Способ повышения качества сейсмограммы при исследовании структуры Земли вибросейсмическими методами Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 530.4 С.А. Ефимов

ИВМ и МГ СО РАН, Новосибирск

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СЕЙСМОГРАММЫ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ СТРУКТУРЫ ЗЕМЛИ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

В статье рассмотрен способ повышения качества вибрационных сейсмограмм. Способ использован для обработки экспериментальных данных.

S.A. Efimov

Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics, Siberian Branch Russian

Academy of Sciences

Novosibirsk, 630000 Russian Federation

WAY OF IMPROVEMENT OF QUALITY SEISMOGRAM AT RESEARCH OF STRUCTURE OF THE GROUND VIBROSEISMIC METHODS

In clause the way of improvement of quality vibrating seismograms is considered. The way is used for processing experimental data.

Геодинамика земной коры привлекает внимание геофизиков как частное явление общей эволюции структуры Земли. В настоящее время геофизики и сейсмологи всего мира ищут новые подходы к исследованию геологической структуры планеты Земля. Особый интерес в этом направлении представляет активный метод вибросейсмического зондирования (ВЗ), позволяющий

получить «фотографию» земной коры в виде вибросейсмической сейсмограммы (виброграммы). Этот метод основан на применении искусственного источника волн, формирующего функционально определенный зондирующий сигнал (ЗС). В данной работе исследованы особенности корреляционной обработки вибросейсмических данных и показана возможность повышения качества виброграмм путем использования дополнительной фильтрации.

Основные аспекты технологии ВЗ земной коры базируются на представление о земной поверхности в виде динамической модели, основанной на свертке [1]. Для этой модели справедливо выражение для сейсмограммы:

y(t)=^ai-si(t-Ti) + n(t), (1)

i=0

где с/, - амплитудный весовой множитель; л,(7)- ЗС источника; n(t)~

аддитивная помеха; тг - временная задержка.

При импульсном источнике, формирующим достаточно широкополосный ЗС, модель по формуле (1) является достаточной для интерпретации сейсмограмм y(t). Однако технология ВЗ использует для формирования виброграмм ЗС следующего вида:

s(t) = a(t) ■{Ф(t) — Ф(t — T0 )}cos(о0 • t + y/(t)), (2)

где а(1) - огибающая зондирующего сигнала; а>0 - начальная частота зондирующего сигнала; Ф(1) - функция Хевисайда; а- скорость изменения частоты зондирующего сигнала; Т0 - время излучения зондирующего сигнала;

1//^) = (б/2)^2,Ч = 0.Т0.

В реальных вибросейсмических экспериментах ЗС по формуле (2) имеет достаточно большую длительность (20-60 минут). В этом случае сейсмограмма у^) в соответствии с выражением (1) будет представлять собой сумму отраженных волн, структура которых определяется неоднородностью исследуемого пространства земной поверхности. Поскольку величины

временных задержек тп при ВЗ значительно меньше времени излучения зондирующего сигнала Г0, то в полученной сейсмограмме отсутствуют в явном виде признаки моментов вступления тп регистрируемых сейсмических волн. Традиционный способ выделения времени вступления связан с использованием корреляционного или согласованного фильтра [2]. В этом случае модель, основанная на свертке, приобретает дополнительный функциональный элемент - корреляционный фильтр. Для формирования виброграммы q(t) используется преобразование: оо

(3)

q(t)= Js(r) • y(t -r)dr;

—GO

Процедура свертки между y(t) и s(t) формирует волновой импульс, максимум огибающей которого соответствует моменту времени прихода сейсмической волны, а форма волнового импульса соответствует автокорреляционной функций (АФ) ЗС. Для сигнала s(t) при условии Т0 » т АФ имеет вид [3]:

. .Лео ■ (t — Tj) .

,,, sin(------------—)

if) 9

W(t — Tj) = —-------------—^-----:---cos( со c ' (t — Tj)); ...

' iy 2 Aco -(t — Tj) ' c ' 1/y (4)

2

где T0 - длительность ЗС; Л со - девиация частоты; Лсо = а-Т0; а)с = а)0 + Аш/2 - средняя частота ЗС.

Вибрационная сейсмограмма q(t) представляет собой сумму АФ излученного сигнала:

q(t) = YJai-W(t-Ti) + n (f) (5)

i ,

где ctj - амплитуды волн; тг - времена прихода волн; n (t) - измерительный

шум.

Экспериментальные записи ЗС в точке регистрации имеют следующие особенности. Как показывает выражение (1), эти записи представляют собой сумму сейсмических волн, формируемых вибратором. При этом все сигналы перекрываются во времени, т. е. являются частично когерентными. После корреляционной обработки на виброграмме момент времени прихода волн

соответствует максимуму огибающей волнового импульса. Форма волнового импульса соответствует форме автокорреляционной функций ЗС (4). Функция (4) является симметричной относительно времени вступления г,, а ширина

главного лепестка этой функции, зависит от девиации частоты Лео и будет равна 2я7«Г0. На рис. 2 приведен пример модельной виброграммы q(t) для двух волн у ! и у2 при следующих параметрах ЗС:

т0 - 3,0 с; Тя - 10,0 с. (время записи в точке регистрации); а, = 1;

тх =3,0 с.; т2 = 4,2 с; п (0 = 0; а - 6,283; о)0 = 11л ,у0 = у1 + у2.

Рис. 2. Виброграмма для двух вибросейсмических волн с тх = 3,0 с., т2 = 4,2 с

Как было сказано выше, момент времени вступления волн соответствует максимуму огибающей волнового импульса. Средний квадрат ошибки измерения момента времени вступления волн равен [4]:

|со2\Оп( jco )\2(Iсо

(Лт) 2ер2 13 V- / (6)

\\Оп(]СО)\ сїсо

— ОО

где Ы0 - спектральная плотность шума; 0(]ю) - комплексный спектр огибающей а(ї), Е - энергия сигнала.

Анализ формулы (6) показывает, что точность определения момента

вступления волны не зависит от гармонической несущей с частотой (Ос, которая заполняет огибающую волнового импульса. Поэтому присутствие этой несущей на виброграмме является фоновым элементом и чаще всего затрудняет интерпретацию реальных виброграмм. В качестве примера на рис.3 представлена реальная виброграмма ук1-ук5, полученная традиционной обработкой при проведении вибросейсмического эксперимента в районе озера Байкал в сентябре 2009 года. Вибратор ЦВ-100 расположен в окрестности п. Бабушкин. Время излучения - 1633 с. Начальная частота - 6,25 Гц, конечная частота - 10,05 Гц. По отношению к вибратору регистратор расположен на расстоянии 5,97 км, азимут 156,2 град. План проведения эксперимента и

результаты регистрации сейсмических сигналов представлены на информационно-вычислительной системе «Вибросейсмическое Просвечивание Земли» - сайт http://opg.sscc.ru/db.

1 -10

ук1л+60000

-5000

-4-Ю

ук2п

укЗп-60000 -7.5-1 о4

ук4п-1200 00

______ -1.1-10

ук5п-180000

-1.45-10

-1.8-10

-2.15-10

-2.5-10

А к

•1 И !| и і

1# V,

♦ №■ 4

41 4

к В' 4 і і

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

п

Р

Рис. 3. Виброграмма вибросейсмического эксперимента «091 Байкал». Регистратор № 2, Ъ - компонента. Традиционная обработка

Для очищения волновых импульсов виброграммы от несущей частоты использовано фильтрующее устройство, реализующее следующее преобразование:

ц/(т ) = е~]СО<т;

дт( 1 ) = \у/( т )• я(т )• цг( і — т )8ор( 1 — г )• <Лт:

0

(7)

Функциональная схема фильтрующего устройства представлена на рис. 4.

4

6.5 -10

4

3 -10

Рис. 4. Блок схема фильтрующего устройства: 1, 2 - умножитель; 3 - свертка

На рис. 5 представлена виброграмма вибросейсмического эксперимента «091 Байкал», сформированная с использованием фильтрующего устройства.

укАп

ук£2п

укбп

ук$п

укбп

Виброграмма после фильтрации

IV

.МП

п-В

сек.

Рис. 5. Виброграмма вибросейсмического эксперимента «091 Байкал» после частотной фильтрации. Регистратор № 2, Ъ - компонента

4

5-10

0

4

5-10

1 -10

0

5

10

15

20

Сравнение виброграмм на рис. 3 и рис. 5 наглядно показывает положительный результат действия фильтрующего устройства, приведенного на рис. 4. 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 необходимости практического использования приведенного способа повышения качества виброграмм. Это - дело практикующих геофизиков и читателей настоящей статьи.

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

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. Тихонов, В.И. Оптимальный прием сигналов. - М.: Радио и связь, 1983. - 320 с.

3. Шнеерсон, М.Б., Майоров В.В. Наземная сейсморазведка с невзрывными источниками колебаний. - М., Недра, 1980. - 205 с.

4. Гуткин, Л.С. Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах. Изд. 2-е, дополненное и переработанное. - М.: Советское радио, 1972. - 448 с.

© С.А. Ефимов, 2010