地球物理儀器學習報告地震勘探儀器姓名：蔡敬祥（09023328）院系：核工院勘查技術與工程指導老師：黎正根目錄：緒論………………2：地震勘探的物理方法簡介………6：所用的傳感器原理及參數………9：電路原理與方框圖………………11：儀器工作過程的注意事項………21：WZG-24A地震儀器簡介………25：心得體會…………29第一章緒論1，地球物理學地球物理學用物理學的原理和方法，對地球的各種物理場分布及其變化進行觀測，探索地球本體及近地空間的介質結構、物質組成、形成和演化，研究與其相關的各種自然現象及其變化規律。在此基礎上為探測地球內部結構與構造、尋找能源、資源和環境監測提供理論、方法和技術，為災害預報提供重要依據。已故著名地球物理學家趙九章先生是這樣形容地球物理學的——“上窮碧落下黃泉、兩處茫茫都不見”。地球物理學的研究內容總體上可以分為應用和理論地球物理兩大類。2，勘探方法地理物理勘探所給出的是根據物理現象對地質體或地質構造做出解釋推斷的結果﹐因此﹐它是間接的勘探方法。此外﹐用地球物理方法研究或勘查地質體或地質構造﹐是根據測量數據或所觀測的地球物理場求解場源體的問題﹐是地球物理場的反演的問題﹐而反演的結果一般是多解的﹐因此﹐地球物理勘探存在多解性的問題。為了獲得更準確更有效的解釋結果﹐一般盡可能通過多種物探方法配合﹐進行對比研究﹐同時﹐要注重與地質調查和地質理論的研究相結合﹐進行綜合分析判斷。人類居住的地球，表層是由巖石圈組成的地殼，石油和天然氣就埋藏于地殼的巖石中，埋藏可深達數千米，眼看不到，手摸不著，所以，要找到油氣首先需要搞清地下巖石情況。怎樣才能搞清地下巖石的情況呢？這要從巖石的物理性質談起。巖石物理性質是指巖石的導電性、磁性、密度、地震波傳播等特性，地下巖石情況不同，巖石的物理性質也隨之而變化。各種物理性質都表現為一種或幾種不同的物理現象，如導電性不同的巖石在相同的電壓作用下，具有不同的電流分布；磁性不同的巖石，對同一磁鐵的作用力不同；密度不同的巖石，可以引起重力的差異；振動波在不同巖石中傳播速度不同等。運用現代技術，完全可以記錄到上述物理現象的變化，進而可以了解地下巖石的性質及其分布規律，達到尋找地下油氣的目的。我們把這種以巖石間物理性質差異為基礎，以物理方法為手段的油氣勘探技術，稱為地球物理勘探技術，簡稱物探技術。3.1,地球物理場測量的各種物理現象的信息可以統稱為地球物理場的信息。地球物理場可分為天然存在的地球物理場和人工激發的地球物理場。地球的重力場﹑地磁場﹑地電場﹑地溫場﹑核物理場是天然存在的地球物理場﹔由人工爆炸產生彈性波在地下傳播的彈性波場﹑向地下供電在地下產生的局部電場﹑向地下發射電磁波激發出的電磁場等﹐屬于人工的激發的地球物理場。地球物理場還可分為正常場和異常場。3.2,異常場是由勘探對象所引起的局部地球物理場﹐例如賦存在地下的磁鐵礦體或磁性巖體產生的磁場﹐這部分磁場迭加在它的圍巖和地球其它部分產生的磁場之中﹐在研究觀測得來的磁場時﹐就要區分或提取出磁異常場﹔又如鉻鐵礦的密度比圍巖的密度大﹐鹽丘巖體的密度比圍巖的密度小﹐這兩種情況分別會引起重力場局部增強或減弱的異常現象。地球物理勘探正是根據對正常場和異常場的分布特征進行地質解釋和推斷的。3.3人工激發的地球物理場如爆炸產生的彈性波場﹐彈性波在巖層中傳播遇到不同密度的分界面時會發生反射﹑折射和能量衰減等現象﹐根據彈性波返回到地面的時間來研究其傳播速度﹑巖層厚度和產狀等問題。人工場源的優點是場源的參數為已知﹐便于控制﹐分辨力較高﹐能夠取得較好的地質效果﹐但費用較大。地球物理勘探常利用的巖石物理性質有﹕密度﹑磁導率﹑電導率﹑彈性﹑熱導率﹑放射性。與此相應的勘探方法有﹕重力勘探﹑磁法勘探﹑電法勘探﹑地震勘探﹑地溫法勘探﹑核法勘探。從測量所在的空間位置和區域的不同又可以劃分為﹕地面地球物理勘探﹑航空地球物理勘探﹑海洋地球物理勘探﹑鉆孔地球物理勘探等。根據研究對象的不同還可劃分為﹕金屬地球物理勘探﹑石油地球物理勘探﹑煤田地球物理勘探﹑水文地質地球物理勘探﹑工程地質地球物理勘探和深部地質地球物理勘探等。下面主要討論地震勘探儀器：地震波運動學特征對儀器的要求為了利用地震波的運動學特征來推測地下反射界面的位置和形態，就要求記錄多道地震信號，以便進行波的對比，識別同相軸；記錄震源激發信號作為計算反射時間的起點；記錄計時信號作為計算反射時間的標尺；在采用炸藥震源時還要記錄井口信號，以測定地震波從炮井井底的炸藥爆炸點傳到炮井井口的時間—τ值，進而依據已知的炮井深度h來推算表層的速度v＝h/τ，為今后地震資料處理時進行靜校正提供依據。除地震信號以外的這些需要記錄的信號統稱為輔助信號。通常所說的地震儀記錄道數指的是地震道的道數，輔助道不包括在內。地震儀對地震信號的數據采集過程從震源激發時刻開始，一直持續到最深目的層反射信號完全到達時為止。采集過程的持續時間稱為記錄長度，采用炸藥等沖激震源時，記錄長度T為:T=2h/v式中h一一勘探目的層最大深度；v地震波的平均速度。在地震勘探中，有意義的最大反射界面的深度很少超過10km，而達到這樣深度的平均地震波速度，至少是3500m／s。因此，通常要求的記錄長度為6s。深鉆、地質解釋和地震信號穿透力等項技術改進后，需要的記錄時間還可能增加。反射時間的標記是根據磁帶上記錄的計時信號進行的，如果計時信號本身不精確的話，依據它測出的反射時間也就不精確，由此推測出的反射界面的位置也就不準確，因此，一般要求計時信號的可重復性和絕對準確度都應保持在0.05％的容許范圍內。地震波動力學特征對儀器的要求為了能利用地震波的動力學持征來推測地下巖性，甚至直接找油找氣，就要求地震儀高保真、高信噪比、高分辨宰地把地震波記錄下來。具體來說，應滿足以下幾項基本要求：（1）地震儀允許輸入的幅度范圍(簡稱儀器的動態范圍)必須大于需要記錄的地震信號的動態范圍。需要記錄的地震信號的最大幅度是從震源育接傳到高震源最近的檢波點的直達波幅度，它與偏移距的大小有關；需要記錄的地震信號的最小幅度是最深目的層反射波傳到地表時的幅度，由勘探深度要求決定。目的層越深，反射信號則越弱，當反射信號幅度比外界環境噪聲的幅度還小時，就會被外界環境噪聲淹沒。因此，一般認為需要記錄的地震信號最小有意義幅度是外界環境噪聲的幅度。目前通過地震資料的數字處理，有可能從環境噪聲背景中提取幅度僅有環境噪聲幅度1／10的弱信號。考慮上述三方面因素，人們普遍認為地震勘探儀器的動態范圍應達到或接近120dB。②地震儀應該設置濾波器，在記錄之前對接收進來的妨礙有效波記錄的干擾波進行壓制。這些濾波器給地震儀限定的記錄頻率范圍應該盡可能大于需要記錄的地震信號的頻率范圍。由于地層的選頻吸收效應，使得越是深層的反射信號，其主頻越低。因此，需要記錄的地震信號最低頻率由勘探深度要求決定，可能需要延伸到10Hz或10H2以下。需要記錄的地震信號最高頻率由勘探分辨率要求決定。一般來說，在進行地震普查時取125Hz就可以了，進行地震詳查時應取250Hz，高分辨率勘探可能需要取到500Hz，甚至更高。③在所能記錄的幅度范圍和頻率范圍內，地震儀僅應該基本上是一個線性系統。所謂線性系統就是當輸入為單一頻率的正弦波時，輸出也是同頻率的單一正弦波。如果給一個系統輸入一個頻率的正弦波，其輸出中出現很多頻率為n(n為正整數)的新的頻率分量，那么我們就認為這個系統是非線性系統或者說存在非線性失真。實際上，完全線性的系統是不存在的。多道記錄對地震儀器的要求最早的地震儀是單道的，為了便于進行波的對比和提高野外生產效率，后來發展成為多道地震信號同時記錄。隨著多次覆蓋技術的推廣和覆蓋次數的提高，要求進一步增加道數。高分辨率地震勘探要求縮短道距至25m、10m甚至5m，而為了保持一定的排列長度，自然也要求道數多一些。三維地震勘探方法的普遍應用更是要求地震儀的道數多達幾千道。在多道記錄的情況下，為了確保地震記錄的質量，還必須要求地震儀內部各地震道電路的振幅特性和相位特性保持良好的一致性，道與道之間的相互干擾(即道間串音)應很小(一般要求小于-80dB)。野外工作條件對地震儀器的要求地震儀長年在野外工作，工作環境與室內儀器大不相同。由于野外環境條件差，造成儀器發生故障的外部原因很多。而地震儀一旦發生故障，輕則影響地震記錄的質量，重則使整個地震勘探隊的工作陷于停頓，所以特別要求地震儀有很高的穩定性和可靠性，并且具有一定的自檢能力和野外監視功能。除此之外，體積小、質量小、耗電省、操作簡便、易于維修也是應盡可能滿足的基本要求。第二章地震勘探儀器對應的物理方法簡介地震勘探是近代發展變化最快的地球物理方法之一。它的原理是利用人工激發的地震波在彈性不同的地層內傳播規律來勘探地下的地質情況。在地面某處激發的地震波向地下傳播時，遇到不同彈性的地層分界面就會產生反射波或折射波返回地面，用專門的儀器可記錄這些波，分析所得記錄的特點，如波的傳播時間、振動形狀等，通過專門的計算或儀器處理，能較準確地測定這些界面的深度和形態，判斷地層的巖性，是勘探含油氣構造甚至直接找油的主要物探方法，也可以用于勘探煤田、鹽巖礦床、個別的層狀金屬礦床以及解決水文地質工程地質等問題。近年來，應用天然震源的各種地震勘探方法也不斷得到發展。勘探原理在地表以人工方法激發地震波，在向地下傳播時，遇有介質性質不同的巖層分界面，地震波將發生反射與折射，在地表或井中用檢波器接收這種地震波。收到的地震波信號與震源特性、檢波點的位置、地震波經過的地下巖層的性質和結構有關。通過對地震波記錄進行處理和解釋，可以推斷地下巖層的性質和形態。地震勘探在分層的詳細程度和勘查的精度上，都優于其他地球物理勘探方法。地震勘探的深度一般從數十米到數十千米。地震勘探的難題是分辨率的提高，高分辨率有助于對地下精細的構造研究，從而更詳細了解地層的構造與分布。應用范圍爆炸震源是地震勘探中廣泛采用的非人工震源。目前已發展了一系列地面震源，如重錘、連續震動源、氣動震源等，但陸地地震勘探經常采用的重要震源仍為炸藥。海上地震勘探除采用炸藥震源之外，還廣泛采用空氣槍、蒸汽槍及電火花引爆氣體等方法。地震勘探是鉆探前勘測石油與天然氣資源的重要手段。在煤田和工程地質勘察、區域地質研究和地殼研究等方面，地震勘探也得到廣泛應用。20世紀80年代以來，對某些類型的金屬礦的勘查也有選擇地采用了地震勘探方法。勘探方法包括反射法、折射法和地震測井（見鉆孔地球物理勘探）。前兩種方法在陸地和海洋均可應用。研究很淺或很深的界面、尋找特殊的高速地層時，折射法比反射法有效。但應用折射法必須滿足下層波速大于上層波速的特定要求，故折射法的應用范圍受到限制。應用反射法只要求巖層波阻抗有所變化，易于得到滿足，因而地震勘探中廣泛采用的是反射法。反射法利用反射波的波形記錄的地震勘探方法。地震波在其傳播過程中遇到介質性質不同的巖層界面時，一部分能量被反射,一部分能量透過界面而繼續傳播。在垂直入射情形下有反射波的強度受反射系數影響，在噪聲背景相當強的條件下，通常只有具有較大反射系數的反射界面才能被檢測識別。地下每個波阻抗變化的界面，如地層面、不整合面（見不整合）、斷層面（見斷層）等都可產生反射波。在地表面接收來自不同界面的反射波，可詳細查明地下巖層的分層結構及其幾何形態。反射波的到達時間與反射面的深度有關，據此可查明地層埋藏深度及其起伏。隨著檢波點至震源距離（炮檢距）的增大，同一界面的反射波走時按雙曲線關系變化，據此可確定反射面以上介質的平均速度。反射波振幅與反射系數有關，據此可推算地下波阻抗的變化，進而對地層巖性作出預測。反射法勘探采用的最大炮檢距一般不超過最深目的層的深度。除記錄到反射波信號之外，常可記錄到沿地表傳播的面波、淺層折射波以及各種雜亂振動波。這些與目的層無關的波對反射波信號形成干擾，稱為噪聲。使噪聲衰減的主要方法是采用組合檢波，即用多個檢波器的組合代替單個檢波器，有時還需用組合震源代替單個震源，此外還需在地震數據處理中采取進一步的措施。反射波在返回地面的過程中遇到界面再度反射，因而在地面可記錄到經過多次反射的地震波。如地層中具有較大反射系數的界面,可能產生較強振幅的多次反射波,形成干擾。反射法觀測廣泛采用多次覆蓋技術。連續地相應改變震源與檢波點在排列中所在位置，在水平界面情形下，可使地震波總在同一反射點被反射返回地面，反射點在炮檢距中心點的正下方。具有共同中心反射點的相應各記錄道組成共中心點道集，它是地震數據處理時所采用的基本道集形式，稱為CDP道集。多次覆蓋技術具有很大的靈活性，除CDP道集之外,視數據處理或解釋之需要,還可采用具有共同檢波點的共檢波點道集、具有共同炮點的共炮點道集、具有相同炮檢距的共炮檢距道集等不同的道集形式。采用多次覆蓋技術的好處之一就是可以削弱這類多次波干擾，同時尚需采用特殊的地震數據處理方法使多次反射進一步削弱。反射法可利用縱波反射和橫波反射。巖石孔隙含有不同流體成分，巖層的縱波速度便不相同，從而使縱波反射系數發生變化。當所含流體為氣體時，巖層的縱波速度顯著減小，含氣層頂面與底面的反射系數絕對值往往很大，形成局部的振幅異常，這是出現“亮點”的物理基礎。橫波速度與巖層孔隙所含流體無關，流體性質變化時，橫波振幅并不發生相應變化。但當巖石本身性質出現橫向變化時，則縱波與橫波反射振幅均出現相應變化。因而，聯合應用縱波與橫波，可對振幅變化的原因作出可靠判斷，進而作出可靠的地質解釋。地層的特征是否可被觀察到，取決于與地震波波長相比它們的大小。地震波波速一般隨深度增加而增大，高頻成分隨深度增加而迅速衰減，從而頻率變低，因此波長一般隨深度增加而增大。波長限制了地震分辨能力，深層特征必須比淺層特征大許多，才能產生類似的地震顯示。如各反射界面彼此十分靠近，則相鄰界面的反射往往合成一個波組，反射信號不易分辨，需采用特殊數據處理方法來提高分辨率。折射法利用折射波（又稱明特羅普波或首波）的地震勘探方法。地層的地震波速度如大于上面覆蓋層的波速，則二者的界面可形成折射面。以臨界角入射的波沿界面滑行，沿該折射面滑行的波離開界面又回到原介質或地面，這種波稱為折射波。折射波的到達時間與折射面的深度有關，折射波的時距曲線（折射波到達時間與炮檢距的關系曲線）接近于直線，其斜率決定于折射層的波速。震源附近某個范圍內接收不到折射波，稱為盲區。折射波的炮檢距往往是折射面深度的幾倍，折射面深度很大時，炮檢距可長達幾十公里。地震測井直接測定地震波速度的方法。震源位于井口附近，檢波器沉放于鉆孔內，據此測量井深及時間差，計算出地層平均速度及某一深度區間的層速度。由地震測井獲得的速度數據可用于反射法或折射法的數據處理與解釋。在地震測井的條件下亦可記錄反射波，這類工作方法稱為垂直地震剖面(VSP)測量,這種工作方法不僅可準確測定速度數據，且可詳查鉆孔附近地質構造情況。傳感器原理及參數常用地震檢波器的工作原理地震檢波器是把傳輸到地面或水中的地距波轉換成電信號的機電轉換裝置，它是地震儀野外數據采集的關鍵部件。陸上地震勘探普遍使用電動式檢波器，海上地震勘探普遍采用壓電式檢波器。渦流檢波器是20世紀8()年代發展起來的一種新型檢波器。電動式地震檢波器電動式地震檢波器的結構和外形如圖3—1所示。它由永久磁鐵、線圈和彈簧片組成，磁鐵具有很強的磁性，它是地震檢波器的關鍵部件；線圈由銅漆包線繞在框架上而成，有兩個輸出端，它也是地震檢波器的關鍵部件；彈簧片由特制的磷青銅做成一定的形狀，具有線性彈性系數，它使線圈與塑料蓋連在一起，使線圈與磁鐵形成一相對運動體(慣性體)。性能參數：電路原理及性能參數當地面存在機械扳動時，線圈對磁鐵作相對運動切割磁力線，根據電磁感應原理，線圈中產生感生電動勢，且感生電動勢的大小與線圈和磁鐵的相對運動速度成正比，線圈輸出的模擬電信號與地面機械振動的速度變化規律是一致的。一、運動方程的建立檢波器內部各組成部分的運動關系如圖3—2。地震檢波器運動方程的建立，以及其基本思路要從地震檢波器的功能入手。地震檢波器的功能是將地面的機械振動轉換為相應的電模擬振動信號。因此，研究地震檢波器就應該首先找出地震檢波器輸出電壓和地面運動的關系，而地震檢波器輸出的電壓是由于線圈相對磁鐵運動切割磁力線產生的，所以關鍵是要找出地面運動與線圈運動的關系。地震波傳到地面后，假設地面相對其原來位置產生一個向上位移Z。如忽略檢波器與地面的藉合問題，即認為檢波器外殼與地面一起運動，則地面的位移就是檢波器外殼的位移，而磁鐵又是同外殼固定在一起的，所以此時磁鐵也相對其原位置產生一個向上位移Z。顯然，慣性體也會相對其原來的位置產生一個向上的位移y，由于慣性的原因，慣性體的位移將小于地面的位移，于是彈簧被拉長x，即線圈相對磁鐵有一個向下的位移x。檢波器內各部分的運動關系為Y=z+x(3-1)此時，線圈及框架組成的慣性體受到如下外力的作用。1．彈簧克服慣性體重力后的拉力FKFK＝—kx式中k一一彈簧的彈性系數，負號表示FK與x方向相反。2．線圈受到的電磁阻尼力根據法拉第定律，線圈相對磁鐵運動時，線圈產生的感應電動勢為Φ—線圈磁通量；n—線圈匝數；S----機電轉換系數對低頻地震信導而言，線圈的感抗很小可以忽略，因此線圈中的感應電流為Rc——線圈內阻；Ro——線圈負載電阻。由楞次定律可知：當線圈中有電流流過時，線圈將受到阻止其運動的電磁力3．鋁制線圈架受到的電磁阻尼力圓筒形鋁制線圈架可看作是一個單匝閉合線圈。當線圈架隨同線圈一起在磁場中運動時，線圈架內將產生渦流磁場。渦流磁場對此渦流的作用力也將阻止線圈架運動，由（3-7）式可知，這種電磁阻尼力與線圈相對磁鐵的運動速度dx／dt成正比，方向相反:式中μ——比例系數。空氣阻力比FT小得多，可忽略不計多路轉換開關(MUX)一、多路轉換開關的基本功能能夠按照控制指令對模擬電壓或電源進行通斷控制的器件稱為模擬開關。具有公共輸出端的多個模擬開關的集合稱為多路開關(MUX)。最簡單的一種MUX，其開關組態如圖4—31(a)所示。它在接收多道地震信號的采集系統中常被用作采樣開關，它的多個輸入端分別與對應道的前放濾波器輸出端相連，公共輸出端與浮點放大器輸入端相連。在對某一道信號采樣時，該道所連接的開關便導通，其它道的開關全都斷開，在一個采樣周期Ts內，依次對濾波器輸出的各道信號均采樣一次。因此多路開關的輸出是一連串周期性按道序排列的采樣脈沖，如圖4—31(b)所示。這些采樣脈沖我們稱為子樣。圖中aij代表第i道的第j次采樣(i；1，2，3，…，m)或者第j個采樣周期對第i道采樣所得的子樣(j＝1，2，3．…n)這里m為采樣系統的道數，n為采樣用期數或每一道的采樣次數。由圖4—31可見，多路開關的功能是：將多路并行輸入的連續信號轉換成一路串行輸出的離散子樣。因此多路開關又稱為多路轉換開關。二、道間一致性與道間串音問題由圖4—1和圖4—31可綜合得到圖4—32所示的地震道組成框圖。由圖可見，在多路開關之前，各地震通信號所通過的電路(稱為地震道)是彼此分離的，而在多路開關之后的電路則是各道公用的。由于大多數采集系統的道數都不只一道而是多道，這樣就有必要考慮道間一致性和道問串音這兩個多道系統特有的問題。1．道間一致性所謂道間一致性是指，各地震道不僅組成結構完全相同，而且傳輸特性(振幅特性、相位特性)也沒有任何差異。只有在這個前提下，才可以認為磁帶上記錄的各道地震信號間的差異完全是因為到達各檢波點地震信號的差異而造成的。所以，道間一致性是地震勘探對多道地震數據采集系統的一項基本要求。由圖4—32可見，要保證各地震道的道間一致性，就要保證各地震道的檢波器型號及其組合參數、檢波器連線電阻、前放濾波器的電路結構及元件參數、多路開關的通斷性能等等，都一一對應相同。集中控制式數字地震儀因為所有要記錄的地震道的信號都通過大線電纜送到儀器車上集中由一個采集系統進行采集，所以近道遠道連線的電阻差異較大，道數越多，道間一致性越難保證。分布式遙測地震儀由于每個采集站的道數少，各道檢波器連線電阻差異不大，因此道間一致性比常規地震儀好得多。通常所說的地震儀道間一致性主要是指多路開關及前放濾波電路的一致性。一般要求：在給采集系統各道前放同時輸入相同的測試脈沖時，各道測試記錄的振幅差應小于士0.2％，時間誤差應小于士0.5ms。2．道間串音由圖4—32可見，各地震道電路本來是彼此分離的，但是因為某些原因還是會出現某一道的地震信號串漏到別的地震道中去的現象。就像我們打時聽到別的通話線路上也在說話一樣，這種現象稱為道間串音。集中控制式數字地震儀的大線電纜芯線又多又長，而且還靠近在一起，各道檢波器連線間相互感應容易造成串音。此外，由圖4—32可見，采集系統中各道采樣開關的輸出端并聯在一起，是最可能造成串音的部位，因此對多路轉換開關最基本的要求就是要盡可能減少道間串音*三、減少道間串音的措施1減少每個采集系統的道數減少道數m可減少因開關斷開電阻Rd不為無窮大而造成的串音，若m＝1，即單站單道，則可從根本上消除串音。減少道數m還可減少寄生電容，加速子樣脈沖尾部的衰減，同時增大采樣間隔，由圖4—33可見，這樣就能減少分布電容造成的串音。2．減少多路開關前級濾波器的榆出電阻以兩道為例，VI1和VI2為第一道和第二道信號，Ri為前級濾波器的輸出電阻，RON和ROFF分別為開關接通和斷開時的等效電阻，當第一道斷開、第二道接通時等效電路如圖4—34，多路開關輸出電壓Vo可近似表示為由(4—76)式可見，為了減少串音，要求多路開關前級濾波器的輸出電阻Ri應該盡可能小，如果前級的輸出電阻不能滿足這—要求的話，就應加一級電壓跟隨器為多路開關提供極小的Ri瞬時浮點放大器(IFP)一、瞬時浮點放大器的功能如果在多路開關和A／D轉換器之間不設置浮點放大器，讓多路開關輸出的子樣電壓直接由A／D轉換器進行模數轉換，那么就會產生以下兩個問題。首先深層弱信號的量化精度低。A／D量化誤差為εq＝q，q為A／D量化電平，若多路開關輸出子樣電壓為a直接由A／D量化的相對誤差為由上式可知：信號越弱，a越小，相對誤差εq就越大，即量化精度越低。其次A／D位數不夠。滿足地震勘探精度要求的地震信號動態范圍DR=10o一120dB。這么大范圍輸入的地震信號如果單純由A／D轉換器提供是比較困難的。現有的14位A／D轉換器動態信號只有84dB。假若多路開關輸出于樣電壓直接由14位A／D量化的話，就會使大量深層信號因其幅度位于A／D的最小量化電平以下而轉換不出來。為了解決上述兩個問題，數字地震儀采樣系統的多路開關之后都接了一個瞬時浮點放大器。該放大器的特點是，其增益能以4或2為臺階瞬時改變，因此稱為瞬時浮點放大器(IFP)，簡稱浮點放大器或主放大器。設多路開關輸出的第i道的第j次采樣脈沖幅度為aij，脈沖寬度為τ，在此脈沖存在期間(時間τ)瞬時浮點放大器經過多次增益調整，最后為該子樣選定一個不致使A／D發生溢出的增益，即滿足模數轉換器(A／D)當待測信息是時間和幅值均連續的模擬信號時，為滿足數字信號處理的要求，必須將模擬信號轉換成數字信號。A／D轉換器就是將模擬信號轉換成數字信號的功能單元，它是現代儀器系統中的重要功能部件。本節主要討論常規A／D轉換器的基本原理以及應用地震勘探儀器中常用的幾種A／D轉換器。一、A／D轉換器基本類型及原理A／D轉換器的種類很多，按照其基本工作原理可分為直接型A／D轉換器和間接型A／D轉換器兩大類。直接型A／D轉換器將輸入的模擬量直接轉換成數字量代碼，不需要增加任何中間變量；而間接型A／D轉換器則需要借助時間、頻率、脈沖寬度等中間變量才能完成A／D轉換。常用的并聯直接比較型A／D轉換器和逐次逼近型A／D轉換器居于直接型A／D轉換器；而雙斜式(亦稱雙積分型)A／D轉換器和其它一些“電壓一頻率一數字”轉換器(亦稱壓控振蕩器vOC)則居于間接測A／D轉換器。3逐次逼近型A／D轉換器逐次逼近法的工作原理非常像天平稱重物，其原理框圖如圖4—56所示。圖中，比較器相當于天平的指針，用于指示待轉換字樣電壓與基準電壓Vt的比較結果，T網及T網開關電路相當于天平的砧碼盤，用來產生權電壓Vt，邏輯控制和碼寄存器相當于天平的操作者，按照連續時鐘脈沖的節拍，控制T網及T網開關依次產生一系列基準電壓，并存儲比較器每次的比較結果。ICONVSTRT為A／D轉換器啟動指令，BRL(BitRjectionLevel)為位取舍電平。A／D對子樣開始量化時，由CONVSTRT的上跳沿啟動A／D控制邏輯電路，控制T網及T網開關電路產生第一個權電壓V1．V1與子樣比較，若子樣大于VT，則位取舍電平BRL=1，控制碼寄存器的第一位為1，表示取用該位；反之，BRLL＝o，控制碼寄存器的第一位為0，該位被舍去。取用時，電路仍產生第一位的權電壓v7；舍去時，電路就不再產生第一位的權電壓vT。接著就是判斷第二位，過程相同。依此類推，A／D轉換器將所有位的輸出都判斷出來，輸出為1的位，電路產生相應位的權電壓，最后的權電壓vT等于所有輸出為1的位所對應的權電壓之和，它在數值上與子樣的輸入相等。所有各位判斷完成后，碼寄存器的并行輸出即為A／D轉換結果。與積分型A／D轉換器相比，逐次逼近型A／D轉換器具有較高的轉換速度；同時，與直接比較型A／D轉換器相比，逐次逼近型A／D轉換器具有較高的轉換精度。因此，在轉換速度和精度上，逐次逼近型A／D轉換器能夠滿足大多數數據采集系統的需要，而且價格也比較低，所以它已成為目前應用最廣的A／D轉換器。許多地震勘探儀器所使用的A／D轉換器就是逐次逼近型A／D轉換器.24位Δ-ΣA／D轉換技術高分辨率地震勘探要求地震信號的動態范圍高達120dB，這就要求數據采集系統A／D轉換器不低于20位，這在傳統數據采集系統中是無法實現的。因為傳統數據采集系統先將連續的地震信號進行采樣，之后再對多路串行的離散樣電壓(于樣電壓)進行A／D量化，A／D轉換器位數越多，每個子樣電壓的量化時間越長，要求采樣卒就越低，致使更高頻率的地震信號得不到記錄，這是無法滿足高分辨率地震勘探需要的。另外較多位數的傳統A／D，需要由模擬電路產生眾多的一系列標準權電壓，用它們逐個與子樣電壓進行比較，靠模擬電路來保證這些權電壓的精度是很難做到的。上述兩方面的問題都因Δ-ΣA／D轉換技術的應用而得到解決。以SN—388(法國產)和SYSTEM—2000(美國產)為典型代表的當代徭測地震儀，在高分辨率地震勘探野外數據采集工作中發揮著重要的主導作用，它們的技術關鍵都是在野外采集站中設置了24位Δ-ΣA／D轉換器。全面了解和掌握Δ-ΣA／D轉換器基本原理及在地震勘探中的應用對地球物理工程技術人員是十分重要的。地震勘探儀器的數據采集系統地震數據采集系統的任務是按照勘探技術指標的要求將野外地震數據記錄下來，之后再由計算機數據處理中心對所采集的野外地震數據進行精細處理，獲得高精度的地震剖面等信息，這就決定了地震勘探儀器的核心部分就是地震數據采集系統。地震數據采集系統指的是從地震勘探儀器入口到模數轉換器輸出信號所經過的電路系統。本章主要討論當代地震數據采集系統的基本組成原理，同時介紹數據采集系統的重要部件的電路原理。一、集中控制式地震數據采集系統20世紀70年代中期，數字地震儀的出現，把地震勘探帶入了一個嶄新的時代，出現了以DFS—v和SN—338為代表的集中專用控制式數字地震儀。到了80年代，隨著電子技術和計算機技術的發展，新技術、新器件不斷應用到數字地震儀的設計和生產中，又出現了以SN—358和MDS—16為代表的計算機集中控制式數字地震儀。所謂集中控制式系統是指整個儀器系統的控制部分采用統一的數字邏輯電路完成。根據控制邏輯所采用的電路形式，集中控制式地震儀又可分為專用集中控制式數據采集系統和計算機集中控制式數據采集系統。1．專用集中控制式地震數據采集系統專用集中控制式地震數據采集系統的—般框圖如圖4—1所示。采用這種控制方式的地震儀主要有美國得克薩斯州儀器公司的DFs—v型地震儀，法國舍塞爾公司的SN—338型地震儀和國產SDZ—751地震儀等。在圖4—1中，虛線中的功能單元構成整個系統的邏輯控制部分，各功能單元采用專用設計的硬件電路，從而構成集中控制式系統。在數據采集過程中，整個信號的處理流程為：地震信號由檢波器拾取后，將地面振動信號換成模擬電壓信號，該信號經模擬信號傳輸大線送至大線濾波器以濾除共模干擾和高頻干擾，濾波之后的信號送至低噪聲前置放大器放大，以利于后續濾波處理；放大后的信號送至高通濾波器、低通濾波器、陷波器進行模擬濾波處理；為防止采樣過程中產生假頻干擾，還要用大陡度去假頻濾波器對信號進行濾波處理，然后再送入多路轉換開關進行時分復用轉換并同時完成采樣；經過多路合一的各道信號的子樣送瞬時浮點放大器(IFP)進行可變增益(對于小信號自動調整選擇較大增益，對于大信號自動選擇較小增益)的放大，然后將IFP調整后的模擬信號送人15位逐次逼近型A／D轉換器進行模數轉換；IFP產生的3位增益碼和15位A／D轉換的尾數送入格式編排電路按照規定的格式進行編排，編排的結果送入數字磁帶機記錄。為監視記錄在磁帶中的數據的質量，在完成數據記錄后還需要進行數據團放。回放主要包括反格式編排、自動增益控制、D／A轉換、反多路轉換、回放濾波等處理，最后用繪圖儀形成回放記錄。符合質量要求的數據磁帶需要送計算中心完成員后的處理與解釋。2．計算機集中控制式地震數據采集系統計算機集中控制式地震數據采集系統的一般框圖如圖4—2所示。采用這種控制方式的地震儀主要有美國的MDS—15B型地震儀和法國舍塞爾公司的SN—358型地震儀等。與圖4—1對比可以看出，計算機集中控制式數字地震儀在數據編排部分之前與專用集中控制式數字地震儀的數據采集部分基本相同，仍采用IFP和逐次逼近型A／D轉換器，而在整個系統控制和后續數據編排和處理部分采用通用計算機控制，各種控制功能通過軟件編程用計算機接口實現。由于采用了計算機控制，使儀器系統的整體控制部分的功能更加完備、靈活，并具有一定的數據處理功能。因此，整個系統的智能化水平有了很大提高。集中控制式地震數據采集系統的最大特點是：采用IFP與15位逐次逼近型A／D轉換器互相配合以獲得較大的信號處理動態范圍。在實際系統中，IFP采用3—4位增益碼，A／D轉換器采用15位(1位符號位，14位尾數)逐次逼近型，集中控制式數字地震儀動態范圍理論上可達168dB，但實際考慮儀器噪聲等因素的影響，儀器的動態范圍一般不超過120dB。二、分布式測地震儀數據采集系統一般情況下，集中控制式數字地震儀的檢波器通過模擬信號線(一般稱為“大線”)與采集系統連接。由于大線上傳輸的是模擬信號，傳輸的距離又比較遠，因此信號易受各種干擾因素的影響。同時，由于采樣間隔和大線質量的限制，集中控制式地震儀中一條大線電纜一般不超過120道。隨著計算機技術在地震儀中應用的不斷深入，人們把數據采集系統中的放大器、濾波器、A／D轉換器、數據傳輸控制邏輯以及整體控制用CPU完成。(CPU做在一個小箱體內，稱為“采集站”)將采集站放置在檢波點上，每個采集站用較短的模擬信號線(一般稱為“小線”)與1—8道檢波器連接，各采集站用數字信號線(數字大線)或以無線方式與中央記錄主機相連，當各采集站和記錄主機之間合理組合時，可以構成分布式數據采集系統。由于數據采集部件在檢波點而不在儀器車上，因此這類系統又被稱為“遙測地震儀”。分布式遙測地震儀數據采集系統的一投框圖如圖4—3所示。遙測系統的采集站與中央記錄主機之間傳輸的是數字信號，采集站和記錄主機可以靈活組合。因此大大降低了信號傳輸過程中各種干擾因素的影響，同時大大提高了的地震儀的道數。分布式遙測地震儀的道數可達到上千道甚至上萬道。根據遙測地震儀采集站所采用的電路結構形式，采集站又分為早期使用的IFP型采集站和目前所使用的24位Δ-ΣA／D型采集站。1．IFP型采集站采用IFP放大器的采集站的一般框圖如圖4—4所示。采用這種控制方式的地震儀主要有美國得克薩斯州儀器公司的DFS—1V型地震儀、美國的MDS—16型地震儀和法國舍塞爾公司的SN—368型地震儀等。從圖4—4可以看出，采用IFP放大器的采集站的內部結構與計算機集中控制式地震儀前端的結構形式基本相同。其主要電路結構(前放濾波、多路轉換、浮點放大、A／D轉換和CPU控制)與計算機集中控制式地震儀相應的電路也基本相同，只是采集站的道數一般為6—8道，可以使檢波器通過較短距離的小線就近接入采集站。采集站中的控制部分一般由cPu完成，控制功能主要包括對前置放大器增益、濾波器的選擇、多路轉換開關切換、浮點放大器、A／D轉換器、數據存儲以及數據傳輸接口的控制。信號處理流程與集中控制式地震儀類似，在此不做贅述。2．IFP型采集站存在的問題影響地震儀頻率特性的因素主要是模擬電路及A／D轉換之前采樣速率的限制。對于低頻響應而言，直流放大器和直流耦合技術，可以很容易地滿足高分辨率地震勘探3Hz低頻響應的要求。對于使用多路轉換開關和IFP技術的地震儀而言，其高頻響應主要取決于多路轉換開關的采樣頻率。設采樣頻率為fs；有效信號中的最高頻率為fmax；IFP的單道調整時間為tc；地震道數為N；考慮到采樣定理fs＞2fmax的要求，取fs＝4fmax，系統的高截止轉折頻率fc=fmax，則有(4—1)式表明：當IFP的調整時間確定之后，地震儀的高截止轉折頻率與地震道數成反比。一般情況IFP的調整時間tc的最小值受IFP電路的限制不能做到很小，而現代高分辨率地震勘探要求地震道數N很高。顯然，當IFP的調整時間確定之后，常規IFP式地震儀難以同時滿足較高的高截止頻率fc和較高的道數N的要求。對于模擬電路來說，影響儀器動態范圍的主要因素是模擬電路本底噪聲幅值和儀器最大不失真情號的幅值。當模擬電路靜態工作點確定之后，(主要由電源和電路結構本身確定)在確定頻響范圍內電路的最大不失真輸出是確定的值。因此，電路的噪聲指標就是決定模擬電路動態持性的主要因素。一般情況下，對于N位A／D轉換器，其動態范圍DR為就目前集成電路工藝和技術來說，對于傳統的積分型A／D轉換器、逐次逼近型A／D轉換器和直接比較型A／D轉換器，由于電路本身噪聲特性的影響，其分辨率很難達到18位。因此，直接使用傳統A／D轉換器的儀器系統，其動態范圍難以達到110dB。使用IFP放大器和15位逐次逼近A／D轉換器配合的數字地震儀，巧妙地利用了浮點放大器的調整特性，克服了構成IFP的多級模擬放大器具有較大噪聲(最大為8．86μv)而且15位A／D轉換器位數有限的缺陷，實現了理論上168dB的動態范圍。但實際上，由于模擬電路本底噪聲的影響，IFP和15位A／D轉換器配合的數字地震儀的實際動態范圍不超過120dB。這種理論值與實際值之間的差別正是由于模擬電路本身的噪聲特性引起的。而當模擬電路級連時，整個系統的噪聲和失真特性會進一步惡化。因此，若仍然使用模擬電路占主導地位的IFP結構的采集站，很難在動態范圍指標上進一步提高。另一方而，由于IFP結構的采集站使用了大量模擬器件和數字器件，所以電路結構十分復雜，功耗也比較大，這些都不符合現代電子技術集成化、數字化、低功耗(低電源電壓)、高性能的要求。因此，需要一種新型結構的地震數據采集站，以適應現代高分辨率地震勘探的需要。3．24位Δ-ΣA／D型采集站新一代采用高分辨串24位Δ-ΣA／D轉換器的采集站的一般框圖如圖4—5所示。采用這種控制方式的地震儀主要有美國I／O公司的SYSTEM2、SYsTEM200D型地震儀、法國舍塞爾公司的SN—388、408UL型地震儀和國產GYz—480、GYz—4000型地震儀等。從圖4—5中可以看出，新一代采集站是以高分辨率24位Δ-ΣA／D轉換器為中心的數據采集單元。與傳統的使用IFP的地震儀相比，它具有如下特點：①地震檢波器拾取的信號只經過一級前放和簡單的模擬濾波器后，直接和24位Δ-ΣA／D轉換器連接，模擬信號傳輸通道大大縮短，這對于降低信號失真度、提高信噪比非常有利；②采用新型結構的Δ-ΣA／D轉換器可以大大簡化去假頻濾波器，許多采集站甚至省略了模擬濾波器，所有濾波可以由后續高性能數字濾波器實現，這樣在簡化硬件電路的同時提高了濾波性能；Δ-ΣA／D轉換器采用過采樣技術，從目前Δ-ΣA／D轉換器的集成電路實現工藝來看，可以比較容易地實現o一500Hz信號的24位A／D轉換；④24位Δ-ΣA／D轉換器的動態范圍理論上應為138dB，考慮各種因素的影響，實際動態范圍應超過120dB，可以滿足高分辨率地震勘探的要求；⑥使用高性能DSP芯片與A／D轉換器，在提高Δ-ΣA／D轉換器性能的同時完成與數據通訊接口的連接，大大簡化了電路設計，提高了采集站的可靠性；⑧由于采集站電路結構簡單，所用器件可以采用高度集成化的低功耗通用器件，大大降低了采集站的整體體積和功耗，并可以達到較高的性能價格比。由于采用高分辨率24位Δ-ΣA／D轉換器的采集站具有很高的性能，完全可以滿足目前高分辨率地震勘探的要求。因此，它已經成為新一代高分辨數字地展儀采集站的標準結構。與傳統的集中控制式數字地震儀和使用IPP的分布式數字地震儀相比，新一代采用高分辨率24位Δ-ΣA／D轉換器的數字地震儀在體系結構、前端采集站、數據傳輸和系統控制方面部有了很大變化，具體體現在：⑦前端采集站取消了瞬時浮點放大器(1FP)，采用新型高分辨率24位Δ-ΣA／D轉換器。24位Δ-ΣA／D轉換器的動態范圍理論上應為138dB，實際動態范圍超過120dB，可以滿足高分辨率地震勘探的要求。②由于使用了Δ-ΣA／D轉換器，前端采集站中的模擬大線和模擬多路轉換開關均不復存在，要求很高的模擬放大器和復雜的模擬濾波器系統得以簡化，整個儀器系統的模擬信號處理部分被盡可能減少，從而使地展儀的帶寬、分辨率、信噪比和抗干擾能力等指標大大提高。②連接采集站和中央控制單元采用數字電纜，減小了電纜質量，極大地提高了數據傳輸的質量。④整個儀器系統采用分布式結構，采集站布線排列靈活方便，儀器道數可多達上萬道。⑤新型儀器正在向分布式網絡結構發展，采集站之間和控制計算機之間均采用標準網絡式連接，可望使儀器系統更加標準化，儀器系統的性能價格比得到了很大提高，主控計算機采用高性能通用計算機系統，如使用UNIX操作系統的計算機工作站，使系統的智能化程度大大提高。從整個系統的角度來說，新型分布式高分辨率地震數據采集系統的核心技術是：網絡體系結構、系統控制軟件和應用軟件以及24位Δ-ΣA／D轉換器采集站技術。這些技術也是現代高分辨率地震數據采集系統研究的主要內容。第五章儀器的工作過程及注意事項以WZG-24A工程地震儀介紹儀器野外使用的操作步驟： 1．出野外工作之前，應保證電瓶有足夠的電量。 2．首先將儀器總電源開關置“關”位置，將電源線與儀器“電源”插座相接。注意電源線的紅線與電瓶正極相接，黑線與電瓶負極相接。若有覆蓋開關聯機工作，其電源線的接法與儀器相同。 3．用轉接電纜將儀器的“1—12”、“13—24”插座與覆蓋開關左邊的大線輸出插座“1—12”、“13—24”對接。覆蓋開關右邊的三個輸入插座分別接三根大線，并將檢查好的檢波器接在大線上。 4．將通訊電纜的一端接在覆蓋開關的RS232插座上，另一端接在儀器的串口1或串口2上。 5．把觸發電纜連接到儀器的“觸發”插座上。 6．打開儀器電源開關，置“開”。此時，儀器電源指示燈（紅燈）亮。 7．計算機進入WINDOWS操作系統，啟動完成后，將自動進入儀器的工作界面。 8．當一切準備工作就緒后，可開啟“采集器電源”。地震勘探作業易發生事故的環節及各工種注意事項地震勘探作業的特點是遠離基地，在野外流動作業，人和設備、材料的搬遷都離不開汽車。車輛運輸安全始終是地震隊安全生產的一個薄弱環節，容易發生事故，據不完全統計，地震隊每年在交通運輸方面所發生的人身傷亡和車輛損壞事故，占所有事故的80％以上。雷管、炸藥是地震勘探作業中的必用品，它的安全存儲、運輸、使用潛在危險因素多，事故后果嚴重，是地震隊安全生產的一個重要環節。地震勘探作業中操作鉆機打井，鉆機中的動力連接件如果連接不牢靠，可能發生脫落，易發生機械事故，在起鉆機井架時如操作不慎，易碰高壓線發生觸電。地震隊每到一處就得進行營地建設，營地建設包括營房擺放、臨時加油站、臨時停車場建設等，這些設施必須布局合理，有一定的安全距離和防范措施，否則容易引發事故。各工種在作業中的一般注意事項地震作業是野外施工作業，受外部環境、氣候條件影響．受農作物生長季節的限制，危險性較大，易發生事故。測量員在登高或經過河流、溝渠、陡坡等危險地段時，測量工作應在監護下進行；鉆機在搬運途中，應先裝大件，后裝小件，要擺放整齊，固定牢靠，防止坐在鉆機平臺上的人員受傷；鉆機起升、下放時，前后及井架和平臺上不準站人，非操作人員退出5米以外；鉆機運轉期間嚴禁離人，不得保養運轉部分；爆炸人員除認真執行自己的任務外，不得亂崗操作；要加強對臨時工、民工的管理，不得亂跑，亂動儀器或工具；放線人員在作業中要阻止閑雜人員進入施工現場，工作間歇不能躺在車下或莊稼地里、草叢中或其他地方，以防被汽車撞傷使用檢波器的注意事項：⑴使用中要輕拿輕放⑵不要輕易折開內部⑶不要把檢波器放入水中，不用時不要放在潮濕的地方。造成漏電或生銹。小線、大線插頭不要放在潮濕的地方或水中⑷在野外施工中，小線與大線連接時，極性要一致。⑸在收線時，不要用力拉小線提起檢波器，以及斷線。⑹埋置檢波器時，小線不能拉得太緊，以防刮風使檢波器發生微震。⒉檢波器在使用和搬運過程中要嚴防撞擊第六章WZG-24A工程地震儀儀器簡介該儀器是重慶奔騰公司在參照國外先進地震儀器的基礎上結合我國國情研制的新一代全中文WINDOWS系統下工作的真24位數字地震儀器，它既融入了本所多年設計、制造地震儀器的寶貴經驗，又吸納了當今最新電子技術和設計理念，集多功能、高精度、高速度、高可靠性及良好的功能可擴展性于一身，堪稱地震儀器中的精品。 儀器利用錘擊、電火花或爆炸等作為激發震源，勘探深度從幾米到數百米，也可使用延時功能，獲取更深部地層的地震資料。非常適用于反射、折射、面波勘探、樁基檢測、地脈動測量、地震映像、震動測量及波速（剪切波）測試等方面的地震工作，廣泛應用于水利、電力、鐵路、橋梁、城建、交通等領域工程地質勘探方面，也能用于石油、煤田、鈾礦及地下水等領域資源勘探方面。一、主要