YF-SOLO-5Hz与DSU1地震检波器数据采集效果的对比分析

马宁,左卫华,张晨林

(中国煤炭地质总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矿采区精细补充勘探中发挥了巨大作用。选择合适的检波器是地震勘探获得可靠基础数据的关键,但检波器种类众多,必须清楚了解各种检波器的特点,选择适用于煤田勘探的检波器,以达到煤矿精细勘探的目的。

地震检波器是把机械信号转换成电信号的机电转换设备,地震勘探野外采集施工常用到的检波器分为动圈式模拟检波器和数字检波器两种。

动圈式模拟检波器输出的信号为模拟信号,主要由线圈、永久磁铁、弹簧片组成。根据电磁感应原理,当地震波传到地面产生机械振动时,线圈与永久磁铁产生相对运动并切割磁力线,从而生成感应电动势,将机械信号转换成电信号。模拟检波器的优点是技术成熟、使用寿命长、输出稳定可靠。

数字检波器将地震波转换成高精度的数字信号,对重力的变化产生响应,是一种加速度型检波器。数字检波器与模拟检波器相比动态范围更大、失真度较小、频率范围更宽、灵敏度更高,适合在高精度三维地震勘探中使用。

在以往常规煤田三维地震勘探中,通常使用的是20～60 Hz模拟检波器,而高精度三维地震勘探中通常使用数字检波器。近年来,随着煤炭开采深度的不断增加,对深部灰岩等低频信息越来越重视,5～10 Hz范围低频模拟检波器的应用越来越多。尽管理论上数字检波器性能指标更加优越,但在实际地震采集资料中数字检波器和模拟检波器的应用差别,还需要通过实际试验资料进一步探讨。为了对比YF-SOLO-5Hz模拟检波器与数字检波器采集资料效果的差别,我们选择在淮南煤田某地震勘探区进行针对性的野外试验。根据单一变量原则,采用相同观测系统同一炮点同时接收,对单只模拟检波器YF-SOLO-5Hz和数字检波器DSU1的地震采集单炮记录和叠加剖面进行对比分析。

1 试验区地质条件及试验参数

1.1 试验区地震地质条件

本地区属于淮河冲积平原,地形比较平坦,一般标高+24～+26 m左右。区内潜水面深度5～7 m,浅层以黏土、砂质黏土为主,这些表、浅层条件非常有利于地震波的激发。该范围内新生界松散层厚542.2～600.3 m,平均577.2 m,松散层位于本次勘探主要目的层上方,对地震波的高频部分产生一定的吸收作用。本区煤层顶板和底板大部分为砂岩和泥岩。据以往地震资料揭示,煤层和顶底板产生明显的波阻抗差异,是很好的反射界面,能形成良好的反射波组。

1.2 试验布置及设备参数

本次野外试验采用单线240 道接收,道距10 m,中间激发观测系统,试验检波线长度4410 m,共442个检波器,炮线长度2900 m,炮点距20 m,共146炮,满覆盖次数为60次,满覆盖剖面长度1700 m,试验线位置如图1所示。根据单一变量原则,采用相同观测系统同一炮点同时接收,为减小试验误差,两种检波器均为单只接收,接收点距离小于20 cm,两条测线相邻平行布置。仪器选用428XL,采样间隔1 ms,记录长度2 s,前放增益12 dB,记录格式SEG-D,激发井深12 m,激发药量2 kg。图2为2种检波器的幅频特性和相频特性对比曲线。

图1 试验线位置示意图Fig.1 Test line location

图2 YF-SOLO-5Hz和DSU1检波器幅频和相频特性对比Fig.2 Comparison of amplitude frequency and phase frequency characteristics of YF-SOLO-5Hz and DSU1 geophone

图2(a)幅频特性可以看出,频率响应上DSU1数字检波器是线性的,从低频到高频都有很好的响应;YF-SOLO-5Hz模拟检波器在频率高于5Hz才有较好的响应,小于5Hz响应较差。从图2(b)相频特性可以看出,DSU1数字检波器为一直线,表现为零相位;YF-SOLO-5Hz模拟检波器为一近“S”形曲线,具有明显的相位延迟,而且随着频率的增加而增加,不利于高频信息的接收。这表明DSU1数字检波器与YF-SOLO-5Hz模拟检波器相比,动态范围较广、灵敏度较高,并且在保真度和分辨率等方面也具有一定优势。

2 试验资料分析

2.1 试验单炮资料对比

图3为本次野外试验采集的原始单炮记录,通过对比发现:①从整体背景上看,YF-SOLO-5Hz单炮记录接收到的背景噪声相对要少,而DSU1单炮记录的背景更“暗”,背景噪声相对更强,从信噪比来说YF-SOLO-5Hz要优于DSU1,如图3时窗1所示;②两张单炮记录中的面波能量都很强,但YFSOLO-5Hz单炮记录中的面波相对更发育,DSU1单炮记录中面波能量随着炮检距的增大明显减小,衰减相对较快,而YF-SOLO-5Hz单炮记录中的面波衰减不明显,如图3时窗3所示;③两张单炮记录中的目的层反射波连续性都很好,但YF-SOLO-5Hz单炮记录中的目的层反射波频率相对较低,DSU1单炮记录中的目的层反射波频率相对较高,如图3时窗2所示。

从图3可定性了解2种检波器的区别,为了更准确地研究2种检波器的不同,还要进一步分析。

图3 野外试验原始单炮记录Fig.3 Primary single shot record sets of field test

图4所示为YF-SOLO-5Hz和DSU1单炮记录,分别以整炮和整个目的层为时窗进行对比分析。从属性分析结果来看,YF-SOLO-5Hz单炮记录的振幅较大,能量相对较高,能量主要分布在10～30 Hz的频率范围内,50 Hz以上的频率成分比例很少;DSU1的单炮记录的振幅相对较小、能量相对较低,但高、低频成分比较均衡。从频谱分析上看,DSU1单炮记录的主频更高,频带更宽,更利于高频信息的接收;YF-SOLO-5Hz单炮记录低频信号的能量较强,更利于低频信息的接收。从针对目的层的信噪比分析来看,由于DSU1单炮记录高频和低频成分比较均衡,YF-SOLO-5Hz单炮记录的信噪比要稍好于DSU1单炮记录。

图4 单炮记录属性分析Fig.4 Attribute analysis of single shot record

本区的面波主频在10～40 Hz范围,面波频谱分析见图5(a),分析时窗为时窗3。从面波频谱曲线看,YF-SOLO-5Hz单炮记录的面波振幅相对DSU1大,且衰减较慢,这表明YF-SOLO-5Hz接收到的面波干扰相比DSU1要严重。

图5(b)是两张单炮记录的背景噪声频谱分析,YF-SOLO-5Hz的背景噪音主要集中在10～55Hz范围内,高频成分相对较少;DSU1的背景噪声高频和低频信息分布相对比较均匀,在10～80 Hz内振幅变化比较小。分析认为,YF-SOLO-5Hz的自然频率较低,具有突出低频信号的特点;而DSU1频率范围相对较宽,高低频信息分布均匀。

图5 单炮记录面波和背景噪声频谱分析Fig.5 Frequency spectrum analysis on the surface wave in ingle shot record and background noise

综上所述,2种检波器的单炮记录能量均较强,信噪比均较高,目的层反射波的连续性均较好。但是2 种检波器接收信号也有明显的差别,YFSOLO-5Hz为速度型检波器,自然频率较低,具有突出低频信号的特点,受到的面波干扰也较强;DSU1为加速度型检波器,频率范围相对较宽,高低频信息分布均匀,接收的环境噪声干扰明显较强。

2.2 剖面对比分析

本次线试验共146炮,满覆盖次数60次,满覆盖剖面长度1700 m,图6为试验线两种检波器的全频叠加剖面。从叠加剖面上看,浅层DSU1剖面信噪比要好于YF-SOLO-5Hz,如图6窗口1所示;目的层位于500～800 ms左右,YF-SOLO-5Hz目的层反射波的连续性和信噪比相对DSU1要好,如图6窗口2所示;深度大于800 ms部分,YF-SOLO-5Hz反射波的连续性和信噪比也要好于DSU1,如图6窗口3所示。

图6 试验线全频叠加剖面Fig.6 Full frequency stack profile of the test line

图7、图8分别为试验线2种检波器的分频显示剖面,可以更直观地说明2种检波器在不同频率区间的特点,分别为LP(8～16 Hz)、BP(20～40 Hz)和BP(60～120 Hz)。从LP(8～16 Hz)剖面看,在600～700 ms两张剖面都能看到连续的反射信号,但是YF-SOLO-5Hz模拟检波器的信噪比明显好于DSU1;从BP(20～40 Hz)剖面看,YF-SOLO-5Hz模拟检波器和DSU1数字检波器剖面差异不大;从BP(60～120 Hz)剖面看,DSU1数字检波器反射信号连续性好,但剖面信噪比低。

图7 模拟检波器试验线分频显示剖面Fig.7 Frequency decomposition sections of test line by analog geophone

图8 数字检波器试验线分频显示剖面Fig.8 Frequency decomposition sections of test line by digital geophone

为了更准确地研究2种检波器的不同,针对目的层进行了频率和信噪比对比分析。如图9所示,目的层频率主要集中在30～50 Hz范围内,两条曲线形状相近,DSU1数字检波器的振幅稍好于YFSOLO-5Hz模拟检波器。图10为不同频带范围剖面信噪比分析,频率5～15 Hz范围内,YF-SOLO-5Hz模拟检波器明显较好;频率20～40 Hz范围内,2种检波器信噪比相当;频率40～60 Hz、80～160 Hz范围内DSU1数字检波器信噪比明显较好;全频范围两种检波器信噪比相当,YF-SOLO-5Hz模拟检波器稍好。

图9 剖面频率分析Fig.9 Frequency analysis of the seismic section

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

总体上看,DSU1数字检波器灵敏度高,全频段接收噪声能力也强,YF-SOLO-5Hz信噪比要稍好于DSU1。YF-SOLO-5Hz模拟检波器在低频段信息的信噪比稍好于DSU1数字检波器,具有与突出低频信号的特点,适合在目的层较深或者注重灰岩等低频信号的三维地震勘探中应用;DSU1数字检波器在高低频段信息的信噪比稍好,高频信号相对YFSOLO-5Hz模拟检波器保留较好,高频和低频成分相对均匀,适合在高分辨率三维地震勘探中应用。

3 结论

通过在淮南煤田某地震勘探区进行针对性的野外试验,根据单一变量原则,采用相同观测系统同一炮点同时接收,对单只模拟检波器YF-SOLO-5Hz和数字检波器DSU1的地震采集单炮记录及叠加剖面进行对比分析。结论如下:

(1)DSU1数字检波器灵敏度高,全频段接收噪声能力也强,YF-SOLO-5Hz模拟检波器受到的面波干扰相对较强,整体上YF-SOLO-5Hz信噪比要稍好于DSU1。

(2)DSU1数字检波器高低频信号相对均匀,接收高频信号能力强于YF-SOLO-5Hz,适合在高分辨率三维地震勘探中应用。

(3)YF-SOLO-5Hz模拟检波器低频信息比DSU1数字检波器好,有突出低频信号的特点,适合在目的层较深或者注重灰岩等低频信号的三维地震勘探中应用。