馬寧,左衛(wèi)華,張晨林

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院,河北涿州 072750)

0 引言

地震勘探在煤田勘探和煤礦采區(qū)精細(xì)補(bǔ)充勘探中發(fā)揮了巨大作用。選擇合適的檢波器是地震勘探獲得可靠基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵,但檢波器種類眾多,必須清楚了解各種檢波器的特點(diǎn),選擇適用于煤田勘探的檢波器,以達(dá)到煤礦精細(xì)勘探的目的。

地震檢波器是把機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的機(jī)電轉(zhuǎn)換設(shè)備,地震勘探野外采集施工常用到的檢波器分為動(dòng)圈式模擬檢波器和數(shù)字檢波器兩種。

動(dòng)圈式模擬檢波器輸出的信號(hào)為模擬信號(hào),主要由線圈、永久磁鐵、彈簧片組成。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,當(dāng)?shù)卣鸩▊鞯降孛娈a(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)時(shí),線圈與永久磁鐵產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并切割磁力線,從而生成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。模擬檢波器的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、使用壽命長(zhǎng)、輸出穩(wěn)定可靠。

數(shù)字檢波器將地震波轉(zhuǎn)換成高精度的數(shù)字信號(hào),對(duì)重力的變化產(chǎn)生響應(yīng),是一種加速度型檢波器。數(shù)字檢波器與模擬檢波器相比動(dòng)態(tài)范圍更大、失真度較小、頻率范圍更寬、靈敏度更高,適合在高精度三維地震勘探中使用。

在以往常規(guī)煤田三維地震勘探中,通常使用的是20～60 Hz模擬檢波器,而高精度三維地震勘探中通常使用數(shù)字檢波器。近年來,隨著煤炭開采深度的不斷增加,對(duì)深部灰?guī)r等低頻信息越來越重視,5～10 Hz范圍低頻模擬檢波器的應(yīng)用越來越多。盡管理論上數(shù)字檢波器性能指標(biāo)更加優(yōu)越,但在實(shí)際地震采集資料中數(shù)字檢波器和模擬檢波器的應(yīng)用差別,還需要通過實(shí)際試驗(yàn)資料進(jìn)一步探討。為了對(duì)比YF-SOLO-5Hz模擬檢波器與數(shù)字檢波器采集資料效果的差別,我們選擇在淮南煤田某地震勘探區(qū)進(jìn)行針對(duì)性的野外試驗(yàn)。根據(jù)單一變量原則,采用相同觀測(cè)系統(tǒng)同一炮點(diǎn)同時(shí)接收,對(duì)單只模擬檢波器YF-SOLO-5Hz和數(shù)字檢波器DSU1的地震采集單炮記錄和疊加剖面進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)條件及試驗(yàn)參數(shù)

1.1 試驗(yàn)區(qū)地震地質(zhì)條件

本地區(qū)屬于淮河沖積平原,地形比較平坦,一般標(biāo)高+24～+26 m左右。區(qū)內(nèi)潛水面深度5～7 m,淺層以黏土、砂質(zhì)黏土為主,這些表、淺層條件非常有利于地震波的激發(fā)。該范圍內(nèi)新生界松散層厚542.2～600.3 m,平均577.2 m,松散層位于本次勘探主要目的層上方,對(duì)地震波的高頻部分產(chǎn)生一定的吸收作用。本區(qū)煤層頂板和底板大部分為砂巖和泥巖。據(jù)以往地震資料揭示,煤層和頂?shù)装瀹a(chǎn)生明顯的波阻抗差異,是很好的反射界面,能形成良好的反射波組。

1.2 試驗(yàn)布置及設(shè)備參數(shù)

本次野外試驗(yàn)采用單線240 道接收,道距10 m,中間激發(fā)觀測(cè)系統(tǒng),試驗(yàn)檢波線長(zhǎng)度4410 m,共442個(gè)檢波器,炮線長(zhǎng)度2900 m,炮點(diǎn)距20 m,共146炮,滿覆蓋次數(shù)為60次,滿覆蓋剖面長(zhǎng)度1700 m,試驗(yàn)線位置如圖1所示。根據(jù)單一變量原則,采用相同觀測(cè)系統(tǒng)同一炮點(diǎn)同時(shí)接收,為減小試驗(yàn)誤差,兩種檢波器均為單只接收,接收點(diǎn)距離小于20 cm,兩條測(cè)線相鄰平行布置。儀器選用428XL,采樣間隔1 ms,記錄長(zhǎng)度2 s,前放增益12 dB,記錄格式SEG-D,激發(fā)井深12 m,激發(fā)藥量2 kg。圖2為2種檢波器的幅頻特性和相頻特性對(duì)比曲線。

圖1 試驗(yàn)線位置示意圖Fig.1 Test line location

圖2 YF-SOLO-5Hz和DSU1檢波器幅頻和相頻特性對(duì)比Fig.2 Comparison of amplitude frequency and phase frequency characteristics of YF-SOLO-5Hz and DSU1 geophone

圖2(a)幅頻特性可以看出,頻率響應(yīng)上DSU1數(shù)字檢波器是線性的,從低頻到高頻都有很好的響應(yīng);YF-SOLO-5Hz模擬檢波器在頻率高于5Hz才有較好的響應(yīng),小于5Hz響應(yīng)較差。從圖2(b)相頻特性可以看出,DSU1數(shù)字檢波器為一直線,表現(xiàn)為零相位;YF-SOLO-5Hz模擬檢波器為一近“S”形曲線,具有明顯的相位延遲,而且隨著頻率的增加而增加,不利于高頻信息的接收。這表明DSU1數(shù)字檢波器與YF-SOLO-5Hz模擬檢波器相比,動(dòng)態(tài)范圍較廣、靈敏度較高,并且在保真度和分辨率等方面也具有一定優(yōu)勢(shì)。

2 試驗(yàn)資料分析

2.1 試驗(yàn)單炮資料對(duì)比

圖3為本次野外試驗(yàn)采集的原始單炮記錄,通過對(duì)比發(fā)現(xiàn):①?gòu)恼w背景上看,YF-SOLO-5Hz單炮記錄接收到的背景噪聲相對(duì)要少,而DSU1單炮記錄的背景更“暗”,背景噪聲相對(duì)更強(qiáng),從信噪比來說YF-SOLO-5Hz要優(yōu)于DSU1,如圖3時(shí)窗1所示;②兩張單炮記錄中的面波能量都很強(qiáng),但YFSOLO-5Hz單炮記錄中的面波相對(duì)更發(fā)育,DSU1單炮記錄中面波能量隨著炮檢距的增大明顯減小,衰減相對(duì)較快,而YF-SOLO-5Hz單炮記錄中的面波衰減不明顯,如圖3時(shí)窗3所示;③兩張單炮記錄中的目的層反射波連續(xù)性都很好,但YF-SOLO-5Hz單炮記錄中的目的層反射波頻率相對(duì)較低,DSU1單炮記錄中的目的層反射波頻率相對(duì)較高,如圖3時(shí)窗2所示。

從圖3可定性了解2種檢波器的區(qū)別,為了更準(zhǔn)確地研究2種檢波器的不同,還要進(jìn)一步分析。

圖3 野外試驗(yàn)原始單炮記錄Fig.3 Primary single shot record sets of field test

圖4所示為YF-SOLO-5Hz和DSU1單炮記錄,分別以整炮和整個(gè)目的層為時(shí)窗進(jìn)行對(duì)比分析。從屬性分析結(jié)果來看,YF-SOLO-5Hz單炮記錄的振幅較大,能量相對(duì)較高,能量主要分布在10～30 Hz的頻率范圍內(nèi),50 Hz以上的頻率成分比例很少;DSU1的單炮記錄的振幅相對(duì)較小、能量相對(duì)較低,但高、低頻成分比較均衡。從頻譜分析上看,DSU1單炮記錄的主頻更高,頻帶更寬,更利于高頻信息的接收;YF-SOLO-5Hz單炮記錄低頻信號(hào)的能量較強(qiáng),更利于低頻信息的接收。從針對(duì)目的層的信噪比分析來看,由于DSU1單炮記錄高頻和低頻成分比較均衡,YF-SOLO-5Hz單炮記錄的信噪比要稍好于DSU1單炮記錄。

圖4 單炮記錄屬性分析Fig.4 Attribute analysis of single shot record

本區(qū)的面波主頻在10～40 Hz范圍,面波頻譜分析見圖5(a),分析時(shí)窗為時(shí)窗3。從面波頻譜曲線看,YF-SOLO-5Hz單炮記錄的面波振幅相對(duì)DSU1大,且衰減較慢,這表明YF-SOLO-5Hz接收到的面波干擾相比DSU1要嚴(yán)重。

圖5(b)是兩張單炮記錄的背景噪聲頻譜分析,YF-SOLO-5Hz的背景噪音主要集中在10～55Hz范圍內(nèi),高頻成分相對(duì)較少;DSU1的背景噪聲高頻和低頻信息分布相對(duì)比較均勻,在10～80 Hz內(nèi)振幅變化比較小。分析認(rèn)為,YF-SOLO-5Hz的自然頻率較低,具有突出低頻信號(hào)的特點(diǎn);而DSU1頻率范圍相對(duì)較寬,高低頻信息分布均勻。

圖5 單炮記錄面波和背景噪聲頻譜分析Fig.5 Frequency spectrum analysis on the surface wave in ingle shot record and background noise

綜上所述,2種檢波器的單炮記錄能量均較強(qiáng),信噪比均較高,目的層反射波的連續(xù)性均較好。但是2 種檢波器接收信號(hào)也有明顯的差別,YFSOLO-5Hz為速度型檢波器,自然頻率較低,具有突出低頻信號(hào)的特點(diǎn),受到的面波干擾也較強(qiáng);DSU1為加速度型檢波器,頻率范圍相對(duì)較寬,高低頻信息分布均勻,接收的環(huán)境噪聲干擾明顯較強(qiáng)。

2.2 剖面對(duì)比分析

本次線試驗(yàn)共146炮,滿覆蓋次數(shù)60次,滿覆蓋剖面長(zhǎng)度1700 m,圖6為試驗(yàn)線兩種檢波器的全頻疊加剖面。從疊加剖面上看,淺層DSU1剖面信噪比要好于YF-SOLO-5Hz,如圖6窗口1所示;目的層位于500～800 ms左右,YF-SOLO-5Hz目的層反射波的連續(xù)性和信噪比相對(duì)DSU1要好,如圖6窗口2所示;深度大于800 ms部分,YF-SOLO-5Hz反射波的連續(xù)性和信噪比也要好于DSU1,如圖6窗口3所示。

圖6 試驗(yàn)線全頻疊加剖面Fig.6 Full frequency stack profile of the test line

圖7、圖8分別為試驗(yàn)線2種檢波器的分頻顯示剖面,可以更直觀地說明2種檢波器在不同頻率區(qū)間的特點(diǎn),分別為L(zhǎng)P(8～16 Hz)、BP(20～40 Hz)和BP(60～120 Hz)。從LP(8～16 Hz)剖面看,在600～700 ms兩張剖面都能看到連續(xù)的反射信號(hào),但是YF-SOLO-5Hz模擬檢波器的信噪比明顯好于DSU1;從BP(20～40 Hz)剖面看,YF-SOLO-5Hz模擬檢波器和DSU1數(shù)字檢波器剖面差異不大;從BP(60～120 Hz)剖面看,DSU1數(shù)字檢波器反射信號(hào)連續(xù)性好,但剖面信噪比低。

圖7 模擬檢波器試驗(yàn)線分頻顯示剖面Fig.7 Frequency decomposition sections of test line by analog geophone

圖8 數(shù)字檢波器試驗(yàn)線分頻顯示剖面Fig.8 Frequency decomposition sections of test line by digital geophone

為了更準(zhǔn)確地研究2種檢波器的不同,針對(duì)目的層進(jìn)行了頻率和信噪比對(duì)比分析。如圖9所示,目的層頻率主要集中在30～50 Hz范圍內(nèi),兩條曲線形狀相近,DSU1數(shù)字檢波器的振幅稍好于YFSOLO-5Hz模擬檢波器。圖10為不同頻帶范圍剖面信噪比分析,頻率5～15 Hz范圍內(nèi),YF-SOLO-5Hz模擬檢波器明顯較好;頻率20～40 Hz范圍內(nèi),2種檢波器信噪比相當(dāng);頻率40～60 Hz、80～160 Hz范圍內(nèi)DSU1數(shù)字檢波器信噪比明顯較好;全頻范圍兩種檢波器信噪比相當(dāng),YF-SOLO-5Hz模擬檢波器稍好。

圖9 剖面頻率分析Fig.9 Frequency analysis of the seismic section

圖10 剖面信噪比分析Fig.10 S/N analysis of the profile

總體上看,DSU1數(shù)字檢波器靈敏度高,全頻段接收噪聲能力也強(qiáng),YF-SOLO-5Hz信噪比要稍好于DSU1。YF-SOLO-5Hz模擬檢波器在低頻段信息的信噪比稍好于DSU1數(shù)字檢波器,具有與突出低頻信號(hào)的特點(diǎn),適合在目的層較深或者注重灰?guī)r等低頻信號(hào)的三維地震勘探中應(yīng)用;DSU1數(shù)字檢波器在高低頻段信息的信噪比稍好,高頻信號(hào)相對(duì)YFSOLO-5Hz模擬檢波器保留較好,高頻和低頻成分相對(duì)均勻,適合在高分辨率三維地震勘探中應(yīng)用。

3 結(jié)論

通過在淮南煤田某地震勘探區(qū)進(jìn)行針對(duì)性的野外試驗(yàn),根據(jù)單一變量原則,采用相同觀測(cè)系統(tǒng)同一炮點(diǎn)同時(shí)接收,對(duì)單只模擬檢波器YF-SOLO-5Hz和數(shù)字檢波器DSU1的地震采集單炮記錄及疊加剖面進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)論如下:

(1)DSU1數(shù)字檢波器靈敏度高,全頻段接收噪聲能力也強(qiáng),YF-SOLO-5Hz模擬檢波器受到的面波干擾相對(duì)較強(qiáng),整體上YF-SOLO-5Hz信噪比要稍好于DSU1。

(2)DSU1數(shù)字檢波器高低頻信號(hào)相對(duì)均勻,接收高頻信號(hào)能力強(qiáng)于YF-SOLO-5Hz,適合在高分辨率三維地震勘探中應(yīng)用。

(3)YF-SOLO-5Hz模擬檢波器低頻信息比DSU1數(shù)字檢波器好,有突出低頻信號(hào)的特點(diǎn),適合在目的層較深或者注重灰?guī)r等低頻信號(hào)的三維地震勘探中應(yīng)用。