Повышение эффективности направленного приема сигналов при вибросейсмическом мониторинге Текст научной статьи по специальности «Математика»

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НАПРАВЛЕННОГО ПРИЕМА СИГНАЛОВ ПРИ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ

Валерий Викторович Ковалевский

Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН), 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор наук, заместитель директора, тел. (383)330-71-96, e-mail: [email protected]

Андрей Павлович Григорюк

Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН); 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, научный сотрудник, тел. (383)330-87-43, е-mail: [email protected]

Впервые разработан алгоритм, позволяющий значительно повысить разрешающую способность и качество вибрационных сейсмограмм при регулируемом направленном приеме вибросейсмических сигналов.

Ключевые слова: вибросейсмический мониторинг, прием сигналов.

IMPROVING THE EFFICIENCY OF DIRECTIONAL SIGNAL RECEPTION IN VIBROSEISMIC MONITORING

Valeriy V. Kovalevsky

Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, prospect Akademika Lavrentjeva, 6, Doctor of science, deputy director, tel. (383)330-71-96, e-mail: [email protected]

Andrey P. Grigoruk

Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, prospect Akademika Lavrentjeva, 6, Researcher, tel. (383)330-87-43, e-mail: [email protected]

An algorithm that significantly increases seismogram quality and resolution when using regulated directional reception of vibroseismic signals has been first developed.

Key words: vibroseismic monitoring, signal reception.

Развиваемый в последнее время метод активного вибросейсмического мониторинга предполагает просвечивание геологической среды сейсмическими волнами от искусственных управляемых источников-вибраторов. При этом происходящие изменения напряженно-деформированного состояния среды определяются или по изменению кинематических параметров вибрационных сейсмограмм, или по временным изменениям характеристик стационарных волновых полей, которые устанавливаются в среде при продолжительном излучении вибратором гармонических сигналов. Существующие сегодня технические средства -мощные низкочастотные вибраторы и цифровые распределённые системы регистрации сейсмических сигналов позволяют организовать

вибросейсмический мониторинг крупных сейсмоопасных зон площадью 1040 тыс. кв.км. [1].

Для получения годографов сейсмических волн и измерения кинематических характеристик прием сигналов осуществляется группой регистраторов, расположенных на профиле, ориентированном на вибратор. Обычно используется порядка 5-10 регистраторов, расположенных с шагом несколько сот метров. Основной проблемой является недостаточная разрешающей способность и качество вибрационных сейсмограмм (коррелограмм), получаемых на расстояниях, превышающих 150-200 км от источника. Это объясняется ухудшением отношения сигнал/шум вследствие затухания сейсмических сигналов, которое описывается кубической зависимостью от расстояния от источника.

Предлагаемый нами алгоритм основан на известном в сейсморазведке методе регулируемого направленного приема (РНП). Метод заключается в суммировании сейсмических трасс, зарегистрированных на профиле, с предварительным введением временных сдвигов, компенсирующих запаздывание сигнала от регистратора к регистратору. Наилучший прием плоской волны происходит тогда, когда направление линии суммирования совпадает с наклоном ее годографа. Суммирование трасс выполняется с разными временными сдвигами в диапазоне возможных наклонов годографов полезных волн. Результат сложения трасс сейсмограммы при заданном на профиле временном сдвиге & образует одну суммотрассу. Придавая величине & различные значения с определенным шагом, получим набор суммотрасс для данного профиля, который называется суммолентой РНП. Если исходная сейсмограмма является записью колебаний в координатах (^ х), то результат ее преобразования - суммолента РНП описывает волновое поле в координатах (^ 8^.

В соответствии с нашим алгоритмом каждая трасса взвешивается с помощью функции, представляющей собой ступенчатую огибающую суммотрассы. Огибающая строится по локальным максимумам на интервалах 8т, на которые делится суммотрасса. Величина 8т выбирается не больше требуемого разрешения по времени и не меньше максимального периода колебаний вибратора.

Для иллюстрации эффективности алгоритма на рис. 1 приведена коррелограмма, полученная на расстоянии 380 км от 100-тонного сейсмического вибратора ЦВ-100, расположенного на вибросейсмическом полигоне Бабушкинский на Байкале [2]. Использовался широкополосный зондирующий сигнал в диапазоне 6-11 Гц длительностью 50 минут. Прием осуществлялся регистраторами «Байкал» с приборами СК-1П, расположенными на профиле с шагом 200 метров (на рисунке показана вертикальная компонента). Видно, что на исходной коррелограмме трудно выделить какие-либо полезные волны. На рис. 2 приведена суммолента (интервал 50-80 сек), полученная по предлагаемому алгоритму при изменении 8t в пределах 0-0.4 сек с шагом 0.01 сек. На суммоленте хорошо

видно, как в зависимости от значения 8t выделяются различные типы волн. На рис. 3 приведена результирующая коррелограмма с хорошо различимыми

волнами Рп и Pg, полученная при 8? = 0.3 сек, 8т = 0.5 сек.

11111111111

«» 'ИтЦ^Щфм^*11»111"^1!14»* "I <М*Н#ИИ1^НМ«Н*НН^НИ>

11111111111

0 14 28 42 56 70 84 98 112 126 140

Рис. 1. Исходная вибрационная коррелограмма

-0.00.k02-*

-0.01.k02—

~0.02.к02Л—

-0.05.к02А“

-0.06.k02'-

-0.07.к02л-

-0.08.к02—

~Цг.

-0.11.k02--

#*

-0.14.k02'4-

-0.17.к02л--0.18.к02'--0.19.k02— -0.20.к02— -0.21.к02— -0.22.k02---0.23.k02---0.24.k02---0.25.к02— ~0.26.k02— -0.27.к02— ~0.28.k02— -0.29.k02--~0.30.k02— "0.31.к02— “0.32. к02— “0.33.к02— ~0.34.k02— ~0.35.k02— -0.36.k02---0.37.к02'— ~0.38.к02'— -0.39.k02'-

нр— Н|Нр------

ЛАН

=г

—VII—

-ф*

41/,V

50

53

56

59

62

65

68

71

74

Рис. 2. Взвешенная суммолента

77

80

Разработанный алгоритм был реализован в компьютерной программе У12 [3]. Многофункциональная программа У12 предназначена для

обработки, анализа и визуализации записей сейсмических сигналов (сейсмотрасс). Анализ осуществляется во временной, частотной, частотновременной и пространственной областях. Наряду с набором классических процедур обработки и анализа сейсмических сигналов программа может

3

выполнять РНП со взвешиванием. Главной особенностью программы является использование временного и частотного окон, которые могут перемещаться по сейсмограмме вперед-назад вручную или автоматически с одновременной обработкой, анализом и визуализацией результатов в пределах текущего окна. Программа работает с файлами в геофизических форматах РС (ЛГИ) и SEG-Y.

н|Щ1Н

-■ьШ’'"

л-л^г4.у^У|1Д*Л---------------------------------*М*ЙМИ—» ■• '1ЛЛЛ~™

53 56 59 62 65 68 71 74 77 80

Рис. 3. Результирующая вибрационная коррелограмма

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Активная сейсмология с мощными вибрационными источниками // Отв.ред. Г.М. Цибульчик. - Новосибирск: ИВМиМГ СО РАН, Филиал «Гео» Издательства СО РАН, 2004.

2. Тубанов Ц.А., Толочко В.В., Ковалевский В.В., Брагинская Л.П., Григорюк А.П., Базаров А .Д. Вибросейсмические исследования литосферы Байкальской рифтовой зоны и сопредельных территорий // Отечественная геология. - Москва: Издательство ЦНИГРИ, 2013. - 3: - С. 16-24.

3. Григорюк А.П. Программа для обработки, анализа и визуализации сейсмических сигналов // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013617456 - 2013. - Правообладатель: ИВМиМГ СО РАН

© В. В. Ковалевский, А. П. Григорюк, 2014