SEISMIK (EXPLORATIONSSEISMIK)

SEISMIK (EXPLORATIONSSEISMIK)
Inhaltsverzeichnis:
1 Allgemeine Einführung.......................................................................................................................... 2
1.1 Grundzüge................................................................................................................................... 2
1.2 Anwendung und Gegenüberstellung seismischer Verfahren...................................................... 3
2 Theorie ................................................................................................................................................... 5
2.1 Die Fortpflanzung der seismischen Wellen ................................................................................ 5
2.2 Wellenfronten, Wellenstrahlen ................................................................................................... 6
2.3 Refraktion und Reflexion............................................................................................................ 7
3 Akquistion und Auswertung seismischer Daten.................................................................................... 9
3.1 Refraktionsseismik (Ersteinsatzseismik) .................................................................................... 9
3.2 Reflexionsseismik..................................................................................................................... 10
4 Technische Beschreibung .................................................................................................................... 15
4.1 Die Geophone ........................................................................................................................... 15
4.2 Auslösen der Sprengung, Übertragen des Sprengmoments...................................................... 16
5 Praktikum Refraktionsseismik............................................................................................................. 17
5.1 Auswertung des geneigten n - Schichtenfalls ........................................................................... 17
5.2 Auswertung bei ebenem n - Schichtenfall ................................................................................ 18
5.3 Aufgaben................................................................................................................................... 19
6 Literatur ............................................................................................................................................... 20
Anhang.................................................................................................................................................... 21
Anhang I: Frontgeschwindigkeiten in verschiedenen Gesteinsarten.............................................. 21
( Longitudinalwellen ) .................................................................................................................... 21
Anhang II: Eigenschaften Refraktion + Reflexion ........................................................................ 22
2
1 Allgemeine Einführung
1.1 Grundzüge
Die seismische Erkundung stützt sich auf die physikalischen Gesetze, denen die Fortpflanzung
elastischer Wellen im Erdinnern unterliegt. Elastische Wellen oder Schallwellen werden auf oder nahe
der Erdoberfläche auf verschiedene Arten erzeugt.
In der Landseismik kommen Sprengladungen zur Anwendung, die in verdämmten Bohrlöchern
gezündet werden. Wo dies aus technischen Gründen (Gebäudebeschädigungen etc.) oder Gründen des
Umweltschutzes (Grundwasser, Flurschäden, Lärmemmissionen) nicht zulässig ist, bedient man sich
anderer Methoden zur Anregung seismischer Signale, vor allem in der Reflexionsseismik. Die
verbreitetsten davon sind 1 VIBROSEIS®
(Anregung durch gesteuerte Vibrationen) und
Impaktanregungen entweder durch Fallgewichte oder durch oder durch das Aufschlagen eines
Stempels (hydraulischer oder pneumatischer Hammer) oder eines Projektils auf der Erdoberfläche.
Die marine Reflexionsseismik kennt vor allem die Anwedung von Airguns.
Wegen der geringeren Anzahl Schüsse und der durch die grossen Schuss-Empfängerabstände
benötigten grossen Energie, werden in der Seerefraktionsseismik für Erdkrustenuntersuchungen
Sprengladungen von einigen 100 kg gezündet.
Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit seismischer Wellen ist eine Materialkonstante und ist für
verschiedene Gesteinstypen recht unterschiedlich (siehe Anhang I). Das Produkt der
Fortpflanzungsgeschwindigkeit und der Gesteinsdichte bezeichnet man als Schallhärte oder
akustische Impedanz. Der Kontrast der Schallhärte an einer Schichtgrenze bestimmt wieviel der
auftreffenden seismischen Energie durch Reflexion und Refraktion wieder an der Erdoberfläche
registriert werden kann.
Diese Aufzeichnung oder Seismogramme geben bei der Landseismik die Geschwindigkeit der
Bodenbewegung, bei der Seeseismik die Druckänderungen an den ausgewählten Punkten (z.B. entlang
eines Profils) wieder.
Die Auswertung der Seismogramme hat zum Ziel,
− reflektierende oder refrakierende Schichtgrenzen geologisch zu identifizieren,
− deren räumliche Lage und geometrische Form festzulegen,
− elastische Eigenschaften gewisser Formationen zu untersuchen, um Hinweise auf die
Zusammensetzung und Porosität des Gesteins zu erhalten.
1®
Markenzeichen der Continental Oil Company
3
Die Festlegung eines seismischen Programms, ob z.B. Refraktionsseismik oder/und
Reflexionsseismik angewendet wird, sowie die Wahl der Aufnahmeparameter müssen umsichtig auf
die zu lösende Aufgabe abgestimmt werden (siehe Anhang II).
Jedem Signalanteil auf einem Seismogramm sind zwei Grössen zugeordnet:
− Durch
die
Lage
des
Empfängers
(Geophon
oder
Hydrophon)
ist
der
räumliche Abstand zum Schusspunkt, und
− durch die Messung der Zeit zwischen der Schussauslösung und dem Eintreffen des
Signalanteils ist die Laufzeit gegeben.
Die Entfernung vom Schuss zum Empfänger, die Laufzeit bestimmter Signalanteile und deren Form,
die durch die Amplituden, den Frequenzinhalt und das Phasenverhalten definiert ist, sind die Rohdaten
für die Seismogrammauswertung.
Die wichtigste und aufwendigste Arbeit, die jeder erfolgreichen Seismogrammauswertung zugrunde
liegt,
besteht
in
der
möglichst
genauen
Bestimmung
der
seismischen
Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den Formationen des zu untersuchenden Untergrundes.
1.2 Anwendung und Gegenüberstellung seismischer Verfahren
Der apparative und personelle Aufwand, vor allem der reflexionsseismischen Methoden, ist im
Vergleich zu anderen geophysikalischen Prospektionsverfahren um ein Mehrfaches höher.
Entsprechend grösser ist aber auch das Auflösungsvermögen und die Genauigkeit der Resultate. So
werden in der Erdölexploration über 95% der Prospektionskosten allein für seismische Verfahren
ausgegeben.
Im Anhang I sind die Frontgeschwindigkeiten von verschiedenen Gesteinstypen aufgelistet. Die im
Anhang II aufgeführte Zusammenstellung soll die wesentlichsten Unterschiede zwischen der
Refraktions- und Reflexionsseismik in Bezug auf Anwendung, Aufwand und Methodik einander
gegenüberstellen.
Im Feldkurs beschäftigen wir uns, aus praktischen Erwägungen, nur mit refraktionsseismischen
Methoden, welche mit bescheidenen Datenmengen aufwarten und von Hand bewältigt werden können.
Die Auswerteverfahren der Reflexionsseismik laufen nur computergestützt und sprengen den Rahmen
des Feldkurses. Nichts desto weniger hat die Reflexionsseismik einen bedeutenden Stellenwert, z.B. im
Bereich der Erdölprospektion. Aus diesem Grund werden beide Verfahren im Kurs vorgestellt.
4
1.3 Schematische Darstellung der Strahlengeometrie und der Laufzeitkurven für reflektierte und
refraktierte Wellen
Abbildung 1 Beziehung zwischen Reflektions- und Refraktions- Strahlenpfaden und deren Laufzeitkurven
S
E
F
to
t1
x’
:
:
:
:
:
:
Laufzeitkurve der refraktierten Welle entlang der Schichtgrenze v1/v2
Laufzeitkurve (Hyperbel) der reflektierten Welle von der Schichtgrenze v1/v2
Laufzeitkurve der direkten Welle in der Schicht v1
Lotzeit der Schichtgrenze v1/v2
Interceptzeit der Laufzeitkurve S
kritischer Schuss/Geophonabstand, erstmaliger Einsatz (Punkt D) der refraktierten
Welle (Laufzeitkurve S)
θ : kritischer Winkel
xc : Schuss/Geophonentfernung bei der die direkte Welle F von der refraktierten Welle
S eingeholt wird (Punkt W)
(siehe auch Abbildung 5)
5
2 Theorie
2.1 Die Fortpflanzung der seismischen Wellen
Die Ausbreitung seismischer Wellen in einem Körper hängt von dessen elastischen Eigenschaften ab.
Neben Raumwellen (Kompressions- oder P-Wellen und Scher-, oder S-Wellen) können auch
Wellentypen auftreten, die sich nur entlang der Erdoberfläche fortpflanzen (Oberflächenwellen). Der
Frequenzbereich der Raumwellen liegt bei feldseismischen (Erdölprospektion) Anwendungen
zwischen 10 und 50 Hz und unter 20 Hz für krustenseismische Erkundung der Erdbebenseismik. Für
die Oberflächenwellen liegt der Frequenzbereich i.a. unter 15 Hz.
Als Nutzsignal kommt in der Prospektionsseismik meistens nur die Kompressionswelle in Frage. Es
wird aber in zunehmendem Masse auch mit Scherwellen gearbeitet. Diese werden durch horizontal
gerichtete Impulse angeregt und durch Geophone erfasst, die nur auf horizontale Bodenbewegungen
ansprechen.
Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Kompressionswellen hängt von den Lamé’schen
Konstanten λ und μ sowie von der Gesteinsdichte ρ ab:
vp =
λ + 2μ
ρ
[m/s]
Die Geschwindigkeit der Scherwellen ist gegeben durch
vs =
μ
ρ
[m/s]
Für den ideal elastischen Körper (λ=μ) gilt:
vp
vs
= 3
Tabelle 1 (Anhang I) gibt Auskunft über die Variationsbreite der Geschwindigkeiten der
Kompressionswellen in den verschiedenen Gesteinstypen. Die Geschwindigkeiten können im Labor an
Gesteinsproben,
aus
akustischen
Bohrlochmessungen
sowie
aus
Reflexionsund
Refraktionsmessungen bestimmt werden.
6
2.2 Wellenfronten, Wellenstrahlen
Die vom Sprengpunkt ausgehende Störung erfasst immer grössere Teile des elastischen Mediums. Die
Wellenfront ist diejeneige Fläche, welche das gestörte vom ungestörten Gebiet trennt. Sie hat ihren
r
Ursprung im Explosionszentrum und breitet sich mit der Geschwindigkeit c (normal zur Fläche) über
den ganzen Körper aus.
Abbildung 2 Die Front zur Zeit t2 (F [t2] ) kann aus F [t1] gefunden werden, indem jeder Punkt von F [t1] als Herd einer zur
Zeit t1 einsetzenden Störung betrachtet wird. Zur Zeit t2 bildet die Gesamtheit der Wellenfronten eine Flächenschar, deren
Umhüllende F [t2] ist. Dabei ist zu beachten, dass i.a. die Frontengeschwindigkeit ortsabhängig (in homogenen Medien) und
richtungsabhängig (in anisotropen Medien) sein kann (Konstruktion von Huygens).
Jedem Punkt von F [t1] ist ein Punkt von F [t2] zugeordnet. Die Bahn, auf der sich ein Punkt der
Wellenfront im Laufe der Zeit bewegt, ist ein Wellenstrahl, und die Geschwindigkeit, mit der sich der
r
Punkt fortbewegt, ist die Strahlgeschwindigkeit v .
r
r
r
In isotropen Körpern steht v senkrecht auf den Frontflächen, und v und c sind identisch, im
Gegensatz zu den Verhältnissen in anisotropen Körpern. In der Laufzeitseismik kann man die
untersuchten Körper praktisch immer als isotrop betrachten.
Die einzelnen Bestandteile der Gesteine (Kristalle) sind zwar anisotrop, das unregelmässige Gefüge,
welches das Gestein bildet, ist jedoch in sehr guter Näherung isotrop. Nur wenige Gesteine (Schiefer)
zeigen auch bei Betrachtung im grossen Massstab eine ausgeprägte Anisotropie.
.
7
Abbildung 3 Die Schnittgeschwindigkeit vp einer Wellenfront mit einer Fläche, z.B. der Erdoberfläche, hängt vom
Einfallswinkel ε der Front zur Fläche ab
Es gilt:
v
vp =
sin ε
und v p ≥ v
für ε → 0
v p → ∞!
In diesem Fall trifft die Wellenfront überall gleichzeitig an der Grenzfläche auf.
2.3 Refraktion und Reflexion
In der angewandten Seismik ist es sehr zweckmässig, sich das Erdinnere aus isotropen, stückweise
homogenen Körpern, die durch Unstetigkeitsflächen voneinander getrennt sind, aufgebaut zu denken.
Geometrische Betrachtungen werden häufig anhand der Wellenstrahlen durchgeführt.
Fällt eine Longitudinalwelle auf eine Grenzfläche G, die zwei Körper mit den Schallgeschwindigkeiten
v1 und v2 (für Longitudinalwellen) bzw. vs1 und vs2 (für Transversalwellen) voneinander trennt, so
spaltet sich die einfallende Welle in vier Teilwellen auf, nämlich zwei reflektierte (eine longitudinale,
eine transversale) und zwei refraktierte (ebenfalls eine longitudinale und transversale). Dies ergibt sich
aus der Forderung nach Stetigkeit der Spannungen und Verrückungen an der Unstetigkeitsfläche.
8
Abbildung 4 Abbildung zum Brechungs- und Reflexionsgesetz nach Snellius
Berechnungs- und Reflexionsgesetz lauten:
v s1
vs 2
v1
v
v2
= 1 =
=
=
sin α sin α 1 sin α s1 sin α 2 sin α s 2
α = α1
Fällt eine Longitudinalwelle mit der Amplitude AE senkrecht auf eine Unstetigkeitsfläche, so entsteht
je eine durchgehende und eine reflektierte Longitudinalwelle, deren Amplituden
AD = AE ⋅
2
1+κ
AR = AE ⋅
1−κ
1+κ
betragen. κ ist das Verhältniss der Schallhärten der beiden Körper,
κ=
wobei ρ2 und ρ1 die Dichten bezeichnen.
ρ 2ν 2
ρ1ν 1
9
3 Akquistion und Auswertung seismischer Daten
3.1 Refraktionsseismik (Ersteinsatzseismik)
In der Refraktionsseismik misst man die Laufzeit der zuerst bei den Messpunkten ankommenden
Wellen längs eines Profils auf der Erdoberfläche. In jedem Messpunkt befindet sich ein Geophon, das
eine der Geschwindigkeit der Bodenbewegung proportionale Wechselspanung erzeugt. 24 oder mehr
Geophone, die über eine vorgegebene Distanz verteilt sind, werden durch Kabel an das Aufnahmegerät
angeschlossen. Die Länge der Auslage beträgt ein Mehrfaches der zu untersuchenden Tiefe. Nach der
geeigneten Verstärkung und einer eventuellen Filterung zur Unterdrückung unerwünschter Frequenzen
werden die Signalspannungen der 24 “Kanäle” zusammen mit einer Zeitmarkierung analog oder digital
aufgezeichnet. Bei zeitgemässen Apparaturen werden die ankommenden Signale in der
Registrierapparatur digitalisiert und in einem Standardformat auf der Festplatte abgespeichert. Sie sind
damit sofort für eine Verarbeitung auf dem Computer verfügbar. Ein seismischer Kanal besteht aus:
Geophongruppe + Verstärker (mit Filter etc.). Der Sprengmoment wird ebenfalls registriert, bzw, ist
durch den Beginn der Registrierung gegeben (Triggerung).
Das Prinzip der Refraktionsseismik
Zweischichtenfall, erläutert.
wird
am
einfachsten
Beispiel,
dem
horizontalen
Abbildung 5 Laufzeitdiagramm und Strahlengang
Der Untergrund besteht aus zwei homogenen, durch eine horizontale Trennfläche in der Tiefe d1
getrennten Körpern mit den Geschwindigkeiten v1 und v2, wobei v1 < v2.
Zur Zeit t = 0 wird im Nullpunkt der Auslage eine Explosion ausgelöst und die Ankunft der direkten
und gebrochenen Wellen längs eines Profils in x-Richtung beobachtet.
Für die Auswertung werden die Einsätze der Wellen auf dem Registrierfilm bestimmt und die
Laufzeiten gegen die Geophon-Distanz aufgetragen (Laufzeitdiagramm).
10
Im Laufzeitdiagramm erscheint die direkte Welle als Gerade durch den Nullpunkt mit der Neigung
1/v1.
Der Strahl, welcher die Grenzfläche unter dem Grenzwinkel α der Totalreflexion
(sinα = v1/v2) trifft, läuft unter der Trennfläche mit der Geschwindigkeit v2 fort (Kopfwelle) und strahlt
dabei ständig Energie unter dem Winkel α nach oben ab. Diese Strahlen ergeben im Laufzeitdiagramm
eine weitere Gerade mit der Neigung 1/v2 und dem Zeitachsenabschnitt T1 = 2d1 ⋅ cosα / v1 , welche
aber erst bei x r = 2d1 ⋅ tgα beginnt und vom Knickpunkt xK an vor der direkten Welle eintrifft. Aus
der Neigung der beiden Geraden im Laufzeitdiagramm sowie aus dem Zeitachsenabschnitt der zweiten
Geraden können somit die Geschwindigkeiten aus den beiden Schichten und die Tiefe der Trennfläche
bestimmt werden.
Der geneigte Zweischichtenfall kann analog behandelt werden, wobei aber zur Bestimmung der
Neigung der Trennfläche die Aufnahme von zwei Laufzeitkurven mit Schusspunkten an den beiden
Enden des Profils notwendig ist (Schuss und Gegenschuss).
Für den ebenen Mehrschichtenfall (“eben” bedeutet, dass alle Schichten gleiche Streichrichtung
haben und dass man in einer Ebene senkrecht zur Streichrichtung arbeitet) mit beliebig vielen
Schichten sind die Auswerteformeln beigelegt.
Inhomogener Untergrund: Refraktionsseismik kann auch über inhomogenem Untergrund mit stetig
variierender Geschwindigkeit v betrieben werden. Der Auswertung gut zugänglich ist der Fall des
einachsig inhomogenen Körpers, in dem v nur eine Funktion der Tiefe ist, v = v (z). Die
Wellenstrahlen beschreiben dann ebene, gekrümmte Bahnen. Für die Berechnung und Auswertung der
Laufzeitkurven siehe GRANT and WEST (1965), s. 138 ff..
3.2 Reflexionsseismik
Die Zielsetzung der Reflexionsseismik besteht im Verfolgen von Unstetigkeitsflächen der Schallhärte
v ⋅ ρ (= Schichtgrenzen) im Untergrund. Dies wird erreicht durch eine möglichst dichte Abfolge von
Punkten auf der Unstetigkeitsfläche, die die erzeugten Impulse zurück an die Erdoberfläche
reflektieren. Ein solcher Punkt wird dabei von mehreren Schuss- Empfängerkonfigurationen anvisiert.
Die Signale von einem gemeinsamen Punkt (“common depth point”, CDP ) werden dann aufsummiert
(“horizontal stacking”). Die dadurch erhaltene enorme Verbesserung des Nutz-/Störsignalverhältnisses
hat der Reflexionsseismik zum eigentlichen Durchbruch verholfen.
Je nach der Aufgabenstellung und logistischen Gegebenheiten gestalten sich die Feldarbeiten und
Datenerfassung unterschiedlich. Die Länge der Geophonauslage ist ein Bruchteil der Sondiertiefe. Die
gebräuchlichste Art der Anordnung der Geophonauslage erfolgt symmetrisch um den Sprengpunkt
(“split spread”). Anordnungen wie “in-line offset spread” und “end-on spread” werden auch häufig
angewendet.
11
Abbildung 6 Beispiele einiger Reflexionsprofilauslagen
An einer Empfängerstation werden in der Regel mehrere Geophone in einem bestimmten Muster
(“pattern array”) ausgelegt. Damit erreicht man eine Antennenwirkung, die unerwünschte Signalteile,
wie die Bodenunruhe, unterdrückt. Die reflektierten Wellen treffen nämlich immer steil von unten auf
die Erdoberfläche, erreichen also praktisch gleichzeitig eine grössere Fläche, während die
Bodenunruhe, auf derselben Fläche betrachtet, mehr oder weniger zufälligen Charakter hat. Die
Oberflächenwellen, die eine sehr grosse Amplitude erreichen können, werden durch die Verwendung
spezieller Reflexionsgeophone, welche für die niedrige Frequenz der Oberflächenwellen
unempfindlich sind, unschädlich gemacht. Entlang eines Messprofils werden in regelmässigen
Abständen, die in der Regel höchstens das 4-fache der Empfängerabstände betragen, Schusspunkte
eingesetzt. Dabei wird der aktive Teil der Geophonauslage kontinuierlich entlang dem Profilverlauf
fortgesetzt. Durch diese “roll-along” – Methode erreicht man eine Mehrfachüberdeckung des
Untergrundes (“multiple subsurface coverage”).
Der Umstand, dass reflektierte Wellen während einer Horchzeit von mehreren Sekunden aufgezeichnet
werden, bedingt eine besonders hoch entwickelte elektronische Verstärkungs- und Registriertechnik,
um die Reflexionseinsätze von bis zu mehreren hundert Kanälen (Geophonstationen) aufzuzeichnen.
Wesentlich ist die Anwendung von Verstärkern mit einer automatischen, sehr rasch ansprechenden
Verstärkungsregelung und elektrischen Filtern mit einstellbaren Grenzfrequenzen und
Flankensteilheiten. Die so analog verstärkten und gefilterten Signale werden in der Registrierapparatur
digitalisiert, wobei i.a. die Abtastrate 1, 2 oder 4 m/s beträgt. Zusammen mit verschiedenen Hilfsdaten,
wie Abriss und Schusszeit, digitalisierte Verstärkerkurve, erste und letzte aktive Empfängerstation in
der Auslage, Profilbezeichnung, Projektnummer, Datum, etc., werden die gewonnenen Daten zu einem
Datenblock (“seismic record”) zusammengefasst und auf Festplatte gespeichert. Die Daten werden
schliesslich auf verschiedenen Speichermedien LTO/DAT-Tape/ CD archiviert.
Der Weg zur Auswertung reflexionsseismischer Daten führt wegen der Datenmenge oft über dedizierte
Unix Workstations und PC’s.
12
Die Abfolge der einzelnen Verarbeitungsschritte (“seismic processing sequence”) kann vereinfacht
etwa so aussehen:
1. True Amplitude Recovery (TAR)
Korrektur der Signalamplituden für Abschwächungen durch Absorption und sphärische
Divergenz (“spherical spreading”).
2. Field Static Corrections
Für jede Schuss- und Empfängerstation werden topographische Höhenkorrekturen und
Korrekturen, die den verschiedenen Geschwindigkeitsverteilungen zwischen der Oberfläche
und einem festgelegten Bezugsniveau Rechnung tragen, errechnet und auf die Reflexionszeiten
angewendet.
3. Common Depth Point (CDP-) Gather
Es erfolgt eine Umsortierung der Daten, indem alle Seismogramme von verschiedenen
Schuss-/Empfängerkonfigurationen, die sich aber auf gemeinsame Tiefenpunkte beziehen,
zusammengefasst werden. Das Hauptziel der Datenverarbeitung ist eine spätere
Aufsummierung dieser Seismogramme unter Punkt 7.
4. Dekonvolution
Eliminierung von multiplen Reflexionen und Erhöhung der vertikalen Auflösung (entlang
der Laufzeitachse) durch eine zeitliche Raffung der einzelnen Reflexionssignaturen. Auf den
Rohseismogrammen sind die zu verschiedenen Zeiten eintreffenden Einsätze stark geprägt
durch die Signalform des erzeugten Eingangsimpulses. Dieser unterliegt mit zunehmender
Laufzeit Amplituden- und Phasenverzerrungen, welche durch die Absorptions- und
Dispersionseigenschaften des Gesteins hervorgerufen werden. Idealerweise sollte diesen
Verzerrungen kontinuierlich Rechnung getragen werden. Durch die Ableitung eines der
jeweiligen Impulsform inversen Operators wird eine Antwort der Erde auf den erzeugten
Impuls angestrebt, welche jeden Schallhärtekontrast (= Schichtgrenze) möglichst scharf
wiedergibt.
5. Velocity Analysis
Bestimmung der mittleren Geschwindigkeit zwischen jedem Reflexionshorizont und der Erdoberfläche. Für einen gemeinsamen Tiefenpunkt auf
einem Reflektor liegen die Einsatzzeiten auf den unter Punkt 3 zusammengefassten
Seismogrammen für verschiedene Schuss-/ Empfängerabstände auf einer Hyperbel. Eine
Aufsummierung der einem CDP zugeordneten Seismogramme kann aber nur dann erfolgen,
wenn die Einsatzzeiten aller Reflektoren gleich sind, d.h. wenn die Hyperbeln ”begradigt”
werden.
6. Normal Moveout (NMO) Correction
Anwendung einer für jeden Reflektor je nach Laufzeit und Schuss-/ Empfängerabstand
unterschiedlichen Laufzeitkorrektur für die zu einem CDP gehörenden Seismogramme. Diese
Korrektur wird allein durch die unter Punkt 5 ermittelten mittleren Geschwindigkeiten
bestimmt.
13
Abbildung 7 Wirkung der NMO-Korrektur
7. Common Depth Point (CDP-) Stacking
Stapelung aller zu einem gemeinsamen Tiefenpunkt gehörenden Seismogramme. Dadurch wird
eine Reduktion der Datenmenge um den Faktor der Untergrundsüberdeckung (”subsurface
coverage” oder ”multiplicity”) erreicht.
8. Migration (nach Bedarf)
Die nach der Stapelung in Punkt 7 erhaltenen Seismogramme ergeben aneinandergereiht ein
Zeitprofil, das, je nach Komplexität der Geologie, die Wirklichkeit mehr oder weniger getreu
wiedergibt. Bei nicht horizontaler Schichtabfolge werden Tiefen und Neigungen verzerrt
wiedergegeben, scharfe Änderungen in der Topographie eines Reflektors erzeugen auf einem
Zeitprofil Diffraktionshyperbeln. In Kenntnis der Geschwindigkeitsverteilung wird das
verzerrte Zeitprofil durch die Migration in ein unverzerrtes übergeführt (s.Abbildung). Man
erreicht dadurch eine Verbesserung der lateralen Auflösung.
9. Band-pass Filtering
Unterdrückung unerwünschter Frequenzanteile in den Daten. Kosmetische Operation vor
dem Ausdrucken des fertig verarbeiteten Profilschnittes (”final section”). Band-pass Filter
werden auch in früheren Stadien der Datenverarbeitung benutzt, um gewisse Reflexionszonen
besser sichtbar zu machen.
14
Abbildung 8 Beispiel eines Reflexionsprofils vor (a) und nach (b) der Migration der Daten nach Telford et al. 1976.
Für die manuelle Auswertung ”einfach” vermessener Profile kommen folgende
Prinzipen zur Anwendung:
Der horizontale Zweischichtenfall: In der Figur zur Refraktionsseismik ist auch die Laufzeitkurve der
reflektierten Wellen eingezeichnet. t 0 = 2d1 / v1 ist die Lotzeit. Die Laufzeitkurve t 2 = (4d12 + x 2 ) / v12
stellt eine Hyperbel dar mit t = x / v1 als Asymptote. Die Gerade der refraktierten Wellen tangiert in xR
die Hyperbel.
Trägt man die quadrierten Laufzeiten gegen die Quadrate der Schuss-Geophon-Distanz auf, so stellt
sich die Hyperbelgleichung der Laufzeitkurve in t2 und x2 als Gerade dar (siehe Abbildung 9).
Die inverse Steigung dieser mittleren Geraden durch die gemessenen Laufzeitwerte der
Reflexionseinsätze ergibt dann die angenäherte Durchschnittsgeschwindigkeit vrms (Root-MeanSquare Geschwindigkeit) für alle Schichten über dem betrachteten Reflexionshorizont.
Die Zeit (Lotzeit) im Schnittpunkt dieser Geraden mit der Zeitachse ergibt mit der zuvor bestimmten
Durchschnittsgeschwindigkeit die Tiefe des Reflektors
d2 = t2 v2 / 4.
Bei zwei horizontalen Reflektoren mit den Lotzeiten t1 und t2 und den so bestimmten angenäherten
Durchschnittsgeschwindigkeiten v1 und v2 erhält man die Intervallgeschwindigkeit
(Schichtgeschwindigkeit) vi1,2
15
vi21, 2 =
v 22 t 2 − v12 2t1
t 2 − t1
Der geneigte Zweischichtenfall:
S ist der Sprengpunkt und zugleich Nullpunkt der Auslage. S’ ist das an der Grenzfläche gespiegelte
Bild von S.
Für die Laufzeit findet man
t 2 = ( x 2 + 4d ' 2 −4 xd ' sin φ ) / v12
Dies ist die Gleichung einer Hyperbel, welche asymmetrisch zum Nullpunkt liegt.
Die Lotzeit ist t 0 = 2d ' / v1
Abbildung 9 Quadrierte Laufzeiten gegen quadrierte Schuss-Geophon-Distanz der Reflexionseinsätze
4 Technische Beschreibung
4.1 Die Geophone
Die Geophone sind im Prinzip kleine, wasserdicht verschlossene Federpendel, die etwa aperiodisch
gedämpft sind. Eine Tauchspule, welche sich in einem starken Magnetfeld bewegt, erzeugt eine zur
Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Gehäuse und Spule proportionale elektrische
Spannung. Refraktionsgeophone haben eine Eigenfrequenz ( ≅ untere Grenzfrequenz) von etwa 2-10
Hz, Reflexionsgeophone eine solche von 10-30 Hz.
16
Die Empfindlichkeit eines Geophons liegt in der Grössenordnung 1 v/(cm/s) . Die Geophone werden
etwa 20 cm tief in den Boden eingegraben, damit sich Lärm (Flugzeuge) und Bodenunruhe (vom Wind
bewegtes Gras) weniger störend bemerkbar machen.
Abbildung 10 Schematische Darstellung eines Geophons : 1 Ringmagnet, axial magnetisiert; 2 Eisenschluss zur Führung
des Magnetfelds; 3 Spalt mit radialem Magnetfeld, darin Tauchspule, zur Dämpfung auf Aluminiumträger gewickelt; 4
Tragfeder
4.2 Auslösen der Sprengung, Übertragen des Sprengmoments
Für die Refraktionsseismik mit Profillängen bis einige 100 m werden Sprenggelatineladungen von der
Grössenordnung 1 kg in etwa 2 m Tiefe gezündet. Die Ladungen sollen nur so stark sein, das der
Boden nicht abgedeckt wird, sonst dringt nur wenig Energie in den Boden. Meistens wird die Ladung
in mehreren Löchern verteilt (500 m Beobachtungsdistanz ergeben etwa 100 m Eindringtiefe).
Für die Reflexionsseismik werden Ladungen von 10 bis 50 kg in 10 bis 50 m Tiefe gezündet. Für die
Erzeugung brauchbarer Reflexionen sind Grösse und Tiefe der Ladung wichtige Parameter. Mit diesen
Ladungen werden Eindringtiefen bis zu 8 km erzielt.
Zum Zünden der Ladung und Übertragen des Sprengmoments bestehen zwei Möglichkeiten:
Wird in der Nähe des Registrierwagens gesprengt, erfolgt das Zünden der Ladung mit dem Blaster,der
über ein Kabel mit dem Verstärker verbunden ist. Mit dem Blaster kann die Ladung von Hand oder
automatisch vom Registriergerät gesteuert, ausgelöst werden. Bei der Auslösung wird gleichzeitig die
Registrierung gestartet. Die Registrierdauer kann in einem vorgegebenen Bereich gewählt werden. Bei
der Zündung wird im Blaster ein Spannungsstoss erzeugt, der über das Verbindungskabel in die
Registrierapparate gelangt.
Findet die Sprengung in grösserer Entfernung vom Registrierwagen statt, so wird sie über das
Funksprenggerät von Hand ausgelöst.
17
5 Praktikum Refraktionsseismik
5.1 Auswertung des geneigten n - Schichtenfalls
Abbildung 11 Laufzeit-Diagramm für den geneigten n-Schicht Fall
Im Rahmen des Feldkurses begnügen wir uns mit einem leicht geneigten Refraktor. Für die komplette
Behandlung des Allgemeinfalls siehe Keary und Brooks (1991) Seiten 98 -101.
Wenn nur kleine Neigungen vorliegen (d.h. die Scheingeschwindigkeiten für Schuss und Gegenschuss,
ci und cig, unterscheiden sich max. 10-20%), genügt die Näherung
vi =
2
1
1
+
ci cig
Die Zeitabschnitte (Ti) werden gemittelt (Schuss und Gegenschuss).
18
5.2 Auswertung bei ebenem n-Schichtenfall
Man nehme an, es liege keine Neigung der Schichtgrenzen vor
φ1 = φ 2 = ...φ n = 0
Dann gilt für die Schichtmächtigkeiten
d n −1 =
vn
2ctgα n −1,n
⎡
⎤
2 n−2
⋅ ⎢Tn − ⋅ ∑ d k ⋅ ctgα k ,n ⎥
vn k =1
⎣
⎦
wobei
⎡ vk ⎤
⎥
⎣ vn ⎦
α k , n = arcsin ⎢
Hierbei ist : n
= Anzahl Grenzflächen, beginnend mit der Oberfläche n=l
Vn
= Gemessene Schichtgeschwindigkeiten, beginnend mit der ersten Schicht (m/ms),
die aus den inversen Steigungen der korrelierten Laufzeitkurven berechnet
werden.
T
= Interceptzeiten / Zeitabschnitte (ms)
αn,m = arc sin vn/vm, Brechungswinkel
Daraus folgt für die Schichtmächtigkeiten:
n = 1 , T1 = 0 , d0 = 0
n = 2 , T2
,
d1 =
v2
⋅ T2
2ctgα 1, 2
n = 3 , T3
,
d2 =
v3
2ctgα 2,3
⎡
⎤
2
⎢T3 − d1ctgα 1,3 ⎥
v3
⎣
⎦
n = 4 , T4
,
d3 =
v4
2ctgα 3, 4
⎡
⎤
2
⎢T4 − (d1ctgα 1, 4 + d 2 ctgα 2, 4 )⎥
v4
⎣
⎦
Aus dem Diagramm der Laufzeitkurven entnimmt man die Werte der Interceptzeiten in Millisekunden
(ms) und die Schichtgeschwindigkeiten von Kompressionswellen in Metern/Millisekunde (m/ms).
Damit lassen sich die Brechungswinkel berechnen.
Die Tiefen der Grenzflächen unter dem Sprengpunkt sind
j
Z j = ∑ di
i =1
(m)
19
Der Ansatz des ebenen n-Schichtenfalls lässt sich auf den leicht geneigten Refraktor erweitern indem
man die Tiefen unter dem Gegenschuss-Sprengpunkt ermittelt. Hierzu werden die Berechnungen der
Gegenschuss-Mächtigkeiten in die Formel für dn-1 die entsprechenden Gegenschuss-Zeitabschnitte T2g ,
T3g … etc. einsetzt. Letztere werden ebenfalls aus dem Laufzeit-Diagramm entnommen.
5.3 Aufgaben
Beschreibung des Messprinzips mit korrekter schematischer Darstellung von Strahlwegen und
Laufzeitkurven (ca. 1 Seite)
Skizze der Messanordnung.
Lage des Profils mit Messrichtung in die Karte eintragen, Koordinaten von Anfangs- und Endpunkt des
Profils bestimmen.
Messprotokoll, Messdaten und Laufzeitdiagramm mit eingetragenen Laufzeitwerten und korrelierten
Laufzeitgeraden mit Beschriftung beifügen.
Bestimmen Sie die Schichtgeschwindigkeiten, Interceptzeiten und Brechungswinkel aus den
Messdaten.
Berechnen Sie daraus die Schichtmächtigkeiten und Tiefen der erfassten Grenzflächen.
Machen Sie eine grobe Fehlerbetrachtung. Welche Genauigkeit ist bei der Schlussangabe der
Ergebnisse sinnvoll?
Zeichnen Sie ein Schichtmodell des untersuchten Gebiets. Versuchen Sie eine Identifizierung der
einzelnen Schichten mit einer kurzen Diskussion der Ergebnisse.
20
6 Literatur
Burger, H.R., 1992. Exploration Geophysics of the Shallow Subsurface. (mit Programm-Disketten),
Prentice Hall, p. 7-240.
Dobrin, M.B. and Savit, C.H., 1988. Introduction to Geophysical Prospecting. McGraw Hill Book Co.,
p. 25-497.
Griffiths, D.H. and King, R.F., 1988. Applied Geophysics for Geologists and Engineers. Pergamon
Press, 230 p. *
Keary, Ph. and Brooks, M., 1991. An Introduction to Geophysical Exploration. Blackwell Science Ltd.,
p. 44-118. *
Militzer, H. und Weber, F. (Herausgeber), 1987. Angewandte Geophysik. Springer Verlag, (3 Bände),
Bd. 3: Seismik, 420 p.
Milson, J., 1992. Field Geophysics. John Wiley and Sons, p. 136-179. *
McQuillin, R., Bacon, M. and Barday, W., 1984. An Introduction to Seismic Interpretation. Gulf
Publishing Company, 287 p., 1984.
Sheriff, R.E., 1984. Encydopedic Dictionary of Exploration Geophysics. Society of Exploration
Geophysicists, P.O. Box 702740, Tulsa, OK 74170-2740.
Sheriff, R.E. and Geldart, L.P., 1995. Exploration Seismology. Cambridge University Press, 592 p.
Telford, W.M., Geldart, L.P. and Sheriff, R.E., 1993. Applied Geophysics. Cambridge University
Press, p. 136-282.
Yilmaz, Oe., 1988. Seismic Data Processing. Society of Exploration Geophysicists, P.O. Box 702740,
Tulsa, OK 74170-2740, 526 p.
* Einführende Texte
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Anhang
Anhang I: Frontgeschwindigkeiten in verschiedenen Gesteinsarten
( Longitudinalwellen )
Lockermaterial
Oberflächen- resp. Verwitterungsschicht
Lockerer Schotter, trocken
Verkitteter Schotter, trocken
Schotter, grundwassergefüllt
Seebodenlehm
Löss
Wallmoräne (kohäsionslos)
Grundmoräne
m/sec
250... 800
600... 900
900... 2500
1500…2500
1500... 1900
300... 600
1200... 1700
1700…2400
Feste Sedimente
Mergel
Sandstein
Konglomerate
Kalk
Dolomit
Salzgestein von Salzhorsten
Gipsgesteine
Anhydritgesteine
Flysch
Bündner Schiefer
1800... 3200
1400…4500
3000... 5000
3000... 6000
5000...6000
4400...6500
3000...4000
3000...6000
3400...4400
3800...4400
Kristalline Gesteine
Granit
Gabbro
Dunit
Diabas
Basalt
Gneis
Quarzit
4000...5700
6700...7300
7900...8400
5800...7100
4900...6400
3100...5400
5000...6100
Verschiedenes
Luft
Süsswasser
Meerwasser
Gletschereis
Petroleum
330,8 + 0,66 T mit T = Temp. in °C
1435...1500
1480...1530
3300...3900
1300...1400
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Anhang II: Eigenschaften von Refraktion + Reflexion
Anwendungsgebiete
REFRAKTION: Grobabklärung der seismischen Geschwindigkeitsverteilung zu Tiefen von einigen 100 m bis
mehreren 100 km (grossräumige Struktur von Erdkruste und oberem Erdmantel). Geo- technische
Anwendungen
für
Baugrunduntersuchungen,
z.B.
Bestimmung
der
Quartärmächtigkeit
mit
Hammerschlagseismik.
REFLEXION: Detaillierte Untersuchungen von Sedimentbecken; fast ausschliesslich in der Erdö1- und
Kohleprospektion angewandt. Zunehmende Anwendung auch fiir Untersuchungen der Struktur der Lithosphäre.
Vorteile
REFRAKTION: Relativ kleiner Aufwand zur Datengewinnung und -Aufbereitung. Gute Bestimmung der
seismischen Geschwindigkeiten.
REFLEXION: Sehr gute Auflösung der geologischen Strukturen erreichbar.
Nachteile
REFRAKTION: Beschränktes Auf1ösungsvermögen.
REFLEXION: Extrem hoher Aufwand an Material, Personal und logistischen Vorkehrungen. Nur beschränkt
anwendbar für Reflexionshorizonte auf Tiefen < 100 m .
Datenerfassung
REFRAKTION: Im Allgemeinen weitmaschiges Profilnetz. Profilnetz relativ engmaschig, bei 3-dimensionaler
Seismik sind die Abstände zwischen parallelen Profillinien in der Grössenordnung der Empfängerabstände auf
den einzelnen Profilen.
Sehr lange Profile verglichen mit der Tiefe der anvisierten Zielhorizonte. Wenige weit auseinanderliegende
Empfängerstationen (ausgenommen bei Bestimmung der Mächtigkeit der Verwitterungsschicht).
Schuss/Empfängerentfernung klein verglichen mit den Tiefen der anvisierten Zielhorizonte. Sehr hohe Anzahl
dicht beieinanderliegender Empfängerstationen (Abstände i.a. zwischen 5 m und 50 m).
Meistens nur Schuss/Gegenschussmethode, d.h. 2-fach Überdeckung des Untergrundes. Die
Schuss/Gegenschussmethode erlaubt die Berechnung der allgemeinen Neigung eines Refraktors projiziert auf
die vertikale Ebene entlang der Profillinie zwischen den Schusspunkten.
REFLEXION: Hohe Anzahl Schusspunkte, welche mitsamt dem aktiven Teil der Empfängerauslage entlang
dem Profil verlegt werden („roll along”- Technik). Dadurch wird eine möglichst hohe Untergrundsüberdeckung
(”multiplicity” oder subsurface coverage ”) angestrebt, d.h. dass derselbe Punkt auf einem Reflektor durch
mehrere Schuss/Empfängerkonfigurationen aufgezeichnet wird. Ein solcher Punkt wird gemeinsamer
Tiefenpunkt (”common depth point”, kurz CDP) genannt.
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Datenverarbeitung
REFRAKTION: Da meist in der angewandten Seismik nur das erste eintreffende Störsignal (p-Welle) und
eventuell einige dominante spätere Einsätze ausgewertet werden, beschränkt sich die Datenaufbereitung auf die
eindeutige Laufzeitbestimmung dieser Ersteinsätze und allfälliger leicht zu identifizierender späterer Signale.
REFLEXION: Der ganze Wellenzug aller Schuss/Empfängerkonfigurationen wird analysiert. Daher ist die
Aufbereitung der Datenmenge nur mit dedizierten Computern möglich. Das Kernstück in der EDV ist die
Stapelung der Seismogramme von gemeinsamen Tiefenpunkten (”common depth point stacking”), was erstens
das Nutz-/Störsignalverhältnis entscheidend anhebt, und zweitens die Datenmenge um den Faktor der
Untergrundüberdeckung reduziert (wichtig für weitere Verarbeitungsschritte). Entscheidend für die Qualität der
Endresultate sind die vor der Stapelung anzuwendenden Korrekturen, die auf der Analyse der seismischen
Geschwindigkeiten beruhen.
Auswertung und Interpretation
REFRAKTION:Bei grossräumigen Studien sind meistens weitreichende Modellsimulationen nötig, um für die
gewonnenen Resultate eine passende Interpretation zu finden.
REFLEXION: Die seismischen Daten können durch die EDV in Profilschnitten (”seismic sections”) so
dargestellt werden, dass sie direkt ein Erscheinungsbild der geologischen Strukturen vermitteln. Für
Detailabklärungen kleinräumiger und komplexer Strukturen, wie z.B. rund um einen Salzdom oder bei
komplizierten Bruchsystemen, werden Modellstudien (”ray tracing”) gemacht, die wiederum für Personal und
Computer sehr arbeitsintensiv sind.