DE2122816A1 - Verfahren und Einrichtung zum seismischen Erforschen - Google Patents

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V/ESTERN GEOPHYSICAL COMPANY OP AMERICA, 360 North Crescent Drive,

Beverly Hills, California 90213, U.S.A.

Verfahren und Einrichtung zum seismischen Erforschen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur seismischen Erforschung für die Bestimmung von Eigenschaften einer Gesteinsschicht einer Felsformation, wobei ein akustisches Signal durch die Gesteinsschicht geschickt wird, und das reflektierte Signal zur Anzeige gebracht wird.

Bei der seismischen Erforschung der Erde nach der Reflexionsmethode ist es üblich, eine seismische Störung auf oder in der Nähe der Erdoberfläche (oder auf oder in der Nähe der Wasseroberfläche) einzuleiten und die Amplituden der zurückkehrenden, reflektierten seismischen Signale mit Hilfe einer Reihe von Detektoren und einer bekannten Aufzeichnungseinrichtung anzuzeigen und aufzuzeigen.

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22Α.\~Ί1 '.'/lie _ ο _ y/_?. ,-] if.

Bisher ist die Ampli luden Ln fort·, at ion in non .-e 'l-j.'-t L er^;". or.· seismischen 3i_:;naler: nur zur: Anzeiger:, Besti^re; und Aufzeichnen grö'Eerer unterirdischer 'irerizsohichten ver'-'Midtt .-■- reist:, die Diskontinuitä en in den "-vL^er schäften zv;i."oheii ante «ar: ή Iod ! icnen Felsschichteh hervorrufen. D.h., daß dann, -er.-n die Ajolituoe eines seismischen Signales als etwas größer alc die der Hintergrundsignale festgestellt ι-orden ist, eine solche unregelmäßige Amplitude der Nachweis Tür die Reflexion sei sir; Is oner '.'eilen vor. einer derartigen Grenzschicht ist. Die Beständigkeit einer solchen erhöhten Amplitude längs einer Linie aufeinanderföl jenaer untersuchter Stellen ν,-ird als Bestätigung für das V ,rhande-nsein einer Begrenzung gevertet, die eine ausgedehnte Grenzschicht zwischen zwei Gesteinsschichten unterschiedlicher I-'el 5 format ion auf v/eist.

Bisher v-drden keine Versuche .^ei'?acht, urr. die -:■', cer- ZusamrrenseVzunr der betreffenden Felsen zu bestimmen. YLelrr.ehr liefern die Darstellungen und die Analyse der seisrr.cgraphischen Daten informationen nur in bezug auf die Konfiguration der Create "noschichten, wie sie aus der Kenntnis der Lage und der '"./rientlerun : der Grenzschichten bestirnt:t -.'erden. Die Identifizierung der Litholo^ie, d.h. der Fetear-, is" auf die In: orr.iation beschränkt, i.ie bei Aufschlüssen oder aus Bohrungen erhalten v:erden. Die Beständigkeit der litholo-jisc ien Identitä': lär._js der Gesteinsschichten, die du^ch das seismische Verfahren abgegrenzt werden, wird allgemein angenommen.

Eine gegebene Gesteinsschicht verläuft im allgemeinen Ln horizontaler Richtung kontinuierlich, v/as dadurch bedingt is",, 'ΐ&£ die Schicht gleichzeitig über seine seitliche, Im v;esentliohen horizontale Erstrec'.iun·;; abgelagert oder in anderer Uelse ai.,s,--^-ebildet worden ist. Das Au.'treten von Ausnahmen von dieser Kerel jedoch ist vom Standpunkt der seismischen Errors-cluig von spezieller. Bedeutung, da ei; bekannt lsi , daß v;irtsc:iaftlich bedeutende öl- oder Naturgas vorkommen häufig r.ifc horizontalen

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22.H.IJ α W/He - 3 - W/p 71l6

Änderungen im lith-logischen Charakter einer Gesteinsschicht

zusammenfallen. Anders ausgedrückt heißt dies, daß das Nebeneinanderbestehen von unterirdischen Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung auch v/esentlich für solche Vor.-commen sein kann. Um Änderungen in der Lithologie, d.h. den Charakter der FeIsformation einer Gesteinsschicht durch Verwendung der Reflexion aufzuzeigen, können seismische Daten als äußerst erwünschtes Ergebnis in der Technik der seismischen Erforschung betrachtet werden.

Aufgrund der Kenntnis, daß eine physikalische Eigenschaft einer I Felsart, die von seinem lithologischen Charakter abhängt, die Dämpfung ist, die ein akustisches Signal, nämlich eine seismische Stoßwelle, erfährt, wenn sie eine Gesteinsschicht dieser Felsart durchquert, vdrd gemäß vorliegender Erfindung vorgeschlagen, daß aus seismischen Reflexionsda;en ein Maß für den Dätrpfungskoeffizienten bestimmt wird, der ein charakteristisches Merkmal für wenigstens eine der Gesteinsschichten ist, die von derartigen reflektierten seismischen Wellen durchdrungen wird, wodurch zwischen Felsarten auf der Basis von Kessungen der Dämpfungskoeffizienten unterschieden wird, die aus Änderungen in der Amplitude der seismischen Stoßwellen abgeleitet werden. Der Dämpfungskoeffizient, der eine charakteristische Eigenschaft , einer speziellen Art von Gesteinsschicht-Zusammensetzung darstellt, ist das Verhältnis zwischen der Signalamplitude vor dem Durchlauf durch die Gesteinsschicht und der Signalamplitude, nachdem das Signal die Gesteinsschicht durchlaufen hat, und zwar bis zu einem solchen Grad, daß die auftretende Amplitudenabnahme der Absorption von akustischer Energie zugeschrieben werden kann.

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Aus den vorstehenden Erläuterungen des erfindungsgemäßen Konzepts ergibt sich, daß vorliegende Erfindung im wesentlichen auf der Erkenntnis basiert, daß die Erscheinung der Dämpfung akustischer Energie bei der seismischen Erforschung ausgenutzt werden kann. Insbesondere zeigt die Information, die aus den Dämpfungsmessungen gewonnen werden kann, die Zusammensetzung der spezifischen Gesteinsschicht an, der-en Dämpfungskoeffizient mit praktisch brauchbarer Wahrscheinlichkeit für die Richtigkeit bestimmt worden ist. Dies ist ein wesentlicher Durchbruch in der Technik der seismischen Erforschung, weil bisher die seismische Erforschung Informationen über Formen und Ausmaße von unterirdischen Gesteinsschichten geliefert hat, jedoch nicht über die Zusammensetzung mit Hilfe von Verfahren, bei der Einrichtungen verwendet worden sind, die auf der Erdoberfläche betrieben wurden.

Zur Erläuterung der Erfindung sei ausgeführt, daß eine Unterscheidung zwischen absoluter und relativer Bestimmung der Zusammensetzung einer Gesteinsschicht gemacht werden kann. Da der Dämpfungskoeffizient, der der Art nach ein Verhältnis ist, und deshalb als dimensionsloser numerischer Wert dargestellt wird, eine spezifische Eigenschaft einer bestimmten Pelsart darstellt, war es möglich, wenigstens mit einem brauchbaren Grad von Wahrscheinlichkeit zu bestimmen, ob eine bestimmte Gesteinsschicht, deren Dämpfungskoeffizient bestimmt worden ist, aus Schiefer, Sandstein, Kalkstein oder Granit, um nur Beispiele zu nennen, zusammengesetzt ist. In bezug auf die relative, vergleichsweise Bestimmung der Felszusammensetzung ermöglicht das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung die Bestimmung einer Änderung des Dämpfungskoeffizienten zwischen an unterschiedlichen Oberflächenstellen gemachten Messungen des Koeffizienten einer Gesteinsschicht bei der gleichen Tiefe unterhalb der Erdoberfläche, so daß eine Änderung im Dämpfungskoeffizienten das Vorliegen von horizontalen, in vertikaler Richtung benachbarten geologischen Abschnitten unterschiedlicher

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Gesteinsschichtenzusammensetzung, z.B. das gleichzeitige Vorhandensein von Sandstein und Sdtefer, wie es in der Zeichnung dargestellt und weiter unten erläutert ist, anzeigen würde. Der praktische Wert dieser Erkenntnis läßt sich ermessen, wenn man berücksichtigt, daß ausgedehnte unterirdische öl- oder Naturgasvorkommen mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit in diesem Bereich erwartet werden können. Wenn im Falle der Erfindung eine Änderung des Dämpfungskoeffizienten dazu bestimmt wird, das seitliche, d.h. horizontale, benachbarte Vorhandensein unterschiedlicher Zusammensetzungen zu bestimmen, führt eine vergleichende Analyse zu dem gewünschten Resultat, das darin besteht, die Entdeckung von ölfeldern oder Naturgasvorkommen mit ausreichend hoher Wahrscheinlichkeit vorherzusagen, die die Industrie von gelogischen Untersuchungen erwartet.

Gemäß der Erfindung wird bei einem Verfahren zur seismischen Erforschung von Gesteinsschichten vorgeschlagen, daß ein Maß für die Dämpfung aufgrund der Absorption von akustischer Energie in der Gesteinsschicht bestimmt wird, und daß dieses so erzielte Maß für die Dämpfung als Anzeige für die Zusammensetzung der Gesteinsschicht ausgewertet wird.

dabei
Vorzugsweise werden/die Amplituden des gleichen Signales, wie es von der oberen Begrenzung der Gesteinsschicht und von der unteren Begrenzung der Gesteinsschicht reflektiert wird, bestimmt, und die so bestimmten Signalamplituden werden miteinander verglichen, damit ein Maß für die Dämpfung aufgrund der Absorption akustischer Energie in der Gesteinsschicht erzielt wird. Insbesondere in Verbindung mit einer Ausführungsform, bei der eine vergleichende, d.h. relative Bestimmung von Dämpfungskoeffizienten vorgenommen wird, wird vorgeschlagen, daß ein Maß für die Dämpfung für v/enigstens zwei unterschiedliche Erd·* oberflächensteilen gewonnen wird, die oberhalb unterschiedlicher, horizontal benachbarter Bereiche der Gesteinsschicht liegen,

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wodurch das Vorhandensein unterschiedlicher Zusammensetzungen der Gesteinsschicht bestimmt wird, wenn das Maß für die Dämpfung unterschiedlich ist.

Nach einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung werden die Amplituden reflektierter Signale zur Kompensa* ion geometrischer Streuung eingestellt, und die Amplituden reflektierter Signale für den Reflexionskoeffizienten an der oberen Begrenzung und für den Reflexionskoeffizienten a.n der unteren Begrenzung korrigiert, wobei beispielsweise die Korrektur so vorgenommen werden kann, daß die Amplituden durch den entsprechenden Reflexionskoeffizienten geteilt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein seismisches Erforschungsgerät vorgeschlagen, das eine Anordnung zur Bestimmung eines Masses für die Dämpfung aufgrund der Absorption akustischer Energie in der Gesteinsschicht aufweist. Bei einer praktischen Ausfuhrungsform einer erfindungsge.-r.äßen Einrichtung wird zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses eine Einrichtung vorgeschlagen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden die angezeigten Signale von dem Zeitgebiet auf das integrale Urr.wandlungsgebiet über ein Band, d.h. einen Bereich, von Transformationsveränderlichen übertragen. Der Dämpfungskoeffizient, der ein Maß für die Dämpfung der reflektierten seismischen Signale ist, wie sie durch eine Gesteinsschicht fortschreiten, wird durch Messen des Verhältnisses der transformierten Signalamplituden über das ausgewählte Band erhalten. Im Falle einer speziellen Ausgestaltung ist die integrale Transformation eine Kurier'sehe Transformation und das ausgewählte Band ist auf _e'ne einzige Frequenz beschränkt.

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Nach einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung werden die reflektierten seismischen Signale auch an einer benachbart angeordneten Station, die als Hilfsstation bezeichnet ist, angezeigt, damit eine Bezugs-, d.h. zusätzliche Amplituden-Zeitaufzeichnung erhalten wird. Die zusätzliche Aufzeichnung wird in eine Reflexionskraftfunktion umgewandelt, und die festgestellte Aufzeichnung wird durch die Reflexionskraftfunktion geteilt., damit eine gewünschte Amplitudenfunktion erhalten wird. Der Logarithmus der so erzielten Amplitudenfunktion wird dann bei einer Vielzahl von diskreten Wanderungszeiten bestimmt, und der Wert eines jeden Logarithmus wird durch den entsprechenden Wert der diskreten Wanderungszeit geteilt, wodurch ein Maß für die Dämpfungskoeffizienten erhalten wird, die charakteristisch für ■ie Zusammensetzung der Gesteinsschichten sind, welche von den reflektierten seismischen Signalen bei der entsprechenden Wanderungsdauer durchlaufen werden.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines typischen geologischen Abschnittes/ der auf seismographischem Wege erforscht werden soll,

Fig. 2 schematiseh einen Digitalrechner, der die mathematischen Operationen durchführt, die ein Maß für die Dämpfung eines seismischen Signales ergeben, das durch die Gesteinsschicht im geologischen Abschnitt nach Fig. 1 wandert,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines typischen geologischen Abschnittes, der auf seismographischem Wege erforscht werden soll, nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 schematiseh einen Digitalrechner, der die mathematischen Operationen durchführen soll, die erforderlich sind, um ein Maß für die Dämpfung seismischer Signale zu erhalten, 109852/1188

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die durch die Gesteinsschichten im geologischen Abschnitt nach Fig. 3 wandern,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines typischen geologischen Abschnittes, der auf seismographischem Wege erforscht werden soll, anhand eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung, und

Fig. 6 schematisch einen Digitalrechner, der die erforderlichen matheibatisehen Operationen im Falle des Ausführungsbeispieles nach Fig. 5 durchführen kann.

Die Dämpfung, der ein seismisches Signal, das seiner Natur nach eine akustische Stoßwelle ist, beim Durchwandern einer bestimmten Gesteinsschicht unterworfen ist, wird als Abnahme der Amplitude des seismischen Signales definiert, soweit sie durch Absorption akustischer Energie verursacht wird. Dies bedeutet, daß jede Abnahme, die durch eine andere Erscheinung als die Energieabsorption verursacht wird, sich nicht auf die Dämpfung im Sinne dieses

beziehend

Begriffes zu Zwecken der Beschreibung vorliegender Erfindung/verstanden werden soll. Eine der Erscheinungen, die in Betracht gezogen werden muß, ist die Abnahme der Amplitude aufgrund der geometrischen Streuung. Die Bedeutung des Ausdruckes "geometrische Streuung" wird durch die Beobachtung erläutert, daß dann, wenn eine Schallwelle in Form eines akustischen Signales an einer Stelle in einem homogenen, isotropen Medium eingeleitet wird, diese Schallwelle in Form einer sich erweiternden, kugelförmigen Wellenfront ausstrahlt, deren Mittelpunkt der Punkt der Entstehung der Welle ist. Da das Medium der Schallwelle keine Energie hinzufügt, und unter der theoretischen Annahme, daß das Medium vollkommen elastisch ist, so daß es von der Schallwelle keine Energie absorbiert, bleibt die Gesamtenergie in der Welle konstant. Da jedoch die Kugelwelle sich ausweitet und die Gesamtenergie konstant bleiben muß, während sie über eine immer größer werdende, d.h.. kontinuierlich sich vergrößernde Oberfläche

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verteilt wird, nimmt die durch eine Flächeneinheit der Kugel gelangende Energie im umgekehrten Verhältnis zu der Oberflächengröße der Kugel ab. Ein Detektor an einem festen Ort zeigt deshalb die Schallwelle mit einem Energiewert an, der umgekehrt proportional zum Flächeninhalt der Kugel ist. Da nach der klassischen Geometrie der Flächeninhalt einer Kugel direkt proportional dem Quadrat des Kugelradius ist, folgt daraus, daß die Größe des Energiegehaltes im Signal, wie es angezeigt wird, umgekehrt proportional dem Quadrat des Abstandes von der Entstehungsstelle zum Detektor ist.

Da das Medium als homogen angenommen wird, ist der von der Schallwelle zurückgelegte Weg das Produkt aus der Schallgeschwindigkeit im Medium und der Wanderungsdauer der Schallwelle.

Deshalb ist die Energie E in jeder Flächeneinheit auf der sich erweiternden Wellenfront,

E = kt~² (1)

wobei t die Wanderungsdauer und k eine Proportionalitätskonstante ist.

Wenn nunmehr das Medium weiterhin als Vollkommen elastisch, jedoch nicht homogen angenommen wird, kann die gleiche Beziehung zwischen Energie und Echtzeit "als ausreichend genaue Beschreibung für den tatsächlichen geometrischen Streueffekt betrachtet werden. In ähnlicher Weise läßt sich zeigen, daß im Mittel die Amplitude einer Schallwelle proportional der Quadratwurzel seiner Energie ist, so daß sich die Arbeitsformel ergibt

A = k'/t (2)

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wobei A die Amplitude der Schallwelle und k' eine andere Proportionalitätskonstante. ist. Diese Beziehung gilt auch, wenn die Schallwelle einer Rückspiegelung, d.h. einer Splegelreflexion unterzogen worden ist, vorausgesetzt, daß der entsprechende Reflexionskoeffizient gleich Eins ist.

Der besseren Verständlichkeit wegen wird in der nachfolgenden Beschreibung davon ausgegangen, daß Schallwellen, die eine Grenzfläche durchwandern oder von einer Grenzfläche reflektiert werden, in einer Richtung fortschreiten, die etwa senkrecht zu dieser Grenzfläche verläuft. Dies wird als "normaler Einfall" bezeichnet. Verallgemeinerungen der Gleichungen und Vorgänge für die Anwendung auf Beispiele nicht normalen Einfalles sind in der Seismologie an sich bekannt.

Im Falle einer Gesteinsschicht in einem echten geologischen Abschnitt werden die einzelnen Gesteinsschichten als in vertikaler Richtung homogen mit allmählichen horizontalen Unterschieden angenommen. Die Reflexionskoeffizienten an den Grenzflächen zwischen Gesteinsschichten sind niemals gleich Eins, sondern haben einen wesentlich geringeren Wert, der selten den Wert 0,1 übersteigt.

Es ist somit klar, daß Schallwellenamplituden nicht nur durch die geometrische Streuung, wie oben erwähnt, sondern auch durch das Auftreten von zwei weiteren Arten des Energieverlustes verringert werden. Eine dieser Arten ist der Energieverlust bei Reflexion, Der zweite zusätzliche Verlust ergibt sich bei einer Übertragung durch eine Grenzfläche, weil nur ein Teil der Energie reflektiert vvird, während ein anderer Teil von einer longitudinalen akustischen Welle in Querwellen verschiedener Arten umgewandelt wird. Dieser Umwandlungsverlust ist bei normalem Einfall ziemlich unwesentlich und kann bei nicht normalem Einfall aus bekannten Geschwindigkeiten und einer Schätzung des Poisson¹-schen Verhältnisses berechnet werden.

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Jeder Energieverlust durch die reflektierte Schallwelle über die Verluste aufgrund der geometrischen Streuung, der Teilreflexion und der Umwandlung hinaus wird als bei der Durchquerung der einzelnen Gesteinsschichten aufgetreten angesehen. Derartige Verluste v.-erden als Dämpfungsverluste bezeichnet, und der relative Verlust ist proportional dem durchquerten Abstand. Die Proportionalitätskonstante ist der Dämpfungskoeffizient und ist üblicherweise in der Einheit Neper/m angegeben. Somit gilt

dE/S = -(a)ds (5)

v.'obei a der Dämpfungskoeffizient der Gesteinsschicht und s der von der Welle in der Gesteinsschicht durchquerte Abstand ist.

Daraus folgt, daß

E=c exp(-as) (4)

wobei c eine Integrationskonstante ist. Schließlich wird bei einer Umwandlung in Veränderliche von Amplitude und Zeit, wie oben, erhalten

A = exp(-at + ß) (5)

wobei α proportional a und (J eine Konstante ist.

Diese Beziehung zwischen den Größen a und α ermöglicht eine Bezugnahme auf sie als Dämpfungskoeffizient. Da diese Größe eine Punktion der akustischen Frequenz ist, kann sie als ein Parameter anstatt eines Koeffiz/^ienten betrachtet werden. Berücksichtigt man jedoch, daß in der Praxis eine bestimmte Frequenz gewählt wird, ist der Ausdruck "Dämpfungskoeffizient" richtig.

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Vorliegende Erfindung betrifft deshalb ein Verfahren, mit welchem aus seismischen Reflexionsdaten ein geschätzter Wert des . .Dämpfungskoeffizienten in Form eines Viertes für die Größe α für die Gesteinsschicht zwischen ihren zwei Begrenzungen erhalten wird. Grundsätzlich erfolgt nach dem Ausführungsbeispiel, das nachstehend in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert wird, eine solche Bestimmung dadurch, daß das Verhältnis der Amplituden zweier Reflexionen des gleichen seismischen Signales erhalten wird, die an der gleichen Stelle längs einer Untersuchungslinie, jedoch getrennt voneinander, in der Gesamtwanderungszeit aufgenommen werden.

Wenn somit das Auftreten zweier Reflexionen zu Zeiten t. und t. , mit idealisierten Amplituden A. und A, , angezeigt v.-erden, gilt für das Verhältnis

A₁₊₁ZA₁ = exp αCt₁ - t₁₊₁), (6)

woraus sich ergibt

S₁ = In(A₁₁ZA₁). -(7)

¹ l+l ¹I ^{1+1 X}

Somit ergibt sich der Dämpfungskoeffizient α, der dem Teil

des geologischen Abgeschnittes zugeordnet ist, welcher zwischen den reflektierenden Grenzflächen lieet und Zeiten t. und t. ,-,

^ X l+x

entspricht, aus den idealen, d.h. theoretisch richtigen Größen A. und A. , und den beobachteten Zeiten t. und t_. , .

In der Praxis jedoch sind die feststellbaren Amplituden der Reflexionen aus den beiden Grenzflächen nicht representativ für die Amplituden, die bei Fehlen einer geometrischen Sv¹¹Cuun_; UrA ir Icealfall einer perfekten Reflexion erhalten : U\:>Ccn. Es lez deshalb notv-enöig, die '.-.'erte sov:ohl für öle geocnetricche

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Streuung als für den Reflexionskoeffizienten vor Anwendung der Gleichung (;⁷) zu berücksichtigen.

Bei einem normalerweise verwendeten, auf der Reflexion beruhenden seismischen Erforschungsverfahren werden seismische Signale nach der bekannten Digital-Binär-VerStärkungsmethode aufgezeichnet, bei der angezeigte, seismische Signalamplituden in einem Code aufgezeichnet werden, der äquivalent einer Darstellung mit gleitendem Komma ist und deshalb in der Lage ist, den vollen Bereich aufgenommener Amplituden zu erhalten.

Bei der praktischen Durchführung vorliegender Erfindung werden (wenigstens bis zu einer Multiplikationskonstanten) die tatsächlichen Werte der Signalamplituden erhalten. Es wird deshalb bevorzugt, eine Binärverstärkungsaufzeichnung zu verwenden und keine automatischen Lautstärken- oder Verstärkungssteuerungen anzuwenden. Sogar die Verwendung einer programmierten Verstärk kung ist vorzugsweise zu vermeiden, da durch Verwendung der programmierten Verstärkung und der sich daraus ergebenden Anwendung eines Verstärkungsrückgewinnungsverfahrens Fehler eingeführt werden können.

Bei der Bearbeitung seismographischer Daten zur Verwendung in vorliegender Erfindung werden vorzugsweise die Daten mit gleitendem Komma (oder in Binärverstärkungsform) über die vorbereitenden Stufen der Verarbeitung beibehalten, und es wird nur eine Korrektur der geometrischen Streuung vorgenommen, wie z.B. durch Multiplizieren aller Amplituden mit der Reflexionsdauer.

Wenn keine Verstärkungs- oder Amplitudenkompensation mit Ausnahme der für die geometrische Streuung mit den Daten vorgenommen worden ist, wird unterstellt, daß alle Übrigen Amplituden-

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änderungen zu Dämpfungs-, d.h. Energieabsorptions- und Reflexionskoeffizienten kleiner als Eins beitragen.

Um die Einflüsse der Reflexionskoeffizienten bei Gesteinsschichtengrenzflächen in einer bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung auszuschalten, wird zuerst die bekannte Methode der Normal-Ausscheideanalyse zur Bestimmung mittlerer seismischer Signalgeschwindigkeiten von der Erdoberfläche an eine Reihe von GrenzfEchen in dem geologischen Bereich angewendet. Die spezielle Methode zur Bestimmung der Geschwindigkeit seismischer Signale stellt jedoch nicht Teil, vorliegender Erfindung dar. Die Normal-Ausscheideanalyse ist beispielsweise in folgenden Veröffentlichungen erläutert:

Dix, C. Hewitt_s 1952* SaiSßic Prospecting for Oil, New York, Harper & Brothers, Seite 4l4,

Musgrave Albert W., 19^2, Applications of the Expanding Reflection Spread, GEOPHYSICS, Band XXVII, Heft 6, Seite 98I, und

Taner, M. Turhan und Koehler, Pulton, 1969* Velocity spectradigital computer derivation and applications of velocity functions, GEOPHYSICS, Band 34, Heft 6, Seite 859.

In Pig. 1 ist in der Mitte ein geologischer Bereich gezeigt, in welchem Grenzflächen 1, 2, J, .... η mit entsprechenden Reflexionszeiten t,, tp, t-, t und entsprechenden Intervallgeschwindigkeiten V₁ , V₀, V-z......V„, wie links in der Figur

ten

gezeigt, in Beziehung gesetzt sind. Die Tiefe ζ der i"^c" Grenzfläche unterhalb der Oberfläche beträgt

Z₁ = 1/2 ^V₁ (8)

- te

wobei V. die mittlere Geschwindigkeit für die i Grenzfläche

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Aus der Gleichung (8) ergibt sich, daß ^{1 =}

- t_±. - t₁₊₁ - t_±

wobei V₁ die Intervallgeschwindigkeit in der Gesteinsschicht ist, die gerade untersucht werden soll und die zwischen der Grenzschicht i und der Grenzschicht i+1 liegt.

Um den Reflexionskoeffizienten an der i Grenzfläche herauszufinden, wird die Geschwindigkeit V₁ -, in der Gesteinsschicht

ten
unmittelbar über der i Grenzfläche und die Geschwindigkeit

V. in der Gesteinsschicht unmittelbar darunter bestimmt. Der

ten
Reflexionskoeffizient R₁ an der i Grenzschicht ist dann durch die bekannte Formel

⁺ Fi-Λ-ι

gegeben, wobei γ. die Dichte der i Gesteinsschicht ist, welche die Gesteinsschicht zwischen der Grenzfläche i und

der Grenzfläche i+1 ist.

Ir. den meisten Fällen reicht die Annahme aus, daß die beiden Dichten Ip₁ und γ. , gleich sind. Wenn jedoch entsprechende ~.'erte von Ρ-τ und Q. aus der Kenntnis der allgemeinen Geologie des Bereiches oder aus benachbarten Bohrungen oder dergl. zur Verfügung stehen, können solche angenäherten Werte vorteilhafterweise in der Heichung (10) mit den vorher abgeleiteten Vierten für V₁ zur Bestimmung der Reflexionskoeffisienten R₁ verwendet werden.

Berü? vsieht J. ■;·;. rar. den Reflexionsl'oeff i 55 i ent er. der i" ^M Grerr-

fläche-, wi^d die *;:\. giloh! ich beoba^r:e:t Arr.pl i~ ν de äes vefl ei;-S₁. ~ 'λ. Α.. v;ob'."-"'. i.. . -vie oben, c.:'.e /-.r^litude des reflektier·"., en

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um den Reflexionskoeffizienten an der i Grenzfläche ist. Es ergibt sich dann, daß A. = S./iL , und durch Einsetzen in die Gleichung (7) ergibt sich nachstehende Gleichung:

TJ C

α = ' m (li)

^ ^{l R S}i

Der Wert α für eine beliebige Gesteinsschicht zwischen zwei Grenzflächen kann somit aus beobachteten Größen bestimmt werden und kann bei der Analyse von Seismogrammen benutzt werden, da er Informationen über die Zusammensetzung der Gesteinsschicht ergibt. Der Wert α kann in Form einer Anzeige ähnlich der eines herkömmlichen Aufzeichnungsabschnittes von seismischen Amplituden dargestellt v/erden, indem die so erzielten Werte von α an die Stelle der herkömmlich angezeigten Amplitudenwerte gesetzt werden. Die Berechnungen können andererseits auch (wie dies bekannt ist) so durchgeführt werden, daß andere Messungen der Dämpfung erhalten werden, beispielsweise die logarithmische Abnahme.

Ferner können die Dämpfungswerte in Verbindung mit anderen Werten angezeigt werden, wie dies im einzelnen in der alteren Anmeldung P 20 40 296.4-52 der Anmelderin beschrieben ist.

In Fig. 1 ergibt der geologische Abschnitt, der Schiefer, Sandstein, sandigen Schiefer, Sandstein und Schiefer, Kalkstein, Granit usw. enthält, eine seismische Spur S, die für die Stelle L auf der Erdoberfläche erhalten wird, und eine andere seismische Spur S' für eine andere Stelle L^f. Aus diesen seismischen Spuren S, S¹...., die an Stellen längs einer Untersuchungslinie 22 erhalten werden, ist es möglich, den Dämpfungskoeffizienten für eine bestimmte Gesteinsschicht zu bestimmen,z.B. den zwischen der i ^en und der (i+1) ^en Grenzfläche nach der Gleichung (l"l). Die mathematischen Schritte, die für die oben angegebenen Gleichungen erforderlich sind, können zweckmäßigerweise in einem Rechner 20 durchgeführt werden, wie Fig. 2 zeigt. Die Eingänge in den Rechner 20 sind Signale, die die Werte für die Größen A., ^i+1' ^i' ^ i+1 ^{und R}i ^{und R}i+1 ^darstell^en· Andererseits können .

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diese Berechnungen auch von Hand mit Logarithmentafeln durchgeführt werden.

Insgesamt gesehen werden die herkömmlichen Aufzeichnungen der Amplitudenspuren zuerst verwendet, um unterirdische Diskontinuitäten durch Linienzüge festzulegen und dann die entsprechenden seismischen Kurven S, S' für Stellen längs der Untersuchungslinie 22 zu gewinnen. Es ist somit möglich, aus den Kurven S, S¹ eine Bestätigung über das Vorhandensein von Gesteinsschichtenzusammensetzungen annähernd gleicher Tiefe mit unterschiedlichen lithologischen Eigenschaften zu erzielen. Dies ist in Fig. 1 beispiels-

1θτι weise dargestellt; die Gesteinsschicht zwischen der i und der (i + 1) ^en Grenzschicht zeigt zwei unterschiedliche Dämpfungskoeffizienten, insoferne als die Folge von erhaltenen Spuren S und S¹ eine Änderung von Sandstein auf Schiefer anzeigt. Die Amplitude 18 der Kurve S an der Stelle L wird in höherem Maße gedämpft als die entsprechende Amplitude l8^! der Kurve S^f an der Stelle L¹, da die Sandsteinschicht die akustischen Signale mehr als die Schieferschicht schwächt.

Da die stetigen Signale, die von den eine Gesteinsschicht festlegenden Begrenzungen reflektiert werden, verhältnismäßig komplexe Impulse sind, die sich in Gestalt und Länge ändern können (aufgrund von willkürlichen Geräuscheffekten, Mehrfach- und anderen Iffekten* die in der Reflexionsseismologie bekannt sind), ist es verhältnismäßig schwierig, die geeigneten gemessenen Amplitudenwerte, die in Gleichung (7) verwendet werden sollen, zu bestimmen.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung nach den Figuren 5 und 4 wird diese Schwierigkeit dadurch umgangen, daß die gewünschten Verhältnisse im Frequenzbereich statt auf Amplitudendaten im Zeitbereich bestimmt werden.

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Ferner wurde festgestellt, daß recht häufig der Reflexionsk:oeffizient für eine gegebene geologische Grenzfläche sich nicht wesentlich über einen Bereich erheblicher seitlicher Erstreckung ändert. Diese,Beständigkeit des Reflexionskoeffizienten wird insbesondere beobachtet, wenn er auf eine spezifische konstante Frequenz oder ein kleines Frequenzband in den reflektierten Signalen bezogen ist. Dies trifft insbesondere zu, wenn man beachtet, daß aufgrund eines Mittelungseffektes, der dem Betrieb im Frequenzbereich zugeordnet ist, die Annahme identischer Reflexionskoeffizienten zulässig wird. Somit kann vom praktischen Standpunkt aus die Korrektur um den Reflexionskoeffizienten entfallen.

Um deshalb den Einfluß von Gestalt und Länge eines veränderliehen Signales auf ein Minimum herabzusetzen oder zu vermeiden, und um ferner zu vermeiden, daß es notwendig wird, durch andere Mi. -I den Einfluß von Reflexionskoeffizienten auf Amplitudenmessungen vorauszubestimmen, h* man festgestellt, daß es einwandfrei sei, als empirische Annahme zuerst stetig reflektierende Begrenzungen auszuwählen, wie sie als die oberen und unteren Begrenzungen einer Gesteinsschicht erscheinen, für die die Dämpfung bestimmt werden soll. Dann wird das seismische Signal, das jeder dieser reflektierenden Begrenzungen entspricht, von dem Zeitbereich auf den Frequenzbereich übertragen. Für jede Begrenzung oder für jedes Paar von Begrenzungen wird ein geeigneter Frequenzwert oder ein geeignetes Frequenzband ausgewählt, nach welchem eine wesentliche und stetig reflektierte Energie, die durch eine wesentliche und stetige SignaTamplitude dargestellt wird, vorliegt. Schließlich wird Gleichung (7) auf die Amplituden der transformierten Reflexionssignale bei der gewählten Frequenz oder dem gewählten Frequenzband angewendet.

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Anders ausgedrückt, bedeutet dies, daß dann, wenn das reflektierte Signal, das nach der geometrischen Streuung korrigiert ist und das der i Begrenzung entspricht, S_i(t) ist und von t = t. bis t = t._₁ definiert wird sowie gleich Null außerhalb dieses Intervalles ist, die Fourier'sche Transformation S.(<u) von S₁Ct) durch folgende Formel gegeben ist:

F₁ (») = ί*%χρ(ΐ t) S₁Ct)CIt. (12)

Aus Z-.:eckmäfiigkeitsgründen wird in folgender Erörterung der Fall behandelt, bei dem eine Frequenz ausgewählt wird.

te V.'enn die ausgewählte Frequenz für die i Gesteinsschicht zwischen den Begrenzungen i und i+1 den Wert <". annimmt, wird die anstelle von A. in der Gleichung (7) verwendete Amplitude

Andererseits ist es möglich, die sin- und cos-Transformationen anstelle der '-„omplexen Transformation aus Gleichung (12) zu verwenden. Andere Integraltransformationen, wie z.B. die Laplace-Transformation oder die Spektraldichtefunl'tion können ebenfalls verwendet werden, es kann aber auch das Energiespektrum berechnet werden.

E_ne weitere Alternative besteht darin, S^t) als periodische Funktion mit der Periode T zu definieren. Die Fourier!sche Transformation(12)wird dann zu den Fourierreihen und die Auswahl möglicher Frequenzen u) . wird unter Beschränkung auf die Grundfrequenz l/T und ihre Harmonischen durchgeführt. Eine derartige Beschränkung hat keinen entscheidenden Nachteil, weil im allgemeinen ein Bereich von Frequenzen annehmbar ist, und weil die abgeleiteten Fourier¹sehen Transformationen

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22.4.1971 W/He - 20 - W/p. JIi6

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normalerweise durch digitale Vorgänge erzielt werden und als diskrete Beispiele zur Verfügung stehen, so daß die Auswahl von Frequenzen wesentlich beschränkt ist, selbst wenn eine kontinuierliche Transformation verwendet wird. ...

Zusammenfassend ergibt sich ein Maß für den Dämpfungskoeffizienten durch nachstehende Gleichung:

-i .

^a- h^~h ^ln

Vorstehende Gleichung (13) ist auch gültig, wenn P. (tu.) als irgendeine diskrete oder kontinua^liche, begrenzte oder unbegrenzte Integraltransformation der Funktion S.(t) definiert wird., und S.(t) kann außerhalb des Int ervalles der Definition t^t<t. _, in. beliebiger Weise vollständig werden, die sich mit der Gültigkeit der zu verwendenden Transformation verträgt.

Die vorstehend erläuterte Technik kann in gleicher Weise in einem beliebigen Fall angewendet werden, wo beabsichtigt ist, den Reflexionskoeffizienten zu berücksichtigen, wie vorstehend beschrieben. In diesem Fall wird der Wert, der den Därr.pfungskoeffizienten darstellt, zu

t. - t.

Der Wert α für eine beliebige Gesteinsschicht zwischen zwei Begrenzungen läßt sich somit aus beobachteten Größen bestimmen und kann in Form einer Anzeige ähnlich der eines her!-:ömmlichen AufzeichnuAgsabschnittes seismischer Amplituden verwendet werden, indem die so erzielten Werte von α für die herkömmlichen An.plitudenwerte gesetzt v/erden.

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22.4.1971 W/He - 21 - W/p J1L6

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Die Berechnungen können andererseits auch so durchgeführt werden, daß andere Maße für die Dämpfung, z.B. der logarithmische Dämpfungswert, erähalten werden.

In Fig. 3 erzeugt der dargestellte geologische Abschnitt, der Schiefer, Sandstein, sandigen Schiefer, Sandstein und Schiefer, Kalkstein und Granit usw. aufweist, eine seismische Spur S, die für die Stelle L auf der Erdoberfläche erhalten wird, und eine weitere seismische Spur S¹ für eine Stelle L¹. Aus diesen seismischen Spuren S und S^T längs einer Untersuchungslinie 22 kann der Dämpfungskoeffizient für die spezifische Gesteinsschicht zwischen der i ^en und der (i + 1) ^en Grenzfläche oder Begrenzung nach der Gleichung (13) bestimmt werden.

Die mathematischen Berechnungen, die durch die oben angegebenen Gleichungen erforderlich sind, können zweckmäßigerweise von einem Rechner 20, wie er in Pig. 4 angedeutet ist, durchgeführt werden. Die Eingänge in den Rechner 20 sind A., A. ,, t_i und t. ,. Andererseits können diese Berechnungen von Hand unter Verwendung trigonometrischer und Logarithmen-Tafeln durchgeführt werden.

Die herkömmlichen Aufzeichnungen der Amplitudenspuren werden zuerst zum Auftragen unterirdischer Grenzschichten und dann zur Erzielung der entsprechenden seismischen Kurven S, S¹ für die Untersuchungslinien 22 verwendet. Es ist deshalb möglich, aus diesen Kurven eine Bestätigung des-"Vorhandenseins von Unterschieden in denlithologisehen Eigenschaften benachbarter geologischer Abschnitte zu erhalten, beispielsweise zwischen der i"^en und der (i + 1) ^en Grenzschicht, im Falle der Ausführun^sform eine Änderung von.Sandstein in Schiefer. Die Amplitude der transformierten Funktion ^ΐ₊χ(^ωι)' ^der Kurve S an der Stelle L wird stärker gedämpft als die entsprechende Amplitude der transformierten Funktion If'. , (milder Kurve S¹ an der Stelle L¹, da der Sandsteinabschnitt die Wellen stärker dämpft als der Schieferabschnitt.

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22.4.1971 W/He - 22 - V₁/

VJ/jp 7116

2Τ228Ί6

Ferner ändert in einem echten geologischen Abschnitt die Größe α ihren Wert mit der Ä'nderung der Gesteinsart. Vom Gesichtspunkt eines echten geologischen Abschnittes kann der Dampfungskoeffisient α als sich mit der Tiefe und damit mit der Wanderun.^sdauer des seismischen Signales kontinuierlich verändernd angesehen werden. Gleichung (5) kann deshalb wie folgt geschrieben werden

A(t) = exp t-cc(t) + j*]. (15)

um-Ein weiteres Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung /faßt deshalb ein Verfahren zur Erzielung geschätzter Werte des Dämpfungskoeffizienten α als Funktion der Wanderungsdauer aus seismischen Reflexionsdaten. Grundsätzlich erfolgt eine solche Bestimmung in der Weise, daß eine Amplituden-Zeit-Aufzeichnung der seismischen Reflexion an einer vorgegebenen Stelle längs eine¹·⁰ Untersuchungslinie in eine Form umgewandelt wird, die äquivalent der in der Gleichung (15) ausgedrückten ist, indem eine in geeigneter V/eise ausgewählte Amplituden-Zeitaufzeichnung verwendet wird, die an einer benachbarten Station entweder aus der gleichen seismischen Störung oder einer vorausgehenden oder nachfolgenden seismischen Störung aufgezeichnet wird.

Wenn eine solche Umwandlung in eine idealisierte Amplitude A(t.) zum Zeitpunkt t. vorgenommen wird, ergibt sich der Dämpfungs-

ten

koeffizient entsprechend der i Probe in einem Satz von diskreten Proben nach der Gleichung:

(X(U₁) = ^- in ClACt₁)U - (16)

Deshalb wird*der Dämpfungskoeffizient α, der auf die spezifische Gesteinsschicht, die von dem seismischen Signal mit der Wanderungsdauer t. durchquert wird, angewendet wird und sie darstellt, aus der idealen Größe A(t.) und der beobachteten

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22.4.Γ/71· W/He - 25 - Vi/p 7116

Zeitdauer t. erhalten werden. Diese Rechnung kann für alle diskreten v.'erte der Wanderungsdauer in der Aufzeichnung wiederholt werden, so dal? eine Kurve von Änderungen im Wert des Dätnpfungskoeffizienten α als Funktion der Wanderungsdauer erhalten wird. Eine Änderung des Dämpfungskoeffizienten zeigt somit das Vorhandensein einer Grenzschicht zwischen zwei benachbarten Gesteinsschichten bei "der entsprechenden Tiefe an.

In der Praxis sind jedoch die beobachtbaren Amplituden der Reflexionen von den beiden Zwischenschichten nicht representativ für die Amplituden, die bei Fehlen einer geometrischen Streuung, und im Efealfall der vollständigen Reflexion erhalten werden. Es is', deshalb notwendig, die Vierte sowohl für die geometrische S-reuung als für den Reflexionskoeffizienten zu berücksichtigen, bevor die Gleichung (16) angaendet wird.

Um die Einflüsse unterschiedlicher Reflexionskoeffizienten aus der Amplituden-Zeit-Aufzeichnung auszuschalten, die in Hinblick auf die geometrische Streuung korrigiert worden ist, wird nach diesem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung vorgeschlagen, die Funktion der RefLexionskraft als Funktion der Wanderungsdauer zu bestimmen. Von A.J. Hermont ist in Geophysics (19o9)j Band 39> Heft 2, Seiten 196-212 zu diesem Zweck vorgeschlagen worden, ein künstliches Seismogramm zu verwenden, das aus einer kontinuierlichen Geschwindigkeitsmessung in einem Bohrloch erstellt wird. Dieser Vorschlag hat den Nachteil, daß in den .■•.eis- en Bereichen, die nach der seismischen Reflexionsmethode erforsch;, werden sollen, nicht genügend oder keine Bohrungen vorliegen. Selbst v;enn solche Geschwindigkeitsdaren zur Ver- :'ü--ung stehen, verhindert eine unzureichende Kenntnis der zu verwendenden '.'ellenforrr. oder Wellenformen die Erstellung eines zufriedenstellenden künstlichen ueisrr.cgratr.ns. das in einer: zu erforschenden bereich angewendet werden, kann.

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22.4.1971 W/He - 24 -

2'Y2f&f6

Nach diesem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung wird eine Bezugs-, d.h. zusätzliche Amplituden-Zeit-Aufzeichnung an. einer benachbarten Station vorgenommen, vorzugsweise gleichzeitig aufgezeichnet (d.h. von der gleichen seismischen Störung) und der beobachteten Amplituden-Zeit-Aufzeichnung (korrigiert um die geometrische Streuung) aufgegeben, von der der Dämpfungskoeffizient α berechnet wird. Die Reflexionskraftfunktion wird aus dieser zusätzlichen Amplituden-Zeit-Aufzelchnung gewonnen. Diese Reflexionskraftfunktion wird dann dazu verwendet, die beobachtete Amplituden-Zeit-Aufzeichnung in eine Perm umzuwandeln, die in die Gleichung (l6) eingeführt v/erden kann. Die zusätzliche Aufzeichnung kann aus einer getrennten seismischen Störun.3 gewonnen werden, wenn der Unterschied in der eingegebenen Energie in geeigneter Weise gemessen wird, oder eine opeiseouelle verwendet wird, die wiederholt gezündet wird und den gleichen Betrag (oder annähernd gLeich) der Energie jedesmal erzeugt, beispielsweise die Gashülsenexpl^osionsgeräte, die bei der Meereserkundung unter der Bezeichnung AQUAPULSE häufig verwendet werden.

Die Gleichung

Y(t) = A_o exp C-a_y(t)tJ R_y(t) (17)

stelle die beobachtete Amplituden-Zeit-Aufzeichnung (korrigiert um die geometrische Streuung) dar, wobei Y(t) die beobachtete Amplitudenfunktion, A die Anfangsamplitude_/α (t) der Dämpfungsiroeffizient, der als Funktion der verschiedenen Gesteinsschichten des durchquerten geologischen Abschnittes bestimmt wird, und R (t) die Reflexionskraftfunktion ist.

Die Gleichung

X(t) = A₀ exp £-oc_x(t)t] R_x(t) (18)

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22.4.1971 W/He - 25 - W/p 71l6

stelle die zusätzliche Amplituden-Zeit-Aufzeichnung (korrigiert um die geometrische Streuung) dar, wobei X(t) die Bezugsamplitudenfunktion, « derr Bezugsdämpfungskoeffizient ., und R_v(t) die Bezugsreflexionskraftfunktion ist, und wobei der Ausdruck "Bezujs-" den Ursprung von der zusätzlichen Station bzw. Hilfsstation anzeigt, die auch als Bezugsstation bezeichnet wird. Um die Reflexionskraftfunktion R„(t) aus der Gleichung (l8) zu gewinnen, muß ein entsprechender Wert für <ύ gefunden werden. Dieser kann dadurch erhalten werden, daß die Absolutwerte von X(t) gebildet werden, indem der natürliche Logarithmus dieser Absolutwerte genommen wird,, und indem berücksichtigt wird, daß die maximalen Werte der Logarithmen dieser Absolutwerte angenähert eine gerade Linie bilden, die durch

gegeben ist, deren Neigung α beträgt. Somit sind die Logarithmen dieser maximalen Absolutwerte (oder eine Reihe von Punkten um jedes Maximum) nach der Methode der kleinsten Quadrate (oder eines anderen Rechenverfahrens) geeignet, die beste gerade Linie zu erzielen, aus der α erhalten wird.

Somit kann die Reflexionskraftfunktion R_v(t) (oder R (t)/A ) aus ( der Gleichung (l3) wie folgt bestimmt werden

R_x(t) = X(t) exp(-a_xt) (20)

lnlxfc)!

Soll mehr als ein Wert von α erforderlich werden, um die beste Schätzung von R„(t) zu erzielen, kann die Punktion

in Bereiche geteilt werden und am besten in jeden Bereich max

eingepaßt v/erden wie vorstehend ausgeführt, wodurch ein a. für jeden Bereich zur Verwendung in einer entsprechenden Gleichung der Form nach Gleichung (20) bestimmt wird.

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22.4.1971 W/He - 26 - ;//p 7116

Da die zusätzliche, d.h. die hilfsweise Amplituden-Zeit-Aufzeichnung, aus der R„(t) bestimmt wird, an einer benachbarten Aufnahmestation entnommen wird, die benachbart zu der beobachteten Amplituden-Zeit-Aufzeichnung liegt, v.'ird angenommen, daß

R (t) = R (t), so daß aus Gleichung (17) nachstehende Gleichung ■Χ. y

erhalten wird:

= exp t-a_y(t)t] (21)

wobei A_R(t) die gewünschte Amplitudenfunktion zur Verwendung in der Gleichung (16) ist. Da dieser Vorgang bei digitalen seismischen Daten zu diskreten Zeiten durchgeführt wird, erhält man die Arbeitsgleichung

_a(ti) ₌ _ I₇ in ElAj₁Ct₁)I]. (22)

Ein VJert α für jede diskrete Zeit t. kann somit aus beobachteten Größen bestimmt v;erden und in Form einer Anzeige verwendet werden, die ähnlich der eines herkömmlichen Aufzeichnungsabschnittes seismischer Amplituden ist, indem die so erhaltenen Vierte von α für die herkömmlichen Amplitudenvier te gesetzt werden. Die Berechnungen können andererseits so durchgeführt werden, daß andere Dämpfungsmaße erhalten werden wie z.B. der logarithmische Dämpfungswert.

In Fig. 5 ist ein geologischer Abschnitt 10 dargestellt. Der Abschnitt 10 enthält eine Vielzahl von unterirdischen Schichten, z.B. die Schicht 12, die Schiefer, Sandstein, Kalkstein, Granit oder dergl. sein kann. Akustische Signale werden durch den Abschnitt 10 aus wenigstens einer Übertragungsstation 15 geschickt. Die entsprechenden reflektierten seismischen Signale aus den reflektierenden Grenzflächen 14 werden_;. an einer Beobachtungsstation l6 zur Anzeige gebracht, damit eine beobachtete Ampli·* tuden-Zeit-Aufzeichnung Y(t) erhalten wird. Eine Bezugs- oder

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22-.4.1971 W/He - 2? - W/p

Hllfsstation 24, die vorzugsweise unmittelbar in der Nähe der Beobachtuni-sstation 16 angeordnet ist, werden auch die reflektierten seismischen Signale aus den reflektierenden Grenzflächen l4 zur Anzeige gebracht, damit die zusätzliche Amplituden-Zeit-Aufzeichnung X(t) erhalten wird. Die zusätzliche Amplituden-Zeit-Aufzeichnung viird dann in die Bezugs- oder Hilfs-Reflexionskraftfun.-tlon R_x(^) umgewandelt. Die beobachtete Amplituden-Zeit-Aufzeichnung wird durch die Reflexionskra; tfunktion geteilt, um die gewünschte Amplitudenfunkt lon A„(t) zu erhalten.

Der Logarithmus der gewünschten Amplituden-Ztit-Funktion wird iür eine Vielzahl von unterschiedlichen Kanderungszeiten t. bes imnv:. Der Wert eines jeden Logarithmus wird durch den entsprechenden 'Jeri der Wanderun-^szeit t. ,jeteil ., so daß ein Kaß für den Dämpf un£s,:oe:'fizienten a(t) erhalten wird, der der Gesteinsschicht innerhalb des geologischen Abschnittes 10, welcher von dem Signal zum Zeitpunkt t. durchquert; v-ird, zugehört.

Die verschiedenen mathematischen Vorgänge, die für die oben angegebenen Gleichungen erforderlich sind, können zweckmäßigerweise mit Hilfe des Rechners 20 durchgeführt wurden, der in Fig. β dargestellt is':. Die Eingänge in den Rechner 20 sind Y(O, X(t) und t.; der ausgang ist a(t.)· D^ie Berechnungen können auch von Hand durchgeführt werden, wöbe. Logarithmentafeln und andere S^andardtabellen verwendet werden.

Das vorbeschriebene Verfahren ist insbesondere auf daa bekannte, in gemeinsamer riefe wirkende Pur.kuschußverfahrei: anwendbar, bei '.-.•eichen: die AbschuEstationen sehr nahe zueinander liegen, und die Beobachtungsstration IS sowie die BezugaEtation 16 können benac'ibar^e Stationen "':. ier gleichen Aufzeiuhnu:-.csdetekvcr~ruppe bz\:. in gle'chen -gruppen sein. Die besten Ergebnisse werden errlel., v;enn Beobach .ungsö*;-arion und Hilfssia^ion so nahe viie pra". risoh rr.c.;iich angeordnet; sind.

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Claims (14)

1. ■W/p 7116 W/He 22.4.I97I

   Patentansprüche;

   Verfahren zur seismischen Erforschung für die Bestimmung von Eigenschaften einer Gesteinsschicht einer Felsformation, wobei ein akustisches Signal durch die Gesteinsschicht geschickt wird und das reflektierte Signal zur Anzeige gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Maß für die Dämpfung aufgrund der Absorption von akustischer Energie in der Gesteinsschicht bestimmt wird und daß dieses so erzielte Maß für die Dämpfung als Anzeige für die Zusammensetzung der Gesteinsschicht ausgewertet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden (A) des gleichen Signales, wie eswn der oberen Begrenzung der Gesteinsschicht und von der unteren Begrenzung der Gesteinsschicht reflektiert wird, bestimmt werden, und daß die so bestimmten Signalamplituden (A) verglichen werden, um ein Maß für die Dämpfung aufgrund der Absorption akustischer Energie in der Gesteinsschicht zu erzielen.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Maß für die Dämpfung für wenigstens zwei unterschiedliche Erdoberflächenstellen (L und L^!) gewonnen wird, die oberhalb unterschiedlicher, horizontal benachbarter Bereiche der Gesteinsschicht liegen, wodurch das Vorhandensein unterschiedlicher Zusammensetzungen der Gesteinsschicht bestimmt wird, wenn das Maß für die Dämpfung unterschiedlich ist.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder ;5, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden (A) reflektierter Signale zur Kompensation geometrischer Streuung eingestellt werden.

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   22Λ.19Yl W/He W/p 71l6
5. 5. Verfahren nach Anspruch 2, J oder 4, dadurch gekenzeichnet, daß die Amplituden (A) reflektierter Signale für den Reflexionskoeffizienten an der oberen Begrenzung und für den Reflexionskoeffizjaiten an der unteren Begrenzung korrigiert werden.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur so vorgenommen wird, daß die Amplituden (A) durch den entsprechenden Reflexionskoeffizienten geteilt werden.
7. 7. Verfahren nach Ansprüchen 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeiten (t) für das Eintreffen der reflektierten Signale (S) bestimmt werden, daß ferner der natürliche Logarithmus des Verhältnisses zwischen den Signalamplituden (A) bestimmt wird, und daß der so bestimmte Logarithmus durch die Differenz zwischen den Ankunftszeiten dividiert wird.
8. 8. Verfahren nach Ansprüchen J5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der resultierende Wert des Logarithmus dividiert durch die Differenz zwischen den Ankunftszeiten, wie er für eine Erdoberflächenstelle bestimmt wird, mit dem entsprechenden resultierenden Wert, wie er für eine unterschiedliche Erdoberflächenstelle bestimmt wird, verglichen wird, um ein Maß für die Differenz in den Dämpfungseigenschaften der Gesteinsschicht unterhalb der Erdoberflächenstellen zu erzielen.
9. 9. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden (A) eines jeden Signales, wie es von der oberen Begrenzung der Gesteinsschicht und von der unteren Begrenzung der Gesteinsschicht reflektiert wird, von dem Zeitgebiet zu dem integralen Umwandlungsgebiet transformiert werden, wodurch zwei getrennte transformierte Signale gebildet werden, und daß die so transformierten Signale verglichen werden, um ein Maß für die Dämpfung aufgrund der Absorption akustischer Energie in der Gesteinsschicht zu erhalten.

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   22 Λ. 1971. W/He W/p 7Hd
10. 10. Verfahren nach Ansprüchen 3 und 9> dadurch gekennzeichnet, daß ein Bereich einer Transformationsveränderlichen bestimmt wird, gemäß der wesentliche und stetig reflektierte Energie für wenigstens zwei unterschiedliche Erdoberflächenstellen (L und L¹) angezeigt wird, welche Stellen oberhalb unterschiedlicher horizontal benachbarter geologischer Abschnitte der Gesteinsschicht liegen, und daß mit den transformierten Signalen ■bei dem Wert oder dem Bereich von Werten der so bestimmten Transformationsveränderlichen gearbeitet wird.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden (A) reflektierter Signale so eingestellt werden, daß eine geometrische Streuung vor dem Transformat!onsschritt kompensiert wird.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daä der Bereich einer Transformationsveränderlichen ein Frequenzband ist.
13. 13· Verfahren" nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich auf eine einzige Frequenz begrenzt ist.

    ^
14. 14. Verfahren nach Ansprüchen 9-13, dadurch gekennzeichnet, daß die integrale Trans/formation eine Fourier'sehe Transformation ist.

    15· Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fourier'sehe Transformation als eine Fourierrelhe dargestellt wird.

    l6. Verfahren nach Ansprüchen 9-15* dadurch gekennzeichnet, daß die integrale Transformation eine Laplace-Transformation ist.

    17· Verfahren nach Ansprüchen 9-13* dadurch gekennzeichnet, daß die integrale Transformation die spektrale Dichtefunktion ist.

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    22.4.1971 W/He «■ Vi/p 7116

    18. Verfahren nach Ansprüchen 9-17, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeiten (t) des Eintreffens der reflektierten Signale (S) bestimmt werden, daß ferner der natürliche Logarithmus des Verhältnisses zwischen den transformierten Signalamplituden (A) bestimmt wird, und daß der so bestimmte Logarithmus durch die Differenz zwischen den Ankunftszeiten dividiert wird.

    19. Verfahren nach Ansprüchen 3 und l8, dadurch gekennzeichnet, daß der resultierende Wert des Logarithmus dividiert durch die Differenz zwischen den Ankunftszeiten, wie er für eine Erdoberflächenstelle (L) bestimmt wird, mit dem entsprechenden resultierenden Uert, wie er für eine andere Erdoberflächenstelle (L¹) bestimmt wird, verglichen wird, damit ein Maß für die Differenz in den Dämpfungseigenschaften der Gesteinsschicht unterhalb der Erdoberflächenstellen (L und L^f) erzielt wird.

    20. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl an einer Beobachtungsstation als an einer Hilfsstation die Amplituden (A) des gleichen Signales, das von den verschiedenen Grenzschichten zwischen Gesteinsschichten reflektiert; wird, bestimmt werden, damit eine Ampli-Iuden-Zeit-Aufzeichnung der reflektierten akustischen Energie und eine Hilfsaufzeichnung davon erhalten wird, daß die zusätzliche Ampli'ruden-Zeit-Aufzeichnung, die an der Hilfsstation erhalten wird, in eine Beflexionskraftfunktion umgewandelt v.'ird, inde:r. Signalamplituden (A) der HilfsaufseicLnunj, wie sie von der oberen Begrenzung und der unteren Begrenzung verschiedener Gesteinsschichten reflektiert wird, verglichen werden, daß die Amplituden-Zeit-Aufzeichnung, die an der Beobachtungsstation erhalten wird, mit der Reflexionskraftfunkticn beeinflußt v.'ird, wodurch eine Amplituden-Zeitfunktion erzielt wird, und daß aus der Anplituden-Zeitfunktion eine Funktion der Därpfungskcei'iizieir. ^r: als eine Funktion der Vianderunssdauer des Signales teeti;..:::- v:iri. vcdureh ein Kai? für d:'.e Dä^pfunj aufgrund der

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    22.4.1971 -W/He Vi/p ?H6

    Absorption akustischer Energie in jeder der Gesteinsschichten zwischen zwei reflektierenden Grenzschichten erhalten wird, und wobei das Maß für die so erhaltene Dämpfung die Zusammensetzung der Gesteinsschicht anzeigt.

    21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden-Zeit-Aufzeichnung, die an der Beobachtungsstation erhalten wird., durch die Reflexionskraftfunktion geteilt v/ird.

    22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch icekennzeichnet, daß die Punktion des Darnpfungskoeffizienten dadurch bestimmt wird, daß der Logarithmus der Amplituden-Zeit-Punktion für eine Vielzahl von diekreten Wanderungszeiten der reflektierten Signale gebildet wird.

    2J. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert eines jeden Logarithmus durch den Wert der entsprechenden Wanderungsdauer geteilt wird.

    ?A. Verfahren nach Ansprüchen 20-23* dadurch gekennzeichnet, daß die HiIfsstation in der Nähe der Beobachtungsstation angeordnet is.t.

    25. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Bestimmung eines Maies für die Dämpfung aufgrund der Absorption akustischer Energie in der Gesteinsschicht.

    26. Einrichtung nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Bestimmung der Amplitude (A) des gleichen Si^nales, v;ie es von der oberen Begrenzung der Gesteinsschicht und von der unteren Begrenzung der Gesteinsschicht reflektiert wird, und eine Einrichtung zum Vergleichen der so bestimmten Signalamplituden, um ein Maß für die Dämpfung aufgrund der Absorption von akustischer Energie in der Gesteinsschicht zu erhalten, wobei

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    22.4.1"·)71 W/He W/p ?ll6

    die so erhaltene Dämpfung eine Anzeige für die Zusammensetzung der Gesteinsschicht ergibt.

    27. Einrichturls nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Einstellung der Amplituden (A) reflektierter Signale, um geometrische Streuungen zu kompensieren.

    28. Einrichtung nach Anspruch 26 oder 2?> gekennzeichnet durch eine Anordnung zum Korrigieren der Amplituden (A) reflektierter Signale nach dem Reflexionskoeffizienten an der oberen Begrenzung und nach dem Reflexionskoeffizienten an der unteren Begrenzung.

    29. Einrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Korrektur der Amplituden (A) so arbeitet, daß die Amplituden durch den entsprechenden Reflexionskoeffizienten dividiert werden.

    30. Einrichtung nach Ansprüchen 26-29, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Bestimmung der Zeiten (t) des Eintreffens der reflektierten Signale (S), eine Anordnung zur Bestimmung des natürlichen Logarithmus des Verhältnisses zwischen den Signalamplituden (A), und eine Anordnung zum Teilen des so bestimmten Logarithmus durch die Differenz zwischen den Ankunftszeiten.

    j51. Einrichtung nach Anspruch 30, gekennzeichnet durch eine Anordnung zum Vergleichen des resultierenden Wertes des Logarithmus dividiert durch die Differenz zwischen den Ankunftszeiten, wie er für eine Erdoberflächenstelle bestimmt wird, mit dem entsprechenden resultierenden Wert, wie er für eine andere Erdoberflächenstelle bestimmt wird, um ein Maß für die Differenz in den Dämpfungseigenschaften der Gesteinsschicht unterhalb der Erdoberflächenstellen zu erhalten.

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    22.4.1971 W/He Vi/p 7116

    32, Einrichtung nach Ansprüchen 25-31* gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Bestimmung der Amplituden (A) des gleichen SignaleSj wie es von der oberen Begrenzung der Gesteinsschicht und von der unteren Begrenzung der Gesteinsschicht reflektiert wird, eine Anordnung zum Transformieren jedes der eine Amplitude (A) darstellenden Signale von dem Zeitgebiet auf das integrale Transformationsgebiet„ wodurch zwei getrennte transformierte Signale ersielt werden, und eine Anordnung zum Vergleichen der so transformierten Signale, urn ein Maß für die Dämpfung aufgrund der Absorption akustischer Energie in der Gesteinsschicht zu erhalten.

    33· Einrichtung nach Anspruch 32, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Bestimmung eines Bereiches einer Transformationsveränderlichen., gemäß der- wesentliche und stetig reflektierte Energie für wenigstens zwei unterschiedliche Erdoberflächenstellen (L und L¹) angezeigt wird, welche Stellen oberhalb unterschiedlicher, horizontal benachbarter geologischer Abschnitte der Gesteinsschicht liegen,, wobei mit den transformierten Signalen bei den; Viert oder dem Bereich von V/er ten der so bestimmten Transformationsveränderlichen gearbeitet wird.

    34. Einrichtung nach Anspruch 32 oder 33* gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Einstellung der Amplituden (A) reflektierter Signale, um eine geometrische Streuung vor dem Transformationsschritt zu kompensieren.

    35. Einrichtung nach Anspruch 32, 33 oder 34, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Bestimmung der Zeiten (t) des Eintreffens der reflektierten Signale (S), ferner zur Bestimmung des natürlichen Logarithmus des Verhältnisses zwischen den transformierten Signalamplituden (A), und zum Dividieren des so bestimmten Logarithmus durch die Differenz zwischen den Ankunftszeiten.

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    22.4.1571 V//He W/p 7116

    j>6. Einrichtung nach Anspruch 35» gekennzeichnet durch eine Anordnung zum Vergleichen des resultierenden Viertes des Logarithmus divid-'ert durch die Differenz zwischen den Ankunftszeiten, wie er für eine Erdoberflächenstelle (L) bestimmt wird, mit dem entsprechenden resultierenden Wert, wie er für eine andere Erdoberflächensv.elle (L¹) bestimmt wird, damit ein Maß für die Differenz in den Dämpfungseigenschaften der Gesteinsschicht unterhalb der Erdoberflächenstellen (L und L¹) erzielt wird.

    3/. Einrichtung nach Anspruch 25 oder einem diesem folgenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Bestimmun5 der Amplituden (A) des gleichen Signales, wie es aus den verschiedenen Grenzschichten zwischen Gesteinsschichten reflektiert wird, an einer Beobachtungsstation und einer Hilfsstation, um eine Amplituden-Zeit-Aufzeichnung reflektierter akustischer Energie und eine Hilfsaufzeichnung davon zu erhalten, eine Anordnung ZUi-¹ Umwandlung der zusätzlichen Amplituden-Zeit-Aufseichnunj, die an der Hilfsstation erhalten wird, inline Reflexionskraftfunktion, indem Signalamplituden (A) der Hilfsaufzeichnunc, wie sie von der oberen Begrenzung und der unteren Begrenzung verschiedener Gesteinsschichten reflektiert werden .verglichen werden, eine Anordnung zur Beeinflussung der Amplituden-Zeit-Aufzeichnung, die an der Beobachtungsstation erhalten wird, mit der Reflexionskraftfunjliktion, und eine Anordnung zur Bestimmung einer Funktion der Dämpfungskoeffizienten als Funktion der Wanderungsdauer des Signales aus der Amplituden-Zeit-Funktion, wodurch ein Maß für die Dämpfung aufgrund der Absorption akustischer Energie in jeder der Gesteinsschichter, zwischen zwei reflektierenden Grenzschichten erhalten wird, und wobei das Maß für die so erhaltene Dämpfung die Zusammensetzung der Gesteinsschicht anzeigt.

    38. Einrichtung nach Anspruch 37. dadurch gekennzeichnet, da£ die Anordnung zur Beeinflussung der Amplituden-Zeit-Aufzeichnung,

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    22.4.1971 W/He W/p 71l6

    die an der Beobachtungsstation erhalten wird, eine Anordnung aufweist, die die Amplituden-Zeit-Aufzeichnung durch die Reflexionskraftfunktion teilt.

    39. Einrichtung nach Anspruch 37 oder 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Bestimmung einer Funktion des Dämpfungskoeffizienten eine Anordnung aufweist, die den Logarithmus der Amplituden-Zr-i t-Funktion für eine Vielzahl von diskreten Wanderungszeiten der reflektierten Signale bildet.

    40. Einrichtung nach Anspruch 39> gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Teilung des Wertes eines jeden Logarithmus durch den Wert der entsprechenden Wanderungsdauer.

    41. Einrichtung nach Ansprüchen 37-40, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfss-.ation in der Nahe der Beobachtungsstation angeordnet ist.

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