CC BY
28
УДК 550.34
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ СИГНАЛОВ ПРИ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ
Валерий Викторович Ковалевский
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор технических наук, зам. директора, тел. (383)330-71-96, e-mail: [email protected]
Андрей Павлович Григорюк
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, научный сотрудник, тел. (383)330-87-43, е-mail: [email protected]
Впервые разработан алгоритм пространственно-временной фильтрации, позволяющий значительно повысить разрешающую способность и качество сейсмограмм при вибросейсмическом мониторинге.
Ключевые слова: вибросейсмический мониторинг, пространственно-временная фильтрация.
SPATIO-TEMPORAL SIGNAL FILTERING 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]
A spatio-temporal filtering algorithm that significantly increases vibroseismic monitoring seismogram quality and resolution has been first developed.
Key words: vibroseismic monitoring, spatio-temporal filtering.
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 площадь 10-40 тыс. 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.
В работе [2] для повышения качества вибрационных сейсмограмм было предложено использовать известный в сейсморазведке метод регулируемого направленного приема (РНП). Метод заключается в суммировании сейсмических трасс, зарегистрированных сейсмической группой, с предварительным введением временных сдвигов, компенсирующих запаздывание сигнала от регистратора к регистратору. Суммирование трасс выполняется с разными временными сдвигами $ между первым и последним регистратором группы в диапазоне возможных наклонов годографов полезных волн, образуя суммоленту, описывающую волновое поле в координатах (7, 81). Для повышения эффективности применялось дополнительное взвешивание результирующих сейсмических трасс с помощью специальной функции.
Недостатком метода РНП является его узкополосность: без искажения пропускаются только волны с кажущейся скоростью Ук = Ук0, где Ук0 - скорость волн, для которых направление линии суммирования совпадает с наклоном годографа, волны с другими значениями Ук подавляются. Однако реальные полезные волны на сейсмограммах характеризуются некоторым диапазоном кажущихся скоростей и поэтому желательно иметь фильтр, пропускающий волны в заданном диапазоне скоростей Ук1 < Ук < Ук2. Для этих целей можно использовать многоканальные пространственно-временные полосовые фильтры. Эти фильтры пропускают без искажения полезные волны, наклоны годографов которых лежат в некотором заданном интервале (веере). Остальные волны, которые, возможно, присутствуют в сейсмограммах, рассматриваются как шум и подлежат подавлению. Также могут использоваться пространственно -временные режекторные фильтры, которые эффективно подавляют регулярные (коррелированные вдоль сейсмической группы) волны-помехи, кажущиеся скорости которых лежат в заданном диапазоне.
Веерные фильтры широко применяются в сейсморазведке для разделения полезных волн и волн-помех [3]. При этом значения кажущихся скоростей определяются по двумерному спектру сейсмограммы к), где ю и к - временная и пространственная частота (волновое число). Однако в случае вибросейсмического мониторинга из-за низкого отношения сигнал/шум на больших расстояниях определение скоростей полезных волн по двумерному спектру невозможно. В этом случае предлагается определять необходимый для фильтрации интервал значений Уи по временным задержкам 81 на суммоленте. Это можно
сделать достаточно точно благодаря тому, что отношение сигнал/шум на суммот-расах по сравнению с исходными трассами выше в Vп раз, где п - число каналов.
На рис. 1 представлен главный прямоугольник спектральной плоскости (ю, к), ограниченный временной и пространственной частотами Найквиста и км. На первом этапе с помощью режекторного веерного фильтра подавляются волны-помехи с отрицательными значениями волновых чисел (область 1 на рис. 1).
йн
Рис. 1. Частотно-временная спектральная плоскость
После этого строится суммолеита РНП и по ней определяется интервал значений ¿>/, соответствующий полезным волнам. Затем, исходя из известной базы сейсмической группы, рассчитываются кажущиеся скорости Ук1 и Ук2. На следующем этапе с помощью полосового веерного фильтра выделяются полезные волны в интервале Ук1 < Ук < Ук2 (о бласть 2 на рис. 1). Общая блок-схема частотно-временной фильтрации для вибросейсмического мониторинга представлена на рис. 2.
Рис. 2. Блок-схема алгоритма частотно-временной фильтрации
Для иллюстрации применения предложенной методики приведем пример обработки сейсмограмм, полученных в ходе экспериментальных работ по глубинному вибросейсмическому зондированию Монголо-Сибирского региона в зоне сочленения Байкальского рифта и Центрально-Азиатского подвижного пояса. Работы проводились ИВМиМГ СО РАН, ГИН СО РАН, БурФ ГС СО РАН (Россия) и ИЦАГ АНМ (Монголия) в 2011-2013 гг. [4]. В качестве сейсмического источника использовался мощный 100-тонный вибратор, расположенный на Южнобайкальском геодинамическом полигоне СО РАН (п. Бабушкин). Вибратор работал в режиме излучения ЛЧМ сигнала в полосе 6-11 Гц, длительность сеансов 50 минут. Регистрация сейсмических сигналов осуществлялась малыми сейсмическими группами (антеннами) с трехкомпонентными сейсмоприемниками на профиле Бабушкин-Сухэ-Батор-Дархан-Улан-Батор протяженностью 500 км. Каждая сейсмическая группа состояла из 6 регистра-
торов «Байкал» с трехкомпонентными сейсмическими датчиками СК1-П, координатная и временная привязка по GPS. Расстановка датчиков линейная с расстоянием между датчиками 200 метров и общей базой малой сейсмической группы 1 км. Регистрация сейсмических сигналов проводилась в ночное время (с 15:00 по 22:00 GMT) в каждой точке профиля. Одновременно проводилась регистрация вибросейсмических сигналов вблизи источника аппаратурой «Байкал» с трехкомпонентным сейсмическим датчиком СК1-П.
На рис. 3 слева верху приведены вибрационная сейсмограмма, зарегистрированная на расстоянии 400 км от источника (вертикальная компонента), ниже -сейсмограмма, полученная в результате пространственно-временной фильтрации по предложенной методике. Отдельно показана область Р-волн. Для выбора значений Vu и Vk2 была построена суммолента, приведенная на рис. 3 справа. Для каждой суммотрассы указано значение временной задержки St в секундах. Как можно видеть, наибольшему разрастанию Р-волн при максимальном отношении сигнал/шум соответствует интервал St приблизительно 0.07-0.14 сек. При базе сейсмической группы 1 км получим Vki = 7.1 км/сек, Vk2 = 14.3 км/сек. Эти значения и были использованы при полосовой веерной фильтрации.
Рис. 3. Результирующая вибрационная коррелограмма
Таким образом, создан высокоэффективный алгоритм обработки сигналов при вибросейсмическом зондировании на основе пространственно-временной фильтрации. Эффективность достигается сочетанием методов регулируемого направленного приема и веерной фильтрации. Алгоритм реализован в программном комплексе «У12», разработанном в ИВМиМГ СО РАН.
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. Ковалевский В.В., Григорюк А.П. Повышение эффективности направленного приема сигналов при вибросейсмическом мониторинге // Интерэкспо Гео-Сибирь, 2014, Т.4, №1, С.211-214.
3. Хаттон Л.. Уэрдингтон М., Мейкин Дж. Обработка сейсмических данных. Теория и практика. М.: Мир, 1989. - 207 с.
4. 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.
© В. В. Ковалевский, А. П. Григорюк, 2016
