浅谈数值模拟研究可控震源

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摘要：可控震源是一种低频长时振动的人工震源，其振动持续时间、扫描频率范围和激发能量可根据勘探区实际情况设定，适合于厚卵石区、沙漠区、戈壁等炸药震源不易成孔的勘探区。在以往对可控震源的研究中，关注最多的是激发信号的质量，目的是怎样获取高质量的地震记录，对震源自身的探测功能关注较少，因此，利用数值模拟方法研究可控震源振动特征，成为目前亟待解决和完善的问题之一。

关键词：可控震源；数值模拟；振动特征

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。

目前，对于可控震源的研究还主要在可控震源技术的改进、完善方面，而对其探测功能研究较少，应用可控震源的QC 参数（例如控震源刚性系数和粘性系数）挖掘探测功能，对近地表速度建模有重要的促进作用。

4. 数值方法研究的现状

20世纪70年代以来，随着计算机技术的发展，学者们加强了用数值方法分析地基板动力问题的研究。Svec、Qin、Omurtag用有限元法分析了弹性基础板的振动问题；Costa、Qin、Feng用边界元法分析了弹性基础板的振动问题。Daloglu用有限单元法分析了非均质Valzov地基上板的动力响应问题。Taheri用有限元法分析了运动荷载下地基板的稳态响应问题。2001年Huang用同样的方法分析了Winkler地基上作用移动加速度荷载时矩形板的变形响应，将动载简化为点载，同时还探讨了初始速度，加速度及起始位置等对矩形板的响应的影响。2002年Huang进一步研究了移动荷载下Winkler地基矩形薄板的动力响应，分析了荷载速度和频率、地基刚度、移动路径及多轮荷载间距等因素对响应的影响，分析表明：地基刚度、荷载速度和频率对板的动力响应有一定影响，远离边界位置处板的响应可以用无限长板来分析。国内也有学者采用有限元法对地基板动力问题进行分析，许金余将飞机―道面―土基作为一个相互作用的动力系统，对飞机滑行情况下弹性半空间地基上刚性道面板的动力响应，采用有限元法进行了计算分析，其计算结果现现场实测值吻合很好。侯芸等应用三维有限元动力学的基本方法，结合Newmark积分方法逐步求得运动方程，对移动点载作用下温克勒地基上板的变形和应力响应进行了分析，计算了路面的固有频率、临界速度，讨论了荷载速度及地基参数对最大动挠度和拉应力的影响规律。

5. 结论

可控震源是一种低频长时振动的人工震源，其振动持续时间、扫描频率范围和激发能量可根据勘探区实际情况设定，适合于厚卵石区、沙漠区、戈壁等炸药震源不易成孔的勘探区。在以往对可控震源的研究中，关注最多的是激发信号的质量，目的是怎样获取高质量的地震记录，对震源自身的探测功能关注较少。随着油气勘探向更复杂的勘探区转移，应用多种方法获取地层速度参数，建立可靠速度模型变得越来越重要，从可控震源获取近地表速度也开始受到关注。Al-Ali, Mustafa Naser (Dhahran, SA)等首次用从可控震源获得的刚性系数和粘性系数，计算地表横波速度，这项技术已申请美国专利，并得到国内同行的重视和应用。

事实上，地层是不均匀的，按地层深度对刚性系数和粘性系数进行简单的平均计算是不合适的，进一步用数值方法研究可控震源有着重要意义。

参考文献：

[1]陶知非,可控震源的现状与问题,石油物探装备,1995.