横波资料野外采集

多波、多分量资料的野外采集~

多波资料的野外采集包括激发、接收和观测系统的设计等内容。
1.横波的激发
纵波资料利用纵波震源获得，纵波震源对周围岩石介质产生均匀的辐射状力。横波资料包括有纯横波（SH波）资料和转换波（SV波）资料两种。转换波（SV波）资料仍然通过纵波震源获得，而纯横波（SH波）资料则要利用横波震源获得。横波的激发需要对周围岩石介质产生定向力（剪切力）才行。
与纵波震源一样，归纳起来，产生纯横波（SH波）的办法也是两大类：炸药震源和非炸药震源。前者需要建立非对称的激发边界条件，典型的例子是三排井爆炸法；后者一般为使用水平力的方法，如水平锤、横波可控震源等。
1）对称爆炸法或三井法（the three-hole method）
炸药震源具有球对称性，只能产生十分强的纵波和微弱的横波。如果要激发较强的SH波，必须使用特殊方法，破坏球对称的介质条件，三井法就是这样的一种方法。如图6-3-1所示，平行测线布置三排井，首先让中间一排井爆炸，此时产生P波，并破坏附近岩石，形成空洞。然后激发右排井和左排井；由于中间已先炸出空洞，破坏了球对称性，使左右井激发的介质不均匀，此时除产生P波外还产生极性相反的横振动（SH波）。将左、右井爆炸所得的两张记录反相相加可以消去（或减弱） P波，加强横波。这种方法在国内外的试验中都获得了满意的SH波记录。
对三井法激发横波的质量可用系数d来描述：

地震波场与地震勘探

当震源十分理想时，即（y＋）和（y-）仅由横波组成，则它们的振幅值相同，相位相反，分母趋于零，d值可以很大。若y主要为噪声信号，则反相后分子很小，因而d很小。也就是说，d很小说明激发质量十分糟糕。

图6-3-1 三井法原理


图6-3-2 横锤原理图

2）横锤（MARTHOR-CGG公司的玛索尔震源）
这是一种非炸药震源，整个装置安装在载重汽车上，其基本原理如图6-3-2所示。
几吨重的大锤，高举3～4 m，从左、右两边打击嵌入地下的基板（钢板），产生反向的剪切力，从而产生相位相反的SH 波；同时在齿隙间也产生了相位不变的纵波。同样利用反相相加的原理去掉纵波，得到加强后的 SH 波记录。
产生振动的频率与板重、锤重、弹性常数、地表的衰减等因素有关。
这种激发方式的效率高于三井法若干倍。
3）横波可控震源（The Shear Wave Vibrator，或称Horizontal Vibrator）
它的结构和原理与纵波可控震源是一样的，不同的是它只作水平振动，不作垂直运动，以剪切力传入地下产生SH波。扫描、叠加、相关等的原理与纵波可控震源一样，不必赘述。
值得一提的是，有人用纵波可控震源来产生横波。一般用二对反向运动的可控震源，将其振动记录相加，纵波抵消，保留水平分量的SH波，如图6-3-3所示。这种方法可以充分利用纵波装备来进行纯横波勘探，而不需专门的横波震源。
2.多分量检波器
多波勘探的野外采集系统与纵波勘探一样，但所使用的检波器较为特殊。
由于低速带的作用，地震反射波基本上是垂直地表出射的。因为纵波质点振动方向与波传播方向一致，故接收纵波应使用垂直检波器。横波质点振动方向与波传播方向垂直，故接收横波应使用水平检波器。水平检波器的基本原理与垂直检波器相同，但其线圈主轴是水平的，以测定地面运动的水平分量。图6-3-4是这种检波器的一个例子。野外工作对水平检波器安置的要求有两条：一是水平，二是方位正确。为此，水平检波器的外壳上一般均附设有气泡水准器以便于检查检波器是否水平；外壳的形状和颜色可能比较特殊以防止安置时发生方位错误。水平检波器主要采集横波振动，鉴于横波的频率较低，所以水平检波器的固有频率要低于垂直检波器，为低频检波器，一般固有频率约为8～10 Hz甚至更低。

图6-3-3 利用纵波可控震源产生SH波

因为SH波在水平面内振动，接收纯横波（SH波）的水平检波器应垂直测线安置；SV波在垂直面内振动，接收转换波（SV波）的水平检波器应平行测线放置。通常称垂直检波器接收的是Z分量，沿测线安置的水平检波器接收的是X分量，垂直测线布设的水平检波器接收的是Y分量。为了进行纵波-转换波联合勘探，发展了将垂直检波器与水平检波器装在同一个外壳中的双检波器，图6-3-5是其结构的一个实例。
当然，多波勘探应接收全部三个分量的资料，最简单的接收三分量资料的检波器是常规三分量检波器。它能测量一个垂直分量（Z）和两个正交水平分量（X，Y）。常规三分量检波器由于与地面的夹角不同，耦合条件不同，对相同振动的响应也就不同，这就影响到三分量资料的精细分析。为此，又发展了一种称为“三面检波器”的三分量检波器。三面检波器不是接收X、Y、Z三个分量，而是接收与垂直方向成54.75°夹角且相互两两正交的三个方向上的分量，称此三个分量为U、V、W。一般规定U方向的水平投影与X的正向重合。由于三方向与垂直方向夹角均为54.75°，且相互两两正交，故以此三方向为棱的立方体的第一对角线正好是垂直方向。三面检波器又称为54°检波器，其结构关系如图6-3-6（a）所示。

图6-3-4 水平检波器结构图

1—气泡水准器；2—线圈

图6-3-5 双检波器结构图


图6-3-6 三面检波器结构图 （a） 及三坐标之间关系图 （b）

U、V、W与X、Y、Z通常需要进行换算。由U、V、W换算为X、Y、Z的公式为

地震波场与地震勘探

由X、Y、Z换算为U、V、W的公式为

地震波场与地震勘探

为了适应多波勘探的需要，目前已发展出接收更多分量的多分量检波器。
3.观测系统与接收方式
纯横波勘探的观测系统与纵波勘探一样。纵波-转换波联合勘探中，为了同时最佳地获得纵波和转换波资料，往往采用联合观测系统。
联合观测系统分为所谓“串列式”和“并列式”，也叫“分离式”和“重合式”，如图6-3-7所示。图6-3-7（a）为“并列式”观测系统。它是将垂直检波器和水平检波器放在同一位置，同时接收纵波和转换波（P-SV波）。这种观测系统的优点是便于资料的分析、处理，若使用三分量或二分量检波器时只能使用这种观测系统。图6-3-7 （b）为“串列式”观测系统。它是在不同位置分别接收纵波和P-SV转换波。近震源处布置垂直检波器接收纵波，远震源处布置沿测线的水平检波器接收P-SV波。这种观测系统的优点是与不同类型波的传播特性相适应：纵波能量以近震源处强而转换波在远震源处能量较强。这种观测系统在同一点只接收一种分量，不利于对比分析、极化研究等。
鉴于横波的速度较低（到达时较晚），波长也比纵波波长要小，所以在采集横波时常需要采用大偏移距和小道距方式接收。

图6-3-7 联合观测系统

现在我们已经知道了返回地面的地震波携带着很多与地层性质有关的信息，利用这些信息就可以知道地下地层的高低起伏情况，它们是硬地层还是软地层，其厚度如何，孔隙中所含的是石油、是天然气或是水，等等。那么怎样才能得到这些信息呢？很明显，要得到这些陆续从地下返回的地震波并将其展示出来绝非易事，这首先需要到野外将这些信息采集回来，也就是野外地震资料采集。
地震资料采集包括测量→钻浅井孔埋炸药（在使用炸药震源时）→埋检波器→布置电缆线至仪器车几个工序。测量的任务是定好测线及爆炸点和接收点的位置。钻井的任务是准备好可下入炸药的浅井，埋炸药就是向井中放入炸药，以在爆炸后产生出地震波。地震波遇岩层界面反射回来被检波器接收并传到仪器车，仪器车将检波器传来的信号记录下来，这就获得了用以研究地下油气埋藏情况的地震记录。
地震勘探野外资料采集主要讲的是怎样产生和怎样接收地震波并将其展示出来。首先，让我们看一看采集地震波的主要设备及方法是怎样发展过来的。
世界上一切事物都会经历由发生、发展到完善的过程。地震资料采集技术也不例外，它的发展主要体现在采集设备的进步上。因为在设备发展过程中，也贯穿着新技术、新方法的不断涌现，只有设备发展了，才能使各种先进方法得以实现。早期的地震仪器采用电子管元件，体积大且笨重，用照相的方法将地震波在地下的传播过程用多条线记录在相纸上，这些线时而杂乱无章，时而又呈一条条一起向上跳（称波峰）和一起向下跌（称波谷）的曲线，这些线组成了光点地震记录。在记录上，人们只能惟一地利用地震信号的反射时间，由手工画图以推断地下简单的构造形态。运用这种方法，我国曾发现了克拉玛依油田和大庆油田。
从20世纪60年代开始，中国地震采集设备引入了电子计算机，当时制造的模拟磁带地震接收仪虽然应用时间不长，但它的可重复性观测为多次覆盖技术的发展创造了条件。多次覆盖就是对地下同一地段由只进行一次观测的单次观测技术变为进行多次重复性观测的多次观测技术。这项技术革命大大提高了地震资料质量及解决地质问题的能力。在这个时期发现了华北的任丘油田和渤海湾等油田。
中国从20世纪70年代开始使用数字记录接收仪，采集方法上除继续延用多次覆盖技术外还开发了提高勘探准确性的三维地震勘探技术。在此期间，除扩大了渤海湾油田的储量外，还发现了新疆塔里木的大气田。
现在，采集设备开始采用遥控、遥测、多道（现已发展到千道以上）地震仪。采集方法除采用三维地震及更高覆盖次数观测的方法外还开发了能更好地解决复杂构造等地质问题的高分辨率和横波地震勘探技术。
目前，海洋地震发展也很快，已全部采用非炸药震源进行工作，勘探精度也随着卫星导航系统及一系列新技术的应用而大为提高。
今后，随着高新技术的应用会进一步为地震勘探的发展创造条件，如四维地震勘探技术和开发地震的应用将进一步扩大地震勘探的服务领域，能将以往由于技术所限而遗漏的剩余油气资源开采出来。
中国地震勘探工作虽然比发达国家开始的晚，但经过近20年的不懈努力，地震采集的绝大多数装备不仅能自己制造以满足国内地震勘探的需要，而且还打入了国际市场，中国的地震采集技术水平已跻身国际先进行列。

横波地震勘探的野外工作方法与纵波野外工作方法基本是一样的，故不作全面论述，只介绍与纵波法的不同点。

横波是剪切波，因此激发横波的震源必须能使其周围的岩层受到一个剪切力的作用。横波勘探野外工作时一般都是用多个横波震源产生垂直于测线方向的水平冲击力形成横波，接收时用灵敏轴垂直于测线的多个水平检波器组合检波，接收从地下反射回来的横波，也可以进行多次覆盖观测，见图7-4-2（a）。

目前采用的横波震源主要有水平可控震源、敲击震源、炸药震源（三排井炸药爆炸震源）等，如图7-4-2（b）（c）所示。

图7-4-2 三种震源工作示意图

鉴于横波的频率较低、速度较低（到达时较晚），质点振动方向与波传播方向垂直，所以多采用低频水平检波器，大偏移距和小道距来接收横波。

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