地球物理学报  2010, Vol. 53 Issue (5): 1234-1246   PDF    
灰岩裸露区检波器三自由度耦合系统理论的研究
石战结 , 田钢 , 沈洪垒 , 尹喜玲     
浙江大学地球科学系,杭州 310027
摘要: 中国南方海相碳酸盐岩沉积盆地的分布幅员辽阔,地下油气等资源极为丰富,但是由于大面积坚硬灰岩的出露,给检波器完好耦合带来了很大困难,从而降低了地震采集资料的品质,严重制约了该地区未来的油气勘探.目前野外检波器耦合试验缺乏较为合适的理论指导,带有较大的盲目性.为此,本文考虑到检波器与灰岩耦合时增加了耦合介质(石膏、泥饼等)的实际情况,提出了检波器-灰岩三自由度耦合系统的理论,研究了耦合介质、尾锥和阻尼等耦合因素对检波器-灰岩耦合系统传输函数的影响规律.发现检波器-灰岩耦合系统是具有三个谐振频率的谐振系统,通过增加耦合介质的弹性模量、减小耦合介质的底面积和高度、选用介质密度较小的尾锥、减小尾锥的高度、增加尾锥的底面积等,可以提高耦合谐振频率.通过适当增加耦合系统的阻尼,可以减小耦合系统的窄频带“带通滤波”的影响.最后,通过振动台实验初步验证了检波器-灰岩三自由度耦合系统理论模型.
关键词: 灰岩裸露区      检波器耦合      三自由度耦合系统      耦合介质      尾锥      阻尼     
Theoretical studies of the geophone coupling influence in the limestone outcrops area
SHI Zhan-Jie, TIAN Gang, SHEN Hong-Lei, YIN Xi-Ling     
Department of Geosciences, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
Abstract: There are extremely abundant oil and gas resources in the sedimentary basins of marine carbonate in vast areas of South China.However, it is very difficult to make a good geophone coupling with the outcrop of hard limestone.And then the qualities of the seismic data are reduced.Now, geophone coupling test is largely blind due to lack of appropriate theoretical guidance.In this paper, in order to understand fully the transmission mechanism of the geophone-limestone coupling system, considering that the coupling mediums such as gesso, clay and so on are used in field seismic data acquisition, we bring forward the theory of geophone-limestone 3-DOF (degree of freedom) coupling system based on vibration dynamic concept.The geophone-limestone coupling system responses are computed when the parameters of coupling medium, geophone spikes and damping are changed.And we find that the geophone-limestone coupling system is a resonance system which has three resonance frequencies.The results show that the resonance frequency can be increased through increasing the elastic modulus of the coupling medium, decreasing the area of the underside and the height of the coupling medium, using spikes with lower material density, reducing the height of the spike and increasing the area of the spike's underside.The results also show that the impact of the narrow frequency bands "band pass filtering" can be decreased by increasing the damping of the coupling system properly. Finally, we preliminarily validate the theoretical results of the geophone-limestone 3-DOF coupling system using shake table experiments..
Key words: Limestone outcrops areas      Geophone coupling      3-DOF coupling system      Coupling mediums      Geophone spike      Damping     
1 引言

我国南方海相碳酸盐岩地区具有巨大的油气资源潜力和前景,但是地表大面积灰岩出露给地震波的有效激发和接收带来了一系列世界性难题,造成目前在灰岩出露区很难采集到有效的反射信号,严重制约了南方海相碳酸盐岩地区未来的油气勘探[1~4].在灰岩裸露区地震波的接收环节,检波器与地表坚硬灰岩的耦合系统是传递地震波能量的第一通道,因此它是许多影响地震原始记录品质的关键因素之一.由于地表灰岩非常坚硬,因此很难将检波器尾锥紧密插入灰岩进行完好耦合,目前主要靠在检波器尾锥和地表灰岩之间增加一层耦合介质(如泥饼、土堆、石膏等)的方法来解决[5].但是,增加了耦合介质的检波器-灰岩地表耦合系统对地震信号的感应机理和影响尚未查到有关报道,因此有必要从理论上对检波器-灰岩地表耦合系统传输机理进行研究,以便从理论上指导野外采集采取适当措施来提高检波器-灰岩的耦合效果,从而提高灰岩裸露区地震采集资料的品质.

自从Washburn(1941)等通过实验发现检波器-地表耦合构成的谐振系统严重干扰了地震记录信息的幅度和相位以来,Miller和Pursey(1954)、Bycroft(1957,1978)、Lamar(1970)、Hoover和O′Brien(1980)等基于波动理论研究了检波器与表土完好接触时耦合谐振系统的影响,但是其理论模型均忽略了检波器尾锥的影响[6~11].Tan(1987)首次考虑到尾锥的作用,利用Betti-Rayleigh互易理论研究了尾锥在插入表土并与其完好接触时耦合谐振系统的影响[12].Vos(1995,1999)等把检波器耦合分为两部分,一是当尾锥与表土完好接触时的“相互作用耦合”,二是尾锥与表土不完好接触时的“接触耦合”.针对“相互作用耦合”问题,Vos等基于声学互易理论研究了圆柱体和长方体尾锥与表土的耦合传输规律,发现即使尾锥与地表完好接触,“相互作用耦合”的存在也会使检波器速度与没有插置检波器时地表真实速度差异较大[13, 14].但是其基于声学互易理论的研究结论对于地震波来说应用起来有较大局限性.Redemakers(1996)等基于弹性互易理论,研究了垂直插入地表的圆柱体尾锥模型的“相互作用耦合”问题,发现“相互作用耦合”函数受地表介质的纵横波速度比(决定土壤硬度)影响最大,而尾锥长度和检波器质量对该函数影响很小[15].在Tan(1987)和Redemakers(1996)研究的基础上,Drijkoningen(2006)针对“相互作用耦合”问题,研究了耦合谐振频率的影响因素.发现谐振频率随着尾锥半径和长度的增加而降低.而且,表土的横波速度对谐振频率影响最大,横波速度越大,耦合谐振频率就越高,但是表土的纵波速度和密度对耦合谐振频率的影响很小[16].“相互作用耦合”理论模型计算出来的耦合谐振频率往往在200Hz以上,但是尚未发现能够证实这些理论计算的实验结果.

与以上假设尾锥与表土接触完好的理论模型不同,Krohn(1984,1985)将检波器耦合抽象为包括检波器自身振动系统和检波器-地表耦合振动系统的“双自由度系统”理论模型.通过正演模拟发现,检波器与地表耦合系统的阻尼越大,则耦合谐振的影响就越小,并通过振动台实验验证了理论结果[17, 18].石战结等(2005)曾基于双自由度耦合系统理论,提出了沙漠地区检波器特殊耦合及匹配滤波方法,提高了地震采集资料的分辨率和信噪比[19, 20].徐锦玺等(1999)提出了检波器尾锥与地表耦合的“叠加效应”理论模型,发现因尾锥长度引起的“叠加效应”相当于一个低通滤波器,而且尾锥长度越长,截止频率越低[21].因此,仅靠增加尾锥长度是不能解决耦合问题的.

综上来看,目前国内外对检波器耦合的理论研究主要集中在泥土、沙漠等相对松软的地表介质上,因此其理论模型很难适应灰岩裸露区检波器耦合的实际情况.本文考虑到灰岩裸露区检波器耦合时增加了耦合介质的实际情况,从振动力学角度出发[22, 23],构建了检波器与灰岩耦合的“三自由度系统”数学模型,推导出了其响应函数,研究了耦合介质和尾锥参数变化时检波器-灰岩地表耦合系统的传输规律,对耦合系统阻尼的影响也进行了初步分析.最后,利用振动台实验验证了部分理论结果.

2 检波器-灰岩地表三自由度耦合系统理论 2.1 三自由度耦合系统运动方程的建立

检波器与灰岩地表之间增加了一层耦合介质,从振动力学的角度来看,灰岩地表和耦合介质构成了一个振动系统(以下简称“表耦系统”),耦合介质与检波器尾锥构成了一个振动系统(以下简称“尾耦系统”),检波器本身是一个振动系统,因此可以将这种检波器耦合系统视为“三自由度耦合系统”.在建立检波器与灰岩“三自由度耦合系统”振动力学模型时,我们只考虑纵波的传播情况,所建立的“三自由度耦合系统”的振动力学模型如图 1所示.其中,m1k1c1分别表示耦合介质的质量、“表耦系统”的刚度系数和阻尼系数,m2k2c2分别表示检波器尾锥和外壳的质量之和、“尾耦系统”的刚度系数和阻尼系数,m3k3c3分别表示检波器芯子内部的惯性体质量、弹簧刚度和阻尼系数,yx1、X2X3分别表示灰岩地表的位移、m1的垂向振动位移、m2的垂向振动位移和检波器惯性体的位移.

图 1 “三自由度耦合系统”振动力学模型示意图 Fig. 1 Vibration dynamic model sketch map of the "3-DOF coupling system"

由分析力学可知,“三自由度耦合系统”的振动满足拉格朗日方程[23]

(1)

其中,EkEpEd分别为“三自由度耦合系统”的总动能、总势能和总耗能,xii=1,2,3)代表m1m2m3三个质量体的位移,ii=1,2,3)代表三个质量体的速度,Qj为广义外力.

该系统的总动能为

(2)

该系统的总势能为

(3)

该系统的总耗能为

(4)

其中,为灰岩地表的振动速度.

该系统所受的广义外力为

(5)

将式(2)~(5)代入方程(1),整理可得“三自由度耦合系统”的运动方程为

(6)

其中,MCK分别为“三自由度耦合系统”的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵,X分别为三个质量体的加速度矩阵、速度矩阵和位移矩阵,Z是与地表位移和速度有关的矩阵.而且,

2.2 三自由度耦合系统的传输函数

假设所使用的检波器为速度型检波器,若忽略检波器机电转换系统,则三自由度耦合系统的最终输出为检波器惯性体与检波器外壳的相对速度,三自由度耦合系统的输入为地表的速度.由系统理论可知,系统的传输函数为系统输出与系统输入之比[24],所以三自由度耦合系统的传输函数h(t)为

(7)

对方程(7)两边进行傅氏变换,可得频率域的传输函数H(ω)为

(8)

其中,i为虚数单位,ω为圆频率,X2(ω)、X3(ω)、Y(ω)分别为位移X2(t)、X3(t)、y(t)的傅氏变换.

将方程(8)化简得

(9)

通过求解方程(6),并将相关结果代入方程(9),可得

(10)

其中,f1f2f3分别为“表耦系统”的固有频率、“尾耦系统”的固有频率、检波器内部振动系统的固有频率(自然频率).

η1=2ξ1η2=2ξ2η3=2ξ3ξ1ξ2ξ3分别是“表耦系统”的相对阻尼系数、“尾耦系统”的相对阻尼系数和检波器的相对阻尼系数).

由振动力学理论[25],可知因此,如果确定了系统参数m1m2m3k1k2k3ξ1ξ2ξ3,则通过方程(10)就可以求出三自由度耦合系统的响应.

3 检波器-灰岩三自由度耦合系统响应的数值模拟

结合检波器-灰岩耦合的实际情况,这里引入一个较为简单的检波器-灰岩耦合理论模型,把耦合介质和检波器尾锥抽象为圆柱状,并且把检波器尾锥直接放置在耦合介质之上,如图 2所示.目前在南方海相碳酸盐岩地区进行地震采集时,使用的主要是西安地质仪器厂生产的SN-10型速度检波器[1~4],因此本次数值模拟直接利用了SN-10型检波器的有关参数:m3=0.0113kg;k3=45N/m;ξ3=0.6.

图 2 检波器-灰岩耦合理论模型 Fig. 2 Theoretical model of geophone-limestone coupling

根据图 2所示的理论模型,下面说明“表耦系统”、“尾耦系统”相关参数的计算方法.

质量参数m1m2的计算公式为

(11)

(12)

其中,ρcρg分别为耦合介质的密度、检波器尾锥的密度;RcRg分别为耦合介质的底半径、尾锥的底半径;Hh分别为耦合介质的高度、尾锥的高度;m壳为检波器外壳的质量,SN-10型速度检波器外壳质量约为0.01kg,因此计算时m取0.01.

设灰岩地表的刚度为ks,耦合介质与灰岩地表的接触刚度为kcs,根据弹簧串联刚度的计算公式[22],可得“表耦系统”的刚度系数k1

(13)

设耦合介质的刚度为kc,尾锥与耦合介质的接触刚度为kgc,根据弹簧串联刚度的计算公式[22],可得“尾耦系统”的刚度系数k2

(14)

根据Lysmer(1966)的研究结果,可得灰岩地表的刚度为[26]

(15)

其中,ρs为地表灰岩的密度,vss为地表灰岩的横波速度,σs为地表灰岩的泊松比.

若把耦合介质对尾锥的弹性作用抽象为一弹性杆,则其对应的刚度为[22, 23]

(16)

其中,Ec是耦合介质的弹性模量.

关于接触刚度的计算方法,本文引用了张学良(2000)等研究的结果[27].两个粗糙表面之间的法向接触刚度公式为

(17)

其中,E为两个接触介质的组合弹性模量,al为两者的最大接触点的面积,ac为两者的临界接触面积,D为粗糙表面的分形维数,而且

(18)

其中,E1E2、σ1σ2分别代表两接触介质的弹性模量和泊松比.

临界接触面积ac的计算公式为[27]

(19)

其中,G为粗糙表面的分形粗糙度参数,k为较软材料硬度和屈服强度的比值,φ为较软材料的屈服强度和组合弹性模量的比值.

作用在粗糙表面上的法向力P与最大接触点的面积al关系为[27]

D≠1.5时,

(20)

D=1.5时,

(21)

本文在计算法向力时,主要考虑了重力的影响.根据公式(13)~(21),给定灰岩、耦合介质、尾锥的相关物性参数、分形参数和几何参数,即可求出刚度系数k1k2.

“表耦系统”的相对阻尼系数ξ1、“尾耦系统”的相对阻尼系数ξ2与灰岩介质的内阻尼、耦合介质的材料阻尼、尾锥的材料阻尼、灰岩与耦合介质的接触阻尼、尾锥与耦合介质的接触阻尼、空气阻尼等有关,很难在理论上给出计算公式,一般通过专业的实验测试进行确定.

根据前人总结和测试的结果[28~32],将灰岩、耦合介质(表土)和检波器尾锥(铁质)的一些基本参数列出,如表 1所示.

表 1 灰岩、耦合介质(表土)和尾锥的基本参数表 Table 1 Basic parameters of limestone, coupling mediums (surface soil) and geophone spike

根据表 1所示的灰岩、耦合介质和尾锥的基本参数,首先通过修改耦合介质和尾锥某一物性或几何参数,对三自由度耦合系统的响应进行了数值模拟.在数值模拟时,相对阻尼系数ξ1ξ2分别假设为0.2、0.1,而且当改变耦合介质或尾锥的某一参数时,其他参数均保持不变.然后,利用表 1中的参数,通过调整ξ1ξ2的取值,在ξ1ξ2变化时对三自由度耦合系统的响应进行了数值模拟.

4 数值模拟结果与分析 4.1 耦合介质对三自由度耦合系统传输函数的影响

当耦合介质的弹性模量分别取3×107Pa、5× 107Pa、7×107Pa时,检波器-灰岩三自由度耦合系统的幅频、相频响应分别如图 3Aa图 3Ab所示.从图 3A所示的响应曲线可以看出,检波器-灰岩三自由度耦合系统是具有三个谐振频率的谐振系统,其中10Hz附近为检波器芯体振动引起的谐振,70Hz附近对应的是“表耦系统”引起的谐振,另外一个是“尾耦系统”引起的谐振.随着耦合介质弹性模量的增加,尾耦系统的谐振频率越来越大,而表耦系统的谐振频率变化很小.而且,随着耦合介质弹性模量的增加,谐振点处的振幅峰值均减小.

图 3A 耦合介质的弹性模量变化时检波器-灰岩耦合系统的幅频响应(a)和相频响应(b) Fig. 3A The geophone-limestone coupling system′s amplitude response (a) and phase response (b) for the change of the coupling medium′s elastic modulus

当耦合介质的泊松比分别为0.1、0.3、0.5时,检波器-灰岩耦合系统的幅频、相频响应分别如图 3Ba图 3Bb所示.由图 3B也可以看出,“三自由度耦合系统”是具有三个谐振频率的谐振系统.当耦合介质泊松比变化时,检波器-灰岩耦合系统的响应曲线变化很小,表明检波器-灰岩耦合系统的传输函数对耦合介质泊松比参数不敏感.

图 3B 耦合介质的泊松比变化时检波器-灰岩耦合系统的幅频响应(a)和相频响应(b) Fig. 3B The geophone-limestone coupling system′s amplitude response (a) and phase response (b) for the change of the coupling medium′s Poisson Ratio

图 3Ca图 3Cb分别是耦合介质的密度变化时对应的“三自由度耦合系统”幅频、相频响应.由图 3C也可以看出,当耦合介质密度分别取1000kg/m3、1600kg/m3、2200kg/m3时,对应的检波器-灰岩耦合系统的幅频响应、相频响应的变化很小,表明耦合介质的密度变化对检波器-灰岩耦合系统传输函数的影响不大.

图 3C 耦合介质的密度变化时检波器-灰岩耦合系统的幅频响应(a)和相频响应(b) Fig. 3C The geophone-limestone coupling system′s amplitude response (a) and phase response (b) for the change of the coupling medium′s density

令耦合介质的底半径分别为10cm、15cm、20cm,对应的检波器-灰岩耦合系统的幅频响应和相频响应如图 3Da图 3Db所示.由图 3D可以看出,当耦合介质的底面积减小时,表耦系统的谐振频率逐渐增加,而尾耦系统的谐振频率变化很小.

图 3D 耦合介质的底面积变化时检波器-灰岩耦合系统的幅频响应(a)和相频响应(b) Fig. 3D The geophone-limestone coupling system′s amplitude response (a) and phase response (b) for the change of the coupling medium′s underside area

当耦合介质的高度分别为10cm、20cm、30cm时,对应的检波器-灰岩耦合系统的幅频响应和相频响应分别如图 3Ea图 3Eb所示.由图 3E可以看出,随着耦合介质高度的减小,尾耦系统的谐振频率增大,表耦系统谐振频率几乎不变.

图 3E 耦合介质的高度变化时检波器-灰岩耦合系统的幅频响应(a)和相频响应(b) Fig. 3E The geophone-limestone coupling system′s amplitude response (a) and phase response (b) for the change of the coupling medium′s height

图 3A~图 3E综合分析来看,通过选用弹性模量较大的耦合介质,同时减小耦合介质的底面积和高度,可以增加表耦系统和尾耦系统的谐振频率,使得两个谐振频率尽量落在油气地震勘探优势频带以外,从而减小检波器-灰岩耦合系统谐振的影响,提高检波器-灰岩的耦合效果.

4.2 尾锥对三自由度耦合系统传输函数的影响

假设尾锥的密度分别为3000kg/m3、5000kg/m3、7800kg/m3,对应的检波器-灰岩耦合系统的幅频、相频响应分别如图 4Aa图 4Ab所示.由图 4A可以看出,随着尾锥密度的减小,尾耦系统的谐振频率逐渐增加,而表耦系统的谐振频率几乎不变.

图 4A 尾锥的密度变化时检波器-灰岩耦合系统的幅频响应(a)和相频响应(b) Fig. 4A The geophone-limestone coupling system′s amplitude response (a) and phase response (b) for the change of the geophone spike′s density

当尾锥的底半径分别为1cm、2cm、3cm时,对应的检波器-灰岩耦合系统的幅频、相频响应分别如图 4Ba图 4Bb所示.由图 4B可以看出,随着尾锥底面积的增大,尾耦系统的谐振频率略有增加,但是表耦系统的谐振频率几乎没有变化.图 4Ca图 4Cb分别是尾锥的高度取2cm、4cm、6cm时对应的检波器-灰岩耦合系统的幅频、相频响应.由图 4C可以看出,当尾锥高度减小时,对应的尾耦系统的谐振频率增大,表耦系统的谐振频率不变,而且两谐振点处的振幅峰值减小.

图 4B 尾锥的底面积变化时检波器-灰岩耦合系统的幅频响应(a)和相频响应(b) Fig. 4B The geophone-limestone coupling system′s amplitude response (a) and phase response (b) for the change of the geophone spike′s underside area
图 4C 尾锥的高度变化时检波器-灰岩耦合系统的幅频响应(a)和相频响应(b) Fig. 4C The geophone-limestone coupling system′s amplitude response (a) and phase response (b) for the change of the geophone spike′s height

本文还对尾锥的弹性模量和泊松比变化时对应的检波器-灰岩耦合系统响应进行了数值模拟,发现两者的变化对检波器-灰岩耦合系统的响应函数几乎没有影响.由图 4A~图 4C的综合分析来看,改变尾锥的参数对尾耦系统的谐振频率有较大影响,但对表耦系统的谐振频率影响很小.而且,通过选用材料密度较小的尾锥、减小尾锥高度、增加尾锥底面积等,可以提高尾耦系统的谐振频率.

4.3 阻尼对三自由度耦合系统传输函数的影响

当表耦系统的相对阻尼系数ξ1、尾耦系统的相对阻尼系数ξ2均取值很小时,比如都小于0.1时,同时增加两者的大小,对应的检波器-灰岩耦合系统的幅频响应和相频响应如图 5A所示.当ξ1ξ2均取值较大时,比如都大于0.1,同时增加两者的大小,对应的检波器-灰岩耦合系统的幅频响应和相频响应如图 5B所示.

图 5A ξ1和ξ2在[0.01,0.1]范围内变化时检波器-灰岩耦合系统的幅频响应(a)和相频响应(b) Fig. 5A The geophone-limestone coupling system′s amplitude response (a) and phase response (b) for the change of ξ1 and ξ2 in the range of [0.01, 0.1]
图 5B ξ1和ξ2在[0.1,1.5]范围变化时检波器-灰岩耦合系统的幅频响应(a)和相频响应(b) Fig. 5B The geophone-limestone coupling system′s amplitude response (a) and phase response (b) for the change of ξ1 and ξ2 in the range of [0.1, 1.5]

图 5A图 5B综合来看,相对阻尼系数很小时,比如小于0.03,幅频曲线非常尖锐,检波器-灰岩耦合系统响应类似于一个频带很窄的“带通滤波器”,仅在谐振频率附近很窄的频带内对地震信号有较好响应,其他频段的地震信号就很难被检测到了,这样会严重影响地震信号的接收效果.

随着相对阻尼系数的增加,谐振点处振幅峰值逐渐减小,相位响应越来越趋于线性,从而使得检波器-灰岩耦合系统对地震信号的影响越来越小.由于相对阻尼系数与检波器埋置环境的干湿程度有一定的关系,比如湿润表土比干燥表土的相对阻尼系数要大一些[33],因此选择湿润表土作为耦合介质可以增加相对阻尼系数ξ1ξ2,一定程度上改善检波器与灰岩的耦合效果.但是,需要注意的是,阻尼是消耗地震波振动能量的主要因素,阻尼系数越大,振动能量衰减得越快,检波器检测到的地震波振动能量就会越弱.因此,应该选择合适的阻尼系数,使得检波器-灰岩三自由度耦合系统“带通滤波器”效应的影响较小,而且对微弱地震信号有较好的响应.从图 5B可以看出,相对阻尼系数在0.5~0.7范围取值时,检波器-灰岩耦合系统的响应能更好地满足这种要求.

5 检波器-灰岩耦合系统响应的振动台测试实验

为了验证本文提出的检波器-灰岩三自由度耦合系统理论模型的合理性,利用振动台实验对检波器-灰岩耦合系统响应进行了测试,实验测试平台示意图如图 6所示.首先由频谱仪发出激励信号,经功率放大器传递给振动台,振动台激发容器内灰岩、耦合介质等振动,检波器以电信号形式记录该运动并传回测试仪被记录下来.在灰岩表面将传感器放置好,把传感器所接收到的振动信号传回测试仪并记录下来.利用灰岩表面传感器接收的信号和检波器记录的信号可以求出耦合系统的响应函数[22].

图 6 检波器与灰岩耦合系统响应的振动台测试装置示意图 Fig. 6 Shake table test equipment sketch map of geophone-limestone coupling response

实验时选择的检波器型号为西安某地质仪器公司生产的SS-14PN型速度检波器,自然频率为14Hz.首先进行了不同耦合介质的检波器耦合系统响应的测试,然后进行了不同尾锥长度的检波器耦合系统响应的实验.

图 7a图 7b为土壤、沙子作为耦合介质时对应的检波器耦合系统幅频响应和相频响应的振动台测试结果.由图 7可以看出,检波器-灰岩耦合系统是具有三个谐振频率的谐振系统,其中14Hz附近为检波器自身振动系统引起的谐振,另外两个分别是表耦系统和尾耦系统引起的谐振.由图 7可以看出,弹性模量较大的土壤对应的尾耦系统的谐振频率较大,这种规律与图 3A所示的理论结果有较好的一致性.从图 7还可以看出,由于相对疏松的沙子阻尼系数较小,对应的幅频曲线比较尖锐,这与图 5A所示的理论结果也有较好的一致性,表明本文理论模型是合理的.

图 7 耦合介质为土壤和沙子时检波器-灰岩耦合系统响应的振动台测试结果 (a)幅频响应;(b)相频响应. Fig. 7 Shake table test results of the geophone-limestone coupling system response when the coupling mediums are soil and sand respectively (a) Amplitude response; (b) Phase response.

图 8a图 8b是尾锥长度为2cm、6cm时对应的检波器耦合系统的幅频响应和相频响应的振动台测试结果.由图 8也可以看出,检波器-灰岩三自由度耦合系统是具有三个谐振频率的谐振系统,而且随着检波器尾锥高度的减小,尾耦系统谐振频率增大,表耦系统谐振频率变化很小.由图 4C图 8综合来看,本文的理论结果所显示的规律与振动台实验结果基本是一致的,进一步验证了理论模型的合理性.

图 8 检波器尾锥高度变化时检波器-灰岩耦合系统响应的振动台测试结果 (a)幅频响应;(b)相频响应. Fig. 8 Shake table test results of the geophone-limestone coupling system response for the change of the height of the geophone spike (a) Amplitude response; (b) Phase response.
6 结论

增加了耦合介质的检波器-灰岩耦合系统是一个三自由度振动系统,包括检波器自身的振动系统、灰岩地表-耦合介质构成的耦合振动系统、尾锥-耦合介质构成的耦合振动系统.检波器-灰岩三自由度耦合系统是具有三个谐振频率的谐振系统,其中一个谐振点由检波器自身振动所引起,另外两个谐振点分别由灰岩地表-耦合介质振动系统、尾锥-耦合介质振动系统所引起.

耦合介质的弹性模量和几何参数(高度、底面积)对耦合谐振频率的影响较大,通过选用弹性模量较大的耦合介质、减小耦合介质的底面积和高度,可以增加表耦系统和尾耦系统的谐振频率.改变尾锥参数对尾耦系统的谐振频率有较大影响,但对表耦系统的谐振频率影响很小.而且,通过选用密度较小的尾锥、减小尾锥高度、增加尾锥底面积等,可以提高尾耦系统的谐振频率.

检波器-灰岩地表耦合系统的阻尼也是影响其响应曲线的关键参数,选取合适的相对阻尼系数,可以减小耦合系统的“窄带通滤波器”效应的影响,提高对微弱地震信号的检测能力.但是,阻尼的确定比较困难,需要利用专门的实验进行测试,如何保证实验精度以及如何在理论上对耦合系统的相对阻尼进行计算是需要继续研究的问题.

振动台实验结果与理论结果有较好的一致性,表明本文提出的检波器-灰岩三自由度耦合系统理论模型是合理的.但本文仅进行了两种情况的振动台实验,部分验证了理论结果,因此检波器-灰岩三自由度耦合系统理论还需要更多的实验进一步验证,这也是下一步要研究的问题.

总之,从理论上对检波器-灰岩地表耦合系统传输机理进行研究,将会对野外采集时如何提高检波器-灰岩的耦合效果,从而提高灰岩出露区地震采集资料品质奠定坚实的基础.

致谢

在检波器-灰岩耦合系统响应的振动台测试实验中,胜利油田物探公司吕公河总工程师提出了许多宝贵的建议,在此表示衷心感谢!

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