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地震勘探仪器发展的时代划分及其技术特征

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1地震勘探仪器发展的时代划分及其技术特征王文良石油物探局物资装备事业部装备租赁中心2002 年 11 月 262目 录前言一、地震仪器发展时代划分的原则和方法1、地震仪器发展时代划分的原则2、地震仪器发展时代划分的方法和主要标志二、地震勘探对地震仪器的基本技术要求——地震仪器发展的理论条件和动力1、地震勘探从理论到方法的需要是地震仪器发展的动力源泉2、地震勘探对地震仪器的基本技术要求三、地震勘探仪器发展的技术条件1、地震勘探仪器发展的技术条件2、地震勘探仪器的发展与电子技术和计算机技术发展的关系四、各代地震仪器的特点1、第一代:模拟光点记录地震仪2、第二代:模拟磁带记录地震仪3、第三代:数字磁带记录地震仪4、第四代:早期遥测地震仪5、第五代:24 位遥测地震仪五、我国地震勘探仪器装备的发展六、当前地震仪器发展所面临的关键问题七、下一代地震勘探仪器的基本技术性能和特征结束语***********************************3前言在现代社会生产力中,以劳动工具为主的生产资料无不凝聚着各种科学知识和技术成果。新的生产工具几乎都是科学技术知识的物化。劳动者在生产过程中不断有所发明、有所创新,当他们创造和使用新的生产工具时,就必然会大大推动生产力的发展,从而引起生产方式的发展和变化。而生产方式的变化又引起整个社会的发展变化。地震勘探仪器,毫无疑问是凝聚着浓重现代科学技术知识的复杂生产工具。一方面,地震勘探仪器的发展,是以地震勘探的发展和需求为前提条件和动力源泉;另一方面,地震仪器的发展又直接制约和促进着地震勘探的发展。地震仪器至今已经发展几十年了,关于仪器发展的时代如何划分的问题,并没有专题研究的文献。涉及到这个问题的文字和信息基本上都是散见于有关教科书,仪器制造厂商的商业宣传,以及本行科技工作者的观点反应。我今天给各位简要介绍一下。不谈原理、不写公式、不分析电路的技术发展。一、地震仪器发展时代划分的原则和方法1、地震仪器发展时代划分的原则(1) 由于采用了关键性新材料、新器件或引入了创新性的新方法、新工艺、新技术,而直接影响了仪器系统一系列主要功能、重要性能和技术指标,从而大幅度提高了生产质量。(2) 由于整体硬件系统的设计思想和设计结构发生了重大改变,而直接影响或改变了地震勘探生产方式、劳动组织、施工方法或作业流程,从而大幅度提高了生产效率。如果是对原有仪器系统结构、功能、性能不断进行改进、完善,或者采用了新材料、新器件、新方法、新工艺、新技术,但是并没有引起生产效率或者生产质量的大幅度(阶跃式)提到,都不能算是新的一代地震仪器。而只能算是同一代地震仪器一种新的版本或一种新的型号。2、地震仪器发展时代划分的方法和主要标志半个世纪以来,随着电子技术、计算机技术、数据传输及存储技术和地震勘探技术的不断发展,地震勘探仪器也在不断发展。从地震勘探仪器的元器件组成、设计结构、技术性能、技术指标,以及它在地震勘探发展的历史过程中所起到的作用等方面分析,大致可分为五个发展时代。目前,地震勘探仪器的4发展正处在第五代末期和第六代即将开始的阶段。●第一代:电子管地震仪器通常叫模拟光点记录地震仪。从 20 世纪 30 年代初期到 50 年代末期,大约经历了 30 多年,是地震勘探的初期,也是地震勘探仪器发展经历时间最长的一代。主要标志是采用电子管器件和模拟波形感光照相纸记录。●第二代:晶体管地震仪器,通常叫模拟磁带记录地震仪从 20 世纪 50 年代末期到 60 年代末期,在地震仪器发展历史上是时间比较短的一代。主要标志是采用分立半导体器件和模拟磁带记录。●第三代:集成电路地震仪,通常叫数字磁带记录地震仪,也叫常规数字仪从 20 世纪 70 年代初期至 80 年代初期,主要标志是采用中小规模集成电路、逻辑控制、模拟/数字转换和数字磁带记录。●第四代:大规模集成电路地震仪,通常叫遥测地震仪或早期遥测地震仪从 20 世纪 80 年代初期——90 年代初期,主要标志是采用大规模集成电路、计算机控制,将采集电路部分(模拟电路和模数转换电路)做成采集站与控制和记录系统(主机系统)的分离,将采集站分散布置到外线排列中。所以也常常叫分布式数据采集系统。 ● 第五代:超大规模集成电路地震仪通常叫新一代遥测地震仪,我们这里称为 24 位遥测地震仪。从 90 年代初到现在,已经经历了十年。主要标志是采用超大规模集成电路、多计算机控制、Δ4 位 术。二、地震勘探对地震仪器的基本技术要求——地震仪器发展的理论条件和动力1、地震勘探从理论到方法的需要是地震仪器发展的动力源泉有人说:机器改变了世界,制造技术改变了世界。我看是很有道理的。作为一个永恒的动力源泉,就是人们总是千方百计地努力要把今天从事的工作或者设想交给明天的机器去做。于是,每一次的成功就使人们的生产、生活和工作提高到一个新的层次,促进了社会的发展。同样,地震勘探从理论到实践的发展不断给地震勘探仪器提出新的设想和更高的需求,因此不断促使地震仪器更新换代。而地震仪器每一次更新换代,又都促使地震勘探提高到一个新的更高的层次,促进了地震勘探从生产效率到生5产质量的极大提高,推动着地震勘探不断向前发展。地震仪器从一开始就成为地震勘探发展的时代标志。【任何生产工具的发明和发展,都离不开生产的需要,离不开社会的需要,地震勘探仪器的产生和发展也是如此。地震勘探产生于二十世纪二十年代,它的理论和方法最初来源于人类对天然地震的研究。当时所用的仪器就是接收天然地震振动的垂直机械式地震仪,按现在地震道的说法是只有一道,就是在地面上一点进行记录。地震勘探的理论和方法是基于折射波理论和方法,就是初至法。由于折射波法暴露了许多致命弱点,在 1914 年出现了反射波法,就是一直延用到今天的方法。但是,反射波法不能像折射波法那样只在一点纪录,而是需要在地面相邻的若干个点上记录,然后比较记录波形的特点,来识别来自地下的反射波(相位对比法) 。因此就要求地震仪器具有多道同时记录的功能。另外,除了反射波以外,还有各种其他干扰波同时到达地面。因此要求地震仪器具有能够突出反射波、压制干扰波的频率选择功能,就是要有滤波器。 】几十年来,地震勘探的发展不断要求提高地震勘探精度,扩大勘探能力,提高勘探效率,更好地解决各种复杂地质问题。因此,就要求地震勘探仪器不断地在新的科学技术条件下进行改进、完善、提高和发展,不断地满足地震勘探在新的水平上的需要。2、地震勘探对地震仪器的基本技术要求地震勘探的基本任务是根据所观测的地震波揭示地下地质体的形态、结构和性质。因此,当解决了地震波的激发问题以后,如何把地震波接收、记录下来,以便供人们分析研究就成为关键性的任务和环节。地震勘探仪器正是完成这一任务的关键设备和工具。任何地震勘探仪器,都是必须具备下述三个基本部分:即地面振动传感器(检波器 )、地震信号放大和数据变换(采集站) 、中央记录系统(磁带机、纸记录显示设备) 。地震勘探对地震仪器的基本技术要求如下: (1)放大作用地面振动传感器(检波器)地震信号放大和数据变换(放大器、央记录系统(纸记录显示、磁带机)6人工激发的地震有效波在地面引起的振动位移非常微小,只有微米的量级,要求地震仪器必须将微弱地震信号放大。(2)动态范围来自浅层和深层的地震波能量相差十分悬殊,可以达到十万倍以上,即有效的地震信号动态范围可达 100 分贝以上。要求地震仪器具有足够大的动态范围能够从弱到强把全部地震信号都接收下来。(3)自动增益控制因为来自浅层和深层的地震波能量相差十分悬殊,可达到 10 万倍(按100。为了能在同一张记录上记录或者显示它们,要求地震仪器具有自动增益控制的功能,自动将大信号压缩,小信号放大。(4)多道接收为了提高生产效率,要求在施工测线上大量的物理点同时观测地震波。就是说,地震仪器应该具有多道接收能力。(5)地震道一致性地震勘探是用各道地震波的到达时间和波形差异识别波的类型,进行资料和地质解释。因此,要求各地震道对同一地震波的响应应该是相同的。也就是说,要求仪器的所有地震道在信号接收时间、接收信号的幅度和相位方面具有高度的一致性。我们每天作日检,采集站和检波器的脉冲响应一致性测试,就是对同一炮内所有地震道的幅频特性和相频特性的一致性检查。而遥爆系统 迟时间的测试,本质上是对一台仪器放的所有炮的时间一致性检查。(6)频率选择作用地震波包含有效波和各种干扰波,一般它们的频率特性是有差别的,比如面波在 20下的低频范围内,而石油地震勘探中的反射波在 10 100 层工程和金属矿勘探可达几百赫兹,天然地震、大地测深或折射波方法勘探只有几赫兹的频率) 。因此,要求地震勘探仪器的记录系统和回放系统具有选频滤波作用。在有效波频率范围内没有畸变,而对干扰波频率应有最小的放大。这就涉及到仪器的通频带、低切滤波器、高切滤波器、50业交流电陷波滤波器等等技术性能和指标要求。(7)分辨能力地下不同地层反射的地震波可能接连而来,但仪器(包括检波器)的固有7特性决定它总是存在固有振动。当仪器的固有振动延续时间不大于相邻界面地震脉冲到达的时间差时,两个波能够分开,否则就难于分开。因此,要求仪器具有良好的分辨性能,就是说仪器的固有振动延续时间应尽可能小。这个要求除了地震仪器的主机系统外,再一个关键就是检波器的性能,特别时检波器的阻尼特性。(8)其它性能要求:记录长度;时标精度;谐波畸变;系统噪声;增益精度;丢码率(对数字仪器) ;………等等。这些技术要求有些存在着内在关系,不是完全独立的,有时候是从不同角度提出的,有时候是为了强调某一方面提出的。地震勘探对地震仪器的技术要求,是随着科学技术的发展而不断刷新和提高的,因此技术性能和技术指标的要求都是相对的。三、地震勘探仪器发展的技术条件1、地震勘探仪器发展的技术条件地震勘探仪器本身是一台大型高精密度的电子设备和系统,所以它产生和发展的技术条件首先取决于电子技术的发展,特别是微电子技术的发展。现代地震勘探仪器还取决于后来出现并成为独立分支的计算机技术的发展,以及其它一些重要领域的科技发展,例如:数据传输技术,包括有线的、无线的、网络的;数据存储技术,包括存储介质、编码技术等;以及机械特别是微机械加工技术、电路工艺技术、电源技术、材料科学技术等等。我们在这里准备重点介绍一下地震勘探仪器的发展与电子技术和计算机技术的发展关系。2、地震勘探仪器的发展与电子技术和计算机技术发展的关系【电子计算机的产生和发展取决于电子技术,特别是电子器件的发展。每当新的电子器件涌现出来,或者说电子元件的每一次变革,都引起了电子技术8的重大突破和飞跃式的大发展。元器件是影响电子技术,也是影响计算机发展的主要因素。电子元器件是电子技术迅速发展的重要前提,是电子技术的基础,是电子设备的“心脏’。电子设备的功能变幻无穷,性能千差万别,都是由于电子器件的不同作用和对信号的不同处理方式产生的。对电信号进行放大是电子器件最重要也是最常见的功能之一,也最能明显地反映电子器件的突出作用。 】电子计算机和地震勘探仪器的发展历史可以看成是电子器件不断演变和发展的历史。而计算机技术,特别是微计算机技术给当代地震勘探仪器带来了全新的结构和性能。1、第一代电子器件——电子管二十世纪初期,第一代电子器件——电子管的发明,真空二极管、真空三极管的出现,标志着人类开始进入电子时代。以后又陆续出现了真空四极管、五极管、复合管等等,导致出现了全球性的无线电广播网。20 世纪 30 年代,在机械式的天然地震仪基础上,苏联人用电子管设计出人工地震使用的记录仪器,于是第一代地震勘探仪器——电子管地震仪诞生。电子管地震仪器一直发展到 50 年代末,大约经历了 30 多年,是地震勘探的初期,也是地震勘探仪器发展经历最长的一代。这一代主要是苏联产品,根据浅层、深层、高频、低频等不同的需要制造出一系列地震仪器,其中主要是 ССССХОУ另外匈牙利、法国也都有产品。二十世纪四十年代中期,美国人发明了使用电子管设计的计算机,于是第一代电子管计算机诞生。应用电子管元件和电子线路是这一代计算机最重要的标志,电子计算机的名称便是由此而来,也是与机械式、机电式计算机最本质的区别。世界上第一台电子计算机共使用了 18000 个电子管,整个体积有几间房子大。2、第二代电子器件——晶体管二十世纪三十年代后期,随着无线电通信频率的不断提高,电子管的体积不断缩小。电子管的小型化不仅提高了器件的频率性能,而且降低了成本,提高了设备工作的可靠性。但是,受到机械装配精度等的技术限制,电子管的小型化发展到四十年代末期的拇指型电子管后,就到了极限程度,无法再进一步小型化了。二十世纪四十年代末,爆发了一场电子器件的大革命,并由此导致了整个9无线电电子学的革命。就是美国人发明了世界上第一只晶体管,从此进入了第二代电子器件的发展,并由此开创了电子器件和电子设备小型化的新纪元,导致了整个电子世界的晶体管化运动。到五十年代末期,晶体管已经在大部分领域取代了第一代电子管。二十世纪 50 年代初,法国 司最先把晶体管技术用到地震勘探仪器的设计中来,陆续制造出 仪器。从此,地震勘探仪器的发展进入了第二代。一直发展到 60 年代末,经历了约十几年。五十年代中期,美国贝尔电话实验室为军方研制成功第一台晶体管计算机。不久,世界上最大的计算机公司——美国 司又研制出全晶体管计算机,促使计算机进入了第二代。第二代电子计算机最重要、最基本的特征是:逻辑元件和逻辑电路均采用分立晶体管元件。所以,晶体管是第二代电子计算机产生和发展的关键技术。3、第三代电子器件——集成电路六十年代初期,第三代电子器件——集成电路问世。集成电路的出现导致了电子器件和电子设备小型化的又一次大突破,导致了无线电电子学的第二次大革命。六十年代中期,出现了采用集成电路制造的计算机,从此计算机的发展进入了第三代。逻辑元件与线路采用集成电路,是第三代机最重要的标志,而外部设备的突出发展,则是三代机的另一个重要特点。现代计算机的主要外部设备都是在第三代机中发展和完善起来的。七十年代初期,法国 司下属的 司采用集成电路制造地震勘探仪器,生产出 器,接着美国 司推出 器。地震勘探仪器的发展进入了第三代。这一时代,世界上像雨后春笋一般陆续出现了不少公司制造出各种型号的数字仪,是地震仪器发展史上辉煌的一代。代表性仪器主要是美国的 法国的 列,这两种仪器当时被称为世界名牌。在这一代地震仪器中,已经出现了采用小型计算机系统控制常规数字地震仪的所谓数控型地震仪。4、第四代电子器件——大规模集成电路二十世纪六十年代末期,作为第四代电子器件的大规模集成电路问世。从七十年代初期开始,电子计算机的发展进入了第四代——大规模集成电路计算机时代。电子元件和线路从小规模集成电路变成大规模集成电路不仅仅10是集成度的变化,而且使元器件的功能发生了质的飞跃。建立在大规模集成电路基础上的微型机,就是在这一代中产生并得到飞速发展的。1971 年,美国英特尔公司研制成功世界上第一台微型机。1973 年,又生产出大规模集成电路微型机,标志着进入第二代微型机。1976 年,微型机进入第三代。这一时期,出现了许多不同结构方式的多机系统计算机,使计算机的系统结构取得了重大突破。全面采用大规模集成电路,并引起系统结构的突出发展,是第四代计算机发展的重要特征。为了适应三维地震勘探、高分辨率勘探、多波勘探、超多道、超高次叠加等新方法和新发展起来的地震地层学的需要,并且随着数字通讯、遥控遥测、计算机控制处理、磁记录等等方面新技术的发展,使得采用大规模集成电路制造的新一代地震勘探仪器——遥测地震仪应运而生且发展迅猛。使用大规模集成电路和微型计算机,并因此在地震仪器总体结构上出现了重大改变,是第四代遥测地震仪的重要特征。这一代仪器在地震仪器发展史上也是最辉煌的一代,生产厂家多,仪器型号杂。代表性产品有法国 司的 国的 。并出现了几种无线遥测地震仪,代表性仪器是美国的 500/5586。5、第五代电子器件——超大规模集成电路七十年代后期,诞生了第五代电子器件——超大规模集成电路,单块集成电路克容纳十万个以上的半导体元件。计算机也得到了全面飞速发展。 【最近这些年微机的发展几年就更新一次。微机发展的主要标志是微处理器 片的发展,从286、386、486、PⅠ、PⅡ、PⅢ、PⅣ,发展实在是太快了。 】现在的一台微机不仅功能比世界上第一台大型电子管计算机强大得多,而且运算速度要快了几万倍,体积却仅为原来的三十万分之一,重量仅为原来的六万分之一。90 年代初,美国 I/O 公司异军突起闯入了大型地震勘探仪器设计制造领域。该公司在世界上首先推出了采用 Δ术 24 位 用超大规模集成电路技术制造)的新型遥测地震仪 I/O ,宣告了以传统 4 位核心部件的早期遥测地震仪末日的到来和第五代地震仪器发展的开始。国外推出各种型号的 24 位遥测地震仪,电缆传输具有代表性的有:I/O 08L、;无线传输具有代表性的有:11。从第一代地震仪器发展到现在的第五代地震仪器,已经过去五、六十年的历史,经历了“ 五代” 的变化。如果有人问:五、六十年的发展,地震勘探仪器究竟是围绕着什么方向演变的呢?可以用 12 个字来回答:不断小型化,不断提高电路密度。地震勘探仪器不断地小型化以及不断地提高电路密度,是紧紧跟随电子器件不断小型化甚至微型化而发展的。这种发展意味着什么呢?它的真正技术涵义是什么呢?意味着地震勘探仪器的性能不断完善,功能不断增强,精度不断提高,成本不断降低。地震勘探仪器不断小型化,导致了地震勘探仪器不断地从一代向新的一代发展,从而也导致了地震勘探不断地从一带向新的一代发展。四、各代地震仪器的特点1、第一代:模拟光点记录地震仪模拟光点记录地震仪的主要缺点:⑴ 采用电子管电路,体积大,重量大,耗电多。⑵ 地震记录为模拟波形光点感光照相记录。仪器操作复杂,记录需要经过人工洗相才能完成,所得纸记录不便于保存,也不能作回放处理。⑶地震道数少,一般为 24 个地震道, 2 个辅助道,共 26 道。不能作多次覆盖勘探,只能作二维地震勘探。⑷记录器动态范围小,一般只有 20右。为了适应记录器动态范围小的需要,在地震放大器中采用了自动增益控制器(压缩地震信号的输出动态范围。但自动增益控制是非线性的,又不能记录下来当时放大器的增益值,所以不能恢复原始信号。因此,使用模拟光点记录地震仪只能解决一些几何地震学的勘探问题。⑸地震记录频带窄,一般为 30右,大量有效波无法记录下来。滤波器的中心频率一般为 20、30、40、50。通常用滤波 4 挡,其频带只有28~40地震记录信噪比低,只适用于地震地质条件较简单的地区工作,复杂地区无法获得较好资料。⑺纸记录不便于保存,也不能做回放处理。地震资料的处理只能用人工分析绘图,工作效率低,质量难以保证。122、第二代:模拟磁带记录地震仪【模拟磁带地震仪在开始时是直接记录式的,即由磁记录器直接记录模拟地震信号。由于直接记录式的记录动态范围小,很快改进为调制后记录,它比直接记录式的动态范围大。 】模拟磁带记录地震仪的主要特点:⑴采用分立的晶体管电路,与电子管电路相比,体积小,重量轻,耗电少。⑵地震道数一般为 24 道,后来发展到 48 道。模拟磁带记录可以重复回放处理,因此从这一代仪器开始,地震勘探采集有了多次覆盖方法。不过覆盖次数很低,一般为 6 次、12 次。⑶记录滤波器改进较大,频带可达到 15~120放时可以选择滤波挡,得到所需的地震波,比模拟光点地震仪有了较大提高。⑷仪器采用公共自动增益控制(公共 程序增益控制(,存在着增益跟踪速度慢,非线性失真大的问题。 【虽然设计有增益测量道曲线,但测量误差非常大,一般可达到 30%,不能做定量计算,只能做定性估计。 】⑸磁记录器的记录动态范围比电子管仪器稍大一些,一般可达到40~50录信噪比有了一定的提高。但动态范围仍比较小,记录的失真度仍比较大。采用直接记录式的仪器,其动态范围受磁头与磁带磁化非线性的限制。采用脉冲调宽式的仪器则受调制器动态范围的限制,经常发生超调,使地震记录波形严重失真,降低了地震记录的质量。⑹增加了热敏纸模拟波形地震监视记录,有了现场质量监控手段。⑺模拟磁带记录可以重复多次使用,有了多次叠加方法,可以得到直观反映地质构造的地震时间剖面。但叠加次数很少,因为模拟磁带记录在回放转录叠加时,每转录一次信噪比要降低 6制了多次叠加的次数。资料处理速度也很慢,质量不高,方法也很少。资料处理实现了半自动化,效率提高了一大步。总之,模拟磁带地震仪比模拟光点地震仪有了较大的改进,使地震勘探仪器发展到了一个新的阶段。模拟磁带地震仪主要解决了原始磁带记录可以重复回放处理的问题,仪器使用了可以永久保存信息的磁带记录,因此所得资料可以在室内用回放仪选取不同因素反复处理,尽可能获得最佳结果。但仪器的主要问题并没有解决。例如记录动态范围小,地震道数少,覆盖次数少,记录精13度低,资料处理方法少、效率低、质量差等等。所以,还只能适用于地震地质条件比较简单的地区施工,进行基于几何地震学的构造地震勘探。3、第三代:数字磁带记录地震仪数字磁带记录地震仪的主要技术特征是:采用瞬时浮点增益控制放大器技术(、模数转换器技术(、数字磁记录技术、通讯领域中的数据传输技术,并且地震勘探实现了高覆盖次数观测,地震数据采用数字电子计算机处理等等为主要技术特点。在这一时代,具有代表性的产品是美国德克萨斯(司研制的 仪器和法国舍赛尔(司研制的 数字地震仪。这种仪器的增益控制范围为 0~84个增益台阶为 12 般为 7 个增益阶。瞬时浮点增益控制放大器是 1970 年由美国德克萨斯公司最先研制出来的。这种放大器是指对每一个地震信号子样,在十几微秒时间内,可以在 0~84信号得到满量程放大,以提高仪器的测量精度。因这一过程的增益调整时间非常短,是在瞬间完成,故这种放大器冠为“瞬时” ,大大提高了增益跟踪速度。数字地震仪的主要特点:◆采用集成电路,可使复杂的数字地震仪体积小、重量轻、耗电省。数字地震仪的性能稳定可靠,确保仪器工作正常。◆所得地震勘探原始资料为数字磁带记录和模拟波形地震监视记录,这样就使数字地震仪除具有模拟磁带地震仪的特点,即可作回放处理和多次覆盖以外,更可作高次覆盖。实际应用中,常作 12 次、24 次,直至 96 次覆盖的地震勘探。同时,因为数字磁带记录在转录叠加时其信噪比不降低,故转录叠加次数不受限制。◆地震资料的处理直接使用数字电子计算机,使地震资料的处理速度快、质量高、方法多、效果好。◆主放大器和模数转换器组合在一起的动态范围很大,一般可达到 168 大超过了被记录的地震信号的动态范围(100~120 ,可以实现不失真地记录。这样就可以使地震勘探不仅利用地震波的运动学特征作构造勘探,还可以利用地震波的动力学特征作岩性勘探和直接找油气的综合地震勘探,使勘探水平又提高一步。◆ 地震记录的频带宽,一般前放滤波器的通频带在 3~250至达143~400录频带宽,对低频来说,有利于接收深层反射波,作深层地震勘探。对高频来说,可有利于接收浅层和薄层反射波,提高地震勘探的分辨率,作浅层和薄层地震勘探。◆比起前两代地震仪,数字地震仪的接收道数较多,一般可达到48、96、120、240 等道数。◆ 数字地震仪的操作自动化程度高,操作较简单,维修较方便,提高了工作效率,记录的人为废品率低,有效地促进了地震勘探的高效率生产。◆ 记录地震波的振幅精度高,一般可达到 有的可达到 这样就提高了地震勘探的精度,从而提高了地震勘探质量。总之,这一时代的地震勘探仪器实现了数字化,从而引发了地震勘探领域的数字化高潮。由于地震仪器的记录动态范围大,以及一系列技术上的进步,使得这一时期所获的地震波动态范围大了,精度高了,提高信噪比的手段和提取参数的手段多而且灵活,从而大大提高了资料处理质量,扩大了解决地质问题的能力。另外自动化程度和效率大大提高。同时为地震勘探仪器进一步发展到遥测阶段奠定了基础。4、第四代:早期遥测地震仪所谓遥测,就是利用电缆、光缆、无线电或其它传输技术对远距离的物理点进行测量。遥测地震数据采集记录系统通常由许多分离的野外地震数据采集站和中央控制记录系统组成。采集站布置在接收地震信息的物理点附近,并以数传方式将信息传输到中央控制记录系统。陆上电缆遥测地震数据采集系统主要有:,国产有:型号。光缆地震数据采集系统有:6、200、型号。无线电遥测地震数据采集系统有:500、586、型号。遥测地震仪的主要特点:◆使用超大规模集成电路,集成度更高, 、体积更小,性能更强,稳定性更好。◆遥测地震仪使用了放在检波点上的采集站,由各采集站将检波器输出的模拟信号转变成为数字信号后,向中央控制记录系统传送。由于数字信号传输的抗干扰能力强,避免了传送模拟信号时大线所固有的道间串音、天电干扰、15工频干扰等。革除了原有的笨重的大线。◆遥测地震仪由于道数多,采样率高,必须采用高密度的数字磁带机。常规数字地震仪采用 震记录格式进行记录,遥测地震仪则大多数采用式进行记录。◆遥测地震仪均采用计算机对整个系统进行可编程控制,要增加系统的新功能,可不做硬件上的修改,只要添加新程序就可以了。因此,采用计算机控制,系统的功能就大大增强了。◆遥测型地震仪可用计算机对记录数据及时地在现场进行处理,能对有效波和干扰波进行定量测量,随时计算出数据采集的信噪比,甚至还可以绘制出时间剖面,这样就能及时地选定最佳的野外方法和最佳的仪器参数,以获得高质量的地震记录。◆由于遥测地震仪排除了常规数字地震仪那些限制记录道数的因素,其道数扩张只受到数据传输速率的限制,因此遥测地震仪地震道数可达到120、240、480 道,甚至千道以上,适于三维地震勘探,施工效率高。◆由于遥测型地震仪配备了成套的诊断和监测软件,可以使操作员全面检查各个部件的性能指标,并且可以很方面地显示出有故障的部件,有的诊断软件还可以检查出具体的有故障的器件。因此,便于维护检修,而且操作方便,自动化程度高,可以杜绝因操作不当引起的废炮。◆数据传输方式多样化,分有线遥测、无线遥测。在有线遥测仪器中,又分双绞线电缆、同轴电缆和光缆几种。◆道数的不断扩展和分辨率的不断提高,不仅要求解决模数转换速度不适应的问题和提高记录密度,而且由于总的数据量急剧增加,也使计算中心的计算机数据处理工作量几倍甚至几十倍地增加。由于遥测型仪器在野外可用计算机对数据进行部分预处理,这样就压缩了数据量,减轻了计算中心的工作负担。总之,遥测地震仪具有常规数字地震仪所没有的许多优越性。从 1976 年第一台遥测地震仪问世到现在,遥测地震仪发展趋势良好,新产品层出不穷,仪器型号已达 20 多种。这一代仪器的关键技术是采用大规模集成电路和应用微处理机技术。在系统结构上实现了模拟数据采集部分和中央控制与数据处理部分的分离。而将模拟数据采集部分作为采集站分布到了外线排列上。另一方面,采样率、动态范围等一系列性能指标上都有了更大提高。特别是由于整个系统16变成了分布式结构,从而彻底解决了地震道容量需要大幅度增加的问题。但这一代地震仪器仍然存在许多不足,是属于早期遥测地震仪。5、第五代:24 位遥测地震仪(1)24 位遥测地震仪的分类当前,国内外主要地震仪器类型可分为三类:有线遥测地震仪、无线遥测地震仪、存储式数据回收遥控地震仪。见表 1 所示。表 1、地震勘探仪器分类表在这三类遥测地震仪中,有线遥测地震仪仍占主导地位,占据世界市场的绝大部分份额。无线遥测地震仪一般用于特殊地表条件下施工,也占有一定的市场。存储式数据回收遥控地震仪是一种特殊类型的地震仪,它属于“两无”仪器,即没有大线,没有数据传输。仪器主机只对所有采集站发送放炮等命令,不接收数据,不监视采集站的工作状态。每个采集站接收放炮数据后自动存储,等到收工回基地后再用专门设备把所有放炮数据取出来。目前只有美国 I/O 公司生产的 I/O 仪器。由于这种仪器没有实时监视记录和现场质量监控手段,自推出后购买的不多。据说我国只有中原买了一台用于穿越黄河的施工。  )I/O( 840 1( W )( 美 国震 仪存 储 式 数 据 回 收 遥 控 地 公 司美 国 公 司美 国 公 司法 国无 线 遥 测 地 震 仪 西 安 仪 器 厂 )( 国 产 物 探 局 仪 器 厂国 产 公 司 )( 日 本 公 司 )( 加 拿 大 公 司 )( 加 拿 大 公 司美 国 公 司美 国 公 司美 国 )公 司( 法 国 公 司法 国有 线 遥 测 地 震 仪17(2)24 位遥测地震仪的主要特点◆ 采用超大规模集成电路,多微机系统控制。◆ 采集站中使用了 Δ4 位 术,这样可大大提高瞬时动态范围,减少畸变,地震道基本上不采用模拟滤波器,减少了模拟电路带来产生的相移及频率畸变,简化了采集站的电路,使采集站更轻便,功耗更低。◆ 仪器的采样率以 4、2、1、主。有的仪器还设计了16、8、过提高 波器的陡度扩展频带至 400200,截频可达 率,有些仪器使用高频提升技术,高频还可作倍频 6提升。◆ 24 位遥测地震仪的地震道接收能力都很大,一般都在千道(2上,甚至可以达到 4000 道、6000 道,称 19200 道,但比较实用的系统仍为2000~4000 道(2系统。◆数据传输技术有突破性发展,测地震仪率先采用网络遥测新技术。其它各公司从硬件到软件不断发展完善,排列布设高度灵活。◆普遍重视人机界面的应用,小至笔记本或 ,大至工作站均在使用。软件图形能力愈来愈强,多窗口界面的应用日趋普遍。◆实时相关处理能力越来越强,噪音编辑及叠加算法不断改进,双源的相关技术使用日益广泛,具有千道实时处理能力的相关器已经出现。◆ 仪器及采集站的设计上,大量使用了各种专用集成电路。某些专门设制的电路可达数万门至十万门以上的规模。主机的设计中采用了较多的 片,将数字信号处理功能引入到数据采集过程,完成数字滤波、抽取、叠加等多种功能。◆仪器及采集站设计上,普遍采用了 面封装技术)及 大规模门阵列芯片) 。总之,地震勘探仪器发展到今天,已经是第五个发展阶段了。这一阶段的主要特征应该是在采集系统的最重要部分即采集站中使用了 Δ—Σ 技术 24 位地震采集排列的布置和遥测数据传输方面出现了网络遥测技术和其它一些先进技术;系统具有了更为完善、快捷、自动化程度高的故障检测和状态测试功能;系统具有了较为强大的实时数据分析处理和现场 C 功能;整个系统的硬件结构、软件结构,以及系统内部的数据、命令、地址等信息的组织、管理、运行等更趋于计算机化。(3)当代地震勘探仪器主要性能指标18仪器最大记录能力方面。当前,国内外地震勘探采集设计的最大接收道数基本上在 2样 3000 道左右接收或 1样 1500 道左右接收。例如,去年我国东北地区采用了有史以来的大配置接收,高精度三维勘探采集项目仪器用1样 1344 道接收。今年新疆地区高精度三维勘探采集项目采用了仪器 1512 道接收。最近的一项国外复杂区块招标项目要求仪器用 2样2880 道接收。而地震勘探仪器的最大记录能力方面,一般都可达到 2样时4000 道以上,1样时 2000 道以上能力。如 达到 2样时 19200道,1 9600 道。而 I/O 仪器可达到 2 1008 道,1 504道。目前世界范围内的地震勘探工作实际采集道数(有线方式)还很少使用到4000 道以上(2样) 。国内最多也就是使用到 3024 道(2样) 。一般作三维勘探,最多线数十几条,单线道数最多是使用到 260 道(三维面积接收中的一条线,1样) 。特殊情况下可能使用到 1024 道(二维单线接收、道距 10 米,2样) 。目前,遥测仪器所具有的最大接收线数一般都在几十条至几百条,而 器可达到 1024 条,器可达到 4064 条。但实际使用中远没有那么多,国外大约最多用到几十条线,国内最多用到十几条线。在采样间隔(采样率)方面。国内外石油勘探用的最多的仍是 2样间隔,其次是 1数情况下用到 4 如煤田勘探)。而现在常用的遥测仪器全部都具有 4、2、1、种。有些仪器,例如 、16采样间隔。目前地震勘探领域所使用的仪器采样间隔,国外最高使用到 内最高使用到 分辨率勘探) 。在分辨率、动态范围、等效噪声、畸变、带宽等方面,由于当代遥测仪器都采用了 24 位△-∑技术,使得遥测仪器的这些性能指标都大大提高了一步,都高于地震勘探领域目前实际可能需要的水平。如现在遥测仪器的 换器位数一下子提高到 24 位(包括符号位) 。比传统 器多出 9 位。瞬时动态已达到 110上,等效噪声水平已降到 下,畸变降到 至 带宽(高截频点)由原来的 高到 上。五、我国地震勘探仪器装备的发展从 20 世纪 60 年代至今,我国所使用的地震勘探仪器进行了 4 次更新换代,历经五个仪器发展时代。即模拟光点记录地震仪、模拟磁带记录地震仪、数字19磁带记录地震仪、早期遥测地震仪、新一代遥测地震仪。1、模拟光点记录地震仪从五十年代初到六十年代中期,是我国主要使用电子管地震仪器的时代。我国石油部和地质部系统的所有地震队全部使用模拟光点记录地震仪,即电子管地震仪器。到 1965 年,物探局的前身 646 厂就有 44 个地震队,46 套电子管地震仪。这些仪器主要是引进的前苏联产品,以及我国西安石油勘探仪器厂生产的仿前苏联的“51”型仪器和六十年代初自行设计的 轻便电子管地震仪。从五十年代初到六十年代末,我国应用模拟光点记录地震仪,初步探明了几个大型油气田。例如:克拉玛依、大庆、胜利、玉门油田等。2、模拟磁带记录地震仪1965 年,石油部从法国引进 模拟磁带地震仪共 13 套。1966 年,西
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本文标题:地震勘探仪器发展的时代划分及其技术特征
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