單道地震電纜檢波器線性組合特性分析

萬芃，溫明明，牟澤霖

（1.國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510075；2.國土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州510075）

單道地震電纜檢波器線性組合特性分析

萬芃1，2，溫明明1，2，牟澤霖1，2

（1.國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510075；2.國土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州510075）

單道地震電纜采用檢波器線性組合方式，單道地震剖面的信噪比和分辨率與檢波器線性組合特性密切相關(guān)。將對檢波器線性組合方式的方向特性和濾波特性進(jìn)行了理論分析，并結(jié)合海上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對不同勘探目的、作業(yè)水深和檢波器線性組合參數(shù)條件下的單道地震剖面及其頻譜進(jìn)行對比分析。研究結(jié)果認(rèn)為：在淺水海域，或探測目標(biāo)層較淺的海洋單道地震勘探中，可選擇檢波器數(shù)量較少且相鄰檢波器間距較小的檢波器組合方式，以提高資料分辨率；而在深水海域和探測目標(biāo)層較深的海洋單道地震勘探時(shí)，應(yīng)該選擇檢波器數(shù)量較多且相鄰檢波器間距較大的檢波器組合方式，以改善資料信噪比。

單道地震、接收電纜、檢波器、分辨率、信噪比

萬芃，溫明明，牟澤霖.單道地震電纜檢波器線性組合特性分析[J].華南地震，2015，35（2）：60-66.WAN Peng，WEN Mingming，MU Zelin. Characteristics Analysis of Geophone Linear Array in Single-channel Seismic Cable[J].South china journal of seismology，2015，35（2）：60-66.]

0　引言

單道地震探測系統(tǒng)是一種可用于水域高分辨地震勘探的調(diào)查設(shè)備，主要由震源、接收電纜以及震源觸發(fā)控制和數(shù)據(jù)記錄主機(jī)組成[1]。單道地震電纜采用檢波器線性組合接收技術(shù)，通過多個(gè)檢波器串聯(lián)或并聯(lián)連接，線性排列密封在充滿油的塑料管內(nèi)，拖曳在作業(yè)船船尾接收地震反射信號。作為單道地震系統(tǒng)的信號接收單元，它的接收性能將直接影響最終剖面質(zhì)量。

一直以來，在地震勘探中，噪音是提高資料分辨率的最大“公敵”[2]。在地震勘探中，利用檢波器線性組合的方向特性和濾波特性，作為提高資料信噪比的主要手段之一，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于實(shí)際野外資料采集系統(tǒng)中[3-4]。然而，檢波器線性組合的低通濾波特性，在提高了資料信噪比的同時(shí)，也損失了有效信號的高頻成分，致使有效信號的頻帶寬度變窄，這樣就降低了資料的整體分辨率[5-6]。目前，國內(nèi)外針對陸地地震的檢波器組合特性研究較多[7-8]，而針對海洋地震勘探中的檢波器線性組合特性研究較少。檢波器線性組合具兩面性，即提高資料采集信噪比的同時(shí)降低了采集分辨率。在海洋單道地震勘探中，針對不同勘探目的和作業(yè)水深，如何選擇適當(dāng)?shù)臋z波器線性組合參數(shù)，壓制水體中的高頻噪音和隨機(jī)噪音，提高資料的信噪比，又能保證采集分辨率，最終獲得高質(zhì)量的采集資料，這一問題一直是開展高分辨海洋單道地震勘探技術(shù)方法研究過程中的難點(diǎn)。

本文將從水聲學(xué)的基礎(chǔ)理論研究出發(fā)，結(jié)合野外試驗(yàn)，對不同勘探目的、作業(yè)水深和組合參數(shù)條件下的檢波器線性組合特性進(jìn)行詳細(xì)分析，為野外作業(yè)中的檢波器組合參數(shù)的選擇提供理論依據(jù)。

1　多檢波器線性組合原理

設(shè)有n個(gè)檢波器沿直線等距排列，檢波器間距為Δx。為簡化討論，設(shè)地震波為平面波，波前和地面夾角為α。地震波速度為V（如圖1所示）。把第一個(gè)檢波器接收到的振動時(shí)間記為零，振動函數(shù)為f（t）。又設(shè)各檢波器接收到的振動波形和振幅一樣，只是有相對時(shí)差。那么第二個(gè)檢波器接收到的振動相對于第一個(gè)要晚Δt。這個(gè)時(shí)差Δt與Δx、V、α三個(gè)參數(shù)有關(guān)。

圖1　 n個(gè)檢波器線性組合示意圖Fig.1 The diagram of n geophones linear array

第二個(gè)檢波器接收到的振動是f（t-Δt），第三個(gè)檢波器接收到的振動是f（t-2Δt），依次類推，第n個(gè)檢波器接收到的振動是f（t-（n-1）Δt）。

設(shè)f（t）的頻譜是g（jw），根據(jù)延時(shí)定理，有：f（t-Δt）的頻譜為g（jw）e-jwΔt，f（t-2Δt）的頻譜為g（jw）e-2jwΔt，f（t-（n-1）Δt）的頻譜為g（jw）e-（n-1）jwΔt。

組合后的和振動為：

對上次進(jìn)行傅里葉變換后，將F（t）的傅里葉變換為G（jw）：

設(shè)定K（jw）=1+e-jwΔt+e-2jwΔt+……+e-（n-1）jwΔt

又設(shè)定Δφ=-ωΔt，則有

化簡后得到：

通常稱為組合的方向頻率特性，由公式（5）可知，K（jw）是一個(gè)復(fù)數(shù)，它的振幅特性為：

它的相位特性為：

根據(jù)公式（6）和公式（7），設(shè)定單個(gè)檢波器收到的振動振幅為A0，初相位為0的簡諧波f（t）=A0sinω1t時(shí)，則n個(gè)檢波器線性組合的輸出F（t）可寫成：

根據(jù)式（8）可知，總輸出信號的振幅為：

也即AΣ與Δφ和n有關(guān)，其中這就表明總振動AΣ與波的入射角a有關(guān)。從深層水平界面來的反射波差不多垂直入射到地面（即a≈90），這時(shí)AΣ≈nA0，即總振幅增加了n倍，說明有效波得到加強(qiáng)，而對其它角度的干擾波，則相對地受到壓制[9-10]。

通常用組合后總振動的振幅與組合前單個(gè)檢波器接收到的振動振幅的n倍之比值

φ（n，Δφ）稱為組合的方向特性，表示組合對來自不同方向的波的相對加強(qiáng)或壓制效果[11-12]。

由圖2可知，組合檢波為低通濾波器，φ（n，Δφ）≥0.707對應(yīng)區(qū)域?yàn)橥◣?，而φ（n，Δφ）＜0.707對應(yīng)的區(qū)域?yàn)樽鑾?，而且?guī)▽挾?，隨著n、Δt、Δx增大而變窄，由于采集分辨率信號頻率和帶寬有關(guān)，信號頻率越高，帶寬越大，分辨率越高，即采集分辨率隨著n、Δt、Δx增大而變低[13]。

圖2　 7個(gè)檢波器線性組合方向特征曲線Fig.2 The directional characteristic curve of seven geophones linear array

通過上述理論分析可以得出：由于檢波器組合的方向特性，檢波器數(shù)量越多，其對噪音的壓制效果越好，可提高采集信噪比，而檢波器數(shù)量的增加也增強(qiáng)了檢波器組合的濾波效應(yīng)，降低了采集分辨率；檢波器線性組合相鄰檢波器間距的減小，可以削弱檢波器組合的濾波效應(yīng)，提高采集分辨率，但同時(shí)也降低了采集信噪比。

2　實(shí)例分析

海洋單道地震勘探具有采集分辨率高、設(shè)備操作維護(hù)簡單和作業(yè)效率率高且費(fèi)用低等特點(diǎn)，主要用于海底沉積物地層結(jié)構(gòu)的探測，可適用于天然氣水合物資源調(diào)查[14]、海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、海洋井位調(diào)查以及淺水工程物探調(diào)查[15]等。單道地震電纜的檢波器線性組合參數(shù)作為海洋單道地震勘探中的一個(gè)重要作業(yè)參數(shù)，其直接影響最終資料采集效果。為了開展海洋地震勘探中的檢波器線性組合特性研究，在不同作業(yè)水深條件下，筆者開展了兩次海上對比試驗(yàn)。

（1）第一次海上對比試驗(yàn)。2013年3月，筆者采用SIG2MILE小容量電火花震源，IXSEA DELPH數(shù)字記錄系統(tǒng)，分別使用GEO接收電纜和AAE接收電纜接收數(shù)據(jù)，在南海北部海域淺水海域（水深大約20 m）開展海上對比試驗(yàn)。本次海上試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　第一次海上南海北部對比試驗(yàn)主要設(shè)備及其技術(shù)參數(shù)Table 1 Major equipments and technical parameters in first sea test

本次海上對比試驗(yàn)中采用小容量電火花震源。該類型震源的主要技術(shù)特點(diǎn)：主頻高且頻帶寬，其采集分辨率高，但是震源能級較小，且聲波主頻越高，聲波傳播過程中能量損失越大。因而這類小容量電火花震源地層穿透能力不強(qiáng)，一般在幾百毫秒以內(nèi)，主要適用于作業(yè)水深較淺且探測目的層較淺的高分辨率單道地震勘探，如淺水井位調(diào)查和近岸工程物探調(diào)查等。

GEO接收電纜和AAE接收電纜兩種單道地震接收電纜采集的單道地震剖面及其頻譜對比如下圖3和圖4所示。

圖3　采集剖面對比圖Fig.3 Comparison chartof seismic profile

GEO接收電纜檢波器單元數(shù)量要多于AAE接收電纜，而且GEO接收電纜檢波器相鄰檢波器間距也要大于AAE接收電纜，根據(jù)上文的理論分析，GEO接收電纜信噪比高，而AAE接收電纜采集剖面分辨率高。在圖3采集剖面對比圖中，可以看出，從海底到海底以下100 ms，AAE接收電纜的地層分辨率要明顯高于GEO接收電纜，這樣驗(yàn)證了上述的理論分析結(jié)論。另外從圖4頻譜對比圖可以看出，GEO接收電纜接收主頻在600 Hz，而AAE接收電纜接收主頻在900 Hz，兩者頻帶寬度都為1 000 Hz左右，從信號頻譜方面來看，AAE接收電纜海底淺部沉積物地層分辨率要高于GEO接收電纜；由于作業(yè)區(qū)域水深較淺，電火花震源能量在傳輸過程中損失較小，相鄰檢波器間距對信噪比的影響很小，從圖4頻譜對比圖中可以看出，兩種電纜接收的主頻振幅幅值相差不大。

圖4　采集剖面頻譜對比圖Fig.4 Spectrums comparison chartof seismic profile

通過圖3和圖4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析可知：針對淺水海域、探測目標(biāo)層較淺的高分辨率調(diào)查項(xiàng)目中，單道地震震源通常采用高分辨率電火花震源，在這種情況下，采用檢波器單元個(gè)數(shù)較少，且相鄰檢波器間距較小的檢波器組合方式可以采集到更好的高分辨率單道地震資料。

（2）第二次海上對比試驗(yàn)。2013年10月，筆者采用氣槍組合震源，IXSEA DELPH數(shù)字記錄系統(tǒng)，分別使用SIG接收電纜和AA接收電纜接收數(shù)據(jù)，在南海中部深水海域（水深大約2 200m）開展對比試驗(yàn)。本次海上試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)見表2。

表2　第二次海上南海北部對比試驗(yàn)主要設(shè)備及其技術(shù)參數(shù)Table 2 Major equipments and technical parameters in second sea test

本次海上對比試驗(yàn)采用氣槍組合震源。該類型震源的主要技術(shù)特點(diǎn)：主頻低且頻帶窄，其采集分辨率低要低于電火花震源，但是震源能級較大，且聲波主頻越低，聲波傳播過程中能量損失越小。因而氣槍組合震源地層穿透能力遠(yuǎn)強(qiáng)于電火花震源，一般在幾百毫秒到一千毫秒以上，主要適用于作業(yè)水深較深且探測目的層較深的單道地震勘探，如深水海洋區(qū)域調(diào)查等大范圍地質(zhì)構(gòu)造普查。

SIG接收電纜和AA接收電纜兩種單道地震接收電纜采集的單道地震剖面及其頻譜對比如下圖5和圖6所示。

SIG接收電纜檢波器單元個(gè)數(shù)要多于AA接收電纜，而且SIG接收電纜檢波器相鄰檢波器間距也要大于AA接收電纜，根據(jù)上文的理論分析，SIG接收電纜信噪比高，而AA接收電纜采集剖面分辨率高。

在圖5采集剖面對比圖中，可以看出，在地震剖面某些局部上，AA接收電纜采集剖面的分辨率要高于SIG接收電纜，但是AA接收電纜采集剖面的整體信噪比要遠(yuǎn)低于SIG接收電纜，SIG接收電纜采集剖面的連續(xù)性和海底沉積物地層可辨識度要更好，其采集剖面效果更有利于后期數(shù)據(jù)解釋。另外從圖6頻譜對比圖可以看出，SIG接收電纜接收主頻在100 Hz，而AA接收電纜接收主頻在150 Hz，兩者頻帶寬度都為150～200 Hz，AA接收電纜的接收主頻及頻帶寬度都要略高于SIG接收電纜，從上述理論分析可知：AA接收電纜采集分辨率要略高于SIG接收電纜。由于作業(yè)區(qū)域水深較深，震源能量在聲波傳播過程中損失較大，采用不同檢波器組合參數(shù)其采集信噪比相差較大。從圖6可以看出，SIG接收電纜采集信號的有效信號振幅幅值要明顯大于AA接收電纜。

圖5　采集剖面對比圖Fig.5 Comparison chartof seismic profile

通過圖5和圖6的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析可認(rèn)為：針對深水海域且探測目標(biāo)層較深的海洋單道地震勘探項(xiàng)目中，通常對地層分辨率要求較低，單道地震震源一般采用氣槍震源，在這種情況下，采用檢波器單元個(gè)數(shù)較多，而且相鄰檢波器間距較大的檢波器組合方式可以采集到高信噪比的單道地震資料。

圖6　采集剖面頻譜對比圖Fig.6 Spectrums comparison chartof seismic profile

3　結(jié)語

通過上述檢波器線性組合原理的方向特性和濾波特性的理論分析，并結(jié)合兩次野外數(shù)據(jù)對比試驗(yàn)，對海上單道地震勘探中的檢波器線性組合參數(shù)的選擇有以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

（1）檢波器組合由于其方向特性和濾波特性，會直接影響最終采集資料的分辨率和信噪比。檢波器數(shù)量越少、相鄰檢波器間距越小，其采集分辨率越高，同時(shí)信噪比越低；而檢波器數(shù)量越多、相鄰檢波器間距越大，其采集信噪比越高，但是分辨率越低。在野外作業(yè)中，應(yīng)根據(jù)不同的勘探目的和作業(yè)水深，選擇不同的檢波器組合參數(shù)，達(dá)到分辨率和信噪比的最佳平衡，以獲取最佳資料采集效果。

（2）在淺水海域作業(yè)，針對探測目標(biāo)層較淺的高分辨率海洋單道地震勘探中，單道地震震源一般采用電火花震源。由于聲波傳輸距離短，其能量損失小，其采集剖面的信噪比可以得到保證，在作業(yè)中應(yīng)以提高作業(yè)分辨率為主，應(yīng)選擇檢波器數(shù)量較少和相鄰檢波器間距較小的檢波器組合方式，這樣可在保證信噪比的基礎(chǔ)上，提高資料分辨率。

（3）在深水海域作業(yè)，針對探測目標(biāo)層較深的海洋單道地震勘探時(shí)，單道地震震源通常采用氣槍震源。由于聲波傳輸距離長，其能量在傳輸過程中損失較大，這就要求在作業(yè)中，應(yīng)盡量提高資料采集的信噪比。因此，建議選擇檢波器數(shù)量較多和相鄰檢波器間距較大的檢波器組合方式，這樣才能采集到高信噪比的單道地震資料。

在此特別向廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局徐行教授致謝，感謝他對本文提出的許多有益的建議。

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Characteristics Analysis of Geophone Linear Array in Single-channel Seism ic Cable

WAN Peng1，2，WEN Mingming1，2，MU Zelin1，2

（1.Key Laboratory ofMarineMineralResources，Ministryof Land Resources，Guangzhou 510075，China；2.Guangzhou MarineGeologicalSurvey，Ministry of Land Resources，Guangzhou 510075，China）

The single channel seismic cable uses geophone linear array to acquisite seismic profile，The profile's signal to noise ratio and resolution is closely related to the character of geophone linear array.This paper analyzes the directional character and filter character of the geophone linear array,and does comparative analysis of single channel seismic profiles and spectrums which are acquisited in different exploration purpose，water depth and parameters of the geophone linear array by combining with test data.The results show that:we should choose the geophone linear array which uses fewer geophones and smaller adjacent geophone spacing to detect shallower target layer in the shallow waters，so thatwe can improve the profile's resolution.On the other hand，we should choose the geophone linear array which usesmore geophones and bigger adjacent geophonespacing to detect deeper target layer in the deep waters，so as to improve profile's signal to noise ratio in this way.

Single channel seismic；Seismic cable；Geophone；Resolution；Signal to noise ratio

P631.443

A

1001-8662（2015）02-0060-07

10.13512/j.hndz.2015.02.010

2014-08-27

國家863課題：天然氣水合物冷泉聲學(xué)采集技術(shù)（課題號：2013AA0925010102）

萬芃（1983－），男，工程師，從事海洋地質(zhì)勘查技術(shù)方法研究.

E-mail：wanpeng9999@126.com.