地震勘探仪器的发展现况
史可
（吉林大学 仪器科学与电气工程学院，长春 130022）
摘要：地震勘探仪器是集传感技术、微电子技术、计算机技术、数据传输技术、通讯技术、数据存储技术、工艺材料技术等为一体的综合系统。随着地震勘探方法的不断创新地震勘探仪器也在不断更新换代, 使地震勘探仪器沿着小型化、高电路密度的方向不断发展。本文从第一代电子管地震仪到第三代集成电路地震仪综述了地震勘探仪器的发展、时代划分以及勘探技术现状等，最后从用户的需求和电子技术的走势，展望了地震勘探仪器的发展方向。
关键词：地震勘探；电子技术；勘探技术；发展方向
中图分类号：G642.41 文献标识码：A 文章编号：
The development of seismic exploration instruments
SHI ke (College of insrumentation and Electrical Engineering, Jilin University,Changchun 130022,China)
Abstract: seismic exploration instrument is a comprehensive system including sensor technology, micro electronics technology, computer technology, data transmission technology, communication technology, data storage technology, materials technology, as one of the. With the continuous innovation of seismic exploration instruments of seismic exploration method in unceasing renewal, the seismic exploration instrument constant along the miniaturization, high circuit density direction. In this paper, from the first generation to the third generation of electronic tube seismograph IC seismograph, reviews the development of seismic exploration instruments age division and exploration technology of the status quo, finally from the user's demand and the electronic technology trend, the prospects of development of seismic prospecting instrument.
Keywords: seismic exploration; electronic technology; exploration technology; development direction
前言* 地震勘探仪器是地震勘探的关键设备, 它与现代先进的科学技术发展息息相关[1]。作为地球物理勘探装备中最为精密和关键的设备，从地震波的激发、采集、数据处理、记录到绘图都属于地震勘探仪器工作范畴, 且地震勘探仪器的技术水平、性能指标和应用效果均直接关系到地震采集数据的地质效果。它综合运用物理学、电子学、材料科学、系统科学、计算机技术等多门学科的相应理论、方法和技术来探测地球的各种物理信息,是地球物理勘探直接获取信息的主要 收稿日期： 基金项目：
通信作者：史可（1994-），女，汉族，甘肃兰州人，本科生Tel：18204316638；E-mail：1192431314@qq.com
手段与工具，如图1。物探仪器广泛应用于地质、石油、冶金、煤炭、交通、铁路、水电、建筑工程等领域。对能源、资源的勘探与开发,地质灾害的预测,地球环境污染的监测等方面发挥着重要作用.因此, 地震勘探仪器的发展也就成为地球物理勘探技术进步的重要组成部分[2]。
图1 地磁场分布图
Fig.1 The magnetic field distribution diagram
2地震勘探仪器发展概述 2.1地震勘探仪器时代划分
地震勘探仪器是集传感技术、微电子技术、计算机技术、数据传输技术、通讯技术、数据存储技术、工艺材料技术等为一体的综合系统。随着地震勘探方法的不断创新地震勘探仪器也在不断更新换代, 从 20 世纪30 年代诞生第一代模拟光点记录地震仪器开始, 大致可分为六代。
地震勘探仪器的发展可划分为:第一代电子管地震仪, 通常称为模拟光点记录地震仪; 第二代晶体管地震仪, 通常称为模拟磁带记录地震仪; 第三代集成电路地震仪, 通常称为数字磁带记录地震仪, 也称为常规数字仪; 第四代大规模集成电路地震仪, 通常称为遥测地震仪; 第五代超大规模集成电路地震仪, 通常称为新一代遥测地震仪( 文中定义为 24 位遥测地震仪) ; 第六代全数字遥测地震仪。目前, 包括我国在内的世界地震勘探仪器的发展正处于第五代末期和第六代开始的过渡阶段。
2.2各时代地震勘探仪器特点
第一代是模拟光点记录地震仪器, 其中
以 51 型仪器为代表[3]。此种仪器以光点感光照相纸记录作为地震勘探的生产资料, 成品记录是一次性直接可操作的模拟波形。所采集地震数据特点是信号的动态范围小( 仅 20 dB 左右) , 记录信号的频带窄( 仅 20 Hz 左右) ,可记录的地震道数一般在 24 道以下。
第二代为模拟磁带记录地震仪器, 其中以 DZ663型仪器为代表。此种仪器以永久性记录到磁带的模拟信号为地震勘探生产资料, 其生产记录特点是为可多次重复利用的以磁带为介质的模拟波形。可记录地震信号的动态范围仍然较小( 仅 40 dB 左右) , 可记录地震信号的频带范围在 100Hz 以下, 能够记录的地震道数一般在 48 道以下。
第三代是数字地震仪器, 如 DFS- V、SN338、SK83等。这类仪器是将采集的地震信号进行数字角计算如图2 。其创新点是采用了前置放大、瞬时浮点放大和模/ 数转换技术, 实现了由模拟记录到数字记录的变
革。新技术的应用, 使得系统的瞬时记录动态范围可达到 70 dB 以上, 可记录有效地震信号的频带范围最高可以达到 250 Hz 左右, 能够记录的地震道数一般在 240道以内。
O X
Y D x y I H Z T z
图2 地磁场计算
Fig. 2 Calculation of the magnetic field
第四代是遥测数字地震仪器, 如 SN348、SN368、OPSEIS5586、SYST EM ONE、OPSEIS EAGLE、T ELSEISTRT 、YKZ480、SK1004 等。这类仪器与第三代仪器有同样的工作原理, 所不同的是主机系统通过控制/ 分布0在排列上的采集站来采集地震数据。简化了主机的积木式硬件结构并甩掉了笨重的模拟大线, 其采集能力和抗干扰能力都有显著提高。其技术进步就在于实现了以数字信号形式在电缆上串行传输地震道信息。由于主机得到了充分地简化, 加之数字信号传输电缆的重量不再受接收地震道数的限制, 系统的采集能力也得到了空前的提高, 一般在 2 ms 采样时能有1000 道左右的实时采集能力。
第五代是二十世纪九十年代才推出的采用PET ROLEUM INSTRUMENTS术的 24位 A/ D 型遥测数字地震仪器, 其代表是如今广为 流 行 的 SN388、ARIES、BOX、SYSTEM TWO、GDAPS4、IMAGE、SYSTEM FOUR - AC、408UL 等[4]。这代仪器的核心技术就在于用 24 位 A/ D 转换器取代了先前的瞬时浮点放大器和 14或 15 位A/ D 转换器,且在不考虑检波器的瓶颈作用时, $2 技术的应用使得系统的瞬时动态范围上升到 110 dB 或更多, 可记录地震信号的频带达 800 Hz 或更高( 实际上受模拟检波器的制约, 整个
接收系统的瞬时动态范围仍在 70 dB左右, 其有效频带宽度也在 300 Hz 以下) 。随着计算机技术的发展以及数字处理技术在地震勘探仪器上的应用, 仪器的集成度和采集能力进一步得到提高, 其2 ms的基本采集能力一般都在 5 000 道左右。
第六代是 21 世纪初开始面向勘探市场的全数字地震仪器, 其代表是 I/O 产的系统 IV ( VC 或 VR)和 SERCEL 产的 408UL- DSU。这类仪器和前一代仪器相比根本不同的是: 系统中包含了以 MEMS 技术为核心的加速度数字传感器( 数字检波器) , 使得整个接收系统的瞬时动态范围在 90 dB 以上, 而且从 0~ 500Hz 都能等灵敏度和等相位响应地震波信号。通过磁场等密度分布记录数据如图3。这代仪器的关键技术就是突破了传统模拟检波器( 通常的失真度是 1j) 长期以来制约着系统的瞬时动态范围, 真正实现了完全数字化, 不怕电磁干扰, 有万道以上实时采集能力。它是今后实现宽频带万道多波高精度采集的方向。
图3 磁场等偏线图
Fig. 3 field partial line graph
3地震勘探仪器技术现状
地球物理震勘探能力从曾经的小道数二维勘探能力, 逐渐发展到大道数的二维和三维勘探能力,如表1为我国各地磁场参数值。 直至今天的陆上、海上、大规模全波场三维或四维勘探能力,其中的进步是成几何级数变化的, 且技术的发展也是举世瞩目的。目前, 国际勘探市场流行的地震勘探仪器在品种类型上, 涵盖了无线仪器、有线仪器、模拟检波器仪器、数字检波器仪器、陆用仪器、水用仪器、拖缆仪器等。应用这些地震勘探仪器能满足全球范围内沙漠、平原、山地、丛林、湖泊、海洋等各种勘探作
业环境的施工需要[5]。
从勘探市场的占有率和发展方向看, 富有代表性的地震勘探仪器主要有两大类: 一是以模拟检波器为地震波传感部件的第五代; 二是以数字检波器为地震波传感部件的第六代。第五代仪器的典型代表有:SERCEL 的 408UL - FDU、I/ O 的 AC 系统- IV、GEO-X 的 ARIES 以及 FAIRFIELD 的 BOX 等。这类仪器的技术特点是, 都拥有成熟的网络遥测技术和计算机数据编码通讯技术, 都采用 $2 术的24 位 A/ D 转换器, 且系统具有集成度高和实时采集能力强等优点[6]。第六代仪器的典型代表有: SERCEL 的 408UL - DSU和 I/ O 的VC 或VR 系统- IV。这类仪器的技术特点是,在沿用 $2 技术的基础上采用了高精度的MEMS传感技术, 使得检波器的瞬时动态范围达到 90 dB 以上。
从技术水平上看, 当今世界各大地球物理公司拥有的主流地震勘探仪器都是采用 $2 技术的24 位 A/D 型, 实时采集能力可达几千甚至万道, 所应用的数字存储技术、网络遥测技术、数字传感技术、数据通讯技术、计算机软、硬件技术、电子工程技术、材料工艺技术等均属国际先进水平, 而且各项物理特性和技术指标也是同期高科技精密电子装备中最高和最好的。目前, 正在研发和全面推行的以MEMS 技术为基础的地震勘探仪器, 也即地震勘探仪器的核心技术越来越多地体现在系统应用软件水平和功能上。这就是当代地震勘探仪器的基本技术现状。
表1 我国各地磁场要素质
Table 1 magnetic field of our country to quality
4 地震勘探仪器未来技术发展
纵观地震勘探仪器的发展历史可见, 地震勘探技术、电子技术、计算机技术、通讯技术、数字信号处理技术、数据传输技术的迅猛发展以及新工艺、新材料等的不断涌现是地震勘探仪器发展与更新换代的基础, 勘探市场和用户的需求是地震勘探仪器发展的经济动力[7]。地震勘探仪器的发展目标总是以不断满足用户需求、不断适应市场变化、不断跟踪世界最新技术成果为内容, 以制造出轻便、廉价、稳定、高精度、大容量、功能齐全、软件完备、指标优越的仪器为特征, 以追求通用、灵活、高度智能化、检波有多维全波场万道甚至十万道准实时采集能力, 并可将采集数据直接传到中央处理中心等的采集与管理过程一体化、高度智能化、自动化但又无固定模式的有线与无线完全兼容的自由组合式开放系统，如图4。
图4 地震勘探仪器
Fig. 4 seismic prospecting instrument
根据地震勘探仪器技术发展的一般规律, 以及当前地球物理勘探市场的发展需求, 或许将来地震勘探仪器发展的技术突破点就在于: 采用更为优质的材料和先进的工艺以及更为科学和完善的数据编码、压缩、调制、传输技术, 致使系统能达到 1 000 MHz 的数据传输速率和具有更为轻便、耐用的特性; 采用实时卫星定位技术, 系统可以实现随意布设排列且自动校准 X 、Y、Z 分量方位和自动识别地理位置; 系统的集成度和环境适应性得到更好的优化, 系统的尺寸和重量将数倍地下降而工作温度、压力( 水深) 、电磁环境等可以不受任何限制; 或许超导和纳米等技术引入地震勘探仪器,
与采集一体化为方向, 以获取高质量的地震数据资料为出发点。就地震勘探仪器的现状看, 检波器的发展速度、新方法的突破、人的保守观念、不完全规范的勘探市场等可能是今后地震勘探仪器发展的主要制约因素, 因此近阶段模拟检波器就成为主要技术攻关对象, 并以生产高保真度、宽频带、数字化、集成化的新式传感器( 检波器) 为目标。现行的第六代地震勘探仪器就是检波器、电缆、采集站一体化的全数字化系统, 系统的控制和数据采集都实施网络化管理。将来的系统应是配备有自动定位装置( 也即可以任意布放排列) , 能通过全球网真正实现与世界范围内任何一个数据端点进行通讯, 具系统功耗数倍下降而工作速度却成倍上升, 以致陆上系统的供电不再需要外部支持( 内置高能电池也许可以支持三个月或更久) ; 海底电缆( OBC) 与拖缆制造技术和直流高压供电技术进一步得到完善, 海上地勘探仪器的准实时采集能力和适应能力得到空前提高; 开发应用全新的数字信号处理和记录技术, 系统的整体工作速度比现行仪器要高数倍或几十倍; 地震勘探仪器的硬件组织都由高速标准、通用器件构成, 系统的功能特性和关键技术 70% 甚至更多取决于独特的应用软件。总而言之, 未来地震勘探仪器技术的发展离不开电子工程和计算机软、硬件等技术的发展, 离不开新工艺、新材料技术的支持, 更离不开地球物理勘探技术的发展和用户的需要。这就是未来地震勘探仪
器技术发展的总体走向。
5结束语
地震勘探仪器的发展始终沿着不断小型化、不断提高电路密度的方向发展。新型数字地震传感器, 目前是地震勘探领域最理想的地震传感器, 它使地震勘探仪器系统结构发生重大变化, 系统性能和技术指标有了大的提高。地震勘探仪器发展到全数字遥测地震仪时代, 必将引起野外地震数据采集技术、地震资料处理技术乃至资料解释技术等产生重大发展。
参考文献
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地震勘探仪器的发展现况
