一种同时获取地震波位移矢量和旋转矢量的方法研究

High quality seismic exploration needs maximal seismic wave-field vector information. Because of the lack of rotation vector information, the common three-component acquisition makes difficulties in later data processing which leads to limit the geophysics inversion accuracy and speed. In this project, a new geophone model is proposed for the simultaneous acquisitions of seismic displacement vectors and rotation vectors which adds the rotation sensors to the common three-component geophone system. The perception of the geophone consists of three orthogonal installation of the MEMS accelerators and three orthogonal installation of MEMS gyroscopes, which forms a six-component acquisition system and a more complete seismic multi-vector wave-field of Cartesian. Then, use SVD wave-field polarization analysis to calculate the polarization vectors of the six-component acquisition. Furthermore, develop a set of three-dimensional visualization modules which dynamically present the motion of seismic waves through real-time seismic data. This research can provide a new idea for multiple-wave and multi-component seismic data acquisition.

高质量的地震勘探需要最大限度地获取地震波场矢量信息。由于常用的多波三分量地震勘探缺少地震波旋转矢量信息，在后期的数据处理中会导致数据解释的难度大，从而使地层反演的精度和速度受到限制。本课题拟设计一种能够同时采集地震波的位移矢量和旋转应变矢量的新型地震检波器，在位移三分量检波的基础上增加旋转矢量信息的采集，从而获取更完整的矢量波场信息。检波器的感知单元由三个正交安装的MEMS加速度传感器和三个正交安装的MEMS角速率计构成，形成六分量检波系统，利用获取的位移矢量数据和旋转矢量数据构建笛卡尔运动坐标系中完整的多矢量波场；采用SVD波场极化分析方法，计算数据极化向量；最后开发一组三维可视化模块，通过实时地震数据动态展示地震波的矢量运动。该课题的开展，可以为多波多分量地震数据采集的研究提供新思路。

地震勘探和处理的前提是最大化地获取地震波的全矢量波场信息，而目前针对地震勘探相关的设备和技术，主要针对位移矢量进行研究和开展。旋转矢量数据的缺失，造成所获取的地震数据波场信息不完整，导致后期的数据处理复杂度高、处理精度不足的问题。本项目针对地震勘探中旋转矢量缺失的问题，在前期技术积累上，研制一套轻量化的地震波位移矢量与旋转矢量的同步采集系统，并对六分量数据性质进行初步探索和研究，主要完成了以下研究内容：.1) 完成了一套轻量级六分量地震波采集系统研制，包括基于MEMS传感器的地震波位移矢量与旋转矢量检波器样机的设计与研制、检波器调理电路的研究与研制、基于FPGA的轻量化信号同步采集站样机的研究与研制，初步验证了地震波位移矢量与旋转矢量的同步采集方法；.2) 针对多分量的数据、尤其是旋转矢量数据进行研究，采用SVD分解方法对多分量数据进行处理，在软件平台实现地震数据极化算法并使用实际采集数据进行处理，采用绘制极化曲线和计算极化角的方式分别研究了位移矢量数据与旋转矢量数据的极化特性，初步完成了多分量数据的定性分析；.3) 在前期研制的配套地震波采集软件平台下，开发了基于数据驱动的可视化质点运动组件，直观展示地震波传播过程中质点的姿态变化。.综上，通过本项目的开展，实现了一种同时采集地震波位移矢量和旋转矢量的方法及配套设备样机，初步对旋转矢量进行探索，相关设备和技术储备在油气资源地震勘探领域具有一定的应用前景。此外，在微震监测领域，同时获取位移矢量和旋转矢量的相关技术在准确定位微震事件等应用上也具有一定的潜力。