CN112649889A

CN112649889A - 一种六分量地震数据及绝对重力测量仪、测量方法

Info

Publication number: CN112649889A
Application number: CN202011438969.9A
Authority: CN
Inventors: 陈彦钧; 操玉文; 曾卫益; 朱兰鑫; 李正斌
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2020-12-07
Filing date: 2020-12-07
Publication date: 2021-04-13

Abstract

本发明公开了一种六分量地震数据及绝对重力测量仪、测量方法。本方法为：1)将固定框架放置在待测位置；其中三个旋转地震计分别固定在该固定框架三个相互垂直的侧壁上，三个平移地震计分别固定在该固定框架三个相互垂直的侧壁上；2)将三个旋转地震计分别测量得到的三个正交的旋转分量θ_x、θ_y、θ_z发送给数据处理单元；将三个平移地震计分别测量得到的三个正交的平移分量d_x、d_y、d_z发送给数据处理单元；3)数据处理单元根据公式

计算得到对重力加速度g；其中s＝j2πf，f为观测频率。本发明可实现绝对重力和六分量地震数据的同时获取，大大提升了数据采集效率，为勘探提供低成本、高效率方案。

Description

一种六分量地震数据及绝对重力测量仪、测量方法

技术领域

本发明涉及一种六分量地震数据及绝对重力测量仪、测量方法，可用于地球物理数据观测范畴，如地球地震波场及重力场观测、引力常数测量、矿产资源开发、地热资源开发、地球物理勘探、地震及地质灾害预警等工程及科研领域。

背景技术

人类对地球地下空间的探测需借助地球物理数据观测仪器，例如重力仪(含绝对重力仪及相对重力仪；此处重力指重力加速度，下同)、磁力仪、电阻率仪、大地电磁仪、地震仪、伽马仪等等，分别可针对不同的物理性质进行探测，从而在不同角度探测地下信息。然而，由于地球地质结构的复杂性，不同的地质结构有时能获得大致相同的地球物理观测数据，这使得在地球物理数据解释过程中难以得到可准确表示的地下结构，这就是地球物理问题的多解性。

在地球物理问题多解性的理论瓶颈下，采用多种物性观测数据可以有效改善探测的准确度，降低多解性的不利影响。目前最常用的地球物理数据类型为地震波数据，其优势是具有较高的垂向分辨率，但受地震盲区影响，对于浅部勘探则效果较差。而重力勘探具有横向分辨率高的优势，与地震数据相结合，可有效改善地震浅部探测效果差的劣势，并增加对于局部密度异常的灵敏度。

目前获取多类型地球物理数据的方法是使用多种仪器进行分别观测，而后汇总。这样一方面增加了野外工作时间，降低了勘探效率；另一方面，使用原理不同的不同物性观测仪器由于使用方法不同，会导致系统误差及一致性误差，降低了数据精度。

发明内容

针对目前地球物理仪器仅可观测单一物性数据的现状，本发明提出一种可用于六分量地震数据及绝对重力测量的仪器、测量方法。本发明将六分量地震数据及重力数据的采集集成于同一仪器，可实现绝对重力和地震平移三分量、旋转三分量的同时获取，大大提升了数据采集效率，为地球物理联合勘探提供低成本、高效率方案；另一方面可降低由于仪器本身产生的系统误差及一致性误差，有助于提升地球物理勘探数据的质量。此外，地震、重力数据的同时获取可增强目前地震勘探对浅部探测及对密度异常的灵敏度。

附图1展示了六分量地震及绝对重力测量原理。敏感轴分别为x、y、z三个方向的旋转地震计和平移地震计被固定在一个框架上，当整个框架被放置在待测点时，x、y、z三个方向的旋转地震计可测得对应方向的旋转地震波，x、y、z三个方向的平移地震计可测得对应方向的平移地震波，这就完成了六分量地震波的采集工作。

对于x、y方向的平移地震计，其单位加速度冲击响应H_x、H_y如(1)式所示：

其中，s为拉普拉斯变换的复频率，k_x、k_y分别为x、y方向平移地震计的等效弹簧阻尼，c_x、c_y分别为x、y方向平移地震计的等效粘滞阻尼系数，m_x、m_y分别为x、y方向平移地震计的等效质量。

由于待测点存在天然地震、人为噪声产生的平移运动和旋转运动，设待测点在x、y、z三个方向存在平移运动，大小分别为d_x、d_y、d_z(均为位移量纲)，在x、y、z三个方向存在旋转运动，角度分别为θ_x、θ_y、θ_z(均为角度量纲)，则前述x、y方向平移地震计的等效质量由前述平移运动和旋转运动共同产生的响应δ_x、δ_y为：

其中，g为重力加速度。

由式(2)可得：

其中s＝j2πf，f为观测频率，d_x、d_y、θ_x、θ_y均为f的函数。

不失一般性地设平移地震计为速度型(即采集三分量平移地震数据的幅值正比于平移地震波速度量纲的幅值)、旋转地震计为角速度型(即采集三分量旋转地震数据的幅值正比于旋转地震波角速度量纲的幅值)，敏感轴为x、y、z三个方向的平移地震计所测速度数据分别为v_x、v_y、v_z，敏感轴为x、y、z三个方向的旋转地震计所测角速度数据分别为ω_x、ω_y、ω_z。根据式(3)及拉普拉斯变换的相关性质可得：

由式(4)可见，基于附图1所示的六分量地震数据及绝对重力测量仪，不仅可以直接采集得到六分量地震波的三个正交的平移分量(例如v_x、v_y、v_z)以及三个正交的旋转分量(例如ω_x、ω_y、ω_z)，还能通过式(4)计算得到绝对重力加速度g，从而可实现地震及绝对重力的同时观测。

本发明的实施方式如附图2的框图所示。将敏感轴为x、y、z三个方向的速度型平移地震计和敏感轴为x、y、z三个方向的角速度型旋转地震计固定在附图1所示的固定框架之上，输出数据即为地震平移三分量数据v_x、v_y、v_z及旋转三分量数据ω_x、ω_y、ω_z。取敏感轴为x方向的平移地震计数据v_x及敏感轴为y方向的旋转地震计数据ω_y、或敏感轴为y方向的平移地震计数据v_y及敏感轴为x方向的旋转地震计数据ω_x，在数据处理单元中根据式(4)即可求得绝对重力，从而实现六分量地震及绝对重力的同时测量。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明提供了一种可同时观测六分量地震数据及绝对重力的测量仪器及测量方法，首次提出将六分量地震数据集成于同一台仪器，并利用六分量测量绝对重力，提升了地球物理数据采集效率，为地球物理联合勘探提供低成本、高效率的数据采集仪器及测量手段；将地震、重力的数据采集集成于同一仪器，可降低由于仪器本身产生的系统误差及一致性误差，有助于提升地球物理勘探数据的质量；地震、重力数据的同时获取可增强目前常用的地震勘探对浅部探测及对密度异常的灵敏度。

附图说明

图1为六分量地震数据及绝对重力测量原理。

图2为六分量地震数据及绝对重力测量方法图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

六分量地震及绝对重力测量原理如图1所示，敏感轴分别为x、y、z三个方向的旋转地震计和平移地震计被固定在图示框架上，而固定框架被放置在待测点。六分量地震及绝对重力测量方法如附图2所示，三个平移地震计测得地震平移三分量数据，三个旋转地震计测得地震旋转三分量数据，使用x、y方向相互正交的平移地震计及旋转地震计输入数据处理单元可解算绝对重力。

具体地，将敏感轴为x、y、z三个方向的速度型平移地震计和敏感轴为x、y、z三个方向的角速度型旋转地震计固定在附图1所示的固定框架相应位置。其中旋转地震计可使用光纤陀螺，平移地震计可采用力平衡式速度型地震计。敏感轴为x、y、z三个方向的光纤陀螺可测得对应方向的旋转地震波，敏感轴为x、y、z三个方向的力平衡式速度型地震计可测得对应方向的平移地震波，两者结合完成六分量地震波的测量。利用x方向光纤陀螺及y方向力平衡式速度型地震计或y方向光纤陀螺及x方向力平衡式速度型地震计均可利用式(4)获得绝对重力，从而实现六分量地震波与绝对重力的同时测量。

本方案所涉及的平移地震波及旋转地震波既可以是天然的地震波，也可以是由于人类活动产生的震动，也可以是人工设备(如炸药震源、锤击震源、震源枪、电火花和空气枪震源、可控震源等等)激发的地震波。

对于上述实施方法，速度型平移地震计还可采用加速度型传感器(如加速度计)通过积分获得速度型信号代替，角速度型旋转传感器还可采用角加速度型旋转传感器通过积分获得角速度型信号代替。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种六分量地震数据及绝对重力测量仪，其特征在于，包括一固定框架、三个角速度型旋转地震计和三个速度型平移地震计；其中

三个角速度型旋转地震计分别固定在该固定框架三个相互垂直的侧壁上，分别用于测量六分量地震数据中三个正交的旋转分量ω_x、ω_y、ω_z，并将其发送给数据处理单元；

三个速度型平移地震计分别固定在该固定框架三个相互垂直的侧壁上，分别用于测量六分量地震数据中三个正交的平移分量v_x、v_y、v_z，并将其发送给数据处理单元；

数据处理单元，用于根据公式

计算得到重力加速度g；其中s＝j2πf，f为观测频率。

2.一种六分量地震数据及绝对重力的测量方法，其步骤包括：

1)将固定框架放置在待测位置；其中三个角速度型旋转地震计分别固定在该固定框架三个相互垂直的侧壁上，三个速度型平移地震计分别固定在该固定框架三个相互垂直的侧壁上；

2)将三个角速度型旋转地震计分别测量得到的三个正交的旋转分量ω_x、ω_y、ω_z发送给数据处理单元；将三个速度型平移地震计分别测量得到的三个正交的平移分量v_x、v_y、v_z发送给数据处理单元；

3)数据处理单元根据公式

计算得到对重力加速度g；其中s＝j2πf，f为观测频率。

3.一种六分量地震数据及绝对重力测量仪，其特征在于，包括一固定框架、三个旋转地震计和三个平移地震计；其中

三个旋转地震计分别固定在该固定框架三个相互垂直的侧壁上，分别用于测量六分量地震数据中三个正交的旋转分量θ_x、θ_y、θ_z，并将其发送给数据处理单元；

三个平移地震计分别固定在该固定框架三个相互垂直的侧壁上，分别用于测量六分量地震数据中三个正交的平移分量d_x、d_y、d_z，并将其发送给数据处理单元；

数据处理单元，用于根据公式

计算得到重力加速度g；其中s＝j2πf，f为观测频率。

4.如权利要求3所述的六分量地震数据及绝对重力测量仪，其特征在于，所述旋转地震计为角度型传感器，或加速度型传感器及积分运算模块；所述平移地震计为位移型传感器，或角加速度型传感器及积分运算模块。

5.一种六分量地震数据及绝对重力的测量方法，其步骤包括：

1)将固定框架放置在待测位置；其中三个旋转地震计分别固定在该固定框架三个相互垂直的侧壁上，三个平移地震计分别固定在该固定框架三个相互垂直的侧壁上；

2)将三个旋转地震计分别测量得到的三个正交的旋转分量θ_x、θ_y、θ_z发送给数据处理单元；将三个平移地震计分别测量得到的三个正交的平移分量d_x、d_y、d_z发送给数据处理单元；

3)数据处理单元根据公式

计算得到对重力加速度g；其中s＝j2πf，f为观测频率。

6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述旋转地震计为角度型传感器，或加速度型传感器及积分运算模块；所述平移地震计为位移型传感器，或角加速度型传感器及积分运算模块。