地震勘探儀器的發(fā)展現(xiàn)況

-.z.地震勘探儀器的開展現(xiàn)況史可〔**大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，**130022〕摘要：地震勘探儀器是集傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、工藝材料技術(shù)等為一體的綜合系統(tǒng)。隨著地震勘探方法的不斷創(chuàng)新地震勘探儀器也在不斷更新?lián)Q代,使地震勘探儀器沿著小型化、高電路密度的方向不斷開展。本文從第一代電子管地震儀到第三代集成電路地震儀綜述了地震勘探儀器的開展、時(shí)代劃分以及勘探技術(shù)現(xiàn)狀等，最后從用戶的需求和電子技術(shù)的走勢(shì)，展望了地震勘探儀器的開展方向。關(guān)鍵詞：地震勘探；電子技術(shù)；勘探技術(shù)；開展方向中圖：G642.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：Thedevelopmentofseismice*plorationinstrumentsSHIke(CollegeofinsrumentationandElectricalEngineering,JilinUniversity,Changchun130022,China)Abstract:seismice*plorationinstrumentisaprehensivesystemincludingsensortechnology,microelectronicstechnology,putertechnology,datatransmissiontechnology,municationtechnology,datastoragetechnology,materialstechnology,asoneofthe.Withthecontinuousinnovationofseismice*plorationinstrumentsofseismice*plorationmethodinunceasingrenewal,theseismice*plorationinstrumentconstantalongtheminiaturization,highcircuitdensitydirection.Inthispaper,fromthefirstgenerationtothethirdgenerationofelectronictubeseismographICseismograph,reviewsthedevelopmentofseismice*plorationinstrumentsagedivisionande*plorationtechnologyofthestatusquo,finallyfromtheuser'sdemandandtheelectronictechnologytrend,theprospectsofdevelopmentofseismicprospectinginstrument.Keywords:seismice*ploration;electronictechnology;e*plorationtechnology;developmentdirection-.z.前言收稿日期：收稿日期：基金工程：通信史可〔1994-〕，女，漢族，****人，本科生Tel：；：1192431314qq.地震勘探儀器是地震勘探的關(guān)鍵設(shè)備,它與現(xiàn)代先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)開展息息相關(guān)[1]。作為地球物理勘探裝備中最為精細(xì)和關(guān)鍵的設(shè)備，從地震波的激發(fā)、采集、數(shù)據(jù)處理、記錄到繪圖都屬于地震勘探儀器工作范疇,且地震勘探儀器的技術(shù)水平、性能指標(biāo)和應(yīng)用效果均直接關(guān)系到地震采集數(shù)據(jù)的地質(zhì)效果。它綜合運(yùn)用物理學(xué)、電子學(xué)、材料科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多門學(xué)科的相應(yīng)理論、方法和技術(shù)來探測(cè)地球的各種物理信息,是地球物理勘探直接獲取信息的主要手段與工具，如圖1。物探儀器廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、石油、冶金、煤炭、交通、鐵路、水電、建筑工程等領(lǐng)域。對(duì)能源、資源的勘探與開發(fā),地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè),地球環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮著重要作用.因此,地震勘探儀器的開展也就成為地球物理勘探技術(shù)進(jìn)步的重要組成局部[2]。圖1地磁場(chǎng)分布圖Fig.1Themagneticfielddistributiondiagram2地震勘探儀器開展概述2.1地震勘探儀器時(shí)代劃分O*O*z*ZYHTIDy地震勘探儀器的開展可劃分為:第一代電子管地震儀,通常稱為模擬光點(diǎn)記錄地震儀;第二代晶體管地震儀,通常稱為模擬磁帶記錄地震儀;第三代集成電路地震儀,通常稱為數(shù)字磁帶記錄地震儀,也稱為常規(guī)數(shù)字儀;第四代大規(guī)模集成電路地震儀,通常稱為遙測(cè)地震儀;第五代超大規(guī)模集成電路地震儀,通常稱為新一代遙測(cè)地震儀(文中定義為24位遙測(cè)地震儀);第六代全數(shù)字遙測(cè)地震儀。目前,包括我國(guó)在內(nèi)的世界地震勘探儀器的開展正處于第五代末期和第六代開場(chǎng)的過渡階段。2.2各時(shí)代地震勘探儀器特點(diǎn)第一代是模擬光點(diǎn)記錄地震儀器,其中以51型儀器為代表[3]。此種儀器以光點(diǎn)感光照相紙記錄作為地震勘探的生產(chǎn)資料,成品記錄是一次性直接可操作的模擬波形。所采集地震數(shù)據(jù)特點(diǎn)是信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍小(僅20dB左右),記錄信號(hào)的頻帶窄(僅20Hz左右),可記錄的地震道數(shù)一般在24道以下。第二代為模擬磁帶記錄地震儀器,其中以DZ663型儀器為代表。此種儀器以永久性記錄到磁帶的模擬信號(hào)為地震勘探生產(chǎn)資料,其生產(chǎn)記錄特點(diǎn)是為可屢次重復(fù)利用的以磁帶為介質(zhì)的模擬波形?？捎涗浀卣鹦盘?hào)的動(dòng)態(tài)范圍仍然較小(僅40dB左右),可記錄地震信號(hào)的頻帶范圍在100Hz以下,能夠記錄的地震道數(shù)一般在48道以下。第三代是數(shù)字地震儀器,如DFS-V、SN338、SK83等。這類儀器是將采集的地震信號(hào)進(jìn)展數(shù)字角計(jì)算如圖2。其創(chuàng)新點(diǎn)是采用了前置放大、瞬時(shí)浮點(diǎn)放大和模/數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù),實(shí)現(xiàn)了由模擬記錄到數(shù)字記錄的變革。新技術(shù)的應(yīng)用,使得系統(tǒng)的瞬時(shí)記錄動(dòng)態(tài)范圍可到達(dá)70dB以上,可記錄有效地震信號(hào)的頻帶范圍最高可以到達(dá)250Hz左右,能夠記錄的地震道數(shù)一般在240道以內(nèi)。圖2地磁場(chǎng)計(jì)算Fig.2Calculationofthemagneticfield第四代是遙測(cè)數(shù)字地震儀器,如SN348、SN368、OPSEIS5586、SYSTEMONE、OPSEISEAGLE、TELSEISTRT、YKZ480、SK1004等。這類儀器與第三代儀器有同樣的工作原理,所不同的是主機(jī)系統(tǒng)通過控制/分布0在排列上的采集站來采集地震數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)化了主機(jī)的積木式硬件構(gòu)造并甩掉了笨重的模擬大線,其采集能力和抗干擾能力都有顯著提高。其技術(shù)進(jìn)步就在于實(shí)現(xiàn)了以數(shù)字信號(hào)形式在電纜上串行傳輸?shù)卣鸬佬畔?。由于主機(jī)得到了充分地簡(jiǎn)化,加之?dāng)?shù)字信號(hào)傳輸電纜的重量不再受接收地震道數(shù)的限制,系統(tǒng)的采集能力也得到了空前的提高,一般在2ms采樣時(shí)能有1000道左右的實(shí)時(shí)采集能力。第五代是二十世紀(jì)九十年代才推出的采用PETROLEUMINSTRUMENTS術(shù)的24位A/D型遙測(cè)數(shù)字地震儀器,其代表是如今廣為流行的SN388、ARIES、BO*、SYSTEMTWO、GDAPS4、IMAGE、SYSTEMFOUR-AC、408UL等[4]。這代儀器的核心技術(shù)就在于用24位A/D轉(zhuǎn)換器取代了先前的瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器和14或15位A/D轉(zhuǎn)換器,且在不考慮檢波器的瓶頸作用時(shí),$2技術(shù)的應(yīng)用使得系統(tǒng)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍上升到110dB或更多,可記錄地震信號(hào)的頻帶達(dá)800Hz或更高(實(shí)際上受模擬檢波器的制約,整個(gè)接收系統(tǒng)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍仍在70dB左右,其有效頻帶寬度也在300Hz以下)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展以及數(shù)字處理技術(shù)在地震勘探儀器上的應(yīng)用,儀器的集成度和采集能力進(jìn)一步得到提高,其2ms的根本采集能力一般都在5000道左右。第六代是21世紀(jì)初開場(chǎng)面向勘探市場(chǎng)的全數(shù)字地震儀器,其代表是I/O產(chǎn)的系統(tǒng)IV(VC或VR)和SERCEL產(chǎn)的408UL-DSU。這類儀器和前一代儀器相比根本不同的是:系統(tǒng)中包含了以MEMS技術(shù)為核心的加速度數(shù)字傳感器(數(shù)字檢波器),使得整個(gè)接收系統(tǒng)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍在90dB以上,而且從0~500Hz都能等靈敏度和等相位響應(yīng)地震波信號(hào)。通過磁場(chǎng)等密度分布記錄數(shù)據(jù)如圖3。這代儀器的關(guān)鍵技術(shù)就是突破了傳統(tǒng)模擬檢波器(通常的失真度是1j)長(zhǎng)期以來制約著系統(tǒng)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍,真正實(shí)現(xiàn)了完全數(shù)字化,不怕電磁干擾,有萬道以上實(shí)時(shí)采集能力。它是今后實(shí)現(xiàn)寬頻帶萬道多波高精度采集的方向。圖3磁場(chǎng)等偏線圖Fig.3fieldpartiallinegraph3地震勘探儀器技術(shù)現(xiàn)狀地球物理震勘探能力從曾經(jīng)的小道數(shù)二維勘探能力,逐漸開展到大道數(shù)的二維和三維勘探能力,如表1為我國(guó)各地磁場(chǎng)參數(shù)值。直至今天的陸上、海上、大規(guī)模全波場(chǎng)三維或四維勘探能力,其中的進(jìn)步是成幾何級(jí)數(shù)變化的,且技術(shù)的開展也是舉世矚目的。目前,國(guó)際勘探市場(chǎng)流行的地震勘探儀器在品種類型上,涵蓋了無線儀器、有線儀器、模擬檢波器儀器、數(shù)字檢波器儀器、陸用儀器、水用儀器、拖纜儀器等。應(yīng)用這些地震勘探儀器能滿足全球范圍內(nèi)沙漠、平原、山地、叢林、湖泊、海洋等各種勘探作業(yè)環(huán)境的施工需要[5]。從勘探市場(chǎng)的占有率和開展方向看,富有代表性的地震勘探儀器主要有兩大類:一是以模擬檢波器為地震波傳感部件的第五代;二是以數(shù)字檢波器為地震波傳感部件的第六代。第五代儀器的典型代表有:SERCEL的408UL-FDU、I/O的AC系統(tǒng)-IV、GEO-*的ARIES以及FAIRFIELD的BO*等。這類儀器的技術(shù)特點(diǎn)是,都擁有成熟的網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)編碼通訊技術(shù),都采用$2術(shù)的24位A/D轉(zhuǎn)換器,且系統(tǒng)具有集成度高和實(shí)時(shí)采集能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[6]。第六代儀器的典型代表有:SERCEL的408UL-DSU和I/O的VC或VR系統(tǒng)-IV。這類儀器的技術(shù)特點(diǎn)是,在沿用$2技術(shù)的根底上采用了高精度的MEMS傳感技術(shù),使得檢波器的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍到達(dá)90dB以上。從技術(shù)水平上看,當(dāng)今世界各大地球物理公司擁有的主流地震勘探儀器都是采用$2技術(shù)的24位A/D型,實(shí)時(shí)采集能力可達(dá)幾千甚至萬道,所應(yīng)用的數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)技術(shù)、數(shù)字傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)、電子工程技術(shù)、材料工藝技術(shù)等均屬國(guó)際先進(jìn)水平,而且各項(xiàng)物理特性和技術(shù)指標(biāo)也是同期高科技精細(xì)電子裝備中最高和最好的。目前,正在研發(fā)和全面推行的以MEMS技術(shù)為根底的地震勘探儀器,也即地震勘探儀器的核心技術(shù)越來越多地表達(dá)在系統(tǒng)應(yīng)用軟件水平和功能上。這就是當(dāng)代地震勘探儀器的根本技術(shù)現(xiàn)狀。表1我國(guó)各地磁場(chǎng)要素質(zhì)Table1magneticfieldofourcountrytoquality4地震勘探儀器未來技術(shù)開展縱觀地震勘探儀器的開展歷史可見,地震勘探技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的迅猛開展以及新工藝、新材料等的不斷涌現(xiàn)是地震勘探儀器開展與更新?lián)Q代的根底,勘探市場(chǎng)和用戶的需求是地震勘探儀器開展的經(jīng)濟(jì)動(dòng)力[7]。地震勘探儀器的開展目標(biāo)總是以不斷滿足用戶需求、不斷適應(yīng)市場(chǎng)變化、不斷跟蹤世界最新技術(shù)成果為內(nèi)容,以制造出輕便、廉價(jià)、穩(wěn)定、高精度、大容量、功能齊全、軟件完備、指標(biāo)優(yōu)越的儀器為特征,以追求通用、靈活、高度智能化、檢波與采集一體化為方向,以獲取高質(zhì)量的地震數(shù)據(jù)資料為出發(fā)點(diǎn)。就地震勘探儀器的現(xiàn)狀看,檢波器的開展速度、新方法的突破、人的保守觀念、不完全標(biāo)準(zhǔn)的勘探市場(chǎng)等可能是今后地震勘探儀器開展的主要制約因素,因此近階段模擬檢波器就成為主要技術(shù)攻關(guān)對(duì)象,并以生產(chǎn)高保真度、寬頻帶、數(shù)字化、集成化的新式傳感器(檢波器)為目標(biāo)。現(xiàn)行的第六代地震勘探儀器就是檢波器、電纜、采集站一體化的全數(shù)字化系統(tǒng),系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)采集都實(shí)施網(wǎng)絡(luò)化管理。將來的系統(tǒng)應(yīng)是配備有自動(dòng)定位裝置(也即可以任意布放排列),能通過全球網(wǎng)真正實(shí)現(xiàn)與世界范圍內(nèi)任何一個(gè)數(shù)據(jù)端點(diǎn)進(jìn)展通訊,具-.z.有多維全波場(chǎng)萬道甚至十萬道準(zhǔn)實(shí)時(shí)采集能力,并可將采集數(shù)據(jù)直接傳到中央處理中心等的采集與管理過程一體化、高度智能化、自動(dòng)化但又無固定模式的有線與無線完全兼容的自由組合式開放系統(tǒng)，如圖4。圖4地震勘探儀器Fig.4seismicprospectinginstrument根據(jù)地震勘探儀器技術(shù)開展的一般規(guī)律,以及當(dāng)前地球物理勘探市場(chǎng)的開展需求,或許將來地震勘探儀器開展的技術(shù)突破點(diǎn)就在于:采用更為優(yōu)質(zhì)的材料和先進(jìn)的工藝以及更為科學(xué)和完善的數(shù)據(jù)編碼、壓縮、調(diào)制、傳輸技術(shù),致使系統(tǒng)能到達(dá)1000MHz的數(shù)據(jù)傳輸速率和具有更為輕便、耐用的特性;采用實(shí)時(shí)衛(wèi)星定位技術(shù),系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)隨意布設(shè)排列且自動(dòng)校準(zhǔn)*、Y、Z分量方位和自動(dòng)識(shí)別地理位置;系統(tǒng)的集成度和環(huán)境適應(yīng)性得到更好的優(yōu)化,系統(tǒng)的尺寸和重量將數(shù)倍地下降而工作溫度、壓力(水深)、電磁環(huán)境等可以不受任何限制;或許超導(dǎo)和納米等技術(shù)引入地震勘探儀器,系統(tǒng)功耗數(shù)倍下降而工作速度卻成倍上升,以致陸上系統(tǒng)的供電不再需要外部支持(內(nèi)置高能電池也許可以支持三個(gè)月或更久);海底電纜(OBC)與拖纜制造技術(shù)和直流高壓供電技術(shù)進(jìn)一步得到完善,海上地勘探儀器的準(zhǔn)實(shí)時(shí)采集能力和適應(yīng)能力得到空前提高;開發(fā)應(yīng)用全新的數(shù)字信號(hào)處理和記錄技術(shù),系統(tǒng)的整體工作速度比現(xiàn)行儀器要高數(shù)倍或幾十倍;地震勘探儀器的硬件組織都由高速標(biāo)準(zhǔn)、通用器件構(gòu)成,系統(tǒng)的功能特性和關(guān)鍵技術(shù)70%甚至更多取決于獨(dú)特的應(yīng)用軟件?？偠灾?未來地震勘探儀器技術(shù)的開展離不開電子工程和計(jì)算機(jī)軟、硬件等技術(shù)的開展,離不開新工藝、新材料技術(shù)的支持,更離不開地球物理勘探技術(shù)的開展和用戶的需要。這就是未來地震勘探儀器技術(shù)開展的總體走向。5完畢語地震勘探儀器的開展始終沿著不斷小型化、不斷提高電路密度的方向開展。新型數(shù)字地震傳感器,目前是地震勘探領(lǐng)域最理想的