СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СЕЙСМОГРАММ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ СТРУКТУРЫ ЗЕМЛИ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Ефимов С.А.

Научный сотрудник, институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН)

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СЕЙСМОГРАММ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ СТРУКТУРЫ ЗЕМЛИ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Аннотация

В статье рассмотрен способ обработки сейсмограмм при исследовании структуры земли геофизическими методами. Эффективность способа показана на примере обработки  экспериментальных данных.

Ключевые слова: структура Земли, сейсмограмма, алгоритм фильтрации.

Efimov S.A.

Research assistant, Institute of computing mathematics and mathematical geophysics SB RAS (ICMMG SB RAS)

THE WAY TO IMPROVE THE QUALITY OF SEISMOGRAMS IN RESEARCH OF PATTERNS OF LAND USING VIBROSEISMIC METHODS

Abstract

In article the way of processing of seismograms in the study of patterns of land geophysical methods. The effectiveness of the method is demonstrated on the example of processing of experimental data.

Keywords: the structure of the Earth, the seismogram, the filter algorithm.

Введение. В настоящее время активность тектонических событий заставляет геофизиков всего мира искать новые подходы в изучении особенностей структуры Земли. Одним из эффективных подходов исследования структуры Земли является метод сейсмической локации с использованием искусственных управляемых источников сейсмических волн. Такие источники получили название вибраторы, а метод сейсмической локации с применением вибратора называется методом вибросейсмического просвечивания земли (ВПЗ). Метод ВПЗ формирует «фотографию» земной коры в виде виброграммы. Представленное далее исследование показывает возможность повышения виброграмм после дополнительной обработки экспериментальных данных.

Постановка задачи. В сейсмологии динамическая модель земной поверхности основана на свертке сейсмических сигналов [1]. В рамках этой модели вид классической сейсмограммы соответствует формуле:

    (1)

где a_i - амплитудный весовой множитель; s_i(t) – сигнал от источника; n(t) -аддитивная помеха; временная задержка.

При импульсном источнике волн модель по формуле (1) является  достаточной для интерпретации сейсмограмм y(t). Однако технология ВПЗ использует зондирующий сигнал (ЗС) следующего вида:

   (2)

где a(t)– огибающая зондирующего сигнала; ω₀ - начальная частота зондирующего сигнала; Ф(t) - функция Хевисайда;  скорость изменения  частоты зондирующего сигнала; ; Т₀ - время излучения.

Технология ВПЗ использует достаточно продолжительные сеансы излучения сейсмических волн вибратора. В зависимости от цели эксперимента время излучения сейсмических волн вибратором составляет период 20-60 минут. Для этих условий форма сейсмограммы y(t) по формуле (1) соответствует сумме отраженных волн, совокупность которых тождественна структуре исследуемого пространства земной поверхности. Необходимо отметить особенность технологии ВПЗ: значение времени τ_n при ВПЗ меньше периода излучения вибратора, а, следовательно, и времени зондирующего сигнала T₀.  Вышеотмеченное обстоятельство определяет особенность классической сейсмограммы: в такой сейсмограмме отсутствуют факторы времени τ_n вибросейсмических волн. Общеизвестный алгоритм формирования факторов времени τ_n использует корреляционные или согласованные фильтры [2]. Тогда модель, основанная на свертке, приобретает дополнительный функциональный элемент в виде процедуры свертки. В этом случае построение виброграммы q(t) проводится по формуле:

 (3)

При условии, когда вибратором формируется сигнал по формуле (2), результатом преобразования по формуле (3) будет волновой импульс, положение которого соответствует времени τ_n сейсмической волны. При этом форма этого импульса представляет собой автокорреляционную функцию (АФ) ЗС. При условии для s(t): Т₀ » τ_i  автокорреляционная функция определяется формулой [2]:

   (4)

где T₀ - длительность ЗС; Dw - девиация частоты; ; w_c = w₀ + Δω/2.

Виброграмма q(t) представляет собой сумму АФ излученного сигнала:

  (5)

где a_i – амплитуды волн;  τ_i - времена прихода волн; n^*(t) – шум измерения.

Формирование модели алгоритма. Структура экспериментальных данных для сейсмической локации в рамках технологии ВПЗ соответствует формуле (1). При этом степень когерентности совокупности сейсмических волн не высокая. Фактор времени τ_n сейсмической волны соответствует положению волнового импульса по формуле (4).  Этот импульс симметричен по отношению к фактору времени τ_i, а продолжительность его составит . Погрешность определения фактора времени τ_n составит [3]:

  (6)

где N₀ – спектральная плотность шума; G(jω) – комплексный спектр огибающей a(t), Е – энергия сигнала.

Исследование выражения (6) позволяет сделать вывод, что погрешность фактора времени τ_n определяется характеристикой огибающей сигнала (4). При этом сигнал с частотой w_c в формуле (4) не влияет на погрешность фактора времени τ_n . Поэтому сигнал с частотой w_c в формуле (4) на виброграмме представляет собой определенную помеху и для геофизика-интерпретатора представляет собой дополнительную проблему. Для решения этой задачи использована следующая математическая модель алгоритма фильтрации:

  (7)

Структура алгоритма фильтрации представлена на рис.1.

Рис.1 - Структура алгоритма фильтрации: 1, 2 – умножитель; 3 – свертка.

Далее проведем сравнение обработки экспериментальных данных сейсмической локации в районе озера Байкал в сентябре 2009 года.  На рис.1 представлены результаты традиционной обработки экспериментальных данных в соответствии с формулой (3). Описание регламента эксперимента и результаты сейсмических исследований отражены в информационно-вычислительной системе «Вибросейсмическое Просвечивание Земли» - сайт http://opg.sscc.ru/db.

Рис.2 - Виброграмма сейсмического эксперимента «091 Байкал»; регистратор №2,  Z – компонента; традиционная обработка; ось абсцисса – время, сек.

Результаты использования алгоритма фильтрации. На рис.3 представлены результаты обработки экспериментальных данных сейсмической локации в районе озера Байкал в сентябре 2009 года с использованием дополнительной обработки по формуле (7).

Рис.3. Виброграмма вибросейсмического эксперимента «091 Байкал» после частотной фильтрации; регистратор №2, Z – компонента.

Выводы. Сравнение виброграмм на рис.2 и рис.3 наглядно показывает положительный результат действия фильтрующего устройства, приведенного на рис.2. Следует отметить, что данное фильтрующее устройство имеет нуль-фазовую характеристику. Поэтому данный способ преобразования не вносит искажений формы огибающей волновых импульсов. Не право и не обязанность автора входить в оценку степени полезности и необходимости практического использования приведенного способа повышения качества виброграмм. Это – дело практикующих геофизиков и читателей настоящей статьи.

Заключение. Автор выражает благодарность участникам семинаров лаборатории геофизической информатики ИВМиМГ СО РАН, в атмосфере которых формировалась постановка задачи, решаемой в данной работе.

Литература

1. Сильвиа, М.Т., Робинсон Э.А. Обратная фильтрация геофизических временных рядов при разведке на нефть и газ / Пер. с англ. М., Недра, 1983, 447 с. Пер. изд.: Нидерланды, 1979.
2. Шнеерсон, М.Б., Майоров В.В. Наземная сейсморазведка с невзрывными источниками колебаний / М., Недра, 1980. - 205 с.
3. Гуткин, Л.С. Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах / Изд. 2-е, дополненное и переработанное. М., «Советское радио», 1972, 448 с.

References

1. Sil'via, M.T., Robinson Je.A. Obratnaja fil'tracija geofizicheskih vremennyh rjadov pri razvedke na neft' i gaz / Per. s angl. M., Nedra, 1983, 447 s. Per. izd.: Niderlandy, 1979.
2. Shneerson, M.B., Majorov V.V. Nazemnaja sejsmorazvedka s nevzryv-nymi istochnikami kolebanij / M., Nedra, 1980. - 205 s.
3. Gutkin, L.S. Teorija optimal'nyh metodov radiopriema pri fluk-tuacionnyh pomehah / Izd. 2-e, dopolnennoe i pererabotannoe. M., «Sovet-skoe radio», 1972, 448 s.