CN104090295B - 地震sh波三维勘探采集与处理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地震SH波三维勘探采集与处理的方法，本方法为采用一种地震SH波三维勘探震源装置作为激发SH波的震源，获取到以震源为中心沿震源外盘的切向方向传播的SH波。在野外勘探进行资料采集的过程中，按照三维多波勘探的方式布置三分量检波器，检波器的X分量方向要平行于测线方向(inline)布置，便于后期的计算处理。本方法将采集到的三维SH波道集进行径向‐切向旋转预处理，预处理后的数据可以按照常规的三维纵波勘探数据处理方法进行。本方法使工程地质和金属矿产勘察等三维地震勘探工作变得简单高效，对三维反射SH波地震勘探的推广应用起到积极的作用。

Description

地震SH波三维勘探采集与处理的方法

技术领域

本发明涉及一种地震SH波三维勘探采集与处理的方法，属于地震、地质勘探技术领域。

背景技术

横波是二种体波之一，命名为S波(secondary wave,或shear wave,)是因为它的速度仅次于纵波(P波，传播速度最快的地震波)。S波在地球内部介质传播过程中，质点的震动方向与地震波能量传递方向是垂直的，这与P波是不同的。S波通过弹性介质传播，而主要的恢复力来自于剪切效应。

地震横波勘探有两种类型，一种是SV波，是指质点在包括射线在内的铅垂面内振动的横波，即质点的振动和波的传播射线都在通过测线的铅垂面内，水平检波器沿X方向布置；一种为SH波，是质点在水平面内振动的横波，波在射线平面内传播时，质点的振动在垂直于射线平面的水平面内振动，水平检波器沿Y方向布置。

SH波勘探的优势：

①、在地震勘探技术领域中，横波与纵波相比，具有速度低、频率低、波长短，且不受地下水影响的优点。因此，横波地震勘探可以达到纵波地震勘探所无法达到的分辨率和精确度，能更好的探测第四纪覆盖层厚度及其下伏基岩小构造。

②、SH波波场相对简单。当入射波为SH波时，SH波在反射过程中一般不会产生转换波，只产生同类的反射和透射波，而不发生波形的转换，也就是所谓的自生波。常规反射纵波勘探中，入射纵波(P波)会在介质分界面转换为SV波，在SV、P波相会并干涉的情况下就会有瑞雷面波的出现。瑞雷面波在反射地震勘查中是作为干扰波存在的，能量特别强，多数的处理手段就是围绕着压制这个干扰而进行的。

③、SH波数据处理容易。在石油、煤田等反射纵波地震勘探中，由于勘探目的层比较深，特别是浅层土壤或风化层的速度比较低，反射纵波和面波的视速度差异很大，在采集的时候用检波器组合方法，并(或)采用多次覆盖观测系统进行共中心点叠加的方法，可以有效压制瑞雷面波。但在工程勘察领域的浅层地震勘探中，由于勘探目的层很浅,只有几米～几十米，反射纵波与瑞雷面波的视速度差异变小，且采集的时候无法使用检波器组合方法，加上成本的问题覆盖次数也不高，压制瑞雷面波的方法不再有效，常规的浅层反射纵波地震勘探效果较差。而在SH波勘探中则不会接收到高能量的瑞雷面波，数据采集和处理都相对简单。

④、横波速度是岩土工程和建筑工程中的一个关键参数，它与土力学和基础工程学中的地层硬度(强度)密切相关，也是评价地下岩土动力学行为和进行地震区划的重要参数。

由于上述原因，SH波在工程勘察中具有很大的优势，二维SH波浅层地震勘探正逐渐发展和得到推广。

三维SH波勘探的困难：三维SH波地震勘探主要有两个困难：⑴、激发SH波困难；⑵、目前还没有三维SH波数据处理的任何经验。

⑴、由于激发SH波困难，需要开发三维SH波震源。由于SH波的振动垂直于传播方向，故在二维勘探时激发SH波比较容易。例如，使用一个有一定长度的带钉子的木块安放在地球表面，并垂直于测线方向，锤击木块的两头，即可激发出SH波；接收时采用水平振动的横波检波器，横波检波器的方向垂直于测线方向与木块的方向平行。但在三维情形下，传统的SH波激发方式，无法激发出在各个方向传播的SH波。因此需要开发一种能适用于三维地震勘探的激发SH波的震源。

⑵、由于目前还没有三维SH波数据处理的任何经验，因此需要解决如何方便进行三维反射SH波地震数据处理。三维反射纵波地震数据的处理具有非常成熟的处理方法和处理技术，并形成了相应的地震处理软件。SH波有着与纵波完全相同的对称反射波传播路径，如果能将三维反射SH波地震数据，放在三维反射纵波地震处理软件上进行处理，这对三维反射SH波地震勘探的应用和推广，将是突破性的进步。

发明内容

本发明的目的是为了解决三维浅层反射SH波地震的勘探问题，尤其是针对性地解决前述如何方便地进行三维反射SH波地震数据处理，而提供一种地震SH波三维勘探采集与处理的方法，且所提供的方法能避免浅层三维纵波(P波)勘探过程中高能量瑞雷面波的出现，以及可简化数据处理得到反映地下结构的数据体，同时获得岩土工程中的重要参数——横波速度。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种地震SH波三维勘探采集与处理的方法，按如下步骤操作：

步骤⑴、采用一种地震SH波三维勘探震源装置作为激发SH波的震源，所述的装置以旋转模式激震，激发的SH波沿位于激震震源装置的底部的震源外盘做切向振动并四周传播，质点振动垂直于传播方向；

步骤⑵、对震源装置激震出的三维SH波，在野外进行反射波勘察资料采集的过程中，按照常规的三维地震反射波勘探法检波器的排列方式进行数据采集，采集所用的检波器采用三分量检波器，按照测线的方向，将检波器布置成一致的方向；即检波器的X分量方向要平行于测线方向布置，便于后期的处理计算；

步骤⑶、按照检波器P(x_c,y_c)和激振点S(x_s,y_s)的位置计算出以震源为中心的射线和测线之间的夹角将每一个道集中的所有数据点按照坐标旋转的方式进行数据转换，所述的夹角

步骤⑷、转换后的数据进行共面元或共中心点抽道集，按照常规的弯线和面积三维纵波勘探抽道集方法即可达到目标；

步骤⑸、将抽道集的数据进行等同于常规三维纵波地震反射波法处理方式进行。

本发明中步骤⑴所述地震SH波三维勘探震源装置，包括步进电机、伺服控制器组、传动轴、震源激震箱体，步进电机内部自带编码器，编码器通过连接线与伺服控制器组电连接；所述的伺服控制器组包括信号发生器、伺服驱动器；步进电机的输出轴轴心通过轴承连接传动轴，传动轴随轴心转动，传动轴上安装有对称的扇叶，扇叶上设有增加重量的固定栓，扇叶与震源激震箱体的外盘连接；所述的震源激震箱体以步进电机的输出轴轴心为中心轴，震源激震箱体由上盖和内、外盘组成，上盖与外盘连接，所述的内、外盘底部均焊接有金属钉齿；步进电机的输出轴轴心穿过内盘的中心，在内盘底部的轴心末端焊接有金属的底锥，内盘底部的底锥和钉齿用于将装置固定于地面；步进电机通过传动轴驱动扇叶带动外盘、上盖围绕内盘转动，外盘转动使外盘底部的钉齿和地面之间产生切向的震动，产生各个方向的SH波。

本发明中步骤⑶所述检波器采集到的三维SH波是沿震源切向方向在X方向上的分量，对于每一炮每一个检波点的接收角度都不一样，需要进行角度的旋转，旋转后所得到的局部坐标位置相对于全局坐标(x,y,z)产生了变化，Z分量在各个位置不发生变化，则两个坐标系下的转换公式如下：

也就是将关于时间的函数通过角度进行了转换，并构成新函数夹角是炮检点连线与测线之间的夹角，按照检波器P(x_c,y_c)和激振点S(x_s,y_s)的位置计算出的，随激震的位置和接收检波点的位置而变化；处理过程中，需将每一个道集中的所有数据点按照坐标旋转的方式进行转换。

本发明步骤⑵中，选择按照常规的三维地震反射波勘探法检波器的排列方式进行数据采集，采集所用的检波器采用三分量检波器，其中X分量方向为测线方向(inline)，将检波器布置成一致的方向。这是因为在常规二维采集中，敲击锤击板后所产生的SH波沿地震测线方向传播，由横波检波器进行采集工作。本发明为了提高勘探精度和效率，提出三维SH波反射法。常规的二维采集方法所布置的单分量水平横波检波器对三维SH波是不可行的，因为常规三维地震法所观测的是一个面，只有垂直于震源激发方向的测线上的检波器可以接收到SH波，而其他的测线由于与质点振动方向相交并不垂直，从而导致检波器接收不到波。

因此，开展三维SH波勘探不仅需要激发三维SH波的震源，还需要能接收任意方向波的检波器，三分量检波器是多波勘探时使用的特种检波器，每个检波器内装有三个互相垂直的传感器，以记录质点振动速度向量的三个分量：水平、垂直以及Z向，用于同时记录纵波、横波、转换波，这种检波器可以满足接收任意方向波的要求。

利用三维可控震源激发SH波，三分量检波器按照网格排列接收到三维SH波，但对于同一炮的记录来说，多数检波器接收到的质点振动方向和测线并不垂直，还需要后续的数据坐标转化，才能继续后续的处理。本发明是通过对三维SH波震源激发的SH波在采集后进行预处理，使经过本方法预处理后的SH波能够按照常规的三维纵波处理方法处理。

本发明的地震SH波三维勘探采集与处理的方法具有如下优点：

1、本发明的方法中使用的激发SH波的震源装置为轻便小型可控震源组合装置，通过伺服控制器组控制可人为设计震源产生的工作频率，可以在扫描信号时避开干扰信号，信号的分辨率高，使检波器易于接收到SH波。

2、本发明中三维SH波激发与采集，不会在三维勘探过程中接收到高能量的瑞雷面波，从而避免了在压制和滤除瑞雷面波方面的处理难题，使得反射地震处理变得简单，同时有助于提高浅层和超浅层地震勘探的精度和分辨率。

3、本发明对三维SH波的采集与处理方法简单，本方法巧妙将采集到的三维SH波道集进行径向-切向旋转预处理，预处理后的数据可以按照常规的三维纵波勘探数据处理方法进行，即将三维反射SH波地震数据放在三维反射纵波地震处理软件上进行处理，省去了开发专门用于SH波的处理的软件技术。

4、本发明对三维SH波的采集与处理方法取得突破性的进步。能将三维反射SH波地震数据，放在三维反射纵波地震处理软件上进行处理，这将使工程地质和金属矿产勘察等三维地震勘探工作变得简单高效，对三维反射SH波地震勘探的推广应用起到积极的作用。

附图说明

图1为本发明中SH波三维地震反射波勘探原理示意图。图中每个检波器两侧的小箭头代表的是波在检波器位置的振动方向；图中右边的小图表示三分量检波器布置方向示意图。

图2为本发明中SH波振动传播示意图。

图3为本发明中SH波道集坐标转换示意图。

图4为本发明SH波三维勘探数据采集处理的方法中使用的震源装置结构示意图。

图5为图4中震源装置的结构俯视示意图。图中不包括上盖。

图6为图4中震源装置的结构底视示意图。

上述图中：1-震源、2-检波器、3-波传播方向、4-SH波振动方向；

6-步进电机、7-编码器、8-伺服驱动器、9-信号发生器、10-内盘、11-外盘、12-底锥、13-钉齿、14-固定栓、15-扇叶、16-上盖、17-轴心、18-传动轴。

具体实施方案

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详述。

实施例1：本发明提供一种地震SH波三维勘探采集与处理的方法，按如下步骤操作：

步骤⑴、采用一种地震SH波三维勘探震源装置作为激发SH波的震源1，所述的装置以旋转模式激震，激发的SH波沿位于激震震源装置的底部的震源外盘做切向振动，并向四周传播，质点SH波振动方向4垂直于波传播方向3。如图1～2所示。

所述震源装置其结构参见图4、5、6，包括步进电机6、伺服控制器组、传动轴18、震源激震箱体，步进电机6内部自带编码器7，编码器7通过连接线与伺服控制器组电连接；所述的伺服控制器组包括信号发生器9、伺服驱动器8；步进电机6的输出轴轴心17通过轴承连接传动轴18，传动轴18随轴心17转动，传动轴18上对称地安装有扇叶15，扇叶15上设有增加重量的固定栓14，可通过对称增减固定栓14的重量以适应激发不同能量的需求。扇叶15与震源激震箱体的外盘11连接；所述的震源激震箱体以步进电机6的输出轴轴心17为中心轴，震源激震箱体由上盖16和内盘10、外盘11组成，上盖16与外盘11连接，所述的内盘、外盘底部均焊接有金属钉齿13；步进电机6的输出轴轴心17穿过内盘10的中心，在内盘10底部的轴心末端焊接有金属的底锥12，内盘底部的底锥12和钉齿13用于将装置固定于地面；步进电机6通过传动轴18驱动扇叶15带动外盘11、上盖16围绕内盘10转动，外盘11转动使外盘底部的钉齿13和地面之间产生切向的震动，产生各个方向的SH波。

步骤⑵、以所述震源装置作为震源1激震出三维的SH波，在野外进行工程反射波勘察资料采集过程中，按照常规的三维地震反射波勘探法检波器的排列方式进行数据采集，采集所用的检波器2采用三分量检波器，按照测线的方向将检波器布置成一致的方向；如图1所示；即检波器的X分量方向要平行于测线方向布置，便于后期的处理计算。

步骤⑶、按照检波器P(x_c,y_c)和激振点S(x_s,y_s)的位置计算出以震源为中心的射线和测线之间的夹角参见图3。由于所述检波器采集到的三维SH波是沿震源1切向方向在X方向上的分量，对于每一炮每一个检波器2在检波点的接收角度都不一样，需要进行角度的旋转，旋转后所得到的局部坐标位置相对于全局坐标(x,y,z)产生了变化，Z分量在各个位置不发生变化，则两个坐标系下的转换公式如下：

也就是将关于时间的函数通过角度进行了转换，并构成新函数夹角是以炮检点连线和测线之间的夹角，按照检波器P(x_c,y_c)和激振点S(x_s,y_s)的位置计算出的，按照激震的位置和接收检波点的位置而变化，将每一个道集中的所有数据点按照坐标旋转的方式进行转换。

步骤⑷、转换后的数据进行共面元或共中心点抽道集，按照常规的弯线和面积三维纵波勘探抽道集方法即可达到目标。

步骤⑸、将抽道集的数据进行等同于常规三维纵波地震反射波法处理方式进行。

本发明中使用的激发SH波的震源装置轻便小型，工作频率可控，信号分辨率高，使检波器易于接收到SH波。本发明对三维SH波的采集与处理方法取得突破性的进步，能将三维反射SH波地震数据，放在三维反射纵波地震处理软件上进行处理，使工程地质和金属矿产勘察等三维地震勘探工作变得简单高效。

Claims (3)

1.一种地震SH波三维勘探采集与处理的方法，其特征在于：按如下步骤操作：

步骤⑴、采用一种地震SH波三维勘探震源装置作为激发SH波的震源，所述的装置以旋转模式激震，激发的SH波沿位于激震震源装置的底部的震源外盘做切向振动并四周传播，质点振动垂直于传播方向；

步骤⑵、对震源装置激震出的三维SH波，在野外进行反射波勘察资料采集的过程中，按照常规的三维地震反射波勘探法检波器的排列方式进行数据采集，采集所用的检波器采用三分量检波器，按照测线的方向，将检波器布置成一致的方向；即检波器的X分量方向要平行于测线方向布置，便于后期的处理计算；

步骤⑶、按照检波器P(x_c,y_c)和激振点S(x_s,y_s)的位置计算出以震源为中心的射线和测线之间的夹角将每一个道集中的所有数据点按照坐标旋转的方式进行数据转换，所述的夹角

步骤⑷、转换后的数据进行共面元或共中心点抽道集，按照常规的弯线和面积三维纵波勘探抽道集方法即可达到目标；

步骤⑸、将抽道集的数据进行等同于常规三维纵波地震反射波法处理方式进行。

2.根据权利要求1所述的地震SH波三维勘探采集与处理的方法，其特征在于：步骤⑴所述地震SH波三维勘探震源装置，包括步进电机、伺服控制器组、传动轴、震源激震箱体，步进电机内部自带编码器，编码器通过连接线与伺服控制器组电连接；所述的伺服控制器组包括信号发生器、伺服驱动器；步进电机的输出轴轴心通过轴承连接传动轴，传动轴随轴心转动，传动轴上安装有对称的扇叶，扇叶上设有增加重量的固定栓，扇叶与震源激震箱体的外盘连接；所述的震源激震箱体以步进电机的输出轴轴心为中心轴，震源激震箱体由上盖和内、外盘组成，上盖与外盘连接，所述的内、外盘底部均焊接有金属钉齿；步进电机的输出轴轴心穿过内盘的中心，在内盘底部的轴心末端焊接有金属的底锥，内盘底部的底锥和钉齿用于将装置固定于地面；步进电机通过传动轴驱动扇叶带动外盘、上盖围绕内盘转动，外盘转动使外盘底部的钉齿和地面之间产生切向的震动，产生各个方向的SH波。

3.根据权利要求1所述的地震SH波三维勘探采集与处理的方法，其特征在于：步骤⑶所述检波器采集到的三维SH波是沿震源切向方向在X方向上的分量，对于每一炮每一个检波点的接收角度都不一样，需要进行角度的旋转，旋转后所得到的局部坐标位置相对于全局坐标(x,y,z)产生了变化，Z分量在各个位置不发生变化，则两个坐标系下的转换公式如下：

也就是将关于时间的函数通过角度进行了转换，并构成新函数夹角是炮检点连线与测线之间的夹角，按照检波器P(x_c,y_c)和激振点S(x_s,y_s)的位置计算出的，随激震的位置和接收检波点的位置而变化；处理过程中，需将每一个道集中的所有数据点按照坐标旋转的方式进行转换。