【关键词】 超精度地震传感器 MEMS技术原理 DSU1工作特性
1 诞生数字检波器的地震仪器背景
以往人们在讨论地震仪器时，注意力往往多集中在探讨对已产生的地震信号如何进行记录和处理，而对于地震信号是如何产生和接收的，则言之甚少，这并不是因为这个问题不重要，而是因为在这个问题上，长期以来还没有找到令人满意的解决方法。事实证明，如果不摒弃现有的机电转换模式，地震传感器的精度指标永远也不会有实质性的突破。
自从上世纪三十年代，世界上出现第一台地震仪，近百来的发展，直到最近几年才开始实践应用数字检波器，地震勘探的实践表明，只有当人们不但掌握了-∑模数转换技术，而且掌握了神奇的固体薄膜技术，全新的超精度地震传感器才会应运而生。
法国SECEL公司研发的DSU采集链是基于MEMS技术的数字检波器采集链。SECEL公司的数字检波器产品之一垂直单分量数字检波器DSU1，于2010年前后在中国地震勘探市场上批量投入勘探应用。DSU1具有宽频线性响应、低畸变特点，是高分辨率地震勘探的理想采集设备。下面将从数字检波器的工作原理、与传统检波器的特性比较、实际生产应用等几个方面，进一步详细分析介绍这新一代地震勘探设备——数字检波器DSU。
2 数字检波器的基本工作原理与DSU单元的电路构成
应当指出，只有当地震仪器从集中车载发展到野外分布阶段以后，把数字检波器固化在采集站内部的想法才可能成为现实。因为在地震仪器集中车载阶段，所有的具有采集站功能的电路板都是安装在仪器车内的，而检波器则始终需要摆放、接插在地面。所以，从最早的模拟记录仪，到早期的15位的数字记录仪，再到基于-∑技术的24位遥测地震仪，这每一个技术进步，对于数字检波器的诞生都不可或缺。
讲数字检波器，首先要弄清楚地震仪器中的一个最基本的单元——地震数据采集站，也称为野外数字化单元，它的主要作用是把地震波激励转化成数字化信号以后，经信号处理器DSP输出到电源站LAUL或交叉站LAUX进行处理，然后送到车载仪器系统的中心站。
那么，数字检波器功能具体如何实现呢？就是在DSU数字检波器采集站中，内置一个基于MEMS技术的加速度感应头，将此加速度感应头与地震数据采集站最核心的部件也即基于-∑技术的24位转换器结合在一起，实现将地震波激励直接转换成数字流的过程。基于-∑技术的24位转换器，其采样频率可达256kHz，256kHz的1bit数据位流经过滤波和抽取，最终输出24位4kHz子样数据。
为了便于从整体上理解数字检波器在地震数据采集中所发挥的作用，在这里需简单介绍一下常规地震数据采集站的基本功能：
（1）接收来自主LAU的命令；
（2）重复大线上的数据包；
（3）数字化地震数据；
（4）采样传输到从LAU；
（5）对仪器和野外测试产生模拟信号；
（6）在EEPROM中存储数据采集站自身的地址；
（7）通过LED闪烁代码告知数据采集站工作的状态。
地震数据采集站常规电路构成与主要功能模块如图1所示：
从上图可见，基于MEMS技术的DSU地震数据采集站的电路构成中，仍然离不开POWER SUPPLY（电源支持）、FDU-INT（信号整形）、FDU COM（管理数据采集站与电源站与交叉站之间的通信）、SIG DEL（-∑24位模数转换）、EEPROM（存储单元）这五大功能模块。
而体现全新的数字检波器功能的，就是下面将要讲到的数字化超精度地震传感器。数字检波器在电路构成上，它是由一个加速度感应头（MEMS）和电压信号的产生与数字化电路（ASIC）一起组成。其工作原理概括地说，就是当地震波激励引起MEMS内的惯性质量体发生位移后，ASIC内有一个力的反馈电路通过感应电极间电容量变化，由放大器输出一个电压信号，并反馈到两电极之间，力图产生一个恢复力，最终使电容器再回到原来的平衡位置。从理论上讲，放大器输出的这个电压信号，就可以被用来描述来自地面的地震波的激励。之后，这个电压信号被检测电路检出，送给采集站内的24位-∑模数转换器，最终输出一个24位的串行数字流。至此，地震波的完全数字化拾取终于变成现实。
传统的地震传感器是直接利用运动线圈两端产生的感应电动势作为地震响应信号，而对于数字检波器的工作原理，深入来说，其实它是一个加速度感应头，完全是一个可变电容器，因其小而一般称之为微机电系统（MicroElectroMechanical System），英文缩写为MEMS。如同一般可变电容器，MEMS有一组固定的和一组可动的电容极板。固定极板与框架结合在一起，可动极板则与一个惯性质量体结合在一起，而惯性质量体又通过上下两个弹簧与框架相连接。此外就是两个电极。当地震信号驱动惯性质量体对弹簧作拉伸或压缩运动时，使得两组极板之间的间隙改变，从而引起两电极之间电容改变。如何能够进一步把这个电容量的变化转换成电压信号，这就是实现数字检波器全数字化拾取的最终目所在。
为了把MEMS两极间电容量的变化转化成电压信号，在电路设计上，是把MEMS的两极接入一个力反馈电路的反馈回路里，做成一个模块。力反馈电路实质是一个模拟放大器，当惯性质量体的轴向垂直朝下（指向地心）且静止不动时，令放大器的输出为一个常量。当受到地震波的激励时，惯性质量体在其静止位置附近做上下运动，同时两电极间电容量随之变化。这时放大器输出一个电压信号，并反馈到两电极之间，力图产生一个恢复力使电容器再回到平衡位置。同时，这个电压信号被检测电路检出，并送24位-∑A/D转换器，最后输出一个24位的串行数字流。这就是数字检波器的完整工作过程。
整个MEMS器件的有效芯体不过几个毫米的大小，可谓精巧别致至极。此外的混合集成电路ASIC，兼有电容到电压的精确变换以及24位-∑A/D的功能。在制造工艺上，MEMS与ASIC各有其单独的封装外壳。
3 单分量数字检波器DSU1与模拟检波器的特性比较
由于工作原理的不同，在单分量数字检波器与传统模拟检波器的特性比较中，除了最基本的区别，数字检波器是基于MEMS技术的加速度计，模拟检波器是基于线圈&磁铁的速度计以外，其它特性区别主要体现在以下几个方面（如表1）：
4 数字检波器DSU1应用结论
通过多个地震勘探项目的实际实用，单分量数字检波器DSU1的易用性、高效率、频带宽等这些最明显的特点，已得到了大家一致的认可。除此之外，随着应用的深入，业内普遍更加清楚地认识到了采用数字检波器的单检波器采集方式，与以往组合方式的模拟检波器相比较，带来了地震数据采集方面更深刻的变化。具体说，可得出以下四个方面的结论：
（1）DSU1是基于MEMS技术的加速度域检波器，单个检波器接收地震数据，对低频数据没有衰减同时也保证了高频成份的信噪比，由于DSU1消除了因组合静校正对高频成份造成的损害，因此相对于模拟检波器来说它具有更宽的频带范围。
（2）DSU1空间采样密度高，可得到比模拟检波器更为准确的静校正。
（3）尽管DSU1炮集记录噪音较强，但是由于很好的空间采样消除了假频的存在，使去噪效果更好。
（4）DSU1较高的空间采样密度使得地震数据的覆盖次数提高，这就很好的补偿了由于单个检波器接收造成的信噪比较低的问题，使最终的偏移结果具有更好的连续性、信噪比及分辨率。
参考文献：
[摘要] 研究中针对地震波传播理论教学中公式多而繁杂、内容抽象等特点，提出了将数值模拟方法引入到“地震勘探原理”课程教学中来，将地震勘探的理论教学与数值模拟技术紧密结合在一起。通过采用数值模拟，可将一些抽象的地震波动力学和运动学传播理论进行直观、形象、动态的展示，激发学生的学习兴趣，调动学生的求知欲望，从而收到事半功倍的教学效果。
[
关键词] 地震勘探；课程教学；数值模拟；地震波；传播理论；教学效果
[中图分类号] G424 [文献标识码] A [文章编号] 1674-893X(2014)05?0054?03
[收稿日期] 2014-07-04；[修回日期] 2014-09-27
[基金项目] 湖南省普通高等学校教学改革研究项目(200910)；国家自然科学基金41004047；41274123)
[作者简介] 张大洲(1979-)，男，甘肃榆中人，博士，中南大学地球科学与信息物理学院讲师，主要研究方向：地震波正反演.
地震勘探课程在应用地球物理学中是一门非常重要的课程。对于地震勘探课程的学习，一般可分为地震勘探原理和地震资料数据处理与解释两部分。地震勘探原理这门课程主要是学习地震勘探的基本理论、基本原理、野外数据采集工作方法等，为学习后续课程-地震资料处理与解释打下基础。地震勘探原理课程教学大纲要求学生必须掌握地震波动力学和运动学的基本概念、基本原理与分析方法，但是有关地震波动力学和运动学方面的内容公式较多，推导较繁，而且比较抽象，因此学生在学习的过程中普遍反映不容易理解，学习效果差。因此，如何提高地震勘探原理课程的学习效果是任课教师必须认真思考的问题[1]。本文针对“地震勘探原理”课程公式多、内容抽象等特点，结合我校应用地球物理的专业特色，探讨了在该课程课堂教学中使用数值模拟的方法来提高学生的学习兴趣，收到了较好的教学效果[2-4]。
一、地震波场数值模拟简介
地震波模拟是根据给定地下介质的结构模型和相应物理参数来模拟地震波的传播过程，从而研究地震波在地下介质中的传播规律。由于模拟过程中可直观、形象、动态地显示地震波动力学和运动学传播特征，非常容易调动学生的学习兴趣和求知欲望，可以收到事半功倍的教学效果。一般来说，地震波模拟可分为物理模拟和数值模拟两种方法。物理模拟是在实验室内将野外的地质构造和地质体按照一定的比例制作成物理模型，然后利用超声波或激光超声波等方法对野外地震勘探方法进行模拟；数值模拟就是利用有限差分、有限元等数值方法求解波动方程，从而获得已知模型的地震波传播。采用物理模拟方法存在费用高、选材困难等缺点，并且不适合于课堂理论教学；而数值模拟只需要一台较高计算速度的计算机就可全部解决问题，既简单方便，成本又低，且非常适合于课堂理论教学。
地震波场数值模拟方法主要有几何射线法和波动方程法。几何射线法也称为射线追踪法，其主要理论基础是，在高频近似条件下，地震波的主能量沿射线轨迹传播，即根据地震波的传播规律确定地震波在实际地层中传播的射线途径，并运用惠更斯原理和费马原理来重建射线路径，利用程函方程等计算射线的旅行时间。射线法的主要优点是概念明确、显示直观、运算方便、适应性强，缺点是旅行时的计算在一定程度上是近似的，特别是对复杂构造进行三维射线追踪时繁琐且误差较大。波动方程数值模拟方法是以弹性（粘弹性）理论及牛顿力学为基础的，求解双典型偏微分方程-波动方程为手段的一种数值模拟方法。这种方法不仅能保持地震波的运动学特征，而且还能保持地震波的动力学特征。根据地震波场数值模拟所采用的这两种不同方法的特点，我们在地震勘探原理课程讲授过程中采用波动方程弹性波数值模拟方法，这种方法的模拟结果可以使学生更好地了解地震波在传播过程中的运动学和动力学特征。目前用于波动方程数值模拟的方法主要有限差分法、有限元法、虚谱法等，在这些方法中有限差分法在计算精度、计算效率上都占有较大的优势，因此我们在数值模拟时采用了有限差分模拟方法[5]。
二、应用实例
地震波数值模拟在地震勘探原理课程教学中的应用比较广泛，在大部分的知识点讲解中都可采用数值模拟来对一些方法原理进行动态演示。在本文中主要通过两个知识点的应用来说明数值模拟方法在地震勘探原理课程教学中的效果。
（一）地震波的传播及界面处的反射、折射、透射和波形转换
在讲解地震波场的基本知识一节中，主要讲解地震波的传播特点，其中一些名词如波前、波后、球面波、平面波等，学生理解起来比较抽象，一些概念只能靠死记硬背。在讲解地震纵、横波的传播特点时，对于波在界面处发生的反射、透射、折射以及波形转换等，由于学生对波场的概念没有直观的认识，所以老师讲解起来也非常抽象和费力。在这种情况下，我们将数值模拟技术引入到课堂教学中，通过开发地震波场实时模拟软件，只需设置好模型和参数，软件将以动画的形式动态展示波场传播的全过程。
下面以两层介质为例进行说明：模型大小为600m×300m，网格大小为，时间采样间隔为。模型上层纵波波速为3 000m/s，横波波速为1 732m/s，密度为1.8g/cm3；下层纵波波速为4 000m/s，横波波速为2 300m/s，密度为2.0g/cm3 。图1 为两层介质模型波场传播快照（t=20～100ms），从图中可见，当t=20ms 时纵波和横波以震源为中心向下传播，此时由于传播时间较短，P 波（纵波）和S 波（横波）在图上还不能完全分清楚。当t=40ms 时，从图中可以看出，由于P 波波速较快传播在前，S 波在后，P、S 波都是以震源为圆心的同心半圆。根据波场快照很容易让学生理解波前和波后的概念。当t=40ms 时，从图1(d)中可以看出，P 波到达界面后发生反射和透射，同时产生转换S 波。当t=80ms 时，从图1(g)中可以看出，此时S 波到达分界面后也发生反射和透射，同时产生转换P 波。在图1(h)中对于不同类型的地震波做了相应的标识，从图中可以看出对于两层介质中弹性波传播时波场也比较复杂，有直达P 和S波、透射P 和S 波、反射P 和S 波、PS 转换波和SP 转换波。由于上述波场较为复杂，在学生认识波场特征时容易混淆，鉴于这种情况，我们对于数值模拟技术做了相应的改进，在模拟过程中对P 波和S 波进行了分离，图2 为两层模型t=90ms 时分离后的P 波和S 波波场快照，从图2 中可以看出分离后的波场快照波场更加清晰，学生在认识波场传播特性时也会更加容易理解和掌握。
（二）瑞雷波传播特性
瑞雷波方法是近年来发展较为迅速的一种工程地球物理方法，在讲解瑞雷波传播特点时主要是通过其传播速度、能量衰减和频散特点等三个方面展开的。由于瑞雷波属于面波，与纵、横波所属的体波相比其传播特点有较大的差别。在瑞雷波传播特性这一节课程的讲解过程中，我们就充分运用了数值模拟方法[6]。图3 为均匀半空间模型下利用数值模拟方法获得的t=260ms 时瑞雷波波场传播快照，其中模型参数为：纵波速度Vp=1000ms，横波速度Vs=577m/s，密度ρ =2.0g/cm3。从图3 中可以看出，瑞雷波沿地表传播，其传播速度和横波波速比较接近。从波场传播快照中计算可得瑞雷波的传播速度为Vr≈ 531m/s，而模型中已知的横波速度为Vs=577m/s，瑞雷波速度和横波速度两者相比为0.92倍。由于所给模型为泊松体，从理论上分析可知，瑞雷波传播速度和横波传播速度比值为0.92，这样通过数值模拟，就很容易将瑞雷波和横波的关系讲解清楚，学生理解起来非常方便。
而对于瑞雷波传播深度的知识点，从理论分析可知，瑞雷波的传播深度为一个波长且波的能量呈指数衰减。对于瑞雷波的这个性质，由于和体波传播特性差别较大，学生们理解起来存在一定的困难。我们通过数值模拟，从波场传播快照上就可以对这个问题给予清楚说明。从图3 的快照中可以测量出瑞雷波在模型空间中的传播深度约为50m，在50m 以下基本上看不到瑞雷波的存在，通过计算模拟时瑞雷波传播的最大波长为44.2m，这充分说明瑞雷波的传播深度为一个波长。为了说明瑞雷波能量呈指数衰减的问题，我们从波场快照上提取了一道瑞雷波数据并进行指数拟合，得到该模型瑞雷波的能量衰减公式为：，其拟合曲线如图4 所示。从图中可见，在深度为44.2m 处能量衰减到原来的0.8%，在22.1m（即半个主波长）处能量衰减到原来的7.9%。因此，对于瑞雷波用于工程地质勘察中，通常取二分之一波长为其有效勘探深度，就可以得到较合理的解释了。
参考文献：
[1] 孙建国.浅论地球物理专业本科阶段的创新能力培养[J].中国大学教育，2011(10)：29-31.
[2] 张娟霞，郭献章，周秀艳.数值试验在材料力学课程教学中的应用[J].高等建筑教育，2009，18(3)：128-130.
[3] 刘鹏程.采取多种教学措施提高“油藏数值模拟”课程的教学效果[J].中国地质教育，2010(3)：114-116.
[4] 黄成玉，刘德国.《电磁场与电磁波》课程教学的改革与创新[J].创新与创业教育，2012，3(2)：90-93.
[5] 马在田，曹景忠，王家林，等.计算地球物理学概论[M].上海：同济大学出版社，1997：1-10.
关键词：地震勘探检波器；原理；特性；问题
在地震勘探工作中，检波器主要的作用为接收地震信号，属于对地震信号进行接收的前段环节，投入应用能够以直接的方式感知大地质点振动。但是，从实际工作来看，倘若不能了解地震勘探检波器的原理和特性，那么在使用过程中将会出现一些问题，从而影响地震勘探效果[1]。基于地震勘探工作的效率提升角度考虑，本文便有必要对地震勘探检波器原理和特性及有关问题进行分析。
1.地震勘探检波器原理及特性分析
1.1地震勘探检波器原理
对于地震勘探检波器来说，属于一种振动传感器，其工作原理和振动传感器相同，为一个单自由度的振动系统。以感应振动信号的物理量差异，可细分为三类传感器，即：位移传感器、速度传感器以及加速度传感器。但是，不论哪一类型的振动传感器，均对当中的一个物理量感应，切主要以输出的电信号和哪个物理量成正相关为准则[2]。此外，从地震检波器的机电转换来看，其主要作用为把振动系统感应的振动信号等比例地转换成电信号。根据转换原理角度来看，涵盖的检波器较多，如：电磁感应检波器、电容检波器以及压电检波器等。
1.2地震勘探检波器特性
从地震勘探检波器的特性来看，主要有两类：其一为动态特性；其二为静态特性。两方面的特性对检波器的品质有非常重要的影响。对于动态特性参数来说，涵盖了固有频率、阻尼系数、频率响应范围以及频率特性等等。对于静态特性参数来说，涵盖了有线性度、灵敏度、分辨率以及稳定性等。
检波器动态特性，指的是检波器对随着时间改变输出量的响应特性，其由传感器自身决定，同时和被测量的改变方式也存在相关性。深入分析，动态特性是由检波器的振动方程与力学特性决定的，经解振动方程能够获取系统的频率响应函数，进一步将幅频响应与相频响应函数求解出来，而决定响应特性的参数主要包括检波器的自然平率以及阻尼比。
2.地震勘探检波器相关问题及排除方法分析
在上述分析过程中，对地震勘探检波器原理及特性有了初步了解。但在实际应用过程中，地震勘探检波器还涉及相关问题。为了地震勘探检波器的应用价值得到有效提高，有必要对其问题及排除方法进行分析。
2.1常规检波器问题
基于地震勘探过程中，将20DX作为代表的检波器统称为常规检波器，其自然频率通常为10Hz。此类检波器虽然能够在常规地震勘探中发挥作用，但是也存在一些较为明显的问题，主要包括：（1）指标参数允差偏大，检波器一致性差，进而使地震资料的分辨能力下降。为此，处于高精度地震勘探过程中，需使用性能参数允差较小的检波器。从现状来看，允差在±2.5%的检波器已投入市场，但成本费用相对增多。（2）存在较大的失真度，会对动态范围造成影响，进一步发生信号畸变。为此，需将常规检波器的失真度控制在合理范围内，使其动态范围满足勘探要求，进一步避免地震信号畸变的发生。（3）假频低，会对频带范围造成影响，进而使横向干扰产生较大的影响。因此，有必要控制假频，消除造成的横向干扰，进而使勘探效果增强。
2.2自然频率问题
对于自然频率来说，属于地震勘探中一大关键的检波器参数，如果检波器的自然频率偏高，将会使地震信号的频宽降低，这是一大问题。倘若无特殊的抑制低频干扰，或者无增强某高频段信号，可使用频带比较宽的检波器。总而言之，对于检波器来说，具备比较宽的频带范围为宜。
2.3Ρ仁匝槲侍
检波器对比试验主要问题包括：其一，试验目的不够明确，在选取检波器过程中，存在一些个人方面的因素，当检波器人对检波器不够熟悉的情况下，试验便会出现问题。其二，试验内容不够具体；其三，试验资料分析针对性不够强。针对上述问题，需明确检波器对比试验的目的，同时明确试验内容，采取合理、科学的分析方法，进一步提升检波器试验的效果。
3.结语
通过本文的探究，认识到地震勘探检波器在地震探勘过程中的应用价值较高。为了正确使用地震勘探检波器，需了解地震勘探检波器的原理及特性，进一步对其实际应用问题进行分析，并采取有针对性的解决方法。相信在正确使用地震勘探检波器，并结合地震资料采集成果分析的条件下，地震勘探工作的效率及质量将能够得到有效提高，进一步为地震勘探的发展奠定基础。
参考文献：
[1]程建远，王盼，吴海，江浩.地震勘探仪的发展历程与趋势[J].煤炭科学技术，2013，01：30-35.
一、地震波场数值模拟简介
地震波模拟是根据给定地下介质的结构模型和相应物理参数来模拟地震波的传播过程，从而研究地震波在地下介质中的传播规律。由于模拟过程中可直观、形象、动态地显示地震波动力学和运动学传播特征，非常容易调动学生的学习兴趣和求知欲望，可以收到事半功倍的教学效果。一般来说，地震波模拟可分为物理模拟和数值模拟两种方法。物理模拟是在实验室内将野外的地质构造和地质体按照一定的比例制作成物理模型，然后利用超声波或激光超声波等方法对野外地震勘探方法进行模拟；数值模拟就是利用有限差分、有限元等数值方法求解波动方程，从而获得已知模型的地震波传播。采用物理模拟方法存在费用高、选材困难等缺点，并且不适合于课堂理论教学；而数值模拟只需要一台较高计算速度的计算机就可全部解决问题，既简单方便，成本又低，且非常适合于课堂理论教学。
地震波场数值模拟方法主要有几何射线法和波动方程法。几何射线法也称为射线追踪法，其主要理论基础是，在高频近似条件下，地震波的主能量沿射线轨迹传播，即根据地震波的传播规律确定地震波在实际地层中传播的射线途径，并运用惠更斯原理和费马原理来重建射线路径，利用程函方程等计算射线的旅行时间。射线法的主要优点是概念明确、显示直观、运算方便、适应性强，缺点是旅行时的计算在一定程度上是近似的，特别是对复杂构造进行三维射线追踪时繁琐且误差较大。波动方程数值模拟方法是以弹性（粘弹性）理论及牛顿力学为基础的，求解双典型偏微分方程-波动方程为手段的一种数值模拟方法。这种方法不仅能保持地震波的运动学特征，而且还能保持地震波的动力学特征。根据地震波场数值模拟所采用的这两种不同方法的特点，我们在地震勘探原理课程讲授过程中采用波动方程弹性波数值模拟方法，这种方法的模拟结果可以使学生更好地了解地震波在传播过程中的运动学和动力学特征。目前用于波动方程数值模拟的方法主要有限差分法、有限元法、虚谱法等，在这些方法中有限差分法在计算精度、计算效率上都占有较大的优势，因此我们在数值模拟时采用了有限差分模拟方法[5]。
二、应用实例
地震波数值模拟在地震勘探原理课程教学中的应用比较广泛，在大部分的知识点讲解中都可采用数值模拟来对一些方法原理进行动态演示。在本文中主要通过两个知识点的应用来说明数值模拟方法在地震勘探原理课程教学中的效果。
（一）地震波的传播及界面处的反射、折射、透射和波形转换
在讲解地震波场的基本知识一节中，主要讲解地震波的传播特点，其中一些名词如波前、波后、球面波、平面波等，学生理解起来比较抽象，一些概念只能靠死记硬背。在讲解地震纵、横波的传播特点时，对于波在界面处发生的反射、透射、折射以及波形转换等，由于学生对波场的概念没有直观的认识，所以老师讲解起来也非常抽象和费力。在这种情况下，我们将数值模拟技术引入到课堂教学中，通过开发地震波场实时模拟软件，只需设置好模型和参数，软件将以动画的形式动态展示波场传播的全过程。
下面以两层介质为例进行说明：模型大小为600m×300m，网格大小为 ，时间采样间隔为 。模型上层纵波波速为3 000m/s，横波波速为1 732m/s，密度为1.8g/cm3；下层纵波波速为4 000m/s，横波波速为2 300m/s，密度为2.0g/cm3。图1为两层介质模型波场传播快照（t=20～100ms），从图中可见，当t=20ms时纵波和横波以震源为中心向下传播，此时由于传播时间较短，P波（纵波）和S波（横波）在图上还不能完全分清楚。当t=40ms时，从图中可以看出，由于P波波速较快传播在前，S波在后，P、S波都是以震源为圆心的同心半圆。根据波场快照很容易让学生理解波前和波后的概念。当t=40ms时，从图1（d）中可以看出，P波到达界面后发生反射和透射，同时产生转换S波。当t=80ms时，从图1（g）中可以看出，此时S波到达分界面后也发生反射和透射，同时产生转换P波。在图1（h）中对于不同类型的地震波做了相应的标识，从图中可以看出对于两层介质中弹性波传播时波场也比较复杂，有直达P和S波、透射P和S波、反射P和S波、PS转换波和SP转换波。由于上述波场较为复杂，在学生认识波场特征时容易混淆，鉴于这种情况，我们对于数值模拟技术做了相应的改进，在模拟过程中对P波和S波进行了分离，图2为两层模型t=90ms时分离后的P波和S波波场快照，从图2中可以看出分离后的波场快照波场更加清晰，学生在认识波场传播特性时也会更加容易理解和掌握。
（二）瑞雷波传播特性
瑞雷波方法是近年来发展较为迅速的一种工程地球物理方法，在讲解瑞雷波传播特点时主要是通过其传播速度、能量衰减和频散特点等三个方面展开的。由于瑞雷波属于面波，与纵、横波所属的体波相比其传播特点有较大的差别。在瑞雷波传播特性这一节课程的讲解过程中，我们就充分运用了数值模拟方法[6]。图3为均匀半空间模型下利用数值模拟方法获得的t=260ms时瑞雷波波场传播快照，其中模型参数为：纵波速度 =1000ms，横波速度 =577m/s，密度 =2.0g/cm3。从图3中可以看出，瑞雷波沿地表传播，其传播速度和横波波速比较接近。从波场传播快照中计算可得瑞雷波的传播速度为 531m/s，而模型中已知的横波速度为 =577m/s，瑞雷波速度和横波速度两者相比为0.92倍。由于所给模型为泊松体， 从理论上分析可知，瑞雷波传播速度和横波传播速度比值为0.92，这样通过数值模拟，就很容易将瑞雷波和横波的关系讲解清楚，学生理解起来非常方便。
而对于瑞雷波传播深度的知识点，从理论分析可知，瑞雷波的传播深度为一个波长且波的能量呈指数衰减。对于瑞雷波的这个性质，由于和体波传播特性差别较大，学生们理解起来存在一定的困难。我们通过数值模拟，从波场传播快照上就可以对这个问题给予清楚说明。从图3的快照中可以测量出瑞雷波在模型空间中的传播深度约为50m，在50m以下基本上看不到瑞雷波的存在，通过计算模拟时瑞雷波传播的最大波长为44.2m，这充分说明瑞雷波的传播深度为一个波长。为了说明瑞雷波能量呈指数衰减的问题，我们从波场快照上提取了一道瑞雷波数据并进行指数拟合，得到该模型瑞雷波的能量衰减公式为： ，其拟合曲线如图4所示。从图中可见，在深度为44.2m处能量衰减到原来的0.8%，在22.1m（即半个主波长）处能量衰减到原来的7.9%。因此，对于瑞雷波用于工程地质勘察中，通常取二分之一波长为其有效勘探深度，就可以得到较合理的解释了。
三、结论
通过以上两个实例充分说明了数值模拟方法在地震勘探原理课程讲解过程中的作用，对于学生掌握知识要点领确实有很大的帮助。通过数值模拟技术，可以将一些抽象的地震波动力学和运动学传播理论进行直观、形象、动态的展示，提高学生的学习兴趣，使学生能够较好地理解和扎实地掌握地震勘探的基本理论。
参考文献：
[1] 孙建国.浅论地球物理专业本科阶段的创新能力培养[J].中国大学教育，2011（10）：29-31.
[2] 张娟霞，郭献章，周秀艳.数值试验在材料力学课程教学中的应用[J].高等建筑教育，2009，18（3）：128-130.
[3] 刘鹏程.采取多种教学措施提高“油藏数值模拟”课程的教学效果[J].中国地质教育，2010（3）：114-116.
[4] 黄成玉，刘德国.《电磁场与电磁波》课程教学的改革与创新[J].创新与创业教育，2012，3（2）：90-93.
关键词：多分量技术 勘探原理 实际应用前景展望
一、多分量地震勘探技术概述
40年前，地球物理学家开始对多波地震勘探进行研究，特别是在学者证实了裂隙诱导各向异性的特征和横波分裂的存在后，地震波的各向异性就成为了学术界研究的方向和热点，同国外相比我国的地震各向异性的研究起步较晚，在进入到改革开放后才逐步发展起来。具体到多分量地震勘探技术来讲，近10多年来，主要集中在以下领域的研究拓展：
1、多分量地震勘探原理
多分量地震波的勘探原理是利用地震产生的横纵波对勘测的区域进行回波信息采集。大量的多波技术研究仍然是针对转换波采集，激发采用常规纵波震源，接收采用多分量数字检波器，以获得纵(P)波和转换(P-S)波。地震波在岩层中以球面形式传播，当遇到岩层物性界面的时候就会一部分反射，一部分发生折射进入前方的介质。反射和折射回来的信号被高灵敏度的多分量数字检波器采集并传送至中央处理器，此时就可以根据地震波在不同介质中的传播特性差异来进行分析，并利用综合解释系统来反演地下地质结构。
针对煤田勘探来讲，由横波速度比纵波速度慢可看出，对于厚度较小的同一岩层，横波从某一岩层顶传播到其岩层底所需的时间比纵波长。由于煤层厚度一般不大，因此，根据横波来分辨煤层的能力要比纵波强。理论与试验表明，综合应用纵波和横波资料可获得更准确的反映构造和岩性的参数，
2、多分量的数据采集
多波多分量地震研究首先要解决的是信息采集技术，其采集的重点是对转换波测量。目前，在三分量野外数据采集设备的研究和发展方面，已经取得了突破，多道遥测数字地震仪和多分量数字检波器相继问世。为了解决陆上静态校正问题，研究出多波微测井等技术。3D/3C地震观测普遍采用的是宽带方位块状检测系统，如今已经出现了针对转换波勘探的商业用软件。此外，针对海洋地震的三维四分量海底电缆也已经得到了广泛的应用。
3、多分量的数据处理
采集完成后就需要对多分量数据进行处理，通常资料处理包括了：整个波场的处理，如对波场进行分离；P波的时间、深度域的分析处理；P-SV波的时间、深度域的分析处理。转换波处理与P波处理十分相似，但也存在着不同，因为转换波的射线路径是不对称分布的，所以不能用P波处理技术完全分析。另外，横波的静校正量要大于纵波，这就会对VP/VS和近地表方位的各向异性分析产生影响；因为波场存在耦合，所以不能对横纵波进行绝对的分离，从而影响处理的效果。
二、多分量地震勘测技术的应用实验
以某地区的多分量二维地震勘查区为例。
1、数据的采集
为了勘测该区域的地质构造及煤层赋存情况，对该区域进行了常规二维地震勘探后又在预选区域进行了多分量地震数据采集技术应用实验。区域内的地表主要为田地、林地；激发岩层性质为黄沙、黄胶泥、泥灰砂等。按照多分量地震勘探的方法和技术要求进行多条二维地震测线数据采集。
在实验开始前首先进行了施工方案的前期论证，根据实验区域的纵波资料和测井资料设计地质模型，进行多分量地震数据的正演工作，然后根据纵波、转换波产生机理差异，进行纵波和横波联合观测系统的设计。在参考目的层深度的前提下，利用理论计算形成纵横波的反射系数与排列长度的曲线关系，从而设计出相应的最大排列长度。根据不同层面上确定的最佳数据接收窗口，可以知道纵波炮检范围在0-3000m，转换波炮检的距离为400-4500m，在此基础上设计了若干观测系统和施工参数，并进行了现场试验，以此甄选出最佳的观测系统。
如图1所示，其中一条D01测线接收的三分量地震记录。从能量分析上看，Z分量所形成的能量最强，X分量次之，Y分量能量为最小。从X分量上看，标示出的T06、T1、T2、T4层转换波最为明显，资料的质量也较高。
图1：D01测线三分量地震原始记录
2、多分量地震勘探生成的资料的处理和解释思路
对多分量地震资料的处理和解释的基本流程：1）制作合成的地震波资料记录，因为纵波在垂直方向射入不能产生转换波，所以主要根据横波测井资料制作不同的炮检距的记录，然后进行动态校对处理，最后利用叠加得到转换波的合成资料。处理情况如图2。
图2：转换波地震记录
2）波形识别与层位的对比，在合成地震记录的标定基础上，确定纵波和转换波所控制的层位。和常规的纵波地震资料相比，多分量地震资料首先应当对波形进行识别然后再对多波层位进行标定。主要采用的技术措施就是利用多波的极化特征、速度传播规律、频谱特性、振幅差异、炮检距离等相关特性对采集到的波形进行识别和分析。层位对比是纵横波资料联合解释及对岩层性质参数提取的关键问题。
3）对时间进行压缩，根据控制层位置将转换波压缩到与纵波相一致的时间尺度，通过压缩时间的对比，可以获得相应的纵波和横波之间明显的对应关系。
4）对所属的剖面属性进行计算，即对纵波、横波振幅比剖面或者泊松比等属性剖面进行计算。从图3中可以看出D01测线部分多分量时深剖面图。
图3：经时间压缩后的D01测线多分量剖面
从剖面上看，转换波剖面与纵波剖面相比，所反映的地下地质结构变化不大，但转换波剖面对目的层中的岩溶管道裂隙及一些微小构造异常等反应的较清楚。根据纵波速度与岩层构造中的孔隙度、孔隙中的流体性质有关，纵波在含气、流体层中传播，速度有所降低，导致成像不好，能量减弱，而横波在通过含气、流体层时，速度基本不受影响，因而转换波能量基本保持不变。通过纵横波剖面相互对比，并参考已知地层资料揭示的内容，证实在该段目的层中存在着裂隙发育和微小断层。
三、与单一纵波地震勘探相比多分量地震勘探应用中的优势和难点
多分量地震数据的采集和分析都是为了更好的对数据进行利用，以此达到准确勘测的目的，在解译和利用方面除了常规的层位解译外，主要的资料应用优势还包括以下几点：1）转换波对成像的质量起到了优化作用，转换波在穿过储气层、盐丘等介质时，成像有特有的优势效果。横波基本不会受到充气沉积岩的散射和衰减的干扰；2）用纵横波的振幅差异分析岩层的类型和含油气情况；3）流体描述，因为横波不受孔隙中流体性质的影响，可以识别孔隙中是否含有流体；4）采用横波分裂进行裂缝和各向异性的分析，当横波通过各向异性介质的时候，会出现分裂，形成快横波和慢横波，其偏振性、时差以及振幅差异等有益于对裂隙进行定性和定量的分析和评估； 5）横波联合对地震数据资料进行反演，以此消除单一波形对地震反演的欠缺，即利用横波信息在一定的程度上缓解只用纵波推演的多解性。
除了上述的应用优势以外，目前来说，多波地震勘探也存在着不少难题：(1)相位对比比较困难；(2)层位追踪对比存在误差；(3)“同分辨率滤波”法很难将纵、横波剖面中的相位完全对应。此外，多波地震勘探本身还存在着许多技术难点，如横波剖面的信噪比较低，处理时存在横波的静校正、共转换点的确定、VVO以及纵、横波分离等尚待研究解决的问题。
四、结论和应用前景展望
多波地震勘探解决了很多常规单一纵波勘探难于解决的地质问题，在小断层识别、储气下地层解释、纵横波剖面联合解释油气层方面和某些薄煤层地区有着自己独特的优势，而且在实际应用中，对比证明其对泥岩、砾岩、砂岩等都有较好的辨识能力，完全可以为勘探结论提供必要的参考。
特别是近10年来，随着多分量地震勘探技术在理论和仪器上的发展，多波勘探方法正在成为一种新兴的、具有广阔应用前景的勘探技术。在煤田勘探中引入多波地震勘探，将会实现从找构造为主，发展为地层地震和岩性地震，达到构造精细勘探和岩性预测，解决煤矿综合机械化开采所要求查明的地质问题，开辟地震勘探在煤层气、勘探、煤炭地下气化和矿井岩溶水防治等应用的新领域。
参考文献：
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[3]刘军迎,雍学善,高建虎,杨午阳.多波多分量地震波场数值模拟及分析[J].石油物探, 2007,(05) .
关键词：三维地震勘探技术；煤层；观测系统；资料解释
引言
运用三维地震勘探技术，能够有效的解决煤田勘探中：褶曲、断层、陷落柱、煤层变化等地质现象[2]。三维地震勘探概念是在1970年由地球物理学家沃尔顿提出，经过四十多年的发展，三维地震勘探技术已经形成包括野外资料采集、室内资料处理和成果解释的一整套技术体系。
1 三维地震勘探的原理
地震勘探一般是通过炸药或者可控震源来形成地震波，在地震波向下传播的过程中，因为不同地层岩性差异，导致波阻抗不同，从而在界面处产生不同的反射和折射，在地面上用专门的采集装置接收，从而记录下了地下反射波的信息。上述讲述的是地震勘探的基本原理，我们通常对二维地震勘探反射波法比较熟悉，其实三维地震勘探和二维地震勘探在基本原理和实用技术方面有很多相似之处[3]。
2 地震地质条件
勘探区位于新疆西部的准噶尔盆地东部北缘地带，表层地震地质条件较差，地貌为呈北西-南东向多垅沙漠，沙垅相对高差5～15m，对野外施工造成了一定的困难。勘探区浅层被第四纪、新近纪地层大面积覆盖，且新近纪地层与下伏地层呈角度不整合接触，有良好的波阻抗界面，能够产生能量较强的反射波。中、深层地震地质条件较好[4]，煤层赋存条件较好，构造简单，地层倾角较平缓，煤层顶底板岩性、岩相组合特征清楚，物性特征突出，以致形成较强反射波。
3 三维地震勘探的技术要求
3.1 观测系统
设计的三维观测系统是否合理会直接影响勘探效果和精度，根据勘探区的地震地质条件和实验资料分析，选择如下观测系统（图1）。
排列方式：束状8线10炮制，中点发炮；接收道数：8×48=384道；接收线距：40m；接收道距：20m；接收炮距：80m；纵向偏移距：20m+20m；最小非纵距：10m；最大非纵距：310m；排列长度：480m+480m；最大炮检距：571.4m；CDP网格：10m（横向）×10m（纵向）；覆盖次数：6次（纵向）×4次（横向）。
3.2 施工方法
激发条件：单井6m井深，1.0kgTNT高速成型炸药填土闷孔激发；成孔设备：戈壁钻机；接收方式：采用4个100Hz检波器2串2并组合接收，检波器挖坑用土埋置且引线掩埋60cm以上；仪器型号：408UL多道遥测数字地震仪；记录长度：1.5s；记录格式：SEG-Y；采样间隔：0.5ms；接收道数：384道；仪器频带：全频带接收。
4 资料处理与解释
4.1 资料处理
主要处理的参数：带通最小相位、零相位滤波：（20/30～140/150Hz）；地表一致性预测反褶积：预测步长8ms；时窗0～1000ms，因子长度100ms；叠后滤波：（20/30～120/130Hz）；初至折射静校正参数：水平基准面+650m；低速带速度600m/s；替代速度2100m/s。
采取的主要措施包括：建立空间属性、道编辑、叠前单炮净化、静校正、反褶积、精细的NMO、DMO速度谱分析、剩余静校正、三维偏移等一系列处理。
4.2 资料解释
资料解释依据的是处理后得到的三维偏移数据体，具体解释方法以垂直时间剖面为主。
4.2.1 褶曲解释
经过三维空间偏移校正后的三维地震资料，速度变化平稳的情况下，其经过时深转换后，地震数据由时间域可变为空间域，此技术使得偏移剖面更加接近真实构造形态。本勘探区地层基本为一轴向北西-南东的宽缓背斜形态，局部发育着次一级褶曲。褶曲形态可通过时间剖面得到直观的解释（图2）。
4.2.2 断层解释
在地震资料解释中断层解释占据着十分重要的地位。三维地震勘探对于断层解释有其独特的优点，它以三维地震数据体为基础，利用的最主要的技术手段是地震相干技术[5]，利用其对断层非常敏感的特性，可利用Landmark 解释系统在相干体上直接解释断层。
4.2.3 煤层厚度解释
煤层厚度可根据煤层顶、底板反射波时差以及反射波振幅等动力学参数解释煤层厚度，每层厚度的变化，直接影响着反射波的能量强弱以及信噪比的高低。
本勘探区B3煤层较厚，根据煤层顶、底板反射波时差（图3）与钻孔揭露煤层厚度制作δh/δs转换曲线（图4）解释厚煤层区煤层厚度。
5 结束语
本次三维地震勘探是在本矿区的首次应用，通过实例证明，三维地震勘探技术能够很好的实现煤田勘探的任务且获得的时间剖面信噪比、分辨率较高，丰富的三维资料信息为解释工作奠定了可靠基础。
参考文献
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[2]杨德义.煤矿三维地震勘探技术发展趋势[J].中国煤炭地质，2011：42-55.
[3]刘明.三维地震勘探技术的应用分析[J]中国新技术新产品，2010：1-2.
[4]张秀红.深层三维地震勘探数据采集技术[J].石油地球物理勘探，2003：358-365.
[5]付雷，等.相干体技术在三维地震资料中的应用[J].世界地质，2000：279-281.
关键词 油田地质勘探；地震勘探；方法分类；应用效果
中图分类号：P631 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）04-0102-01
从油田地质勘探工作实际出发，地震勘探方法的选择对油田地质勘探工作具有重要意义。基于油田地质勘探工作的现实需要，地震勘探技术将成为保证油田地质勘探效果的重要手段。为此，我们要对地震勘探技术方法的内容、分类及应用效果进行分析，保证地震勘探技术能够更好的为地质勘探工作服务，使地质勘探工作能够取得积极效果，为油田地质勘探提供有力的技术支持，满足油田地质勘探的实际需要，达到促进油田地质勘探效果，提高油田地质勘探实效性的目的，促进油田地质勘探取得积极效果。
1 广角地震解决模糊成像区成像技术
在油田地质勘探工作中，如何解决模糊成像区成像效果，是保证地质勘探工作取得积极效果的重要内容。结合油田地质勘探工作实际，模糊成像区成像主要可以依靠广角地震技术来解决，具体应采用以下方式。
1）利用折射波，以取得高速屏蔽层顶面和基底的构造形态及基底的速度。
通过采取这一手段，模糊成像区的光波折射基底得到了改变，光波的传输速度发生了变化，使得模糊成像区的成像效果较原来有所改善，满足了模糊成像需要，提高了成像质量。
2）利用广角反射波，以避开近偏移距上的各种难以避免的干扰波，提高成像质量，使得常规方法成像模糊区变得更清晰。
对广角反射波的利用，是模糊成像区提高成像质量的重要手段，对促进模糊成像效果的提高具有重要作用。从这一点来看，广角反射波法将会得到重要应用，对模糊成像区成像具有重要的促进作用。
3）利用高速层中的转换波，以对高速屏蔽层之下的低速储层成像。
在模糊成像区成像过程中，应善于利用高速层中的转换波，保证模糊成像的整体效果满足实际需求。同时，要利用高速层中的转换波与低速储层的差异，做好成像工作，满足成像需要。
由此可见，广角地震法成为了解决模糊成像区成像问题的重要技术。为此，我们应认真总结广角地震模糊成像法，在模糊成像过程中积极运用广角地震法，满足模糊成像的实际需要。
2 山前带地震勘探技术
在石油地质勘探过程中，对于地形特殊的地区普通地震勘探技术难以奏效。通过了解发现，山前带地震勘探技术在山区地震勘探中得到了重要应用，并取得了积极效果。
“针对目标基于模型的分段、分线、分区设计”是复杂山地山前带地震采集方法设计的正确路线。
1）“面向目标基于地表与地下特征”的“分段、分线、分区设计”是优化观测系统设计与实施的准则。
在山前带地震勘探过程中，分段、分线和分区设计是保证山前带地震勘探取得积极效果的关键。为此，我们要理解山前带地震勘探的总体过程和技术特点。
2）“分区、分段设计激发方式与激发参数” 是做好激发工作提高原始资料品质的基础。
在山前带地震勘探中，分区、分段的设计往往能够在激发方式和激发参数上取得较好的融合。为此，我们应在山前带地震勘探中，将激发方式与激发参数进行有效融合。
3）“多信息分区建模、统一建库”，采用“中间参考面”计算静校正量的方法是提高山地山前带静校正精度的关键。
对于山前带地震勘探而言，勘探精度是关注的焦点，为了保证勘探精度满足实际需要，应在勘探中有效计算静校正量，提高勘探的整体精度。
目前来看，山前带地震勘探技术对山地地质勘探具有重要作用，不但提高了山前带地震勘探的整体效果，也解决了山前带地震勘探的实际需要。为此，我们应重视山前带地震勘探的作用，将其作为重要的地震勘探方法来看待。
3 大排列相位校正技术
对于油田地震勘探而言，除了上述地震勘探方法之外，大排列相位校正技术也得到了重要应用，并取得了积极效果。目前来看，大排列相位校正技术特点和应用效果主要表现在以下两个方面。
1）采用大排列方式的观测系统采集数据存在着相位差，在进行数据处理时，应该进行相位校正，才能得到连续可以追踪的反射同相轴。地震相位的变化和地震波入射角及岩性都密切相关。对地震相位校正的前期工作，主要是基于模型的地震分析技术。在此基础上开展方法技术研究，完成相位校正。
2）目前大排列相位校正技术在油田地震勘探中得到了重要应用。从其应用范围来看，大排列相位校正技术改善了原有的数据处理方式，提高了数据处理效果，并进行了必要的相位校正，保证了相位校正的整体效果满足实际需要。为此，大排列相位校正技术对于油田地震勘探具有重要的应用价值，是提高油田地震勘探效果，提升油田地震勘探质量的重要手段，对油田地震勘探具有重要的促进作用和现实意义。基于这一优点，大排列相位校正技术在油田地震勘探应用中取得了积极的应用效果，满足了油田地震勘探的整体效果。
4 结论
通过本文的分析可知，在油田地震勘探过程中，地震勘探方法的选择是保证勘探效果的关键。从目前油田地震勘探技术的发展来看，可供选择的地震勘探方法较多。为此，我们应根据油田地震勘探现场实际，合理选择地震勘探方法，并对地震勘探技术的分类及应用效果进行认真分析，满足地震勘探工作需要，达到提高地震勘探效果的目的，促进油田地震勘探工作发展。
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