DE3103376A1 - Seismische aufschlussverfahren mit vibrationserregung, vorzeichenregistrierung und maximierung der aus dem untergrund erhaltenen information - Google Patents

Description

Hamburg, den 28. 3anueir 1981 2427B1

Priorität: 1.2.1980,3103376 U.S.A., Pat.Anm.Nr. 117

Anmelder:

Chevron Research Company

525 Market Street

San Francisco, CaI. 94105

U.S.A.

Seismisches AufschluQverfahren mit l/ibrationserregung, Vorzeichenregistrierung und Flaximierung der aus dem Untergrund erhaltenen Information

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Beschreibung dar Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein V/erfahren gemäß Oberbegriff des Anspruches 1. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren, bei dem unter Verwendung von einem oder mehreren Vibratoren seismische Energie in die Erde übertragen und nachfolgend von einem oder mehreren Detektoren aufgenommen wird, die mit Abstand von dem oder den Vibratoren aufgestellt sind. Dabei sollen alle üblicherweise erwünschten und benötigten Informationen über die Amplitude der seismischen Welle ableitbar sein, obwohl die Darstellung der in die Erde eingeführten Uellen und die Darstellung dar anschließenden Vibrationen der Erde in "Vorzeichen-Bit" oder beschnittener Form aufgezeichnet werden, d. h., daß nur das algebraische Vorzeichen der sinusartigen Signale für die Aufzeichnung verwendet wird.

Die U.S.-PS 2 688 124 beschreibt ein Verfahren, bei welchem seismische Uellen durch an der Oberfläche aufgestellte mechanische Schwinger erzeugt werden. Die Uellen pflanzen sich von der Vibrationsquelle aus in den verschiedenen Richtungen durch die Erde hindurch fort. Ein Teil der Wellenenergie läuft abwärts ohne einem nütz-

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lichen AufschluQzweck zu dienen, aber wenigstens ein Teil der Wellenenergie wird nach der Oberfläche zurückgeworfen durch die verschiedenen reflektierenden, beugenden und brechenden, unterirdischen Formationen. Nach entsprechender Aufzeichnung und Bearbeitung dient dieser Teil dazu,, den Verlauf der unterirdischen Formationen zu ermitteln und festzustellen, von denen er nach der Oberfläche zurückgeworfen morden ist.

Für das Vibrationsverfahren werden Wellen in die Erde übertragen, die aus langen Uellenzügen bestehen, im Gegensatz zu deh ausgeprägten scharfen Wellen-Impulsen, die bei der Sprengseismik mittels Explosionen erzeugt werden. Ein wesentlicher Teil'der obengenannten U.S.-PS bildet die Bearbeitung der aufgenommenen Signale, um daraus Aufzeichnungen herzustellen, welche die Reflexionen von den unterirdischen Grenzflächen als kurze Impulse zeigen. Diese erwünschte Darstellung durch kürzere Impulse wird gemäß der US-PS durch Kreuzkorrelation einer Aufzeichnung der in den Boden übertragenen Vibrationsuellen mit den Aufzeichnungen der anschließend aufgenommenen Wellen aus dem Untergrund.

Die Anwendung der Kreuzkorrelation ist inzwischen in der Vibrationsseismik so weitgehend bekannt, daß sis für die nachfolgende Beschreibung als bekannt vorausgesetzt wird.

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Die US-PS 4 058 791 befaßt sich mit der Aufgabe, alle die durch eine moderne seismische Aufnahme gesammelten Informationen in richtiger Weise zu handhaben und zu bearbeiten. In den letzten Oahren ist man zunehmend dazu übergegangen, Aufnahmen mit hunderten und manchmal sogar tausenden von Empfängern auszuführen, die an -zig und manchmal an hunderte von Aufzeichnungskanälen angeschlossen sind. In der US-PS 4 058 791 uird dazu festgestellt, daß ein gewisser Extrakt an seismischen Informationen erhalten bleibt, uenn nur das algebraische Vorzeichen der eintreffenden Signale und nicht die vollen Uellenformen aufgezeichnet uerden. Uenn Informationskanäle benutzt werden können, die nur Vorzeichen-Bits zu behandeln brauchen, kann damit in derselben Aufzeichnungs- und Bearbeitungskapazität ein Mehrfaches an Kanälen verwendet uerden.

In der US-PS 4 058 791 uird auch beobachtet, daß bei Kreuzkorrelation der Vorzeichen-Bit-Darstellungen der Errsg8ruellen mit Vorzeichen-Bit-Darstellungen der aufgenommenen Hellen die sich ergebenden Kreuzkorrelationsfunktionen den Kreuzkorrelationsfunktionen für die vollen Uellenformen ähnlich sind, vorausgesetzt, daß die sich ergebenden Korrelationsfunktionen mit einer hqhen Fiultiplizität, uenigstens vierzigfach CDP gestapelt sind. Es ist zu beachten, daß nach der US-PS 4 058 791 ein üblicher Sueep oder "Zirp"-Signal zur Erzeugung der

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Vibrationen verwendet uerden soll. Ueiter ergibt sich aus US-PS 4 058 791, daß dort, uo die gBstapeltsn schließlichen Aufzeichnungen den üblichen gestapelten, mit Sechzehn-Bit-AufZeichnungs-Einrichtungen hergestellten Aufzeichnungen zu gleichen scheinen, gewisse "Verschiebungsfunktionen" entsprechend der US-PS 3 883 725 den empfangenen Signalen zugefügt worden sind, bevor die empfangenen Signale beschnitten wurden. Die Notwendigkeit einer hohen Multiplizität der Stapelung ist ein erheblicher Nachteil, da die groöe Zahl von Informationskanälen, die benötigt wird, um eine einzelne gestapelte Ausgangsspur zu erzeugen, den unmittelbaren Vorteil, für den die- Vorzeichen-Bit-Aufzeichnungen eingeführt worden ist, nämlich die Kanalkapazitäts-Uirtschaftlichkeit, wiederaufhebt. Eine große Zahl von Kanälen geringer Kapazität kann ebenso viel Aufzeichnungs- und Bearbeitungskapazität wie eine kleine Zahl von Kanälen hoher Kapazität erfordern. Auch die Zufügung einer "Verschiebungsfunktion" ist nachteilig. Sie verbessert nicht die Aufzeichnungen im allgemeinen Sinne, selbst wenn sie unter bestimmten begrenzten Bedingungen einen gewissen Wert haben kann, z. B. bei Signalen mit geringem Nutz-/ Geräusch-Verhältnis. Die .in der US-PS 4 058 791 festgestellten Ähnlichkeiten zwischen den Kreuzkorrelationsfunktionen einerseits durch Vorzeichen-Bit-Aufzeichnungen und andererseits durch Aufzeichnungen voller Uellenformen

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hängen demnach von besonderen Umständen ab, die vom allgemeinen Standpunkt der seismischen Aufschlußarbeiten unerwünscht sind.

Ein weiterer Nachteil des gerade besprochenen Verfahrens besteht darin, daß nach der U5-PS 4 058 791 kein fiaQ für die Ähnlichkeit besteht. Die Ergebnisse können nicht in mathematischen Ausdrucken angegeben werden, die anzeigen würden, wieviel Information bei dem Beschneiden, d. h. der Umwandlung in Vorzeichen-Bits verlorengeht und ob die verlorene Information wichtig ist oder nicht. .

Bei einem in der US-PS 3 264 606 beschriebenen Verfahren werden die Vibrationsquellen in Verbindung mit Einrichtungen zur üblichen Aufzeichnung voller Wellen mit pseudozufälligen Codes erregt, die u. a. die Eigenschaft einer Codefolge haben sollen, die als eine zeitliche Abfragebezugsreihe mit einer besonderen Autokorrelations-Funktion dargestellt werden kann, die einen einzelnen Hauptausschlag ohne Seitenausschläge mit größerer Amplitude als der der Seitenzweige der Autokorrelations-Funktion von statistisch nicht in bezug stehenden Geräuschkomponenten aufweist, dia zu dem ursprünglich aufgenommenen, zusammengesetzten Signal gehören.

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Zum Stand dar Technik gehört außerdem noch ein Aufsatz von A.B. Cunningham, veröffentlicht in "Geophysics" 3and 44, Nr. 12, Dezember 1979, Seiten 190,1 ff mit dem Titel "Some Alternate Vibrator Signals". In diesem Aufsatz sind mathematische Einzelheiten der zu erwartenden Arten won Kreuzkorrelations-Funktionen dargestellt, die eich für verschiedene Arten von Vibrator-Sweeps ergeben, einschließlich geuissen Arten von pseudo-zufälligan Sweeps.

Die Erfindung, die sich mit der einleitend skizzierten Aufgabe befaßt, hängt im Gegensatz zu den hier besprochenen bekannten Verfahren nicht davon ab, daß mit besonders hoher Flultiplizität gestapelt oder zusätzliche fremde Signale verwendet werden. Statt dessen arbeitet die Erfindung mit einer Klasse von Vibrator-Signalen, die am besten als Gauß¹sehe Null-Mittel- und stationäre Signalfunktionen gekennzeichnet werden können, in Verbindung mit Vorzeichen-Bits-Aufzeichnung, bei der sowohl das an den Quellen erregte als auch das von den Empfängern aufgenommene Vibrationssignal in beschnittener Form aufgezeichnet wird, wobei nur das algebraische Vorzeichen beibehalten wird, siehe auch die im Anspruch 1 ange.gebene Lösung der Erfindungsaufgabe. Die Erfindung bildet eine besonders wirtschaftliche Ausnutzung der Informations-Kanal-Kapazität gemäß des Vorzsichöfi-Bit-AufziichnungöverfahrBhs. Die nachfolgende Kreuzkorrelation der Vorzeichen-Bit-Darstellung

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der pseudo-zufälligen Vibrationen mit der Vorzeichen-Sit-Darstellung der empfangenen Vibrationen liefern Kreuzkorrelations-Aufzeichnungen, die nicht nur einfach ähnlich den Kreuzkorrelations-Aufzeichnungen zu sein scheinen, die mit Aufzeichnungen der wollen Wellenform erzielt uorden wären. Sie sind vielmehr in der Erwartung wahrscheinlich identisch mit diesen Kreuzkorrelations-Aufzeichnungen mit Ausnahme eines unbekannten Verkleinerungsfaktors. Wenn daher das Verfahren nach der Erfindung richtig ausgeführt wird, ergibt sich als einziger Verlust, der durch die Kanalkapazitäts-Einsparung mittels Vorzeichen-Bit entsteht, der der Kenntnis des absoluten Maßstabes jeder Spur. Dieser Verlust ist aber in den meisten derzeitigen seismischen Aufschlußarbeiten unbedeutend.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können relative Amplituden zwischen den Spuren, d. h. der Unterschied von Spur zu Spur, bestimmt werden, z. B. falls Richtungswellen-Komponenten relativ bewertet werden müssen, um daraus die Laufrichtungen der Wellen abzuleiten, oder wenn Änderungen in der Reflektivität als Funktionen des Abstandes zu bewerten sind. In dieser Form der Erfindung wird ein kleiner Teil der verfügbaren Kanalkapazität benutzt, um ebenfalls in beschnittener Form Summenspuren der Signale der anderen Kanäle aufzuzeichnen. Diese Summenspuren können weiterbehandelt werden, um die gesamten relativen Amplituden zwischen den Spuren, d. h. die GröQenverhältnisse von Spur zu Spur, abzuleiten.

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Ueitere Vorzüge und Merkmale, der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen souiie aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen die Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 vereinfacht einen von der Erdoberfläche ausgehenden, senkrechten Schnitt mit an der Oberfläche angeordneten, wesentlichen Einrichtungen zur Ausführung des Verfahrens einschl. einem Schwingungserzeuger, der mit einem pseudozufälligen Code erregbar ist, einer Gruppe von Detektoren und Bearbeitungs- und Aufzeichnungseinrichtungen für die erzeugten und aufgenommenen Signale,

Fig. 2 ein Signal, das mit der Einrichtung nach Fig. 1 erzeugt worden ist und einerseits mit dem Verlauf der v/ollen Welle und andererseits beschnitten oder als Vorzeichenversion dargestellt ist,

Fig. 3 bearbeitete Reflexiondatsn von einem mit der Einrichtung nach Fig. 1 ausgeführten Feldversuch,

Fig. 4 eine Folge von Autokorrelationen, und zwar zunächst die eines Zufallsweeps, dann eine Summe der Autokorrelationen von zwei, vier,' acht und sechzehn verschiedenen Zufallsueeps,

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Fig. 5 ein Blockschaltbild der Einrichtung nach Fig. 1 zur Erläuterung der verschiedenen Flußuege für die Signalinformation und

Fig. 6 eine nach Uahl und zusätzlich zu verwendende Schaltung, mit der bei Verwendung der Bearbeitunge- und Aufzeichnungsmittel gemäQ Fig. 1 relative Spurenamplituden wiedergewonnen werden können.

Die in Fig. 1 dargestellte reflexions-seismische Meßeinrichtung 10 benutzt als Erreger einen Vibrator 11, der mit einem gewissen Abstand von einer Reihe von Detektoren 13 aufgestellt ist. Im Betrieb überträgt der Vibrator 11 seismische Schwingungen in die Erdschicht 14, wobei der zeitliche Verlauf der Schwingungsamplitude durch einen Sweepgenerator 15 gesteuert wird. Die dem Vibrator zugeführten Sweepsteuersignale werden auch über einen gesonderten Informationskanal weitergegeben, der nach einem Clipper 16 der Bearbeitungs- und Aufzeichnungseinheit 17 führt. Der Clipper 16 hat den Zweck, den Treibersignalcode in Vorzeichen-Bits umzuwandeln. Fig. 2 veranschaulicht einen solchen-Clip- oder Beschneidungsvorgang. Die Vorzeichen-Bit-Aufzeichnung wird dann der Korrelator- und Aufzeichnungseinheit 18 zugeführt.

Die in Fig. 1 in die Erdformation 14 gehenden Vibrations-

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uellsn sind durch Strahlen 20 dargestellt. Diese Wellen laufen schräg nach unten in Richtung won zwei Schichtgrenzflächen 21, 22, an denen sie teilweise reflektiert werden, so daß sie wiederum schräg entlang den Wegen 23 zurück zur Oberfläche 12 laufen, wo eine Reihe won Detektoren 13 angeordnet ist. In Fig. 1 sind wereinfacht nur drei Detektoren dargestellt; bei tatsächlichen Feldaufnahmen können dagegen hunderte won Detektoren werwendet werden. Von den Detektoren 13 aus werden die aufgenommenen Signale durch einen weiteren Clipper 24 hindurch der Korrelator- und Aufzeichnungseinheit 18 des Bearbeitungs- und Aufzeichnungssystems 17 zugeführt. In der Korrelator- und Aufzeichnungseinheit 18 uerden Kreuzkorrelationen won den empfangenen und beschnittenen Signalen und den beschnittenen Darstellungen der ausgesandten Vibrationssweeps hergestellt.

In Fig. 2 ist einerseits die wolle Wellenform 30, andererseits die beschnittene Version 31 dargestellt, die worn Clipper 24 der Fig. 1 geliefert wird. Alle Wellenbögen sind in der beschnittenen Version unmittelbar über oder unter der waagerechten Zeitachse abgeschnitten, so daß nur eine Uorzeichendarstellung überbleibt. Beim Abschneiden der Wellenspitzen ist natürlich auch ein Teil der in der ursprünglichen'Welle enthaltenen Information fortgefallen. Es fragt sich, wie groß dieser Ausfall ist, insbesondere, ob das, was fortgefallen ist, für den Zweck der Inter-

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pretation der Aufzeichnung erforderlich ist. Auf diese Frage hat es bislang keine quantitative Antuort gegeben.

Es gab eine qualitative Antuort, die als wenigstens teilweise befriedigend von den Seismologen angesehen uorden ist, die die vorzeichenmäßige Aufzeichnung entuickelt und benutzt haben uegen der damit erzielbaren Wirtschaftlichkeit für die Informationskanal-Kapazität. Uie eruähnt, führt die Kreuzkorrelation beschnittener Uellenformen aus Vibrator und Detektor und Stapelung mit hoher Multiplizität zu vergleichbaren Ergebnissen uie gestapelte Kreuzkorrelationen, die mit vollen Uellenformen erzielt uorden sind. Aber die bloße Erscheinung der Ähnlichkeit oder Gleichheit hat nicht allgemein überzeugt, daß alle erwünschte Information auch nach der Beschneidung noch vorhanden ist.

Ein Hauptpunkt der Erfindung besteht darin, daß, falls geuisse Arten von Sueep-Funktionen zur Erregung des Vibrators verwendet uerden, sich die vorstehenden Fragen beantworten lassen. Es kann dann quantitativ festgestellt werden, uas für ein Teil der ursprünglichen Information durch die Beschneidung verlorengegangen ist. Es kann überdies festgestellt uerden, daß bei der überwiegend zur Zeit betriebenen, seismischen Exploration unter Benutzung der besonders angegebenen Arten von Treiberfunktionen keine

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der üblicherweise verwendeten seismischen Information durch die Beschneidung verlorengeht.

Bei richtiger Kombination ermöglichen die hier vorgesehenen physikalischen Schritte die Ausnutzung der theoretisch nachweisbaren Maximalmenge an Information, die aus den korrelierten, beschnittenen Uellenformen wiedergewonnen werden kann.

Ein von van Uleek 1943 veröffentlichter Artikel "The spectrum of dipped noise", Report No. 51, Radio Research Laboratory der Havard Universität, Juli 1943, und ein von van Vleck und Middleton veröffentlichter Artikel "The spectrum of clipped noise" IEEE Proc. 54, Nr. 1, Seiten 2 bis 19 (1966) behandeln das Problem der Radar-Störsender vom theoretischen Standpunkt aus, wobei allerdings die Übernahme etwaiger Resultate aus diesen früheren, die Radartechnik betreffenden Forschungen wegen der grundsätzlichen Unterschiede in der Ausbildung der Fachleute, in den Anwendungsgebieten und in der Bedeutung von Signalen und Störungen für den durchschnittlichen Fachmann der Geophysik nicht nahegelegen hat.·

Für den vorliegenden Zweck läßt sich folgendes ableiten:

U^Y seien stationäre, gemeinsam-Gauß' sche-Null-Mittel-

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Zufallsprozesse,

k(..) sei die Beschneidungsfunktion, die kennzeichnend für die Vorzeichen-Bit-Aufzeichnung ist, und

X(.,.) sei die normalisierte Kreuzkorrelationsfunktion, wobei mit "normalisiert" die maßstäbliche Verkleinerung durch das Produkt aus den Wurzeln der quadratischen Mittel von Y und U gemeint ist; diese Verkleinerung bedeutet, daß solche Funktionen keine Information über die absolute Amplitude enthalten.

Dann gilt

X (U, Y) = sinj[i X (k(U), k (Y))J (D

Die Gleichung (i) bedeutet, daß bei zuei vorgegebenen Eingangssignalen (U, Y) mit den richtigen Eigenschaften die Kreuzkorrelation X (U, Y) dieselbe (mit Ausnahme der Abbildung, die durch die Sinusfunktion beinhaltet ist) wie für eine maßstabsverkleinerte Kreuzkorrelation der beschnittenen Version der zuei Eingangssignale, k(U) und k(Y), ist.

Für eine Anwendung auf seismische AufschluQarbeiten wird angenommen, daß U ein Vibratorsweep und Y die unkorrelierte Signalaufzeichnung von einem bestimmten Geophon ist. In diesem Fall stellt X (U, Y) das korrelierte Ausgangssignal eines Standardaufzeichnungssystems für wahre Amplitude dar,

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d. h. bei dem nirgendwo eine Beschneidung eintritt, und XQc(U), k(Y)j ist, das normalisierte, korrelierte Ausgangssignal eines Systems, bei welchem das im Geophon aufgenommene Signal beschnitten und danach mit einem beschnittenen Sweep korreliert wird, d. h. eines Vorzeichen-Bit-Aufzeichnungssystems. Bei dieser Deutung beinhaltet die vorstehend angegebene Formel, daß, falls der Sweep und das aufgezeichnete Signal die richtigen Größen haben, in Vorzeichen-Bit-Systemen Signale ohne Verzerrung aufgezeichnet werden können, mit Ausnahme des Verlustes der Information über die absolute Spurenamplitude. Dieser Verlust tritt ein, falls die angegebene Formel sich auf normalisierte Kreuzkorrelationen bezieht. Der Amplitudenverlust ist derselbe wie der, der bei Spuren-Angleichung (Trace Equalization) unter Benutzung eines einzelnen Gatters eintritt, das die ganze Spur enthält. Es besteht hier keine Äquivalenz mit einem automatischen Schwundausgleich (AGC).

Aufgrund dieser allgemeinen Erläuterungen werden nachfolgend die einzelnen Schritte des Verfahrens beschrieben, das mit Verwendung von Vibratorsweeps und Vorzeichen-Bit-Aufzeichnung arbeitet und am Ende Krauzkorrelationsspuren liefert, die innerhalb mathematischer Erwartungen nahezu äquivalent mit Kreuzkorrelationsspuren sind, die mit Aufzeichnung der vollen Uellen hätten erzielt werden können,

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uobei nur deren gesamte Absolutwerte fehlen, d. h. Größen, die kaum, falls überhaupt, bei den derzeitigen Aufschlußverfahren der Seismik verwendet uerden. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Verfahren aus den folgenden Schritten:

A* seismische Vibrationen uerden in die Erde dadurch übertragen, daß wenigstens ein, im wesentlichen linear ansprechender Vibrator mit einem pseudo-zufälligen Code erregt uird, der eine Gauß·sche-Null-Mittel-und stationäre Funktion bildet;

B. der pseudo-zufällige Code uird in beschnittener Form aufgezeichnet, d. h. nur die Vorzeichen-Bits zurückbehalten;

C. die durch die Erde vom Vibrator nach den Empfängern gelaufenen, seismischen Vibrationen uerden in beschnittener Form aufgezeichnet und

D. die Vorzeichen-Bit-Darstellung des pseudo-zufälligen Code uird mit der Vorzeichen-Bit-Darstellung bzu. den Darstellungen der empfangenen Vibrationen kreuzkorreliert.

Das Ergebnis einer solchen Kreuzkorrelation bildet ohne weiteres die seismische Aufzeichnung.

Die in Kombination ausgeführten, vorstehenden vier Schritte führen zu einem bisher nicht erreichten Resul-

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tat, nämlich zu den schließlichen Kreuzkorrelationsspuren, dia innerhalb mathematischer Erwartung äquivalent mit Kreuzkorrelationsspuren sind, die mit vollständiger Uellenaufzeichnung hätten erreicht warden können mit Ausnahme der gesamten Absolutwerts. Innerhalb dieser Kombination unterscheidet sich der erste Schritt A am meisten von den bisher üblichen, vergleichbaren Schritten. Deshalb sollen die zur Erregung des linear ansprechenden Vibrators 11 der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung benutzten pseudo-zufälligen Codes etuias ausführlicher behandelt werden.

Es ist an sich bekannt, auf Magnetband aufgezeichnete Betätigungscodes zum Treiben von Vibratoren zu benutzen. Die Technik ist jedoch jetzt so weit fortgeschritten, daß es nicht länger erforderlich ist, Erregercodes in einem entfernt gelegenen Rechenzentrum zu erzeugen und sie dann auf Magnetband aufgezeichnet nach dem Feldbetrieb zu befördern. Codes können jetzt auch unmittelbar am Meßort mit Hilfe von Mikroprozessoren erzeugt werden. Vermutlich wird das in Zukunft die bevorzugte Arbeitsweise werden.

Nachfolgend sollen die Möglichkeiten behandelt werden, einen Code herzustellen, der besonders für das vorliegende Verfahren geeignet ist, d. h. einen Code, der als Gauß'scher Null-Mittel- und stationärer Code angesehen werden kann. Zunächst soll die Zeit betrachtet werden,

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die als Dauer für den Sweep anzunehmen ist. Zur grundsätzlichen Besprechung bilden 32 Sekunden ein mögliches Zeitintervall. Die für geophysikalische Zwecke verwendeten Magnetbandeinrichtungen weisen die verschiedensten Musterungs- oder Abfrageintervalle auf. Zwei Millisekunden bilden dabei eine Möglichkeit. Ein Code von 32 Sekunden liefert bei einer Musterungsspanne von zwei Millisekunden 16.000 zufällige Zahlen. Diese können in verschiedener Weise erzeugt werden. Ein Ueg besteht darin, in Reihenfolge zwei der bekannten Teilprogramme des wissenschaftlichen Teilprogramm-Pakets der Firma IBM zu verwenden, und zwar RANDU zur Erzeugung einer Gruppe von gleichförmig zufälligen Zahlen und dann GAUSS zur Umwandlung dieser Zahlen in eine Gruppe mit GauQ'scher Verteilung. Andere Arten der Erzeugung geeigneter Gruppen von Zahlen sind von Lewis im IBM-Systems Journal Nr. 2 (1969) und von Knut in seinem Buch "Seminum&rical Algorithms", Addison Uesley Pub.Co. besprochen worden. Uie auch vorgegangen wird, der für die Erfindung angestrebte Zweck besteht darin, eine Gruppe von zufälligen Zahlen mit einem Nullmittel und einer Gauß¹sehen Verteilung zu bilden.

Eine Gruppe von zufälligen Zahlen, 500 pro Sekunde, können, als Frequenz betrachtet, Komponenten bis 250 Hz enthalten. Solche Frequenzen sind höher als die, die gewöhnlich bei den derzeitigen Feldarbeiten als nützlich angesehen werden.

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Ein möglicher nächster Schritt ist deshalb, dia Gruppe zufälliger Zahlen durch ein digitales Band-Pass-Filter zu geben, um den Frequenzgehalt auf ein Band von stua zwischen 10 und 80 Hz zu beschränken. Viele Phaseneigenschaften sind möglich. Minimum-Phase ist zu bevorzugen,

aber Null-Phase kann auch befriedigend sein.

Die letzte Bedingung, der der pseudo-zufällige Code genügen sollte, damit das gesamte Verfahren, soweit es praktisch möglich ist, den weiter oben erläuterten Idealbedingungen entspricht, ist die der "Stationärität". Statistische Stationärität ist per Definition die Aufrechterhaltung derselben statistischen Eigenschaften durch das ganze interessierende Zeitintervall hindurch. Ein in der vorstehend beschriebenen Ueise erzeugter pseudo-zufälliger Code ist von sich aus stationär, soweit nicht die Programm-Steuer-Parameter 'während der Zeit verändert werden, während der er den oder die Vibratoren erregt. Die Stationärität sowohl der Quellen- als auch der Empfängersignale wird dadurch, soweit praktikabel, angenähert, indem die Betätigung des Vibrators bzw. der Vibratoren ausreichend lange-vor dem Start der Aufzeichnung der seismischen Impulse beginnt, die zugeordnet sind dem merklichen Abklingen (z. B. sechs Sekunden) der Impulsansprache der Erde; überdies soll die Betätigung des Vibrators, ζ. B. elf, über das Zeitintervall andauern, in

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dem die durch die Erde gelaufenen Vibrationen von den Empfängern, z. B. dreizehn, aufgenommen werden.

Es uurde bereits erwähnt, daß der oder die Vibratoren im wesentlichen linear ansprechen sollten. Diese Bedingung für die richtige Ausführung des Verfahrens kenn ein Abgehen von manchen bisher üblichen Betriebsweisen für Vibratoren bedeuten. Die meisten üblichen Vibratoren sind mit automatischen Rückkopplungseinrichtungen ausgestattet, ζ. B. mit Phasen-Regelkreisen, die auch als Phasenkondensatoren bekannt sind. Diese Einrichtungen sind unter der Annahme konstruiert, daß das den Vibrator treibende Signal einen Frequenzinhalt hat, der sich langsam mit der Zeit ändert. Zufällige Sweeps erfüllen diese Annahme nicht. Die Erfahrung zeigt, daß einige Phasenkompensatoren beträchtlich den Vibratorausgang verzerren, wenn zufällige Sweeps als Eingang benutzt werden. Bei einem Feldversuch z. B. hat sich ein Vibrator tatsächlich selbst abgeschaltet, und es gab keine Ansprache auf einen zufälligen Eingang. Die Phasenkompensatoren müssen deshalb entfernt werden, um damit ausgestattateVibratoren dazu zu bringen, daß sie im wesentlichen linear reagieren, wenn sie mit zufälligen Sweeps betrieben werden. Nach Entfernung der Phasenkompensatoren entfällt aber auch die automatische Kompensation von mechanischen Unterschieden zwischen verschiedenen Vibratoren, so daß sich empfiehlt, irgendeine

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form explizierter Vibrator-Kalibrierung vorzusehen.

Fig. 3 zeigt behandelte Reflexionssignale, die bei einem tatsächlichen Feldversuch mit dem vorliegenden Verfahren aufgenommen worden sind. In Fig. 3 sind die korrelierten Reflexionssignale aus acht Geophongruppen mit 35a bis 35h bezeichnet. Die Gruppe 35a lag dem Schußpunkt am nächsten mit einem Abstand von 36 m (120*)· Der Abstand zwischen den Gruppen betrug'9 m (30'). Jede Gruppe bestand aus sechs Geophonen, die entlang der Profilrichtung mit Abständen von 1,5 m (5¹) angeordnet waren. Der zur Erzeugung dieser Signale benutzte, zufällige Sweep dauerte sechzehn sek und die Abfragezeit betrug zwei ms. Der Sweep wurde erzeugt, indem eine zufällige Zahlenfolge, die mit RANDU und GAUSS erzeugt worden war, durch ein Null-Phasen-Filter gegeben wurde. Die Amplitudsnansprache des Filters stieg linear von Null auf 125 Hz mit 12 db/0ktave an. Über 125 Hz nahm die Filteramplituden-Ansprache linear mit 72 db/0ktave ab.

Für jede Geophongruppe sind zwei Spuren, A und B, dargestellt. Spur A ergibt sich aus der Korrelation einer vollen Amplitudendarstellung für den zufälligen Sweep und das von den Geophonen aufgenommene Signal. Spur 3 jeder Gruppe ist das Korrelationsergebnis einer Vorzeichen-Bit-Darstellung sowohl des zufälligen Sweeps

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als auch des aufgenommenen Signales. Die senkrechten Striche durch die Spuren sind Zeitmarken für 100 ms-Intervalle. Die Ähnlichkeit der zwei Spuren A und B jeder Gruppe ist offensichtlich. Die geringen Unterschiede zwischen den Spuren können darauf beruhen, daß die oben gegebene Ableitung sich mehr auf Erwartungen als auf spezielle Ausführungen bezieht, sowie darauf, daß die Sweep-Parameter und die Aufzeichnungseinrichtung für die dargestellten Signale nicht die für das Verfahren am besten geeigneten waren.

Fig. 3 veranschaulicht überzeugend, daß das vorliegende Verfahren, obwohl es sowohl für die Quellen als auch für die Empfänger mit der für die Kanal-Kapazität besonders wirtschaftlichen Vorzeichen-Bits-Aufzeichnung arbeitet, keine der sonst erwünschten seismischen Informationen in den abschließenden Aufzeichnungen verlorengehen läßt.

Das vorstehend erläuterte, grundsätzliche Verfahren kann in verschiedener Ueise noch ausgestaltet werden, um die günstigsten Ergebnisse zu erzielen»

Bei der mit Vibratoren betriebenen Reflexionsseismik wird manchmal zur Vergrößerung des wirksamen Nutz-/Stör-Geräuschverhältnisses mit sich wiederholenden Sweeps gearbeitet. Die Aufzeichnungen der Reihe von Wiederholungen

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uird dann addiert, uobei erwartet wird, daß die erwünschten Signale verstärkt werden, während das Geräusch durch Ausgleich vermindert wird. Falls zufällige Sweeps benutzt und solche Wiederholungen gemacht werden, ist es erwünscht, für jede Wiederholung eine verschiedene Zeitfolge der Zufallvibrationen zu verwenden. Dias zeigt Fig. 4 mit autokorrelierten Zufallsweeps, die als Spuren 36a bis 36e aufgezeichnet sind. Spur 36a ist die Autokorrelation eines einzelnen Sweeps. Die anderen Spuren 36b, 36c, 36e sind die Summen der Autokorrelationen von 2, 4, 8 und 16 verschiedenen Sweeps. Die senkrechten Linien sind 100 ms-Zeitmarkan. Die zusätzlich zu der Hauptspitze erscheinenden Ereignisse beruhen auf Korrelationsgeräusch. Da das Korrelationsgeräusch irgendeines Sweeps verschieden von dem irgendeinen anderen Sweeps ist, nimmt der Pegel dieses Geräusches ab, je mehr Sweeps addiert werden.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht in dem Zusatz eines Abbildungsschrittes entsprechend dem vollen Ausdruck der hier zugrunde liegenden Formel, wobei die Amplituden der Kreuzkorrelationsfunktion entsprechend der oben angegebenen Formel (1) transformiert werden. Dabei ist

k(u) die beschnittene, aufgezeichnete Funktion der in die Erde übertragenen Vibrationen,

k(Y) die beschnittene, aufgezeichnete Funktion der empfangenen» reflektierten Vibrationen,

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X(k(U), k(Y)) die Krsuzkorrslationsfunktion von k(U) und k(Y), und

X(U,Y) dia normalisierte Kreuzkorrelationsfunktion der Version der zuiei Funktionen U und Y mit voller Amplitude, d. h. ohne Beschneidung.

Dieser Schritt bringt in statistischer Erwartung die Uellen· formen der achließlichen Kreuzkorrelationen in die engstmögliche Gleichheit zu den Formen, die bei Aufzeichnung der vollen Uellen erzielt worden uären.

Ueitere Abänderungen und Ausgestaltungen des Verfahrens zeigt Fig. 5, in der alternative Signaluege dargestellt sind, entlang denen Signalinformation uährend der Ausführung des Verfahrens weitergeleitet wird. Oer ursprüngliche, pseudo-zufällige Code des Sweepgenerator 15 kann auf seinem Ueg zum Vibrator 11 durch ein Filter 37 hindurchgehen oder auch nicht, je nach Stellung des Schalters 38a. Der Code kann auf seinem Ueg zum Clipper 16 je nach Stellung des Schalters-38b durch ein Filter 39 hindurchflieöen und geht anschließend dann in die Korrelator- und AufzeichnungseinHBit 18. Innerhalb der Einheit 18 können die Multi-Bit Korrelationsfunktionen entweder direkt zur Bildung der schließlichen Aufzeichnung weitergeführt werden oder durch einen Sinusabbilder 40 hindurchgehen, je nach Stellung des Schalters 38c.

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Abusichend υαη der Erforschung natürlicher Erdbeben ist es bei der gegenwärtig für AufschluSzuecke betriebenen Seismik selten erforderlich, die absoluten Amplituden der aufgezeichneten Vibrationen zu kennen. Dagegen ist auch bei der Aufschlußseismik manchmal die Kenntnis der relativen Amplituden einzelner Spuren erforderlich, z. B. dann, uenn Drei-Komponenten-Geophone benutzt uerden, um die Richtung, in der die Welle läuft, zu bestimmen. Kenntnis der relativen Amplituden ist auch erforderlich, uenn Änderungen in der Reflektivität als Funktionen der Ausrückung zu beuerten sind. Für solche Fälle kann das vorliegende Verfahren so ergänzt uerden, daö es die Bestimmung relativer Amplituden zwischen den Spuren gestattet.

Die Spuren, für die die Kenntnis der relativen Amplituden erwünscht ist, sind die schließlich durch Kreuzkorrelation hergestellten Spuren. Wie bereits zur Erläuterung des vorliegenden Verfahrens gezeigt worden ist, sind diese Kreuzkorrelationsspuren genaue Darstellungen der ursprünglichen seismischen Information mit Ausnahme des Verlustes eines Verkleinerungsfaktors. Alle Korrelationsspuren sind "normalisiert, wobei ein unbekannter Gesamtmultiplikator fehlt.

Eine geringfügige Abänderung in der Schaltung der Beabeitungs- und Aufzeichnungseinheit 17 der Fig. 1 gestattet die Wiedergewinnung der zusätzlichen Information derart,

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daß die gewünschten relativen Amplituden wiederhergestellt uerden können.

Hierzu zeigt Fig. 6 Signalkanäle 43, die von einer Mehrzahl von Detaktorgruppen, oder ggf. in einigen Fällen auch von Einzeldetektor ausgehen. Die Kanäle 43 sind unterteilt in Untergruppen 44a, 44b, 44c mit jeweils sechs Kanälen, pro Teilgruppe. Grundsätzlich sind auch nur zwei oder tausend Kanäle pro Teilgruppe möglich. Bevor die Signale jeder Teilgruppe der Kanäle 43 in eine Reihe von Clipper- und Aufzeichnungseinheiten 46 eingespeist werden, werden sie in einer Summierungseinrichtung 47 summiert und über einen Hilfskanal 48 der Clipper- und Aufzeichnungseinheit 46 zugeführt. Das Summensignal jedes Hilfskanals wird beschnitten und mit den Signalen der Kanäle jeder Teilgruppe aufgezeichnet. Daher ist in den späteren Kreuzkorrelationen für jede Teilgruppe von sechs Spuren mit sechs unbekannten Multiplikatoren eine siebte Spur, ebenfalls mit einem unbekannten Multiplikator, vorhanden.

Falls irgendein besonderer Zeitpunkt im Verlauf der sieben Korrelationen herausgegriffen wird, ergeben sich dafür sechs Multi-Bits-Amplitudenwerte aus den Teilgruppenspuren und ein Hulti-Bit-Uert von der Hilfsspur, der die Summe der Plulti-Bit-Uerte der Teilgruppen-Spuren ist. Falls dann weiter fünf weitere, verschiedene Zeit-

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punkte nacheinander behandelt werden, ergeben sich für jeden Zeitpunkt sechs ueitere Multi-Bit-Uerte von den Teilgruppen-Spuren und ein weiterer Multi-Bit-Uert von der Hilfsspur. Aus grade diesen sechs Zeitpunkten kann eine Gruppe von sechs simultanen Gleichungen gebildet werden, die nach den Verhältnissen aufgelöst werden können, die alle unbekannten Teilgruppen-Spuren-Multiplikatoren mit dem unbekannten Hilfsspur-Multiplikator bilden. Das ist gleichwertig mit der Auflösung nach den relativen Amplituden zwischen den Teilgruppen-Spuren.

Unter den Bedingungen für tatsächliche AufschluSarbeiten, bei denen alle Spuren mit Geräusch belastet sind, empfiehlt es sich,mehr Zeitpunkte, als Teilgruppen-Spuren vorhanden sind, zu benutzen, um redundante Gleichungsgruppen mit viel mehr Gleichungen als Unbekannten zu erhalten und die redundanten Gruppen z. B. nach dem Verfahren der kleinsten Quadrate aufzulösen, um statistisch zuverlässige Werte der unbekannten Multiplikatoren zu erhalten. Lösungsverfahren für redundante Gruppen linearer Gleichungen werden von verschiedenen Autoren angegeben, z. B. G.P. Barnard, "Rodern Hass Spectrometry", London 1953, Seiten 214 bis 230.

Die vorstehenden Angaben für die Auflösung nach den relativen Amplituden in einer Teügruppe von Spuren reichen nicht aus als Anweisung für die Handhabung einer Vielzahl

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solcher Teilgruppen derart, daß alle relativen Amplituden zuischen allen Spuren ermittelt uerden können. Für diesen abschließenden Schritt müssen Signale übsr einen zweiten Hilfekanal aufgezeichnet uerden. Fig. 6 zeigt zusätzliche Additionsuerke 49 zwischen den Teilgruppen 44a, 44b und 44c, mit welchen die Summen benachbarter Teilgruppen summiert uerden. Die relativen Amplituden aller Teilgruppen-Summen können von diesen Summen der Summen bestimmt uerden. Daraus ergibt sich, daß alle relativen Amplituden zuischen allen Spuren irgendeiner gegebenen Zahl von Spuren durch dieses Schema bestimmt uerden kann, bei denen die Teilgruppen summiert und die Summen der Teilgruppen summiert uerden. Die vorstehenden Erläuterungen zeigen, daß mit dem vorliegenden Verfahren die Kanalkapazitäts-Uirtschaftlichkeit der Vorzeichert-Bit-Aufzeichnung für die Quellen und Empfänger erreicht uird, ohne dafür irgendeine der geuöhnlich erwünschten seismischen Informationen in den endgültigen Aufzeichnungen zu opfern. Selbst die relativen Amplituden zuischen den Spuren können uiedergeuonnen uerden, falls benötigt. Der Ausdruck "Kanalkapazitats-Uirtschaftiichkeit", der hier mehrfach gebraucht uorden ist, bedeutet mehr als den bloßen Zahlenfaktor 16, dar sich durch die umfassenden Bezeichnungen uie "16-Bit-Aufzeichnung" und "Vorzeichen-Bit-Aufzeichnungj ausdrückt. Wenn ueniger Bits pro sek über irgendeinen Informationskanal übertragen uerden müssen, ergeben eich weitere Vorteile, die wiederum

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sich ggf. entsprechend verwerten lassen. So ermöglicht eine geringere Anforderung an die Bit-pro-eek-Kapazität entweder die Verringerung der nutzbaren Bandbreite eines Informationskanals oder, falls das vorteilhafter ist, die Verbesserung des Nutz-ZGeräusch-Verhältnisses.

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Claims (10)

1. Ansprüche

   -I,' Verfahren zur seismischen Bodenuntersuchung mit wenigstens einem an der Oberfläche aufgestellten Detektor und mindestens einer Vibrationsquelle, die mittels einem aus einer Schuingungsfolge gebildeten Signal erregtuird und aufgrund dessen in den Erdboden Vibrationen überträgt, von denen ein Teil nach Brechung und/oder Beugung und/oder Reflexion von dem Detektor aufgenommen uird, worauf das ausgesandte Signal und das von dem Detektor empfangene Signal jeweils im Vorzeichen-Bit-Verfahren aufgezeichnet und diese Aufzeichnungen zur Bildung einer schließlichen Spurenaufzeichnung kreuzkorreliert werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine im wesentlichen linear ansprechende Vibrationsquelle mit einem pseudo-zufälligen Code erregt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein pseudo-zufälliger Code verwendet wird, der einen Gauß¹sehen Null-Mittel-und stationären Vorgang darstellt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung der seismischen Vibrationen in den Boden über das gesamte Zeitintervall fortgesetzt wird, in der die sich ausbreitenden seismischen

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   Schwingungen aufgenommen werden.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden des Kreuzkorrelations-Produktes, das sich durch die Kreuzkorrelation der Vorzeichen-Bit-Darstellung des pseudo-z.ufälligen Codes mit der Vorzeichen-Bit-Darstellung der aufgenommenen seismischen Schwingungen ergibt, entsprechend der Beziehung

   X (U, Y) _s sin/^fx (k(U), k (Y))J (1) transformiert werden, wobei

   k(U) die aufgezeichnete Vorzeichen-Bit-Funktion ist,

   welche die übertragenen Vibrationen darstellt, k(Y) die aufgezeichnete Vorzeichen-Bit-Funktion ist,

   die die empfangenen Vibrationen darstellt, xfk(U), k .(Y)) die Kreuzkorrelations-Funktion von

   k(LJ) und k(Y) ist und
   X(U,Y) die normalisierte Kreuzkorrelations-Funktion

   ist, die sich für die zwei Funktionen U und Y

   bei Aufzeichnung mit voller Amplitude ergibt.
5. 5. Verfahren nach.einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Uiederholungen des Verfahrens gemäß Anspruch 1 mit jeweils anderer Zeitfolge der zufälligen seismischen Vibrationen.

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6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der pseudo-zufällige Code vor dar Verwendung zum Treiben der Vibrationsquelle mit einem Filter gefiltert wird, das aus einer Gruppe gewählt uird, die aus Minirnum-Phase-Band-Pass-Filtern und Null-Phase-Band-Pass-Filtern besteht.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der pseudo-zufällige Code vor seiner Aufzeichnung in Vorzeichen-Bit-Form durch ein Filter gefiltert uird, das aus einer Gruppe gewählt uird, die aus Minimum-Phase-Band-Pass-Filtern und Null-Phase-Band-Pass-Filtern besteht.
8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Mehrzahl uon seismischen Empfängern und einer entsprechenden Mehrzahl von Signalkanälen, die nach einer Aufzeichnungseinheit führen, dadurch gekannzeichnet, daß die Vielzahl von Signalkanälen in Teilgruppen unterteilt wird, von denen jede Teilgruppe wenigstens zwei der Kanäle enthält und daß wenigstens ein Hilfskanal für jede Teilgruppa benutzt uird, um in Vorzeichen-Bit-Form die Summe der Signale jeder Teilgruppe aufzuzeichnen.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

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   für jede Teilgruppe ein weiterer Hilfskanal vorgesehen uird, um in Vorzeichen-Bit-Form die Gesamtsumme aufzuzeichnen, die aus der Summe der Signale innerhalb der Teilgruppe selbst und der Summe der Signale einer benachbarten Teilgruppe besteht.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für den weiteren Hilfskanal eine Verknüpfung hergestellt uird, bei der die Summe der Spuren jeder Teilgruppe zu wenigstens zuei Gesamtsummen beiträgt.

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