要有足够强的能量，良好的频谱特性和较高分辨能力，这样才能查明地下几千米深度范围的一整套地层的构造形态。此外还须指出，在激发出有效波的同时还会产生各种各样的波，如干扰波，异常波等。应使地震有效波具有较强能量、显著的频谱特性和较高的分辨能力。以利于纪录有效波。地震勘探的震源基本上分为两大类型，一类是炸药震源，另一类是非炸药震源。目前陆上主要以炸药震源、可控震源、气动震源为主，海上用电火花震源、空气枪震源、无气泡蒸汽枪震源等，其中炸药震源是最常用的。因此，以炸药震源为例，介绍地震波激发试验。
2. 陆上用炸药震源
从20年代开始到现在，地震勘探方法一直采用炸药为主要震源。
炸药震源激发的效果主要取决于井深，药量、激发岩性因素的选择与使用，因此，激发岩性试验阶段不但要进行干扰波的调查，观测因素的选择，还要进行激发因素的试验。
1) 激发岩性
爆炸时所产生的波的频率谱很大程度上决定于激发岩石的物理性质。若在松软的干燥岩层(如砂层)或松散的岩层(如淤泥)中爆炸，频率很低，爆炸能量大部分被松散岩层所吸收，会产生极高频率，这种高频的振动很快被吸收掉，而且在爆炸点周围产生很大破碎带，转换成弹性能量不多，因此，激发岩性
应选取潮湿的可塑性岩层(如胶泥、粘土、湿砂)。对大庆黑鱼泡地区岩性试验，见图2.4.1。激发点选在灰胶泥层。
2) 激发深度
   关于激发深度，以反射波来说，要选在潜水面以下，最好是潜水面以下3～5米的粘土层，或泥岩中爆炸，这样可使激发的频谱适中，且由于激发点离上面的潜水面不远，潜水面又是一个强反射界面，激发的能量由于潜水面强烈反射作用大部分往下传播，从而增强有效波的能量，减少了干扰波的能量，通常采用民用水井、捞取钻井岩样或通过电测井、也可用浅层折射波法求低速带深度来进行潜水面深度、激发岩性的调查。也可在试验阶段分别选择固定药量，井深来进行井深试验获得
3) 药量试验
  药量的选择应考虑炸药包周围岩性，勘探深度及爆炸点与接收点之间的距离、仪器灵敏度等，在上述因素不变情况下，适当增加炸药量，可以提高有效波的振幅，但药量增大到一定量时，振幅将不再随药量的增加 。
A
Q
振幅与药量关系示意图

（A代表振幅，Q代表药量）
图2.4.2
低降速带产生直达波和折射波而增大，这是因为药量很大时，岩石的破坏作用急速增大，振幅能量反而减小。在井深确定后，选择不同的药量进行试验，分析不同药量情况不记录的品质，从而选择适当药量。但从提高经济效益角度考虑，药量也不应过大。
如果在远距离接受时，必须使用大炸药量进行激发或者在已经采用了一定的药量，仪器的灵敏度也最大限度的提高了，尚未获得所须深层的反射，在这种情况下，为了减少爆炸对岩石的破坏作用，使更多的能量转化为弹性波能量，可以将炸药分散包装成小炸药包，按一定方式排列，然后同时起爆，这种方法称为组合爆炸，组合爆炸的方式有直线组合和面积组合。生产实践表明，组合爆炸的效果较好，可以相对的减少由爆炸产生的偶然干扰水平，提高有效波信号的振幅，提高有效波信号的振幅与其他和爆炸无关的干扰水平的比值，有利于有效波的方向选择接受。
水中爆炸是在海洋、湖泊或河流中进行地震勘探时、所利用的激发方式。在浅水中爆炸，应注意药包接触的岩性，要避免在淤泥中爆发。在深水中激发，应正确选择沉放深度。至于药量，按1米水深为6公斤效果较好
坑中爆炸又叫土坑炮。在沙漠，黄土沟、砾石覆盖区，不便钻炮井，潜水面又很深，只能采用土坑组合爆炸。
在地形复杂的支沟，小沟中可利用地形放地形炮，原则是：选取潮湿含水的地层放置炸药，不让激发后喷出物直接冲向侧线排列上，以防干扰有效波的接受。
3、陆上用非炸药震源
陆上用非炸药震源主要分为撞击型（如重锤和气动震源）和振动型（如可控震源）
1）气动震源 这是一种车装非炸药震源，震波发生器为密闭的扁平圆柱体，有的型号直径约1、5米，高约20公分，由高强度的金属构成一个侧壁可以伸缩的爆炸室。
气动震源和其他冲击型一样属于低频、低能量震源。因而对与噪音的抑制、提高分辨能力和穿透深度等问题，均须采取相应的措施加以解决。
2）重锤 重锤震源系统是由车装的机械装置。由于重锤的撞击产生的面波较强，一般也使用大量检波器组合和组合激发以及多次叠加。
3）可控震源 可控震源的参数主要包括理想子波波形（与扫描频率信号的起始和终了频率有关）、震源台数、扫描长度、振动次数等。与炸药震源相比，可控震源有如下3个方面的突出优点：
首先不产生地层不传播的振动频率，从而节约能量。其次是不破坏岩石，不消耗能量与岩石破碎上。最后是抗干扰能力强
4. 低速带测定
1) 浅层折射波测定低速带
  低速带测定包括低速带速度和低速带的厚度测定，主要是根据直达波和折射波的时距曲线来估测的。低速带的直达波和折射波时距曲线，如图2.4.2所示。从直达波时距曲线可求出第一层速度Vo：直达波时距曲线的斜率，因此，可以通过折射波时距曲线求得高速层速度和低速带厚度：对于折射波来说，其时距曲线为从折射波时距曲线上量取斜率k,则量取交叉时

2) 微地震测井测定低速带
    折射法测定低速带，有它的不足之处，如初至折射波所得界面速度往往比层速度大，因为初至波法所观测的，有时只是剖面上部某些高速薄层的折射波，不能反映低速带全貌。因此，我们采用微地震测井，也叫炮井地震测井，即炮井内放炮、地面接收或地面放炮、炮井内接收，由深到浅逐点观测，获得不同深度地震记录，根据t-hB曲线斜率划分出不同速度层，从而确定低速带。
 3) 用τ值时间作为井深校正时间在地表较平坦的地区，可以近似把地表看作基准面，把静校正简化为只有一次项，只有井深校正，即把激发点从井底校正到基准面上。如果在激发井口附近安置了一个检波器，称为井口检波器或称τ值检波器，用它专门记录从井底到井口的直达波传播时间(用τ表示)，把每炮实际记录的旅行时加上τ值，就完成井深校正了。

二、地震波的接收
地震勘探是目前最常用石油勘探方法之一，它的基本原理是利用人工地震在地层中产生振动信号，根据设计要求在距离激发点不同的地方布置传感器（即地震检波器如下图所示）接收振动信号，然后对接收到的振动信号进行处理、解释，根据信号的频率、振幅、速度等信息分析不同深度地层的属性、构造的形态等，从而初步判断是否有具备生油、储油条件，最后提供钻探的井位。
地震检波器是用于地质勘探和工程测量的专用传感器，是一种将地面振动转变为电信号的传感器,或者说是将机械能转化为电能的能量转换装置
地震数据采集系统主要由传感器（又称检波器）和数字地震仪组成。检波器埋置于地面的装置，把地震波引起的地面震动转换成电讯号并通过电缆将电讯号送入地震仪;数字地震仪将接受到电讯号放大、经过模/数转换器转换成二进制数据、组织数据、存贮数据。
对地震仪器的基本要求：来自地层深处的地震信号是微弱的，为了把微弱的信号纪录下来，必须对它进行放大。为了便于进行放大、传输及纪录，首先要把地面的机械振动转变成电信号。
在接受地震波时，同时传到接受点的除了有效波外，还不可避免的有许多干扰波。为了突出有效波，压制干扰波提高记录质量，地震仪器必须有频率选择作用以便让有效波的频率成分全部通过，干扰波的频率成分被滤掉。
有效波和干扰波之间存在以下差别
1. 有效波和干扰波在频谱上有差别；
2. 有效波和干扰波质点振动可能有所差别；
3. 有效波和干扰波在传播方向上可能不同；
4. 有效波与干扰波经过动校正后的剩余时差可能有差别；
5. 有效波和干扰波在它们出现的规律上可能有差别。
针对这些差别，提出了各种压制干扰波的方法。
1） 频率滤波是利用频谱差别来突出有效波和压制干扰波的。
地震道的所有环节几乎都有频率滤波作用，如检波器接收、仪器接收时，假设有效波的振幅谱是A1(f)，干扰波的振幅谱是A2(f)，实验和理论计算认为在地震道的通频带内，如果满足条件：A1(f)/A2(f)≥1.5则在记录上有效波可被清楚识别。因此，这里利用频谱分析方法最佳选择滤波门限。选择时，应考虑到有效波和干扰波的主频与波的类型、激发条件、传播条件和接收条件关系。一般情况下，同一界面的反射波比折射波、绕射波、某些多次波具有更高的主频，纵波的主频一般高于横波或转换波的主频，面波具有最低主频。
  2) 利用振动方向的方法
按着波的质点振动方向来选择或设，地震观测方位装置地震检波器。
1. 垂直地震检波器和水平地震检波器的选择。
众所周知，有效波从地下经过低速带到达地面时，射线方向几乎垂直地表，所以对于纵波勘探来说，选择垂直地震检波器。如果横波勘探来说，则选择水平地震检波器。通常，垂直地震检波器最常见，也是最常用的，但为了采用垂直检波器既能接收到纵波，又能接收到横波，我们采用方位观测。(2) 方位观测在地面一个观测点上，用三个以上垂直地震检波器，以等倾角排列在沿锥形面的不同方位上，就构成方位装置。这种装置记录不同方位上的地震波，其振幅与地面质点位移方向及检波器的轴向有关(即检波器与地面倾角φ)。通过改变φ角来识别接收纵波与横波，在复杂地震地质条件下可用来研究干扰波，如果确定研究波的类型，方位装置的最佳倾角按波的振动方向决定。（3）地震波在地层内传播的过程中，因为波前的扩散，地层的吸收等原因，它的能量会受到损耗，结果就造成了当波传到地面时，浅层反射波因传播路径短，能力很强；深层反射波路径长，损耗大，而变得能量很弱。在地震勘探文献里，习惯把这种强弱的差别在振幅上的变化范围称为地震波的“动态范围”。地震波的“动态范围”与许多因素有关，其中包括各反射界面的性质，所考虑的最深勘探层次、以及激发条件、接受条件等。地震波这种能量上的差别又进一步要求记录地震波的仪器不仅有很高的放大倍数，并且放大倍数是可变的，可以随地震波能量的大小而变化。
地震记录仪器还需要具备有良好的分辨能力。根据地震勘探方法技术上的特点，对地震仪器还有一些具体的技术要求。如记录仪器应当是多道的，各道还要在一致性上满足一定的精度要求。为了便于对原始资料多次重复处理，应当对原始资料采用磁带记录方式。地震仪必须有精确的记时装置，并在记录地震信息的同时标上时间标志。
最后还需指出，因为地震仪是在野外比较复杂的自然条件下工作的，因而要求一起轻便，耗电少，稳定，能经得起颠簸和恶劣的气候变化等。以及操作简单，维修方便。
2.道间距△X的选择
所谓道间距△X是指埋置在排列上的各道检波器之间的距离。道间距的大小直接影响到地震资料的解释工作。因为△X过大，将导致同一层有效波追踪辨认的 可靠性受影响。而△X过小，则使野外工作量增加。因此△X要适当的选取。
在确定道间距后，排列长度也就确定了，即
L=（n-1）△X
（式中L是排列长度；n是仪器的地震道数）
3.检波器的埋置条件
激发条件选好，道间距定的合适，但检波器埋置不好，也得不到好的记录。检波器埋在大树下，接近树根，或在草根较多的地方，得到的记录微震背景就大；若埋在淤泥中，得到的地震波其低频成分就大大增加；以上说明了检波器埋置的岩性及地点很重要。因此在野外施工时，必须认真作好。在埋置检波器的地方，应去掉杂草，铲平，最好挖个小坑。如遇岩石出露的地方，最好垫上潮湿的土。如在水中或田里、沼泽地，则应把检波器封闭好，（避免漏电）直插水底，穿过淤泥触到硬土。尽量使同一组或同一排列检波器埋置条件一致，以免组合后，同相轴产生畸变。
上面指出的各种改善检波器埋置条件的办法，根本作用在于使检波器和土壤组成一个阻尼较好的振动系统，以提高对波的分辨能力。

三、总结
地震波的激发与接受在地震勘探中有着举足轻重的作用。两者是相互联系的，在勘探中缺少其中任何一个，或者是任何一项没有做好，就会给后续工作带来困难与麻烦。两者是工作中的重中之重，所以必须抓紧、注意地震波的激发与接收在地震勘探中的工作。地震波的激发与接受在地震勘探中有着举足轻重的作用

参考文献
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