2017, Vol. 32
在勘探地震学中，检波器与大地介质的耦合是指检波器与大地组成的振动系统对大地质点实际振动的响应程度.在R.E.Sheriff所著的《勘探地球物理百科辞典 (第三版)》中，有关“检波器-大地耦合 (Geophone-ground Coupling)”一词的解释为：“检波器和大地的耦合是影响能量转换的因素，取决于两者之间接触的牢固程度，以及检波器的重量和接触面积，因为这一耦合系统中存在着自然谐振并有滤波效应”.
检波器与大地耦合效应对地震资料品质的影响很早就引起过地球物理工作者的注意，如检波器与地表所构成的耦合系统会严重影响地震数据的振幅和相位 (Washburn and Wiley, 1941)；Krohn (1984, 1985) 将检波器耦合概括为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，并发现该系统所受的影响随其阻尼的增大而减小；Vos等 (1995, 1999) 等把检波器与地表的耦合作用分为“相互作用耦合”和“接触耦合”.针对前者，Vos等通过声学互易理论研究发现即使检波器与地表接触完好，“相互作用耦合”也会使检波器速度与没有布设检波器时的地表真实速度出入较大；孙传友 (1993)讨论了检波器与地面耦合对地震数据采集的影响，提出采用带尖头的检波器，并将检波器插入干硬的地表，必要时进行埋置来改善检波器与地面的耦合；Barr等 (1996)讨论了影响海底电缆陆检与海底耦合的影响因素；Barr (1998)给出了海底电缆采集陆检与海底耦合系统的传输函数方程，并用水、陆检数据的直达波来估算陆检与海底耦合系统的传输函数；Gaiser (1998, 2007)，Gaiser等 (2002a, b) 采用互均衡的方法在海底电缆四分量的数据上对检波器与海底的耦合作用进行了去除并取得了一定的效果；石战结等 (2005)利用双自由度耦合系统理论，利用特殊埋置的检波器信号作为参考，采用匹配滤波的方法校正了检波器与地表耦合对地震数据品质的影响；Drijkoningen等 (2006)研究了“相互作用耦合系统”的谐振频率，发现谐振频率受表土层的横波速度的影响要比受表土层的纵波速度和密度的影响要大，并且谐振频率随表土层横波速度的增加而增大；李培超等 (2012)基于机电耦合原理建立了加速度检波器和速度检波器与大地的耦合模型，并研究了耦合振动共振频率与检波器附加质量、尾椎长度等参数间的关系，为检波器的设计和使用提供了理论参考；Landschulze等 (2012)对数字检波器采集的海底电缆四分量数据通过压力分量对时间求导作为约束信号估算了检波器与海底的耦合系统传输函数并对转换波信号进行了耦合校正处理；魏继东 (2013)指出检波器与大地的耦合作用可用“单自由度有阻尼的自由振动系统”来描述，并通过“耦合反褶积”对实际资料进行了耦合校正处理尝试.Zhang等 (2014)讨论了影响检波器与海底耦合的因素，并对海底电缆双检的结构进行了改造，提高了检波器与海底的耦合度.张保庆 (2015)等利用水检数据作为约束条件估算出了陆检与海底耦合系统的传输函数，并利用估算出的传输函数对陆检数据进行了耦合校正处理，解决了陆检与海底的耦合效应对陆检数据的振幅、相位等的影响，提高了陆检数据的信噪比.
在实际的石油勘探中，尽管人们认识到耦合响应的存在，且进行了大量实验室规模的试验 (Washburn and Wiley, 1941；Drijkoningen, 2000; Spikes et al., 2001；边环玲等，2001; 徐淑合等，2003；石战结等, 2005, 2011, 2015；刘志田等，2006；张志发等，2006).但是野外的、大规模的、针对每个检波器的耦合响应测量迄今没有实现.作者通过一项专利技术，完成了野外施工层面上的耦合响应参数测量与记录，通过试验展示了埋置条件以及检波器性能指标 (此处主要指与耦合能力有关的外形、尺寸以及质量等因素) 对耦合响应的作用，有助于人们更加清楚地认识耦合响应对地震数据的影响.
1 检波器-大地耦合系统的重要性2014年初, 作者完成了一个关于检波器-大地耦合响应的野外试验.试验是这样的:使用单点检波器, 每个排列60道, 共计三个排列、180道.三个排列同一道检波器之间相距10 cm (图 1).因为通常石油勘探目标反射波的波长都超过10 m, 所以在20 cm (三个检波器之间最远距离) 的尺度范围内, 沿地面传播的无论噪声还是信号都可以被视为是等同的.三个排列中，检波器埋置深度分别为1/2尾椎 (1排列)、全部尾椎 (2排列)、全部外壳 (3排列)，端点放炮.放炮后，将三个排列的记录 (图 2左) 做振幅谱 (图 2中) 以及信噪比分析 (图 2右).由图 2可见，在三个排列中，1排列 (1/2尾椎) 的频带最宽，但是信噪比最低；3排列 (全部外壳) 的频带最窄，但是信噪比最高.就通常的期望而言，我们希望展宽频带、提高信噪比，以上三个排列的对比结果对于我们的选择标准而言是矛盾的.唯一可以确定的一点是：这种矛盾是由于耦合条件的差异造成的，因为试验中唯一不同的因素，就是耦合条件不同.所以由这个试验可以清楚地看到耦合条件对地震数据的重要作用.
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图 1 三个排列在一个桩号附近的分布示意图 Figure 1 The distribution of 3 different lines among one trace |
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图 2 不同耦合条件对地震记录的影响 (1排列黄，2排列蓝，3排列红) Figure 2 The effects of different coupling conditions to the seismic data (line 1:yellow, line 2:blue, line 3:red) |
从理论讲，检波器-大地耦合系统是一个线性时不变振动系统，给于其一个机械“脉冲”作为输入并测量输出，就可以得到其“脉冲响应”.但是，脉冲激振是一种瞬态激振, 在-∞~+∞范围内频谱应该连续恒定，这在现实中是不存在的，通常只能利用振动台、激振器、起振机、力锤等设备在一定频带范围内对脉冲激振进行“模拟”.但是经过研究, 振动台等设备均不能满足模拟地震勘探中检波器接收到“脉冲”的要求，它们产生的脉冲激励比较复杂.更为重要的是，以上设施均属实验室设备，无法满足对于野外单个检波器-大地耦合系统振动参数的实际测量、特别是地震勘探中成千上万个检波点的实际测量的需要.所以，在大量试验的基础上，笔者研制了适用于野外大规模测量检波器-大地耦合响应的激振装置，并将该激振装置与检波器结合后的检波器称为“测耦检波器”，即可以自行测量检波器-大地耦合响应的检波器 (专利号:ZL 2015 2 0258826.8).该激振装置可以自行产生一种高频的、已知的、稳定的机械激励信号，利用这种激励下检波器自身的输出数据，即可以求出检波器-大地耦合系统的频率响应、脉冲响应.
但是，严格地来讲，“测耦检波器”不是一种拥有不同与其他类型检波器工作原理的检波器类型，而是一种“装置”，它可以与某一种检波器，比如动圈式检波器或者MEMS数字检波器相结合，而使其具有独立测量耦合响应的能力.由文献检索可知，“测耦检波器”是迄今为止第一个可以在野外条件下规模测量每个检波器的耦合响应、具有工业意义的检波器.这种检波器一方面可以实时测量、量化表达每个检波器的耦合状况、提醒野外操作人员进行校正，另一方面为室内根据测得的耦合响应参数实施校正计算、衰减耦合响应提供了基础数据.
图 3是某区普通泥质地表由测耦检波器测得检波器-大地耦合振幅响应 (图 3实线) 可见，其振幅响应只有一个尖峰；经过拟合与理论振幅曲线 (图 3虚线) 拟合度非常高; 也就是说, 此类地表下的耦合响应可以用“单自由度有阻尼的振动系统”进行数学描述.先后进行了多次不同耦合深度 (埋置1/3尾椎、2/3尾椎、3/3尾椎、全部外壳) 的多次试验 (比如图 4)，其实际结果与拟合曲线同样证实了以上结论.经过汇总试验结果 (表 1) 可以看到，耦合效果的改进，可以表述为耦合固有频率、耦合阻尼比的增加.
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图 3 实际测量到的振幅谱 (蓝)、拟合曲线 (黑) 以及相应的振动模型 Figure 3 The measuring spectra, its fitting curves and corresponding vibration model |
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图 4 检波器-大地耦合响应振幅谱 (蓝) 以及拟合曲线 (红) Figure 4 The amplitude spectra of geophone-ground coupling effect and its fitting curve |
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表 1 不同耦合情况下固有频率与阻尼比的变化 Table 1 The natural frequencies and dampings under different coupling conditions |
在野外施工实践中，“挖坑埋置”是当前普遍采用的提高检波器耦合效果的措施.但是其理论上的依据一直没有明确.借助测耦检波器，我们测量了挖坑埋置时将土回填之前与将土回填之后的耦合响应 (图 5).由图 5可见，将土回填后，检波器与大地的结合更加紧密，耦合响应的高频放大作用减小了，这样就在一定程度上——特别是在高频端提高了信噪比.图 5也进一步解释了图 1中随着埋置条件的改善、信噪比提高的理论原因.
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图 5 挖坑埋置前后耦合响应的变化 Figure 5 Change of amplitude spectra before and after burying of geophone |
同样，由于不同类型检波器具有不同的外形、尺寸、质量等性能指标，其相应的耦合能力也不同.借助测耦检波器技术，我们测量了普通动圈式模拟检波器20 dx与数字检波器DSU3的耦合响应 (图 6，20 dx埋置全部尾椎，DSU3埋置全部外壳).由图 6可见，DSU3数字检波器因为自身质量、材质、尺寸等因素，耦合效果较差 (高频响应更强)，该检波器的这一特性在一定程度上抹杀了它作为加速度检波器、在高频段具有更高“机电信噪比”的优势.
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图 6 二类检波器的耦合响应 (振幅) Figure 6 The amplitude spectra of two types sensors |
在检波器被“稳固”埋置的情况下，用“单自由度有阻尼的振动系统”可以描述耦合介质具有一定厚度时的“检波器-大地耦合响应”；耦合响应的改善，可以表现为“耦合固有主频”与“耦合阻尼比”的增加.
4.2挖坑埋置具有降低高频段耦合噪声的作用.
4.3耦合响应的高频放大作用以及不一致性，使得检波器自身优秀性能指标的作用降低了，在某些情况下难以转化为高质量的地球物理数据.
致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！| [] | Barr F J, Paffenholz J, Rabson W. 1996. The dual-sensor ocean-bottom cable method:Comparative geophysical attributes, quantitative geophone coupling analysis and other recent advances[C].//66th Annual International Meeting, SEG. Expanded Abstracts, 21-23. |
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