1、基金项目:陕西省重点研发计划项目(G Y );西安石油大学教育教学改革研究项目(X B Y );课程思政建设项目(X Y S Z )和示范性虚拟仿真实验教学项目(地震波响应与传播虚拟仿真实验)作者简介:沈鸿雁,男,博士,教授,主要从事地球物理勘探方面的教学和研究工作.地震检波器检测实验教学设计沈鸿雁,严月英,段瑞峰,刘建,李萌,杨飞龙(西安石油大学 地球科学与工程学院,陕西 西安 ;陕西地矿物化探队有限公司,陕西 西安 ;山西省地球物理化学勘查院有限公司,山西 运城 )摘要:地震检波器性能测试是地震数据采集前的一项重要而基础性的实验工作.为了进一步完善我校地震勘探原理、工程物探及相关课程的实习
2、实训内容,不断提高地质类专业人才培养的质量,开发了地震检波器检测实验项目,并设计出圆(弧)形观测系统和线性观测系统两种检波器检测实验方案.通过该实验项目的实施,以期使学生熟练掌握地震数据采集方法原理及技术的同时,进一步夯实地质类专业学生的地球物理勘探专业技能和素养.关键词:地震勘探;数据采集;检波器;观测系统;检测实验中图分类号:T P D e s i g no fE x p e r i m e n t a lT e a c h i n go fG e o p h o n eD e t e c t i o nE x p e r i m e n tS h e nH o n g y a n,Y a
3、 nY u e y i n g,D u a nR u i f e n g,L i uJ i a n,L iM e n g,Y a n gF e i l o n g(S c h o o l o fE a r t hS c i e n c e sa n dE n g i n e e r i n g,X i a nS h i y o uU n i v e r s i t y,X i a n ,S h a a n x i,C h i n a;S h a a n x iG e o m i n i n gG e o p h y s i c a l a n dG e o c h e m i c a lE x
4、 p l o r a t i o nT e a mC o L t d,X i a n ,S h a a n x i,C h i n a;S h a n x iG e o p h y s i c a l a n dG e o c h e m i c a lP r o s p e c t i n gI n s t i t u t eC o L t d,Y u n c h e n g ,S h a n x i,C h i n a)A b s t r a c t:T h ep e r f o r m a n c e t e s t o f g e o p h o n e i s a n i m p o
5、 r t a n t a n db a s i c t e s tb e f o r e s e i s m i cd a t aa c q u i s i t i o n I no r d e rt of u r t h e r i m p r o v et h ep r a c t i c ea n dt r a i n i n gc o n t e n t so fP r i n c i p l e so fS e i s m i cE x p l o r a t i o n,E n g i n e e r i n gG e o p h y s i c a l P r o s p e c
6、 t i n ga n d r e l a t e dc o u r s e s i no u r s c h o o l,a n dc o n s t a n t l y i m p r o v e t h eq u a l i t yo f t h et r a i n i n go fg e o l o g i c a lp r o f e s s i o n a l s,t h eg e o p h o n ed e t e c t i o ne x p e r i m e n tp r o j e c tw a sd e v e l o p e d,a n d t w og e o
7、p h o n ed e t e c t i o ne x p e r i m e n t s c h e m e so f c i r c u l a r(a r c)o b s e r v a t i o ns y s t e ma n d l i n e a r o b s e r v a t i o ns y s t e mw e r ed e s i g n e d T h r o u g h t h e i m p l e m e n t a t i o no f t h ee x p e r i m e n t a lp r o j e c t,i t i s e x p e c
8、 t e d t oe n a b l e s t u d e n t s t om a s t e r t h ep r i n c i p l e s a n d t e c h n o l o g i e so fs e i s m i cd a t aa c q u i s i t i o nm e t h o d s,a n d f u r t h e r c o n s o l i d a t e t h ep r o f e s s i o n a l s k i l l s a n d l i t e r a c yo f g e o p h y s i c a l e x p
9、 l o r a t i o no fg e o l o g i c a l s t u d e n t s K e y w o r d s:s e i s m i c e x p l o r a t i o n;d a t aa c q u i s i t i o n;g e o p h o n e;o b s e r v a t i o ns y s t e m;d e t e c t i o ne x p e r i m e n t 引言教育是国家发展壮大的基石,培养符合时代发展需要的高质量人才是高等教育发展的重要使命,亦是我国全面建设社会主义现代化强国的时代要求 .大学生的专业课程实验
10、、实习、实训作为人才培养过程中的重要环节,在提升学生实践动手能力和理论联系实际方面起着关键性作用,也是实施产教融合、培养创新型人才的重要途径 ,因此,不断深化实验、实习、实训内容以及教学方式、方法的改革和探索,有利于支撑专业人才培养质量的提升 .地震数据采集是地震勘探原理、工程物探、地震仪器、物探生产实习等课程教学过程中必须开展的一项重要的实验和实习实训内容 ,而地震检波器作为地震数据采集系统的重要组成部分,担负着准确感应地面振动并将其转换为电信号(地震波)的重要任务 .在地震数据采集过程中,为了确保地震数据采集的品质,要求检波器必须满足一定的技术指标(如:一致性好、灵敏度高、谐波失真度小等)
11、,才能正常开展地震数据采集工作.为此,在我校传统地震数据采集实验、实习、实训项目的基础上,开发了地震检波器检测实验项目,其目的是使学生熟练掌握地震数据采集方法原理和技术的同时,深入理解检波器在地震数据采集中发挥着关键性作用并对地震勘探效果产生重要影响,达到提高地质类专业人才培养质量的目的.检波器的基本工作原理地震检波器是一种将地面振动转变为电信号的传感器,以电动式检波器(图)为例简要介绍其基本工作原理.检波器由外壳、磁钢、线圈、弹簧片和尾椎个部件组成,磁钢与外壳连在一起,线圈通过弹簧片固定到外壳上,磁钢底部连接一支尾椎.工作时,尾椎插入地面以下并要求检波器与地面耦合好,当地面存在机械振动(激发
12、震源)时,线圈就会对磁铁做相对运动而切割磁力线,从而在线圈中产生感应电动势,感应电动势的大小与线圈及磁铁的相对运动速度成正比,从而就可把地面振动情况转化为电信号并输出,这就是检波器接收地震波的基本原理.图电磁感应式检波器外形及结构示意图 实验基本原理当检波器中的磁钢、线圈、弹簧片和尾椎等部件存在问题或损坏时,就会导致检波器不能真实感应地面振动情况,进而采集不到地震信号或采集到的地震信号失真.地震检波器检测实验的任务就是要判断出检波器是否完好无损及检波器之间的性能是否一致,为野外地震数据采集提供必要的实验依据.为配合地震数据采集实验、实习、实训项目的开展,我们开发了地震检波器检测实验项目,并设计
13、出圆(弧)形观测系统和线性观测系统两种检波器检测实验方案.圆(弧)形观测系统检测方案如果实验场地较小,可将测线布设成圆(弧)形的形式进行检波器检测实验.实验实施时,还可根据实验场地的大小及仪器设备条件(如:大线条数和检波器数量),将测线布设成圆形或圆弧形.设地表为各向同性且均匀的介质,速度为v,如果将检波器排列布设在半径为r的圆(弧)上,圆心处激发地震波(图),激发后的地震波又以球面扩散的形式向外传播,因此其直达波时距方程为:高校实验室科学技术图圆(弧)形观测系统检波器检测实验方案示意图图线性观测系统检波器检测实验方案示意图trv()式中:t为地震波的初至旅行时.对于不同检波器而言,由于式()
14、中的r和v均为固定值,因此,t也是一个固定值,也就是不同检波器接收到的地震初至波(直达波)旅行时相等.基于不同地震道的初波旅行时是否相等就可判断其对应的检波器是否存在问题,基于不同初至波的子波形状即可判断不同检波器之间的性能是否一致.线性观测系统检测方案如果实验场地较为开阔,可将测线布设成直线排列的形式进行检波器检测实验.设地表为各向同性且均匀的介质,速度为v,如果将一系列检波器按道距为x布设成一条直线,但震源与检波器排列不在同一条直线上(图),假设任意两支检波器之间的距离为x、震源距任意一支检波器的距离为l、震源距检波器排列的垂直距离(即最小偏移距)为r,则直达波时距方程为:tlvrxv()
15、式中:t为地震波的初至旅行时.由于r和v为固定值,而x是变量,因此,式()是一个双曲线方程,其对应的时距曲线是一条双曲线.基于不同地震道的初至是否满足双曲线规律就可判断其对应的检波器是否存在问题,基于不同初至波的子波形状即可判断不同检波器之间的性能是否一致.图圆(弧)形观测系统地震数据采集实验场景 实验教学设计 圆(弧)形观测系统检波器检测实验 实验工区西安石油大学鄠邑校区B教学楼东南侧有一块空地,面积约 m,该场地地势较为平坦且地表介质相对均一,因此,我们选择该场地开展检波器检测实验,实验场景如图所示.实验设备实验设备包括G e o P e n公司生产的S E E I工程地震仪台、V电瓶块、
16、检波器 支、通道大线(电缆)条、k g铁锤把、震源线条、铁板块.实验技术与方法 实验实施()测线布设采用圆(弧)形观测系统开展检波器检测实验,将 支检波器按道距 m布设在半径r为 m的圆弧上,并用大线将其串联起来接到地震仪上;震源(铁锤铁板)布设在圆心,通过震源线将其连接到地震仪(图);地震仪接上电源.在实验过程中,尤其要注意检波器的埋置质量,其一,检波器必须布设在圆弧上;其二,检波器必须按“平、稳、直、紧”的原则埋置,确保检波器与大地耦合好;其三,如果检波器埋置位置的土质较疏松,一定要清理或用脚踩紧后再插检波器;其四,如果检波器埋置位置周围存在杂草或树根,一定要清理干净,以免影响地震波的接收质量.()地震波激发和接收测线布设好后,启动地震仪,并进入数据采集软件系统,地震数据采集参数(表)设置好后就可进入地震波激发及接收环节.表圆(弧)形观测系统地震数据采集参数参数名称道数道距/m偏移距r/m采样点采样时间/m s延迟时/m s参数值 仪器操作员开通数据采集通道后,下达地震波激发指令,然后由一名同学举起铁锤敲击铁板来实现地震波的激发.震源激发时,一定要避免实验场地及周围不能存在其他任何