高精度组合式轻便小型可控震源的研究

作者简介 赵春蕾，女，１９８０年生，工程师．２００３年毕业于北京工业大学机械设计制 造 及 其 自 动 化 专 业 ，主 要 从 事 海 底 地 球 物 理 仪 器 的 机 械 结 构 设 计 与 测 试 工 作 ．Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｃｌ＠ｍａｉｌ．ｉｇｇｃａｓ．ａｃ．ｃｎ
＊ 通 讯 作 者 郝 天 珧 ，女 ，１９５７ 年 生 ，研 究 员 ，博 士 生 导 师 ．主 要 从 事 海 陆 油 气 盆 地 综 合 地 球 物 理 研 究 ．Ｅ－ｍａｉｌ：ｔｙｈａｏ＠ｍａｉｌ．ｉｇｇｃａｓ．ａｃ．ｃｎ
一．高精度组合式轻便小型可控震源是地震勘探中用 于 浅 层 地 震 勘 探 的 一 种 高 精 度 的 激 振 设 备 ，其 组 合 安 装 模 式
适合于特殊复杂的野外环境，可以实现流动野外地 震 观 测，能 够 产 生 高 重 复 性，高 精 度 的 叠 加 信 号，弥 补 了 炸 药 震
源在地表条件差及城市环保区无法施工的缺陷，在中 浅 层 勘 探 中 取 得 了 较 好 的 效 果 ．发 展 适 用 于 中 浅 层 地 震 勘 测
非炸 药 震 源 中 使 用 最 多 的 是 电 火 花 震 源，它 利 用脉冲电容器组存 储 电 能，通 过 高 压 放 电 开 关 使 放 电电极快速在水中 释 放 产 生 强 大 的 压 力 脉 冲，对 大 地作用形成地震 波，可 以 在 深、浅 井 和 水 域 中 激 发． 中科院电工所研制的电火花震源和湖北荆州长大物 探仪器研发团队研制的电火花震源［５－６］，其能 量 等 级 为５０Ｊ－４００ＫＪ［７］，在海上地 震 勘 探 中 应 用 比 较 广 泛， 但操作繁琐，信号重复性较差 ． ［８－９］
高精度组合式轻便小型可控震源的研究
赵春蕾，卢 川，郝天珧＊ ，张 妍
中 国 科 学 院 地 质 与 地 球 物 理 研 究 所 ，北 京 １０００２９
摘 要 由于自动控制、信号叠加等技 术 的 不 断 发 展，使 得 可 控 震 源 不 断 完 善，成 为 我 国 地 震 勘 探 的 重 要 手 段 之
第５６卷 第１１期 ２０１３ 年 １１ 月

地 球 物 理 学 报
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＳ
Ｖｏｌ．５６，Ｎｏ．１１ Ｎｏｖ．，２０１３
赵春蕾，卢川，郝天珧 等．高 精 度 组 合 式 轻 便 小 型 可 控 震 源 的 研 究 ．地 球 物 理 学 报，２０１３，５６（１１）：３６９０－３６９８，ｄｏｉ：１０．６０３８／ ｃｊｇ２０１３１１１０． Ｚｈａｏ Ｃ Ｌ，Ｌｕ Ｃ，Ｈａｏ Ｔ Ｙ，ｅｔ ａｌ．Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｒ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｓｍａｌｌ ｖｉｂｒａｔｏｒ．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊ．Ｇｅｏｐｈｙｓ．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ），２０１３，５６（１１）：３６９０－３６９８，ｄｏｉ：１０．６０３８／ｃｊｇ２０１３１１１０．
ＺＨＡＯ Ｃｈｕｎ－Ｌｅｉ，ＬＵ Ｃｈｕａｎ，ＨＡＯ Ｔｉａｎ－Ｙａｏ＊ ，ＺＨＡＮＧ Ｙａｎ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２９，Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｅａｄｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｏｒ ｉｓ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｓｅｉｓｍｉｃ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｒ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｓｍａｌｌ ｖｉｂｒａｔｏｒ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｓｅｉｓｍｉｃ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｈａｌｌｏｗ ｓｕｂｓｕｒｆａｃｅ．Ｉｔｓ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｃｏｍｐｌｅｘ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ，ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｒｅｐｒｏｄｕｃｉｂｌｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｓｕｐｅｒｐｏｓｅｄ ｓｉｇｎａｌｓ．Ｕｎｄｅｒ ｐｏｏｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｒ ｉｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｒｅａｓ，ｔｈｉｓ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｖｉｂｒａｔｏｒ ｃａｎ ｔａｋｅ ｔｈｅ ｐｌａｃｅ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅ ｇｏｏｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｓｈａｌｌｏｗ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｖｉｂｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｓｈａｌｌｏｗ ｓｅｉｓｍｉｃ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｉｓ ａｄａｐｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｍａｒｋｅｔ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ ｏｆ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｒ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｖｉｂｒａｔｏｒ．Ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔｓ ｈａｖｅ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｉｔｓ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｖｉｂｒａｔｏｒ，Ｓｅｉｓｍｉｃ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，Ｍｏｄｕｌａｒ ｖｉｂｒａｔｏｒ，Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ
夯 击 震 源 是 ２０ 世 纪 ８０ 年 代 就 出 现 的 一 种 早 期 的可控震源，它是一 种 以 建 筑 工 地 上 的 打 夯 机 为 基 础，通过控制其振动 频 率 和 微 震 动 次 数 的 工 作 方 式 而设计的一种小型可控震 源．美 国 Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃｓ公 司 和芬兰 ＶＩＢＲＯＭＥＴＲＩＣ 公司 以 及 德 国 等 都 先 后 研 制 了 不 同 型 号 的 夯 击 式 可 控 震 源［１］．夯 击 式 可 控 震 源体积小，易携带，但 是 价 格 昂 贵，信 号 输 出 精 度 不 高，输出功率较小，在国内没有得到广泛使用 ． ［２－４］
液压驱动式可控震源也是陆上可控震源的一 种 ，它 是 采 用 高 压 液 压 油 驱 动 振 动 器 做 往 复 运 动 ，从 而使活 塞 杆 驱 动 锤 体 落 在 地 面 平 板 上 的 振 动 方 式［１２］．在国内，中 国 石 油 东 方 地 球 物 理 公 司 自 主 研 发了 ＫＺ系列液压式 可 控 震 源，频 带 范 围 为 ６～１８０ Ｈｚ，输出力在 几 十 ＫＮ［１３］．液 压 式 可 控 震 源 由 震 源 车托载进行作业施 工，易 形 成 噪 声 污 染 与 植 被 破 坏 等 问 题 ，其 应 用 范 围 受 到 了 一 定 的 限 制 ．
２ 高精度组合式轻便小型可控震源的 系统设计
精密机械可控震源的发展源自俄罗斯和日本， 是陆地上使用的一 种 主 动 式 可 控 震 源．其 以 偏 心 轮
为主要旋转体作为 动 力 源，向 地 面 施 加 垂 直 向 下 的 作 用 力 ，从 而 使 地 面 产 生 振 动 ．其 最 显 著 的 特 点 就 是 长时间运行条件下可以保持较高的振动相位精度， 产 生 高 度 可 重 复 的 激 发 信 号 ．同 时 ，其 对 周 围 的 环 境 造成的影响 小．俄 罗 斯 的 可 控 震 源 主 要 有 ４０ Ｔ 和 １００Ｔ 两种级别，振动频率为５～１５Ｈｚ．日本的精密 可控震源是５Ｔ 级别的，最高频率为 ２５ Ｈｚ．在国内 主要有北京港震机电技术有限公司最早研究这项技 术，相继研制过 ５Ｔ 和 ４０Ｔ 级的精密可 控 震 源．精 密可控震源具有良 好 的 可 控 性，振 动 稳 定 性 和 重 复 性 ，接 收 端 数 据 经 过 多 次 叠 加 和 相 关 性 处 理 ，有 效 传 输 距 离 可 达 数 百 里 ．但 由 于 其 质 量 大 ，自 重 均 在 数 吨 以 上 ，不 便 于 运 输 ，同 时 对 架 设 环 境 提 出 了 更 高 的 要 求，无法满足对复杂地形的施工要求 ． ［１４－１５］
的高精度轻便小型可控震源应用于地震野外勘探，也适应了当前技术及市场的 需 求．本 文 从 工 作 原 理、系 统 构 成 和
结 构 特 点 等 角 度 对 高 精 度 组 合 式 轻 便 小 型 可 控 震 源 进 行 了 初 步 的 研 究 ，并 针 对 野 外 的 数 据 验 证 其 可 靠 性 和 实 用 性 ．
可控震源在地震勘探中表现出的技术优势主要 在于：
１）激 发 频 率 的 可 控 性 和 高 的 相 位 精 度 ． ２）在野外复杂 工 作 环 境 下，具 有 长 时 间 工 作 可 靠 、稳 定 和 便 利 的 特 点 ．高 精 度 组 合 式 轻 便 小 型 可 控 震源采 用 了 模 块 化 设 计，单 一 模 块 重 量 均 不 超 过 ３０ＫＧ，并能够实现快速拆卸安装，易于实现野外 流 动地震观测． 利用 ＧＰＳ模块 提 供 的 高 精 度 时 钟 控 制 伺 服 电 机驱动偏心轮振动，可 以 实 现 长 时 间 连 续 激 发 和 接 收端多次信号叠加．
基金项目 国家自然科学基金（４１２１０００５）、８６３计划（２０１２ＡＡ０９Ａ２０２）联 合 资 助、国 家 重 大 科 研 装 备 研 制 项 目 “深 部 资 源 探 测 核 心 装 备 研 发 ” （ＺＤＹＺ２０１２－１）—０８子项目“组合式海底地震探测装备”—０１课题“组合式海底地震采集节点研制与海上应用 试 验 ”、国 家 重 大 科 学 仪 器 设 备 开 发 专 项 项 目 “海 底 地 震 监 测 仪 器 开 发 和 应 用 ”（２０１３ＹＱ１２０３５７）联 合 资 助 ．