王忠仁，劉 瑞，陳 衛(wèi)，趙博雄

吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院／地球信息探測儀器教育部重點實驗室，長春 130026

0 引言

在地震勘探領(lǐng)域，震源激發(fā)地震波是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，震源信號的能量強度與品質(zhì)直接影響地震勘探的效果，沒有激發(fā)階段的震源信號質(zhì)量作保證，后續(xù)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理都是毫無意義的。在深部油氣資源地震勘探領(lǐng)域，炸藥震源作為一種常用的震源一直沿用至今。近年來隨著人們環(huán)保意識的增強，大噸位的液壓可控震源[1]正在逐步替代炸藥震源[2-3]。在近地表淺層地震勘探領(lǐng)域，目前工程上還是以勞動強度較大的人工錘擊震源為主，輕便可控震源還處于實驗和完善階段。電磁驅(qū)動輕便高頻可控震源代表著振動式便攜可控震源的主流。荷蘭Utrecht州立大學(xué)于1989年研制了第一臺電磁輕便高頻可控震源[4]；20世紀90年代中期日本的OYO公司也推出了電磁驅(qū)動方式的輕便高頻可控震源；吉林大學(xué)在1995-2001年期間研制出500N和1000N2種型號的輕便電磁驅(qū)動可控PHVS系列震源[5-7]。這種電磁驅(qū)動可控震源信號一般都設(shè)計成掃頻信號，Crawford等[8]認為這種在發(fā)射期間不具有周期和重復(fù)性的掃頻長信號經(jīng)過相關(guān)解碼運算后可以壓縮成一個短脈沖，因而一個反射界面才不會出現(xiàn)多個回波。激發(fā)掃頻信號的振動式可控震源具有優(yōu)良的相關(guān)解碼特性，但是為了防止脫耦現(xiàn)象的出現(xiàn)，要求震源的自重必須大于震源的輸出力。要使輸出力增大，就必須使震源的質(zhì)量也增大，因而便攜性就大大降低了。便攜沖擊式可控震源與振動式可控震源相比不存在脫耦問題，相對較小的質(zhì)量可產(chǎn)生較大的沖擊功。沖擊式可控震源不同于夯擊震源，不是采用簡單的單次沖擊方式激發(fā)地震波，而是采用遵循一定規(guī)律的沖擊編碼序列的多次累積沖擊方式，并通過相關(guān)解碼運算獲得與單次大能量沖擊等價的地震記錄。Mini-SOSIE方法[9-11]和SIST技術(shù)[12]是基于沖擊式可控震源的2種主要方法。沖擊式可控震源存在的最大問題是有限長沖擊序列總不能達到真正意義下的隨機序列，因而相關(guān)解碼過程中總不可避免地要出現(xiàn)相關(guān)噪聲[13]。由于隨機性相對增強，沖擊序列長度的增加能夠使這種相關(guān)噪聲逐漸降低，但這要以增加施工成本為代價。筆者研究沖擊式與振動式可控震源的互補組合激發(fā)技術(shù)，尋求在不增加沖擊序列長度的前提下，削弱沖擊震源解碼地震記錄中相關(guān)噪聲的新途徑。

1 互補組合激發(fā)技術(shù)

地震勘探中的組合激發(fā)技術(shù)，通常是同一種類同一型號的震源進行同步激發(fā)，其目的是增強激發(fā)能量，增大勘探深度。筆者提出的互補組合激發(fā)技術(shù)是沖擊式可控震源與振動式可控震源按設(shè)定的激發(fā)方式進行組合激發(fā)，目的是實現(xiàn)沖擊式可控震源與振動式可控震源之間的能量互補，保持沖擊式震源能量強的優(yōu)勢并減弱沖擊式可控震源解碼地震記錄中的相關(guān)噪聲。文中沖擊式可控震源采用掃描沖擊地震技術(shù)（SIST）的線性增量間隔序列[12-13]，振動式可控震源采用掃頻信號[8]。

1.1 互補組合激發(fā)技術(shù)的相關(guān)分析

首先對振動式可控震源激發(fā)的Chirp掃頻信號、沖擊式可控震源激發(fā)的SIST序列以及二者互補組合激發(fā)的信號進行相關(guān)分析。相關(guān)分析技術(shù)可用于評價震源信號的理論依據(jù)見附錄。分別構(gòu)造振動式可控震源激發(fā)的Chirp信號、沖擊式可控震源激發(fā)的SIST序列、沖擊式可控震源與振動式可控震源互補組合激發(fā)的震源信號，各信號的持續(xù)時間均為2s（圖1）。分別對這3個震源信號進行相關(guān)分析，三者的自相關(guān)函數(shù)如圖2所示。由圖2可見：Chirp信號經(jīng)過相關(guān)解碼運算被壓縮成了一個比較理想的單脈沖（筆者稱之為相關(guān)子波）；SIST序列的自相關(guān)函數(shù)中存在嚴重的尾震，這種尾震將導(dǎo)致解碼地震記錄中出現(xiàn)相應(yīng)的相關(guān)噪聲；互補組合震源信號的自相關(guān)特性與Chirp信號相比差別不大，而且自相關(guān)函數(shù)中的尾震與SIST序列相比有了明顯的減弱。從相關(guān)分析結(jié)果可見，互補組合激發(fā)與沖擊激發(fā)相比，在壓制相關(guān)噪聲方面具有明顯的優(yōu)勢。

1.2 互補組合激發(fā)技術(shù)的頻譜分析

對圖1中的各個信號進行了頻譜分析，圖3為對應(yīng)頻譜的分析結(jié)果。由圖3可見：Chirp信號的頻譜具有典型帶通濾波器的特征，中間部分平坦，兩端的高低頻截止頻率到平坦部分的過渡帶較陡；SIST序列的頻譜在有限的頻帶內(nèi)幅度不夠平坦，以單次沖擊的頻率為中心峰值頻率，向兩側(cè)變化時幅度逐漸降低，這表明SIST序列的頻譜在頻帶兩端的高低頻成分能量很弱，從信號處理角度來說不利于高分辨率信號處理；由于Chirp信號的調(diào)制作用，互補組合震源信號頻譜的頻帶兩端的高低頻成分能量與SIST序列相比有明顯增強。從頻譜分析結(jié)果可見，互補組合激發(fā)與沖擊激發(fā)相比，由于高低頻成分在能量上的增強使得互補組合激發(fā)在提高分辨率方面更具優(yōu)勢。

圖1 可控震源信號Fig.1 Controllable seismic source signals

圖2 震源信號的自相關(guān)函數(shù)Fig.2 Autocorrelation functions of seismic source signals

圖3 震源信號的頻譜Fig.3 Spectra of seismic source signals

1.3 互補組合激發(fā)技術(shù)的數(shù)值模擬

可控震源信號的自相關(guān)僅僅是衡量相關(guān)子波特性優(yōu)劣的一個因素，震源信號通過不同波速的地層經(jīng)過地下界面的反射與透射最后被地震檢波器所接收是一個復(fù)雜的過程；因此，通過數(shù)值模擬震源信號的地震響應(yīng)可以更直接地展現(xiàn)震源信號的地震響應(yīng)效果。筆者構(gòu)造了如圖4所示的地層模型，最深目的層為z＝300m處的界面。采用有限差分法對互補組合激發(fā)技術(shù)進行了數(shù)值模擬。模擬中最小炮檢距為40m，道間距為10m，地震道數(shù)為32道。沖擊震源單次沖擊的震源子波采用主頻90Hz的雷克子波，其沖擊序列的構(gòu)成如圖1b所示；振動震源信號是掃描頻率范圍為20～180Hz的經(jīng)過部分錐化的Chirp信號。2個震源信號的持續(xù)激發(fā)時間均為2s。地震記錄的時間采樣步長為0.0002s，地震儀采集時間長度為2.42s，解碼后截取的記錄長度為0.42s。

圖5是沖擊震源按圖1b所示的沖擊序列激發(fā)所得到的解碼地震記錄，圖6是沖擊震源與振動震源互補組合并且按圖1c所示的激發(fā)信號所得到的解碼地震記錄。比較圖5和圖6可以看出，對于剖面中下部反射波同相軸所在的區(qū)域，互補組合激發(fā)情形解碼記錄中的相關(guān)噪聲比單純沖擊激發(fā)情形有明顯減弱。雖然互補組合激發(fā)解碼記錄中直達波的旁瓣比單純沖擊激發(fā)情形有所增強，但對于反射地震勘探而言，采用切除處理直達波的方法對后續(xù)疊加處理結(jié)果不會產(chǎn)生太大影響。

圖4 水平層狀介質(zhì)模型Fig.4 Model of horizontal layers

圖5 沖擊源的解碼記錄Fig.5 Decoded record of shock source

2 互補組合激發(fā)技術(shù)的實驗研究

圖6 互補組合源的解碼記錄Fig.6 Decoded record of combined source

對互補組合激發(fā)技術(shù)進行了地震波激發(fā)采集對比實驗，實驗中選用的沖擊震源是吉林大學(xué)自行研制的便攜式液壓沖擊震源，振動式震源是吉林大學(xué)自行研制的便攜式500N可控震源，地震儀為吉林大學(xué)自行研制的集中式地震儀。實驗中設(shè)置地震道數(shù)為43道，道間距為2m，最小偏移距2m。采樣間隔為0.0005s。圖7是單獨液壓震源獲得的解碼地震記錄，圖8是液壓震源與500N震源互補組合激發(fā)獲得的解碼地震記錄。比較圖7和圖8可見，互補組合激發(fā)獲得的解碼地震記錄的分辨率與液壓震源單獨激發(fā)獲得的解碼地震記錄相比有明顯提高，相關(guān)噪聲得到了有效壓制，分辨率有了明顯提高。

3 結(jié)論

沖擊式可控震源SIST序列沖擊與振動式可控震源Chirp掃描的互補組合激發(fā)，保持了沖擊式震源在能量與便攜性方面的優(yōu)勢，增加了組合震源信號的隨機性，優(yōu)化了相關(guān)子波的性能，降低了沖擊式可控震源解碼地震記錄的相關(guān)干擾噪聲。與單純沖擊式可控震源相比，互補組合震源擴展了頻寬，提高了地震記錄的分辨率。該種激發(fā)技術(shù)可實現(xiàn)兩種激發(fā)方式在能量上的互補，可在不增加沖擊序列長度的前提下提高地震記錄的信噪比和分辨率，從而顯著提高野外施工的效率和質(zhì)量。

圖7 單獨液壓沖擊震源獲得的解碼地震記錄Fig.7 Decoded seismic record gained by hydraulic impact source only

圖8 互補組合激發(fā)獲得的解碼地震記錄Fig.8 Decoded seismic record gained by complementary and combined source

（References）：

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附錄 可控震源相關(guān)解碼原理

設(shè)s（t）為單個脈沖震源輸入到地下的地震子波，r（t）為地層反射序列，則理想條件下單個脈沖震源的反射地震記錄y（t）可表示為

其中，＊ 號表示卷積運算。

設(shè)q（t）是可控震源激發(fā)的信號或多個可控震源激發(fā)的組合信號，則其原始反射地震響應(yīng)可表示為

用q（t）對（2）式做互相關(guān)運算可得

其中：?號表示互相關(guān)運算；ACF表示自相關(guān)函數(shù)。把 ACF｛q（t）｝稱為可控震源信號q（t）的相關(guān)子波。

比較式（1）和式（3），如果 ACF｛q（t）｝＝s（t），則有

此時，可控震源的相關(guān)解碼記錄yq（t）與單個脈沖震源的理想反射地震記錄y（t）是等價的。因此，可控震源信號設(shè)計的關(guān)鍵是尋求適當(dāng)?shù)目煽卣鹪葱盘杚（t），使得其相關(guān)子波 ACFq（t）與單個脈沖震源的地震子波s（t）充分相似。