地震勘探仪器 应用技术分析与发展 2 0 1 2 年 7 月 地球物理勘探数字化 自数字计算机问世以来的半个多世纪中 ，人们越发地强调用数字精确地量化各 种物理量，用数字来传递一切信息，因 此各行各业纷纷发展数字化技术，从而 带动了微电子和计算机技术的飞速发展 。地球物理勘探从六十年代提出数字化 ，先行官便是数字地震仪。 地球物理学家要求提高采集道数 当地球物理学家迫切要求提高采集道数以适应三维 勘探需要时，多年来应运而生的就是千道，万道 ，甚至是十万道仪器开发问市。同时，增加道容 量的需求，提高信噪比和瞬时动态范围以及进一 步彻底数字化的设计思想，便使数字地震仪从集 中式采集系统结构转向了分布式节点型采集系统 结构。 新技术数传 .然而随之而来的各种新推出的遥测地震仪 ，由于不断引入电子工业中的有线数据传 输和无线数据传输（电台）等新技术却大 有作为。人们对扁平馈线、双扭线、同轴 电缆、光导纤维等各种有线传输介质都在 遥测数字地震仪中作了尝试，并为提高数 传速率增加单线道容量，保证可靠稳定性 等方面作了大量努力。 道采集设备 无线遥测地震仪采集技术 除了有线遥测地震仪，最初的无线遥测地 震仪采集技术则体现在美国公司的OPSEIS 5586 和TELESEIS以及法国地球科学院的 MYRISEIS，这几种仪器中，无线遥测以在 空中传播的电磁波作为数据传输介质，采 集道容量已不受限制，人们也常称这种地 震仪为万道地震仪，但数据传输率还是有 限的，每放一炮，数传时间较长，牺牲了 野外生产效率，采用多频窄带并行传输数 据，但仪器庞杂，可靠性受到一定影响。 微电子工业和计算机工业最新技术 二十世纪六十年代初到九十年代初的三十 年中，地震勘探数字化取得了惊人的进展 ，微电子工业和计算机工业中飞速发展的 高新技术作出了突出贡献，令人叹为观止 的新型仪器层出不穷。从起初的 24 道发 展到了千道以上，数字计算机控制、数据 传输和数据实时分析处理都体现出了当时 的最新技术。 毕竟，地震数据采集系统与地震勘探方 法的发展的需求还是距离很大，地球物 理学家也一直抱怨仪器动态范围不够。 在高分辨率勘探地质任务面前更是越来 越显示出了它的不足。 数字化的核心部件 模数转换器 于是仪器研制人员又被迫回到数字化 的核心部件 模数转换器来考虑问 题。当时适合地震信号数字化成的传 统模数转换通常采用逐次比较设计方 案，连续变化的模拟信号按采样频率 离散为一系列保持平定的子样，对这 些子样用类似天平称重的方法，通过 加减一系列标准的电压码来测量子样 。当比较码值的总和电压与子样电压 相等时便实现了量化。 这种传统模数转换所用的线路包括电压 码生成、子样保持、以及比较等均为模 拟线路，而模拟线路的精度要靠复杂严 格的制造工艺来有限度地保证，而且受 时效和温度变化的影响很大，例如产生 标准电压码所用衰减电路的精密电阻， 选用材料苛刻，且需极为复杂严格的工 艺制造。因此传统的十六位模数转化器 最优线性度只能达到万分之一，畸变最 好指标也不过是万分之五，动态范围大 约 80dB 左右。 随后人们开始认识到瞬时浮点放大器 的弊端，既是对在低频大信号上叠加 的高频小信号起平滑作用而不利于高 频信号的采集。恰好在这个时候微电 子器件中 过采样模数转换器 问世，从而使此问题迎刃而解。 模数转换器的理论在七十年代就已 提出. 瞬时浮点放大器的弊端 这种模数转换技术可以使用易于制造的 宽容限模拟元件，但需要快速和非常复 杂的数字信号处理。仅仅由于应用了与 微处理机芯片同步发展的微电子超大规 模计算芯片才使 模数转换器得 以投入使用。动态达 120dB 的 模数转换器使仪器研制者彻底停用了瞬 时浮点放大器这一模拟部件，也去除了 繁琐的各种模拟滤波器 瞬时动态范围的新概念 瞬时动态范围的新概念：即在同一 采样间隔内能够记录到的不同频率 的最大信号与最小信号之比。1992 年I/O 公司率先造出了采用 模数转换器进行数字化的系统 仪器。在随后的八年中，地震数 据采集系统又经历了一次更新换代 美国I/O 公司的 SYSTEM，SYSTEM 2000，IMAGE，法国 SERCEL 公司的 SN388，408UL 等优质品牌的遥测数 字地震仪迅速占领了市场，基本上 满足了地球物理勘探的需求。值得 一提的是加拿大 GEO-X 公司推出了 具有网络数传结构的 ARAM-24 仪器 ，随后又更新推出 ARAM-ARIES 型 号。 数据传输采纳网络结构 法国 SERCEL 的 408UL 的数据传输也采纳 了网络结构，将采集系统的各个部分均视 为网络结点。形成“地震区域网络”，灵 活可靠地实现地震数据的传输交换，而这 一切都有幸于计算机网络通讯技术的飞速 发展以及 TCP/IP、IPX 等先进重要通讯协 议对信息高速公路的贡献 遥测地震仪快速发展 二十世纪后八年的遥测地震仪的发展 ，更加现代化，更加快速，更加全球 化，日本、德国、俄罗斯和我国也都 各自造出了技术水平较高的 24 位遥 测地震仪，无线遥测仪器则有 OPSEIS -EAGLE 和 BOX，而 BOX 仪器 的新技 术应用和制造工艺更是表现得极为优 秀。 数字地震仪三次更新换代 这四十年大体分为三个阶段，三次 更新换代： 1962 1980，集中式 48 道 120 道数字地震仪； 19801992，16位遥测地震仪； 19922007，24位遥测地震仪。 由于油气能源的需求，以及地震勘探工 作日益加剧的高成本、高风险、高难度 ，人们不断寻求高保真地采集地震数据 以解决地质任务的装备与方法。更新换 代的步伐越来越快。一直努力寻求彻底 数字化，不断地革除复杂的模拟部件， 代之以先进的、高精度的数字化装置。 在不到八年的时间里，便完成了 24位遥测数字地震仪的更新换代。 地震信号传感器 关键是地震信号传感器这一环节在半个世 纪以来确实一直徘徊不前，未能摆脱动圈 式机电转换的机理。比如地震队成千上万 使用的 GS-20DX 检波器是三十年前研制的 产品，七十年代初，当数字地震仪推广使 用时，为了与数字地震仪相配套，人们曾 把 GS-20DX 检波器称为“数字检波器”， 顾名思义完全牵强附会，只不过是这种检 波器性能指标比以往检波器要高，频带要 宽，质量控制严格，可以配合数字仪使用 。但确实是一种不折不扣的机电模拟产品 。 制约其动态范围的畸变（失真度 ）指标仅为 0.2%，这说明动态 范围仅为 54Db。近年来各厂家 花费大力物力研制的各种超级检 波器，其性能指标也未能数量级 地向上突进，其失真度指标不过 在 0.1% 左右。 光纤压力传感和微机械电子传感 目前很多地区地震采集数据不理想， 分辨率不高，除了激发接收条件有待 改进之外，所使用的传感器器件应该 说不够精良。地震信号传感的器件才 应该是地震数据采集系统的核心关键 部分。地震勘探工作者通过半个世纪 的不断实践，几乎无所争议地达到共 识，这就是说目前常规检波器的性能 已成为制约高分辨率地震数据采集发 展的重要因素。可喜的是， 恰恰在二十一世纪之初，多年来科 技工作者努力攻克的地震信号传感 元件：光纤压力传感和微机械电子 传感都突破性地成功出世了。而微 机械电子传感更为成熟优越。在 1992 年第一个推出 24 位 模数转换地震仪 SYSTEM 的 I/O 公司已经成功地将体积微小、频带 响应宽、失真度达百万分级的微电 子机械加速度计引入到了地震勘探 领域，并获得了可喜的成果，。 微电子机械加速度计 在1992 年第一个推出 24 位 模数 转换地震仪 SYSTEM 的 I/O 公司已经 成功地将体积微小、频带响应宽、失真度 达百万分级的微电子机械加速度计引入到 了地震勘探领域，并获得了可喜的成果， 从而启动了地震数据采集系统下一轮的更 新换代。 微电子机械加速度计使地震信号数 字化进入更高水平 微电子机械加速度计使地震信号数 字化进入更高水平 微电子机械系统（MEMS）是一种使 用类似于集成电路工艺制造的，广 泛地应用于汽车工业、国防、生命 工程、家用消费电器等各个领域中 的微米级器件。 微电子机械技术发展迅猛，起初用 于汽车的轮胎压力传感和安全气囊 传感，检测冲击力以判定何时打开 安全气囊。经过多年的发展和应用 ，大量、低价、性能各异的微电子 机械器件应运而生，像ANALOG DEVICE 这样一类半导体器件制造厂 家正在积极地开发研制各种 MEMS 器件。 MEMS 加速度计快速推广 不仅在汽车工业的安全装置，诸如侧面气 囊、安全窗帘的传感中应用量很大，而且 在手机中作为 RF 射频元件、血压测试中 的微型压力传感、游戏机操纵杆中传感、 计算机中除键盘和鼠标以外的加速度姿态 控制，以及手持投影机中的微镜扫描阵列 、DNA 检测装置、微型生物泵、喷墨打印 头、微镜传感等诸多项应用中都获得了广 泛推广。 MEMS 加速度计虽然比压电传感 器要贵些，但由于其类似于半导 体硅芯片的大规模制造工艺，其 生产成本会越来越降低，这可能 是将快速推广的依据之一。 VECTORSEIS 数字 MEMS 检波器 I/O 公司在 1986 年便启动了微机械地震加速度 研制开发计划，1994 年建立了 4 英吋硅微晶片 生产线，1996 年则在 STAFFORD TX 建立了 6 吋 MEMS 生产线，终于在2000 年推出了用于油气勘 探的 VECTORSEIS 数字 MEMS 检波器。随后I/O 公司作为投资者和用户在 2001 年建立了应用 MEMS 公司，作为美国 I/O 公司在德克萨斯 STAFFORD TX 的子公司，工厂面积为 35000 平方 英尺，专门开发研究微重力、精密加速度计。 目前地震仪器一览 目前以24位ADC仪器作为绝对主体。 特点：稳定和可靠性高；系统软/硬件功能强、指标高、 指标差距不大，各有特色。 l 有线传输式的网络仪器： SERCEL 408UL ;428UL ； IMAGE； I/O-SYSTEM IV； ARAM-ARIES；SI-2000 l 无线数据传输仪器：BOX；Vibtech-it l 数据存储式独立型地震仪器：I/O-RSR、SYSTEM-IV(VR) ；JGI-MS-2000；BGP-3S-1 l 全数字式：I/O-SYSTEM IV；Sercel-408DSU 硅微机械加速度计 经过 15 年研制开发而生产的数字加速度计包含 两个主要部件：硅微机械加速度计和专用混合集 成电路ASIC 。硅微机械加速度计由用弹簧悬挂的 在环绕支架上的运动惯性体组成。为此应用四片 6 英吋双面抛光单晶硅片制造，中间两层构成惯 性体、支架和中心电极；上下两层则构成外层电 极并用金属热压与支架形成一体。惯性体表面外 延层光刻制成硅弹簧，在惯性体和顶底盖表面制 成金属电极与连线，从而在惯性体表面与顶底盖 之间形成了电容器。整个芯体案大约 6.5MM 5.5MM 2MM，真空陶瓷封装。 MEMS SIZE 体结构微机械制造技术 为达到地震检波而需要的极低噪声 的高性能，应考虑起主要作用的两 个可控参量：惯性体质量（尺寸） 和谐振结构的阻尼。惯性体质量越 大噪声越小，因此采用体结构微机 械制造技术，以便制成较厚的机械 层（惯性体），构成较大的惯性体 质量。 谐振结构阻尼越大，噪声越大。 为了减小谐振体阻尼，将传感器 封装密封在高真空陶瓷外壳内， 形成几乎无气体的空穴。因为空 穴内气体分子的布郎运动撞击惯 性体会增加器件的噪声水平。 统计机械学噪声理论公式 噪声公式根据统计机械学的均分理论可表达为