Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Сейсмоакустическое профилирование на акваториях - история и современное состояние 10
1. Краткая история развития сейсмоакустического профилирования 10
2. Современные технологии сейсмоакустического профилирования: источники возбуждения упругих волн, приемно-регистрирующие системы 14
3. Краткий обзор программных средств, применяемы для обработки данных сейсмоакустического профилирования 18
4. Достижения и проблемы внедрения цифровой технологии в сейсмоакустическое профилирование 20
Глава 2. Разработка и совершенствование приемно-регистриругащих систем для сейсмоакустического профилирования на акваториях 22
1. Требования к приемно-регистрирующим системам для сейсмоакустического профилирования 22
2. Функциональные схемы цифровых регистрирующих трактов сейсмоакустической аппаратуры 29
3. Программное обеспечение для компьютеризованных сейсмоакустических комплексов 32
4. Краткое описание разработанных компьютеризованных сейсмоакустических комплексов для одноканального и многоканального профилирования 37
Глава 3. Исследование эффективности способов цифровой обработки сейсмоакустических данных и разработка новых способов 44
1. Цели и задачи цифровой обработки данных сейсмоакустического профилирования 44
2. Некоторые теоретические и практические аспекты применения цифровых фильтров при обработке данных сейсмоакустического профилирования 46
3. Разработка способов исключения влияния волнения моря на результаты сейсмоакустического профилирования 59
4. Исследование и усовершенствование способов подавления многократных волн в водном слое 65
5. Технология определения динамических параметров волн 74
6. Общее описание разработанного программного комплекса для обработки данных сейсмоакустического профилирования 84
Глава 4. Расчет систем наблюдений и исследование эффективности многоканального сенсмоакустическое профилирования на модельных и полевых примерах 91
1. Технология многоканального сейсмоакустического профилирования на акваториях 91
2. Достоинства многоканальной косы как настраиваемой группы для подавления помех 93
3. Возможности многоканального сейсмоакустического профилирования для подавления многократных волн суммированием по ОГТ 98
4. Эффективность скоростного анализа по многоканальным сейсмоакустическпм данным 111
Глава 5. Технологии сейсмоакустнческих исследований на примерах решения региональных и инженерно-геологических задач 116
1. Региональные исследования 116
Исследования грязевых вулканов и глиняных диапиров Черного и Средиземного морей 118
Исследование карбонатных горок в северной части Атлантического океана 123
2. Высокоразрешающие региональные и инженерно-геологические исследования 129
Исследование следов глобальных оледенений в Баренцевом и Карском морях 130
Инженерно-геологические и региональные исследования в центральной части Каспийского моря 137
3. Многоканальные и комбинированные двухчастотные сейсмоакустические исследования в инженерных целях 145
Многоканальные сейсмоакустические исследования в Байдарацкой губе 146
Инженерно-геологические изыскания в заливе Св. Петра 149
Инженерно-геофизические исследования в Северном Каспии 153
Сейсмоакустические исследования при инженерных изысканиях под строительство трубопроводных переходов и мостов через реки 157
4. Сейсмоакустические исследования в скважинах 161
Заключение 169
Список литературы 174
- Краткий обзор программных средств, применяемы для обработки данных сейсмоакустического профилирования
- Функциональные схемы цифровых регистрирующих трактов сейсмоакустической аппаратуры
- Разработка способов исключения влияния волнения моря на результаты сейсмоакустического профилирования
- Возможности многоканального сейсмоакустического профилирования для подавления многократных волн суммированием по ОГТ
Введение к работе
Актуальность темы. Сокращение запасов полезных ископаемых, в особенности нефти и газа, на суше ведет к расширению их разведки и добычи на акваториях морей и океанов. Для этого сооружаются крупные, в то же время аварийно опасные объекты: буровые платформы, подводные газопроводы, портовые сооружения. Эти проекты требуют серьезного инженерно-геологического обоснования, и не последнюю роль в этом играет метод сейсмоакустического профилирования, который позволяет изучать геологический разрез на требуемую для этих целей глубину с достаточно высокой детальностью. Метод широко используется также при региональных геологических исследованиях и геокартировании.
Повышение эффективности сейсмоакустического профилирования означает увеличение глубинности и разрешающей способности исследований, получение дополнительной информации по физико-механическим свойствам и литологии отложений, достоверного выделения зон повышенной опасности, таких как газонасыщенные отложения, грунты низкой несущей способности и т.д. Однако довольно долгое время первоначальная технология работ – одноканальная система наблюдений с получением временного разреза непосредственно в процессе профилирования – оставалась неизменной, что тормозило дальнейшее развитие метода.
Успехи электроники и цифровой техники обеспечили возможность цифровой регистрации и обработки данных сейсмоакустического профилирования. Это повысило качество и надежность получаемой информации, создало условия для реализации более сложных систем наблюдений.
Так как цифровая обработка и многоканальные наблюдения в сейсморазведке начали применяться гораздо раньше, чем в сейсмоакустическом профилировании, то казалось, что эти технологии могут быть перенесены и на сейсмоакустическое профилирование. Однако практика показала, что механический перенос способов цифровой обработки данных, разработанных для сейсморазведки, и переход к многоканальным наблюдениям, в сейсмоакустическом профилировании очень часто не дают желаемого эффекта. Причины неудач могли быть как в специфике технологии сейсмоакустического профилирования, так и в особенностях строения изучаемой этим методом верхней части разреза. Поэтому потребовались теоретические и экспериментальные исследования с целью установления границ применимости традиционных способов цифровой обработки к сейсмоакустическим данным, их усовершенствования и разработки новых способов. Необходим был также анализ и расчет систем многоканальных сейсмоакустических наблюдений и оценка их реальных возможностей.
Целью работы является теоретическое обоснование, разработка и совершенствование технических средств, технологии полевых исследований и способов обработки данных сейсмоакустического профилирования на акваториях, направленные на повышение разрешающей способности и глубинности исследований, надежности и качества получаемых данных.
Задачи исследований
-
Разработка и совершенствование компьютеризованных цифровых регистрирующих комплексов для качественной записи данных сейсмоакустического профилирования в широком частотном и динамическом диапазонах, обеспечивающих реализацию как одноканальных, так и многоканальных систем наблюдений, а также одновременную работу с источиками разных типов.
-
Теоретическое обоснование и практическая реализация новых методических приемов наблюдений при сейсмоакустических исследованиях на акваториях, повышающих информативность и надежность получаемых данных.
-
Разработка алгоритмов и программ для обработки сейсмоакустических данных с целью повышения разрешающей способности и глубинности исследований, для повышения информативности исследований путем использования кинематических и динамических параметров сигнала.
-
Внедрение разработанных технических средств, методических приемов и способов обработки в практику научно-исследовательских и производственных работ при решении инженерно-геологических, региональных и других задач.
Научная новизна
-
На основании теоретических и экспериментальных исследований, а также обобщения опубликованной информации, сформулированы требования к компьютеризованным аппаратурным комплексам для одноканального и многоканального сейсмоакустического профилирования.
-
Созданы технические средства и программное обеспечение для одноканального и многоканального сейсмоакустического профилирования на акваториях с одновременным использованием двух типов источников - спаркера и пьезоэлектрической антенны или спаркера и бумера.
-
Впервые проведены теоретические и экспериментальные исследования многоканальных систем наблюдений для сейсмоакустического профилирования на мелководье с использованием различных типов источников, проанализированы возможности и ограничения таких систем для подавления основных типов помех и определения скорости волн в среде.
-
Исследованы возможности ряда известных способов цифровой обработки применительно к сейсмоакустическим данным, разработаны новые оригинальные способы обработки, повышающие эффективность исследований при проведении работ в сложных сейсмогеологических и погодных условиях.
-
Разработана технология оценки литологических и физико-механических характеристик отложений с использованием кинематических и динамических параметров сейсмоакустических записей, выявлены наиболее информативные для этих целей параметры.
-
Доказана на практических примерах эффективность разработанной технологии проведения полевых работ и обработки данных сейсмоакустического профилирования для повышения разрешающей способности и глубинности исследований, для оценки физико-механических характеристик отложений, литологии, газонасыщенности.
Основные защищаемые положения
-
Компьютеризованные регистрирующие системы для одноканального и многоканального сейсмоакустического профилирования, в том числе с одновременным использованием двух типов источников, существенно повышают эффективность исследований на акваториях, сокращают время и стоймость работ.
-
Технология многоканальных наблюдений увеличивает глубинность сейсмоакустического профилирования на мелководных акваториях и повышает точность построения разрезов, позволяет определять сейсмические скорости и оценивать физико-механические характеристики отложений.
-
Способ обработки данных, позволяющий избавиться от специфических помех, возникающих при сейсмоакустическом профилировании в условиях волнения моря, обеспечивает получение высококачественных временных разрезов даже при неблагоприятных погодных условиях.
-
Усовершенствованный способ подавления многократных волн по Бакусу позволяет повысить степень подавления многократных волн и устойчивость работы процедуры в применении к сейсмоакустическим материалам, полученным на мелководье.
-
Технология обработки с комплексным использованием кинематических и динамических параметров сейсмоакустических данных позволяет оценивать литологические и физико-механические характеристики, газонасыщенность отложений.
Практическая значимость
-
Разработанные и изготовленные под руководством и при непосредственном участии автора компьютеризованные аппаратурные комплексы для одноканального и многоканального сейсмоакустического профилирования используются в ряде научно-исследовательских и производственных организаций в нашей стране (ИО РАН, ВСЕГЕИ, МГУ, ТОИ ДВО РАН, ГЕОХИ РАН) и за рубежом (Ханойский океанографический институт, Геофизическая экспедиция Министерства природных ресурсов - Вьетнам, Стамбульский университет - Турция, Фундаментпроект - Украина).
-
Способы обработки данных реализованы в программных комплексах для обработки сейсмоакустических данных, которые используются в перечисленных выше организациях.
-
Расчетные соотношения и результаты анализа систем наблюдений для многоканального сейсмоакустического профилирования позволяют заранее оценивать их эффективность для решения тех или иных задач, правильно выбирать параметры таких систем и способы обработки данных.
-
Разработанные аппаратурные комплексы, технологии и системы обработки сейсмоакустических данных опробованы при решении задач региональной геологии, геокартирования, инженерно-геологических изысканий на акваториях с различными сейсмогеологическими условиями, и показали высокую эффективность.
-
Автор постоянно внедряет свои теоретические и прикладные разработки в учебный процесс – он участник и руководитель учебных практик по морской сейсморазведке и сейсмоакустике на геологическом факультете МГУ, в том числе международных практик “Training Through Research” под эгидой ЮНЕСКО, им подготовлены учебные пособия и программы учебных курсов, читаемых на геологическом факультете МГУ, в университете «Дубна», в Высшей Школе Инновационного Бизнеса МГУ.
Личный вклад автора. Работа является обобщением исследований, выполнявшихся начиная с 70-х годов прошлого века на кафедре сейсмометрии и геоакустики геологического факультета МГУ, а в отдельные годы – также при участии ИО РАН, ГИН РАН, ВСЕГЕИ, учебно-научного центра ЮНЕСКО при МГУ, географического факультета МГУ.
Все результаты получены автором лично, либо под его руководством и при непосредственном участии во всех этапах проектирования и проведения исследований, обработки и интерпретации результатов.
Разработка, изготовление и внедрение компьютеризованных комплексов для одноканального и многоканального сейсмоакустического профилирования осуществлялось совместно с А.С. Зверевым, разработка технологии многоканального сейсмоакустического профилирования и методов обработки данных - совместно с Н.А. Кузубом и М.Ю. Токаревым.
Полевые испытания разработанных аппаратурных комплексов и технологии работ проводились при поддержке и непосредственном участии Л.Р.Мерклина и О.В. Левченко (ИО РАН), М.А. Спиридонова и Ю.П. Кропачева (ВСЕГЕИ), М.К. Иванова (Центр ЮНЕСКО по морской геологии и геофизике при МГУ), Л.В. Поляка (Центр полярных исследования Университета штата Огайо, США), М.Л. Владова (кафедра сейсмометрии и геоакустики геологического факультета МГУ), руководства и сотрудников компании ДЕКО проект.
Апробация и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались на ведомственных, всероссийских и международных конференциях: UNESCO-IOC-ESF 4-th Post Cruise Meeting “Sedimentary Basins of the Mediterranean and Black Seas” (Moscow,1996), International Earth Sciences Colloquium of the Aegean regions (IESCA-95, Izmir, 1996), 11-th Petroleum Congress and Exibition of Turkey (Ankara, 1996), Congress “Gas and Fluids in Marine Sediments” (Amsterdam, 1997), Congress “Carbonate Mud Mounds and Cold Water Reefs” (Gent, Belgium, 1998), Third Workshop on Land Ocean Interactions in the Russian Arctic (LOIRA) (Moscow, 2000), 3rd Balkan Geological Congress and Exibition (Sofia, Bulgaria, 2002), Ломоносовских чтениях. Секция геологии. (Москва 2003, 2005), Международной геофизической конференции «Москва 2003», VII Международной научно-практической конференции «Геомодель-2005» (Геленджик, 2005), Международной конференции «Инженерная геофизика-2006» (Геленджик, 2006), Международной конференции «Санкт-Петербург-2006», IV Всероссийском литологическом совещании «ОСАДОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ: седиментогенез, литогенез, рудогенез (эволюция, типизация, диагностика, моделирование)» ( Москва, 2006), Международной конференции «Нефть и газ Арктического шельфа-2006» (Мурманск, 2006), Международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика-2007» (Геленджик, 2007), Конференции по инженерной геологии (Москва, 2007), Международной конференции «Санкт-Петербург-2008», Международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика-2008» (Геленджик, 2008),
По результатам выполненных исследований автором опубликовано более 70 работ в виде статей и тезисов докладов, в том числе 25 статей в рецензируемых журналах. Прилагаемый в конце автореферата список основных трудов по теме диссертации содержит 50 наименований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, а также списка литературы из __ наименований. Работа содержит __ страниц, в том числе __ рисунка.
Краткий обзор программных средств, применяемы для обработки данных сейсмоакустического профилирования
В первое время основное внимание уделялось совершенствованию источников упругих, волн. 60-е и 70-е годы прошлого века характеризуются бесчисленным количеством изобретений, конструкторских и исследовательских работ, направленных на создание наилучших источников для морской сейсморазведки и сейсмоакустического профилирования в частности. Здесь можно отметить лишь некоторые типы источников, например, бумер [Edgerton, 1964], спаркер [Beckmann и др.,1959, McGuinness и др., 1962, Калинин и др., 1966 — 1983, Edelmann, 1968], установки газовой детонации [Beckmann и др..1959, Балашканд и др., 1977, Гуленко, 2003], пневматические источники [Ewing и др., 1964, Балашканд и др., 1977, Гуленко, 2003, Акентьев ], паровзрывные источники [Вапаршок], источники вакуумного типа [Флексишок GEOMECANIQUE. France].
Но многие источники по конструктивным, технологическим и экономическим соображениям не нашли широкого применения, и со временем интерес к их разработке и совершенствованию угас. В настоящее время в сейсмоакустическом профилировании в основном применяются электрогидравлические (спаркер) и электродинамические (бумер) источники, в отдельных случаях находят применение также и пневматические источники.
Следует заметить, что приемные косы для сейсмоакустического профилирования до настоящего времени конструктивно сохранились практически такими же, как в самом начале развития метода, несмотря на многочисленные попытки кардинально изменить как элементную базу, так и конструкции приемных систем.
То, что изменилось кардинально, это регистрирующие системы. Довольно долгое время в большинстве сенсмоакустической аппаратуры использовались факсимильные регистраторы эхолотного типа, а цифровая регистрация данных имела лишь ограниченное распространение из-за недостаточного уровня развития как цифровой техники вообще, так и цифровых систем именно для сейсмоакустического профилирования (70 - 95 годы). В настоящее время, в связи с колоссальным прогрессом в области цифровой техники, цифровая регистрация и обработка сейсмоакустических данных не представляет технических трудностей. Существующие АЦП и средства регистрации информации позволяют регистрировать сейсмоакустические данные практически в любом частотном и динамическом диапазонах без предварительного сжатия. Это внесло кардинальные изменения в конструкции регистрирующих систем в целом - теперь в них отсутствуют специализированные дорогостоящие аппаратные средства, практически нет механических узлов, наиболее подверженных поломкам. Основная часть регистратора теперь - персональный компьютер, куда вводятся оцифрованные данные и регистрируются на штатных носителях информации, а для контроля визуализируются на экране компьютера. При необходимости можно делать твердые копии на обычном принтере. Таким образом, отпала необходимость в дорогостоящем специальном регистраторе, расходных материалах, повысилась надежность и гибкость аппаратуры. Сбор данных ведется под управлением специальной программы, которая позволяет очень просто менять параметры регистрации сигнала — шаг дискретизации, длину записи, интервал возбуждения источника и т.д.
Переход к полностью цифровой регистрации данных и увеличение производительности персональных компьютеров позволили по-новому подойти и к цифровой обработке сейсмоакустических данных - если раньше цифровой обработке подвергались лишь отдельные части данных, то сейчас практически все данные подвергаются достаточно глубокой цифровой обработке, прежде чем передаются заказчику работ. Соответственно, требуются обрабатывающие системы, позволяющие осуществлять цифровую обработку сейсмоакустических данных с учетом специфики метода, достаточно быстро и оперативно, в то же время доступные и интуитивно понятные.
Прогресс в развитии регистрирующих и обрабатывающих систем создал условия для реализации более сложных систем наблюдений при сейсмоакустических исследованиях на акваториях - теперь можно проводить непрерывное многоканальное сейсмоакустическое профилирование [Гайнанов и др., 2006-2008], а также одновременные наблюдения с использованием источников и приемных систем, работающих в разных частотных диапазонах [Безродных и др. 2002, Гайнанов и др. 2007 - 2009].
В заключение этого краткого обзора хотелось бы назвать имена исследователей - сотрудников лаборатории сейсмоакустики геологического факультета МГУ, внесших ощутимый вклад в развитие сейсмоакустпческого профилирования на акваториях, и которые также явились моими учителями: Ш.А. Азими, А.В. Калинин, В.В. Калинин, Б.Л. Пивоваров, И.Я. Ковальская, М.Х. Фаталисв [Владов и др., 2004,2004а].
В настоящее время произошло достаточно четкое разделение методов, изучающих геологическое строение дна акваторий с использованием упругих волн. Это с одной стороны «большая сейсмика», использующая мощные низкочастотные источники (в основном, группы пневматических источников), длинные многоканальные приемные косы (часто даже множество кос для 3-х мерной сейсмики). Такая дорогая технология используется для изучения геологического разреза на глубину от нескольких километров и более в целях поисков и разведки месторождений нефти и газа. С другой стороны активно развиваются акустические методы исследования морского дна, направленные на получение детальной информации о строении залегающих на дне осадков. Это разные акустические профилографы и гидролокаторы бокового обзора, которые теперь широко применяются при исследованиях портовых сооружений, подводных трубопроводов, поисках затонувших объектов, и вообще, при всех исследованиях дна, когда требуется высокое разрешение и детальность.
Сейсмоакустическое профилирование находится в промежутке между этими двумя группами методов, и успешно решает задачи, недоступные этим методам - для «большой сейсмики» верхние 100-200 м - это «слепая зона», а у акустических методов проникающая способность часто не превышает первых метров (рис. 1 - 2). А очень часто, в особенности при инженерно-геологических изысканиях, именно первые 100-200 м геологического разреза представляют наибольший интерес. Сейсмоакустическое профилирование с использованием электроискрового источника — спаркера и электродинамического источника - бумера позволяет в большинстве случаев изучать именно этот интервал геологического разреза с достаточной разрешающей способностью и детальностью. Поэтому, как у нас в стране, так и за рубежом, именно такие комплексы аппаратуры для сейсмоакустического профилирования получили наибольшее распространение.
Достаточно долгое время для сейсмоакустического профилирования в научно- исследовательских и производственных организациях в нашей стране использовался аппаратурный комплекс «Аквамарин», разработанный еще в советское время. Хотя регистрирующая часть комплекса давно уже морально устарела и нс используется, высоковольтные источники «СКАТ» с накапливаемой энергией до 10 кДж еще недавно можно было встретить в таких организациях, как Институт Океанологии РАН и МАГЭ [Казанин и др., 2002].
Функциональные схемы цифровых регистрирующих трактов сейсмоакустической аппаратуры
Преобразования Радона могут дать наилучшее разделение кратных и однократных волн на многоканальных данных, однако они не являются полностью обратимыми, приходится придумывать разные способы подгонки данных [Moore et al., 2002; Weglein, 19991 Verschuur рассматривает методы удаления кратных волн путем предсказывания и вычитания на основе волновых уравнений. Метод SRME — surface related multiple elimination - основан на том, что сами сейсмические записи используются как оператор экстраполяции волнового поля, и непосредственно модель границ, образующих кратные волны, не требуется. Путем многомерной свертки сейсмических данных самих с собой, однократные волны становятся многократными, а многократные — многократными более высокого порядка. Затем осуществляется процесс подгонки, чтобы предсказанные кратные соответствовали реальным кратным, после чего они вычитаются с исходных сейсмических записей.
Все методы, относящиеся к первой группе, могут быть применены только к данным многоканального сейсмоакустического профилирования (глава 4, 3).
К данным одноканального профилирования применимы методы второй группы, основанные на периодичности и предсказуемости многократных волн.
Эти методы в свою очередь, также могут быть разделены на две группы [Middleton & Whittlesey, 1968; Kunetz & Fourmann, 1968]: 1. Методы, основанные на «детерменистических» моделях; 2. Методы, основанные на «случайных» моделях. К первой группе относятся методы, в которых задается некоторая модель образования многократных волн, затем определяются параметры этой модели (мощности слоев, коэффициенты отражения), и вычисляется фильтр, подавляющий эти многократные волны [Backus, 1959].
В методах второй группы конкретная модель образования многократных волн не требуется. Здесь просто предполагается, что однократно отраженные волны на сейсмической трассе распределены случайным образом, а всякая периодичность и повторяемость образуется только благодаря многократным волнам. Классическим таким способом является предсказывающая деконволюция [Robinson & Treitel, 1967; Сильвиа и Робинсон, 1983].
Следует заметить, что такое разделение носит несколько условный характер, так как в обеих группах методов все же предполагается некоторая модель образования кратных волн, а при вычислении параметров фильтра (или модели) приходится допустить непредсказуемость распределения однократных отражений.
Несколько особняком стоят методы, основанные на делении в частотной области или в области Z-преобразований [Kunetz & Foumiann, 1968; Калинин, 1976], а также метод гомоморфной деконволюции [Stoffa et al., 1974; Канасевич, 1985].
Автор не берется утверждать, что на практике опробовал все эти способы на сейсмоакустических данных, но опробование некоторых из них на практике, и изучение опубликованных материалов утвердили автора на мысли, что степень подавления многократных волн на сейсмоакустических записях определяется, в основном, не сложностью работы той или иной процедуры, а тем, насколько реальные данные соответствует модели, положенной в основу работы этой процедуры. А так как реальные данные никогда точно не соответствуют такой модели, то очень часто процедуры подавления кратных волн, достаточно эффективные на модельных материалах, дают неудовлетворительные результаты на полевых материалах. Поэтому, по мнению автора, нет универсальных способов подавления многократных волн, успеха можно добиться лишь правильно подобрав соответствующий способ и соответственно настроив параметры такого фильтра.
Способ предсказывающей деконволюции не требует определения модели образования кратных волн и достаточно просто настраивается заданием всего 3-х параметров. Он иногда эффективен, например, на мелководье, когда период образования кратных волн небольшой (глава 5, 3, рис. 5.31). Но в большинстве случаев он реального улучшения качества записей не дает - кратные волны недостаточно подавляются, в то же время часто ослабляются и однократные волны (рис. 3.12, в).
Автором разработан свой оригинальный алгоритм подавления кратных волн и составлена программа, которая оказалась достаточно эффективной для обработки сейсмоакустических данных. Достоинства алгоритма в том, что, обеспечивая определенный уровень подавления кратных волн, он оставляет практически неизменными однократные отражения на временном разрезе. Это не новый «чудо способ», а известный способ, основанный на предложенной М.Бакусом формуле [Backus, 1959], но усовершенствованный автором так, чтобы наиболее полно учитывать влияние мешающих факторов, и обеспечивать настройку программы на реальные полевые данные.
Работа М. Бакуса [Backus, 1959] считается одной из лучших публикаций в журнале Geophysics, в ней описана очень красивая, и понятная теория образования кратных волн в водном слое, и предложен такой же простой способ их подавления. Конечно, при практической реализации способа возникает ряд трудностей, из-за чего часто не удается подавить кратные волны в достаточной мере. Составленный автором алгоритм позволяет решить ряд проблем, и делает способ работоспособным для более широкого круга практических примеров. Алгоритм предусматривает возможность постепенного приближения к конечному результату, т.е. к наилучшему подавлению кратных волн (рис. 3.12).
Сначала наблюденные данные подгоняются под модель, принятую для описания образования кратных волн, затем производится первичное - грубое определение времени пробега донной волны т и коэффициента отражения от дна к. После этого методом итераций вычисляются точные значения тик, осуществляется вычитание кратных волн. Правильность определения тик оценивается по минимуму энергии обработанной трассы (изображается на малом окне программы в координатах тик, центр круга соответствует выбранным параметрам). Одновременно обработанная трасса перерисовывается на временном разрезе (более светлая полоса). Тем самым обработчик может контролировать успешность обработки данной трассы как количественно по уменьшению энергии трассы, так и визуально на временном разрезе. При неудовлетворительных результатах можно задать другие параметры перебора (окно задаваемых параметров также показано на рис. 3.12), и настройку процедуры повторить.
После того, как процедура настроена, она запускается на обработку всех трасс подряд, после чего временной разрез на экране обновляется - заменяется обработанным разрезом.
Если в результате требуемый уровень подавления кратных волн не достигается, то это может означать не соответствие модели реальным данным. Тогда можно попытаться уточнить параметры модели снова, илп осуществить фильтрацию кратных волн с учетом частотной характеристики отражающих свойств дна, что также может выполняться несколькими способами. Однако следует заметить, что чем сложнее модель, тем труднее определить его параметры по относительно сильно зашумленным полевым данньм. Поэтому на практике чаще лучшие результаты получаются по более простым способам.
Одним из преимуществ разработанного алгоритма является то, что вне зависимости от того, лучше или хуже подавляются кратные волны, однократные отражения на временном разрезе остаются практически нетронутыми. Это помогает опытному интерпретатору отличить кратные волны от однократных, даже если они не полностью подавились в результате работы процедуры.
Разработка способов исключения влияния волнения моря на результаты сейсмоакустического профилирования
Сейсмоакустическое профилирование на акваториях - широко распространенный геофизический метод, применяемый при инженерно-геологических изысканиях, геологическом картировании и т.д. Технология наблюдений здесь традиционно развивалась как одноканальная, хотя в сейсморазведке практически с самого начала использовались многоканальные наблюдения, а йогом и системы многократных перекрытий. Отдельные опыты проведения многоканальных сейсмоакустических наблюдений не получили широкого распространения по ряду причин принципиального и технического характера, к тому же, это были, по сути, сейсморазведочные работы, только более высокого разрешения [Бондарев и др., 1988; Lucas. 1974]. Использованная нами во время рейсов по программе ЮНЕСКО па НИС «Геленджик» 6-ти или 12-ти канальная система профилирования не могла по настоящему считаться многоканальной, так как общая длина приемной части косы не превышала 100 м при глубине воды в районах исследования от 1 км до 4 км [Limonov et al, 1993].
Нами разработана и применяется с 2005 г. 16-канальная система сейсмоакустического профилирования, рассчитанная на применение на мелководных акваториях с высокочастотными источниками волн [Гайнанов и др., 2006], накоплен материал, показывающий эффективность методики на акваториях с разными сейсмогеологическими условиями. Успехи и неудачи проведенных работ подтолкнули нас на мысль попытаться оценить достоинства и ограничения методики многоканальных наблюдений путем сопоставления результатов нолевых работ с теоретическими расчетами и модельными примерами.
Аппаратура и методика работ. Полевые работы проводились по методике многократных перекрытий (МОГТ) с использованием 16-канального приемно- регистрирующего комплекса и электродинамического источника упругих колебаний с центральной частотой излучения 1-2 кГц (бумер) или электроискрового источника упругих колебаний с центральной частотой излучения 200-400 Гц (спаркер). Шаг между приемниками в косе был выбран равным 2 м, так что общая длина приемной системы составляла 30 м. Буксировка излучателя и приемной косы осуществлялась на глубине 0,4 м от поверхности воды в случае бумера и на глубине 0,8 м от поверхности воды в случае спаркера. Известно, что в морской сейсморазведке качество получаемых данных во многом определяется стабильностью глубины буксировки многоканальной косы. В наших условиях использование специальных стабилизаторов глубины исключалось. Однако разработанная нами система буксировки с использованием небольшого плошка и концевого буя позволила достаточно точно выдерживать заданную глубину косы по всей ее длине. Интервал между точками излучения составлял 1,5— 2,0 м. Кратность перекрытия составила в среднем 16 раз при бинировзнии через 2 м.
Обработка данных. Обработка данных проводилась в системе «RadExPro» [RadExPro Plus 3.6, 2005] и включала основные процедуры способа ОГТ: частотную фильтрация, регулировку амплитуд, скоростной анализ, суммирование трасс ОГТ. По мере необходимости осуществлялся ввод и коррекция статических поправок, деконволюция и двухмерная фильтрация данных. Для более достоверного определения физической природы границ по отдельным участкам профилей вычислялись также мгновенные амплитуды ц полярности отражений [Гайнанов и др., 2007, 2008].
Как и ожидалось, многоканальные наблюдения во всех случаях позволили получить более качественные временные разрезы. Это достигалось не только за счет простого суммирования многоканальных записей, но иногда даже благодаря возможности предварительной выбраковки некоторых шумных каналов или, варьированию количества суммируемых каналов в зависимости от глубины отражающих границ. Практически во всех случаях удавалось достаточно точно определять скорости сейсмических волн в осадках и строить глубинные разрезы даже в отсутствии скважин на исследуемых площадках.
Однако не все ожидания оправдались. Например, степень подавления кратных волн после суммирования часто оказывалась довольно низкой и явно недостаточной для уверенного прослеживания глубоких границ, иногда глубинность исследований не превышала глубинность одноканальных наблюдений. Для того чтобы понять истинные причины этих успехов и неудач, мы решили провести анализ результатов полевых работ, сопоставляя их с теоретическими расчетами, основы которых даны в работах [Гогоненков и др., 1975; Гольдин, 1974; Гольцман, 1964; Козлов и др., 1973; Мешбей, 1973], и проверяя собственными модельными примерами [Гайнанов, 2007; Гайнанов и др., 2008].
Рассмотрим возможности многоканальной системы сначала как многоэлементной настраиваемой группы для подавления некоторых регулярных и нерегулярных помех, затем как системы ОГТ для подавления многократных волн — наиболее интенсивных помех на мелководье, а также оценим возможности системы для определения скоростей сейсмических волн в разрезе.
Теория. При работе с движущегося судна шумы отдельных приемников так высоки, что даже при одноканальном профилировании прием не осуществляется на отдельные приемники — обычно используется коса длиной от 2—3 м до 30-50 м, а иногда и до сотен метров, в которой находится от 3—4 до нескольких десятков приемников. Группирование позволяет ослабить не только шумы отдельных приемников (снизить случайный шум в -Ы раз), но и шумы судна - регулярную помеху, распространяющуюся вдоль приемной группы. Частотная характеристика группы с равномерным распределением приемников для плоских волн выражается формулой [Гольцман, 1964] (рис.4.1) где / - частота, в Гц; К - кажущаяся скорость волны; і - длина группы, тп = I/Г" - запаздывание волны на последнем приемнике, п - число приемников в группе. В область пропускания группы попадают только те волны, для которых разность времен прихода по концам группы не превышает Т/4 (четверть периода), т.е. отражения от границ на глубинах, многократно превышающих длину группы. Те волны (помехи), для которых разность времен прихода по концам группы больше или равна Т (сюда могут попадать и отражения от неглубоких границ), группой значительно подавляются. Таким образом, группа, оптимальная для приема отраженных волн с одной глубины, оказывается неподходящей для приема волн с друг их глубин.
Если же регистрировать сигнал с каждого приемника отдельно, то можно синтезировать оптимальную группу в процессе обработки, т.е. суммировать сигналы, подбирая для каждого интервала глубин необходимое число каналов. Это и есть одно из преимуществ многоканальной регистрации.
Возможность произвольного выбора суммируемых каналов позволяет также отбрасывать дефектные каналы - каналы, которые плохо писали сигнал или оказались аномально шумящими.
Практика. На рис. 4.2 представлены фрагменты временных разрезов 16- канального сейсмоакустического профилирования (источник — бумер), полученные в результате разных способов суммирования 16-канальных данных. В процессе обработки мы специально моделировали одноканальные косы - группы с разным количеством приемников. Прием на 1 канал (рнс. 4.2, а) позволяет вполне удовлетворительно записать отражения от дна и самых мелких границ, но относительно глубокая граница на времени 60 мс практически не видна. Группа из 6 приемников на базе 10 м позволила бы существенно улучшить прослеживаемость этой границы (рис. 4.2, б), но дно и мелкие отражения “размазываются”, так как сигнал от них с удалением от источника сильно запаздывает. Простое синфазное суммирование всех 16 каналов на базе 30 м (рис. 4.2. в) не только не улучшает прослеживаемость глубоких границ, но приводит к их ослаблению. Только суммирование трасс по ОГТ после ввода соответствующих кинематических поправок позволяет значительно усилить отраженные волны как от глубоких, так и от мелких границ (рис. 4.2. г).
Возможности многоканального сейсмоакустического профилирования для подавления многократных волн суммированием по ОГТ
Инженерно-геологические изыскания в заливе Св. Петра. 16-канальное сейсмоакустическое профилирование проводилось в заливе Св. Петра вблизи Находки во время инженерно-геологических изысканий под строительство портовых сооружений. В задачи работ входило изучение верхней части разреза до глубины 30-100 м по грунту с разрешающей способностью 0,5-3 м. Требовалось расчленить разрез на верхнюю рыхлую толщу и коренные отложения, выделить разломы, зоны залегания рыхлых “полужидких” илов и газоносных отложений.
Коренные отложения представлены здесь в основном интрузивными и эффузивными породами, а также метафорфизированными осадочными образованиями, осадочная толща сложена песчано-глинистыми отложениями различного типа - от прибрежно-морских до морских. Так как район исследований тектонически активен, то конфигурации границ и мощности отложений сильно изменяются даже в пределах небольшого участка инженерных изысканий.
Работы проводились в условиях достаточно сильного волнения моря, и получение качественных временных разрезов с заданной разрешающей способностью оказалось возможным именно благодаря многоканальным наблюдениям и цифровой обработке данных с тщательным подбром параметров обработки. Многоканальность наблюдений позволила определить скорости сейсмических волн в осадках и построить более точные глубинные разрезы. Соотношение сигнал/помеха на суммарных разрезах получается гораздо выше, чем на разрезах одноканального профилирования, соответственно на них лучше выделяются амплитудные аномалии и расчитываются их характеристики. Во многих местах на сейсмоакустических разрезах выделяются отдельные сильные отражающие границы, интенсивность отражения от которых иногда даже превышает интенсивность отражения от дна (рис. 4). Так как эти “яркие пятна” по их проявлению на временных разрезах напоминают упомянутые выше отражения от скоплений газа, был соблазн интерпретировать их именно так. Однако для более достоверной оценки физической природы этих “ярких пятен” по отдельным участкам профилей мы провели специальную углубленную обработку (рис. 4, б-д).
Для повышения разрешающей способности и улучшения формы отраженных сигналов полученные суммарные разрезы ОГТ (рис. 4, а) были обработаны по способу детерминированной деконволюции, т.е. была проведена обратная фильтрация по известной форме сигнала. Форма сигнала определялась предварительно синфазным суммированием отраженного от дна сигнала на определенных участках профиля. Разрешающая способность на обработанном разрезе (рис. 4, б) становится в несколько раз лучше, хотя соотношение сигнал/шум немного снижается. Но самое главное, дальнейшая динамическая обработка таких данных дает гораздо более надежные результаты, чем обработка без деконволюции.
На разрезе мгновенных амплитуд (рис. 4, г) “яркие пятна” выделяются более четко. Вычисление полярности отражений (рис. 4, д) показывает, что часть “ярких пятен” характеризуется отрицательной полярностью отражений, а другая, хотя и меньшая часть, - положительной полярностью. Отрицательная полярность отражений свидетельствует об уменьшении акустической жесткости среды под границей, в данном случае — о значительном уменьшении, что, по всей видимости, обусловлено газонасыщением этих осадков. О том, что это скопления газа говорит также распределение их в разрезе — кулисообразное расположение на разных уровнях и в форме “факелов”. Интенсивные отражения положительной полярности, по-видимому, образованы от поверхности коренных пород или от поверхности крупнообломочных отложений, состоящих по большей части из обломков коренных пород.
Относительно высокие значения пластовых скоростей (2200—2400 м/с), полученные для этих интервалов разреза по результатам скоростного анализа многоканальных данных, подтверждают этот вариант интерпретации (рис. 4, а).
На разрезе мгновенных амплитуд (рис. 4, г) можно заметить, что интенсивность отражений от дна вдоль профиля меняется. Действительно, на графике (рис. 4, в) видны существенные изменения амплитуды отраженной от дна волны: в центральной части профиля - на опущенном участке дна амплитуда ниже, чем в начале и конце профиля на приподнятых участках дна. Это позволяет утверждать, что опущенный участок дна сложен акустически менее плотными отложениями, чем приподнятые участки. Конфигурация границ на сейсмическом временном разрезе (рис. 4, а, б) показывает, что здесь на дне залегают наиболее молодые отложения, что также говорит в пользу этого утверждения. И, наконец, ровная и почти горизонтальная поверхность дна может быть обусловлена рыхлостью и “полужидким” состоянием этих осадков.
Данные о пластовых скоростях также подтверждают такой вариант интерпретации изменения коэффициента отражения от дна в центральной наиболее глубоководной части профиля (рис. 4, а) - здесь пластовая скорость в придонных отложениях падает до 1540 м/с, в то время как скорость в приподнятых участках дна имеет значения 1630-1800 м/с.
Таким образом, комплексная интерпретация динамических и кинематических параметров сейсмоакустической записи на данном примере позволяет вполне достоверно идентифицировать разные по литологии и физико-механическим характеристикам отложения даже при отсутствии прямых скважинных данных.
Пример кинематической и динамической обработки данных по одному из профилей: а) суммарный временной разрез ОГТ; б) тот же разрез после деконволюции; в) график средней амплитуды отраженной от дна волны; г) разрез мгновенных амплитуд (указаны значения пластовых скоростей по результатам скоростного анализа); д) разрез полярности отражений. Инженерно-геофизические исследования в Северном Каспии проводились для инженерно-геологического обоснования выбора площадок для постановки буровых платформы, прокладки подводных трубопроводов и т.д.
К особенностям инженерно-геологических и сейсмогеологических условий Северного Каспия относится то, что это дельты таких крупных рек, как Волга и Урал, постепенно переходящие в огромный конус выноса. Здесь накоплена мощная толща современных молодых осадков с относительно изменчивыми свойствами как по разрезу, так и в плане, содержащая большое количество захороненного органического вещества. Потенциально опасны здесь для подводных сооружений участки распространения грунтов с низкой несущей способностью, приуроченные к зонам разломов, “газовые карманы” и др.[ Безродных и др., 2002; Левченко и др., 2006; Гайнанов и др., 2007].
В этом районе нами проводились как одноканальные, так и многоканальные сейсмоакустические исследования с применением спаркера и бумера.
Работы часто приходилось проводить в условиях относительно сильного волнения моря, и первичный материал оказывался очень низкого качества, в особенности при использовании высокочастотного источника — бумера (рис. 5.29). Однако обработка данных с использованием разработанных автором процедур позволил извлечь из этих материалов вполне пригодные для интерпретации результаты (рис. 5.30).
16-канальное профилирование с использованием спаркера позволило получить суммарные временные разрезы с сравнительно высоким соотношение сигнал/шум (рис. 5.31, а), а также определить скорости в разрезе (рис. 5.32) и построить не только временные, но и глубинные разрезы.
Правда, суммирование по ОРТ, по рассмотренным выше причинам (см. Глава 4, 3) само по себе кратные и неполнократные волны в водном слое нс подавило (рис. 5.31 ,а). Для подавления кратных волн и сжатия сигнала была использована предсказывающая деконволюция как поканальная до суммирования, так и после суммирования. В результате на полученных таким образом суммарных временных разрезах кратные и неполнократные волны существенно подавились (рис. 5.31, б).
