Наблюдение и регистрация сейсмического волнового поля

2.2.Понятие о  сейсморегистрирующем канале.

Сейсмическая разведка является сложной динамической системой, в которой происходят процессы преобразования энергии и информации. Целенаправленную последовательность этих процессов можно рассматривать как сейсморазведочный канал, преобразующий воздействие источника упругих колебаний в сейсморазведочную информацию. Сейсмологический канал состоит из трех последовательно действующих систем. Первая и основная из них сейсмогеологическая среда геологическая среда, представляющая собой  некую среду, в которой формируются упругие колебания. Поле в некоторой точке среды это результат прохождения импульса через некоторый ограниченный объем пространства сейсмогеологический канал. Целью здесь является извлечение информации, которую несет среда, из объема рассматриваемого пространства. Следующая система  сейсморегистрирующий  канал.

  Он включает в себя сейсморазведочную технику и методику, т.е. инструмент исследования. На выходе сейсморегистрирующего канала получаются сейсмические записи сейсмограммы, служащие входной информацией для третьей системы сейсмообрабатывающего канала. Здесь сейсмограммы преобразуются в результативный материал сейсмический разрез. Теория сейсмогеологического канала основана на анализе связей между параметрами сейсмологической среды и характеристиками, возникающего в ней поля упругих колебаний.

2.3.Источники сейсмических  колебаний.

При проведении сейсморазведочных работ наиболее широко используется возбуждение упругих волн с помощью  взрывов зарядов твердых взрывчатых веществ (ВВ). Заряды взрываются  специальными  сейсмическими электрическими детонаторами (ЭДС). Они устроены  так,  что  электрическая цепь мостика накаливания разрывается  не за счет посылки в него тока и перегорания нити накаливания,  а за счет взрыва заряда взрывчатого вещества. Момент разрыва электрической  цепи в детонаторе передается по проводам или по радио на сейсмическую станцию, регистрируется на ней и принимается за момент возбуждения упругой волны. Отметка момента взрыва осуществляется и считывается с записи с погрешностью 0,001с.

Наиболее широкое распространение при проведении работ методом отраженных волн на суше получил способ возбуждения упругих волн с помощью взрыва заряда ВВ , погруженного в специально пробуренную взрывную скважину. Глубина погружения зарядов в скважину  изменяется от первых десятков до 100 метров и больше. Глубина погружения заряда зависит от характера строения  верхней части разреза. Экспериментально установлено, что заряд желательно помещать ниже подошвы ЗМС и уровня грунтовых вод в слои, сложенные влажными пластичными глинами. Чем меньше мощность ЗМС и чем ближе к земной поверхности залегают грунтовые воды, тем меньше глубина погружения заряда.

Когда мощность ЗМС большая и грунтовые воды  залегают глубоко, взрывные скважины приходится бурить на глубину в несколько десятков, а иногда и глубже 100 м. Наиболее глубокие скважины приходится бурить при производстве работ в межгорных и предгорных впадинах, в пределах которых бывают часто развиты сухие песчано-галечниковые отложения с большой глубиной залегания грунтовых вод.

Для повышения доли энергии взрыва, идущей на образование упругой волны, ствол взрывной скважины после погружения в него заряда ВВ заливают водой или глинистым раствором , осуществляя тем самым водную его закупорку. При размещении заряда в оптимальных условиях после взрыва не образуется мощной поверхностной  волны и создаются более благоприятные условия для выделения и прослеживания отраженных волн на земной поверхности. После выброса газообразными продуктами взрыва столба жидкости у устья взрывной скважины возникает не особенно интенсивная звуковая волна. Но одновременно создается фон помех после падения на земную поверхность выброшенной из скважины жидкости и мелких раздробленных взрывом кусков горной породы.

Частотный состав колебаний, возбуждаемых при взрыве, зависит от литологического состава и физического состояния пород в очаге взрыва. Преобладающая частота возбуждаемых в очаге колебаний зависит от массы заряда ВВ , убывая с его увеличением обратно пропорционально кубическому корню из массы заряда. Но при наблюдениях вдали от источника эта зависимость почти незаметна.

Амплитуда регистрируемых колебаний также связана с массой заряда. При малых зарядах эта зависимость проявляется резче, а при больших - слабее. При больших зарядах увеличение их массы становится малоэффективным. В этих случаях для повышения интенсивности записи используют группирование взрывов. При групповом взрыве нескольких мелких зарядов удается получить более интенсивную запись упругих волн , чем при взрыве одиночного заряда с такой же массой. Но для этого нужно обеспечить строго одновременный подрыв группы зарядов.

При однородном группировании, когда все одиночные заряды, входящие в группу, имеют одинаковую массу, относительный уровень случайных помех, возбуждаемых групповым взрывом, уменьшается в √n большая раз (n — число зарядов в группе) по сравнению с их уровнем (по отношению к регулярным волнам) при взрыве одиночного заряда с массой, равной суммарной массе зарядов в группе. Это действие группы называют статистическим эффектом. При групповом взрыве наблюдается также значительное повышение уровня полезного сигнала по отношению к случайным помехам, не зависящим от взрыва.

Группирование взрывов при соответствующем выборе расстояний между источниками в группе и их размещения может быть использовано для ослабления (подавления) регулярных помех типа прямых и поверхностных волн. Для получения указанных эффектов заряды в группах необходимо размещать на расстоянии нескольких метров друг от друга, чтобы образующиеся при взрывах зоны разрушений и остаточных деформации не соприкасались одна с другой.  

Необходимо заметить, что увеличение числа зарядов в группе приводит к увеличению объема буровых работ и замедлению процесса производства сейсмических исследований. Иногда при группировании взрывов для уменьшения объема буровых работ уменьшают глубину скважин. Тем не менее, группирование взрывов всегда вызывает удорожание работ. Поэтому его следует применять лишь тогда, когда другие способы и приемы улучшения качества записей прихода упругих волн оказываются неэффективными.

3.Обработка материалов  способа ОГТ.

3.1.Задачи обработки  и алгоритм.

Получаемые в процессе полевых работ сейсмограммы содержат значительную долю нежелательных волн-помех и мешающих колебаний, а полезные волны неудобны для интерпретации. Поэтому первичные сейсмограммы обрабатываются с использованием самой современной компьютерной техники. В результате выполнения процедур обработки сейсмограммы преобразуются во временной или глубинный разрез – материал для геологического толкования.По известным признакам на полученных разрезах выделяются аномальные участки, с которыми связываются скопления полезных ископаемых.

Анализ алгоритмов обработки данных метода ОГТ определяет основные требования к аппаратуре. Обработка, предусматривающая выборку каналов (формирование сейсмограмм ОГТ),  АРУ, введение статических и кинематических поправок, может выполняться на специализированных аналоговых машинах. При обработке, включающей операции определения оптимальных статических и кинематических поправок, нормирование записи (линейное АРУ), различные модификации фильтрации с вычислением параметров фильтров по исходной записи, построение скоростной модели среды и преобразование временного разреза в глубинный, аппаратура должна обладать широкими возможностями, обеспечивающими систематическую перенастройку алгоритмов. Сложность перечисленных алгоритмов и  что особенно важно, их непрерывное видоизменение в зависимости от сейсмогеологической характеристики исследуемого объекта обусловили выбор универсальных электронно-вычислительных машин в качестве наиболее эффективного инструмента для обработки данных метода ОГТ.

Обработка данных метода ОГТ на ЭВМ позволяет оперативно реализовать полный комплекс алгоритмов, оптимизирующих процесс выделения полезных волн и их преобразование в разрез. Широкие возможности ЭВМ в значительной степени определили применение цифровой регистрации сейсмических данных непосредственно в процессе проведения полевых работ.

Вместе с тем в настоящее время значительная часть сейсмической информации регистрируется аналоговыми сейсмическими станциями. Сложность сейсмогеологических условий и связанный с ними характер записи, а также тип аппаратуры, используемый для регистрации данных в поле, определяют процесс обработки и тип обрабатывающей аппаратуры. В случае аналоговой регистрации обработка может выполняться на аналоговых и цифровых машинах, при цифровой регистрации - на цифровых машинах.

Система для цифровой обработки включает универсальную ЭВМ и ряд специализированных внешних устройств. Последние предназначены для ввода - вывода сейсмической информации, выполнения отдельных непрерывно повторяющихся вычислительных операций (свертка, интеграл Фурье) со скоростью, существенно превышающей скорость основного вычислителя, специалзированных графопостроителей и просмотровых устройств. В ряде случаев весь процесс обработки реализуется двумя системами, использующими в качестве основных вычислителей ЭВМ среднего класса (препроцессор) и ЭВМ высокого класса (основной процессор). Система, базирующаяся на ЭВМ среднего класса, применяется для ввода полевой информации, преобразования форматов, записи и ее размещения в стандартной форме на накопителе магнитной ленты (НМЛ) ЭВМ, воспроизведения всей информации с целью контроля полевой записи и качества ввода и ряда стандартных алгоритмических операций, обязательных для обработки в любых сейсмогеологических условиях. В результате обработки данных на выходе препроцессора в двоичном коде в формате основного процессора могут быть записаны исходные сейсмические колебания в последовательности каналов сейсмограммы ОПВ и сейсмограммы ОГТ, сейсмические колебания, исправленные за величину априорных статических и кинематических поправок. Воспроизведение трансформированной записи помимо анализа результатов ввода позволяют выбрать алгоритмы последующей обработки, реализуемой на основном процессоре, а также определить некоторые параметры обработки (полосу пропускания фильтров, режим АРУ и т. д.). Основной процессор, при наличии препроцессора, предназначен для выполнения главных алгоритмических операций (определение скорректированных статических и кинематических поправок, вычисление эффективных и пластовых скоростей, фильтрация в различных модификациях, преобразование временного разреза  в глубинный). Поэтому в качестве основного процессора используются ЭВМ с большим быстродействием (106 операций в 1 с), оперативной (32—64 тыс. слов) и промежуточной (диски емкостью 107 - 108 слов) памятью. Использование препроцессора позволяет повысить рентабельность обработки за счет выполнения ряда стандартных операций на ЭВМ, стоимость эксплуатации которой существенно ниже.

При обработке на ЭВМ аналоговой сейсмической информации обрабатывающая система оснащается специализированной аппаратурой ввода, главным элементом которой является блок преобразования непрерывной записи в двоичный код. Дальнейшая обработка полученной таким образом цифровой записи полностью эквивалентна обработке данных цифровой регистрации в поле. Использование для регистрации цифровых станций, формат записи которых совпадает с форматом НМЛ ЭВМ, исключает необходимость в специализированном вводном устройстве. Фактически процесс ввода данных сводится к установке полевой магнитофонной ленты на НМЛ ЭВМ. В противном случае ЭВМ оснащается буферным магнитофоном с форматом, эквивалентным формату цифровой сейсмостанции.

Специализированные устройства цифрового обрабатывающего комплекса.

Прежде чем переходить к непосредственному описанию внешних устройств, рассмотрим вопросы размещения сейсмической информации на лепте ЭВМ (магнитофона цифровой станции). В процессе преобразования непрерывного сигнала амплитудам отсчетных значений, взятых через постоянный интервал δt, приписывается двоичный код, определяющий ее численную величину и знак. Очевидно , что число отсчетных значений c на данной t трассе с длительностью полезной  записи t равно с = t/δt+1 , а общее число с' отсчетных значений на       m-канальной  сейсмограмме с' = сm. В частности, при t = 5 с , δt = 0,002 с и m == 24 , с = 2501, а с' = 60024 чисел, записанных в двоичном коде.

В практике цифровой обработки каждое числовое значение, являющееся эквивалентом данной амплитуды, принято именовать сейсмическим словом. Число двоичных разрядов сейсмического слова, называемое его длиной, определяется числом разрядов преобразователя аналог - код цифровой сейсмостанции (устройства ввода при кодировании аналоговой магнитной записи). Фиксированное число двоичных разрядов, которым оперирует цифровая машина, выполняя арифметические действия, принято именовать машинным словом. Длина машинного слова определяется конструкцией ЭВМ и может совпадать с длиной сейсмического слова либо превышать его. В последнем случае при вводе в ЭВМ сейсмической информации в каждую ячейку памяти, емкостью в одно машинное слово, заносится несколько сейсмических слов. Такая операция именуется упаковкой. Порядок размещения информации (сейсмических слов) на магнитной ленте накопителя ЭВМ либо магнитной ленте цифровой станции определяется их конструкцией и требованиями алгоритмов обработки.

Непосредственно процессу записи цифровой информации на ленту магнитофона ЭВМ предшествует этап ее разметки на зоны. Под зоной понимается определенный участок ленты , рассчитанный на последующую запись k слов, где k = 2 , а степень n = О, 1, 2, 3. . ., причем 2   не должно превышать емкость оперативной памяти . При разметке на дорожках магнитной ленты записывается код , обозначающий номер зоны , а последовательность тактовых импульсов отделяет каждое слово.

В процессе записи полезной информации каждое сейсмическое слово (двоичный код отсчетного значения) регистрируется на отделяемый серией тактовых импульсов участок магнитной ленты в пределах данной зоны. В зависимости от конструкции магнитофонов применяется запись параллельным кодом, параллельно-последовательным и последовательным кодом. При параллельном коде число, являющееся эквивалентом данной отсчетной амплитуды, записывается в строке, поперек магнитной ленты. Для этого используется многодорожечный блок магнитных головок , число которых равно числу разрядов в слове. Запись параллельно-последовательным кодом предусматривает размещение всей информации о данном слове в пределах нескольких строк, располагаемых последовательно одна за другой. Наконец, при последовательном коде информация о данном слове записывается одной магнитной головкой вдоль магнитной ленты.