Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Метод динамической обработки морских сейсмоакустических данных

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Метод динамической обработки морских сейсмоакустических данных"

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА

и ордена трудового красного знамени государственный университет

и.

На правах рукописи УДК 550.334.6

БЕЛЫХ Игорь Николаевич

МЕТОД ДИНАМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ МОРСКИХ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКМХ ДАННЫХ

Специальность 04.00.22-геофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ленинград 1990

Ленинградский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени Государственный университет

На правах рукописи УДК 550.834.6

БЕЛЫХ Игорь Николаевич

МЕТОД ДИНАМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МОРСКИХ СЕЙШОАКУСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ

Специальность 04.00.22 - геофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ленинград - 1990

Работа выполнена в ИМГиГ ДВО АН СССР.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор С.В.Гольдин.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

П.В.Крауклис;

\ кандидат физико-математических наук,

Г.А.Рыхиков.

Ведущая организация: Тихоокеанский океанологический институт

ДВО АН СССР.

Защита диссертации состоится " 30 " ^1Э У / т.

« . со

в тг часов на заседании Специализированного Ученого совета Д.063.57.18 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Ленинградском государственном университете по адресу: 199164, Ленинград, Университетская набережная, 7/9, ауд. 347.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке имени А.М.Горького ЛГУ по тому же адресу.

Автореферат разослан " Л? " 19 // г.

Ученый секретарь Спецсовета, доктор физ.-мат.наук

Т.Б.Яновская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАКЛн

Актуальность те;т. Одам из перспектлшг ¡х направлений развития сейсморазведки является прогноз геологического разреза на основе динамической обработает л и.т-врпрвтадаи регистрируемых волновых полей.

Динамическая обработка сейсмических ,>'1ныа основана на теории обратных динамических задач се^смики vА.О.Алексеев, 1962), которая в свою очередь опирается на теории» обратных задач для струш и связанных с шз.щ задач обшткого квантового рассеяния. Практические метода решения обратных динамических задач применительно к реальным сейсмическим данным находятся в стадии разработки и вызывают большой интерес, что подтверждается значительным количеством публикаций последнего десяти- -летия по данному вопросу - не менее четверти статей по сейсморазведке в геофизических журналах США (Ковалев, Потапов, 1985).

Наиболее изученной и, следовательно, близкой к практического разрешению является одномерная обратная динамическая задача или задача обращения, заключавшаяся в определении функции акустической жесткости У (х ) > 0 по заданному на поверхности вертикально неоднородного полупространства решению U0 ( t ) задачи:

\ru + ^cofa^u = r>ttu> o<i:<-= (i)

U(-C,th =0, ~t> U, = fft), (f(t)=o ПРИ t<0) (2) U(o,t)=U0(t) , ^

где У (т )= (x ) if (x ) - произведение плотности ( x ) среды на скорость распространения волны и (х ), а х = х ( z )= =^/-¡—у есть время пробега волны вдоль луча, fit)- заданное напряжение, действующее на полупространство х > о, u (х ,t) - смещение частиц среда.

Первый (не совсем строгий в математическом смысле) алгоритм численного решения задачи обращения был предложен Г.Кюнет-цом (1961). Позже А.С.Алексеевым (1967) был сделан более строгий подход к решению задачи (1)-(3), сформулированной в терминах обращения конечно-разностных схем для волнового уравнения. На практическом решении этой задачи и основан предлагаемый ме-

тод динамической обработки морских сейсмоанустическях данных.

Первый наиболее существенный шаг к практическому решению задачи обращения с попыткой опробывания численного алгоритма на реальном материале был сделан Алексеевым А. С. и Добринским В.И. (1975). Однако, экспериментальные погрешности, на которые было указано позже (Алексеев и др., 1978), и неустойчивость алгоритма по отношению к классу реальных помех не позволили авторам считать полученные практические результаты удовлетворительными, поэтому упор в работе был сделан на доказательство теоремы о существовании, единственности и устойчивости решения обратной задачи (1)-(3).

Дальнейшее развитие задача нашла в многочисленных работах зарубежных авторов. В прикладном отношении наиболее значительных результатов добились Bamberger et «£.(1982), 0£den6urj et al. (1983), V/ai ker«t at(1983), Гогоненков Г.Н. (1987). Однако, в этих и некоторых других работах проводится обращение данных метода ОГТ, что некорректно в рамках принятой одномерной модели нормального падения плоских волн, в особенности при сейсморазведке на мелководье и суше, поэтому в отсутствие априорной информации количественные оценки акустических жест-костей, как правило, не состоятельны.

Таким образом, для получения устойчивого решения в отсутствие априорной информации задача обращения одномерных данных нуждается как в теоретических исследованиях при наличии помех, близких к реальным, так и в экспериментальных с максимальным соблюдением условий выбираемых математических моделей.

Цель работы - создание метода определения акустических жесткостей глубоководных осадков на основе практического решения задачи обращения одномерных сейсмоакустических данных.

Основные задачи исследований:

1. На основе теоретического анализа и численного исследования существующих методов обращения одномерных данных получить устойчивое решение задачи обращения и определить требования к экспериментальному материалу.

2. Создать аппаратные, технические и программные средства душ цифровой регистрации и предварительной обработки морских сейсмоакустических данных.

3. Провести экспериментальные исследования и опробовать алго-

ритм обработки полученных данных для проверки теоретических результатов и практического решения задачи определения акустических жесткостей глубоководных осадков.

Научная новизна. Получено более точное и устойчивое решение задачи обращения путем дополнения и изменения предложенного ранее численного алгоритма.

Проведенные по одномерной схеме наблюдений, экспериментальные сейсмоакустические зондирования глубоководных осадков и последующая обработка полученных данных (с учетом изменений, внесенных в алгоритм) показали, что устойчивое решение задачи обращения одномерных сейсмоакустических данных может быть получено с удовлетворительной степенью точности в отсутствие априорной информации о разрезе.

Практическая ценность. Созданный метод сейсмоакустических зондирований доведен до практического использования и позволяет определять значения акустической жесткости глубоководных осадков с удовлетворительной точностью без априорной информации о разрезе при минимальных материальных затратах.

Реализация работы. Разработанный пакет программ по численному моделированию задачи обращения внедрен в ЦГЗ ГлавКГУ "Укргеология". Созданный в ШГиГ ДВО АН СССР измерительно-вычислительный комплекс используется для цифровой регистрации и экспресс-обработки сейсмоакустических данных на борту судна. Созданное глубоководное приемное устройство внедрено в трест ДМНГ ПО "Союзморгео" в качестве датчика дальней зоны для изучения формы импульсов от различных источников упругих колебаний, применяемых при работах методом ОРТ. Метод сейсмоакустических зондирований предполагается использовать в ШГиГ ДВО АН СССР в дополнение к методу непрерывного сейсмопрофилирова-ния (НСП).

Личный вклад. Автором диссертации проведен теоретический анализ и создан пакет программ численного моделирования задачи обращения одномерных сейсмических данных. Диссертант является соавтором создания сейсмоакустического измерительно-вычислительного комплекса и глубоководного приемного устройства. Эксперименты по изучению формы импульса и сейсмоакустические зондирования проведены при личном участии автора в экспедициях

на НИС "Морской геофизик" в 1988 г. Весь экспериментальный ма- , териал обработан диссертантом.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на конференциях молодых ученых и специалистов ИМГиГ и ВЦ-ДЕО АН СССР (1986-89 гг.), на семинарах в ИТиГ ДВО, ИГиГ СО АН СССР и НИИФ ЛГУ, на.2-ой Тихоокеанской школе по геологии и геофизике (1985 г.), на школе-семинаре по цифровой сейсморазведке (г.Львов, 1989 г. и г.Душанбе, 1990), на международном симпозиуме „по геолого-геофизическому картированию Тихого океана (1989 г.'').

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы 101 стр. машинописного текста и 43 стр. рисунков. Список литературы содержит 130 наименований. Приложения состоят из 3-х стр. иллюстраций.

Работа выполнялась в соответствии с планами НИР ИМГиГ ДВО АН СССР по программе "Мировой океан", тема Ш: "Структура осадочного чехла и фундамента западной части Тихого океана, зоны его сочленения с Азиатским континентом и перспективы на поиски углеводородного и минерального сырья" & г.р. 01.86.0 I3353I.

Автор глубоко признателен профессору С.В.Гольдину за научное руководство работой, полезные советы и консультации.

Автор благодарен сотрудникам лаборатории морской геологии и геофизики ШГиГ ДВО АН СССР В.Н.Патрикееву, С.С.Снеговскому, В.Н.Соловьеву за полезные замечания при выполнении и написании работы, Н.Д.Дукьянцеву, А.С.Чернобаю за техническую поддержку экспериментов, а также Т.Л.Лавриковой, А.Ф.Трошиной, Н.В.Зава-лий за помощь при оформлении рукописи.

При внедрении разработок и обработке профильных данных всесторонняя помощь была оказана главным геофизиком треста ДМНГ ПО "Союзморгео" В.В.Еыбаком-Франко, которому автор выражает искренни) благодарность.

Автор считает своим приятным долгом поблагодарить профес- 4 сора Бьорна Урсина (Норвегия) за проявленный интерес к работе, плодотворные беседы и некоторые предоставленные литературные

источники, гру;цюдоступг:е i¡ о гечес гренки/. библиотеках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТА

Во введении диссертации обосновывается актуальность п практическая значимость решения одномерной задач:! обращения, обсувдаются основные цели и задачи исследований, приводится краткое содержание работы по главам.

Первая глава диссертации посвящена теорепг^сккг. исследованиям задачи обращения.

В § I проводится обзор существующих методов решения обратной задачи (I) - (3), которые можно разделить на точные и приближенные.

Точные метода основаны на сведении задачи к интегральным уравнениям в предложении о непрерывности упругих свойств среды:

(а) Широко известен метод обратной задачи теории рассеяния, заключающийся в сведении задачи обращения к решению уравнения Цредингера относительно потенциала. Основные результаты здесь получены в начале 50-х годов ¿¡.¿...¡арченко, И.М.Гель-'^андом, Б.М.левитаном. К аналогичны!.; результатам пришел ХГ.лрейн ÍI95I), создавая оригинальный аппарат для восстановления неоднородной струны.

На возможность применения результатов по теории квантового рассеяния и обратных задач дая струны к решению обратных динамических задач сейсмики обратил внимание А.С.Алексеев Ц962); аналогичный подход был использован в работе Ware , Aki 1,1969). Первая применительно к сейсмике попытка численного решения интегрального уравнения марченко была сделана SiEt/io (1982).

(б) Существует метод обращения телеграфного уравнения, которое эквивалентно волновому уравнению. Решая эту задачу А.С.Благовещенский vI966) свел ее к нелинейным интегральныгл Вольтерровским операторам и, по сути дела, доказал основные положения М.Г.Крейна, не используя спектральной теории. Численно метод был опробован Sato Jua , Salto IDajamorl (1988). Важные результаты дая решения обратной задачи для телеграфного

уравнения получены В.Г.Романовым (1968).

(в) et а 2. (1980) предложили метод решения задачи

обращения в частотной области, основанный на выведенном из уравнения Риккати интегральном уравнении.

Несмотря на обнадеживающее существование точного решения, интегральные методы не нашли широкого применения в силу громоздкости и сложности вычислений, поэтому на практике, как правило, применяются (Урсин, 1986) приближенные методы, одним из которых является метод обращения конечно-разностных схем.

Первый алгоритм (полученный из физических соображений) расчета синтетических сейсмограмм с учетом многократных отражений (прямая задача) предложили В.Баранов и Г.Кюнетц в I960 г., предполагая, что среда типа Гупиллода возбуждается S -импульсом; обратная задача решалась (Кюнетд, 1961) путем обращения схемы для прямой задачи.

Более строго к решению обратной задачи (I) - (3) подошел А.С.Алексеев (1967), сформулировавший ее в терминах обращенной разностной схемы для уравнения (I), которое было представлено эквивалентной системой двух дифференциальных уравнений первого порядка.

Позже (ßerryman , Greene , 1980) было показано, что дис-вретный вариант уравнения Марченко можно считать аналогом метода Кюнетца. Подобная аналогия была также проведена (Gray , 1984) медцу методом Кюнетца и частотным методом на основе уравнения Риккати. Поскольку на практике дискретизация функций неизбежна, т.е. в любом случае используется модель среды с мощностями слоев равными шагу квантования, то предпочтительнее использовать более простые, дискретные методы.

Довольно распространен приближенный метод Тешшцевых матриц ( Ciaerbout, 1981), заключающийся в сведении задачи обращения к- системе нормальных уравнений и решении последней с помощью известной рекурсии Левинсона. Ряд ограничений, как-то: исходный сигнал должен быть единичным импульсом либо проведена идеальная деконволюция, положительная определенность Теплице-вой матрицы (может быть нарушена в присутствие шумов) и др. -привели к тому, что метод используется только для модельных расчетов.

Следующей группой методов получения' приближенного росоикя задачи обращения являются оптимизационные метода, основная идея которых заключается в выборе оптимальной модельной кривой акустической жесткости наиболее соответствующей реальной среде по -средством минимизации разницы между рассчитанным и наблюдегагыгл волновыми полями. Здесь необходимо решать две задачи - расчет синтетических сейсмограмм (В.Баранов и Г.Кюнетц, О.К.Кондратьев, Cia&rbc ut! F.S.ßobi-nson и Treitet, Н.А.Трапезникова, Г.Н. Гогоненков, Choate, Ю.Втпдов и многие другие) а собственно оптимизация ( Bambergen et st., Cook« & SchnaLder , Oldenburg et al., З.М.Дубровский и др.). Основными недостатками оптимизационных методов являются значительная времяемкость (для многократного решения прямой задачи) и необходимость наличия априорной информации.

К статистическим методам решения задачи обращения на различных этапах относятся метода предсказывающей деконвалюции (е.а. Robinson , 1967, 1979), максимальной энтропии ( , 1968), рекуррентного оценивания (В.Н.Троян, 1982), авторегрес-сгш (V/aZier, vergeh , 1983), пороговый ( ko£tracht et 1968) и др. (Мендел, iyrczac, I3&6; G е г z-1 s. n kor л et ъ Z., Iduv). Несмотря на устойчивость статистических методов в присутствие случайных помех, их основным недостатком является не-_ высокая точность получаемого решения.

Довольно полный обзор методов решения задачи обращения сделан в работе Bube ,ü>urr idge (1983).

3 итоге проведенного анализа различных методов решения обратной задачи (I) - (3) автор остановился на методе обращения разностных схем для уравнения (I), поскольку этот метод относительно устойчив и прост (Урсин, 1986), дает пршшчйую точность и при этом довольно экономичен.

Перечисленные достоинства метода создали предпосылки для его практического использования (Кюнетц, Н. Г. ¿Михайлова к Б.С. Парийский, Н.М.Бородаева, А.С.Алексеев и З.И.Добринский и др.). В целом результат оказался неудовлетворительным по разным причинам: наличие неточностей в теоретических представлениях, слабая устойчивость алгоритмов по отношению к реальным помехам, отсутствие специальных методов и средств для динамических из-

мерений, экспериментальные погрешности и пр.

Во втором параграфе численно исследуется алгоритм решения задачи обращения (Алексеев, Добринский, 1975). Основными пунктами исследований были повышение точности и устойчивости решения задачи (I) - (3) в присутствие различного рода помех, учет поля многократных отражений, ограниченность спектров сигналов, требования к экспериментальному материалу.

Алгоритм решения прямой задачи построен следующим образом: вертикально неоднородная среда аппроксимируется кусочно-постоянной кривой акустической жесткости, по которой находятся коэффициенты отражения г {% ). Затем решается уравнение (I) по соответствующей разностной схеме в предположении, что нормально падающая плоская продольная волна имеет форму £ -функции Дирака. После свертки полученной полной импульсной сейсмограммы М(0,-Ь) = и(*) с сигналом заданной формы получается синтетическая сейсмограмма.

Обратная задача решается также поэтапно. Вначале решается интегральное уравнение свертки в частотной области относительно импульсной сейсмограммы и (г ), затем по обращенной разностной схеме решается уравнение (I) при f ( ± )= 5 (-Ь) для определения коэффициентов отражения г (т ), по которым восстанавливается интегральная кривая акустической жесткости:

?

7ГСс>=гГ(о) езер(2 / г(-с>ат) . (4)

о

В данном алгоритме не учитывается влияние поглощения энергии волнового процесса, однако это не может привести (Добринский, 1977) к нарушению условий разрешимости поставленной задачи.

При численном решении прямой и обратной задач в отсутствие помех было установлено, что искажения деконволюции приводят к возникновению на восстановленной согласно (4) кривой ? (т) паразитных трендов.

Для избавления от этих искажений автором предложена статистическая процедура преобразования восстановленных коэффициентов отражения в метрике С. Поскольку восстановление импульсной сейсмограммы, а значит и коэффициентов отражения, происходит с некоторой погрешностью, которую можно соизмерить, напри-

.;.с,р, со среднеквадратическям отклонении.: -з последовательности г ¡.х*»'о госледняя преобразуется олс'хгивха образом:

[ гоО, |гсс)|>1 = £

Г (-Г1 — ■} „ > '

I 0 м.-с/-

здесь д-г - шаг дискретизации. Послс применения процедуры (5) погрешность восстановления кривой <Г (х ) составила не более 1% по сравнению с исходной кривой.

Рассматриваемая задача обращения, как известно, является некорректной в классическом смысле. Для обратных задач подобного типа (имеющих физическую природу) А.Н.Тихоновым (1963, 1984) было введено понятие условной корректности и в общем виде разработан метод регуляризации (построения приближенных решений).

Для решения уравнения свертки Г.Кюнетц (1962) предложил регуляризацию оператора обратной фильтрации вида

5*<ип

К | 5(и»>1*-»- ^ (6)

где 5 { "О - комплексный спектр сигнала, * означает сопряжение, а оС - параметр регуляризации, подбираемый эмпирически.

Основная идея регуляризации по Тихонову, в частности при решении интегральных уравнений Зольтерры 1-го рода (типа свертки), заключается в согласовании параметра регуляризащш с погрешностью в исходных данных.

Автором предложена оптимальная оценка параметра регуляризации для случая широкополосных помех. Если сейсмограмма отраженных воин представима сверточной моделью с аддитивной помехой, то основная погрешность в данных будет как раз определяться самой помехой, и в этом случае параметр регуляризации можно оценить следующим образом

о

(7)

где N (ш ) - комплексный спектр помехи. Численные эксперименты показали оптимальность такой оценки. Однако, если помеха заметно "окрашена", то целесообразнее (Белых, 1990) применить оп-

тималъный обратный фильтр вида

Г , \ Ш)

I 5<м>14 + £|М0»»>!4

который является частным случаем предложенных в разное время обратных фильтров с различным использованием спектра помех (Н.Винер, С.В.Гсльдан, ОСЛе-пЬиг^ оЛ. , Б.Хаят и др.). Установлено, что компромиссный множитель На численных моделях показано, что фильтр (8) более точно восстанавливает импульсную сейсмограмму по сравнению с методом регуляризации, причем его преимущества более заметны при возрастании уровня "окрашенных" помех, что в особенности проявляется на итоговых кривых акустических жесткостей.

Для существования и единственности решения задачи (1)-(3), а также устойчивости обращения разностной схемы для уравнения (I) необходимо и достаточно выполнения условия (Алексеев, Доб-ршский, 1975; ТЛ-гип , 1985), которое в сущности сводится к тому, что модуль спектра отраженной волны на всех частотах должен быть меньше либо равен модулю спектра падающей волны. При решении задачи выполнение этого условия проверялось.

На численных моделях показано, что в присутствие различного рода помех искажения деконволюции превосходят уровень многократных отражений для акустически слабодифференцированных сред (каковыми, в частности, являются глубоководные осадки), поэтому в подобных случаях обращение разностной схемы практически теряет смысл, и задача решается без учета кратных волн путем применения процедуры (5) в импульсной сейсмограмме, при этом могут быть утеряны малые значения .коэффициентов отражения. Численно показало, что при стандартном отклонении помехи более 3% процедура типа (5) не избавляет от ложных коэффициентов отражения, которые приводят к значительным искажениям восстанавливаемой кривой акустической жесткости.

Относительно ограниченности спектров сигналов отмечается следущее. Если среда зондируется частотно-ограниченным импульсом, то спектр отраженной волны будет также ограничен," т.е. практически будет отсутствовать информация как о градаентности

среды, так и о ее тонкослозстости. Поэтому вполне обоснована аппроксимация среды слоисто-однородной моделью с мощностями слоев, определяемыми разрешающей способностью сейсморазведки.

В заключение параграфа приводятся формулы для расчета на ЭВМ и сформулированы требования к экспериментальному материалу (максимальное соблюдение условий выбранной модели при отношении сигнал/помеха не менее 30 дБ).

В третьем параграфе на численных моделях анализируется влияние микрорельефа отражающих границ на решение задачи обращения.

На основе алгоритма Тгогеу (1970), являющегося частным случаем алгоритма К. Д. Клем-Мусатова, рассчитаны синтетические временные разрезы (Патрикеев, Рагозин, 1989) дая глубоких отражающих (рассеивающих) границ, осложненных микрорельефом (амплитуда регулярных и случайных неровностей составляют доли дайны волны Я при расстояниях между ними ~ п-ю А ).

Показано, что динамические искажения волновых полей, возникающие при незначительных отклонениях от принятой плоскослоистой модели вертикально неоднородной среды, приводят к существенным погрешностям при определении коэффициентов отражения; положительное воздействие оказывает простейший пространственный фильтр осредняющего суммирования, однако при этом несколько занижаются истинные коэффициенты отражения.

Во второй главе диссертации рассмотрены вопросы автоматизации экспериментальных исследований - регистрация и экспресс-обработка цифровых сейсмоакустических данных (дая решения задачи обращения за основу взят метод НСП - непрерывное сейсмо-акустическое профилирование (А.В.Калинин и др., 1983)).

В § I описаны конфигурация и программное обеспечение сейсмо-акустического измерительно-вычислительного комплекса (СИВК).

В результате анализа зарубежного (обзор ВНИИОЭНГ, 1984) и отечественного (Глинский Б.М. и др., 1983, 1988; Мирошниченко Л.Б. и др., 1983) опыта по автоматизации геофизических исследований, а также исходя из технических характеристик сейсмоакус-тического канала, в качестве базовой ЭВМ была выбрана микро-ЭВМ "Элехтроника-60М".

Конфигурация СИВК (Лукьянцев, Белых, 1985, 1986) определяет-

ся тремя основными блоками: I) измерительный (Ed); 2) управления и обработки (БУО); 3) визуализации и записи (ЕВЗ).

В состав БИ входят усилители с двумя программно переключаемыми ступенями усиления, полосовые фильтры, аналого-цифровой преобразователь и программируемые таймеры. Основные технические характеристики БИ - минимальный шаг дискретизации 100 икс, динамический диапазон измеряемого сигнала 72 дБ.

БУО представлен центральным процессором с терминалом и АЦПУ, ОЗУ на 60 Кбайт и системным носителем, в качестве которого применен "электронный диск" емкостью I Мбайт (Верзаков, Каминский, Штыкин, 1987). Системным математическим обеспечением является ОС ET-II (отечественный аналог "РАФОС"), загрузка которой производится с накопителя на гибких магнитных дисках. В качестве трансляторов управляющих программ использовался quasi с с подключением АССЕМБЛЕРА, а обрабатывающих - Ф0РТРАН-1У.

В состав ЕВЗ входят накопители на магнитных лентах, планшетный графопостроитель, а также нестандартные устройства -цветной графический дисплей (на базе бытового телевизора) и рулонный плоттер (на основе приемного факсимильного аппарата).

Все периферийные устройства СИВК обеспечены интерфейсными модулями и контроллерами, созданными как на основе передового опыта различных НИИ СО АН СССР, так и оригинальными (Дукьянцев, 1987), и снабжены драйверами со стандартными для ОС BT-II протоколами обмена (Белых, 1989).

Созданный СИВК позволяет автоматизировать процесс сбора информации профильных и точечных наблюдений, а также проводить первичную обработку получаемых кондиционных данных. Численное моделирование тоже проводилось на СИВК.

Второй параграф посвящен описанию некоторых применяемых процедур предварительной обработки сейсмоакустических данных, основными этапами которой являются:

а) тестирование и настройка излучающих и приемных средств, выбор

оптимальных параметров возбувдаемых и принимаемых сигналов; - необходимыми для решения этих задач являются устройства визуализации СИВК, а программная поддержка сводится к математическому обеспечению графики и расчету амплитудных спектров сигналов. В результате такого анализа устанавливаются основ-

вне технические характеристики используемого оенсмоакустп-ческого канала (частотный ¡гдаяазон сигналов 30-250 Гц, динамический диапазон не более 60 дБ).

б) выделение сигнала на фоне помех;

- эта задача, как известно, решается применением различного рода фильтров. Одной из обязательных процедур обработки данных является полосовая фильтрация. Известно, что рекурсивные полосовые фильтры более экономичны по сравнению с традицкон-Р7.т,я свергсчнкин сшгьтршля, однако являются фазосдяитащтЕГ тт поэто:.5у, как правило, не используются при обработке. На основе метода расщепления двухсторонних операторов (Гольдин, 1974) автором получены и программно реализованы (Белых,

1989) нуль-фазовые рекурсивные фильтры, позволившие сократить время на обработку в среднем в 4 раза. Приводятся примеры их применения на экспериментальном материале.

в) редактирование, компоновка и форматирование данных для последующей обработки;

- подобные задачи, как правило, требуют большого числа обменов с внешними устройствами и незначительного объема вычислений, причем здесь необходима оперативная промежуточная визуализация, оригинальный алгоритм которой на цветном телевизоре предложен автором. /1дя обработки данных НСП на ЕС ЭВМ (или ПС-2000) к CYses написаны сервисные программы подготовки лент в формате обрабатывающих систем СЦС-3 и SOS соответственно. В Приложении I приведен пример обработки участка профиля НСП пакетом СЦС-3.

Третья глава посвящена очень важному вопросу в решети задачи обращения - определению формы исходного сигнала.

Известные трудности регистрации прямой волны при сухопутной сейсморазведке послужили толчком для развития методов определения ее формы из зарегистрированной на поверхности сейсмограммы. Однако, эти методы (Гогоненков, 1987) дают погрешность 10$ и более, поэтому получить удовлетворительное решение задачи обращения в отсутствие априорной информации практически не удается.

При сейсморазведке на акваториях из-за стабильности условий возбуждения и возможности расположения приемников на различных удалениях от источника задача оцределения формы падающей волны

несколько упрощается, хотя здесь также имеются определенные трудности.

Электроискровой излучатель является традиционным источником упругих колебаний при сейсмоакустических исследованиях методом НСП.

Известные теоретические исследования импульсного электрического разряда в воде (Наугольных, Рой, 1971 и др.), а также многочисленные экспериментальные работы по созданию (Калинин, и др., 1965, 1983) и усовершенствованию (Балашканд, Ловля, 1977) электроискрового сейсмического источника были направлены в основном на изучение эффекта возбуждения упругих волн и расчет параметров излучателя, определяющих характеристики возбуждаемых колебаний, причем регистрация сигналов проводилась на небольших удалениях от источника, где еще может быть заметно влияние ближней зоны.

Целью исследований настоящей главы являлось экспериментальное изучение формы суммарного упругого импульса в заведомо дальней зоне, что особенно важно при динамической обработке сейсмоакустических данных.

Основные задачи исследований - выбор оптимального типа излучателя (конструкция и геометрия), выяснение формы, интенсивности и частотного состава суммарных импульсов давления на глубине, их стабильности в зависимости от различных параметров и условий возбуждения.

Для проведения натурных наблюдений было разработано глубоководное приемное устройство, которое погружалось в дрейфе судна до 900 м (предельная глубина погружения составляет 2 км).

Б результате проведенных экспериментов установлено (Белых, Патрикеев, Чернобай, 1989), что групповой горизонтальный излучатель, заглубленный на четверть длины волны, возбуждает оптимальный во всех отношениях трехфазный импульс давленая, максимум спектра которого расположен на 120 Гц при общей энергии излучения 20 Кдяе. Стабильность суммарного колебания зависит в основном от состояния водной поверхности и обеспечивается при волнении моря не более 3-х баллов.

В Приложении 2 приведены результаты измерений упругих импульсов в ближней и дальней зонах пневмоисточника " ряд к/. А

SeiSMOS", применяемого в тресте ДЬШГ при работах г.етодом СГТ.

Четвертая глава посвящена практикеекому реаени» задачи обращения.

В § I описывается методика сейсмоакустических зондирований глубоководных осадков.

Как уже отмечалось, при первой попытке практического решения задачи обращения в морских условиях (Алексеев, Добринс-кий, 1975) была допущена существенная погрешность - неодномерность схемы наблюдения'(Алексеев и др., I37G). Кроме того, к недостаткам этих экспериментов следует отнести несовершенство технических средств приема и регистрации (некачественные датчики, аналоговая запись), недостаточную изученность очень слоеной формы импульса от примененного взрывного источника, а также низкое отношение сигнал/помеха. Эти причины при известной неустойчивости алгоритма обращения привели к неудовлетворительному результату.

Оценки акустических аестксстей, полученные обращение;.! данных метода ОГТ, в отсутствие априорной информации носят в основном качественный характер, вследствие нарушения условия нормального падения плоских волн в эксперименте.

В настоящей работе перечисленные методические и аппаратурные погрешности практически сведены к минимуму, тем сашм требования к экспериментальному материалу, а значит и выполнение условий выбранной модели приближены к максимуму.

Наблюдения проводились в Японском и Филиппинском морях в районах сквашн глубоководного бурения В 301 (ßsop , v. 31, 1975) и Л 448 (PSßP, V. 59, 1981) соответственно.

Глубоководное приемное устройство (см.главу 3) погрузалось в дрейфе судна на глубину 500 м при глубине моря в обоих случаях » 3500 м и находилось на одной вертикальной оси (контролировалось по соотношению времен первых вступлений прямой, отраженной и повторно отраженной от поверхности воды волн) с источником, в качестве которого применялся групповой горизонтальный электроискровой излучатель (см.главу 3). Регистрация информации велась в диапазоне 30-200 Гц с накоплением до ста реализаций в одной точке.

Во втором параграфе излагаются процедура и результаты обра-

ботки экспериментальных данных согласно алгоритм обращения с внесенными в него добавлениями и изменениями на стадии численной реализации (см. § 2 главы I).

Вначале формально показана эквивалентность уравнения (I), записанного для вертикальных смещений и для давлений (последние регистрируют в воде гидрофон) за исключением знака у логарифмической производной акустической жесткости, что также следует из физических соображений.

Непосредственно обработка данных начинается с пересчета амплитуд падающих и отраженных волн на уровень дна (геометрическое расхождение в воде). Затем производится амплитудный анализ микросейсмов и их ослабление путем осредняющего суммирования необходимого количества реализаций. Частотный анализ микросейсмов показал наличие регулярных составляющих, связанных с электрическими наводками от различных судовых преобразователей напряжения. В этом случае оптимальность обратного фильтра (8) не вызывает сомнений. Сравнение амплитудных спектров падающих и отраженных волн показало выполнение требуемого соотношения (необходимого и достаточного условия для решения задачи обращения) между ними.

Итак, после проведения обратной фильтрации к полученной импульсной сейсмограмме (коэффициенты отражения по модулю <0.1) применяется процедура эквивалентная (5) и затем вычисляются значения акустической жесткости.

В § 3 проводится интерпретация результатов обработки.

Восстановленные кривые акустических жесткостей сопоставляются с данными, полученными в результате исследований материалов глубоководных скважин, в районе которых проводились зондирования, а именно: скоростями продольных волн, плотностями, акустическими жесткостями, а также со стратиграфической колонкой, составленной в результате анализа керна. Непосредственное сравнение значений, полученных в обработке с данными глубоководного бурения не совсем корректно, т.к. восстановленные кривые акустического импеданса являются интегральными характеристиками изучаемой среды в рамках принятой модели, в то время как редкие значения, измеренные по образцам керна, отражают локальные свойства этой среда.

'й делим-отмечается, ттто гслу^.нк^' ■ екусгг---.;

кесткосее:; ¿зьолыю четко 0'Г1~>.^-си-ч .ыта-лгдчс-сил.; «•'игл*; !.»,>-бозсоводньа осадков, причем эти кривые нмегг не только качественную, но и некоторую количественную корреляцию со сква;шиш;.!Ц данными. Несколько заниженные значения акустических кесткосте*, видимо, связаны с ограниченностью спектров сигналов, упрощенней слоистооднородной моделью среды, неучеюи геометрического расхождения и поглощения в небольшой по мощности осадочной толще, шумами рассеивания и пр. Перечисленные неучтенные факторы создают предпосылки для дальнейшего усовершенствования защищаемого в данной работе метода динамической обработки морских сейсмоакустических данных.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Внесенные в численный алгоритм дополнение (статистическая процедура преобразования коэффициентов отражения) и изменение (оптимальный обратный фильтр) позволили получить более точное и устойчивое решение задачи обращения.

2. На численных моделях для отражающих границ, осложненных микрорельефом, показано, что даже небольшие отклонения от принятой плоскослоистой модели одномерной среды вызывают существенные динамические искажения волнового поля, которые могут быть в некоторой степени подавлены простейшими пространственными фильтрами при этом несколько занижаются восстанавливаете коэффициенты отражения.

3. Создан измерительно-вычислительный комплекс, позволяющий автоматизировать процесс сбора информации точечных ("зондиро^а-ния) и профильных СНСШ сейсмоакустических наоладьклЗ; порченные кондиционные цифровые данные могут быть предобработаны на борту судна.

4. На основе метода расщепления двухсторонних операторов получены и программно реализованы нуль-фазовые рекурсивные полосе-вые фильтры, аналогичные по импульсным и спектральным характеристикам сверточным фильтрам, но позволяющие сократить время ка обработку в среднем в 4 раза.

5. Экспериментально установлена и изучена в дальней зоне форма импульса электроискрового источника упругих волн, определена зависимость стабильности формы суммарных импульсов на глубине

от состояния поверхности моря.

6. В результате теоретических, модельных и экспериментальных исследований и обработки одномерных сейсмоакустических данных поручено устойчивое решение задачи обращения с удовлетворительной степенью точности в отсутствие априорной информации; отмечено положительное влияние статистических методов, примененных на различных этапах обработки.

Основные защищаемые положения диссертации:

1. Установлено, что примененный оптимальный обратный фильтр восстанавливает импульсную сейсмограмму с меньшими искажениями по сравнению с методом регуляризации, причем для последнего получена оптимальная оценка параметра регуляризации для случая широкополосных помех.

2. Предложенная статистическая процедура обработки коэффициентов отражения, позволяет стабилизировать рекуррентный процесс вычисления значений акустических жесткостей.

3. Проведенные по одномерной схеме наблюдений экспериментальные сейсмоакустические зондирования глубоководных осадков и последующая обработка подученных данных (с учетом пп. I, 2) показали, что решение задачи обращения может быть получено с удовлетворительной степенью точности в отсутствие априорной информации о разрезе.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Лукьянцев Н.Д., Белых И.Н. Морской цифровой сейсмоакустичес-кий комплекс // Вторая Тихоокеанская школа по геологии и геофизике (тезисы докладов). - Южно-Сахалинск, 1985. - 48 с.

2. Лукьянцев Н.Д., Белых И.Н. Применение микро-ЭВМ "Электроника- 60;."" при морских сейсмических исследованиях методом НСП. Южно-Сахалинск, 1986.-(Препринт/ШГиГ ДВО АН СССР).-10 с.

3. Белых И.Н., Лукьянцев Н.Д., Чернобай A.C., Трофимов А.Д. Цифровая обработка данных НСП // ХУ Конференция молодых ученых

и специалистов (тезисы докладов). - Южно-Сахалинск, 1987. -46 с.-ЩМЕиГ ДВО АН СССР).

4. Белых И.Н. Сейсмоакустаческло зондирования глубоководных осадков // ХУ1 Конференция молодых ученых а специалистов (тезисы докладов). - Юкнс-Сахалинск, 1989.-(,И!>г5ГиГ ДВО АН СССР).е,39 .

5. Белых И.Н., Патрикеев Б.Н., Чернобай А.С. Экспериментальные исследования Форш импульса электроискрового источника упругих волн в дальней зоне. - Деп.ВИНИТИ. - 1989.-й 65I2-B89.

6. Белых И.Н. Применение рекурсивной полосовой фильтрации в полевых вычислительных комплексах // Прикладной численный анализ и математическое моделирование. - Владивосток, 1989.-(ДВО АН СССР).-С. 122-128.

7. Белых И.Н. Обращение данных сейсмоакустических зондирований // Геология и геофизика. - 1990.- Л 3. - С. I05-III.

8. Belykh I.N. Inversion of seismoacoustic sounding data // Geological-geophysical mapping of the Pacific region: International Syrrposium (abstracts of papers). - Yuzhno-Sakhalinsk, 1989. - p.8.

Подписано r прчвт!, 12. XI. 00 г. Заказ 2531 Тирад 100 зкч, Усл. печ. ' ' 1, С). Гг." ппсчал !iWnь офсетная. Формат G0x84/10, Офсетный цех

Институт морской геологии и геофизики Дальневосточное отделение АН СССР г, Южно-Сахалинск, ул. Науки

МЕТОД ДИНАМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МОРСКИХ СПЙС*'(0АКУСТИЧЕСКИХ ДЛИМЫХ

( г ' ! ■:■:)