陳玉達(dá),林 君,2,邢雪峰

(1.吉林大學(xué)地球信息探測(cè)儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林長(zhǎng)春130061;2.自然資源部地球探測(cè)技術(shù)及儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林長(zhǎng)春130061)

地震勘探利用彈性波推斷地下構(gòu)造信息,廣泛應(yīng)用于油氣勘探領(lǐng)域[1]。人工震源是地震勘探的重要組成部分,用于將其它形式的能量轉(zhuǎn)換為輻射地下的振動(dòng)信號(hào)。根據(jù)激發(fā)的彈性波類型不同,人工震源可分為沖擊型震源和可控震源。沖擊型震源通過(guò)大能量短時(shí)集中釋放激發(fā)尖銳脈沖,得到的脈沖信號(hào)頻域信息較為豐富,但其存在能量利用率低,激發(fā)波形難以控制等不足。炸藥震源、氣槍震源和電火花震源均屬于沖擊型震源。通過(guò)釋放高壓空氣形成強(qiáng)大沖擊力的氣槍震源以及通過(guò)電容在電極間高壓放電的新型電火花震源主要應(yīng)用于海洋、內(nèi)陸湖泊等水域勘探。隨著綠色、安全勘探理念的興起,危險(xiǎn)性高、破壞性大的炸藥震源被嚴(yán)格限制在特定區(qū)域使用。與上述沖擊型震源相比,可控震源能夠激發(fā)能量密度低且波形可控的正弦掃描信號(hào),通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間累積效應(yīng)實(shí)現(xiàn)大能量勘探,其工作原理借鑒了雷達(dá)和聲納回聲測(cè)距采用的脈沖壓縮(pulse-compressive)技術(shù)[2]。經(jīng)過(guò)60余年的發(fā)展,可控震源理論及技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,發(fā)展出了多種震源類型[3]。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同,可控震源分為液壓式、電磁式以及精密可控震源3種。液壓式可控震源是最早研制并應(yīng)用于野外勘探的可控震源,具有峰值出力大、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),在油氣勘探等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[4-5];電磁力驅(qū)動(dòng)的可控震源具有輕便、高頻的特點(diǎn),可有效解決淺層高分辨率工程勘探難題[6];伺服電機(jī)帶動(dòng)偏心質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)的精密可控震源產(chǎn)生高度可重復(fù)性信號(hào),試驗(yàn)結(jié)果表明精密可控震源在地下介質(zhì)長(zhǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)、建筑物探傷等領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大[7-8]。

當(dāng)前可控震源在地震勘探領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,但受其自身結(jié)構(gòu)的非線性和勘探環(huán)境限制,在輸出振動(dòng)信號(hào)波形質(zhì)量控制、工作頻帶等方面存在以下問(wèn)題,一方面可控震源輸出地震波的波形畸變限制了自身基頻的出力水平,且在采集系統(tǒng)部分引入了諧波干擾;另一方面勘探深度和分辨率的不斷提高,要求可控震源的工作頻帶向?qū)掝l帶拓展。低頻勘探、城市勘探、海洋勘探等勘探領(lǐng)域也對(duì)可控震源提出了新的要求。本文首先概述了可控震源勘探原理,然后重點(diǎn)介紹了可控震源在系統(tǒng)控制、畸變分析與抑制等方面的技術(shù)進(jìn)展,以及其在陸地、海洋勘探領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀,最后展望了可控震源的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 可控震源勘探原理

可控震源勘探借鑒脈沖壓縮技術(shù),即將連續(xù)振動(dòng)信號(hào)壓縮為尖銳脈沖信號(hào)。在實(shí)際勘探中,可控震源首先激發(fā)具有某種時(shí)間函數(shù)關(guān)系式的正弦掃描信號(hào)s(t),并通過(guò)振動(dòng)平板將振動(dòng)信號(hào)傳至地下,在地面鋪設(shè)高靈敏度檢波器獲取大地反射或折射振動(dòng)信號(hào),最終對(duì)檢波器記錄信號(hào)x(t)進(jìn)行相關(guān)處理,進(jìn)而推斷并解釋地下介質(zhì)信息。可控震源勘探原理示意如圖1所示。

圖1 可控震源勘探原理示意

1.1 線性掃描信號(hào)

與雷達(dá)脈沖壓縮技術(shù)中采用的調(diào)頻寬脈沖發(fā)射信號(hào)不同,可控震源激發(fā)低頻段正弦掃描信號(hào)。正弦掃描信號(hào)是可控震源實(shí)現(xiàn)非破壞性勘探的重要基礎(chǔ),其信號(hào)振幅和頻帶寬度在一定范圍內(nèi)可控。目前,可控震源信號(hào)掃描類型主要包括線性掃描、非線性掃描以及偽隨機(jī)編碼掃描[9-12]。線性掃描信號(hào)具有相對(duì)穩(wěn)定的振幅,信號(hào)頻率隨時(shí)間呈線性變化。非線性掃描信號(hào)類型包括指數(shù)掃描、對(duì)數(shù)掃描、時(shí)間冪函數(shù)掃描等,通過(guò)增加特定頻段掃描持續(xù)時(shí)間可提高該頻段信號(hào)的能量和信噪比。非線性掃描多應(yīng)用于部分頻帶衰減嚴(yán)重的情況。偽隨機(jī)編碼掃描信號(hào)借鑒了通信系統(tǒng)的掃描信號(hào)特點(diǎn)以及應(yīng)用場(chǎng)景,其信號(hào)在時(shí)間-頻域內(nèi)不呈現(xiàn)某種函數(shù)關(guān)系,可有效降低諧波干擾,適用于對(duì)信號(hào)敏感的環(huán)境。線性掃描信號(hào)在可控震源中應(yīng)用最為廣泛,本文僅對(duì)線性掃描信號(hào)進(jìn)行研究,其數(shù)學(xué)表達(dá)式s(t)為:

(1)

式中:A為信號(hào)振幅;fs為起始頻率;fe為終止頻率;K為掃描頻率變化率;Td為掃描信號(hào)持續(xù)時(shí)間。圖2為單位幅值線性升頻掃描信號(hào)時(shí)域和頻域波形,頻帶寬度為5～40Hz,掃描時(shí)間為6s。

圖2 單位幅值線性升頻掃描信號(hào)時(shí)域(a)和頻域(b)波形

1.2 相關(guān)技術(shù)

地震勘探過(guò)程可被視為輸入輸出系統(tǒng)?？煽卣鹪醇ぐl(fā)地震波為系統(tǒng)輸入信號(hào)s(t),檢波器記錄信號(hào)為系統(tǒng)輸出信號(hào)x(t),地層特性為該系統(tǒng)傳遞函數(shù)r(t)。x(t)可表示為s(t)和r(t)的卷積:

x(t)=s(t)*r(t)

(2)

式中:*代表卷積;t代表時(shí)間。x(t)通常為s(t)的延伸和延時(shí),將x(t)與s(t)進(jìn)行互相關(guān)處理以獲取地震波旅行時(shí)、信號(hào)極性與能量強(qiáng)度等信息。互相關(guān)結(jié)果y(t)表示為:

y(t)=x(t)?s(t)

(3)

式中:?代表相關(guān)。將(2)式代入(3)式,可得:

y(t)=[s(t)?s(t)]*r(t)

(4)

式中:s(t)?s(t)表示掃描信號(hào)自相關(guān)。以線性掃描函數(shù)為例,其自相關(guān)函數(shù)Φ(τ)可近似為:

(5)

式中:A為掃描信號(hào)振幅;f0為中心頻率;fs為起始頻率;fe為終止頻率;Δf為掃描頻帶寬度,Δf=fe-fs;Td為掃描信號(hào)持續(xù)時(shí)間。

圖3為頻帶寬度為5～40Hz,掃描時(shí)間為6s的單位幅值線性升頻掃描信號(hào)的自相關(guān)波形?？梢钥闯?掃描信號(hào)經(jīng)過(guò)自相關(guān)后,達(dá)到了類似脈沖壓縮的效果。

圖3 單位幅值線性升頻掃描信號(hào)的自相關(guān)波形

2 可控震源技術(shù)

2.1 液壓式可控震源

液壓式可控震源是采用液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)電一體化設(shè)備,地面輸出力大,環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。震源工作時(shí),液壓系統(tǒng)油流跟隨設(shè)定的電掃描信號(hào)不斷變化,在振動(dòng)器上下油缸內(nèi)部產(chǎn)生油流壓強(qiáng)。壓強(qiáng)差作用于重錘活塞產(chǎn)生跟隨電掃描信號(hào)波形的垂直振動(dòng)。目前,液壓式可控震源已較為完善[13],其在系統(tǒng)控制與地面輸出力估計(jì)、畸變分析與抑制等方面的技術(shù)較為成熟。

2.1.1 系統(tǒng)控制與地面輸出力估計(jì)

受液壓、機(jī)械以及地面非線性等因素影響,故可控震源控制系統(tǒng)應(yīng)具備反饋環(huán)節(jié)以調(diào)整振動(dòng)器輸出信號(hào)與電掃描參考信號(hào)保持一致。震源相位控制器是最早應(yīng)用于可控震源的閉環(huán)反饋系統(tǒng)。振動(dòng)器相位信息由安裝在振動(dòng)平板上的加速度傳感器決定。由于平板加速度傳感器反饋信號(hào)微弱、噪聲較大,低頻段相位檢測(cè)存在一定延時(shí),因此在實(shí)際應(yīng)用中相位控制器控制能力較差。LERWILL[14]研究發(fā)現(xiàn)重錘加速度傳感器反饋信號(hào)比平板加速度傳感器反饋信號(hào)更為穩(wěn)定,因此提出在控制系統(tǒng)中采用重錘加速度傳感器作為震源的反饋環(huán)節(jié)。SCHRODT[15]提出基于地面輸出力的自適應(yīng)閉環(huán)幅度控制方法,消除了共振頻率下振動(dòng)平板與地面的脫耦現(xiàn)象,通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)的分析,證明了該方法比采用重錘或振動(dòng)平板加速度傳感器反饋信號(hào)更能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的下行小波。目前液壓式可控震源控制系統(tǒng)使用多種類型傳感器反饋信號(hào)監(jiān)測(cè)震源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)前主流可控震源數(shù)字控制系統(tǒng)接收主伺服閥、重錘、振動(dòng)平板傳感器反饋信號(hào),輸出相應(yīng)的力矩馬達(dá)控制命令,最終控制震源輸出較為穩(wěn)定的振動(dòng)信號(hào)。例如VE432控制系統(tǒng)內(nèi)部采用了最優(yōu)控制技術(shù),集成了數(shù)字式震源模型和卡爾曼濾波器[16],其系統(tǒng)狀態(tài)環(huán)路控制框圖如圖4所示。

圖4 VE432系統(tǒng)狀態(tài)環(huán)路控制框圖[16]

采用數(shù)字式可控震源模型表征力矩馬達(dá)輸入電流與地面輸出力的數(shù)學(xué)關(guān)系。根據(jù)力矩馬達(dá)電流、4個(gè)觀測(cè)變量(重錘加速度、平板速度、重錘位移、閥位移)以及10個(gè)狀態(tài)變量確定數(shù)學(xué)模型。狀態(tài)變量的數(shù)量及數(shù)值與地表環(huán)境、振動(dòng)器和掃描信號(hào)有關(guān),可以通過(guò)初步試驗(yàn)確定。自適應(yīng)卡爾曼濾波器作為系統(tǒng)的狀態(tài)變量和觀測(cè)器,可以根據(jù)震源理論模型的估計(jì)值與實(shí)際觀測(cè)值的可信度動(dòng)態(tài)調(diào)整增益,有效降低傳感器噪聲、模型誤差對(duì)系統(tǒng)的干擾,超前優(yōu)化狀態(tài)變量和觀測(cè)變量。二次最優(yōu)控制器將卡爾曼濾波器優(yōu)化后的狀態(tài)變量作為輸入信號(hào),采用二次判據(jù)最小化準(zhǔn)則確定反饋狀態(tài)指令,并且提供力矩馬達(dá)合適的輸入電流,使震源跟隨電掃描信號(hào)輸出相應(yīng)振動(dòng)波形,以降低地表環(huán)境及系統(tǒng)自身非線性對(duì)地面輸出力的影響。目前最新型的VE464控制系統(tǒng)繼承了VE432內(nèi)部技術(shù),并結(jié)合無(wú)線傳輸技術(shù)、電子技術(shù)和伺服控制技術(shù)等手段進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的控制速度與精度[17]。

作為可控震源的重要參數(shù),震源地面輸出力對(duì)系統(tǒng)控制以及檢波器記錄信號(hào)相關(guān)處理有著重要影響。由于采用直接測(cè)量方法得到的震源地面輸出力不準(zhǔn)確,因此ALAIN等[18]提出利用加權(quán)力方法估計(jì)震源地面輸出力。SALLAS等[19-20]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用振動(dòng)平板與重錘加速度的加權(quán)力方法的有效性,使加權(quán)力方法成為估計(jì)震源地面輸出力的主要方法。由于震源-大地耦合系統(tǒng)不具有理想剛體特性,因此加權(quán)力估計(jì)值與震源地面輸出力存在一定差異。BAETEN[21]設(shè)計(jì)了加權(quán)力估計(jì)值與直接測(cè)量得到的震源地面輸出力對(duì)比實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)二者在部分頻段的不一致性主要與震源-大地耦合模型有關(guān)。因此,建立合適的震源-大地耦合模型是準(zhǔn)確估計(jì)真實(shí)地面輸出力的重要基礎(chǔ)。LEBEDEV等[22]建立了表征震源的振動(dòng)平板與大地耦合的非線性模型,創(chuàng)造性地提出利用彈簧數(shù)量表征振動(dòng)平板與大地耦合剛度。TINKLE等[23]提出了簡(jiǎn)化的質(zhì)量-彈簧-阻尼模型,計(jì)算了系統(tǒng)耦合模型參數(shù),驗(yàn)證了該模型用于估計(jì)震源地面輸出力的有效性。WEI[24-26]提出的震源-大地耦合模型如圖5所示,其耦合系統(tǒng)采用一系列彈簧和阻尼表征振動(dòng)平板與地表介質(zhì)的可變剛度,將非均勻彈性耦合大地系統(tǒng)近似為質(zhì)量-彈簧-阻尼模型,將震源地面捕獲質(zhì)量視為振動(dòng)平板的一部分并使其參與振動(dòng),將較深的地層看作均勻彈性系統(tǒng),使其遠(yuǎn)端速度信號(hào)與彈性波信號(hào)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)成比例,然后利用遠(yuǎn)端參考信號(hào)與耦合系統(tǒng)模型輸出信號(hào)互相關(guān)得到零相位地震子波,最終證實(shí)了利用該模型進(jìn)行地面輸出力估計(jì)結(jié)果的有效性。

圖5 震源-大地耦合模型[26]

2.1.2 畸變分析與抑制

液壓式可控震源非線性較為復(fù)雜,信號(hào)畸變影響因素多,包括機(jī)械、液壓系統(tǒng)的非線性、振動(dòng)平板的形變等[27-29]。在實(shí)際勘探過(guò)程中,可控震源控制系統(tǒng)并不能完全抑制畸變,需要針對(duì)性的抑制特定畸變影響因素?，F(xiàn)對(duì)其中兩種主要畸變機(jī)理與抑制方法介紹如下。

2.1.2.1 主伺服閥畸變與抑制

在可控震源工作的低頻段,主伺服閥非線性是震源波形畸變的重要影響因素,主要包括主伺服閥重疊區(qū)(零位置死區(qū))以及主伺服閥流量-壓力的非線性[30-34]。主伺服閥重疊區(qū)非線性使震源振動(dòng)波形的波峰處出現(xiàn)波谷,在3Hz以下尤為明顯。主伺服閥流量-壓力的非線性表現(xiàn)為液壓油流量與載荷壓力之間呈平方根關(guān)系,隨震源振動(dòng)出力的增加其非線性不斷增強(qiáng),并在3Hz以上的低頻段主導(dǎo)振動(dòng)波形畸變。為抑制主伺服閥畸變影響,魏周宏等[35-36]提出低頻諧波壓制算法,其算法框圖如圖6所示。將低頻段細(xì)分為3個(gè)頻帶:1～3Hz、3～8Hz、8～20Hz,根據(jù)震源非線性特點(diǎn),低頻諧波壓制算法包含多種非線性補(bǔ)償機(jī)制。主伺服閥零位置非線性控制算法將位移反饋信息用于補(bǔ)償主伺服閥重疊區(qū)非線性,主要作用范圍為1～3Hz頻段;在3～8Hz頻帶范圍內(nèi),震源基頻出力隨頻率增加而快速增加,低頻振幅和相位控制算法變得活躍,利用前饋掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)和主伺服閥位移反饋信號(hào)調(diào)節(jié)震源基頻出力;在8～20Hz頻帶范圍內(nèi),主伺服閥零位置非線性控制算法和流量-壓力的非線性算法同時(shí)作用,校正主伺服閥位置使液壓流量與載荷壓力線性化。低頻諧波壓制算法對(duì)地層類型不敏感,環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。

圖6 可控震源諧波壓制算法框圖[36]

2.1.2.2 振動(dòng)平板畸變分析與抑制

振動(dòng)平板的低剛度嚴(yán)重影響震源勘探效果。WEI[24]利用有限元分析軟件ANSYS按照振動(dòng)平板實(shí)際結(jié)構(gòu)建立了振動(dòng)模型,發(fā)現(xiàn)振動(dòng)平板在低于100Hz的頻帶存在6種振動(dòng)模式,分別為震源的前后晃動(dòng)、側(cè)面晃動(dòng)、振動(dòng)平板扭曲、垂直振動(dòng)、平板支柱的橫向運(yùn)動(dòng)以及振動(dòng)平板垂直振動(dòng)與地面起伏。由于振動(dòng)平板結(jié)構(gòu)剛度低,在較高的工作頻段,振動(dòng)平板存在一定形變,并與地面局部脫耦,為解決上述問(wèn)題,WEI[24]提出了加強(qiáng)振動(dòng)平板剛度、減輕振動(dòng)平板質(zhì)量的方法,并通過(guò)不同剛度的平板振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性。黃志強(qiáng)等[37-39]研究了KZ-28可控震源振動(dòng)平板性能,利用LS-DYNA軟件發(fā)現(xiàn)振動(dòng)平板在動(dòng)載荷作用下存在彎曲變形和局部脫耦現(xiàn)象,而后通過(guò)分析振動(dòng)平板的多頻響應(yīng)情況,得到了振動(dòng)平板加速度、形變和接觸力隨頻率增加而增大的變化規(guī)律,進(jìn)而總結(jié)出振動(dòng)平板的剛度不足是導(dǎo)致振動(dòng)平板在不同頻率下響應(yīng)存在差異的根本原因。為降低振動(dòng)平板的畸變影響,提高震源在高頻段的表現(xiàn),郝磊[40]提出對(duì)振動(dòng)平板中心的活塞桿底座結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),使振動(dòng)平板與地表接觸面受力更為均衡,有效降低了振動(dòng)平板的形變量。馬磊等[41]通過(guò)改變振動(dòng)平板結(jié)構(gòu)、增加支撐、優(yōu)化振動(dòng)平板本體型材截面積以及采用高剛度設(shè)計(jì)等方法,提高了振動(dòng)平板的性能。

2.1.3 液壓可控震源現(xiàn)狀

為提高可控震源的勘探效果和適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的能力,可控震源生產(chǎn)廠商不斷結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)對(duì)可控震源升級(jí)改造,使得震源頻帶寬度、峰值出力、畸變控制等指標(biāo)不斷改善,應(yīng)用范圍拓寬至油氣勘探、地殼和區(qū)域性地質(zhì)研究等領(lǐng)域。野外勘探深度的增加對(duì)震源峰值出力提出新的要求,大噸位、寬頻帶液壓可控震源已成為重要的發(fā)展方向。目前國(guó)外已研制最大出峰值出力為400kN的新一代可控震源。國(guó)內(nèi)雖然在最大峰值出力方面還未達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,但已采用新型振動(dòng)器結(jié)構(gòu)和液壓伺服系統(tǒng),成功研發(fā)了具有更高控制精度和更低激發(fā)頻率的可控震源[42]。受制于勘探區(qū)的復(fù)雜環(huán)境,輕便液壓震源同樣具有一定市場(chǎng)。以小型四驅(qū)液壓可控震源UNIVIB為例,其尺寸約為常規(guī)液壓震源尺寸的2/3,多應(yīng)用于道路狹窄區(qū)域。

2.2 電磁式可控震源

電磁驅(qū)動(dòng)式可控震源摒棄了液壓傳動(dòng)結(jié)構(gòu),利用交變電流通過(guò)感應(yīng)線圈在永磁場(chǎng)內(nèi)所受安培力驅(qū)動(dòng)高能激振器向地下輻射振動(dòng)信號(hào),具有輕便、高頻的特點(diǎn),在淺層高分辨率地震勘探領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯。針對(duì)電磁式可控震源的研究主要涉及到震源控制技術(shù)、畸變分析與抑制技術(shù)以及相控技術(shù)。

2.2.1 控制技術(shù)與畸變抑制

2.2.1.1 PID系統(tǒng)控制技術(shù)

PHVS-500是國(guó)內(nèi)首臺(tái)峰值出力為500N的電磁式可控震源,其系統(tǒng)原理框圖如圖7所示,震源系統(tǒng)內(nèi)部采用傳統(tǒng)比例-積分-微分(proportion integration differentiation,PID)控制技術(shù)[2],主控單元通過(guò)放置于激振器基校位置的加速度傳感器實(shí)時(shí)獲取震源振動(dòng)狀態(tài)信息,并計(jì)算比例、積分、微分動(dòng)態(tài)參數(shù),根據(jù)當(dāng)前值與歷史值估計(jì)下一時(shí)刻校正并調(diào)整信號(hào)發(fā)生器的輸出值,從而實(shí)現(xiàn)震源振動(dòng)相位的動(dòng)態(tài)校正。

圖7 PHVS-500震源系統(tǒng)原理框圖[2]

2.2.1.2 位置反饋控制技術(shù)

線性同步電機(jī) (linear syschronous motors,LSM)震源是一種較為新型的電磁式可控震源[43-44]。NOORLANDT等[44]設(shè)計(jì)的LSM震源,內(nèi)部有3組線圈,通過(guò)控制3組線圈流入電流的幅值和恒定相位差,進(jìn)而控制震源激發(fā)地面輸出力,LSM震源二維結(jié)構(gòu)示意如圖8所示。由于震源內(nèi)部使用空氣彈簧,系統(tǒng)共振頻率較低。為抑制共振影響,震源內(nèi)部采用前饋控制設(shè)計(jì),通過(guò)改變系統(tǒng)輸出力提前預(yù)測(cè)彈簧響應(yīng)?？諝鈴椈傻淖冃螌?dǎo)致精準(zhǔn)預(yù)測(cè)彈簧響應(yīng)非常困難。為改進(jìn)控制系統(tǒng),NOORLANDT等[45]設(shè)計(jì)了基于負(fù)反饋的位置控制器,通過(guò)實(shí)時(shí)控制震源驅(qū)動(dòng)力保證配重位移跟隨預(yù)設(shè)位置曲線變化,以降低彈簧共振對(duì)震源的干擾。該位置控制器可有效降低溫度對(duì)系統(tǒng)的影響,但震源基板與大地耦合的特性使震源地面輸出力中仍存在諧波。

圖8 LSM震源二維結(jié)構(gòu)示意[45]

2.2.1.3 畸變與抑制技術(shù)

電磁式可控震源作為非線性電動(dòng)裝置,其閉環(huán)控制系統(tǒng)只能在一定程度上抑制畸變,因此輸出振動(dòng)波形仍存在畸變。姚恩超[46]對(duì)電磁式可控震源系統(tǒng)的畸變進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)在開(kāi)環(huán)條件下振動(dòng)信號(hào)具有很強(qiáng)的二次和三次諧波,認(rèn)為震源基板與大地耦合條件較差使得低頻段諧波嚴(yán)重,而機(jī)械諧振等因素導(dǎo)致高頻段出現(xiàn)大量奇次諧波,在此基礎(chǔ)上,對(duì)震源控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),提出廣義預(yù)測(cè)控制方法,并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)。馬瑞琪[47]研究發(fā)現(xiàn)激振器驅(qū)動(dòng)電流與功率放大器電壓存在一定相位差,機(jī)械系統(tǒng)固有延時(shí)、平板與地面不良耦合等均會(huì)導(dǎo)致畸變,據(jù)此提出了鎖相控制與廣義預(yù)測(cè)相結(jié)合的系統(tǒng)控制方法。賈超[48]提出了電磁式可控震源掃描信號(hào)自適應(yīng)控制技術(shù):首先在基板與激振器頂端分別放置加速度傳感器,然后利用加速度反饋信號(hào),采用最小二乘算法完成震源系統(tǒng)辨識(shí)與建模,最后設(shè)計(jì)相應(yīng)的自適應(yīng)控制與輔助策略,有效降低了震源輸出波形畸變。

2.2.2 相控震源

相控震源設(shè)計(jì)思想源自于相控雷達(dá),采用陣列組合形式使激發(fā)地震波集中于某一方向,可有效解決大傾角勘探難題。陳鵬程[49]和姜弢[50]對(duì)相控震源進(jìn)行了深入研究,設(shè)計(jì)了如圖9所示的相控震源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。相控震源系統(tǒng)由主控站和一定數(shù)目的子站構(gòu)成:主控站通過(guò)RS485總線向子站發(fā)送掃描信號(hào)參數(shù)、時(shí)延等,子站按一定間距排列,依次延時(shí)啟動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)地震波束定向掃描。相較于單臺(tái)可控震源和組合震源,相控震源輸出力更大,能量利用率更高。

圖9 相控震源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[49]

2.2.3 電磁式可控震源現(xiàn)狀

日本某公司研制的電磁式可控震源在居民區(qū)、復(fù)墾區(qū)、淺層管線探測(cè)領(lǐng)域展開(kāi)了實(shí)際應(yīng)用[51]。美國(guó)某公司研制的EMvibe電磁式可控震源輸出力較小,多用于教學(xué)研究[52]。近年來(lái),電磁式可控震源呈現(xiàn)較快發(fā)展的趨勢(shì),德國(guó)某公司設(shè)計(jì)了ELVIS電磁力震源[53];NOORLANDT等[45]設(shè)計(jì)了滿驅(qū)頻率低至2Hz的LSM震源;BREWER等[54]設(shè)計(jì)了頻帶為20～800Hz、峰值出力為3900N的輕便電磁震源;DEAN等[55]利用市場(chǎng)出售的組件,設(shè)計(jì)了頻帶為15～180Hz,簡(jiǎn)單輕便的電磁力可控震源,有效降低了震源成本。上述震源均進(jìn)行了實(shí)際勘探試驗(yàn),但尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用,當(dāng)前只有極少數(shù)生產(chǎn)廠商推出了面向市場(chǎng)的電磁式可控震源[56]。國(guó)內(nèi)開(kāi)展電磁式可控震源研究起步較早,已形成不同峰值出力的系列化震源。

2.3 精密可控震源

與上述兩種可控震源激振器線性振動(dòng)不同,精密可控震源是一種連續(xù)旋轉(zhuǎn)型震源,利用偏心重物旋轉(zhuǎn)徑向力激發(fā)精密振動(dòng)信號(hào),波形重復(fù)性好,可用于地下介質(zhì)的長(zhǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)[7-8]。精密可控震源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為固定,目前針對(duì)精密可控震源的研究多集中于掃描信號(hào)設(shè)計(jì)與提取,關(guān)于畸變分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究較少。

2.3.1 系統(tǒng)控制技術(shù)

YAMAOKA等[57]根據(jù)GPS提供精準(zhǔn)授時(shí)并利用從監(jiān)視器獲取的震源振動(dòng)反饋信號(hào),設(shè)計(jì)了精密可控震源反饋調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。目前,精密可控震源系統(tǒng)的組成較為固定,其控制原理如圖10所示[58]。首先根據(jù)掃描信號(hào)參數(shù)信息,主控單元計(jì)算出理論質(zhì)心位置與伺服電機(jī)時(shí)間脈沖序列,并由時(shí)間脈沖序列驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)偏心質(zhì)量體轉(zhuǎn)動(dòng),再利用安裝在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸位置的編碼器實(shí)時(shí)反饋質(zhì)心實(shí)際位置,最后主控單元通過(guò)比較理論與實(shí)際質(zhì)心位置偏差調(diào)整時(shí)間脈沖序列,保證偏心質(zhì)量體的高精度運(yùn)行。

圖10 精密可控震源控制原理[58]

2.3.2 可控震源信號(hào)與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

信號(hào)掃描技術(shù)對(duì)可控震源勘探效果有著重要影響。精密可控震源的掃描信號(hào)類型主要包括單頻掃描、線性掃描和非線性掃描。為抑制短時(shí)突發(fā)噪聲干擾,崔仁勝等[59-60]提出了加權(quán)匹配濾波方法以及遵循能量均衡和信噪比均衡原則的離散點(diǎn)擬合掃描技術(shù),一定程度上提高了相關(guān)子波的分辨率。劉希康等[61]提出了應(yīng)用于精密可控震源信號(hào)檢測(cè)的Wigner-Hough變換方法并驗(yàn)證了該方法的有效性。張正帥[62]設(shè)計(jì)了一種時(shí)變窄帶濾波器,以獲取遠(yuǎn)端記錄信號(hào)及提高信號(hào)的信噪比。

目前針對(duì)精密可控震源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究較少。ISE等[63-64]對(duì)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊支撐軸承進(jìn)行了研究和改進(jìn),采用氣體軸承代替?zhèn)鹘y(tǒng)軸承,并證明改進(jìn)后的軸承可有效抑制偏心質(zhì)量體的軸向振動(dòng)。趙春蕾等[65]設(shè)計(jì)了組合輕便的高精度小型精密可控震源,并進(jìn)行了野外試驗(yàn)。張凱[66]對(duì)精密可控震源的勘探性能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,并根據(jù)動(dòng)力學(xué)理論將精密可控震源-大地耦合系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為質(zhì)量-彈簧-阻尼模型,對(duì)震源結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,改進(jìn)了精密可控震源結(jié)構(gòu)。精密可控震源在實(shí)際勘探中還存在波形畸變問(wèn)題,SAIGA等[67]研究發(fā)現(xiàn)精密可控震源對(duì)周圍的環(huán)境因素敏感,在特定頻帶內(nèi)變化尤為明顯,因此提出需要對(duì)敏感頻帶信號(hào)進(jìn)行特殊處理。YAMAOKA[57]研究發(fā)現(xiàn)震源與耦合地基接觸導(dǎo)致了震源激發(fā)信號(hào)的相位隨時(shí)間變化,因此提出利用震源下方表層振動(dòng)信號(hào)修正反演參數(shù)的方法。

2.3.3 精密可控震源現(xiàn)狀

與常規(guī)可控震源相比,精密可控震源激發(fā)頻率低、頻帶范圍窄,傳播距離可達(dá)百余公里。目前研發(fā)、生產(chǎn)精密可控震源并開(kāi)展野外試驗(yàn)的國(guó)家主要有俄羅斯、美國(guó)、日本和中國(guó)。俄羅斯精密可控震源具有大噸位、垂直輸出力、傳播距離遠(yuǎn)的特點(diǎn),在東西伯利亞等地區(qū)開(kāi)展了油氣監(jiān)測(cè)等試驗(yàn)[8]。美國(guó)研制的水平精密可控震源已開(kāi)展了建筑物內(nèi)部微小結(jié)構(gòu)探測(cè)的試驗(yàn),并建立了關(guān)鍵參數(shù)規(guī)范[68-69]。日本研制的ACROSS精密可控震源為單一偏心重物結(jié)構(gòu),其噸位和出力較小,相位精確度高,已應(yīng)用于淺層結(jié)構(gòu)檢測(cè)和油氣儲(chǔ)層檢測(cè)試驗(yàn)[70-71]。國(guó)內(nèi)精密可控震源目前已發(fā)展到第4代,可輸出400kN垂直線性力,并在綿竹、廬山等地開(kāi)展了試驗(yàn)研究[72-73]。目前已開(kāi)展的試驗(yàn)研究表明精密可控震源在建筑探傷、地層結(jié)構(gòu)成像、油氣監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用潛力。

2.4 可控震源對(duì)比

為滿足不同的勘探要求,目前主要發(fā)展了液壓式、電磁式、精密可控震源3種類型。3種可控震源在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制技術(shù)、畸變因素、工作參數(shù)等方面存在一定差異。

2.4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

液壓式可控震源以液壓油流的形式傳遞動(dòng)力,其電控系統(tǒng)是震源核心,一方面提供掃描信號(hào)、同步信號(hào)以及相關(guān)參考信號(hào),另一方面監(jiān)控震源振動(dòng)狀態(tài);電液伺服振動(dòng)器實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換,輸出垂直振動(dòng)信號(hào);液壓環(huán)路系統(tǒng)為振動(dòng)器等設(shè)備提供動(dòng)力。液壓式可控震源常采用車載形式以增強(qiáng)震源在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)能力。電磁式可控震源摒棄了液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu),以電磁力驅(qū)動(dòng)高能激振器向地下輻射連續(xù)振動(dòng)信號(hào),其震源系統(tǒng)包括主控系統(tǒng)和高能激振器,兩者相互獨(dú)立,通過(guò)專用線路連接。精密可控震源系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)組成,機(jī)械系統(tǒng)主要包括偏心質(zhì)量塊、精密伺服電機(jī)、激振箱體、電機(jī)支座和平板等部件;伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制與反饋信號(hào)的獲取;監(jiān)控系統(tǒng)用于校正震源運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。可以看出,液壓和精密可控震源系統(tǒng)較為復(fù)雜與龐大,電磁式可控震源峰值出力較小,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。

2.4.2 控制技術(shù)

液壓式可控震源通過(guò)多種傳感器獲取振動(dòng)器狀態(tài)信息,并在系統(tǒng)內(nèi)部集成了數(shù)字震源模型與最優(yōu)控制算法,技術(shù)最為成熟。電磁式可控震源利用位置信息或激振器加速度信息監(jiān)測(cè)振動(dòng)位移或穩(wěn)定的輸出力,其傳感器類型較為單一,控制效果有限。精密可控震源利用電機(jī)編碼器反饋信息,實(shí)時(shí)校正電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),這種控制方式已成熟應(yīng)用于各類電機(jī),故可驅(qū)動(dòng)精密可控震源輸出高精度振動(dòng)信號(hào)。

2.4.3 畸變影響因素

液壓式可控震源畸變影響因素主要包括二個(gè)方面,一是主伺服閥死區(qū)以及流量-壓力的非線性;二是振動(dòng)平板的非理想剛度。電磁式可控震源峰值出力較小,振動(dòng)平板對(duì)畸變的影響更容易被抑制,而其內(nèi)部功放系統(tǒng)的波形失真、電信號(hào)轉(zhuǎn)換為力信號(hào)導(dǎo)致的機(jī)械延時(shí)與非線性位移等均會(huì)引起畸變。針對(duì)精密可控震源畸變的研究較少,其畸變影響因素還有待分析,其中電機(jī)性能在一定程度上決定著振動(dòng)信號(hào)的畸變水平。3種震源的畸變影響因素既有差異,也有相似之處。除震源自身因素外,震源工作參數(shù)、大地耦合的非線性等因素也對(duì)波形質(zhì)量存在一定程度的影響。

2.4.4 工作參數(shù)

液壓式、電磁式、精密可控震源的主要技術(shù)指標(biāo)存在明顯差異,如表1所示。液壓式可控震源峰值出力較大,但工作頻帶較窄,極限低頻與精密可控震源相當(dāng)。電磁式可控震源頻帶較寬,具有高分辨率的特性,但其峰值出力較小,適用于淺層勘探。精密可控震源頻帶最窄,峰值出力與液壓式可控震源相當(dāng)。3種可控震源均可實(shí)現(xiàn)線性、非線性掃描的工作方式,但精密可控震源無(wú)偽隨機(jī)掃描的工作方式。

表1 3種可控震源的主要技術(shù)指標(biāo)

3 可控震源與勘探

3.1 陸地勘探

3.1.1 低頻勘探

豐富的低頻信息對(duì)速度建模與全波場(chǎng)反演具有重要意義,相較于高頻信息,其在油氣藏勘探與深層目標(biāo)成像等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。天然地震通常會(huì)產(chǎn)生低頻信號(hào),可以通過(guò)鋪設(shè)低頻檢波器采集低頻振動(dòng)數(shù)據(jù),但這種被動(dòng)的接收方式需要的研究周期長(zhǎng),并且效果有限,因此研究人員期望利用主動(dòng)源激發(fā)低頻信號(hào)。實(shí)踐證明可控震源是低頻信號(hào)激發(fā)最為合適的主動(dòng)源[74]。目前,低頻勘探激發(fā)頻率已低至1.5Hz,常規(guī)可控震源難以滿足頻率要求。理想條件下可控震源的峰值出力為:

F=4π2MXf2

(6)

式中:F為峰值出力;M為重錘質(zhì)量;X為重錘最大單邊行程;f為振動(dòng)頻率。理論上低頻震源的峰值出力受M和X影響,因此可以通過(guò)增大重錘質(zhì)量或重錘最大單邊行程提高F。在重錘質(zhì)量不變的前提下,增加重錘最大單邊行程意味著增加液壓油流與功率。由于液壓系統(tǒng)非理想系統(tǒng),故實(shí)際情況更為復(fù)雜,液壓流量與峰值出力關(guān)系為:

(7)

(8)

式中:F1為可控震源地面輸出力;β為液壓油彈性模量;V0為活塞腔單邊液壓油初始體積;SP為活塞桿面積;QL為主伺服閥輸出的載荷流量;K為孔板流量系數(shù);XV為主伺服閥位移;PS為伺服閥總成的供給壓力;F1/SP為載荷壓力。震源系統(tǒng)內(nèi)的非線性導(dǎo)致了低頻段信號(hào)畸變,降低了基頻能量。此外,低頻信號(hào)與高頻信號(hào)之間的機(jī)械矛盾以及低頻振動(dòng)所引發(fā)的機(jī)械噪聲嚴(yán)重限制了常規(guī)可控震源在低頻勘探中的應(yīng)用[75]。事實(shí)上,低頻可控震源并非常規(guī)可控震源的升級(jí)與改造,二者在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、激發(fā)參數(shù)、采集方法以及數(shù)據(jù)處理方法等方面均存在差異[76]。

為滿足低頻勘探的要求,研究人員設(shè)計(jì)了基于最大位移的掃描信號(hào)以增強(qiáng)低頻段信號(hào)能量[77]。魏周宏等[35-36]分析了主伺服閥流量-壓力的非線性和振動(dòng)平板耦合機(jī)理,從低頻諧波抑制算法與增強(qiáng)振動(dòng)平板剛度兩方面,提高了可控震源低頻段基頻出力。上述改進(jìn)方法,只改善了常規(guī)可控震源在低頻段的峰值出力,并未從根本上降低震源極限低頻。馬紅偉等[78]改進(jìn)了震源的液壓和重錘系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高了振動(dòng)平板剛度,使AHV-Ⅳ364震源的極限低頻被拓展到3Hz以下。我國(guó)研制了全球首臺(tái)可工業(yè)化應(yīng)用的高精度低頻可控震源,極限低頻為1.5Hz,其創(chuàng)新之處包括:①創(chuàng)新振動(dòng)平板結(jié)構(gòu),使震源實(shí)際模型更契合Sallas理論模型;②為液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)了長(zhǎng)行程活塞結(jié)構(gòu),將液壓合流控制技術(shù)與擾動(dòng)抑制技術(shù)相結(jié)合,使得振動(dòng)器可以進(jìn)行高精度穩(wěn)定線性掃頻[42]。陶知非[79]研究了低頻可控震源的激發(fā)能量,發(fā)現(xiàn)單臺(tái)震源所激發(fā)的能量可以滿足當(dāng)前油氣勘探的要求,低頻地震技術(shù)推廣主要受限于人們的傳統(tǒng)認(rèn)知。目前,可控震源已應(yīng)用于凍土區(qū)二維勘探、地球深部探測(cè)、油氣勘探等領(lǐng)域[80-81]。

3.1.2 不同介質(zhì)下的震源激發(fā)參數(shù)

通常需要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)合理設(shè)定不同介質(zhì)下的震源激發(fā)參數(shù),不存在適用于不同介質(zhì)的固定激發(fā)參數(shù)。換言之,相同介質(zhì)下的不同參數(shù)激發(fā)、不同介質(zhì)下的相同參數(shù)激發(fā)對(duì)地震勘探效果的影響也不盡相同。可控震源激發(fā)參數(shù)較多,部分參數(shù)在不同介質(zhì)下對(duì)勘探效果的影響有限。目前研究人員更關(guān)注于以下激發(fā)參數(shù):震源臺(tái)數(shù)、振動(dòng)次數(shù)和掃描信號(hào)。

在部分勘探環(huán)境下,單震源激發(fā)導(dǎo)致的峰值出力不足可以通過(guò)多震源組合方式彌補(bǔ)。多震源組合可以應(yīng)用于埋藏較深的礦產(chǎn)勘探或地下介質(zhì)的定向勘探。通過(guò)多次疊加振動(dòng)數(shù)據(jù),可以有效降低隨機(jī)干擾,提高地震剖面的信噪比。但實(shí)際作業(yè)時(shí),受組合震源的臺(tái)數(shù)限制,振動(dòng)次數(shù)的增加可能導(dǎo)致采集信號(hào)主頻降低,進(jìn)而降低勘探分辨率[82]。掃描信號(hào)的參數(shù)復(fù)雜,涉及到信號(hào)類型、起止頻率、頻帶寬度、掃描時(shí)間、驅(qū)動(dòng)幅值、幅度錐化等要素[83]。掃描信號(hào)類型包括線性、非線性、偽隨機(jī)等,選擇掃描信號(hào)類型時(shí),需要更多地考慮施工環(huán)境的敏感性與濾波特性。起始低頻需要考慮震源的低頻性能、檢波器低頻特性以及環(huán)境中的低頻干擾等因素。終止高頻受震源自身機(jī)械、液壓、大地自身的低通濾波器特性以及檢波器采樣頻率等因素限制。頻帶寬度的確定要考慮倍頻程、目標(biāo)層分辨率要求和震源工作頻帶等因素。頻率掃描時(shí)間影響相關(guān)子波分辨率,時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致激發(fā)能量有限,分辨率低;時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則影響勘探效率,且造成采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)多次反射干擾。驅(qū)動(dòng)幅值關(guān)系到震源下傳能量,幅值過(guò)大易損壞震源部件,降低震源工作年限,并且導(dǎo)致激發(fā)信號(hào)失真。

薛海飛等[84]在礫石發(fā)育的九里山地區(qū),李蘇光等[85]在碳酸鹽巖地區(qū),張玉軍等[86]在平山湖礦區(qū),吳曲波等[87]在砂巖型鈾礦區(qū),孫海川[88]在戈壁平原復(fù)雜地質(zhì)條件下,均對(duì)可控震源的激發(fā)參數(shù)進(jìn)行了定量分析。孫躍龍[89]研究了震源激發(fā)參數(shù)對(duì)諧振的影響,發(fā)現(xiàn)合適的激發(fā)參數(shù)可以減小諧振。劉小鋒等[90]提出根據(jù)工區(qū)地表?xiàng)l件確定合適的可控震源驅(qū)動(dòng)幅度,以及根據(jù)諧波畸變情況調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)幅值。上述研究表明,可控震源參數(shù)很大程度上影響了勘探效果,應(yīng)根據(jù)工區(qū)地表?xiàng)l件與工程經(jīng)驗(yàn)合理設(shè)定震源激發(fā)參數(shù)。

3.1.3 城市勘探

雖然彈性波勘探在城市環(huán)境中存在振動(dòng)干擾、測(cè)線受環(huán)境限制以及檢波器與城市地面耦合等問(wèn)題,但彈性波下傳能量強(qiáng),能達(dá)到較深的勘探深度,故在城市勘探中具有一定優(yōu)勢(shì)[91]。與沖擊型震源相比,可控震源的激發(fā)波形可控,并且可以利用相關(guān)來(lái)壓制噪聲,因此在城市勘探中優(yōu)勢(shì)明顯。王中圣[92]研究發(fā)現(xiàn),可控震源在城市工程物探中抗噪性佳,適用性強(qiáng);聶明濤[93]利用小型液壓震源UNIVIB在復(fù)雜城區(qū)進(jìn)行勘探,彌補(bǔ)了利用大噸位液壓震源進(jìn)行城區(qū)勘探的不足;丁美青等[94]在城市淺層地質(zhì)調(diào)查中利用縱橫波兩用震源車進(jìn)行了橫波勘探;馬董偉[95]利用3噸縱橫波兩用可控震源在X市進(jìn)行了城市活斷裂探測(cè)。與上述小型液壓可控震源不同的是,電磁式可控震源多應(yīng)用于城市淺層高分辨率勘探。日本某公司研制的電磁式可控震源樣機(jī)可有效探測(cè)城市淺層管線[6,51]。孫明等[96]將PHVS-1000可控震源成功應(yīng)用于鞍山市隧道工程地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目。當(dāng)前,適用于城市勘探環(huán)境的可控震源還在不斷發(fā)展。借鑒海上拖纜系統(tǒng),將可控震源與采集系統(tǒng)結(jié)合可組成快速、高效的陸地拖纜系統(tǒng),該系統(tǒng)具有良好的發(fā)展前景[97]。

3.2 海洋勘探

在海洋勘探中,占據(jù)著主導(dǎo)地位的氣槍震源常常以氣槍陣列的形式激發(fā)信號(hào)。氣槍激發(fā)的能量并非全部向下傳播,有大量能量以近似水平角度向外輻射較遠(yuǎn)的距離,對(duì)海洋生物產(chǎn)生負(fù)面影響。海洋可控震源的研制初衷是為了替代氣槍震源,降低震源對(duì)海洋環(huán)境的影響。海洋可控震源勘探的優(yōu)勢(shì)還包括①震源激發(fā)的波形可控;②勘探效率高;③與氣槍震源陣列通過(guò)總延時(shí)修正相位不同,海洋可控震源相控陣延時(shí)時(shí)間可精確控制,故可實(shí)現(xiàn)定向探測(cè);④得益于海水良好的耦合性,海洋可控震源激發(fā)信號(hào)畸變較小。

海洋可控震源的研制起步較早,近年來(lái)又重新引起關(guān)注。海洋可控震源與陸地可控震源在結(jié)構(gòu)、載具等方面差異顯著。國(guó)外研制了由兩個(gè)激振器組成、分段掃描工作的海洋電磁式可控震源,并進(jìn)行了海上勘探試驗(yàn),以驗(yàn)證可控震源在海洋勘探領(lǐng)域的可行性[98]。孫鋒等[99-100]對(duì)海洋電磁式可控震源控制系統(tǒng)、震源-海水耦合模型以及掃描信號(hào)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)了3個(gè)PHVS-500震源組合振動(dòng)形式,并在實(shí)驗(yàn)室及野外環(huán)境進(jìn)行了驗(yàn)證。2013年,多家海外石油公司共同發(fā)起了海洋可控震源聯(lián)合工業(yè)項(xiàng)目[101]。LAWS等[102]研發(fā)了一種海洋可控震源樣機(jī),該樣機(jī)外形似鼓,采用電液驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),并配備散熱器,其控制系統(tǒng)采用基于加速度傳感器的閉環(huán)反饋。因海洋可控震源存在機(jī)械摩擦、反作用力等非線性效應(yīng),故難以實(shí)現(xiàn)震源的精確控制。因建造高效率、線性動(dòng)力學(xué)的海洋振動(dòng)器存在困難,故TENGHAMN[103]提出了一種基于振動(dòng)器位置控制的時(shí)間域迭代學(xué)習(xí)控制算法,但該算法存在模型階數(shù)較高、參數(shù)復(fù)雜的不足;SOERNMO等[104]提出頻率域迭代學(xué)習(xí)控制算法,可以有效抑制諧波,實(shí)現(xiàn)參考信號(hào)的準(zhǔn)確跟蹤。

DUNCAN等[105]模擬淺層大陸架海域、深海等典型場(chǎng)景,對(duì)海洋可控震源陣列和氣槍陣列分別建模,比較兩者在采集端的聲級(jí),結(jié)果表明相較于傳統(tǒng)氣槍,海洋可控震源可以提供一種對(duì)環(huán)境影響較小的海洋地震聲源。PRAMIK[106]認(rèn)為海洋電磁式可控震源在操作性、信號(hào)處理等方面比氣槍震源更具優(yōu)勢(shì)。海洋可控震源通常在水下工作,這樣有利于減少聲波的傳輸損失,但也面臨如何確定震源精確位置的問(wèn)題。超短基線(ultra short baseline,USBL)水聲定位系統(tǒng)是目前水下定位方法中常用的聲學(xué)定位系統(tǒng)之一,當(dāng)震源位置較遠(yuǎn)時(shí),因受收發(fā)信機(jī)陣列尺寸限制,容易降低位置測(cè)量精度,同時(shí)增加勘探成本和故障風(fēng)險(xiǎn)。KUSANO等[107]提出了一種利用地震資料通過(guò)雙曲Radon變換構(gòu)造最優(yōu)化問(wèn)題估計(jì)海洋可控震源位置的方法。數(shù)值模擬結(jié)果表明,對(duì)于含有加性高斯噪聲的地震資料,該方法可實(shí)現(xiàn)震源位置的有效求解。實(shí)際地震資料中往往含有非加性高斯噪聲,因此該方法的實(shí)用性還有待驗(yàn)證。LONG等[108]認(rèn)為海洋電磁式可控震源還面臨著機(jī)械耐久性不足、低頻輸出受限、空氣彈簧效應(yīng)影響等問(wèn)題,海洋勘探的廣闊前景將驅(qū)動(dòng)海洋可控震源不斷發(fā)展與完善。

4 總結(jié)與展望

可控震源作為激發(fā)波形可控的主動(dòng)源,在地震勘探領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同,可控震源主要包括3種類型:液壓式、電磁式和精密可控震源。液壓式可控震源技術(shù)水平較成熟,機(jī)理研究較深入,是目前發(fā)展最為成熟的可控震源。電磁式和精密可控震源研究起步較晚,多處于探索階段,還難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。事實(shí)上,3種可控震源輸出振動(dòng)波形時(shí)均存在畸變現(xiàn)象,這主要受震源結(jié)構(gòu)的非線性以及震源與大地耦合的非線性影響。對(duì)于液壓震源,其結(jié)構(gòu)非線性包括主伺服閥非線性、振動(dòng)平板的低剛度等因素,可以通過(guò)提高振動(dòng)平板剛度以及諧波抑制算法等手段加以改善。而電磁式和精密可控震源結(jié)構(gòu)的非線性還有待進(jìn)一步研究。在可控震源勘探過(guò)程中,激發(fā)參數(shù)在一定程度上影響勘探效果,需結(jié)合實(shí)際環(huán)境與工程經(jīng)驗(yàn)合理設(shè)定參數(shù),目前并無(wú)適用所有地質(zhì)條件的固定參數(shù)組合。近年來(lái),陸地低頻勘探的興起帶動(dòng)了低頻可控震源的發(fā)展。理論上,可控震源低頻出力受重錘質(zhì)量與單邊行程限制,但實(shí)際情況更為復(fù)雜。此外,城市勘探與海洋勘探也對(duì)可控震源提出新的要求。

隨著可控震源向?qū)掝l帶拓展,應(yīng)用場(chǎng)景從野外向城市、從陸地向海洋發(fā)展,現(xiàn)有技術(shù)難以滿足要求,需在以下5個(gè)方面進(jìn)行深入研究。

1) 在重錘質(zhì)量不變的情況下,震源低頻峰值出力主要受重錘單邊行程影響。目前業(yè)界低頻可控震源的極限低頻已低至1.5Hz,并向1.0Hz推進(jìn)。在保持震源輸出力不變的情況下,理論上低頻1.0Hz的重錘單邊行程要遠(yuǎn)大于1.5Hz時(shí)的重錘單邊行程。未來(lái)研究的重點(diǎn)應(yīng)是進(jìn)一步創(chuàng)新震源結(jié)構(gòu)和控制算法,降低極限低頻,同時(shí)兼顧震源高頻性能,實(shí)現(xiàn)寬頻帶可控震源激發(fā)。

2) 城市復(fù)雜環(huán)境對(duì)可控震源勘探提出新的要求,因此未來(lái)需要發(fā)展小型化的用于城市勘探的可控震源。由于城市勘探目的層多為淺層,激發(fā)能量小于常規(guī)震源的激發(fā)能量,因此在滿足城市勘探出力要求的前提下,可以從機(jī)械、液壓結(jié)構(gòu)著手適當(dāng)降低震源出力,研制小型化液壓可控震源。此外,還可以利用電磁式可控震源輕便、高頻的勘探特點(diǎn),通過(guò)增大單臺(tái)震源峰值出力或以震源組合形式實(shí)現(xiàn)城市淺層高分辨率勘探。城市可控震源勘探不僅需要改進(jìn)震源自身,還需要深入研究城市環(huán)境噪聲壓制與數(shù)據(jù)資料的處理方法。如何提高可控震源城市勘探的快速性與靈活性也是目前研究的難點(diǎn)之一。借鑒海洋拖纜系統(tǒng),發(fā)展城市拖纜勘探系統(tǒng)是解決上述問(wèn)題的重要方案,城市拖纜系統(tǒng)通過(guò)車載震源與拖纜采集系統(tǒng)懸掛方式,可以滿足快速勘探要求。該方案目前仍處于探索階段,還需解決拖纜結(jié)構(gòu)、檢波器耦合等一系列問(wèn)題,但毫無(wú)疑問(wèn),拖纜系統(tǒng)是未來(lái)城市勘探的重要形式之一。

3) 與氣槍、電火花等海洋震源相比,可控震源優(yōu)勢(shì)明顯。目前海洋可控震源發(fā)展尚不成熟。若期望復(fù)制可控震源在陸地勘探領(lǐng)域的成功應(yīng)用,需要解決海洋可控震源非線性、低頻激發(fā)、震源組合與相位延時(shí)等一系列問(wèn)題,進(jìn)而建立包括震源系統(tǒng)、拖曳系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理的完整海洋勘探體系。

4) 可控震源自動(dòng)化勘探將成為未來(lái)重要的研究方向之一,可控震源自動(dòng)化主要體現(xiàn)在勘探過(guò)程中盡量減少人工干預(yù),如震源車自動(dòng)駕駛、多震源自主協(xié)作、激發(fā)參數(shù)的自動(dòng)選取等。目前已有關(guān)于震源車自動(dòng)駕駛試驗(yàn)的公開(kāi)文獻(xiàn),但可控震源的自動(dòng)化水平還有待全面提升。隨著可控震源自動(dòng)化水平的不斷提高以及高效采集技術(shù)的進(jìn)步,可控震源勘探效率必將得到進(jìn)一步提升。

5) 在陸地勘探領(lǐng)域,液壓式可控震源取得了相當(dāng)成功的應(yīng)用,電磁式和精密可控震源尚未具備大規(guī)模應(yīng)用條件,仍處于探索與樣機(jī)試驗(yàn)階段。究其原因,一方面電磁式和精密可控震源起步較晚,缺乏技術(shù)積累,系統(tǒng)控制和機(jī)理還有待深入研究;另一方面電磁式和精密可控震源在油氣勘探等傳統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用較少,電磁式可控震源通常面向淺層高分辨率勘探,精密可控震源在地球深部探測(cè)領(lǐng)域頗具潛力。這在一定程度上造成了電磁式和精密可控震源在陸地勘探領(lǐng)域關(guān)注度不足,電磁式和精密可控震源在完善自身結(jié)構(gòu)同時(shí),未來(lái)應(yīng)聚焦于應(yīng)用場(chǎng)景的研究。