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摘 要： 摘要：技術(shù)的進(jìn)步給地震儀升級帶來了發(fā)展機(jī)遇。生產(chǎn)需求是地震勘探儀升級改造的內(nèi)在動力，而、、、電子、、新材料和新工藝等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展和進(jìn)步，則是地震勘探儀發(fā)展的內(nèi)在動力。伴隨著電子技術(shù)從電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路到超大規(guī)模集成
摘要：技術(shù)的進(jìn)步給地震儀升級帶來了發(fā)展機(jī)遇。生產(chǎn)需求是地震勘探儀升級改造的內(nèi)在動力，而、、、電子、、新材料和新工藝等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展和進(jìn)步，則是地震勘探儀發(fā)展的內(nèi)在動力。伴隨著電子技術(shù)從電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路到超大規(guī)模集成電路以及MEMS、FPGA(Field-ProgrammableGateArray)等技術(shù)發(fā)展，地震儀器一直朝著體積小、質(zhì)量小、功耗低、功能強(qiáng)、高可靠性、便攜性等方向發(fā)展。近年來，納米電子技術(shù)發(fā)展迅速，電子器件面臨新的變革，納電子器件的體積功耗比硅電子器件小幾個數(shù)量級。2011年4月，美國匹茲堡大學(xué)制造出核心組件直徑只有1.5nm的超小型單電子管，預(yù)示著高密度超大規(guī)模納米集成電路和納米計(jì)算機(jī)的誕生已經(jīng)成為可能，預(yù)計(jì)未來的地震儀也將隨著納米技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入一個全數(shù)字納米地震儀時代。
關(guān)鍵詞：地震,檢測探儀,電子技術(shù)
目前，以MEMS檢波器接收為特征的全數(shù)字遙測地震儀中，無線采集系統(tǒng)的代表性儀器有FireFly、Hawk、UNITE，有線采集系統(tǒng)的代表性儀器有428XL、System-Ⅳ等，核心技術(shù)與器件為MEMS技術(shù)全數(shù)字傳輸記錄。該采集系統(tǒng)的外設(shè)能耗低、質(zhì)量小、斜角度可達(dá)±180°、帶道能力可達(dá)10萬道，采用三分量全數(shù)字傳感器接收，動態(tài)范圍達(dá)120dB(4ms)、失真小(-90dB)、頻帶寬(0～800Hz)[11]，幅頻特性好、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，具有超低噪聲、動態(tài)范圍大、向量保真度高等優(yōu)點(diǎn)，一些地震勘探隊(duì)伍也已引進(jìn)了設(shè)備。全數(shù)字遙測地震儀的主要特點(diǎn)有:①采用MEMS數(shù)字檢波器，解決了高頻信號接收的問題;②檢波器直接輸出數(shù)字信號，大幅提高了信號保真度;③采用新工藝使儀器的集成度更高、體積更小、質(zhì)量更小、耗電更少。目前，地震儀正處于由多道遙測向全數(shù)字地震儀跨越的進(jìn)程中，各代地震勘探儀性能。
自然科學(xué)論文推薦：《高原地震》自創(chuàng)刊以來獲得了《CAJ-CD》執(zhí)行優(yōu)秀獎、第一、二屆青海省期刊評比三等獎，被收錄于中國核心期刊(遴選)數(shù)據(jù)庫源刊，中國期刊全文數(shù)據(jù)源刊，中國科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊，中國學(xué)術(shù)期刊綜合評價(jià)數(shù)據(jù)源刊，萬方數(shù)據(jù)一數(shù)字化期刊群源刊，中文科技期刊數(shù)據(jù)庫源刊，書生數(shù)字期刊源刊，CEPS思博網(wǎng)一中文電子期刊服務(wù)源刊。
社會發(fā)展對能源的巨大需求是地震勘探儀升級換代的直接推動力。從18世紀(jì)英國革命開始，人類對能源的依賴越來越大。特別是從20世紀(jì)50年代開始，西方發(fā)達(dá)國家相繼進(jìn)入高度工業(yè)化階段，世界能源消耗量猛增。在1950—1980年期間，世界能源消耗量從25億t增長至100億t標(biāo)準(zhǔn)煤;隨著發(fā)展中國家的興起，世界能源消費(fèi)量出現(xiàn)了再一次迅猛增長，到2000年能源消耗量超過了200億t標(biāo)準(zhǔn)煤;近10年來，許多發(fā)展中國家正處于城市化和工業(yè)化的進(jìn)程中，世界能源消費(fèi)量還在持續(xù)增長。據(jù)英國BP公司2011年發(fā)布的能源:2010年非經(jīng)合組織國家一次能源消費(fèi)比2000年高出了63%，未來20年世界能源消費(fèi)量還會增長40%。地球作為人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)源泉，滿足了社會發(fā)展進(jìn)步對能源的需求，從1926年在美國奧克拉荷馬洲的沉積盆地上根據(jù)反射地震記錄解釋布置的鉆孔第1次打出工業(yè)油流之日起，地震勘探技術(shù)就以其獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢在地下、與資源的探測中發(fā)揮著不可替代的作用，且隨著探測深度的增加、勘探難度的加大，推動了地震勘探技術(shù)從儀器裝備、處理軟件和解釋方法上不斷發(fā)展，以滿足提高勘探精度和作業(yè)效率的要求。
地震勘探方法技術(shù)的進(jìn)步對地震儀更新提出了更高要求。20世紀(jì)50年代，地震勘探方法中多次覆蓋技術(shù)的萌芽和出現(xiàn)，促進(jìn)了光點(diǎn)記錄地震儀被模擬磁帶記錄地震儀所取代;60年代，反褶積技術(shù)和速度濾波技術(shù)的提出，數(shù)字地震儀迅速替代了模擬磁帶記錄地震儀，而在70年代提出的三維地震勘探技術(shù)，對地震儀的帶道能力有更高的要求，多道遙測數(shù)字地震儀應(yīng)運(yùn)而生;至90年代高精度三維地震勘探技術(shù)要求儀器必須解決高頻信號的瓶頸問題，全數(shù)字遙測地震儀開始出現(xiàn);高密度全數(shù)字三維地震勘探概念的提出，成為萬道地震儀面世的第一推手。隨著多分量地震勘探技術(shù)、時移地震技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，以解決復(fù)雜地區(qū)的勘探問題及提高油藏采收率，今后地震勘探技術(shù)對地震儀器高精度、輕便性、靈活性等方面將提出了新的要求。
在新一輪的資源勘探中，地震勘探技術(shù)不可避免地將會遇到來自更大深度、更加隱蔽、勘探難度更大的復(fù)雜地質(zhì)目標(biāo)的挑戰(zhàn)，地震勘探將會更多地深入到復(fù)雜的山地、沙漠、戈壁、煤礦井下、無人區(qū)甚至深海等開展工作。面對眾多的、惡劣的勘探條件，對新型地震勘探儀的設(shè)計(jì)和制造提出了更高的要求，而這一切也必將成為地震儀不斷更新?lián)Q代的內(nèi)在動力。在內(nèi)外動力的驅(qū)動下，預(yù)計(jì)國內(nèi)地震儀會朝著以下2個方面發(fā)展。
超萬道國產(chǎn)化大型地震儀將逐漸得到推廣應(yīng)用。2011年12月，李慶忠院士指出目前國內(nèi)幾乎所有地震儀都是外國制造的[23]。國內(nèi)生產(chǎn)的地震儀器大多為集中式的小型工程地震儀，僅適合于淺層地震反射法和折射法勘探，如重慶地質(zhì)儀器廠的高分辨率(淺層)地震儀DZQ48/24/12、西安石油廠的工程地震儀GDZ24/48及驕鵬集團(tuán)的SE2404PLUS綜合工程探測儀等，其最大帶道能力為48道[24]。“十一五”期間，我國將大型地震勘探儀研制列為重大專項(xiàng)的攻關(guān)項(xiàng)目，1.2億元，已于2010年推出了ES109大型地震數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)，其整體性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，從此結(jié)束了地震勘探儀一直依賴進(jìn)口的被動局面，該儀器有待于通過大量的工程實(shí)踐加以完善、盡快定型，以投入產(chǎn)品化、工業(yè)化的生產(chǎn)和應(yīng)用。另外，2010年東方物探公司與ION公司合資成立了INOVA(英洛瓦)物探公司，標(biāo)志著我國地震儀制造技術(shù)與世界先進(jìn)技術(shù)的融合越來越緊密。預(yù)計(jì)萬道地震儀將逐步在石油天然氣與煤炭資源的精細(xì)勘探中得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。
高精度GPS定位與授時對于多道地震采集系統(tǒng)異地同步采集而言，時間同步是一個極其重要的因素，決定了地震勘探的準(zhǔn)確度;同樣，地震檢波器與炮點(diǎn)的定位精度，對于高精度地震勘探尤為重要，可為后續(xù)地震數(shù)據(jù)處理提供高精度的位置信息。目前，GPS同步授時系統(tǒng)的精度可達(dá)納秒級、位置定位精度達(dá)到厘米級，今后地震節(jié)點(diǎn)式采集站內(nèi)置高精度GPS模塊后，將確保多道采集站走時一致性和高精度的空間定位精度。采集站太陽能供電系統(tǒng)電源系統(tǒng)可以采用太陽能供電，即白天太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能對蓄電池充電，同時為采集系統(tǒng)供電，夜晚蓄電池放電維持采集系統(tǒng)的正常工作等。綜上所述，地震勘探儀歷經(jīng)60多年的發(fā)展，從光點(diǎn)記錄地震儀發(fā)展到全數(shù)字地震儀，儀器的性能和技術(shù)指標(biāo)不斷得到改善。但是，我國地震勘探儀的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造能力還不成熟，關(guān)鍵的勘探儀設(shè)備、資料處理軟件[30]幾乎全部依賴進(jìn)口。
一旦我國的物探技術(shù)開始走出國門、參與世界市場競爭的時候，如果缺乏擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)與裝備，地震勘探儀將面臨國外壟斷公司的威脅。因此，在學(xué)習(xí)世界一流地震勘探儀的同時，更要加強(qiáng)自主創(chuàng)新和擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，大力發(fā)展國產(chǎn)化大型地震儀。今后，應(yīng)該抓住機(jī)遇，不失時機(jī)地加快推廣國產(chǎn)化萬道地震儀、抓緊研發(fā)節(jié)點(diǎn)式單站單道三分量全數(shù)字地震儀，以徹底擺脫地震勘探儀長期依賴進(jìn)口的被動局面，早日形成適合我國復(fù)雜條件下的地震勘探儀。
節(jié)點(diǎn)式多道遙測地震儀將成為趕超國外先進(jìn)地震儀器的突破口。基于節(jié)點(diǎn)式的單站、單道、存儲式/無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)設(shè)計(jì)的地震儀，今后將會更加廣泛地用于天然地震監(jiān)測、OBC地震、煤礦井下地震勘探、微震監(jiān)測、時移地震等多個特殊領(lǐng)域中，該類儀器由于沒有傳統(tǒng)地震儀的主機(jī)、干線等而顯得十分輕便，適于在各種復(fù)雜條件下使用，幾乎能夠適應(yīng)任何復(fù)雜的觀測系統(tǒng)要求，且具有極高的施工效率。以前，在大型地震儀器的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程中，由于采用的元器件品種繁多、系統(tǒng)復(fù)雜等原因，國內(nèi)生產(chǎn)的地震儀通常存在整體穩(wěn)定性欠佳等缺點(diǎn);而基于節(jié)點(diǎn)式的地震儀器，從設(shè)計(jì)、施工理念上擺脫了傳統(tǒng)束縛，采用基于MEMS的傳感器、FPGA數(shù)字電路設(shè)計(jì)等，極大地降低了地震儀設(shè)計(jì)與制造的復(fù)雜性。
隨著地震勘探的技術(shù)進(jìn)步，今后地震勘探將向著高密度、三維、全波場、高分辨率、超多道地震勘探等方向發(fā)展，因此新一代地震勘探儀的設(shè)計(jì)與制造，將具有節(jié)點(diǎn)式、單站單道、三分量、全數(shù)字、GPS定位與授時、自記存儲式與無線通信方式結(jié)合、智能化以及便攜式等方向發(fā)展。節(jié)點(diǎn)式單站單道采集節(jié)點(diǎn)采集是指單站單道作為一個采集節(jié)點(diǎn)，采集站就地采集地震記錄，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一回收。A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)將提高到32bit或更高，如INOVA公司2012年推出的FireFlyDR31、HawkSN11的A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)達(dá)到32bit。節(jié)點(diǎn)式地震儀將集電源、檢波器、采集站于一體，減小質(zhì)量近50%～75%的電纜部分，野外工作時只需帶1個集成的采集站，擺放靈活，無需等待放線查道，隨時放炮即可隨時接收，儀器將采用太陽能板供電，從而大幅提高工作效率;實(shí)現(xiàn)地震勘探真正的高效作業(yè)，避免地震信號遠(yuǎn)距離傳輸帶來的保真度、信噪比和抗干擾性降低的問題，特別適合復(fù)雜地形、超多道等條件下的地震勘探。自記存儲式和無線通信方式結(jié)合目前，地震儀的數(shù)據(jù)傳輸大多數(shù)是基于分布式地震采集站的蜂窩網(wǎng)絡(luò)有線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)對于上萬道以至幾十萬道的地震采集，其數(shù)據(jù)傳輸能力將受到挑戰(zhàn)，且整個采集系統(tǒng)的后勤保障將更加龐大而不堪重負(fù)。隨著WiFi、Wimax等無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，地震勘探中的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展很快，今后地震儀的數(shù)據(jù)通信方式如能采用存儲式和無線通信方式相結(jié)合的數(shù)據(jù)通信方式，既能滿足實(shí)時監(jiān)測的要求，且保證信號的不失真，將大幅減少野外工作量，為Sercel公司無線地震儀UNITE和有線地震儀428XL混合無縫地震采集示意[29]高密度全數(shù)字三分量信息采集由于煤炭、油氣田勘探目標(biāo)越來越復(fù)雜，常規(guī)的面元大小、單分量的地震采集已不能完全滿足高分辨率地震勘探要求，高密度、全數(shù)字、三分量地震數(shù)據(jù)采集不但有利于復(fù)雜構(gòu)造的分析，且能夠?yàn)閹r性地震勘探、各向異性介質(zhì)地震勘探等提供豐富的第一手資料，將成為今后地震勘探技術(shù)發(fā)展的一個必然趨勢。
