Vorlesung Bohrlochgeophysik. Seismik. laterale und vertikale Auflösung sampling

Transkript

1 Vorlesung Bohrlochgeophysik Seismik sampling Folie 1

2 Von der Geologie zum Seismogramm Folie 2

3 Wellenform eines Korrellogramms und einer Sprengung Amplitudenmaximum zentriert, Energie schon vor der 0-Zeit, akkausales Wavelet Amplitudenmaximum am Beginn des Wellenzuges keine Energie vor der 0-Zeit, kausales Wavelet Folie 3

4 Der Begriff der Normalen und reversen Polarität (SEG Definition) Folie 4

5 Vertikale Auflösung es besteht eine feste Beziehung zwischen Ausbreitungsgeschwindigkeit V Wellenlänge λ Signalfrequenz f V * Beispiel: Die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit in der lockeren, trockenen Deckschicht sei 600 m/s und die Signalfrequenz 50 Hz, dann hat die Welle eine Wellenlänge von 12 m. Die Ablesegenauigkeit der Einsatzzeit auf einem Seismogramm liegt bei etwa 1/4 bis 1/8 der Wellenlänge. Das bedeutet, Variationen des Reflexionsweges unserer Welle in diesem Medium von etwa 2-4m bzw. der Reflektortiefe von 1-2m sind noch erkennbar. Ist 0,5m Genauigkeit gefordert, so muss die Signalfrequenz mindestens 100 Hz betragen. f Folie 5

6 einige Beispiele für typische Wellenlängen Medium ca. Geschwindigkeit typische Signalfrequenz Wellenlänge Luft 333 m/s Hz 33 3,3 m Lockersediment 600 m/s Hz 60-6 m wassergesättigtes 1450 m/s Hz ,5 m Lockersediment Mergel 2000 m/s Hz m Kalkstein, Eis 3500 m/s Hz m Salz 4500 m/s Hz m Stahl 6000 m/s Hz m kompakter Granit 6000 m/s Hz m oberer Erdmantel 8000 m/s Hz m Folie 6

7 was bedeutet das für die Praxis? Da man von den drei Größen V, λ, f nur die Signalfrequenz beeinflussen kann, muss man möglichst viel Energie mit hohen Signalfrequenzen in den Untergrund bringen, wenn man eine hohe Auflösung erzielen will! Das bedeutet, man muss die Signalquellen so wählen, dass wenig anelastische Effekte im Nahbereich auftreten. gute Kopplung des Signals (z.b. auf festem Boden, Sprengung in Wasser oder in der ersten festen Schicht) breite, feste aber leichte Platte beim Hammerschlag (Vorverfestigung durch ein bis zwei Schläge auf die Platte) kleine, tief gesetzte Ladung bei Sprengungen evtl. Mehrschusslochtechnik Lautsprecher mit Sweep oder Puls auf Lockersediment Vibratoren mit breitem Sweep (Vorverfestigung durch einen Vorsweep auf lockeren Böden) Folie 7

8 Vertikale Auflösung ist ein Bruchteil der Wellenlänge Folie 8

9 Auflösung und Lambda Viertel Kriterium Folie 9

10 Gedanken zur Fresnel-Zone Folie 10

11 Laterale Auflösung, Definition der ersten Fresnel Zone Das Reflexionssignal ist eine Überlagerung aller Echos aus der Breite der Fresnel-Zone, stammt also nicht allein aus dem Punkt senkrecht unter der Quell- Aufnehmer-Anordung. Beispiel: V=2000 m/s f = 50 Hz λ=.. m λ / 4 = m Reflektortiefe= 1000 m wie breit ist die erste Fresnel- Zone? Kearey et al Folie 11

12 Berechnen der Fresnelzone v=2000m/s z o = 1000m f=50 Hz λ=40m z o ²+w²/4=r² r=z o +λ/4 w²=4(r²-z o ²) =4(z o ²+2z o λ/4+λ²/16-z o ²) =2z o λ+λ²/4 w=sqrt(2z o λ+λ²/4)~sqrt(2z o λ) für z o >>λ w=sqrt(2*1.000 *40 m²)=565 m z o w/2 r= z o +λ/4 Folie 12

13 Reflektortiefe und Breite der ersten Fresnel-Zone Die Größe, des einem RX-Signal zuordenbaren Reflektorelementes wächst mit der Tiefe und wächst mit der Wellenlänge des Signals. Die Wellenlänge wächst mit der Geschwindigkeit und mit geringer werdender Frequenz. D.h. die Fresnelzone wird mit der Tiefe aus zweierlei Gründen breiter. mit zunehmender Tiefe wird durch die Absorption der hochfrequente Anteil des Signals gedämpft aus strahlengeometrischem Grund (s. Vorfolien) nimmt die Breite der Fresnelzone selbst bei konstanter Wellenlänge zu. Erst ab einem Abstand benachbarter Geophonpunkte >W kann wieder unabhängige Information über den Reflektor erhalte werden. >=4 Datenwerte pro Fresnelzone sind ein gutes Maß für die Praxis. Daraus ergibt sich der optimale Geophonpunktabstand!!! Folie 13

14 Absorption verringert vorrangig die hohen Frequenzen Anstey, 1977 Folie 14

15 wahre und scheinbare Wellenlänge und Geschwindigkeit Erdoberfläche Scheingeschwindigkeit v app Scheinwellenlänge λ app α α = Auftauchwinkel für: α=0 Scheingeschwindigkeit= unendlich die Wellenfront kommt an allen Sensoren gleichzeitig an. wahre Geschwindigkeit v wahre Wellenlänge λ für α= 90 Grad V app = V die Wellenfront läuft mit der wahren Materialgeschwindigkeiut v entlang des arrays Folie 15

16 Scheinwellenlänge durch schrägen Einfall auf eine Geophonauslage Folie 16

17 Antwortfunktion einer Geophongruppe Folie 17

18 BOCHUM UNIVERSITY Seismogramme: links mit Einzel- rechts mit Arraygeophonen Quelle: Prakla-Seismos Folie 18

19 Räumliches Sampling Die Erfahrung zeigt, dass man mehrere Punkte von einem lokalen Reflektor beobachten muss, um ihn aus den anderen Signalen zu erkennen. Folie 19

20 Digitalisierung der Spannungen von seismischen Sensoren Folie 20

21 Schnitt durch ein Geophon, Spule schwingt an Blattfedern Folie 21

22 Schnitt durch ein Sensor SM-24 Geophone Folie 22

23 Empfindlichkeit als Funktion der Frequenz von Geophonen H=0,7 = kritische Dämpfung Einheit der Empfindlichkeit: V/m/s Resonanzfrequenz unterhalb der seismisch interessierenden Frequenzen Folie 23

24 Einfluss der Geophon-Boden-Kopplung auf die Signalform Folie 24

25 Hydrophon als Druckaufnehmer Folie 25

26 Response Kurve eines Hydrophons Folie 26

27 Digitalisierung der Spannungen von seismischen Sensoren Folie 27

28 Zeitliches Sampling ein unendliches harmonisches Signal konstanter Frequenz kann durch mindestens 2 Punkte pro Wellenlänge dargestellt werden. Man nennt die sample Frequenz mit 2 Punkten pro Wellenlänge Nyquist-Frequenz Folie 28

29 Nyquist Frequenz, Aliasing durch Untersampeln Folie 29

30 weiter Beispiele für untersampelte Signale >=2 samples pro Periode: ausreichend in der Praxis: >4 samples pro Periode <2 samples pro Periode: täuscht ein Signal niederer Frequenz vor (Aliasing) 1 sample pro Periode ergibt Gleichspannungssignal Folie 30

31 Begriff: dynamischer Bereich bei der Verstärkung wird das logarithmische Verhältnis von Eingangsspannung/Ausgangsspannung angegeben, beim dynamic range der Darstellungsbereich zwischen kleinstem Signal das noch im Rauschen erkannt wird und dem größten darstellbaren Signal. Folie 31

32 Binäre Darstellung, dynamic range, kleinste und größte Spannung bit Spannung in μv dynamic range (db) bit Spannung in μv dynamic range (db) Spannung in μv bit dynamic range (db) Folie 32

33 Digitale Signale sind bei der Übertragung wesentlich weniger störanfällig beim analogen Signal addiert sich jede induktive Gleich- oder Wechsel- Spannung zur Signalspannung. Das Signal wir verfälscht. bei der digitalen Übertragung wird z.b. Quersumme (checksum) oder anderen Fehlererkennungsmerkmale (je nach Protokoll) mit übertragen. 50 Hz Brumm oder andere induzierte analoge Signale sind von der Impulsform trennbar. erkannt werden muss nur die Pulsfolge, nicht die Höhe des Pulses Rechteckform wird auf dem Laufweg durch Kabel abgerundet und verflacht. maximale Frequenz und maximale Kabellänge sind vorher bestimmbar. Folie 33