隨著油氣勘探對地震探測的要求不斷提高，寬頻數據的采集仍然面臨諸多挑戰。一方面與寬頻、寬方位、高密度采集技術要求相當數量的震源激發，提高震源激發效率非常重要。另一方面為了采集到高頻地震信號，高頻信號的激發和接收至關重要。除了震源激發因素外，有助于獲取高頻信號的數字檢波器的儀器性能也十分重要。針對上述問題，重點分析可控震源在拓展低頻、提高采集效率方面的技術進步以及在提高接收高頻信號能力方面采取的應對措施，并結合分析新型數字檢波器的性能指標，從激發和接收設備兩方面介紹實現寬頻地震采集的裝備進步，對高密度采集技術中數字檢波器與模擬檢波器的應用實例開展對比，介紹高密度單點接收在成像方面的進步。
 
震源技術
 
地下實際的沉積不是一個個“孤立”的層，砂巖、泥巖、灰巖等各種巖性的沉積是千變萬化的，沒有足夠的頻寬不能準確來描述，不同的頻率有不同的作用[1]。為了提高地震勘探的分辨率就需要把頻帶拓展得足夠寬，震源做為地震信號產生的源頭首先就必須要具備這種能力。
 
高效拓展低頻技術的可控震源。對于可控震源來說，重錘質量、重錘及閥沖程、最大泵量及閥流量、靜載壓重等機械和液壓參數都限制了掃描信號向低頻端拓展[3]。常規可控震源線性掃描信號的頻帶寬度一般限制在三個倍頻程范圍內，通常是10～80Hz，所以對于常規可控震源，低頻信號的拓展只能采用低頻駐留掃描的方法，通過增加低頻掃描時間來彌補低頻信號驅動不足的問題，但是掃描時間的加長降低了施工效率。針對這個問題，Nomad震源系列改變制約激發低頻信號的機械及液壓系統的設計，改進振動器和電子控制裝置的性能，比如加大重錘沖程、增加重錘質量、提高液壓、增大重錘與平板的質量比使之達到業界最大值、將外置氣囊狀儲能器內置到重錘里面成活塞式儲能器，這一系列改進的目的是拓寬低頻激發的能力，大幅提高工作效率。改進后的Nomad震源所激發的信號頻率范圍在合理的驅動力下可以達到1-250Hz及以上。圖1是Nomad 震源在激發相同的掃描信號時不同型號的震源發送相同掃描信號的時間對比(圖1d)，Nomad65需要的掃描時間是20s（圖1a），Nomad65Neo需要的掃描時間是13s（圖1b），Nomad90需要的掃描時間則只需7s（圖1c），可見對于這個相同的掃描信號（圖1d），Nomad90只需Nomad65掃描時間的35%，這無疑大大提高了生產效率。
 
圖1不同震源激發1-72Hz的掃描信號所用掃描時間的對比
 
影響可控震源所激發掃描信號的高頻段的因素。影響掃描信號高頻段的因素同樣也包括機械和液壓系統的設計，比如平板的硬度、平板與地表的耦合、重錘和平板之間的相位差、以及伺服閥的帶寬等因素[5]，這已經通過設計更穩定的液壓和更剛性的平板緩解了這些因素對激發高頻信號的限制。
 
除震源設備本身的影響之外，地表條件對掃描信號高頻段的影響也非常大。不同的地表對應不同的截止頻率，堅硬的地表是90-120 Hz，沙土地表60-80Hz，松軟地表20-40Hz。
如果做升頻掃描，當震源激發的信號達到一定頻率時，重錘和平板開始產生相位差，在掃描信號到達地表的截止頻率時，相位差達到90⁰。可控震源發送信號（地面力）的大小是由重錘和平板各自的出力所決定：GF = Massmass * Accmass + Massbaseplate *Accbaseplate^[4]（Mass和Acc分別為重錘和平板對應的質量和加速度）。當重錘和平板的相位差大于90⁰時，平板的振動方向開始與重錘方向相反，這會造成地面力小于重錘出力（圖2）。當重錘和平板之間的相位差達到180⁰時，地面力降到最低。為了彌補掃描信號在高頻段因振動的重錘和平板之間的相位差造成的能量損失，新一代Nomad可控震源對高頻信號的激發做了特殊的技術改進。
 
圖2 不同頻率段，地面力信號（綠色）與重錘（紅色）和平板（藍色）信號之間的對應關系（左）低頻段（相位差0°左右）；（中）中間頻段（相位差-90°左右）；（右）高頻段 （重錘加速度到達最大值時，地面力開始下降）
 
新型可控震源被設計成靜載壓重（HDW）小于最大峰值出力（HPF），通過改變震源在高頻段振動時重錘和平板之間的相位差，來增大地面出力。圖3展示了采用相同的掃描信號，當靜載壓重（HDW）是80000lbf，而最大峰值出力（HPF）分別為80000lbf和90000lbf時，激發的掃描信號與先導掃描信號（Reference）之間的頻譜對比。從振幅譜上可以看到，當最大峰值出力（HPF）大于靜載壓重（HDW）時，掃描信號在高頻段的能量得到了有效提高。Nomad90為大容量重型震源設備的技術進步使其可以激發穩定的高頻到達150-250Hz的掃描信號。