一體化數字地震儀頻域一致性檢測及其在地震頻率諧振勘探的應用

鐘沛江，梁曾

(中地裝(重慶)地質儀器有限公司，重慶 401331)

0 引言

近年來，經過大量的實驗和生產實踐，證實地震頻率諧振勘探技術具有很高的勘探精度和經濟實用性，已成為勘探領域新的技術方法，有望成為地質勘探一種新的地球物理勘探技術。其涉及領域包括：城市地下空間勘察、地熱勘探、煤炭地質勘探、采空區勘察、交通基礎勘察、金屬礦與非金屬礦勘查、油氣資源勘探、活斷層探測、水壓裂監測等。

中地裝(重慶)地質儀器有限公司和北京派特森科技股份有限公司聯合研發了一套適用于地震頻率諧振勘探的觀測系統，主要由一體化數字地震儀(重儀公司)、實時數傳儀和地震頻率諧振實時處理平臺組成(派特森公司)。該觀測系統近幾年在城市地下空間勘察、采空區勘察和金屬礦與非金屬礦勘查等領域取得了良好的成果。

1 儀器一致性

1.1 儀器一致性的重要性

該觀測系統在應用中取得良好的地質成果，一方面取決于派特森公司研發的地震頻率諧振實時處理平臺的先進性，另一方面也取決于重儀公司研制的性能優良的一體化數字地震儀。

雖然頻率諧振技術的成果參數為波阻抗或者波阻抗比率，無需對設備的時間同步性做要求，但與微動、瞬態面波技術一樣，都是通過接收環境噪聲數據或人工振動數據來識別地下地質體，因此，采集高質量的數據十分重要。地震頻率諧振勘探技術的精度主要取決于數字地震儀能否真實記錄震動信號的頻率和振幅大小。其影響因素主要包括地震儀的一致性(一致性差會導致多臺設備工作時，接收到相同頻率卻產生不同的頻率特性，產生虛假信號)、采集過程中儀器與地面的耦合(如接地不實)、非隨機干擾(如某固定干擾震源)等因素。

常規地震勘探技中，除面波勘探是利用近地表面波的速度頻散特性對地下介質進行空間和屬性成像以外，其他的地震勘探技術均由波場走時確定勘探目的物的空間位置和屬性特征，頻率諧振技術的成果參數為波阻抗或者波阻抗比率剖面圖。在同時使用多臺儀器時，要取得準確的記錄數據，儀器一致性就要高。對于時域方法來說，偏向時間精度和鐘差一致性；而對于頻域方法來說，則偏重頻率幅值的一致性。

從理論需求來講，儀器的一致性越高，處理成果精度就越高。但在實際應用時，現有技術數采硬件部分可以做到很高的一致性，但傳感器頻率幅值的高一致性是很難實現的。根據近幾年地震頻率諧振勘探實際情況看，只要儀器的一致性控制在±10%內，頻率諧振勘探就會取得較好的成果。從經濟角度看，儀器的一致性控制在±10%內就能滿足較多場合的需求，如需更高精度勘探，可將儀器一致性控制在更小的范圍內，但這會增加相應的成本。

1.2 儀器一致性檢測條件

為了保證野外數據質量，正式施工前需要對相應的一體化地震儀進行一致性對比檢測，符合要求的才可以用于野外數據采集。在儀器做一致性檢測時，理論上條件是比較嚴謹(茍刻)的，如：①周邊無風，環境安靜,無電磁和振動干擾；②應盡可能將所有儀器布置在環境條件相同的地方，最佳條件是四周和底部具有隔振，且上表面是平整的硬質地基礎(水泥墩)上；③儀器之間距離盡可能短，方向一致，且處于水平狀態(理論上外震源到所有儀器的距離和能量相同)，否則就會帶來先天誤差；④GPS/BD信號要好，保證儀器能正常授時；⑤要有較長的采集時間，確保所有儀器能經過1～2 h校鐘過程；⑥所有儀器的耦合狀態一致；等等。

用戶很難找到滿足以上所有條件的環境，因此，用戶做出的一致性數據要比廠家提供的數據要差一些是正常現象。用戶自己做一致性試驗時，雖然條件有限，但也要盡可能將各種不利于一致性檢測因素考慮到位，否則計算出的一致性與真實情況較大。因此，做一致性時必須做到以下幾點，否則計算結果與真實情況相差較大，還會誤認為是儀器自身問題。①周邊無風，環境安靜，無電磁和振動干擾；②盡可能將所有儀器布置于環境條件相同的場所，理論上保證外震源到所有儀器的距離和能量相同；③GPS/BD信號要好，且要有較長的采集時間，確保所有儀器能經過1～2 h校鐘過程；④儀器耦合狀態相同；⑤原則上做一致性試驗不能在樓上，而且要遠離墻體；⑥原則上檢測儀器一致性時，一次檢測數量不能太多(否則不能保證震源到每臺儀器的能量相同)，應方向一致、且處于水平狀態(否則，即使到達能量相同，接收到的信號大小也不同)；⑦最好選取波形比較一致時段的數據來做分析(避免各種干擾帶來的計算誤差)。

用于地震頻率諧振勘探的一體化地震儀在出廠前都需要檢測一致性，并用兩種方式計算，符合要求后才能出廠。

1.3 一致性數據對比

1.3.1 數據采集現場

同一批儀器，不同的采集現場，取得的數據是不相同的，圖1是在樓上房間內，其數據顯然不如圖2(底樓)的數據質量好。

圖1 將儀器擺放到樓上房間內采集的數據波形Fig.1 Data waveform collected by placing the instrument in the upstairs room

圖2 將儀器擺放到底樓內采集的數據波形Fig.2 Data waveform collected by placing the instrument in the basement

1.3.2 常規頻譜分析

圖3是截取儀器記錄的一段數據(底樓)做的頻譜分析圖，從圖中可以看出一致性是比較高的。

1.3.3 專用軟件分析

頻譜分析只能作定性分析，為此派特森公司針對應用地震頻率諧振儀器開發了一種數據顯示一致性分析軟件，將儀器采集的數據輸入電腦，通過該軟件自動計算出本批次的一致性。根據野外試驗情況，數據在0.9～1.1之間才能出廠(主要看Z_ever和T_ever數據)，見圖4。

圖3 一致性頻譜分析圖Fig.3 Consistency spectrum analysis diagram

圖4 派特森專用軟件計算一致性Fig.4 Calculation Consistency of petrosound Special Software

2 應用實例及成果

應用實例由北京派特森科技股份有限公司提供。

2.1 案例1：在某沿海地區的淺層地質調查應用

2020年5月，派特森公司在沒有其他地質資料的前提下，僅利用中地裝(重慶)地質儀器有限公司和北京派特森科技股份有限公司聯合研發的用于地震頻率諧振勘探觀測系統進行野外采集的無源地震數據，進行了微動及頻率諧振的處理試驗，最終結果與后續收集到的地質鉆孔資料及地質構造圖高度一致，再次證實了派特森公司“頻率諧振”及“微動”技術和重儀公司一體化儀器的優越性。

由圖5可以看出，在0～50 m范圍內，頻率諧振成果與4口地質鉆孔資料對比結果一致。圖6為微動資料的初步解釋結果，可以較好識別大體構造特征。

圖5 頻率諧振結果與地質鉆孔資料對比Fig.5 Comparison between frequency resonance results and geological borehole data

圖6 微動初步解釋成果Fig.6 Preliminary interpretation results of fretting

由圖7可以看出，頻率諧振成果在0～50 m范圍精細地描述了地層、斷裂及不同巖性的分布特征，其特征與已知地質構造圖的特征完全一致。

2.2 案例2：“頻率諧振”采集

2020年5月10日至2020年5月22日，派特森公司協同某勘察測繪研究院完成了三分量頻率諧振的剖面探測工作，用以調查地下地質構造，地層及巖性特征。

測線采集范圍主要位于城市道路內，主要存在著車輛行駛、城市施工等各種強干擾背景噪聲。采用派特森公司的實時數傳儀和頻率諧振實時處理平臺及中地裝(重慶)地質儀器有限公司研制生產的一體化地震儀，見圖8。

圖7 區域地質構造圖與頻率譜振成果和微動成果對比圖Fig.7 Comparison of regional tectonic map and frequency spectrum vibration results and fretting results

圖8 “頻率諧振”采集Fig.8 “Frequency Resonance” Acquisition

2.3 案例3：鉛鋅礦勘探實例

圖9為鉛鋅礦勘探實例。在波阻抗剖面上可以直接識別到碳酸鹽巖石地層倒轉、直立的構造形態，圖中虛線為礦體賦存部位。該剖面真實地反應了地層形變的基本特征，深部斷裂以及可能的礦體賦存部位,200 m標高以上構造已經得到鉆孔證實。

圖9 鉛鋅礦勘探實例fig.9 Lead-zinc mine exploration example

2.4 案例4：煤礦采空區勘探實例

圖10為地震頻率諧振技術預測的煤礦采空實例。由于煤層與圍巖的密度在煤層采掘前后差異巨大，而地震頻率諧振成果為波阻抗剖面，因此，該技術對此舉有天然的優勢。地震頻率諧振剖面不僅揭示了煤礦采空區的空間位置，還刻畫了剩余煤層與上覆地層的地質特征。

圖10 煤礦采空區勘探實例Fig.10 Example of coal mine goaf exploration

圖11為地震頻率諧振技術指導水平井鉆探煤層的成功案例。由于水平井在鉆進過程中難以追蹤到煤層，在應用地震頻率諧振技術對1100～1250 m深度的煤層進行成像后，成功地引導了水平井的鉆探，分辨率達到深度的3‰。

圖11 引導水平井鉆探煤層的案例Fig.11 A case of guiding horizontal wells to drill coal seams

3 結語

作為一種新的地震勘探技術，頻率諧振術可以單點單分量采集，多臺儀器采集時無需對設備的時間同步性做要求，剖面成果的體積效應影響小，可識別深部地質構造，但數據采集部分的一致性至關重要。如何界定一致性的好壞，用戶和制造廠家應達成統一認識。由于一致性測試對環境條件要求高，用戶很難找到相應的環境條件，比較科學的辦法是制造廠家在提供產品同時提供一致性檢測報告，報告內容包括測試現場圖片、儀器編號、計算一致性原始數據和截取時段，由客戶對數據處理驗證一致性。