浅析地震采集仪器的选择

范铁江，齐永飞，黄艳林，聂明涛，余飞君，王 勇.

(中国石油集团东方地球物理公司，河北涿州 072751)

通过“两宽一高”(宽频、宽方位、高密度)技术的应用追求“三高”(高信噪比、高分辨率和高保真度)采集效果，对地震采集仪器在带道能力、动态范围、等效输入噪声方面的技术指标提出更高要求[1-4]。从20世纪90年代中期开始应用的24位模数转换器ADC仍然是目前采集设备中的主流。为了提高各自的产品竞争力，地震勘探仪器厂商和高校科研机构在产品指标优化方面做了大量的工作，赵金龙等甚至研究了基于32位模数转换芯片ADS1281的单通道无缆存储式地震仪[5]。但是，高指标的动态范围必将带来高昂的产品价格，是否高指标的产品也一定能带来“三高”的地震采集资料？本文将针对每位地球物理工作者都关心的话题展开详细的讨论。

1 仪器基本理论

仪器动态范围(Dynamic Range，DR)是指采集系统最大不失真输出功率与最小输出功率的对数值，单位为分贝(dB)，动态范围具体分为理论动态范围(Theory Dynamic Range，TDR)、系统动态范围(System Dynamic Range，SDR)、瞬时动态范围(Instant Dynamic Range，IDR)，用于描述地震仪器拾取和记录地震信号的一种能力[6-7]。

TDR不考虑系统噪声，反应仪器记录大小信号的能力。目前采用主流24位ADC的仪器，TDR可以达到138 dB，动态范围指标均能满足地球物理学家对高分辨率地震仪器的要求(120 dB)。

(1)

SDR需要考虑系统等效输入噪声(Equivalent Input Noise，EIN)，数字地震采集系统模拟部件主要由前置放大器、低切滤波器、多路转换开关等组成，每一部分都会产生噪声，各部件噪声总和称为EIN。

(2)

IDR类似于系统动态范围的定义，不同的是IDR强调信号在同一时刻出现，与仪器的前放增益有关。

(3)

由于目前地震仪器都是采用固定前放增益，即对浅、中、深层反射信号采用相同的放大倍数，而地层的吸收衰减作用，中深层反射波地震信号的能量和振幅均发生衰减，比浅层能量弱很多；因此，如果仪器前放增益对于浅层反射波正好达到ADC的满量程记录，那么，中深层反射波无法发挥24位ADC的真正功效。所以目前的主要矛盾不是地震勘探仪器动态范围和等效输入噪声的大小，而是地层的吸收衰减导致无法发挥ADC的最大功效[8-10]。

2 主流仪器指标

为了帮助客户降低勘探设备投入成本，实现大道数、高密度地震勘探的目标，部分仪器厂商选择了数字指标相对较低的芯片，具体参数见表1。

表1 主流仪器等效输入噪声和动态范围统计Table 1 Statistics of EIN and dynamic range of mainstream instruments

结合表1给出的数据，可以得出以下结论：

(1)不同仪器由于采用了不同成本的ADC，具有不同的EIN；

(2)采用24位ADC的地震仪器具有相同的TDR范围；

(3)同一仪器前放增益越大，EIN越小，仪器的SDR越大；

(4)考虑目前吸收衰减对中深层资料能量的影响，较大的TDR和SDR是高信噪比地震资料的必要而非充分条件。

在实际工作中，一方面，地震采集实施中受地表条件、检波器埋置的影响，检波器畸变程度也有所不同，并且检波器的畸变要远大于采集系统；另一方面，环境噪音的能量远高于系统EIN，因此，在地震勘探中通过仪器指标参数衡量设备优劣并没有什么实质意义。下面主要针对资料采集过程中不可避免的噪声进行介绍分析。

3 主要噪声分析

3.1 环境噪声

根据野外采集阶段噪音的出现规律可以分为规则干扰波和随机干扰波，前者包括面波、折射波、声波等源自炮点的干扰，后者包括风吹草动等引起的频带宽、速度多变的环境噪音。分析发现，地震勘探中不可避免的环境噪声即使在非常安静的地方也远大于地震仪器的EIN，因此可以忽略地震仪器几微伏的EIN。

环境噪声是与激发源无关的地面扰动引起测试仪输出记录、干扰有效信号识别的一类噪声。其特点是频带宽、强度不一，没有地震激发源就存在于地震记录中。环境噪声根据噪声源分为自然噪声(Natural Noise)和人文噪声(Cultural Noise)。自然噪声包括风吹、水流、潮汐、地震等自然现象引起的噪声[11-12]。

3.1.1 自然噪声

自然噪声的强度往往取决于风的大小。风吹引起的地表震动引入噪声信号到传感器记录信号中。下图为典型的地震勘探信号强度分布图，包含了有用信号和环境噪声。

图1 中国东部地区典型地震信号强度统计Fig.1 Statistics of typical signal strength in eastern China

图1展示了中国东部地区典型地震信号强度和ADC位数的对应关系。从图中可以看到采集系统的EIN一般在ADC的后4位，环境噪声占用了ADC的9位数，强度达到70 μV。即便假设后续采用先进的处理技术将噪声降低20 dB，仍然有9 μV，远高于地震仪器的EIN。

同样，从图中风速与噪声信号强度对照表可知，即使在微风天气，风速为 1.5 m/s(风速定义为离地面10 m处的速度)时，噪声强度仍可达4.32 μV。图中风速影响噪声强度的数据来自风是吹向较平滑的地表。如果考虑到有植被的情况，风的能量将更大地传到地面，地面震动加强，环境噪声更大。地震勘探小队能否在这样的条件下施工仍是一个问题。下面是收集的国内外不同甲方对施工队伍在采集过程中环境噪音执行的标准：

(1)在线排列总道数5%的道，噪音水平不超过设定值(25 μV)的25%。(戈壁区)

(2)在线排列总道数60%的道，环境噪音水平超过60 μV，并/或通过对比噪音与地震信号的均方根值(信噪比)不超过设定值。(城区)

(3)在线排列总道数30%的道，环境噪音水平超过20 μV。(沙漠区)

综合以上合同条款要求，规定了采集数据时在线排列环境噪声阈值的要求，2 ms采样率、0 dB增益的噪声阈值一般为20～25 μV甚至更高(60 μV)。

3.1.2 人文噪声

人文噪声与人类的生产活动有关，主要由人畜走动、机器运转、交通运输、工业电等外力随机产生。一般人文噪声可以通过限制人员的行为活动来降低，但是城市、工业区等特殊区域无法进行警戒。下图是某采用存储式节点进行施工的两个典型区域的RMS(Root-Mean-Square)噪音水平，地点a在繁华城区内，噪音水平一般在45～65 μV，并且噪音以天为单位，呈周期性变化；地点b在戈壁区域，外界人文噪声比较小，RMS噪音在20～30 μV[13-15]。

为了验证是否存在一个 “绝对安静”的地方，我们在中国国家地震局提供的环境噪声很小的地方进行噪声检测试验。

图2 某地震项目城区和戈壁RMS噪音展示Fig.2 RMS noise display of a seismic project in urban and gobi area

试验进行了野外噪声检测，设置两个监测点。监测设备设置为 0 dB 增益、1 ms 采样率、 将设备埋置在10 cm深坑内进行噪声连续记录，试验时间选择为一个寒冷而安静的夜晚。

试验数据分析了凌晨2:00—4:00噪声信号的均方值(时窗6 s)，RMS噪音样点值如下图3所示，地点2的RMS噪音范围在6～10 μV之间，地点2的RMS噪音范围在7～10 μV。

图3 中国地震局提的供小噪音点噪音统计Fig.3 Noise statistics of small noise points provided by China Seismological Bureau

从试验结果得知，在相对比较安静的环境下，噪音值远高于仪器EIN，所以EIN的大小不会影响采集资料的信噪比。

3.2 耦合噪声

荷兰Sensor公司的马克斯威尔先生在1994年EAGE年会上发表的一篇文章中提到“制造地面仪器的人是工程师，他们只管仪器本身，而地球物理学家只管地下，唯独中间一步，即把检波器埋进地里的问题没人管，问题也就出在这一步”。

理想情况下，检波器应该完全重复地面运动并精确记录下来。但是有两件事让检波器振动情况与地面震动不一致：一是即使检波器与地面完全耦合，但检波器的存在已然影响了地震波场；二是差的耦合会导致记录信号失真，称之为失真噪声。人们已经分析了各种影响耦合效果的因子，比如尾椎形状、长度、材料，地面土质硬度、湿度、部署方式等，然而，并没有一套完整的方法和技术解决耦合问题。好的耦合需要检波器尾椎牢固插入地下，并保持垂直，甚至将检波器填埋，但是这些都会受到勘探环境、地质条件、人员执行力的限制。复杂而又不确定因子导致耦合噪声很难量化，但是耦合噪声的影响是不能忽视的。

高分辨率采集系统往往与单只高灵敏检波器联合应用。高灵敏检波器对非常小的微震动都会产生一个可辨识的电平输出。计算一个高灵敏度检波器(假设灵敏度为80 V/(m·s)产生4 μV电压的最小位移值是多少？感兴趣的频率范围为2～200 Hz，通过输出方程和运动方程可以计算出来最小位移值小于4 nm。传感器根本无法在环境噪声和伴生噪声下避免如此小的轴向偏移[16-18]。

研究发现，地震资料中受风影响的高频噪声主要源于检波器与大地耦合效果差。所以，施工质量是决定获取地震资料动态范围(信噪比)的关键因素。

4 结论

本文从地震仪器动态范围和等效输入噪声的理论概念入手，结合实际地震采集施工中影响采集资料信噪比的主要噪声，得出以下结论：

(1)如果不能有效解决高频噪声和地层吸收衰减影响，24位地震仪(甚至32位)的优点根本无法体现出来，因为此时主要矛盾已经不再是动态范围不够的问题，而是高频部分信噪比不够的问题。

(2)地震勘探中地震道输入噪声都明显高于仪器EIN，仪器EIN均湮没在环境噪音中，所以，具有较高EIN的仪器虽然从数字指标上具有较大的IDR，但并未影响采集资料的频谱和信噪比。

(3)通过分析实际地震采集资料中的噪声数量级，具有较高性能指标的地震仪器不一定能获得具有较高信噪比的地震采集资料，所以地震仪器性能指标够用就好，不要错误地以为越高越好。

(4)李庆忠先生曾指出的“唯武器论”对我国盛行的迷信跟随具有较高指标的地震仪器热进行了批评。建议地震勘探分包商结合地震仪器指标和设备成本，理性地选择合适的地震仪器。