地震勘探仪器概述

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(一)地震勘探仪器的任务及发展简史

地震勘探仪器是接收和记录地震波的一种精密的电子仪器及计算机等组合在一起的专门装置。地震勘探仪器的主要任务如下:

(1)提供尽可能丰富的、高信噪比、高分辨率和高保真的原始地震记录。

(2)记录地震勘探空间采集参数及时间采样参数，如测线号、排列类型、激发类型;施工时间、采样间隔、记录长度、记录号、固定增益及滤波挡等。

(3)适应不同勘探条件作业，如海洋、沼泽、沙漠及陆地。

地震勘探仪器从记录方式上大致分为三代，第一代是模拟光点记录地震仪;第二代是模拟磁带记录地震仪;第三代是数字磁带记录地震仪。第一代模拟光点记录地震仪使用时间从20世纪30年代至50年代中期，动态范围在20dB，频带宽约10Hz，带通滤波器的中心频率一般为20～40Hz，增益控制方式为一般的自动增益控制，记录波形直接显示在相纸上，不能做重新处理，信号是模拟信号。第二代模拟磁带记录地震仪从20世纪50年代中后期至60年代中期，仪器动态范围为45dB，频带宽度15～120Hz，增益控制方式为公共增益控制或程序增益控制，磁带记录特性它可以多次重复回放，并能实现多次叠加、滤波等处理。第三代数字磁带记录数字地震仪使用时间从20世纪60年代中期开始，它具有精度高(振幅精度大于0.1%)、动态范围可达130dB、灵敏度高(记录最小信号小于0.1mV)、频带宽(从3～250Hz，甚至可达500Hz以上)等优点，可与计算器直接联机，作多种数据处理和解释工作。其增益控制方式有二进制增益和瞬时浮点增益。

从模拟磁带记录开始，在室内对野外原始记录可重新加以处理并得到时间剖面，这种剖面很直观而且对解释人员很有帮助。数字磁带记录利用计算机处理，大大提高了处理速度和处理精度，处理方法多样化。数字地震仪正在不断地发展和更新，现已有光导纤维传输、遥测传输，并向超多道、智能化方面发展。

(二)地震勘探仪器的一般组成

地震勘探仪器主要由地震检波器、传输电缆、地震记录系统组成。地震检波器是一种机电转换装置，它将质点振动转换为电信号并传输到地震电缆线上;电缆线是传输地震信号到地震记录系统的载体，目前地震电缆已由传输模拟信号的多芯分段电缆发展为传输数字信号的数字传输电缆、光纤电缆，或无线电和微波传输。

地震记录系统将电缆或其他方式传输的信号进行放大、滤波、格式转换等并经磁头记录到磁带上。另外与地震记录系统相配套的有地震回放显示系统、质量监控系统及测试系统。

(三)地震勘探记录仪器类型简介

地震勘探记录仪器种类很多，能源勘探使用的大型数字地震仪可归纳为三大类型，分别为:集中式逻辑控制型数字地震仪;集中式数控型数字地震仪;分布式遥测型数字地震仪。如图4-7-1所示。

图4-7-1 集中式数控型地震仪器与分布式遥测型地震仪器

集中式逻辑控制型数字地震仪是指仪器整机控制全部由硬件组合实现仪器的各部分集中装在相应的箱体内，它的所有的配置都组装在仪器车上或船房内。这种类型仪器有SN338，DFS-V，MDS-10等。

集中式数控型数字地震仪在配置上除具有集中的特点外，最主要的特点是利用微机实行固化程序对测试、地震数据采集、处理和各种方式的显示进行控制。这种仪器除了具有普通的地震数据采集外，增强了自动综合测试能力，如外线测试、逻辑测试等。另外，利用诊断程序可迅速自动地进行故障诊断，利用键盘进行人机联作，通过CRT显示设置、检查或修正参数，并具有采样动态转换的能力，可配用可控震源，完成多道相关、叠加的实时处理。集中式数控型数字地震仪型号较多，结构配置和功能也有差别，其典型代表的SN358主要由主模拟单元信号通道、辅模拟信号通道、逻辑单元组成。

集中式数控型数字地震仪的特点是配用磁带机控制单元后，可用两台磁带机实现单密度(1600dpi/PE)或双密度(1600bipPE/6250bpiGCR)同时或交替记录。用两个主模拟单元及辅模拟单元后，可记录246个地震道和8个辅助道，有转存储功能。在记录过程中可实现动态变化采样。

分布式遥测型数字地震仪又进一步分为:分布式有线遥测型数字地震仪和分布式无线遥测型数字地震仪。分布式是指地面采集站沿测线等间距地布置，并负责采集多个检波点的地震波。有线遥测是指中心记录站通过数传电缆向各采集站发送控制指令，采集站向中心记录站应答或传送地震数据;无线遥测是指中心记录站与测线上的采集站之间的控制指令和应答信号以及地震数据是通过无线电信号传送，无需数据电缆。

分布式遥测型数字地震仪的最大特点是:接收道数多，可达千道以上;适用于三维面积勘探;系统智能化程度高，人机界面技术先进，自测自检及诊断能力较强;数据的采集速率与磁带记录速度无关;中心记录站与采集站采用多频、多通道数据传输。目前无线遥测型数字地震仪有代表性的为TELSEIS、MYRIASESⅡ、OPSEIS等，有线遥测型数字地震仪有代表性的是SN368，DFS-Ⅶ，SK-1004等。

(四)新一代地震采集系统简介

随着地震勘探技术的发展，对勘探仪器的要求越来越高，以上介绍的常规地震仪的采集系统显示出了它的缺点，首先是动态范围不足;并且瞬时浮点放大器对在低频强信号之后出现的高频弱信号起着平滑的作用，因而对高频信号的采集不利;由复杂的高精度模拟元器件组成的电子线路，需不断地校准，也带来很多麻烦和问题。人们最终认识到瞬时浮点放大器并不能真正达到瞬时动态，只有模数转换器才能做到，而传统的16位模数转换器的最优化线性度只有万分之一，信号的谐波畸变只能达到万分之五，最大的瞬时动态范围仅80dB。

近几年得以实用化的Σ-Δ模数转换器能输出24位以上的定点数据，引发了近几年来地震仪器的更新换代，例如SN388，SystemⅡ等遥测地震仪在采集站中均使用了过采样的Σ-Δ型A/D转换器，省去了传统的瞬时浮点放大器和去假频滤波器，大大提高了系统的瞬时动态范围和采样精度，提高了集成度，减小了体积。

(五)对地震仪的基本要求

(1)具有模拟放大装置，来自地层深处的地震信号是很微弱的(μm数量级)，为了能把微弱信号记录下来，必须对它进行放大。

(2)具有带通滤波装置，在接收时，同时传到接收点的除了一次反射波外，还有许多干扰波。为了突出有效波、压制干扰波，地震仪器必须有频率选择作用，以便让有效波的频率成分通过而干扰波的频率成分被滤掉。

(3)具有足够大的动态范围，地震波在传播过程中，能量会受到损耗，使得浅层反射波因传播路程短而能量很强，深层反射波因传播路程长而能量很弱，这种差别可达几万倍甚至百万倍。我们把地震波这种强弱的差别反映在振幅上的变化范围称为地震波的“动态范围”。

(4)具有良好的分辨能力，一个地层剖面中，会存在很多相邻很近的反射界面。当有地震波入射到这些界面时这些相邻反射界面的反射波就会相继到达地面的观测点。我们知道，每个界面的反射波有一定的延续时间Δt，两个相邻界面的反射波到达地面同一接收点的时差为Δ，当地震波的延续时间Δt小于Δ时，这两个相邻界面的反射波在地震记录上是可以分辨的。反之当Δt大于Δ时，则两个反射波叠加在一起，无法分辨。所谓地震勘探的分辨能力指的就是可以分辨开两个界面之间的最小厚度。

当然，地震记录上地震波的延续时间与很多因素有关，如震源的类型、激发条件、岩石介质性质以及记录仪器特性等。因此，从仪器设计方面，就要合理地选择仪器参数，使仪器的固有振动延续时间不要太长，使仪器具有较好的分辨能力。

(5)根据地震勘探方法技术的特点，对地震仪还有一些具体的技术要求:如记录仪器应当是多道的，各道一致性应满足一定的精度;原始资料应采用数字记录方式以便于多次重复处理;记录长度应在6～8s左右并最好是可以任意选择的;有精确的计时装置并伴随地震信息同时记录下来。