Vorlesung Bohrlochgeophysik Seismik sampling Folie 1
Von der Geologie zum Seismogramm Folie 2
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
Der Begriff der Normalen und reversen Polarität (SEG Definition) Folie 4
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
einige Beispiele für typische Wellenlängen Medium ca. Geschwindigkeit typische Signalfrequenz Wellenlänge Luft 333 m/s 10-100 Hz 33 3,3 m Lockersediment 600 m/s 10-100 Hz 60-6 m wassergesättigtes 1450 m/s 10-100 Hz 145-14,5 m Lockersediment Mergel 2000 m/s 10-100 Hz 200-20 m Kalkstein, Eis 3500 m/s 10-100 Hz 350-35 m Salz 4500 m/s 10-100 Hz 450-45 m Stahl 6000 m/s 10-100 Hz 600-60 m kompakter Granit 6000 m/s 10-100 Hz 600-60 m oberer Erdmantel 8000 m/s 10-100 Hz 800-80m Folie 6
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
Vertikale Auflösung ist ein Bruchteil der Wellenlänge Folie 8
Auflösung und Lambda Viertel Kriterium Folie 9
Gedanken zur Fresnel-Zone Folie 10
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. 2003 Folie 11
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
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
Absorption verringert vorrangig die hohen Frequenzen Anstey, 1977 Folie 14
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
Scheinwellenlänge durch schrägen Einfall auf eine Geophonauslage Folie 16
Antwortfunktion einer Geophongruppe Folie 17
BOCHUM UNIVERSITY Seismogramme: links mit Einzel- rechts mit Arraygeophonen Quelle: Prakla-Seismos Folie 18
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
Digitalisierung der Spannungen von seismischen Sensoren Folie 20
Schnitt durch ein Geophon, Spule schwingt an Blattfedern Folie 21
Schnitt durch ein Sensor SM-24 Geophone Folie 22
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
Einfluss der Geophon-Boden-Kopplung auf die Signalform Folie 24
Hydrophon als Druckaufnehmer Folie 25
Response Kurve eines Hydrophons Folie 26
Digitalisierung der Spannungen von seismischen Sensoren Folie 27
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
Nyquist Frequenz, Aliasing durch Untersampeln Folie 29
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
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
Binäre Darstellung, dynamic range, kleinste und größte Spannung bit 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Spannung in μv 1.024 512 264 128 64 32 16 8 4 2 1 dynamic range (db) 60 54 48 42 36 30 24 18 12 6 0 bit 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 Spannung in μv 2.097.152 1.048.576 524.288 262.144 131.072 65.536 32.768 16.384 8.192 4.096 2.048 dynamic range (db) 126 120 114 108 102 96 90 84 78 72 66 Spannung in μv bit 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 4.294.967.296 2.147.483.648 1.073.741.824 536.870.912 268.435.456 134.217. 728 67.108. 864 33.554. 432 16.777. 216 dynamic range (db) 192 186 180 174 168 162 156 150 144 138 132 8.388. 608 4.194. 304 Folie 32
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