謝興隆，馬雪梅，龍慧，李秋辰，郭淑君，程正璞

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

0 引言

震源作為地震勘探中的重要組成部分，在很大程度上影響著勘探質(zhì)量。目前常用震源分為炸藥震源和非炸藥震源兩大類(lèi)[1]，炸藥震源存在著安全系數(shù)低、破壞性強(qiáng)、有效利用率低等問(wèn)題，再加之嚴(yán)格的管控政策，因此非炸藥震源逐漸代替了炸藥震源，尤其是精密主動(dòng)可控震源近些年得到了較大發(fā)展，已成為國(guó)際上地震勘探的重要激發(fā)源之一[2-3]。可控震源通過(guò)掃描信號(hào)的精確設(shè)定可以控制發(fā)出信號(hào)的頻率、相位等參數(shù)[4]，同時(shí)還具有施工成本低、安全環(huán)保、組織靈活等優(yōu)點(diǎn)，在高原凍土、戈壁等眾多復(fù)雜地區(qū)也取得了較好勘探效果[5-7]。自20世紀(jì)90年代一直持續(xù)到現(xiàn)在，可控震源進(jìn)入到高效采集階段，先后出現(xiàn)了交替掃描、滑動(dòng)掃描、獨(dú)立同步掃描、多點(diǎn)同步掃描等高效采集方法[8-10],從技術(shù)趨勢(shì)來(lái)看，“高效+高保真”是可控震源采集的發(fā)展趨勢(shì)[11-12]。

可控震源無(wú)論是采集階段還是處理階段的技術(shù)都較為成熟，因主要目的是為石油地質(zhì)服務(wù)，勘探深度較大，其參數(shù)選擇也主要圍繞著深部目的層進(jìn)行研究[5,7,12]。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，可控震源在中淺部勘查也取得了一些成效，許多文章對(duì)可控震源激發(fā)參數(shù)的選擇進(jìn)行了論述，取得了一些非常有意義的認(rèn)識(shí)[13-15]。但在使用可控震源進(jìn)行參數(shù)選擇研究時(shí)，涉及的參數(shù)還不夠全面，往往忽略了檢波器自然頻率這一重要參數(shù)，大部分文章中所采用的檢波器自然頻率為10 Hz，涉及高頻檢波器采集的較少。近年來(lái)，筆者依托中國(guó)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，在雄安地區(qū)使用可控震源開(kāi)展了大量中淺部地震勘查工作，為了探索如何獲取高品質(zhì)地震數(shù)據(jù)，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)選用自然頻率為40、100 Hz兩種型號(hào)的高頻檢波器進(jìn)行接收。本文在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)論述了可控震源疊加次數(shù)、掃描長(zhǎng)度、初始頻率、終止頻率、驅(qū)動(dòng)幅度、斜坡長(zhǎng)度與檢波器型號(hào)等參數(shù)的選擇對(duì)采集數(shù)據(jù)的影響，發(fā)現(xiàn)了可控震源激發(fā)、高頻檢波器接收的規(guī)律特點(diǎn)。本文的研究成果有效指導(dǎo)了本區(qū)中淺部高精度地震勘探工作，也為其他地區(qū)可控源地震勘探的參數(shù)選擇提供重要參考依據(jù)。

1 涉及參數(shù)及相關(guān)概念

1.1 可控震源激發(fā)參數(shù)

可控震源的工作原理是在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)向地下激發(fā)頻率不斷變化的掃描信號(hào)，掃描信號(hào)的振幅、頻率和時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)則是根據(jù)勘探需求設(shè)計(jì)，然后利用相關(guān)技術(shù)將原始記錄變換為類(lèi)炸藥的常規(guī)地震記錄。常規(guī)線性掃描信號(hào)是可控震源地震采集常用的掃描方式，它一般是關(guān)于時(shí)間的正弦函數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下[16]：

(1)

式中：t為時(shí)間，A為信號(hào)幅度，f0為起始掃描頻率，f1為終止掃描頻率，T為掃描長(zhǎng)度。

為了抑制吉布斯效應(yīng)，通常在掃描信號(hào)的兩端加上鑲邊信號(hào)，即斜坡函數(shù)，以往主要采用余弦函數(shù)，現(xiàn)在主要采用對(duì)初始激發(fā)能量影響更小的Blackman窗函數(shù)[17]，數(shù)學(xué)表達(dá)如下：

0≤t≤T-1 。

(2)

式中:T-1即為斜坡長(zhǎng)度。

可控震源的驅(qū)動(dòng)幅度直接影響震動(dòng)能量的大小，通俗來(lái)講，驅(qū)動(dòng)幅度可解釋為震源出力。總之，可控震源激發(fā)參數(shù)主要包括疊加次數(shù)、掃描長(zhǎng)度、初始頻率、終止頻率、驅(qū)動(dòng)幅度、斜坡長(zhǎng)度等參數(shù)。

1.2 檢波器參數(shù)

檢波器特性包含動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性，這些特性決定了檢波器的品質(zhì)。衡量檢波器性能指標(biāo)的參數(shù)較多，主要包含自然頻率、靈敏度、阻尼系數(shù)、諧波失真、典型假頻、直流電阻等參數(shù)[18]。決定響應(yīng)特性的主要參數(shù)是檢波器的自然頻率和阻尼比，因此在實(shí)際采集中通常需要說(shuō)明所使用檢波器的自然頻率。檢波器自然頻率是檢波器自身振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率[19]，數(shù)學(xué)表達(dá)如下：

(3)

(4)

式中：w0為無(wú)阻尼時(shí)的固有頻率，m為系統(tǒng)質(zhì)量，k為剛度系數(shù)，ε為檢波器阻尼系數(shù)，wd為有阻尼時(shí)的固有頻率。

通常在地震勘探中使用的速度檢波器在自然頻率附近才能線性檢測(cè)速度，遠(yuǎn)離自然頻率感應(yīng)的振幅比會(huì)隨著頻率比降低，自然頻率為10 Hz檢波器是地震勘探中最為常用的型號(hào)。為了提高高頻放大系數(shù)，即為了獲取更高頻率的地震信號(hào)，人們又制造了自然頻率為40、60、100 Hz的高頻檢波器。

2 試驗(yàn)場(chǎng)地及布置

我們?cè)谛郯捕鄠€(gè)場(chǎng)地進(jìn)行了參數(shù)選擇試驗(yàn)，本文以容城南劇村南部試驗(yàn)場(chǎng)地為例進(jìn)行說(shuō)明。試驗(yàn)場(chǎng)地布置如圖1所示，試驗(yàn)排列沿田間土路布置，排列共120道，道間距5 m，可控震源位于1道激發(fā)。整體上，試驗(yàn)場(chǎng)地地表較為平坦，背景噪聲較小，72道上有高壓輸電線經(jīng)過(guò)，對(duì)附近檢波器形成了固定的50 Hz工業(yè)電干擾。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地布置Fig.1 The layout of the test field

試驗(yàn)場(chǎng)地被第四系覆蓋，厚度在200 m以上，巖性由黏土、砂土與細(xì)砂、粉細(xì)砂、粉砂等組成，不等厚互層，結(jié)構(gòu)松散，對(duì)地震波吸收衰減嚴(yán)重，不利于激發(fā)寬頻帶、強(qiáng)能量的地震波。第四系下伏新近系明化鎮(zhèn)組，整個(gè)新近系深度在900 m左右，主要為砂泥巖，內(nèi)部存在明顯波阻抗差異。由于場(chǎng)地位于容城凸起的東緣，基巖埋深較淺，與新近系呈不整合接觸關(guān)系，兩者之間波阻抗差異較大，反射層能量強(qiáng)?；鶐r為薊縣系霧迷山組巖層，其巖性主要為灰白色、紫紅色白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，內(nèi)部波阻抗差異小，反射特征不明顯。整體上，試驗(yàn)場(chǎng)地的地震地質(zhì)條件良好，有利于中淺層地震工作的開(kāi)展。

在本次參數(shù)試驗(yàn)中，選用美國(guó)Geometrics公司的StrataVisorNzxp24型地震儀及其擴(kuò)展模塊Geode進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，選用自然頻率為40、100 Hz的高精度速度檢波器進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，選擇美國(guó)18 t的M18-612型可控震源進(jìn)行激發(fā)。

3 可控震源激發(fā)參數(shù)分析

本次試驗(yàn)嚴(yán)格按照單一因素變化的原則，對(duì)可控震源的震動(dòng)次數(shù)、掃描長(zhǎng)度、初始頻率、終止頻率、驅(qū)動(dòng)幅度、斜坡長(zhǎng)度共6個(gè)激發(fā)參數(shù)進(jìn)行了分析。在分析中，除了對(duì)原始單炮記錄進(jìn)行定性分析，還采用反射波頻譜進(jìn)行了定量分析。為了突出研究效果，頻譜分析時(shí)選用的單炮記錄均切除了面波、直達(dá)波，只保留反射波區(qū)域，窗口選擇如圖2所示。

圖2 頻譜分析窗口選擇示意Fig.2 The diagram of window selection for spectrum analysis

在參數(shù)對(duì)比中，規(guī)律相似的參數(shù)均以40 Hz檢波器進(jìn)行說(shuō)明，部分參數(shù)對(duì)比為了增強(qiáng)說(shuō)明效果會(huì)適當(dāng)補(bǔ)充其他對(duì)比圖例。在頻譜分析中，40 Hz檢波器接收的單炮記錄選擇了1 200 ms以內(nèi)的反射波記錄，如圖2a所示；100 Hz檢波器接收的單炮記錄由于深部信噪比極差，為了明確對(duì)比效果，只選擇了500 ms以內(nèi)的反射波記錄，如圖2b所示。

增加可控震源的臺(tái)數(shù)是加強(qiáng)向地下發(fā)射信號(hào)能量的常用手段，雖然增加震源臺(tái)數(shù)可以有效提高資料信噪比，但同時(shí)也使得反射波主頻向低頻方向移動(dòng)，降低分辨率[13]。由于一臺(tái)震源已經(jīng)可以滿足本次中淺部地震試驗(yàn)信噪比的要求，因此沒(méi)有再進(jìn)行震動(dòng)臺(tái)數(shù)試驗(yàn)。

3.1 震動(dòng)次數(shù)

震動(dòng)次數(shù)就是指可控源的垂直疊加次數(shù)，通過(guò)將同一位置激發(fā)多次的記錄疊加在一起形成單張地震記錄，主要是為了提高信噪比，壓制隨機(jī)干擾，從而提高目的層的反射能量。

固定掃描長(zhǎng)度8 s，驅(qū)動(dòng)幅度70%，斜坡長(zhǎng)度 0.5 s，掃描頻率20～160 Hz，震動(dòng)次數(shù)分別選用1、2、4、6次進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果的頻譜對(duì)比如圖3所示，由于試驗(yàn)時(shí)隨機(jī)噪聲較小，震源出力較大，1次震動(dòng)的單炮記錄信噪比就較高，隨著震動(dòng)次數(shù)的增加，高頻段的隨機(jī)噪聲受到壓制，但整體改善不大。整體來(lái)說(shuō)，本次試驗(yàn)中1次震動(dòng)即可滿足勘探需要，而在實(shí)際施工中，每一炮都需要綜合考慮隨機(jī)噪聲水平、偏移距大小、固定干擾等因素，適當(dāng)選擇震動(dòng)次數(shù)一般在1～3次。

圖3 不同震動(dòng)次數(shù)頻譜對(duì)比(40 Hz檢波器)Fig.3 Spectrum comparison of different vibration times

增加震動(dòng)次數(shù)在壓制時(shí)變?cè)肼晻r(shí)效果較好，主要指的是隨機(jī)噪聲；對(duì)于時(shí)不變?cè)肼晧褐菩Ч^差或沒(méi)有任何壓制效果。從壓制噪聲的角度考慮，增加震動(dòng)次數(shù)遠(yuǎn)沒(méi)有增加覆蓋次數(shù)效果好[20]，再考慮到疊加次數(shù)過(guò)多可能會(huì)改變地震記錄相位及降低主頻，因此，震動(dòng)次數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇，但不宜過(guò)高。

3.2 掃描長(zhǎng)度

簡(jiǎn)單地說(shuō)，可控震源在向下傳播掃描信號(hào)時(shí)的時(shí)間即為掃描長(zhǎng)度，掃描長(zhǎng)度越長(zhǎng)，累計(jì)的能量也越強(qiáng)，相應(yīng)的信噪比也會(huì)提升。在實(shí)際工作中，需要綜合考慮目標(biāo)層的能量需求及施工效率，合理選擇掃描長(zhǎng)度，另外，還需要避免相關(guān)虛像(二次諧波虛像、“多初至”虛像)對(duì)單炮記錄的影響。

固定震動(dòng)次數(shù)2次，驅(qū)動(dòng)幅度70%，斜坡長(zhǎng)度0.5 s，掃描頻率20～160 Hz，掃描分別選用4、8、12、16 s進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果的頻譜對(duì)比如圖4所示，當(dāng)掃描長(zhǎng)度在8 s以上時(shí)，反射波的分辨率沒(méi)有明顯變化，信噪比提升不明顯，綜合考慮掃描長(zhǎng)度選擇 8 s。

圖4 不同掃描長(zhǎng)度頻譜對(duì)比(40 Hz檢波器)Fig.4 Spectrum comparison of different sweep lengths

3.3 驅(qū)動(dòng)幅度

驅(qū)動(dòng)幅度是可控震源一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，俗稱(chēng)出力。驅(qū)動(dòng)幅度越大，震源給出的掃描信號(hào)也越強(qiáng)，但并不是越大越好，過(guò)大的驅(qū)動(dòng)幅度容易引起掃描信號(hào)的強(qiáng)烈畸變。在實(shí)際工作中，還需要考慮到震源底板與地表的耦合情況，尤其是在凹凸不平基巖出露等耦合較差地區(qū)，大的驅(qū)動(dòng)幅度容易產(chǎn)生相關(guān)假象。因此，在保證地震記錄不失真、底板與地面耦合性較好的情況下，可以適當(dāng)加大震源驅(qū)動(dòng)幅度。

固定震動(dòng)次數(shù)2次，掃描長(zhǎng)度8 s，斜坡長(zhǎng)度0.5 s，掃描頻率20～160 Hz，驅(qū)動(dòng)幅度分別選用30%、50%、70%進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果的頻譜對(duì)比如圖5所示， 驅(qū)動(dòng)幅度在50%以上時(shí)，記錄信噪比隨著驅(qū)動(dòng)幅度的增大略微改善，尤其是淺部信息改善效果有限，驅(qū)動(dòng)幅度在30%時(shí)，整體信噪比出現(xiàn)了明顯下降。由于試驗(yàn)路段為農(nóng)田土路，底板與地面耦合性較好，記錄無(wú)失真現(xiàn)象，故震源驅(qū)動(dòng)幅度選擇70%。

圖5 不同驅(qū)動(dòng)幅度頻譜對(duì)比(40 Hz檢波器)Fig.5 Spectrum comparison of different drive levels

3.4 斜坡掃描長(zhǎng)度

斜坡掃描長(zhǎng)度分為起始掃描斜坡長(zhǎng)度與終止掃描斜坡長(zhǎng)度，兩者的值可以單獨(dú)設(shè)定，一般情況下兩者取相同。掃描信號(hào)加了斜坡之后有效抑制了吉布斯效應(yīng)，但同時(shí)也約束了掃描信號(hào)的邊緣頻率。掃描斜坡的選擇一般需要考慮起止頻率、低頻干擾范圍與能量，加大斜坡長(zhǎng)度可以抑制低頻干擾。

固定震動(dòng)次數(shù)2次，驅(qū)動(dòng)幅度70%，掃描長(zhǎng)度 8 s，掃描頻率20～160 Hz，斜坡長(zhǎng)度分別選擇0.3、0.5、0.8 s進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果的頻譜對(duì)比如圖6所示，斜坡長(zhǎng)度0.5 s時(shí)高頻隨機(jī)干擾明顯低于其他兩個(gè)參數(shù)，主要原因?yàn)樾逼麻L(zhǎng)度0.3、0.8 s采集記錄時(shí)間晚于斜坡長(zhǎng)度0.5 s一個(gè)小時(shí)，后期風(fēng)速變大導(dǎo)致背景隨機(jī)噪聲增強(qiáng)，與斜坡長(zhǎng)度的選擇無(wú)關(guān)。整體來(lái)看，斜坡長(zhǎng)度在0.3～0.8 s之間對(duì)地震記錄信噪比與分辨率影響都不大，最后選用中間值0.5 s。

圖6 不同斜坡長(zhǎng)度頻譜對(duì)比(40 Hz檢波器)Fig.6 Spectrum comparison of different slope lengths

3.5 掃描頻率

掃描頻率的設(shè)計(jì)需要綜合考慮工區(qū)地層的頻率響應(yīng)、干擾波發(fā)育情況、檢波器性質(zhì)與采集參數(shù)等因素，設(shè)計(jì)中主要是對(duì)掃描最低頻率與掃描最高頻率這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行選擇。由于目前可控震源絕大多數(shù)采用升頻掃描進(jìn)行激發(fā)信號(hào)，因此所討論的起始頻率指的是掃描最低頻率，在本文中起始頻率、終止頻率分別與掃描最低頻率、掃描最高頻率一一對(duì)應(yīng)。

3.5.1 起始頻率

地震低頻信號(hào)在識(shí)別隱伏目標(biāo)體、地震反演與成像的精度中有重要作用，因此進(jìn)行低頻地震數(shù)據(jù)采集勢(shì)在必行[21-22]。在油氣勘探中常使用低頻可控震源作為“兩寬一高”的激發(fā)方式，有些在采集時(shí)掃描最低頻率可達(dá)1.5 Hz[23-24]?？傊谏畈康卣鹂碧街邢Ｍ杉瘮?shù)據(jù)的低頻頻率越低越好。

固定震動(dòng)次數(shù)2次，驅(qū)動(dòng)幅度70%，斜坡長(zhǎng)度0.5 s，掃描長(zhǎng)度8 s，終止頻率160 Hz，起始頻率分別選擇10、15、20、25、30、35 Hz進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果的單炮記錄與頻譜對(duì)比分別如圖7、圖8所示，當(dāng)起始頻率超過(guò)20 Hz時(shí)，有效頻帶寬度隨著起始頻率的升高而明顯減小，分辨率下降，由于缺少低頻信息，信噪比也隨之降低。起始頻率在15～20 Hz之間頻譜曲線產(chǎn)生了突變，突變主要原因如圖7中的單炮記錄所示，當(dāng)起始頻率為10、15 Hz時(shí)，單炮記錄在40～70道出現(xiàn)了明顯的低頻干擾，而震源的面波干擾在20 Hz以下也較為發(fā)育。在雄安地區(qū)進(jìn)行中淺部勘探時(shí)，經(jīng)常發(fā)生各類(lèi)線桿因與震源共振而產(chǎn)生干擾面波的現(xiàn)象，起始頻率過(guò)低不利于低頻干擾波的壓制。與石油深部勘探目的不同，起始頻率20 Hz已經(jīng)可以滿足中淺部勘探需求，因此通過(guò)綜合考慮，本區(qū)可控震源的起始頻率設(shè)置為20 Hz。

圖7 不同起始頻率單炮對(duì)比(40 Hz檢波器)Fig.7 Single shot record comparison of different starting frequencies

圖8 不同起始頻率頻譜對(duì)比(40 Hz檢波器)Fig.8 Spectrum comparison of different starting frequencies

100 Hz檢波器接收有關(guān)起始頻率的頻譜對(duì)比如圖9所示，其試驗(yàn)參數(shù)與40 Hz檢波器一致。起始頻率在20 Hz以下也出現(xiàn)了低頻干擾，但干擾幅度較小。因此從提高中淺部地震勘探信噪比的角度出發(fā)，起始頻率的選擇還需考慮低頻噪聲的壓制效果。

圖9 不同起始頻率頻譜對(duì)比(100 Hz檢波器)Fig.9 Spectrum comparison of different starting frequencies

3.5.2 終止頻率

固定震動(dòng)次數(shù)2次，驅(qū)動(dòng)幅度70%，斜坡長(zhǎng)度0.5 s，掃描長(zhǎng)度8 s，起始頻率20 Hz，終止頻率分別選擇80、90、100、110、140、160、180 Hz進(jìn)行對(duì)比。在單炮對(duì)比記錄(圖10)的基礎(chǔ)上，結(jié)合頻譜對(duì)比圖(圖11)可以發(fā)現(xiàn)：終止頻率小于100 Hz時(shí)，有效頻帶寬度隨著終止頻率的升高而升高，分辨率也隨之升高；終止頻率超過(guò)100 Hz后有效頻帶寬度基本無(wú)增加，分辨率變化不大，高頻隨機(jī)干擾開(kāi)始出現(xiàn)。較高的終止頻率會(huì)降低資料的信噪比，如圖10所示，終止頻率180 Hz時(shí)高頻干擾較為嚴(yán)重，尤其800～1 000 ms內(nèi)的反射波信噪比下降明顯。

圖10 不同終止頻率單炮對(duì)比(40 Hz檢波器)Fig.10 Single shot record comparison of different ending frequencies

圖11 不同終止頻率頻譜對(duì)比(40 Hz檢波器)Fig.11 Spectrum comparison of different ending frequencies

有效頻帶的高頻截止頻率隨著終止頻率的升高會(huì)逐漸固定在一個(gè)值附近，為了表述方便，把該值稱(chēng)為高截止頻率，如圖10所示，本次試驗(yàn)中40 Hz檢波器的高截止頻率為95 Hz。為了使得有效頻率寬度達(dá)到最大，根據(jù)試驗(yàn)規(guī)律，建議終止頻率應(yīng)至少大于高截止頻率10%。

100 Hz檢波器接收有關(guān)終止頻率的頻譜對(duì)比如圖12所示，其試驗(yàn)參數(shù)與40 Hz檢波器一致。同40 Hz檢波器規(guī)律類(lèi)似，本次100 Hz檢波器的高截止頻率為120 Hz。終止頻率小于130 Hz時(shí)，有效頻帶寬度、分辨率隨著終止頻率的升高而升高；終止頻率超過(guò)130 Hz后有效頻帶寬度基本無(wú)變化。

圖12 不同終止頻率頻譜對(duì)比(100 Hz檢波器)Fig.12 Spectrum comparison of different ending frequencies

本文所提出的高截止頻率主要受檢波器的自然頻率影響，自然頻率越大，高截止頻率也越高，當(dāng)?shù)刭|(zhì)背景、目的層信息不同時(shí)，相同檢波器的高截止頻率也會(huì)發(fā)生變化。高截止頻率在以往參數(shù)選擇中很少涉及，在深部地震勘探中，終止頻率一般選擇100 Hz左右，可以較好地保證10 Hz檢波器接收信息的有效頻帶寬度，因此很少出現(xiàn)高截止頻率的討論。而中淺部地震勘探所使用的檢波器自然頻率較高，因此明確高截止頻率對(duì)于高品質(zhì)數(shù)據(jù)的采集有重要指導(dǎo)作用。

由于大地濾波作用的存在，信號(hào)的高頻部分對(duì)資料信噪比的貢獻(xiàn)很小，而同等級(jí)的震源能量如果被高頻段分掉過(guò)多，勢(shì)必會(huì)造成低頻段激發(fā)能量的減少，從而造成單炮記錄信噪比的下降，因此，終止頻率不能選擇過(guò)高。綜合各類(lèi)分析來(lái)看，40 Hz檢波器終止頻率選擇最好大于120 Hz而不超過(guò)160 Hz；100 Hz檢波器終止頻率選擇最好大于140 Hz而不超過(guò)180 Hz。本文為了對(duì)比研究方便，最終選擇160 Hz作為終止頻率，掃描頻率選擇20～160 Hz，在保證信噪比的情況下，兩種檢波器均可充分發(fā)揮自身頻帶優(yōu)勢(shì)。

4 檢波器對(duì)比

固定震動(dòng)次數(shù)2次，驅(qū)動(dòng)幅度70%，斜坡長(zhǎng)度0.5 s，掃描長(zhǎng)度8 s，掃描頻率20～160 Hz不變，分別使用40、100 Hz及3個(gè)/串40 Hz檢波器進(jìn)行同線同點(diǎn)對(duì)比觀測(cè)。3個(gè)/串40 Hz檢波器采用間距0.3 m，方向與測(cè)線一致的線性組合方式進(jìn)行接收。單炮記錄對(duì)比如圖13所示，頻譜對(duì)比如圖14所示，由于100 Hz檢波器深部信噪比較差且受工業(yè)電干擾嚴(yán)重，為了突出頻譜對(duì)比效果，頻譜分析窗口的選擇如圖2b所示，并對(duì)所選區(qū)域50 Hz工業(yè)電干擾進(jìn)行了壓制。

圖13 不同檢波器單炮對(duì)比Fig.13 Single shot record comparison of different geophone

圖14 不同檢波器頻譜對(duì)比Fig.14 Spectrum comparison of different geophone

在單炮記錄中，40 Hz組合檢波器與40 Hz單只檢波器的信噪比和分辨率均無(wú)明顯差別，僅在72道附近組合檢波器表現(xiàn)出略好的壓制工業(yè)電干擾的能力，兩者的頻譜曲線也較為接近，仔細(xì)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，單只檢波器的有效頻譜寬度略高一點(diǎn)且高頻干擾略大一些。在頻譜圖中，40 Hz檢波器的優(yōu)勢(shì)頻率為45 Hz，有效頻帶寬度22～95 Hz；100 Hz檢波器的優(yōu)勢(shì)頻率為85 Hz，有效頻帶寬度28～130 Hz。100 Hz檢波器的優(yōu)勢(shì)頻率、有效頻帶寬度均較大幅度高出40 Hz檢波器，從單炮記錄中也可看出100 Hz檢波器淺部分辨率非常高，但同時(shí)100 Hz檢波器抗干擾能力較差，尤其是在72道附近的工業(yè)電干擾，正常信號(hào)被嚴(yán)重干擾，500 ms以下難以看到有效反射波。當(dāng)震源出力降至30%時(shí)，如圖15所示，40 Hz組合檢波器表現(xiàn)出了較高的信噪比，即使是最簡(jiǎn)單的組合方式，其抗干擾能力也遠(yuǎn)勝過(guò)單檢波器。

圖15 出力30%時(shí)單只與組合檢波器單炮對(duì)比Fig.15 Single shot record comparison of different geophone at vibrator output of 30%

保持檢波器對(duì)比試驗(yàn)中的激發(fā)參數(shù)不變，在同一位置采用相同的地震采集方式，分別使用40、100 Hz及3個(gè)/串40 Hz檢波器進(jìn)行疊加剖面對(duì)比。地震采集方式如下：偏移距100 m，炮間距20 m，道間距5 m，72道滾動(dòng)接收，共13炮。

疊加剖面如圖16所示，900 ms附近綠色層位為新近系底界面，下伏薊縣系霧迷山組巖層。霧迷山組及其下部巖層地震反射規(guī)律性差，本次主要針對(duì)霧迷山組以上部分的信噪比和分辨率進(jìn)行討論。

圖16 不同檢波器疊加剖面對(duì)比Fig.16 Seismic stack profile comparison of different geophone

與單炮記錄對(duì)比結(jié)果類(lèi)似，40 Hz組合檢波器與單只檢波器在疊加剖面上的信噪比和分辨率無(wú)明顯差異，均可滿足本區(qū)勘查需求。100 Hz檢波器在分辨率上明顯高于其他兩者，但500 ms以下信噪比明顯變差。多次覆蓋減少了隨機(jī)干擾，使得500 ms以下開(kāi)始出現(xiàn)反射軸，但難以滿足實(shí)際需求。由于大地濾波作用，深部高頻信號(hào)返回較少，高頻檢波器對(duì)深部低頻信號(hào)感應(yīng)振幅較小，即使再增加震源出力，對(duì)于提高高頻檢波器的勘探深度也收效甚微。

綜合本次對(duì)比結(jié)果并結(jié)合施工效率，本區(qū)中淺部地震勘探選擇40 Hz單檢波器較為適宜，如若進(jìn)行500 m以淺的高精度勘查，則可以使用100 Hz檢波器。

5 結(jié)論

可控震源激發(fā)參數(shù)與檢波器自然頻率的選擇直接影響了中淺部地震勘探的分辨率與信噪比，綜合可控震源激發(fā)參數(shù)和檢波器自然頻率的研究結(jié)果，本文的主要認(rèn)識(shí)如下：

1)中淺部地震勘探參數(shù)的選擇不應(yīng)盲目借鑒石油物探選擇依據(jù)，需根據(jù)勘探目標(biāo)并結(jié)合施工背景條件進(jìn)行靈活選擇?？傮w上，震動(dòng)次數(shù)、掃描長(zhǎng)度、驅(qū)動(dòng)幅度主要影響地震數(shù)據(jù)的信噪比，掃描頻率、檢波器自然頻率主要影響地震數(shù)據(jù)的分辨率，斜坡長(zhǎng)度對(duì)信噪比與分辨率影響較小。

2)中淺部地震勘探對(duì)于起始頻率的選擇應(yīng)兼顧低頻噪聲的壓制與勘探目標(biāo)的要求，不應(yīng)按照深部地震勘探的習(xí)慣直接選擇較低頻率。終止頻率的選擇需要充分考慮檢波器自然頻率的特點(diǎn)，適當(dāng)?shù)慕K止頻率可以讓檢波器發(fā)揮最大效果，過(guò)高的終止頻率非但對(duì)分辨率的提升無(wú)任何意義，反而會(huì)降低數(shù)據(jù)的信噪比。

3)檢波器自然頻率越高，淺部分辨率越高，但抗干擾能力下降，勘探深度變小。即便是最簡(jiǎn)單的檢波器組合方式對(duì)噪聲的壓制也遠(yuǎn)勝于單檢波器，但在保證信噪比的情況下，中淺部地震勘探仍可使用單檢波器達(dá)到較好效果。

4)中淺部地震勘探應(yīng)結(jié)合勘探目標(biāo)，首先保證地震資料的信噪比。在提高信噪比方面，應(yīng)該首先考慮提高震源的出力及增加覆蓋次數(shù)，其次增加掃描長(zhǎng)度，干擾特別大的地區(qū)可以考慮組合檢波器，疊加次數(shù)根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇。

5)本文提出了高截止頻率的概念，高截止頻率隨著檢波器的自然頻率增大而增大，還與地質(zhì)背景和目的層信息相關(guān)。對(duì)于不同的檢波器，本文建議終止頻率應(yīng)至少大于高截止頻率10%，在本文試驗(yàn)中，40 Hz檢波器的高截止頻率為95 Hz，100 Hz檢波器的高截止頻率為120 Hz。