浅谈数值模拟研究可控震源

　1. 前言
　　在地球物理勘探中，地震信号的震源（即激发源）分爆炸震源和非爆炸震源两种。爆炸震源自20年代起一直沿用至今，而非爆炸震源从最初的落重式震源发展至今天的可控震源，已成为较完善的机电一体化设备。
　　震源是地震勘查技术的重要组成部分，是产生地震信号的源头。震源所产生信号的质量直接影响地震勘查的效果。激发源所产生的子波应满足以下条件：（1）较宽的频带宽度，即地震波应包含足够多的高频和低频成份；（2）较高的主频，能够满足地震勘探分辨率的需要；（3）足够强的地震波能量，特别是深层反射能被仪器接收；（4）较高的信噪比，特别是改善高频成分的信噪比。为了达到或尽量接近上述要求，需要选择合理的激发源、激发方式、激发强度等，以使地震波场清晰，干扰波能量小，信噪比尽可能高。现已有多种震源用于地震勘探，如炸药震源、气动震源、重锤震源和可控震源等。
　　
　　2. 可控震源的优点
　　炸药震源是地震勘查中的一种常用震源，其用量少，成本低，产生的脉冲尖锐。但运用时需要打井且存在很大的危险因素，对地下管线、地下建筑和道路等会造成损害，尤其在城市和居民居住的村落难以使用。与炸药震源相比，气动震源不用钻孔，不用炸药，既可以方便的移动，又可以方便的组合成震源阵列，但气动震源提供的尖锐脉冲大部分在疏松的地表传输时就被吸收了，因此它是以牺牲尖锐脉冲为代价的。重锤震源是一种非炸药震源，它采用较小的冲击通过多次垂直叠加来获取所需的总能量。但这种叠加会对地表产生破坏，而且难以控制叠加信号的相位，得不到与炸药震源相同的效果。可控震源是至今研制最成功的一种非破坏性震源，这种震源不同于炸药、落锤等冲击震源，其激发波形可由人控制，是将一已知的时间函数关系式激发波形用较长的时间送入地下，即用可控的小能量、长时间激发波来实现冲击震源瞬时产生的能量。与其它震源相比，可控震源系统复杂，但它不用钻井，不用炸药，没有危险和破坏性，可以沿路工作，而且可以克服地表风化层吸收造成的某些损失。它利用相关技术压制随机干扰，可以产生一个与炸药震源相当或更尖锐的尖脉冲，还可利用可控的激发波形来提高分辨率。它克服了爆炸震源的诸多缺点，尤其是可以在人口和建筑物稠密等不允许使用炸药震源的地区使用，极大地拓展了地震勘查的应用领域。可控震源已发展成为一项成熟的地震勘探技术，成为地震勘查中代替炸药震源的一种重要震源，既可以适应野外复杂地表、温度和环境的要求，又可以解决不同地质构造对信号的要求。
　　采用可控震源激发的优势主要有以下几个方面：
　　（1）出力的方向性。与炸药震源不同，可控震源激发时能量不是向四周发散的，而是具有向下的方向性，减弱了其它方向的能量（主要为干扰方向的能量），相应地提高了信噪比。
　　（2） 振动的连续性。可控震源在激发时采用连续扫描信号，在几秒、十几秒或几十秒的时间内向地下振动，增强了波的穿透能力，提高了反射波的能量。
　　（3）相关和叠加的压噪功能。
　　（4）扫描信号的可调性。
　　
　　3. 震源的研究现状
　　可控震源的思想来源于脉冲压缩回声测距技术，是利用声纳脉冲压缩技术实现的一种地表震源。
　　1952年，美国石油公司工作的地球物理学家BillDoty和他的导师John Crawford提出了可控震源，经过8年的努力，解决了理论和实践上的很多问题，花费800多万美元研制了可控震源系统。
　　同年，磁带记录开始用于地震勘探，使能量较低的单脉冲非爆炸震源可以以叠加方式提高能量，从而出现了落重法重锤震源。它采用车装形式，重锤质量大于3000kg,用机械装置将其举至3m高后自由落下，产生一个脉冲，但其下落速度受到限制，影响能量。随后出现了高速撞击震源，其重锤质量为340kg，用弹簧加力，使其速度达到9m/s击置于地面的钢板。此外，还出现了一种以压缩空气推动活塞撞击钢板的震源。
　　1960年底，可控震源应用于石油地震勘探，并采用液压驱动方式，输出力增大。可以解决深部地质构造的勘探问题。但由于震源频率低，难以适应高分辨率地震勘探的要求。到20世纪70年代，可控震源已经达到与炸药震源相当的水平，系统也更加可靠。1989年荷兰的Utrecht州立大学研制出电磁驱动方式的便高频可控震源，其频率范围为50～1500Hz，最大输出力为500N，磁体重为65kg。弥补了可控震源频率低、笨重的不足之处，使可控震源系统得到了进一步的完善。20世纪90年代中期，日本的OYO 公司也推出了电磁驱动方式的轻便高频可控震源。
　　我国从 1978 年开始研制可控震源系统。 从20 世纪 80 年代起，在引进可控震源的基础上开始进行可控震源的国产化研制，经过仿制、改进及部分关键部件的引进等，研制并生产了液压驱动方式的大吨位可控震源，但系统的可靠性差。1995 年下半年，原地矿部八五末期重点资助的科技攻关项目“轻便浅层地震可控震源系统”正式立项，开展了轻便高频可控震源的研究；1997 年，研制了可用于野外实验的电磁驱动可控震源样机。2000 年，电磁驱动的可控震源激振器获国家新型专利；2001 年，经过进一步改进，研制成最大出力为 1000N 的 PHVS-1000型轻便浅层电磁式大功率可控震源系统，并申请了国家发明专利。电磁驱动的可控震源将正向着车载式大功率及微型化的方向发展。
　　林君等研制的轻便地震可控震源，是一种用于浅层地震勘探的激震设备。小能量弹性波Chirp信号持续向地下发送，不损害地面建筑物，是一种较理想的浅层城市震源，在野外根据实际勘探目标所确定的参数，严格控制输出的Chirp信号。针对浅层地震勘探的特点和要求,进一步探讨了基于直接数字合成(DDS)的任意波形发生器(AWG)的设计、扫描信号相位实时控制、信号噪音等问题进行改进。并将小波变换回波提取等应用于可控震源地震信号处理中，取得了显著成果。
　　在煤田勘探方面，中国煤炭地质总局物测队在复杂表、浅层地震地质条件区，改善其激发、接收条件, 提高复杂区地震勘探的应用效果，并结合地震施工因素， 对普通炸药( 高爆速药柱)、聚能震源弹、地震枪、可控震源四种激发源作了对比试验，试验资料分析 表明可控震源是优选的激发震源。河北煤田地质局物测队从1993年至1998年，采用可控震源激发施工，在激发源多以井炮为主，但在潜水位深、浅层卵砾石、沙石发育的浅层地震地质条件复杂区，可控震源以其独特的优势克服了井炮的不足，完成了25个勘探区的地震施工任务。陕西煤田地质局物测队在山区开展地震勘探，采用可控震源采用精确的相位测量技术和输出力控制技术、灵活的多种扫描方式、完备的质量控制功能和自检功能，针对不同的地表地质条件，选择有利的激发方式和参数，取得较好的勘探效果。 (责任编辑：nylw.net)转贴于八度论文发表网: http://www.8dulw.com(论文网__代写代发论文_论文发表_毕业论文_免费论文范文网_论文格式_广东论文网_广州论文网)