CN108919337A - 城市地下空间地震数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种城市地下空间地震数据采集系统，属于城市地下空间勘探领域。所述城市地下空间地震数据采集系统包括：震源装置，用于生成震源波信号；检波装置，包括耦合于地面的多个检波单元，其中所述检波单元的不同组合分别用于检测所述震源波信号相对于城市地下空间在不同波场的地震波信息。由此，通过一次采集就能够获得等同于多次采集的数据量，地层波场信息更加丰富，使得可以在同点进行多种地震波的处理解释，为后期的解译工作提供了条件；并且，基于不同波场的多种地震波信息可以进行反演，并基于反演结果可以实现互补和互相验证，保障了关于城市地下空间的最终解释成果的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及城市地下空间勘探技术领域，具体地涉及一种城市地下空间地震数据采集系统。
背景技术
地震勘探技术是一项诞生较早且相对成熟的物探技术手段，在油气田、煤田勘探、矿产资源调查得到了广泛的应用。在目前常用的物探方法中，基于地震勘探技术所获取资料的可靠程度被公认是远高于电磁、重力等其它工作方法的。地震勘探技术是利用地震波在地下介质物性差异分界面的反射波运动学和动力学特征，探测目的层埋深和异常体的几何形态，在数千米的深度范围内都取得了良好的效果。
近年来随着计算机技术，电子科学技术和计算方法的飞速发展，地震勘探在仪器设备和数据处理方法两方面都形成了一套较完善和成熟的技术体系，在国民经济建设和大型工程项目中发挥了重要作用。现阶段的地震勘探资料采集手段是面向油气田、煤田等深层大目标体的勘探，地质任务主要是查清深层生储盖组合、矿脉分布、油气运移裂隙等大型的地质体；但由于城市环境中具有强烈的干扰背景，在震源的选用和数据采集的实施等方面都受到严苛的限制。
在城市浅层地震勘探中，地质任务发生了巨大的变化，勘探目的层由深变浅，目标地质体由大变小；采集施工环境也发生了巨大的变化，城市高密度的人文活动造成了大量声波干扰和机械干扰，城市建设过程中人类作用于地表及浅表层的改造行为造成了地震采集施工过程中非常复杂的场地条件。同时高密度的人文活动也制约了开展粗放型施工的可能性。
因此，如何在城市浅层有效开展地震勘探方法以采集优质的地震资料是目前业界的热门研究方向。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种城市地下空间地震数据采集系统，用以至少解决现有技术中难以在城市浅层开展地震勘探以采集优质的地震资料的技术问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种城市地下空间地震数据采集系统，包括：震源装置，用于生成震源波信号；检波装置，包括耦合于地面的多个检波单元，其中所述检波单元的不同组合分别用于检测所述震源波信号相对于城市地下空间在不同波场的地震波信息。
可选的，所述不同波场的地震波信息包括以下中的一者或多者：反射波信息、折射波信息和面波信息，其中所述检波装置包括以下中的一者或多者：第一检波单元组合，用于检测所述震源波信号相对于城市地下空间的反射波信息；第二检波单元组合，用于检测所述震源波信号相对于城市地下空间的折射波信息；第三检波单元组合，用于检测所述震源波信号相对于城市地下空间的面波信息。
可选的，所述多个检波单元在第一方向上连续排列分布，以采集关于所述城市地下空间的二维地震数据。
可选的，所述震源装置在系统实施数据采集的过程中处于运动状态，其中，所述系统还包括：最大偏移距确定单元，用于根据所勘探的城市地下空间的深度，确定所述震源装置离所述检波单元的最大偏移距。
可选的，所述震源装置在一次运动前后相距的激发距离为1-100米，两个相邻的所述检波单元之间的距离为1-50米，以及所述最大偏移距为50-10000米。
可选的，所述多个检波单元在交错方向上分别连续排列分布，以采集关于所述城市地下空间的三维地震数据。
可选的，所述震源装置包括耦合于非硬化地面的电火花震源单元。
可选的，所述震源装置包括耦合于硬化地面的可控震源单元和/或重锤震源单元。
可选的，所述检波单元包括数字检波器。
可选的，所述检波单元通过粘结耦合单元耦合于硬化地面，其中所述粘结耦合单元包括泡沫粘合剂层和定型的粘土层，并且所述泡沫粘合剂层用于将所述定型的粘土层粘合至地面，以及所述粘土层用于耦合所述检波单元。
通过上述技术方案，耦合于城市的地面的多个检波单元中的关于检波单元的不同组合可以分别实现对震源波信号相对于城市地下空间在不同波场的地震波信息，一次采集能够获得等同于多次采集的数据量，地层波场信息更加丰富，使得可以在同点进行多种地震波的处理解释，为后期的解译工作提供了条件；并且，基于不同波场的多种地震波信息可以进行反演，并基于反演结果可以实现互补和互相验证，保障了关于城市地下空间的最终解释成果的可靠性。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是本发明一实施例的城市地下空间地震数据采集系统的结构示意图；
图2A是本发明一实施例的城市地下空间地震数据采集系统相对于城市地下空间反射波采集的原理示意图；
图2B是本发明一实施例的城市地下空间地震数据采集系统相对于城市地下空间折射波采集的原理示意图；
图2C是本发明一实施例的城市地下空间地震数据采集系统相对于城市地下空间面波采集的原理示意图；
图3是本发明一实施例的震源装置的结构连接示意图；
图4是本发明一实施例的重锤震源单元的结构框图；
图5是本发明一实施例的粘结耦合单元的原理示意图；
图6是重锤震源对电火花震源的弥补效果示意图；
图7是应用本发明一实施例所对应的典型单炮记录图；
图8是本发明一实施例的折射波层析反演剖面的仿真示意图；
图9是本发明一实施例的反射波层析反演剖面的仿真示意图；
图10是本发明一实施例的多波场波所对应的综合地质解译剖面的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
现阶段的地震勘探资料采集手段是面向油气田、煤田等深层大目标体的勘探，地质任务主要是查清深层生储盖组合、矿脉分布、油气运移裂隙等大型的地质体。在城市浅层地震勘探中，地质任务发生了巨大的变化，勘探目的层由深变浅，目标地质体由大变小；采集施工环境也发生了巨大的变化，城市高密度的人文活动造成了大量声波干扰和机械干扰，城市建设过程中人类作用于地表及浅表层的改造行为造成了地震采集施工过程中非常复杂的场地条件。同时高密度的人文活动也制约了开展粗放型施工的可能性。
解决城市浅层地震资料采集难题的关键：一是提升采集精度，将以往油气、油田勘探中以“百米”、“十米”为衡量单位的精度提升到“米”乃至“亚米”级的精度范围。二是提高抗干扰能力，从设备和施工工艺两方面提升获取有效信号，屏蔽干扰信号的能力。三是建立环境友好型的施工模式，施工过程中要将对城市正常运转的干扰降到最小，对城市基础设施的破坏控制在可快速恢复的范围内。
如图1所示，本发明一实施例的城市地下空间地震数据采集系统1，其包括震源装置11和检波装置12，其中检波装置12可以包括多个耦合于城市地面的检波单元，如图所示的检波单元121、122…12n等。具体的，震源装置11，其可以耦合至(例如可以是一直耦合，也可以是间断耦合至)城市地面并用于生成震源信号，以令该震源波信号作用至城市的地下空间；相应地，检波单元121、122…12n其中的一者或多者的不同组合，例如单独的检波单元122、检波单元121和122的组合或检波单元121和12n的组合，其不同的组合可以分别用于检测震源波信号相对于城市地下空间在不同波场的地震波信息。作为示例，可以是检波单元121和122的组合能够检测震源波信号相对于城市地下空间在第一波场的地震波信息(例如反射波信息)、检波单元121和12n的组合能够检测震源波信号相对于城市地下空间在第二波场的地震波信息(例如折射波信息)。
如图2A-C所示，本发明一实施例的城市地下空间地震数据采集系统1的工作原理，其中不同波场的地震波信息包括以下中的一者或多者：反射波信息、折射波信息和面波信息。如图2A所示，其示出了检测装置所检测的震源波信号相对于城市地下空间的反射波信息，较多的检波单元(例如121-12n中的每一者)都可以检测到由震源波信号所反馈的反射波信息；如图2B所示，其示出了检测装置所检测的震源波信号相对于城市地下空间的折射波信息，鉴于折射波的跨距较大，相距较远的检波单元(例如121、12n)可以检测到由震源波信号所反馈的折射波信息；如图2C所示，其示出了检测装置所检测的震源波信号相对于城市地下空间的面波信息，鉴于面波的频散特性，一般间隔一段距离的检波单元可以检测到由震源波信号所反馈的面波信息。在本实施例中，借助面波、折射波和反射波所具有的不同的波特性，使得同一震源波信号通过检测单元的不同组合能够检测到对应的不同波场的地震波反馈信息，一次采集相当于完成三次不同采集工作，提高了施工效率，并且丰富了城市地下空间的地震波资料。
示例性的，在图2A-2C中，多个检波单元121、122…12n在同一方向上连续排列，由此可以采集到对应于该排列方向的二维平面上城市地下空间的二维地震数据。以上图2A-2C所示出的实施例结构仅作为示例，并不能用于限定本发明的保护范围，以及其中的一者或多者的任意组合都属于本发明的保护范围内。更优选地，多个检波单元121、122…12n可以是在交错方向上分别连续排列分布，该交错方向可以是垂直相交方向、斜相交方向等，由此可以采集到对应于交错方向的三维立体上城市地下空间的三维地震数据。
在一些实施方式中，震源装置11在系统1实施数据采集的过程中处于运动状态，例如震源装置11可以是以单炮方式采集数据，也就是震源装置可以从连续排列的121-12n的一侧移动到另一侧，如图2A-2C所示的，震源装置11的初始位置为位于最左端的检波单元121的左侧，在实施数据采集的过程中，震源装置11可以是从该初始位置向右逐渐变换位置，震源装置11在一次运动前后相距的激发距离可以为1-100米，两个相邻的检波单元(121与122)之间的距离可以为1-50米，以及震源装置11离检波单元的最大偏移距，对应初始状态的震源装置11与12n之间的距离可以为50-10000米。需说明的是，该城市地下空间地震数据采集系统1还包括最大偏移距确定单元(未示出)，该最大偏移距确定单元可以根据所勘探的城市地下空间的深度来确定最大偏移距，例如可以是预设定在最大偏移距与所勘探的地下城市空间之间存在正相关关系，作为示例，可以是在浅层的城市地下空间(例如深度为200米左右)的地质勘探中，由最大偏移距确定单元确定对应的最大偏移距为511米，以便于施工人员按照设计去布设设备，而在更深层的地下空间的地质勘探中，由最大偏移距确定单元所确定的对应的最大偏移距可以大于511米。
在城市地质勘探施工的过程中，不同于野外的地质作业活动，其要求建立环境友好型的施工模式，在施工过程中要将对城市正常运转的干扰降到最小，对城市基础设施的破坏控制在可快速恢复的范围内。因此，在本发明申请还在设备的选型和应用上提出了相应的解决方案。
以下将从三个方面来描述本发明一实施例的具体细节，其具体可以包括地震波激发方面、地震波接收方面和观测方面。
(一)地震波激发方面
为了得到能量足够、频带宽和分辨率高的地震记录资料，根据城市场地条件与勘探目的合理地选择地震波的激发震源成为了城市地下空间调查的重要条件。只有在震源信号具有足够的能量和频宽范围的前提下，处理与解释工作才有实际意义，否则就算采用了最合理的观测系统与最先进的采集设备也无法采集到期望的地震信号。
震源首先要达到的性能指标就是具有足够的频宽。频宽下限要满足激发面波信号的要求，因为面波信号也包含了丰富的浅层地球物理信息，通过利用面波的频散特性可反演出浅层的地层分层结构，相应地在本实施例中所选用的检测频宽的上限越高越好，一般要求有效频带达到100hz以上，就可以满足反射波勘探精度达到“米”级的要求。出于对城市施工的环保与治安等原因的考量，震源装置本申请推荐可以使用重锤、电火花与可控震源。通过上文描述可知，为了面波信号的要求，本申请推荐可以使用者三种震源中频带宽度最宽的电火花震源。
如图3所示，本发明一实施例的震源装置11，包括换能器111、充电电源112和单通道电火花震源113，其中单通道电火花震源113通过放电电缆114连接至换能器111，该换能器111的电头部分需要被淹没至地层。在电火花震源施工时，需要先在激发点位钻一个1-2米深的小孔，孔径以能放下电火花震源放电头为准，往孔内注水至完全淹没放电头，此状态下激发电火花震源可以最大限度地确保激发能量的强度与频率传入地层中。
由于在城市勘探中存在大面积的硬化地面是无法钻孔的，也无法使用电火花震源，因此可以在非硬化地面上使用电火花震源。相应地，为了弥补不能使用电火花震源激发造成的资料空缺段，在本实施例中的震源装置11还可以是包括如图4所示的重锤震源单元115和/或可控震源单元(未示出)，由此采用了重锤震源和/或可控震源单元对资料空缺段进行了弥补，虽然高频成分相对不足，但还是可以取得了非常丰富的地震信息。因此，可以通过采用电火花震源与重锤震源组合的形式充电震源装置，获取尽量多的地震数据。
(二)地震波接收方面
地震勘探施工中接收地震波的装置是检波器(或称拾震器)。在本实施例中选用了数字检波器，由于数字检波器具有动态范围大、频率响应线性和在高频段(例如大于350HZ)和低频段(例如3HZ以上)都有较好的响应。因此，选用数字检波器，可同时最大程度获取面波和反射波及折射波信息，有利于提高城市地下空间地质调查的分辨能力。
在城区的硬化路面无法直接布设检波器，需采取辅助措施确保检波器和硬化地面的耦合，耦合方式不能对道路等基础设施造成损害。该系统1还包括粘结耦合单元13，如图5所示，检波单元121通过粘结耦合单元13耦合于硬化地面，其中粘结耦合单元13包括泡沫粘合剂层132和定型的粘土层131，并且泡沫粘合剂层132用于将定型的粘土层131粘合至地面，以及定型的粘土层用于耦合检波单元121，可以是如图5所示的供检波单元121的椎体插入，由此通过运用粘土与泡沫粘合剂结合的方式确保检波器椎体与地面的耦合。在一些实施方式中，可以是用紧贴硬化地面的粘土模拟检波器121置于城市地下空间的埋置环境，泡沫粘合剂确保粘土与地面无缝粘结，然后用一次性纸杯将二者塑型并倒扣于地面上，再将检波器椎体从纸杯底插入。
(三)观测方面
针对城市地下空间地质调查的地质任务要求，提出了基于“全波场”的观测技术。即：“高密度、较大排列长度”观测技术，利用此观测技术可同时接收到反射波信息、折射波信息和/或面波信息等。
其一，利用反射波信息可对基岩顶界面以下的地层结构和构造形态进行准确的刻画。反射波法采用共反射点多次覆盖技术，对排列长度，偏移距、道间距、激发点距进行合理安排使目的层的反射波处于最佳观测窗口，为满足观测精度达到“米”级的要求，要尽量选择小道距、小偏移距，为满足浅层勘探的深度要求，排列长度一般与要求的勘探深度相当。
其二，利用折射波信息可对基岩顶界面以浅的第四系地层结构进行准确的刻画。为了可靠追踪折射波，需使测线长度大于折射波的临界距离，排列长度一般为第四系厚度的六倍以上。
其三，利用面波信息可对地面以下50米范围内的地层结构进行准确的刻画。面波勘探中，道距决定层分辨率，测线长度应为探测深度的一到两倍。
所以城市浅层地震勘探的观测系统应在满足反射波法勘探需求的同时加长排列以满足折射波与面波勘探的需求。当目标地质体存在高陡构造时，基于水平层状介质的地震波传播模型不再适用，由于高陡构造面的与水平地层的夹角存在，造成地震波的反射角加大，此情况下采集观测系统的测线长度应远大于探测深度。在城市地下空间勘探中，活断层、断裂破碎带等高陡构造作为地质任务的重点，使选用长接收排列的检波单元能够较佳地解决这一问题。
在本发明一实施例中，系统可以使用单炮方式采集数据，并可以是采用接收点距(即相邻检波器之间的距离)2m，激发点距(即一次运动前后震源装置的位移)4m，最大偏移距(即震源与检波器之间的最大距离)511m，最小偏移距(即震源与检波器之间的最小距离)1m，并采用中间对称接收，实现128次覆盖的高密度观测系统。该观测系统可保证取全反射波、折射波、面波三种地震信息。每次激发产生的地震波中都包含这三种波场，配合“频带宽、分辨率高的电火花激发技术”和“宽频、全波场数字检波器接收技术”，可以同时采集三种地震波信息，一次采集相当于完成三次不同采集工作，提高了施工效率。
在地震勘探中，决定横向勘探精度的是共中心点(CMP)的密度，在同一测线长度范围内，CMP数量越多，意味着每个CMP的尺寸越小。而CMP的尺寸与道间距呈直接正比关系，所以道间距越小，地震信息的横向分辨率越高。而在使用面波勘探信息时，由于面波勘探采用了二维傅立叶变换处理技术，利用了面波在空间域的分布特点，其解释的成果代表的是整个测线范围下方一定深度内的地层平均速度特性，如果道间距大，会在二维傅立叶变换中产生空间假频，影响频散曲线的拾取。共反射点多次叠加观测系统的覆盖次数与激发点的密度成正比，覆盖次数的适当提高有利于改善信噪比提高分辨率。基于以上两点，本申请提出的观测系统的道间距可以定为2m，激发点距可以定为4m。
在本发明实施例中，一方面，相对于常规地震资料采集方法，获得了精度更高的资料。小道间距与陆上电火花震源的组合将反射波的勘探精度提高到“米”级水准。小道间距提高了对地层的横向分辨率，电火花震源产生的高频段信号提高了对地层的纵向分辨率。数字检波器的使用进一步保证了接收信号的频宽，所获取的面波信息利用面波频散特性使浅层第四系分层精度迈上新的台阶。另一方面，创造了环境友好型的地震采集施工方式，采用了对城市环境影响较小的陆上电火花震源与重锤震源联合激发，减少了对绿化带、道路等城市基础设施的损坏。在硬化路面采用泡沫粘合剂与粘土埋置检波器避免了在水泥地面钻孔。利用夜间人文活动较少的时间段进行采集施工。以上手段的实施减少了对城市基础设施的破坏，避免了对城市正常运转的干扰。并且，使用同一观测系统获取了多种地震波信号，取得了事半功倍的效果。511-1-2-1-511高密度二维观测系统也为地震记录的抽道处理提供的前提条件，针对不同的地质任务，不同的地震波信息可通过抽道形成不同的道集记录加以运用。该观测系统的优势就是在同一次采集过程中获取了以往多次采集工作获得的地震信息，减少了重复工作，提高了施工效率，节约了成本。进一步的，本发明可以针对探明城市环境下浅层200m范围内的第四系覆盖层、基岩起伏面、沉积层序、断裂破碎带为地质任务的一整套技术方案，并为解决城市地下空间地质调查问题从地震波运动学角度提供了全新的解决方案。
在本发明实施例的一应用场景下，在国家级新区天府新区成都直管区范围内的天府新区成都直管区浅层地震勘探剖面测量项目中对本发明实施例进行了实验性操作。
首先，在检波点上铺设数字检波器，在用电火花震源激发的点位钻1-2m深的浅孔并注水备用。采集时，将检波器通过线缆连接Sercel 428XL数字地震仪，将CD-2型电火花震源放电头置于事先钻取的小孔中激发，产生地震信号。数字检波器接收到地震信号后通过线缆传输至数字地震仪储存。在不具备电火花震源施工条件的地段采用重锤震源进行激发，弥补资料空缺。如图6所示，通过电火花震源和重锤震源的联合激发，弥补了单独的电火花激发所对应的地震资料在天府大道处的空白。
如图7所示，从采集的单炮记录看，运用本发明采集的地震波信号品质较高，能量强，初至清晰，同相轴连续性好，反射波、面波与折射波信息丰富。通过折射波得到的层析反演剖面基岩起伏面清晰，地层层序刻画清楚；通过反射波法得到的地震剖面波组特征清楚、信噪比和分辨率高、构造形态清晰。
在本发明实施例中。一次采集可以获取三个波场的地震波信息，为后期解译城市地下空间创造了条件。如图8，其示出了折射波层析反演剖面的示例；如图9，其示出了反射波地震解释剖面的示例；如图10，其示出了基于反射波、折射波等多波场波所得到的综合地质解译剖面的示例。由此，在不增加施工采集工作量的前提下，可以在同点进行多种地震波的处理解释，为后期的多信息处理解释打下了基础。多种地震波的反演成果可以互补，也可以互相验证，提高了最终解释成果的可靠性。
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。以及，所述的部分单元也可以是集成在单片机、芯片或处理器中的。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。
Claims (10)
1.一种城市地下空间地震数据采集系统，包括：
震源装置，用于生成震源波信号；
检波装置，包括耦合于地面的多个检波单元，其中所述检波单元的不同组合分别用于检测所述震源波信号相对于城市地下空间在不同波场的地震波信息。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述不同波场的地震波信息包括以下中的一者或多者：反射波信息、折射波信息和面波信息，其中所述检波装置包括以下中的一者或多者：
第一检波单元组合，用于检测所述震源波信号相对于城市地下空间的反射波信息；
第二检波单元组合，用于检测所述震源波信号相对于城市地下空间的折射波信息；
第三检波单元组合，用于检测所述震源波信号相对于城市地下空间的面波信息。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述多个检波单元在第一方向上连续排列分布，以采集关于所述城市地下空间的二维地震数据。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述震源装置在系统实施数据采集的过程中处于运动状态，其中，所述系统还包括：
最大偏移距确定单元，用于根据所勘探的所述城市地下空间的深度，确定所述震源装置离所述检波单元的最大偏移距。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述震源装置在一次运动前后相距的激发距离为1-100米，两个相邻的所述检波单元之间的距离为1-50米，以及所述最大偏移距为50-10000米。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述多个检波单元在交错方向上分别连续排列分布，以采集关于所述城市地下空间的三维地震数据。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述震源装置包括耦合于非硬化地面的电火花震源单元。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述震源装置包括耦合于硬化地面的可控震源单元和/或重锤震源单元。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述检波单元包括数字检波器。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述检波单元通过粘结耦合单元耦合于硬化地面，其中所述粘结耦合单元包括泡沫粘合剂层和定型的粘土层，并且所述泡沫粘合剂层用于将所述定型的粘土层粘合至地面，以及所述粘土层用于耦合所述检波单元。
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