地震數(shù)據(jù)表征：速度與加速度

魏 繼 東

(中國石化石油工程地球物理公司勝利分公司，山東東營 257100)

1 研究背景

地震波在地表的直觀表現(xiàn)形式是地表的機(jī)械振動(矢量)，其表征方式可選擇位移、速度或加速度，對應(yīng)單位分別是m、m/s和m/s2。對于同一個機(jī)械振動而言，當(dāng)分別用位移、速度、加速度三個不同物理量表征時，不僅波形、單位和數(shù)值大小不同，而且相應(yīng)的頻譜和主頻也不相同(圖1)。如圖1中振動信號的加速度譜主頻(36Hz)較速度譜主頻(30Hz)高約6Hz。這種差異使業(yè)內(nèi)部分學(xué)者更傾向于采用加速度檢波器采集地震數(shù)據(jù)，甚至認(rèn)為其主頻的提高是地震采集技術(shù)的一種“巨大進(jìn)步”。

地震檢波器是地震勘探中接收和記錄地面振動信號的最基本硬件單元,可將地面振動矢量信號以盡量小的失真轉(zhuǎn)換為單分量或多分量電信號,并被地震儀記錄下來[1]。依據(jù)檢波器輸出數(shù)據(jù)與不同表征物理量之間的關(guān)系，可將其分為位移型、速度型和加速度型檢波器(即輸出數(shù)據(jù)分別與對應(yīng)物理量存在線性關(guān)系)。陸上地震勘探中常用速度和加速度檢波器，而位移檢波器應(yīng)用較少。在地震勘探發(fā)展歷程中，絕大多數(shù)地震數(shù)據(jù)是采用以電磁感應(yīng)模擬動圈式為代表的速度檢波器獲得的。相關(guān)數(shù)據(jù)處理、地質(zhì)解釋的認(rèn)識、結(jié)論及各種方法的適用前提等,也均是基于地面振動的速度域特征給出的。隨著地震勘探技術(shù)的進(jìn)步及機(jī)電制造水平的提高，以MEMS數(shù)字檢波器為代表的加速度檢波器的研發(fā)、試驗及應(yīng)用正日益增多，特別是在高分辨率、高密度地震勘探中備受業(yè)界青睞。筆者認(rèn)為，若拋開儀器硬件本身的優(yōu)劣，對同一測點(diǎn)，不論是速度檢波器還是加速度檢波器，二者輸出結(jié)果表現(xiàn)的頻譜差異或主頻增高僅是一種“數(shù)學(xué)表象”，它們所表征的物理實質(zhì)——機(jī)械振動，是完全一樣的。因此，對加速度檢波器的盲目推崇尚需慎重。

基于上述原因，本文將就速度和加速度檢波器拾取地面振動數(shù)據(jù)之間的差異性及其內(nèi)在關(guān)聯(lián)性加以分析，以期為檢波器的合理選型和應(yīng)用提供借鑒。文中分析數(shù)據(jù)均基于兩種典型檢波器： ①速度檢波器20DX，電磁感應(yīng)模擬動圈式，自然頻率為10Hz，配合FDU(Field Digitizer Unit)使用； ②加速度檢波器DSU3，是法國Sercel公司生產(chǎn)的MEMS數(shù)字檢波器。地震儀為法國Sercel公司產(chǎn)428XL。但文中結(jié)論并不限于以上兩類檢波器，還可推廣到其他速度、加速度檢波器。

圖1 同一機(jī)械振動(上)的三種表征方式(中)及其振幅譜(下)

2 陸上地震勘探地表機(jī)械振動的強(qiáng)度和頻帶范圍

當(dāng)反射波上傳到地面后，會與地面機(jī)械環(huán)境噪聲相疊加，則檢波器接收的機(jī)械振動信號中既包含有效反射信息，也有妨礙有效信號識別的環(huán)境噪聲、源生噪聲及次生噪聲。這些機(jī)械性噪聲是獨(dú)立于檢波器、地震儀等硬件設(shè)備而存在的，與二者的機(jī)電屬性無關(guān)聯(lián)。陸上地震勘探首先要“克服”地表機(jī)械振動噪聲和機(jī)電轉(zhuǎn)換帶來的電噪聲(本文所述電噪聲主要指前置放大器為主要來源的本底噪聲，F(xiàn)loor Noise)，才能將有效反射信號識別出來。對這兩種噪聲的衰減能力，決定了有效反射信號可以被識別出來的強(qiáng)度和頻帶范圍。

查閱有關(guān)資料文獻(xiàn)[2-4]后趨向認(rèn)為，頻帶范圍1～200Hz、強(qiáng)度(加速度)范圍5μm/s2～5m/s2的地表機(jī)械振動對于陸上地震勘探而言，是有意義或有價值的。

2.1 強(qiáng)度下限為5μm/s2

Sercel公司DSU系列數(shù)字檢波器動態(tài)范圍[2]的下限為5μm/s2。經(jīng)實際測量，多數(shù)地區(qū)環(huán)境噪聲強(qiáng)度約為該下限值的十幾至幾十倍[3-5](圖2)。

陸上地震勘探存在兩條“死亡線”。首先是地震儀本底噪聲所形成的死亡線(圖2灰線)。所有振動信號被轉(zhuǎn)換為電信號后，若低于本底噪聲，則無法被識別。第二條死亡線是衰減后的機(jī)械噪聲(圖2黑線)。在有效反射信號被接收過程中，不可避免地會被周圍機(jī)械環(huán)境噪聲、原生噪聲和次生噪聲所污染。此類機(jī)械噪聲在空間上具有相干性，頻帶與有效反射波基本重合，能量與有效波相當(dāng)甚至更強(qiáng)[6-7]。該機(jī)械噪聲經(jīng)后續(xù)處理衰減后的殘余能量，決定了陸上地震勘探可被識別的機(jī)械振動的“最弱強(qiáng)度”，低于此強(qiáng)度將難以被識別。在目前處理框架下，機(jī)械噪聲被衰減到電噪聲水平是“非常難”甚至“不可能”的，所以機(jī)械噪聲形成的第二條死亡線才是決定數(shù)據(jù)質(zhì)量的真正死亡線。圖2中黑線僅考慮了環(huán)境噪聲通過多次疊加衰減后的幅度，是一種示意作用，實際死亡線往往遠(yuǎn)高于該水平，且難以量化表達(dá)。因此，將5μm/s2設(shè)定為當(dāng)前處理能力下反射信號可被識別的下限是留有余地的，即目前處理能力尚無法識別該量級的弱小反射信號。

2.2 強(qiáng)度上限為5m/s2

5m/s2是DSU系列數(shù)字檢波器可接收的加速度信號動態(tài)范圍上限。從現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集來看，無論是炸藥還是可控震源激發(fā)，除極小(<100m)炮檢距外，一般很少出現(xiàn)超調(diào)(即超過動態(tài)范圍上限)現(xiàn)象。中國西部地區(qū)可控震源激發(fā)的相關(guān)前最強(qiáng)振動的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于5m/s2，圖2中初至波的強(qiáng)度為3m/s2。雖然極少數(shù)情況下初至波的強(qiáng)度會超過5m/s2，但幾乎所有有效反射波強(qiáng)度均弱于此數(shù)值。因此，將陸上地震勘探有意義的機(jī)械振動強(qiáng)度范圍上限設(shè)定為5m/s2是基本合理的。

圖2 DSU3接收加速度信號與噪聲強(qiáng)度分布示意圖

另外，以上討論是基于加速度域，如果采用速度檢波器接收數(shù)據(jù)的話，根據(jù)文獻(xiàn)[1]，F(xiàn)DU最大量程2262mV大約對應(yīng)速度強(qiáng)度0.1m/s(假設(shè)單個20DX檢波器)，本底噪聲換算為機(jī)械波速度約為0.1μm/s(假設(shè)單個20DX檢波器)。以上數(shù)值僅是在設(shè)定情況下的大致估算，不是準(zhǔn)確數(shù)值，但是其量級是準(zhǔn)確的。

2.3 頻帶下限為1Hz

低頻信號因其特有的穿透能力和穩(wěn)定性在復(fù)雜構(gòu)造成像和地震反演方面起重要作用。地震數(shù)據(jù)中的低頻信息(1～3Hz)被認(rèn)為是最好的烴類指示(DHI)信息。因此，近年來低頻信號的激發(fā)、接收與應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。在眾多討論低頻信號的文獻(xiàn)[8-21]中，1.0、1.5、2.0、3.0Hz甚至6.0、8.0Hz都曾被視為陸上地震勘探頻帶范圍的下限。從現(xiàn)場采集角度而言，1.0Hz以上反射信號的激發(fā)與接收都是可實現(xiàn)的。因此，將陸上地震勘探的頻帶下限定為1.0Hz即可滿足陸上地震勘探的要求。

2.4 頻帶上限為200Hz

目前陸上石油勘探地震采集的采樣頻率多為1000Hz，相應(yīng)地震儀的高截頻率大約為400Hz。筆者認(rèn)為，對于陸上地震勘探而言，200Hz是“有意義頻帶”的上限。

(1)從施工設(shè)計滿足最高無混疊頻率的規(guī)范[22]要求來講，最高頻率200Hz在絕大多數(shù)工區(qū)是滿足要求的。

(2)絕大多數(shù)可控震源的掃描頻率低于200Hz，采樣頻率多為500Hz(對應(yīng)高截頻率約200Hz)。

(3)很多討論高分辨率地震勘探的文獻(xiàn)[23-26]中，頻帶范圍上限都在200Hz以下。李慶忠[3]認(rèn)為： 陸上地震資料掃描到60～120Hz就一片混亂； 對于5～30m的目標(biāo)砂層而言，主要頻段是10～160Hz。

(4)吸收衰減和采集、處理階段的很多原因均使得高于200Hz的有效反射波非常微弱。

200～400Hz對于絕大多數(shù)陸上石油勘探而言，是一個“可望而不可及”的頻段，而1～200Hz是陸上石油勘探的現(xiàn)實頻段。當(dāng)然，200Hz上限主要是總結(jié)實例與現(xiàn)象后提出的，嚴(yán)格的論證需要根據(jù)不同地區(qū)地表、地下地質(zhì)情況、地質(zhì)目標(biāo)以及采集、處理參數(shù)做系統(tǒng)深入的地質(zhì)、物理、數(shù)學(xué)屬性研究，不能一概而論。

Davis[27]曾指出：“接收系統(tǒng)設(shè)計中所采用的主要參數(shù)均來自對噪聲的研究”，而噪聲是由信號定義的。無論是接收設(shè)備的硬件性能指標(biāo)參數(shù)設(shè)計，還是震源激發(fā)、觀測系統(tǒng)設(shè)計、地面檢波參數(shù)的選擇，均基于對地震勘探中信號與噪聲特性的認(rèn)識。對于反射波法勘探而言，所有處于前述有效信號強(qiáng)度、頻帶范圍內(nèi)的“非反射信號”，均可視為噪聲，是噪聲衰減的主要目標(biāo)。

3 地震檢波系統(tǒng)對地表機(jī)械振動的記錄與改造

目前，工業(yè)用地震檢波裝置主要包括檢波器和地震儀兩部分。二者作為“機(jī)→電→數(shù)”轉(zhuǎn)換裝置，在將機(jī)械信號轉(zhuǎn)換為電信號、進(jìn)而轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程中，不可避免地會產(chǎn)生電噪聲，使數(shù)據(jù)發(fā)生畸變(圖3)。因此，為盡可能忠實記錄大地振動，在檢波器、地震儀的設(shè)計與制造過程中應(yīng)最大限度地減小機(jī)械濾波效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲和機(jī)電效應(yīng)帶來的電噪聲。

對于常用速度和加速度檢波器，前者與地表介質(zhì)振動速度在主要頻帶內(nèi)呈線性關(guān)系，如電磁感應(yīng)動圈式模擬檢波器20DX等； 后者與地表介質(zhì)振動加速度在主要頻帶內(nèi)呈線性關(guān)系，如Sercel公司生產(chǎn)的DSU系列檢波器。無論何種檢波器均只是被動地對地面機(jī)械振動做出響應(yīng)，不能主動識別接收到的是信號還是噪聲。

圖4示意由地表振動到記錄為存儲介質(zhì)上二進(jìn)制(0，1)代碼的主要過程。顯然無論何種記錄格式(SEGY，SEGD，…)、增益(0,12dB，…)、靈敏度(20.1V·m-1·s， 452mV·m-1·s2，…)、物理量(速度，加速度)、濾波效應(yīng)(自然頻率5,10,40,60Hz，…)，地震數(shù)據(jù)本質(zhì)上都是地表振動的表征。當(dāng)剔除記錄系統(tǒng)各種影響因素，并經(jīng)一定恢復(fù)性數(shù)學(xué)運(yùn)算后，應(yīng)是一致的。

圖3 地震檢波過程中信號與噪聲的影響因素(振幅譜)

圖4 現(xiàn)場地震采集數(shù)據(jù)的形成過程

圖5 DSU系列本底噪聲

在圖3所示地震檢波系統(tǒng)中，有些影響因素是確定性的，較容易消除。如動圈式檢波器的機(jī)械濾波效應(yīng)[5]、檢波器—大地耦合響應(yīng)[28]、靈敏度、前放增益、記錄格式等。另一些因素則具有統(tǒng)計特征，如采樣噪聲、電噪聲等。此類噪聲可以通過統(tǒng)計性措施(如多次疊加)加以衰減。圖5為DSU系列檢波器測得的頻域電噪聲分布[29]。在主要頻段內(nèi)它具有白噪特征，在極低頻段則具有1/f特征(頻率越低越強(qiáng))。

除上述兩種影響因素外，第三類因素為非線性畸變(圖3中未標(biāo)示)，比如脫耦噪聲、工藝或者質(zhì)量缺陷導(dǎo)致的數(shù)據(jù)畸變等，此類噪聲在多次疊加時是否會被有效衰減尚無定論。因其在多數(shù)情況下影響較小，在后續(xù)分析中暫不考慮。

4 加速度與速度之間的轉(zhuǎn)換

在地震勘探中，獲得速度/加速度數(shù)據(jù)的途徑有“物理實現(xiàn)”和“數(shù)學(xué)實現(xiàn)”兩種途徑。前者直接采用速度/加速度檢波器獲得相關(guān)數(shù)據(jù)；后者則可在已有速度/加速度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上通過微積分計算，轉(zhuǎn)換為加速度/速度。但是，就實測地震數(shù)據(jù)而言，在某些頻段內(nèi)有時候不能由速度數(shù)據(jù)微分獲得與加速度檢波器輸出一致的加速度數(shù)據(jù)，反之亦然。存在四個方面原因?qū)е铝硕咧g的差異。

4.1 直接由磁帶數(shù)據(jù)計算微積分的弊端

如果要將兩種檢波器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一種域(速度/加速度)中進(jìn)行比較的話，則不能直接對檢波器輸出數(shù)據(jù)做微積分，應(yīng)在綜合考慮記錄格式(SEGY、SEGD)、靈敏度等因素的基礎(chǔ)上，將磁介質(zhì)記錄的二進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)換為速度或加速度并統(tǒng)一單位后，再進(jìn)行比較。

4.2 機(jī)械濾波效應(yīng)差異

以20DX與DSU3的對比為例，前者在小于10Hz頻段存在-12dB/Oct的低頻衰減，而后者并不存在低頻衰減。因此，必須對20DX信號進(jìn)行低頻補(bǔ)償校正[5]。

4.3 原始數(shù)據(jù)“機(jī)電比”過低

所謂機(jī)電比是指在某個確定頻率下由機(jī)械信號轉(zhuǎn)換而來的電信號與轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的電噪聲之間的比值[5]。當(dāng)?shù)卣饠?shù)據(jù)被檢波器接收后，由檢波器機(jī)電性能所定義的機(jī)電比就確定了，無法再被微積分、反褶積等后續(xù)處理所改變，因為“反褶積不改變單個頻率的信噪比”[30]。對于確定的檢波器，相應(yīng)電噪聲通常是固定的，因此，加速度檢波器接收到的數(shù)據(jù)能否被可靠地轉(zhuǎn)換為速度或反之，主要決定于機(jī)械振動信號相對于電噪聲的強(qiáng)度。由于不同頻段機(jī)械振動強(qiáng)度不同，這使同一檢波器接收的原始數(shù)據(jù)在不同頻段具有不同的機(jī)電比。對于高機(jī)電比頻段，意味著機(jī)械振動強(qiáng)而電噪聲弱，此時實施數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是可行的；對于低機(jī)電比頻段，因有效信號淹沒在電噪聲中，此時實施數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換難以獲得可靠的結(jié)果。正因如此，由于實際地震信號多為“鐘形譜”，所以在高低頻端原始數(shù)據(jù)往往表現(xiàn)為較低的機(jī)電比，即使經(jīng)過前述兩種校正后，仍會呈現(xiàn)出轉(zhuǎn)換前后數(shù)據(jù)的不一致。

圖6是不同機(jī)電比情況下通過反褶積進(jìn)行速度、加速度轉(zhuǎn)換的一個模擬結(jié)果。圖中藍(lán)色曲線為速度域雷克子波(90Hz)的振幅譜，紅色為加入1/10000的電噪聲后的速度域(如20DX檢波器)的振幅譜，綠色為等量(1/10000)電噪聲加入加速度檢波器(如DSU3)后、再將其輸出數(shù)據(jù)積分為速度的振幅譜?？梢娫陔娫肼曀较喈?dāng)(1/10000)情況下，將加速度數(shù)據(jù)積分(具有低頻增強(qiáng)作用)為速度后、其低頻端更不可靠。同時，隨著加速度電噪聲的增加(粉色：2/10000； 黑色：4/10000)，其積分為速度后較藍(lán)色曲線的畸變越來越大(紅<綠<粉<黑)。因此，地震儀、檢波器在機(jī)電轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的電噪聲，是加速度檢波器(如DSU3)輸出數(shù)據(jù)積分為速度后與速度檢波器(如20DX)不一致的重要原因。電噪聲水平越高(機(jī)電比越低)，不一致性越強(qiáng)(圖6中兩紅色框)。并且，因為圖6紅色框中電噪聲NE與機(jī)械振動轉(zhuǎn)換而來的電壓ME的量級基本相當(dāng)或者更大，電噪聲是數(shù)據(jù)的主導(dǎo)，所以經(jīng)過反褶積后就難以再恢復(fù)信號的動力學(xué)特征(反褶積不改變ME/NE的比例)。電噪聲水平會在多次疊加時被衰減，這有利于提高低、高頻兩端信號的保真度。

對于機(jī)電比較高頻段而言，速度/加速度之間的微積分計算則無問題、一致性非常高(圖6綠框)。此時電噪聲不再是主導(dǎo)噪聲，具有相干性、強(qiáng)度大、頻帶寬的機(jī)械噪聲變成去噪主要目標(biāo)。

圖7給出了炸藥激發(fā)時DSU428記錄的淺、中、深三層反射波及本底噪聲的功率譜密度(PSD)曲線。顯然，當(dāng)頻率低于100Hz時，淺、中、深層機(jī)械振動強(qiáng)度均較本底電噪聲強(qiáng)20～90dB。此時電噪聲在各個頻率均占非常小的比例，經(jīng)由微積分實施數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是切實可行的。

圖6 電噪聲對由加速度積分為速度的精確度的影響

圖7 實際地震記錄中信號與噪聲的功率譜密度對比

圖8給出了兩種典型檢波器(DSU3、20DX)的中、深層實測數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在時間域和頻率域的對比分析結(jié)果。由圖可見，就實測數(shù)據(jù)而言，20DX速度檢波器信號與DSU3加速度檢波器信號不論是在時間域還是在頻率域二者均具有明顯的差異，且后者較前者時間域信號幅值更強(qiáng)，頻率域主頻更高、頻帶更寬。當(dāng)將20DX速度檢波器信號全部轉(zhuǎn)換為加速度后可以發(fā)現(xiàn)，在中層1～200Hz、深層1～100Hz的頻帶范圍內(nèi)，二者數(shù)據(jù)可相互轉(zhuǎn)換且具有高度一致性。當(dāng)然，如果某地區(qū)機(jī)械振動的強(qiáng)度過低、機(jī)電比太低，就無法通過反褶積恢復(fù)該頻段的數(shù)據(jù)特征。并且，如果檢波器老化嚴(yán)重、指標(biāo)超標(biāo)，其數(shù)據(jù)將會嚴(yán)重失真且完全無法恢復(fù)。

另外，部分學(xué)者認(rèn)為加速度檢波器具有高頻記錄優(yōu)勢，這從理論上來講是正確的，即加速度接收有助于提高高頻端的“機(jī)電比”。但對高頻端的信噪比(有效反射信號與所有非反射信號的比值)的提高作用非常有限(圖9，機(jī)電比與信噪比的差異)。在現(xiàn)場采集階段，機(jī)械噪聲(圖9紅框)是電噪聲(圖9綠框)的十幾甚至幾十倍，往往具有相干性且頻帶與有效信號重疊，非常難以衰減； 而電噪聲能量弱，主要頻段內(nèi)具有白噪特征，可通過多次疊加有效衰減。換言之，機(jī)械噪聲是獨(dú)立于檢波器的客觀存在，是地震勘探的主要矛盾，無法通過改善檢波器機(jī)電性能而得到改善。

圖8 DSU3、20DX兩種典型檢波器接收的中、深層反射原始記錄、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)記錄及其振幅譜曲線對比

在圖9中，當(dāng)機(jī)械噪聲較強(qiáng)(50)時，即使將電噪聲降為0(實際上是不可能的)，對信噪比的提高作用仍不明顯(0.98→1.00)。因此，基于當(dāng)前地震數(shù)據(jù)的信噪比及去噪能力，試圖通過加速度檢波器提升高頻端信噪比不具有現(xiàn)實意義。

圖9 信噪比與機(jī)電比差異的量化示意圖

4.4 耦合響應(yīng)的差異

由于檢波器具有不同的質(zhì)量、尺寸、外形、材質(zhì)等，這些因素都會對檢波器—大地耦合響應(yīng)產(chǎn)生影響，從而表現(xiàn)出數(shù)據(jù)差異。但因耦合響應(yīng)的工業(yè)化測量標(biāo)準(zhǔn)尚未確立[28]，同時耦合響應(yīng)的影響主要在高頻端(>100Hz)，在此不做深入討論。

因此，對于成熟的低畸變和低電噪聲工業(yè)用檢波器而言，經(jīng)上述校正(4.1、4.2節(jié))后，借助微積分可以實現(xiàn)速度/加速度信號在陸上地震勘探頻帶范圍的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換和相互印證。

5 檢波器選型試驗中資料分析對比方法的局限性

在MEMS檢波器引進(jìn)之初，眾多文獻(xiàn)及實際數(shù)據(jù)處理均將其輸出數(shù)據(jù)與電磁感應(yīng)式檢波器數(shù)據(jù)進(jìn)行直接比較，并未注意二者物理量的差異，所以均得出了“MEMS檢波器主頻高而信噪比稍低”的結(jié)論[31-38]。事實上，該結(jié)論產(chǎn)生的根本原因在于速度信號占據(jù)低頻端而加速度數(shù)據(jù)具有高頻提升作用，并不是MEMS檢波器的本來屬性。此外，除了初疊加剖面，頻率掃描、頻譜分析、能量分析，信噪比分析、子波分析等量化分析結(jié)果均顯示：加速度檢波器較速度檢波器具有能量強(qiáng)、頻帶寬的特點(diǎn)。事實上，現(xiàn)有的量化分析手段不適用于檢波器類型比對這個特定的試驗?zāi)康?存在以下具體原因。

(1)頻率掃描。速度檢波器和加速度檢波器對同一地表振動表現(xiàn)為不同的濾波作用，直接的頻率掃描結(jié)果并不說明問題。

(2)頻譜分析。加速度數(shù)據(jù)較速度數(shù)據(jù)具有“2πf”的高頻提升，直接對比無意義。同時，寬頻帶數(shù)據(jù)未必就是“好”數(shù)據(jù)。如檢波器插得越淺，其耦合響應(yīng)越強(qiáng)、頻帶會越“寬”。

(3)能量分析。如果直接將不同檢波器數(shù)據(jù)做能量分析的話，檢波器的濾波效應(yīng)、靈敏度、電噪聲水平等因素都會影響能量對比結(jié)果。往往靈敏度越高，表現(xiàn)為能量越強(qiáng)。但是如果將所有數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換為速度或者加速度數(shù)據(jù)后，電噪聲水平更低的檢波器往往表現(xiàn)為能量更弱，而不是更強(qiáng)，代表了更高的保真度。

(4)信噪比分析。加速度檢波器信噪比低，并不說明其代表的地表振動真的“信噪比低”，這一特點(diǎn)是由地震信號占據(jù)低頻端、加速度接收具有高頻提升作用以及計算方法限制所導(dǎo)致。

對于一個確定的振動而言，其中的信號與噪聲的動力學(xué)參數(shù)是確定的、不變的、唯一的，但是根據(jù)目前的一些信噪比計算方法，在不同域的計算結(jié)果是不同的。比如位移域是5，速度域有可能是2，加速度域則可能是1。但是應(yīng)該看到，不同數(shù)值的背后，其物理意義是一樣的。

(5)子波分析。一些采集軟件中的子波僅僅是地震信號自相關(guān)后對應(yīng)的時域波形，與雷克子波等概念有本質(zhì)不同。速度或者加速度表征時出現(xiàn)的差異不代表檢波器自身機(jī)電轉(zhuǎn)換性能的差異。

綜上所述，采用加速度檢波器現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)并不會顯著提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。其主頻的提高、頻帶的拓寬、能量的加強(qiáng)僅僅是由于表征地表振動的物理量、靈敏度、記錄格式、濾波效應(yīng)不同導(dǎo)致的，是一種“表象”，不具有實質(zhì)意義。加速度表征較速度表征的主頻提高與震源激發(fā)出更豐富高頻而呈現(xiàn)出的主頻提高是不同的。前者是一種偽高頻、數(shù)學(xué)高頻，后者是真高頻、物理高頻，攜帶了更豐富的地下信息，具有比機(jī)械噪聲和電噪聲更強(qiáng)的高頻端優(yōu)勢，是勘探所希望的。換言之，檢波器的職責(zé)僅僅是“忠實地”記錄大地振動，不具有拓展高頻、提高信噪比、提高能量等“額外”的作用。

6 地震數(shù)據(jù)表征物理量的選擇

地震數(shù)據(jù)表征物理量的選擇會影響地震勘探流程中采集、處理、解釋、反演等的“每一個環(huán)節(jié)”。由于速度、加速度數(shù)據(jù)具有不同的動力學(xué)特征(振幅、相位、頻率)，因此地震數(shù)據(jù)表征究竟是選擇速度還是加速度尚需審慎對待。從地震勘探技術(shù)發(fā)展的歷史來看，很多采集、處理、解釋的做法、經(jīng)驗、認(rèn)識及適用前提，都是基于數(shù)據(jù)的速度域特征給出的，而在加速度域是否適用尚待更深入研究。下面從六個方面簡要討論。

(1)業(yè)內(nèi)熟悉并廣泛采用的雷克子波(Ricker Wavelet)是由Ricker[39]在1940年根據(jù)地震數(shù)據(jù)的速度域特征提出的。雷克子波假設(shè)對加速度信號是否適用目前尚無定論。

(2)理論上，對某個確定的振動而言，其信號與噪聲的比例是確定、不變的，與數(shù)據(jù)的表征方式無關(guān)。但若將機(jī)械振動表達(dá)為速度或加速度后，其中的信號、噪聲的分布態(tài)勢是不同的。速度域地震信號往往占據(jù)低頻端，噪聲則為全頻帶分布，加速度較速度具有提升高頻、壓制低頻的作用。這使某些現(xiàn)有的速度域信噪比分析公式[40]對于加速度數(shù)據(jù)的信噪比估算可能不適用，甚至表現(xiàn)出計算結(jié)果的明顯差異。

(3)在比較地震數(shù)據(jù)能量的時候，往往取振幅的平方代表質(zhì)點(diǎn)振動的動能。但是，動能是與速度的平方、而不是加速度的平方成正比；也就是說，加速度數(shù)據(jù)的平方不代表質(zhì)點(diǎn)的動能。

(4)某些處理手段均假設(shè)環(huán)境噪聲是“白噪”，但在加速度域環(huán)境噪聲往往不具“白噪”特征。

(5)根據(jù)固體彈性理論，均勻、各向同性、理想彈性介質(zhì)中的波動方程為[41]

(1)

式中：t為時間； 向量u表示介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受外力F(向量)作用后的位移； 常數(shù)μ、λ為拉梅系數(shù)；ρ為介質(zhì)密度； 標(biāo)量θ為體應(yīng)變，與向量u的關(guān)系為

θ=divu

(2)

(3)

(6)根據(jù)文獻(xiàn)[42]，若按近似垂向分辨率公式，則時間分辨率可表示為

(4)

式中f*是地震子波的視頻率(或主頻)。

根據(jù)層速度v可得厚度分辨率公式

(5)

式中：λ*為視波長；zR為可分辨厚度。

按照式(5)，若視頻率f*為30Hz、層速度v為3000m/s，則可分辨厚度約為22m。若用加速度域標(biāo)定主頻，則視頻率f*提高到36Hz，此時可分辨厚度真的能夠“憑空”提高到18m嗎？顯然沒那么簡單。加速度域的36Hz與速度域的30Hz表征的是同一振動(圖1)，所以其分辨率的提高缺乏物理基礎(chǔ)，僅是數(shù)學(xué)表達(dá)上的差異而已。

綜上所述，只有正確理解地震速度/加速度數(shù)據(jù)所代表的物理意義及其與地下介質(zhì)之間的映射關(guān)系，方可提高地震數(shù)據(jù)對地下介質(zhì)空間、物性參數(shù)的代表性，僅通過簡單處理結(jié)果的比對就輕率判定優(yōu)劣是不可取的。如部分高密度采集中采用單點(diǎn)加速度檢波器并誤將剖面質(zhì)量的提高歸結(jié)為檢波器因素，因為將普通動圈式檢波器數(shù)據(jù)做低頻補(bǔ)償及微分處理后，完全可取得與加速度檢波器等同的效果。剖面質(zhì)量提高主要貢獻(xiàn)因素是空間采樣密度的提高、觀測系統(tǒng)屬性的改進(jìn)及處理手段的完善。

圖10是同一位置分別用速度、加速度表征得到的剖面，差異巨大的兩張剖面哪一個對客觀唯一存在的地下介質(zhì)具有更好的表征效果呢？需要更多的理論、試驗分析來佐證。

圖10 分別用速度(a)、 加速度(b)表征的同一剖面

7 結(jié)論

(1)在地震勘探感興趣的頻帶(1～200Hz)和強(qiáng)度(加速度5μm/s2～5m/s2，速度0.1μm/s～0.1m/s)范圍內(nèi)，在排除地震檢波系統(tǒng)的主要影響因素之后，成熟檢波器之間的速度、加速度數(shù)據(jù)可通過微積分轉(zhuǎn)換，且具有高度一致性。

(2)當(dāng)前檢波器選型試驗中的資料分析對比方法存在一定局限性，模糊了地震數(shù)據(jù)所代表的物理本質(zhì)。加速度檢波器接收所表現(xiàn)出的“高頻優(yōu)勢”是由于加速度與速度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系決定的，是一種數(shù)學(xué)而不是物理高頻，不代表地表振動本身主頻的提高，與激發(fā)因素導(dǎo)致的主頻提高有本質(zhì)不同。

(3)在目前去噪能力前提下，對于垂直分量而言，10Hz主頻的電磁感應(yīng)式檢波器(指標(biāo)合格，配合檢波器反褶積[5])仍然是數(shù)據(jù)合格、價格合理、施工方便的“高效率檢波器”，適用于單點(diǎn)高密度采集。

對地震勘探而言，速度與加速度表征究竟哪一個更有利于實現(xiàn)提高信噪比、分辨率的目的，尚需進(jìn)行更多的理論研究與試驗驗證?；诓杉┕そY(jié)果的簡單對比就輕易下結(jié)論顯然不夠充分。