钟沛江，梁曾

(中地装(重庆)地质仪器有限公司，重庆 401331)

0 引言

近年来，经过大量的实验和生产实践，证实地震频率谐振勘探技术具有很高的勘探精度和经济实用性，已成为勘探领域新的技术方法，有望成为地质勘探一种新的地球物理勘探技术。其涉及领域包括：城市地下空间勘察、地热勘探、煤炭地质勘探、采空区勘察、交通基础勘察、金属矿与非金属矿勘查、油气资源勘探、活断层探测、水压裂监测等。

中地装(重庆)地质仪器有限公司和北京派特森科技股份有限公司联合研发了一套适用于地震频率谐振勘探的观测系统，主要由一体化数字地震仪(重仪公司)、实时数传仪和地震频率谐振实时处理平台组成(派特森公司)。该观测系统近几年在城市地下空间勘察、采空区勘察和金属矿与非金属矿勘查等领域取得了良好的成果。

1 仪器一致性

1.1 仪器一致性的重要性

该观测系统在应用中取得良好的地质成果，一方面取决于派特森公司研发的地震频率谐振实时处理平台的先进性，另一方面也取决于重仪公司研制的性能优良的一体化数字地震仪。

虽然频率谐振技术的成果参数为波阻抗或者波阻抗比率，无需对设备的时间同步性做要求，但与微动、瞬态面波技术一样，都是通过接收环境噪声数据或人工振动数据来识别地下地质体，因此，采集高质量的数据十分重要。地震频率谐振勘探技术的精度主要取决于数字地震仪能否真实记录震动信号的频率和振幅大小。其影响因素主要包括地震仪的一致性(一致性差会导致多台设备工作时，接收到相同频率却产生不同的频率特性，产生虚假信号)、采集过程中仪器与地面的耦合(如接地不实)、非随机干扰(如某固定干扰震源)等因素。

常规地震勘探技中，除面波勘探是利用近地表面波的速度频散特性对地下介质进行空间和属性成像以外，其他的地震勘探技术均由波场走时确定勘探目的物的空间位置和属性特征，频率谐振技术的成果参数为波阻抗或者波阻抗比率剖面图。在同时使用多台仪器时，要取得准确的记录数据，仪器一致性就要高。对于时域方法来说，偏向时间精度和钟差一致性；而对于频域方法来说，则偏重频率幅值的一致性。

从理论需求来讲，仪器的一致性越高，处理成果精度就越高。但在实际应用时，现有技术数采硬件部分可以做到很高的一致性，但传感器频率幅值的高一致性是很难实现的。根据近几年地震频率谐振勘探实际情况看，只要仪器的一致性控制在±10%内，频率谐振勘探就会取得较好的成果。从经济角度看，仪器的一致性控制在±10%内就能满足较多场合的需求，如需更高精度勘探，可将仪器一致性控制在更小的范围内，但这会增加相应的成本。

1.2 仪器一致性检测条件

为了保证野外数据质量，正式施工前需要对相应的一体化地震仪进行一致性对比检测，符合要求的才可以用于野外数据采集。在仪器做一致性检测时，理论上条件是比较严谨(苟刻)的，如：①周边无风，环境安静,无电磁和振动干扰；②应尽可能将所有仪器布置在环境条件相同的地方，最佳条件是四周和底部具有隔振，且上表面是平整的硬质地基础(水泥墩)上；③仪器之间距离尽可能短，方向一致，且处于水平状态(理论上外震源到所有仪器的距离和能量相同)，否则就会带来先天误差；④GPS/BD信号要好，保证仪器能正常授时；⑤要有较长的采集时间，确保所有仪器能经过1～2 h校钟过程；⑥所有仪器的耦合状态一致；等等。

用户很难找到满足以上所有条件的环境，因此，用户做出的一致性数据要比厂家提供的数据要差一些是正常现象。用户自己做一致性试验时，虽然条件有限，但也要尽可能将各种不利于一致性检测因素考虑到位，否则计算出的一致性与真实情况较大。因此，做一致性时必须做到以下几点，否则计算结果与真实情况相差较大，还会误认为是仪器自身问题。①周边无风，环境安静，无电磁和振动干扰；②尽可能将所有仪器布置于环境条件相同的场所，理论上保证外震源到所有仪器的距离和能量相同；③GPS/BD信号要好，且要有较长的采集时间，确保所有仪器能经过1～2 h校钟过程；④仪器耦合状态相同；⑤原则上做一致性试验不能在楼上，而且要远离墙体；⑥原则上检测仪器一致性时，一次检测数量不能太多(否则不能保证震源到每台仪器的能量相同)，应方向一致、且处于水平状态(否则，即使到达能量相同，接收到的信号大小也不同)；⑦最好选取波形比较一致时段的数据来做分析(避免各种干扰带来的计算误差)。

用于地震频率谐振勘探的一体化地震仪在出厂前都需要检测一致性，并用两种方式计算，符合要求后才能出厂。

1.3 一致性数据对比

1.3.1 数据采集现场

同一批仪器，不同的采集现场，取得的数据是不相同的，图1是在楼上房间内，其数据显然不如图2(底楼)的数据质量好。

图1 将仪器摆放到楼上房间内采集的数据波形Fig.1 Data waveform collected by placing the instrument in the upstairs room

图2 将仪器摆放到底楼内采集的数据波形Fig.2 Data waveform collected by placing the instrument in the basement

1.3.2 常规频谱分析

图3是截取仪器记录的一段数据(底楼)做的频谱分析图，从图中可以看出一致性是比较高的。

1.3.3 专用软件分析

频谱分析只能作定性分析，为此派特森公司针对应用地震频率谐振仪器开发了一种数据显示一致性分析软件，将仪器采集的数据输入电脑，通过该软件自动计算出本批次的一致性。根据野外试验情况，数据在0.9～1.1之间才能出厂(主要看Z_ever和T_ever数据)，见图4。

图3 一致性频谱分析图Fig.3 Consistency spectrum analysis diagram

图4 派特森专用软件计算一致性Fig.4 Calculation Consistency of petrosound Special Software

2 应用实例及成果

应用实例由北京派特森科技股份有限公司提供。

2.1 案例1：在某沿海地区的浅层地质调查应用

2020年5月，派特森公司在没有其他地质资料的前提下，仅利用中地装(重庆)地质仪器有限公司和北京派特森科技股份有限公司联合研发的用于地震频率谐振勘探观测系统进行野外采集的无源地震数据，进行了微动及频率谐振的处理试验，最终结果与后续收集到的地质钻孔资料及地质构造图高度一致，再次证实了派特森公司“频率谐振”及“微动”技术和重仪公司一体化仪器的优越性。

由图5可以看出，在0～50 m范围内，频率谐振成果与4口地质钻孔资料对比结果一致。图6为微动资料的初步解释结果，可以较好识别大体构造特征。

图5 频率谐振结果与地质钻孔资料对比Fig.5 Comparison between frequency resonance results and geological borehole data

图6 微动初步解释成果Fig.6 Preliminary interpretation results of fretting

由图7可以看出，频率谐振成果在0～50 m范围精细地描述了地层、断裂及不同岩性的分布特征，其特征与已知地质构造图的特征完全一致。

2.2 案例2：“频率谐振”采集

2020年5月10日至2020年5月22日，派特森公司协同某勘察测绘研究院完成了三分量频率谐振的剖面探测工作，用以调查地下地质构造，地层及岩性特征。

测线采集范围主要位于城市道路内，主要存在着车辆行驶、城市施工等各种强干扰背景噪声。采用派特森公司的实时数传仪和频率谐振实时处理平台及中地装(重庆)地质仪器有限公司研制生产的一体化地震仪，见图8。

图7 区域地质构造图与频率谱振成果和微动成果对比图Fig.7 Comparison of regional tectonic map and frequency spectrum vibration results and fretting results

图8 “频率谐振”采集Fig.8 “Frequency Resonance” Acquisition

2.3 案例3：铅锌矿勘探实例

图9为铅锌矿勘探实例。在波阻抗剖面上可以直接识别到碳酸盐岩石地层倒转、直立的构造形态，图中虚线为矿体赋存部位。该剖面真实地反应了地层形变的基本特征，深部断裂以及可能的矿体赋存部位,200 m标高以上构造已经得到钻孔证实。

图9 铅锌矿勘探实例fig.9 Lead-zinc mine exploration example

2.4 案例4：煤矿采空区勘探实例

图10为地震频率谐振技术预测的煤矿采空实例。由于煤层与围岩的密度在煤层采掘前后差异巨大，而地震频率谐振成果为波阻抗剖面，因此，该技术对此举有天然的优势。地震频率谐振剖面不仅揭示了煤矿采空区的空间位置，还刻画了剩余煤层与上覆地层的地质特征。

图10 煤矿采空区勘探实例Fig.10 Example of coal mine goaf exploration

图11为地震频率谐振技术指导水平井钻探煤层的成功案例。由于水平井在钻进过程中难以追踪到煤层，在应用地震频率谐振技术对1100～1250 m深度的煤层进行成像后，成功地引导了水平井的钻探，分辨率达到深度的3‰。

图11 引导水平井钻探煤层的案例Fig.11 A case of guiding horizontal wells to drill coal seams

3 结语

作为一种新的地震勘探技术，频率谐振术可以单点单分量采集，多台仪器采集时无需对设备的时间同步性做要求，剖面成果的体积效应影响小，可识别深部地质构造，但数据采集部分的一致性至关重要。如何界定一致性的好坏，用户和制造厂家应达成统一认识。由于一致性测试对环境条件要求高，用户很难找到相应的环境条件，比较科学的办法是制造厂家在提供产品同时提供一致性检测报告，报告内容包括测试现场图片、仪器编号、计算一致性原始数据和截取时段，由客户对数据处理验证一致性。