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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Filterverfahren, das es ermöglicht,
elliptische Wellen aus anderen Wellen zu diskriminieren, die sich
in einem stofflichen Medium fortpflanzen, und zwar durch eine kombinierte Behandlung
der Komponenten, die gemäß mehreren
Achsen der durch einen mehrachsigen Empfänger empfangenen Wellen gemessen
werden.
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Das
Verfahren nach der Erfindung findet Anwendung in zahlreichen Gebieten.
Anwendbar ist es beispielsweise im Rahmen von Maßnahmen der geophysischen Prospektion,
insbesondere seismischen Prospektion, wo man die Wellen empfängt, welche
aus einer geologischen Formation abhängig von ihr auferlegten Störungen hervorgehen,
und zwar vermittels mit der Oberfläche gekoppelter Empfänger wie
dreiachsigen Geophonen oder einem sogenannten Triphon.
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STAND DER
TECHNIK
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Insbesondere
bei der seismischen Prospektion ist bekannt, dass die sogenannten
Oberflächenwellen nicht
in die Tiefe eindringen. Sie tragen somit im allgemeinen keine für den Explorationsgeophysiker
nützliche Information
und werden als Geräusch
angesehen. Ihre Energie ist jedoch häufig erheblich, verglichen
mit der des Nutzsignals. Die Oberflächenwellen müssen also
filtriert werden.
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An
der Oberfläche
eines elastischen und homogenen halbunendlichen Mediums entwickeln
sich zwei Typen von Oberflächenwellen,
die Rayleigh-Wellen, für
die die Bewegung der Partikel in der Fortpflanzungsebene verbleibt
und die Love-Wellen, für
die die Bewegung der Partikel senkrecht zur Fortpflanzungsebene
erfolgt. Die Bewegung der Partikel beim Durchgang der Rayleigh-Welle
folgt einer Ellipse, die im trigonometrischen Sinn (rücklaufend)
durchlaufen wird; die Achse der Ellipse ist verti kal; das Verhältnis zwischen
der großen
Achse und der kleinen Achse hängt
von den Elastizitätsparametern
des Mediums ab, verbleibt jedoch zwischen 1,4 und 1,9.
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Eine
geologische Formation umfasst im allgemeinen benachbart ihrer Oberfläche eine
Schicht geringer Geschwindigkeit, "Wechselzone" genannt, in der sich geführte Wellen
(sogenannte Pseudo-Rayleigh-Wellen) entwickeln, welche durch positive
Interferenzen für
gewisse Frequenzen zwischen den Reflexionen an der Mauer und am
Dach dieser Schicht geringer Geschwindigkeit gebildet sind. Diese
geführten
Wellen sind auch elliptische Wellen, die sich in der Vertikalebene
fortpflanzen, welche die Quelle und den Empfänger enthalten. Für gewisse
dieser Wellen ist die Bewegung der Partikel rückläufig (retrograd) wie im Falle
der eigentlichen Rayleigh-Wellen; für andere ist sie direkt vorlaufend
(prograd), d. h. im Uhrzeigersinn. Das Verhältnis der Hauptachsen variiert
wegen der Dicke der Wechselzone und wegen des Kontrastes der Geschwindigkeit
zwischen dieser Schicht und dem Substrat. Die durch die Rayleigh-Wellen
und die verschiedenen Arten von geführten Wellen in der Wechselzone
gebildete Anordnung ist stark dispersiv: die scheinbare Geschwin-digkeit variiert
stark mit der Frequenz und kann einen erheblichen Bereich überdecken.
Konsequent können
die Oberflächenwellen
einen großen
Teil der Seismogramme überdecken
und die Nutzinformation wegen ihrer starken Energie verbergen. Sämtliche
dieser Wellen befinden sich in der Fortpflanzungsebene. Sie sind
elliptisch, was sie von den direkten und reflektierten Wellen unterscheiden,
die im Prinzip linear polarisiert sind. Ihre Hauptachsen liegen
nahe der Vertikalen und der Horizontalen.
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Wie
bei den Volumenwellen sind die Oberflächenwellen transitorisch. Die
Störung
aufgrund jeder der Modes der Pseudo-Rayleigh geht mit der eigentlichen
Geschwindigkeit auf die Empfangspunkte. Wegen des Prinzips von Aktion
und Reaktion ist das Zeitintegral der Störung gleich Null – anders
ausgedrückt,
die an einem Punkt aufgezeichnete Störung ist eine kleine Raumwelle
vom Wert Null. Zusammengefasst: die Oberflächenwellen vom Rayleigh-Typ
sind:
- – Dominant,
was es ermöglicht,
sie leicht zu lokalisieren, wenn man über ein Erkennungskriterium
verfügt;
- – elliptisch,
im Gegensatz zu den Volumenwellen, was das Erkennungskriterium ergibt;
- – transitorisch
und damit von einer Dauer, die auf eine oder mehrere Schwingungen
an einer Spur entsprechend einem Empfangspunkt begrenzt ist;
- – dispersiv,
da mit von begrenztem Frequenzgehalt in einem Zeitfenster.
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Mehr
Details hinsichtlich der Oberflächenwellen
finden sich beispielsweise in den folgenden Dokumenten:
- – Tolstoy
I., Usdin E., 1953, "Dispersive
properties of stratified elastic and liquid media: a ray theory", Geophysics, V18,
pp 844–870;
and
- – Mooney
H., Bolt B., 1966 "Dispersive
characteristics of the first three Rayleigh modes for a single surface layer", Bull. Seism. Soc.
Am., V56, pp 43–67.
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Ein
klassisches Filtrierverfahren besteht im wesentlichen darin, als
seismische Empfänger "Spangen" von Geophonen zu
verwenden, die in Reihe miteinander verbunden sind und deren jeweilige
Signale zu summieren. Um wirksam zu sein, soll die durch eine oder
mehrere Spangen gebildete Filtrieranordnung, wie man weiß, eine
Entfernung überbrücken, die
gleich der größten Wellenlänge der
Oberflächen-wellen
ist oder wenigstens gleich der Entfernung zwischen zwei Spuren ist.
Dies bedeutet einige zehn Meter von Kabel, einen Platzbedarf und
ein Gewicht, die erheblich sind sowie eine erhebliche Arbeit beim
Einpflanzen und beim Warten. Dieser Typ von Filtrierung, basierend
auf der Differenz der scheinbaren Horizontal-geschwindigkeiten zwischen
den Oberflächenwellen
und den reflektierten Signalen, ist nur wirksam gemäß der Einpflanzrichtung.
Die Realisation eines isotopen Gelän-defilters, als 3D verwendbar,
ist zu schwer um in Praxis wirksam eingesetzt zu werden.
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Ein
anderes bekanntes Verfahren zum Filtrieren der Oberflächenwellen,
die auf den Seismogrammen nach Verwendung eines Erdfilters verbleiben,
besteht beispielsweise darin, entweder alles das wegzuschneiden,
was von den Geophonen an einen gegebenen Punkt nach einem gewissen
Zeitraum aufgenommen wurde und damit nach Ankunft der Oberflächenwellen
(sogenannter Vorgang der "inneren
mute") oder sämtliche Frequenzen
unterhalb eines gewissen Werts durch Verwendung eines tief schneidenden
Filters zu eliminieren. Diese Filter ruhen auf der Zersetzung der
Auszeichnungen in auseinanderfallenden Bereichen und der Eliminierung
der Bereiche, wo sich das "Geräusch" befindet.
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Bekannt
sind Verfahren der seismischen Prospektion, die die Verwendung mehrachsiger
seismischer Empfänger
sowie eine Behandlung der Signale gemäß wenigstens zweier orthogonaler
Achsen umfassen, welche eine Diskriminierung der Oberflächenwellen
gestatten.
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Aus
der US-A-4.458.341 kennt man beispielsweise ein Verfahren der seismischen
Prospektion, die den Empfang der seismischen Signale umfasst, die
aus einer Formation herrühren,
und zwar durch bi- oder triaxiale Empfänger, die einer Verarbeitungsanordnung
zugeordnet sein können,
die so ausgelegt ist, dass sie die Rayleigh-Wellen erfasst. Die radialen X-Komponenten
und vertikalen V-Komponenten der empfangenen Signale werden an Kreise
zur Filtrierung, der Detektion, der Hüllkurve und des Vergleichs
dieser Anordnung gelegt, die es ermöglichen, ein Empfangsfenster
für die
Rayleigh-Wellen nach deren spezifischen Charakteristiken zu bestimmen
und deren Subtraktion von den empfangenen Signalen zu steuern.
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Aus
der US-Patentschrift 4.935.905 erkennt man auch ein seismisches
Prospektionsverfahren, bei dem man bi- oder triaxiale Geophone benutzt,
um die aus einer Formation herrührenden
Wellen zu empfangen. Die verschiedenen Komponenten der empfangenen
Signale werden ausgedrückt
als Polarkoordinaten. Die Komponenten der Rayleigh-Wellen werden
erhalten ausgehend von diesen Komponenten durch Anwendung einer
mittelnden Methode und können
abgezogen werden.
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Ein
Filtrierverfahren für
die Oberflächenwellen
durch mehrachsige Geophone ist auch offenbart in "Expanded Abstracts,
57th EAEG conference, Glasgow, 1995, B12.
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Aus
der französischen
Patentschrift A-2 648 567 kennt man auch ein Verfahren der numerischen
Verarbeitung von Signalen, angewendet beispielsweise auf die Analyse
von Gehirnwellen, wo man die Analysetechnik durch kleine Wellen
verwendet.
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Zeit-Frequenz-Mischfiltrierung
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Die
Frequenzfiltrierung ist eine harmonische Zersetzung der Spur, gefolgt
von einer Eliminierung auf dem Fourier-Gebiet der Frequenzen, welche
die Oberflächenwellen bilden
(im allgemeinen die tiefsten Frequenzen, bis 15 Hertz, manchmal
mehr) und der Rekonstitution des Signals ausgehend von geschützten Bereichen.
Natürlich
bringt die Eliminierung der charakteristischen Zeit oder Frequenzbereiche
des Geräusches eine
Eliminierung des Teils des Nutzsignals mit sich, das zu diesen Bereichen
gehört.
Um die Überdeckung zwischen
als Geräusch
erkannten Bereichen, die man zu eliminieren wünscht, und dem zu schützenden
Bereich zu begrenzen, wo man hofft, das Signal evident werden zu
lassen, ist es bekannt, Zersetzungen in zwei Zeit-Frequenzdimensionen
vorzunehmen.
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Das
Verfahren nach der Erfindung richtet sich auf die Analysetechnik
des Zeit-Frequenzsignals,
genannt "analyse
par ondelettes",
wo ein Signal durch eine Batterie von kleinen Wellen (ondelettes)
analysiert wird, deren Abmessung in geometrischer Progression variiert,
wobei jede "ondelette" längs der
Spur mit einer Teilung gleich einer Fraktion ihrer Länge translatiert
wird. Diese Technik ist beschrieben beispielsweise in:
- – Goupillaud
P., Grossmann A., Morlet J., 1984/1985, "Cycle-octave and related transforms
in seismic signal analysis",
Geoexploration, V23, p. 85–102.
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Das
Analysensignal der in kleine Wellen (ondelettes) Transformierten
kann jedes Signal mit dem Mittel Null sein. Man kann beispielsweise
den Ricker-Impuls
verwenden.
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In
der Wellentransformierten ist das Signal von konstanter Form. Die
Zeit-Frequenzzersetzung
durch die Wellentransformierte ist ein diskreter Vorgang (gesampelt).
Bei gegebener Größe wird
das Signal um einen konstanten Schritt höchstens gleich einer Periode
W (Zyklus) verschoben. Man lässt
auch seine Abmessung variieren: es wird dilatiert oder komprimiert,
indem man seinen Maßstabskoeffizienten
E gemäß einem
konstanten geometrischen Verhältnis
bzw. gemäß einer
konstanten geometrischen Differenz gleich 2 (höchstens, das ist eine Oktav)
verifiziert. Die Probe in der Zeit T und der Maßstabskoeffizient E der Wellentransformierten ist
das Produkt der Spur mit dem Wellenkoeffizienten vom Maßstab E,
und zwar zentriert auf die Zeit T.
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Wenn
h(t) die Basis der kleinen Welle ist, wird die kleine Welle (ondelette)
mit dem Maßstabskoeffizienten
gleich a, translatiert um b, zu
wo a der Koeffizient oder
Maßstabsparameter
und b der zeitliche Translationsparameter ist. Die Wellentransformierte
eines Signals s(t) schreibt sich zu:
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Die
Rücktransformierte
ist bis auf einen Koeffizienten gleich der Summe der Produkte jedes
Terms der Wellentransformierten durch die entsprechende Welle
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Das
Verfahren nach der Erfindung ermöglicht
es, elliptische Wellen zu diskriminieren, welche sich gemäß wenigstens
einer Fortpflanzungsebene fortpflanzen, darunter Wellen, die sich
in einem stofflichen Medium fortpflanzen (wie beispielsweise einer
geologische Formation). Sie umfasst die Erfassung über wenigstens einen
Empfänger
(gebildet beispielsweise durch einen oder mehrere Richtdetektoren
wie Geophone oder mit dieser Formation gekoppelte Beschleuni-gungsmesser)
für die
Komponenten der Wellen gemäß wenigstens zweier
orthogonaler Richtungen, die mit Bezug auf die Fortpflanzungsebene
der zu filtrierenden elliptischen Wellen gewählt sind.
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Sie
zeichnet sich dadurch aus, dass sie die Bestimmung der Wellentransformierten
der Signale umfasst, die durch diesen Empfänger in Abhängigkeit von den empfangenen
Wellen erzeugt wurden, wobei die Wahl eines Selektionsfensters die
Elliptizitätswerte
der zu filtrierenden elliptischen Wellen einrahmt und eine Selektion
der Amplituden der Wellentransformierten gemäß einem Kriterium vornimmt,
das auf dem Verhältnis ihrer
jeweiligen Amplituden basiert.
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Gemäß einer
Verwirklichungsform verarbeitet man eine Wellentransformierte der
gemäß wenigstens zweier
orthogonaler Richtungen empfangenen Signale, um eine Reihe aufeinanderfolgender
Proben (TOn(Z), TOn(X)) entsprechend einer Aufeinanderfolge von
Maßstabsfaktoren
(f) und Augenblicksfaktoren (T) einer gewählten Analysewelle zu erhalten
und bestimmt damit die Verhältnisse: r1 = TOn(Z)/TO(n – 1)(X); und r2
= TOn(Z)/TO(n + 1)(X)wo (n – 1, n, n + 1) aufeinanderfolgende
Ordnungszahlen darstellen und man validiert Proben, für die die
Werte r1 und r2 dieser Verhältnisse
im Selektionsfenster liegen und rekonstruiert das Feld der elliptischen
Wellen, indem man eine Wellenrücktransformierte
erstellt. Man kann ggf. das rekonstruierte Feld elliptischer Wellen von
den empfangenen Signalen abziehen.
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Das
Verfahren zur Diskriminierung kann beispielsweise zum Filtern elliptischer
Wellen verwendet werden, die sich in einer geologischen Formation
fortpflanzen, indem man einen oder mehrere mehrachsige Empfänger (Geophone,
Beschleunigungsmesser) benachbart der Erdoberfläche oder in Bohrlöchern installiert,
um Oberflächenwellen
oder Wellen, die sich längs
der Bohrlöcher
fortpflanzen, sogenannte Rohrwellen, zu filtern.
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Dieses
Diskriminierungsverfahren kann eingeschlossen sein in ein Verfahren
der seismischen Prospektion einer unterirdischen Formation, wo man
akustische oder seismische Wellen auf die Formation anwendet und
Wellen, die durch Diskontinuitäten
in die Formation zurückgeschickt
werden, vermittels eines oder mehrerer Empfänger empfängt, die so ausgelegt sind,
dass sie je die Komponenten der empfangenen Wellen gemäß einer
von zwei orthogonalen Richtungen wenigstens ermitteln, man empfangene
Signale aufzeichnet und die registrierten Signale durch Eliminieren
der elliptischen Wellen durch eine Bestimmung der Wellentransformierten
der erzeugten Signale für
jeden Empfänger
abhängig
von den Wellen verarbeitet und eine Selektion der Amplituden der
Signale vornimmt, welche aus dieser Wellentransformation gemäß einem
Kriterium resultieren, das auf dem Verhältnis ihrer jeweiligen Amplituden
beruht.
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Nach
einer Verwirklichungsform dieses seismischen Prospektionsverfahrens
verarbeitet man die aufgezeichneten Signale, indem man ein Selektionsfenster
wählt,
welches die Elliptizitätswerte
der zu filtrierenden elliptischen Wellen einrahmt, wobei man eine
Wellentransformierte der Signale, die gemäß wenigstens zweier orthogonaler
Richtungen empfangen wurden, herstellt, um eine Reihe aufeinanderfolgender
Proben TO(X), TO(Z) entsprechend einer Aufeinanderfolge von Maßstabsfaktoren
(f) und IST-Faktoren (T) einer gewählten Analysewelle zu erhalten
und indem man genauso die Verhältnisse
bestimmt: r1 = TOn(Z)/TO(n – 1)(X); und r2
= –TOn(Z)/TO(n
+ 1)(X)wo (n – 1,
n, n + 1) die aufeinanderfolgenden Ordnungszahlen darstellen, indem
man Proben validiert, für
die die Werte r1 und r2 dieser Verhältnisse im Selektionsfenster
liegen und indem man das Feld der elliptischen Wellen rekonstruiert
und dabei eine Wellenrücktransformierte
erstellt. Man kann dann ggf. durch Substraktion das rekonstruierte
Feld elliptischer Wellen von den empfangenen Signalen abziehen.
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Das
Verfahren zum Filtrieren elliptischer Wellen gemäß der Erfindung arbeitet mit
einer energetischen Filtrierung der Oberflächenwellen, indem man nur an
jedem Ort auf der Erde einen einzigen Empfänger mit zwei Komponenten und
einer Zersetzung der seismischen Spuren in Zeit-Maßstabsbausteine
verwendet. Dieses Verfahren öffnet
den Weg für
das Ersetzen der schweren Empfangsvorrichtung auf der Erde, wie
sie üblicherweise
verwendet wird, mit einer oder mehreren Spangen von Geophonen pro
Spur durch 3 Komponentenempfänger,
die einmalig für
jeden gewählten
Empfangspunkt sind.
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Die
Qualität
der nach den vorgeschlagenen Verfahren erhaltenen Filtrierung an
den durch die drei axialen Empfänger
auf der Erde erzeugten Signale ist besser als die, die man klassischerweise
durch Summierung der Aufzeichnungen von Spangen von Geophonen erhält, welche über erhebliche
Längen
ausgebreitet sind. Berücksichtigt
wird die reelle Elliptizität
der elliptischen Wellen, die in der Realität stark variabel ist, ohne irgendeine
vereinfachende Hypothese hinsichtlich der Natur ihrer Polarisation vorzunehmen.
Die Filtrierung elliptischer Wellen ermöglicht die Abschwächung der
Oberflächenwellen
erheblicher Geschwindigkeit. Die Aufzeichnung auf einen einzigen
mehrkomponentigen Empfänger
vermeidet im übrigen
das Abschwächen
der hohen Frequenzen aufgrund der Summierung unter Abstand befindlicher
Aufzeichnungen.
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Andere
Merkmale und Vorteile des Verfahrens nach der Erfindung werden deutlich
beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen,
die als nicht begrenzende Ausführungsbeispiele
gegeben werden, und zwar bei einer in der Geophysik besonderen Anwendung,
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen
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1 schematisch eine Ausführungsform
der Vorrichtung zur Verwirklichung des Verfahrens, angeordnet auf
dem Terrain benachbart dem Einpflanzungsort eines Empfängers zeigt;
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2 zeigt schematisch eine
andere praktische Realisierungsweise, wo die Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens in einem Verarbeitungs- und Vorbehandlungskasten für die empfangenen
Signale eingeschlossen ist;
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die 3a, 3b, 3c zeigen
jeweils ein originales Seismogramm, ein anderes stellt die elliptischen
Wellen und ein drittes die Differenz der beiden vorhergehenden dar;
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die 4a, 4b, 4c, 4d zeigen Seismogramme einer
elliptischen gefilterten Komponente Z mit auseinanderfallenden Elliptizitätsfenstern,
jeweils (–2,2, –0,8), (–0,8, 0),
(0, 0,8) und (0,8, 2,2);
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die 5a, 5b, 5c zeigen
jeweils ein Seismogramm, das mit einer Spange von 9 Geophonen erhalten wurde,
welche ein Terrainfilter realisieren, ein anderes mit einem einzigen
dreiachsigen Empfänger
erhaltenes und ein drittes, das das Ergebnis der Filtrierung elliptischer
Wellen nach der Erfindung zeigt; und
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die 6a, 6b, 6c, 6d zeigen jeweils die Seismogramme
einer Rohkomponente Z (6a), die hinsichtlich der Elliptizität (6b)
gefiltert ist, nach Anwendung eines Wellenzeit-Frequenzfilters (6c)
und nach Filtern der Luftwelle.
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Das
Verfahren nach der Erfindung nutzt die Wellentransformationstechnik
der oben angegebenen Art und die an sich bekannt ist, aus, um die
elliptischen Wellen zu erfassen und zu diskriminieren.
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Nachdem
hierzu die Wellentransformierten TO(X) und TO(Z) der Komponenten
X und Z bestimmt sind, die hinsichtlich der Viertelperiode (oder
dem Viertelzyklus) getastet wurden, kann man das eventuelle Vorhandensein
einer elliptischen Welle untersuchen, indem das Verhältnis r
der n-ten Probe der Z-Transformierten zur (n – 1)-ten Probe von X berechnet: r = TOn(Z)/TO(n – 1)(X)
genauso wie das Verhältnis –TOn(Z)/TO(n
+ 1)(X) und dies solange der Durchgang der elliptischen Welle dauert
(die, wir erinnern uns, dominant ist). Man verifiziert nämlich, dass
dieses Verhältnis
r gleich der Elliptizität
a/b dieser elliptischen Welle ist.
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Durch
dieses Mittel wird es möglich,
das Vorhandensein elliptischer Wellen zu erfassen, deren Elliptizität in einem
gegebenen Fenster fliegt, indem man die Wellentransformierten selektioniert,
für die
der Wert des Verhältnisses
r in eben diesem Fenster f enthalten ist.
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Die
Rekonstruktion der seismischen Wellen, die von den Oberflächenwellen
befreit wurden, kann dann vorgenommen werden, indem man die beiden
Maßstabs-Bausteine auseinanderrückt, für welche
die Verhältnisse: r1 = TOn(Z)/TO(n – 1)(X) oder r2
= –TOn(Z)/TO(n
+ 1)(X)im Fenster f enthalten sind. Die Zeit-Maßstabsbausteine,
für die
die Verhältnisse
r im bestimmten Fenster sich befinden, ermöglichen es, den Beitrag der
Oberflächenwellen
abzuschätzen.
Dieser Beitrag kann dann an den Ausgangsseismogrammen angebracht
werden.
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Konstruktion des Filters
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Die
Filtrierung der elliptischen Wellen wird wie folgt durchgeführt:
- 1) Man nimmt die Wellentransformierte der Komponenten
X und Z einer Aufzeichnung mit zwei oder drei Komponenten;
- 2) man wählt
ein Selektionsfenster, welches die Elliptizitätswerte der zu filtrierenden
Wellen definiert;
- 3) für
jeden Weg (d. h. für
jeden Wert des Maßstabskoeffizienten
der Analysewelle) und für
jede Zeitprobe (d. h. für
jede Translation eben dieser Welle) werden die Verhältnisse
berechnet: r1 = TOn(Z)/TO(n – 1)(X); und r2
= –TOn(Z)/TO(n
+ 1)(X)
- 4) die Proben werden selektioniert, indem man validiert:
- a) die Proben TO(Z)n und TOn – 1(X)(n – 1) für die r1 sich im Selektionsfenster
befindet, und
- b) die Proben TOn(Z) und TO(n – 1)(X) für die r2 sich im Selektionsfenster
befindet,
und indem man die nicht validierten Proben gleich
Null setzt.
- 5) Man nimmt die Rekonstruktion des Feldes elliptischer Wellen
durch Wellenrücktransformation
vor.
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Um
von elliptischen Wellen befreite Seismogramme zu erhalten, genügt es, das
Feld erhaltener elliptischer Wellen von den Ursprungsseismogrammen
abzuziehen.
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Die
Vorrichtung zur Verwirklichung des Verfahrens wird zugeordnet in
Kombination mit wenigstens einem Empfänger R für akustische oder seismische
mehrkomponentige Wellen (1, 2). Dieser Empfänger R umfasst
wenigstens zwei Geber, deren Achsen gemäß zwei orthogonaler Richtungen
orientiert sind, die bevorzugt mit Bezug auf eine Polarisationsebene
der zu entschlüsselnden
elliptischen Wellen gewählt
sind. Bei der seismischen Prospektion beispielsweise verwendet man
typischerweise einen dreiachsigen Empfänger, von dem eine der Achsen
in der Ebene angeordnet ist, welche die seismische Welle und den
Kopplungsort des Empfängers
enthält
Die Vorrichtung umfasst eine Verarbeitungsanordnung 1,
die einen Analog-Digital-Wandler 2 für die Probennahme
und die Digitalisierung der verschiedenen durch den Empfänger R empfangenen Signale
umfasst. Um eine eventuelle Azimuth-Abweichung des die Achse des vertikalen
Aufnehmers enthaltenden Ebene und die eines der horizontalen Empfänger bezüglich der
vertikalen Bezugsebene zu berücksichtigen,
welche den Ort der seismischen verwendeten Quelle sowie den Ort
des Empfängers
enthält,
umfasst die Verarbeitungsanordnung 1 ein Rechnerelement 3 für die Koordinaten
X, Z in eben dieser Bezugsebene sowie einen Filterprozessor zur
Realisierung der Diskriminierung der elliptischen Wellen aus den
empfangenen Wellen und ihrer eventuelle Eliminierung gemäß dem oben
definierten Algorithmus. In der Praxis verwendet man bevorzugt einen
programmierten Rechner 4, um insbesondere die Stufen des
Diskriminierungsalgorithmus zu realisieren.
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Um
sämtliche
Funktionen der Erfassung und Verarbeitung der für jeden Empfänger R gemäß dem Verfahren
erzeugten Signale zu realisieren, kann man vorzugsweise eine lokale
Erfassungseinheit RTU (2) sowie
die in den französischen
Patentanmeldungen EN 94/06514 und 2.692.384 beschriebenen des Anmelders
verwenden. Jede lokale Einheit RTUi, RTUj (2) wird benachbart wenigstens eines seismischen
Terrainempfängers
Ri, Rj angeordnet und angeschlossen. Außer eines Verarbeitungsprozessors
umfasst jede dieser lokalen RTU-Einheiten einen komplementären Rechenprozessor
(vom Typ DSP), der programmiert ist, um in Realzeit ausgedehnte
Funktionen durchzuführen:
Verarbeitung der Daten vor ihrer Übertragung wie verschiedene
Kombinationen seismischer Signale, Kompression von Daten, Regelung
von Qualität,
vorgenommen in Realzeit während
der Phase der Ausbreitung der seismischen Ausrüstung (seismische Empfänger und elektronische
Geräte).
Jede lokale RTU-Einheit erfasst und behandelt die empfangenen seismischen
Daten der Formation als Antwort auf seismische, in den Boden durch
eine seismische Quelle S übertragener
Signale, bevor sie an ein zentrales Steuer- und Aufzeichnungslabor
L über
Kabel oder Funkweg übertragen
werden.
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Zusätzliche
Verarbeitungsprogramme, die der Verwirklichung des Verfahrens nach
der Erfindung eigen sind, können
in diesem Fall in solchen Terraineinheiten eingeschlossen sein,
die man im Bedarfsfall an wenigstens einen mehrachsigen Empfänger R anschließt.
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Die
Verarbeitungsanordnung kann auch ein zwischengeschaltetes (nicht
dargestelltes) Hochpassfilter umfassen.
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Es
ist auch möglich,
wenigstens zwei der drei Komponenten jedes Empfängers aufzuzeichnen und die Filtrierung
anschließend
an die Erfassung auf dem Erdboden vorzunehmen, unabhängig ob
dies in einem zentralen Terrainlabor oder in einer zentralen Recheneinheit
geschieht.
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Experimentelle Validierung
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Seismische
Aufzeichnungen wurden mit einer seismischen Ausrüstung vorgenommen, die umfasste:
- – alternativ
eine Spange klassischer Geophone mit 9 miteinander verbundenen Geophonen
oder einen einzigen dreiachsigen 3C-Empfänger,
- – eine
seismische Quelle mit Gewichtsabfall, und
- – eine
Erfassungs- und Aufzeichnungseinheit für Signale mit dem Schritt von
2 Millisekunden.
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Anwendungsbeispiel der
Filtrierung elliptischer Wellen
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Die 3–7 zeigen
Ergebnisse der Rekonstruktion durch Rücktransformation der Wellentransformierten
des Seismogramms bei der Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung.
Die Transformierte wird mit der zeitlichen Viertelperiode getastet.
Das Tasten mit der Maßstabshalboktave
gibt eine zufriedenstellende Rekonstruktion für einen Viertelbasiszyklus
von 24 ms und eine Kompression des Analysensignals über 2,5
Oktaven. Für
eine gute Rekonstruktion bevorzugt man, dass der Probenname oder
Tastungsschritt höchstens gleich
der Achtelperiode des schmalsten Signals ist.
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Bewertung der elliptischen
Wellen
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Das
Frequenzband, in dem sich die Oberflächenwellen befinden, ist begrenzter
als das des Nutzsignals. Man kann also diese Wellen über eine
begrenzte Zahl von Oktaven abschätzen
und die Abschätzung
der elliptischen Wellen vom Anfangsseismogramm subtrahieren.
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Genauso
wie man eine Frequenzanalyse durch Nebeneinanderanordnung von Filtern
in unterschiedlichen Frequenzbändern
realisiert, kann man eine Elliptizitätsanalyse realisieren, indem
man ein Seismogramm mit auseinanderfallenden Elliptizitätsfenstern
filtriert. Die Analyse zeigt (4a bis 4d), dass die bei 570 m/s
Ankommenden eine "Elliptizität" haben, die im wesentlichen
zwischen (–0,8
und 2,2) liegt. Die negativen Werte bedeuten, dass diese elliptischen
Wellen eine Bewegung der Partikel im Uhrzeigersinn oder eine Vorlaufbewegung
mit sich bringen. Es handelt sich um M2-Wellen oder sogenannte Sesawa-Wellen.
Die beschriebenen Ellipsen haben ihre Hauptachse auf der Horizontalen.
Diese auseinanderfallenden Filter ermöglichen es, Elliptizitätsmerkmale
der verschiedenen aufgezeichneten Wellen zu analysieren und deren
Natur zu präzisieren.
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Vergleich mit einem terrestrischen
Filter
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In
den 5a bis 5c, wo die Aufzeichnungen,
die mit einer Spange von Geophonen durchgeführt wurden, die Komponente
Z des einzigen 3C-Gebers und das aus dem elliptischen Wellenfilter
stammende Signal nebeneinander angeordnet sind, sieht man beispielsweise,
dass die Pseudo-Rayleigh-Wellen bei 570 m/s nicht durch die Spange
von Geophonen filtriert sind, was zu kurz ist. Dies gilt auch für die Wellen
von 2200 m/s. Das Filter für
die elliptischen Wellen ist wirksamer in diesen Bereichen. Im übrigen scheint
der Frequenzinhalt des reflektierten Feldes ganz erheblich größer auf
dem Filterseismogramm, das aus dem einzigen Geber 3C stammt.
Auf dem filtrierten Seismogramm 5C verbleibt eine Welle
geringer Geschwindigkeit, deren Polarisation praktisch linear ist.
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Diese
Welle stellt eine ziemlich konstante Pseudoperiode dar und kann
leicht durch ein Wellenzeit-Frequenzfilter entfernt werden.
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Die
Luftwelle, dargestellt durch den Hochfrequenzvorgang, der in den 6a bis 6c sichtbar ist, gibt das Maß für die Schwächung, die
durch das verwendete Filter für
die elliptischen Wellen realisiert wurde. In 6d wurde diese Luftwelle durch ein Niederfrequenzfilter
filtriert.
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Es
scheint also, wie dies die vorstehenden Beispiele bestätigen, dass
die elliptischen Oberflächenwellen,
die Rayleigh-Wellen und Pseudo-Rayleigh-Wellen gefiltert werden
können
durch ein Filter für
elliptische Wellen, wenn man über
Aufzeichnungen in der Quelle-Empfängerrichtung und auf der Vertikalen
verfügt.
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Die
Ergebnisse des Wellenfiltrierverfahrens, das für die durch die triaxialen
Empfänger 3 auf
dem Erdboden erzeugten Signale vorgeschlagen wurde, sind besser
als die, die man klassischerweise durch Summierung der Aufzeichnungen
aus 9 über
20 Meter ausgebreiteten Geophonen erhält. Das Filter für die elliptischen Wellen
ermöglicht
die Dämpfung
der Oberflächenwellen
großer
Geschwindigkeit und die Aufzeichnung auf einem einzigen Aufnehmer
ermöglicht
es, die Dämpfung
hoher Frequenzen aufgrund der Summierung unter Abstand vorgenommener
Aufzeichnungen zu vermeiden.
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Im
Rahmen der Anwendungen auf die Geophysik kann das Verfahren nach
der Erfindung beispielsweise verwendet werden, um die Wellen mit
elliptischem Charakter bezogen auf andere Wellen zu diskriminieren,
handele es sich nun beispielsweise um Wellen mit geradliniger Polarisation
oder selbst um andere elliptische- Wellen, derart, dass die einen
von den anderen diskriminiert werden können. Solche elliptischen Wellen können Oberflächenwellen
oder auch Rohrwellen sein.
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Beschrieben
wurden Ausführungsformen,
die im Rahmen einer Verarbeitung geophysikalischer Daten zur Anwendung
kamen. Es ist jedoch selbstverständlich,
dass das Verfahren zur Diskriminierung und Filtrierung der elliptischen
Wellen nach der Erfindung in anderen Gebieten und auf andere Wellentypen
als die akustischen oder seismischen Wellen angewendet werden kann,
insbesondere bei elektrischen, elektrophysiologischen Signalen,
etc.
