FR2633058A1 - Procede pour produire et enregistrer des vibrations aleatoires non impulsionnelles pour l'exploration sismique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne les techniques d'exploration sysmique utilisant des sources non impulsionnelles. L'invention décrit un procédé de génération de balayages aléatoires pour des sources consistant en vibrateurs sismiques 11, qui donne des corrélogrammes ayant un niveau réduit de contamination par des lobes latéraux. On utilise des codes numériques à phase aléatoire pour exciter des sources non impulsionnelles. Les signaux issus de détecteurs 13 sont traités en utilisant des corrélations de balayages périodiques. Application à l'exploration sismique dans des zones urbaines.

Description

La présente invention concerne une technique

d'exploration sismique dans laquelle des vibrations sis-

miques générées par une ou plusieurs sources vibratoires non impulsionnelles, sont injectées dans la terre, et des réflexions ultérieures sont enregistrées par une série de

détecteurs à des emplacements éloignés de la source.

L'invention porte plus particulièrement sur la construc-

tion d'un code de commande aléatoire numérique, essentiel-

lement dans le domaine des fréquences, à partir d'une

petite onde noyée, pré-spécifiée,.définie par son ampli-

tude en fonction du temps, ayant un niveau minimal de lobes latéraux,et ensuitesurl'utilisation d'un tel code

pour exciter des vibrateurs afin de produire des enregis-

trements sismiques finals par une intercorrélation dans laquelle la cohérence des domaines est maintenue. Selon un aspect supplémentaire, l'invention présente la possibilité

supplémentaire surprenante de pouvoir indiquer des accumu-

lations de pétrole et de gaz, même lorsque de telles ac-

cumulations se trouvent au-dessous de zones urbanisées et sont affectées par un bruit lié à l'activité humaine, ou lorsque de telles accumulations se trouvent à l'intérieur

de pièges stratigraphiques.

Les termes "vibrateurs non impulsionnels" et "systèmes vibratoires non impulsionnels" font référence au

système VIBROSEIS RdeContinental Oil Company, qui est dé-

crit par exemple dans le brevet des E.U.A. 2 688 124. Dans un tel système, on génère des ondes sismiques au moyen de

vibrateurs mécaniques placés à la surface de la terre.

Chacun des vibrateurs est fermement ancré à la terre par

le poids combiné de.la source. On peut développer des for-

ces d'une valeur de crête au voisinage de 100 à 200 kN

(et jusqu'à 360 kN), par l'interaction rapide, non explo-

sive, du système piston/plaque de base de chaque vibra-

teur. Le poids de chaque vibrateur est donc proportionnel-

lement grand, pour maintenir le contact continu désiré

entre le vibrateur et la terre pendant le fonctionnement.

Les ondes qui sont émises dans la terre consistent en

longs trains d'ondes sinusoidales ayant des caractéristi-

ques de fréquence et de durée prédéterminées, au lieu des impulsions d'ondes plus abruptes qu'émettent dans la ter- re les sources explosives utilisées avant le système

VIBROSEIS , ou les procédés à "chute de poids", compre-

nant ceux que procurent divers systèmes de codage impul-

sionnel, comme par exemple les techniques dites de "coda-

ge d'impulsions".

Une certaine confusion peut exister en ce qui concerne les différences entre les signaux que produit le système VIBROSEIS et ceux que produisent des sources impulsionnelles, comme celles qu'on obtient en faisant

exploser de la dynamite ou des mélanges explosifs de pro-

pane et d'air, ou les procédés de "chute de poids", com-

prenant les techniques de codage d'impulsions.

Il est bien connu qu'on peut mesurer la capacité

de tout signal (y compris des signaux sismiques) à ache-

miner de l'information, d'une manière analogue à la dé-

termination du volume d'un conteneur. Le volume est le produit de la hauteur par la largeur et par la longueur;

de façon similaire, la capacité d'acheminement d'informa-

tion d'un signal est liée au produit de l'amplitude, de

la largeur de bande de fréquence et de la longueur du si-

gnal.

La dynamite employée en tant que source d'éner-

gie sismique, produit un signal d'entrée ayant une ampli-

tude (hauteur) et une largeur de bande considérables,

mais une très faible longueur. Au contraire, des vibra-

tions "non impulsionnelles" qui sont générées à la maniè-

re d'un système VIBROSEIS , ont une amplitude limitée, mais ceci est compensé par la grande longueur du signal d'entrée et par une reproduction fidèle et continue du

signal de commande sur le spectre de fréquence intéres-

sant. Autrement dit, dans le système VIBROSEIS , les spectres d'amplitude et de fréquence sont commandés de façon précise et continuelle, de façon que les spectres d'énergie résultants changent progressivement en fonction du temps. On obtient ainsi un signal de sortie à variation progressive ayant des caractéristiques de fréquence et de durée désirées, par opposition au signal de sortie sous forme d'onde carrée en codage binaire (par tout ou rien) que génèrent les procédés de codage d'impulsions dans lesquels l'énergie par coup est pratiquement constante et

ne peut pas être commandée ainsi.

Une caractéristique supplémentaire essentielle

du système VIBROSEIS réside dans le traitement. des don-

nées.reçues pour produire des enregistrements qui tendent à montrer des impulsions courtes qu'on appelle la petite onde noyée, et qui représentent des réflexions à partir d'interfaces souterraines. On obtient de telles.réponses par intercorrélation entre la représentation enregistrée des ondes vibratoires qui sont émises dans le sol, et la

représentation enregistrée des ondes reçues ultérieure-

ment, pour produire un enregistrement qu'on appelle un corrélogramme. -* Le brevet des E.U.A. n 4 601 022 et le brevet des E.U.A. n 4 486 866, cédésà la Demanderesse, décrivent des systèmes vibratoires non impulsionnels, prévus pour

l'utilisation dans des situations d'exploration particu-

lières. Les circonstances d'exploration particulières

considérées comprennent l'exploration dans des zones ur-

baines et la détermination de pièges stratigraphiques, dans lesquelles les-vibrateurs sont excités par un code

numérique aléatoire qui est caractérisé comme étant gaus-

sien, stationnaire et à moyenne nulle.

Cependant, du fait que le code pour la commande

des vibrateurs est élaboré à partir d'une série finie de.

nombres, les autocorrélations résultantes, après la géné-

tion, la collecte et le traitement des vibrations, peu-

vent quelquefois présenter un niveau élevé de lobes laté-

raux. Un tel inconvénient limite l'utilité de la techni-

que dans certaines situations d'explorations, comme par exemple lorsqu'on s'intéresse à des cibles profondes. Bien qu'on sache à l'heure actuelle que l'augmentation de la longueur de la séquence numérique, en combinaison avec une corrélation correcte, réduirait le problème des lobes latéraux, cette solution surprenante aurait toujours l'inconvénient d'allonger excessivement la durée totale

nécesssaire pour la collecte des données. D'autres in-

convénients liés à la collecte des données pourraient alors prendre de l'importance; à titre d'exemple, il pourrait y avoir une augmentation de la probabilité de contamination des traces résultantespar le bruit lié à

l'activité humaine.

Le brevet des E.U.A. n 4 168 485 décrit la gé-

nération et l'utilisation de balayages aléatoires numé-

riques et analogiques, dans un ensemble particulier de

circonstances, pour résoudre un problème spécial, c'est-

à-dire celui dans lequel deux lignes sismiques, ou plus, placées dans des positions adjacentes, font l'objet d'un enregistrement simultané, ce qui conduit à l'existence d'une contamination mutuelle des données. Dans le procédé du brevet précité, on élabore indépendamment des codes de

commande séparés pour exciter les vibrateurs afin de gé-

nérer des vibrations dans la terre. Cependant, alors que les spectres d'amplitude des deux codes sont les mêmes,

leurs phases sont aléatoires. Par conséquent, on peut sé-

parer mutuellement les corrélogrammes finals de chaque li-

gne, après traitement. Bien que dans le brevet précité, on génère de tels codes à partir d'une série finie de nombres

aléatoires, cette opération est effectuée sans pré-spéci-

fier la forme de l'autocorrélation, et sans identifier le mode de corrélation correct qu'une telle pré-spécification

et une construction ultérieure exigent. L'inventeur a dé-

couvert que ces derniers paramètres étaient importants.

Du fait que l'autocorrélation de n'importe quelle séquen-

ce aléatoire est toujours accompagnée par un niveau élevé de lobes latéraux en l'absence des deux dernières condi-

tions, le procédé conforme au brevet précité conduit tou-

jours à une mauvaise résolution dans le cas de nombreuses cibles d'exploration qui présentent un intérêt. Le terme

"faible niveau de lobes latéraux" signifie que les ampli-

tudes de corrélation s'évanouissent rapidement lorsqu'on s'éloigne de la valeur de retard égale à zéro, et que des

augmentations de niveau qui apparaissent ensuite sont mi-

nimales. Dans son livre intitulé "REFLECTION SEISMOLOGY", K.E. Waters présente des commentaires supplémentaires plus critiques sur la génération de balayages aléatoires numériques analogiques, à la fois dans des circonstances particulières et des circonstances générales. Il conclut que de tels balayages ne sont pas compatibles-avec le fonctionnement de vibrateurs classiques, à cause d'un mauvais rendement dans la génération d'énergie. De plus,

après traitement, le niveau de lobes latéraux d'autocor-

rélations associées peut être élevé, ce qui nécessite

l'utilisation de techniques d'atténuation de lobes laté-

raux, comme décrit précédemment.

Conformément à l'invention, on élimine les dé-

fauts précités dans des balayages aléatoires pour des sources consistant en vibrateurs qu'on utilise dans la collecte de données sismiques en employant des techniques de collecte classiques, c'est-à-dire des procédés à point central commun ou PCC, en procédant de la façon suivante: (i) on pré-spécifie la forme de l'autocorrélation par une petite onde de mérite noyée, du type amplitude/temps, de façon que cette onde soit compatible avec les exigences

de caractéristiques de transmission de la terre et de ré-

ponse des vibrateurs; (ii) on construit un code de comman-

de numérique pour les sources vibratoires, essentiellement dans le domaine des fréquences (DF) en utilisant, entre autres, les représentations dans le domaine des fréquences de l'autocorrélation pré- spécifiée mentionnée en dernier,

et (iii) on détermine l'intercorrélation des ondes réflé-

chies qui sont reçues à la surface de la terre (après transformation inverse des représentations dans le domaine des fréquences, et activation du système), en utilisant des techniques d'extension différentes pour le code (ou des représentations de celui-ci) et les données reçues,

afin de maintenir la cohérence des domaines.

Pendant le fonctionnement, on commande la valeur

de la pression de la plaque de base de la source vibratoi-

re (ou des sources) contre la terre, en fonction du temps, en employant le code numérique construit qui est indiqué en (ii) ci-dessus. Les ondes vibratoires résultantes se propagent ensuite dans la terre selon une forme d'onde déplacement-temps de type aléatoire, compatible avec les exigences de caractéristiques de transmission de la terre

et de réponse des vibrateurs. Le signal de sortie vibra-

toire des vibrateurs excités possède néanmoins une carac-

téristique puissance/fréquence aléatoire souhaitable, qui

est utile dans les circonstances indiquées dans les bre-

vets des E.U.A. n 4 601 022 et 4 486 866 précités. Après que les vibrations ont été réfléchies sur des cibles dans la terre et collectées dans une série de détecteurs le

long de la ligne d'exploration, on calcule ensuite l'in-

tercorrélation entre les enregistrements de trace résul-

tants et le code de. commande numérique, selon un mode

réellement compatible avec des paramètres qui sont inhé-

rents à la construction du code dans le domaine des fré-

quences, c'est-à-dire compatible avec le fait qu'une pe-

tite onde de mérite est pré-spécifiée et que des formu-

les de Fourier sont utilisées pour calculer des représen-

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tations de cette autocorrélation, dans le domaine des fréquences. Pendant la corrélation, la construction du code de commande numérique dans le domaine des fréquences peut altérer les corrélogrammes résultants, sauf si on utilise

les techniques d'extension indiquées en (iii) ci-dessus.

A cet égard, on a trouvé avec surprise que le code de commande (ou ce qui le représente) doit faire l'objet d'une extension périodique avant l'intercorrélation, par

reproduction périodique et non par remplissage des extré-

mités avec des zéros, comme on le faisait précédemment.

La raison en est la suivante: dans des systèmes d'ex-

ploration PCC classiques, dans lesquels la corrélation

est effectuée dans le domaine des fréquences, des corré-

lateurs actuels utilisent une hiérarchie classique dans

les ordinateurs, qui est normalisée selon une base de 2.

L'intervalle d'échantillonnage de fréquence du code de

commande au moment de la corrélation avec l'enregistre-

ment de trace, devient une fonction du produit de cette base par la longueur de balayage. Par conséquent, pendant

la corrélation dans le domaine des fréquences, l'inter-

valle d'échantillonnage de fréquence est égal à la moitié de l'intervalle d'échantillonnage qu'on utilise pour

construire le code de commande. Le résultat est le sui-

vant: les échantillons supplémentaires à remplir par in-

terpolation de la transformée de Fourier correspondante

ne conservent pas une intégrité correcte du spectre d'am-

plitude dans-de telles conditions, sauf si le code de

commande est étendu de la manière spécifiée dans la pré-

sente invention. Cependant, les enregistrements de traces sont toujours étendus jusqu'à une longueur d'échantillon

normalisée, c'est-à-dire une valeur égale à k fois la va-

leur du code numérique, par remplissage avec des zéros.

En ce qui concerne encore le point (iii) ci-

dessus, on note que du fait que l'invention emploie les représentations de l'autocorrélation dans le domaine des

fréquences, en tant que signal de mérite noyé pré-spéci-

fié, la cohérence des domaines exige que les formules de Fourier qui convertissent ce code pendant la corrélation aient une répétition infinie dans les directions négative et positive du temps. On réalise ceci conformément à

l'invention, simplement par l'extension du code de com-

mande dans les directions positive et négative, en utili-

sant une répétition périodique. On note que l'enregistre-

ment de trace est étendu de manière classique.

Ceci conduit au résultat suivant: outre le fait

que les exigences de réponse des vibrateurs et de la ter-

re, pour maximiser le rendement de génération, sont sa-

tisfaites, ceci s'accompagnant de l'obtention de caracté-

ristiques puissance/fréquence souhaitables, les inter-

corrélations finales résultantes ont également un niveau de lobes latéraux étonnamment bas. Par conséquent, il n'y a jamais de confusion entre des événements associés à des événements profonds dans les corrélogrammes résultants,

et des événements à faible profondeur qui sont temporaire-

ment proches. Un résultat supplémentaire du faible niveau de lobes latéraux dans les corrélogrammes, consiste en ce que des procédés utilisés précédemment en association avec la collecte aléatoire, pour améliorer des rapports

signal à bruit d'événements intéressants, deviennent inu-

tiles, ces procédés consistant par exemple à exciter de nombreux balayages aléatoires différents en un seul point source, à corréler chaque profil et à empiler ensuite les traces communes. On peut également utiliser des techniques de multiplication par un facteur d'échelle, comme dans la technique d'empilement en diversité qui est décrite par

Waters dans l'ouvrage précité (qui est d'une grande uti-

lité dans des environnements affectés par du bruit lié à l'activité humaine). Un tel traitement de multiplication par un facteur d'échelle est impossible à mettre en oeuvre lorsque le dispositif d'interprétation doit comporter une atténuation de lobes latéraux de type classique, comme

décrit précédemment.

Dans le fonctionnement, le spectre de phase du code numérique est de préf ére-ne aléatoire, tandis que la

longueur du code est -égale à celle utilisée dans la géné-

ration de données sismiques de type PCC classique. Le code lui-même consiste en une série finie de nombres aléatoires codés dans une mémoire morte programmable électriquement (E-PROM), à l'entrée d'un circuit de commande numérique classique. Du fait qu'on peut intégrer la mémoire EPROM

d'une manière itérative, les sources vibratoires se dépla-

çant d'un point source à un autre-le long d'une ligne

d'exploration-peuvent être excitées d'une manière aléatoi-

re mais répétitive, c'est-à-dire qu'il peut y avoir une redondance de point source en point source le long de la ligne d'exploration. Ainsi, conformément à l'invention, les traces enregistrées qui sont associées à un point central commun peuvent être multipliées par un facteur d'échelle avant être d'empilées, comme il est habituel

dans la technique d'empilement avec diversité décrite ci-

dessus. Autrement dit, après que les traces ont été mul-

tipliées par un facteur d'échelle pour éliminer le bruit lié à l'activité humaine, les traces rassemblées peuvent

être empilées et la trace empilée fait l'objet d'une cor-

rélation avec le code de commande, par balayage périodi-

que, de la manière conforme à l'invention.

Dans la construction du code numérique, on main-

tient de préférence son enveloppe d'amplitude constante.

Il faut cependant noter qu'on peut également dire que

l'amplitude des représentations analogiques du code numé-

rique (qui sont appelées dans le balayage) est aléatoire, du fait que sa valeur est directement liée à un spectre de phase randomisé particulier qui est fourni. On doit

donc reconnaître la dualité de-la relation entre l'ampli-

tude et la phase. Du fait que le code numérique peut ha-

bituellement être converti aisément en un signal de ba-

layage alternatif continuel, la compatibilité avec des

circuits de commande utilisés dans des systèmes d'explo-

ration vibratoires classiques est assurée.

Selon un aspect plus détaillé, la présente in-

vention emploie les étapes suivantes pour construire le code de commande aléatoire: (a) après avoir pré-spécifié une autocorrélation de mérite numérique finie, Ak, ayant un niveau minimal de lobes latéraux, et des caractéristiques compatibles dans le domaine des temps, en ce qui concerne la transmission par la terre et la réponse du système de vibrateurs, on

convertit l'autocorrélation pré-spécifiée en représenta-

tions dans le domaine des fréquences, comprenant son spectre de puissance, pj, en multipliant les conjugués réel et complexe de ses représentations par transformée de Fourier, conformément à la relation: Pj=P. P.* dans laquelle la séquence P. est le carré de la réponse J amplitude-fréquence de l'autocorrélation, égal à la transformée de Fourier de l'autocorrélation, Ak, dans l'expression: N-1 -21ijk/N Pj = Ake k=0 P.* est le conjugué complexe, c'est-à-dire une grandeur

dans laquelle le signe de la partie imaginaire est inver-

sé, j est l'index de sommation défini par 0 < j < N-1, N étant le nombre d'échantillons dans le code de commande aléatoire à construire; et k est l'index de composante défini par 0 <.k < N-1; (b) on génère le spectre d'amplitude du code de 1 1 commande dans le domaine des fréquences, conformément à: aj= j 0 < j < N-1 (c) on génère le spectre de phase du code de commande dans le domaine des fréquences, conformément à la relation: 0j=2-nj 0 < n. < +/-1 dans laquelle nj est une séquence de nombres normalisée aléatoire quelconque, qui est par exemple normaliséeentre -1 et +1; (d) on construit le code de commande, di, par

transformation de Fourier inverse des spectres d'ampli-

tude et de phase des étapes (b) et (c), conformément à: N-1 d. = a eiik 27ijk/N k=0 Les éléments indiqués ci-après présentent de

l'importance en ce qui concerne des détails supplémentai-

res des aspects "procédé" de l'invention, relatifs à la manière selon laquelle des enregistrements de balayage et de trace (après activation des sources) sont étendus pour

réaliser une corrélation par balayage périodique.

En résumé, le but de la corrélation. par balayage périodique est de garantir que la petite onde noyée dans

tout corrélogramme final soit réellement l'autocorr4la-

tion de mérite qui est utilisée dans la conception ini-

tiale. Par conséquent, après que le code de commande nu-

mérique de l'invention a été employé pour exciter le vi-

brateur, et après que les réflexions ont été enregis-

trées, les corrélogrammes résultants qui sont produits

en association avec le code d'excitation (ou sa repré-

sentation), procurent une ressemblance surprenante avec

la petite onde d'origine. Certains paramètres de corréla-

tion et d'enregistrement numériques présentent de l'im-

portance à cet égard et méritent d'être définis de façon plus approfondie. Par exemple, tous les corrélogrammes ont une durée commune qui est égale à la dimension t, liée à l'étendue temporelle totale de l'enregistrement effectué sur le terrain, tO0, et à la longueur du code de

commande t. Autrement dit, la longueur de l'enregistre-

s ment, to, est égale à la somme ae la longueur du code de

commande t et de la durée d'écoute tj. De plus, l'inter-

valle d'échantillonnage de durée At pendant l'exploration

sismique sur le terrain, produit un enregistrement sismi-

que numérique qui est défini par: D= {DO0 D1j D D avec to=(ND-1) àt. En outre, le corrélogramme numérique est défini par: C= {Co?, C.., CN-13 avec tt =(N-1) ht. De plus, le code de commande numérique est défini par:

S= {S0, S1,..., SN -1}

s

avec tS=(Ns-1) Lt.

Avec les paramètres ci-dessus présents à l'es-

prit, on utilise l'invention de la manière suivante: (i) on construit un balayage périodique différent

dans un but de corrélation, ce balayage périodique consis-

tant en k répétitions du code de commande aléatoire numé-

rique d'origine S. Autrement dit, on produit le balayage périodique conformément à:

P= S0, S1'..., SN -1' S0' S1'

s avec Np=k N pS (ii) on étend la longueur de l'enregistrement en

remplissant la-fin de l'enregistrement avec des zéros.

Autrement dit, la construction de l'enregistrement étendu s'effectue conformément à la relation: E= {DO, D1,..., NDl' o, 0,...} NE=NP k Ns;

(iii) on permet ensuite essentiellement l'accom-

plissement d'une corrélation classique. Cependant, du fait que les paramètres corrects du balayage périodique

sont toujours spécifiés, la petite onde noyée est mainte-

nant l'autocorrélation de mérite dans chaque corrélogram-

me.

DEFINITIONS

Les termes "code de balayage aléatoire numéri-

que", "petite onde pré-spécifiée de niveau minimal de lobes latéraux" et " corrélation de balayage périodique", concernent tous des aspects particuliers de l'invention, et ont des significations particulières qui exigent des

définitions détaillées. -

* Un "code de balayage aléatoire numérique" con-

siste en une séquence de nombres aléatoires qu'on utilise

à titre de code d'excitation pour le vibrateur. En géné-

ral, une telle séquence aléatoire comporte à la fois un spectre d'amplitude aléatoire et un spectre de phase

aléatoire. Le spectre d'amplitude est habituellement li-

mité à une certaine plage de fréquences, et les -amplitu-

des à l'extérieur de la plage sont égales à zéro. Des codes de balayage à phase aléatoire sont des balayages

aléatoires dont les spectres d'amplitude ont une varia-

tion progressive et'ne sont pas aléatoires, miais dont les

spectres de phase sont aléatoires. Cette dernière carac-

téristique est souhaitable du fait que la petite onde noyée dans le corrélogramme résultant est déterminée

exclusivement par le spectre d'amplitude du code de ba-

layage, et des petites ondes noyées souhaitables corres-

pondent à des spectres d'amplitude non aléatoires et à variation progressive. La relation consiste en ce que la petite onde noyée est l'autocorrélation du balayage. Le spectre d'amplitude de la petite onde noyée est donc le carré du spectre d'amplitude du balayage, et le spectre

de phase de la petite onde noyée est égal à zéro, indé-

pendamment du spectre de phase du balayage. Par consé-

quent, dans l'invention, pour des codes de balayage à

phase aléatoire, le spectre d'amplitude spécifie la pe-

tite onde noyée, et le spectre de phase donne au ba-

layage son caractère aléatoire.

Une propriété souhaitable que doit posséder une petite onde noyée pour que le corrélogramme soit utile pour la recherche de pétrole et de gaz, consiste en ce qu'elle doit avoir une courte durée, de façon à pouvoir

séparer des réflexions qui sont proches les unes des au-

tres dans le temps sur le corrélogramme, c'est-à-dire que l'amplitude doit diminuer rapidement à partir d'un

pic central. Une petite onde de ce type est donc effica-

ce pour séparer des événements proches les uns des au-

tres sur un corrélogramme. Cependant, l'amplitude peut

ne pas s'annuler à des instants éloignés du pic central.

Les lobes latéraux résultants peuvent dégrader considé-

rablement un corrélogramme. La raison en est la suivante:

l'énergie au début d'un corrélogramme peut être supé-

rieure de plusieurs ordres de grandeur à celle corres-

pondant à des réflecteurs profonds. Par conséquent, même si les lobes latéraux de la première énergie sont faibles en comparaison avec le pic central de la première énergie,

ces lobes latéraux peuvent être supérieurs aux pics cen-

traux des réflecteurs profonds. Par conséquent, un très faible niveau de lobes latéraux est une seconde propriété souhaitable de la petite onde noyée, et les balayages aléatoires connus de l'inventeur ne présentent pas cette

propriété.

L'invention décrit un procédé pour construire un

corrélogramme qui comporte une petite onde noyée possé-

dant ces propriétés souhaitables. Comme indiqué précédem-

ment, l'invention part d'une petite onde prédéterminée possédant les propriétés souhaitables, qu'on appelle l'autocorrélation de mérite, qui doit être noyée dans les données. A partir de cette autocorrélation de mérite, on construit un balayage à phase aléatoire dans le domaine des fréquences, grace à quoi le spectre d'amplitude du

code de balayage est la racine carrée du spectre d'am-

plitude de i'autocorrélation de mérite, et le spectre de phase du balayage est une séquence aléatoire. On cons-

truit le corrélogramme par un procédé appelé corrélation de code de balayage périodique, dans lequel les données

enregistrées étendues sont corrélées avec un code de ba-

layage périodique étendu qui consiste en k reproductions

du balayage de phase aléatoire d'origine.

Les termes "zone urbaine" ou "zone urbanisée" exigent également une définition. On utilise ici ces

termes dans leur sens le plus large:des zones à la sur-

face de la terre dans lesquelles prédominent des activi-

tés humaines d'une nature non rurale. Des zones urbaines ont les caractéristiques supplémentaires suivantes: des

systèmes de transport complexes, des systèmes résiden-

tiels et d'activités économiques qui comprennent des rues, des trottoirs, des habitations et des immeubles

prévus pour des activités économiques, dont la construc-

tion est soumise au contrôle gouvernemental par l'appli-

cation de la législation; et des activités économiques dans de telles zones qui sont soumises à une- législation similaire édictée par des organismes gouvernementaux. En ce qui concerne la prospection sismique dans de telles

zones, l'opérateur doit de façon caractéristique respec-

ter les lois et/ou règlements concernant des limites de bruit, pour éviter d'occasionner des nuisances excessives

à la population, et il ne doit pas effectuer des activi-

tés qui produisent une énergie sismique excessive, sus-

ceptible d'endommager des structures dans les zones

d'exploration. Un organisme particulier limite les acti-

vités d'exploration par la délivrance (ou le refus) de

permis d'exploration dans une zone donnée, sous la juri-

diction de l'organisme considéré.

Du fait que des accumulations de pétrole et de

gaz dans de telles zones sont souvent difficiles à dé-

couvrir, il est extrêmement difficile de localiser de telles structures avec des sources non impulsionnelles classiques dont la puissance de sortie et/ou la durée de

signal ont été limitées par décision gouvernementale.

De tels organismes gouvernementaux peuvent non

seulement limiter la puissance de sortie maximale de si-

gnal (habituellement exprimée en décibels), mais égale-

ment limiter les caractéristiques du signal elles-mêmes

à des fréquences données qui n'endommagent pas des struc-

tures établies par l'homme. De façon similaire, des acti-

vités exercées à l'intérieur de la zone urbaine peuvent également affecter défavorablement la nature des signaux collectés; par exemple, une voiture peut passer près du réseau de détecteurs pendant la collecte et produire une

impulsion de bruit liée à l'activité humaine, qui affec-

tera défavorablement les résultats finals (même si on

utilise des techniques de redondance).

On utilise ici les termes "accumulations stra-

tigraphiques" et "pièges stratigraphiques" dans leur

sens le plus large, c'est-à-dire des pièges dont la fer-

meture ne repose pas sur des processus structuraux ou tectoniques. Les processus considérés doivent donc faire intervenir des changements dans la perméabilité et la porosité des sédiments hôtes, par sédimentation ou par des processus métamorphiques, comme par exemple (1) le colmatage d'une formation gréseuse jusqu'à ce que les espaces des pores soient trop petits pour permettre l'échappement des hydrocarbures; et (2) l'action sur du

calcaire de sels, par exemple d'eaux souterraines, conte-

nant du magnésium, ce qui provoque la transformation du calcaire en dolomie qui a une porosité plus faible que celle de la calcite et empêche à nouveau l'échappement du

pétrole et du gaz.

Du fait que de-tels pièges ne sont habituelle-

ment pas associés à de grands contrastes acoustiques, on ne peut pas effectuer la localisation par des procédés classiques (comme la mesure de changements de l'instant

d'arrivée de la réflexion associée). On doit donc em-

ployer des procédés analytiques indirects. A titre d'exemple, on utilise le plus souvent des différences de

temps et des changements dans les formes d'ondes de ré-

flexion de traces associées à l'intervalle intéressant, mais ces techniques n'ont qu'un succès limité à cause,

entre autres, du fait que l'obtention d'une bonne résolu-

tion exige que les traces comparées soient pratiquement

exemptes de distorsion, après traitement.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de

la description qui va suivre d'un mode de réalisation, et

en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une représentation en élévation

d'une formation de terrain dans une zone urbaine, et mon-

tre des équipements importants utilisés dans un système de prospection pour la mise en oeuvre de l'invention, le système de prospection comprenant une source vibratoire prévue pour être excitée par un code à phase aléatoire,

une série de détecteurs disposés pour recevoir les frac-

tions des vibrations injectées qui-se sont propagées, et

des moyens de traitement et d'enregistrement pour les si-

gnaux générés et enregistrés;.

la figure 2 est un corrélogramme construit par corrélation linéaire classique, pour des traces associées à une configuration à deux réseaux de détecteurs, les traces résultant de la réception de vibrations qui sont

injectées dans la terre à partir d'une seule source vi-

bratoire qui est excitée par un balayage linéaire analo-

gigue classique; la figure 3 est un corrélogramme construit par corrélation linéaire classique pour des traces qui sont

associées à une configuration à deux réseaux de détec-

teurs, les traces résultant de la réception de vibra-

tions qui sont injectées dans la terre à partir d'une seule source vibratoire excitée par un code de balayage aléatoire numérique construit conformément à l'invention; la figure 4 est un corrélogramme construit par corrélation de code de balayage numérique conforme à l'invention, pour des traces qui sont associées à une configuration à deux réseaux de détecteurs, les traces

résultant de la réception de vibrations qui sont injec-

tées dans la terre à partir d'une seule source vibratoire

excitée par un code de balayage aléatoire numérique cons-

truit conformément au procédé de l'invention;

la figure 5 est un organigramme pour la généra-

tion du code de balayage aléatoire numérique de la figure 4; la figure 6 montre une série de représentations amplitude/temps pour les différents balayages,utiles à l'illustration des avantages de la présente invention, cette figure montrant également à côté des représentations

précitées, des représentations du code de balayage numéri-

que élaboré par le procédé de l'invention; la figure 7 représente les spectres d'amplitude des balayages de la figure 6;

la figure 8 est un organigramme relatif à la dé-

termination de la corrélation de code de balayage pério-

dique conformément à l'invention; la figure 9 représente des autocorrélations des

26.33058

balayages de la figure 6 illustrant les avantages de l'invention, et sur la-figure 9 des autocorrélations du code de balayage numérique de l'invention sont corrélées

à la fois de manière classique et de manière perfection-

née, conformément aux aspects de corrélation de la pré- sente invention, et sont présentées côte à côte avec les autocorrélations de la série précitée de balayages de la figure 6; et - les figures 10 et 11 sont des tracés redressés,

exprimés en dB, des autocorrélations de la figure 9.

En considérant maintenant la figure 1, on note que la référence 10 désigne le système de prospection de l'invention, utilisé dans une zone urbaine. Le système comprend une source vibratoire 11 qui est placée dans

une rue 12, à un emplacement distant d'une série de dé-

tecteurs 13. Pendant le fonctionnement, la source vibra-

toire 11 injecte des vibrations sismiques dans la.forma-

tion de terrain 14, d'une manière continue et non impul-

sionnelle, de façon à ne pas occasionner des dommages à

des personnes ou des immeubles 16 adjacents. Les caracté-

ristiques amplitude/temps des vibrations de la source 11 varient sur un spectre temps/fréquence prédéterminé, sous la commande d'un code de commande de phase aléatoire qui

est incorporé dans un circuit de conditionnement de ba-

layage numérique 15. A l'intérieur du circuit de condi-

tionnement 15 se trouve un codeur numérique, tel qu'une mémoire morte programmable électriquement -(ou E-PROM), dans lequel les nombres aléatoires sont codés, un circuit de détermination de caractéristiques temporelles et de

commande qui est destiné à lire séquentiellement les nom-

bres codés, un convertisseur numérique-analogique et un

filtre facultatif (aucun de ces éléments n'est représen-

té). On peut accéder individuellement aux nombres de La série de nombres aléatoires qui sont enregistrés dans la mémoire E-PROM, cet accès pouvant s'effectuer en un format de signal numérique (tel qu'une tension ou un courant)

dans la mémoire E-PROM, par l'intermédiaire du convertis-

seur et du filtre, pour produire un signal alternatif

destiné à exciter de manière classique la source vibra-

toire 11. Le circuit de conditionnement 15 est commercia- lisé par Pleton Research and Technology Company, Ponca City, Oklahoma, E.U.A. Habituellement, après qu'un code

de commande numérique a été construit, il peut être né-

cessaire d'appliquer un facteur d'échelle au signal de

sortie d'éléments individuels du circuit 15, ou du cir-

cuit 15 lui-même, de façon que la source vibratoire 11 fonctionne à l'intérieur de limites de déplacement. On notera que bien que le code de commande numérique puisse être construit sur le terrain en utilisant un ordinateur de terrain, et placé sous une forme appropriée dans le circuit de conditionnement ou d'excitation 15, il est préférable que cette opération ait lieu en un emplacement

plus éloigné, en utilisant un système informatique clas-

sique pour coder le code numérique dans le support d'en-

registrement approprié, tel que la mémoire E-PROM men-

tionnée précédemment. Du fait que l'invention procure un

code de commande numérique dont on peut limiter la lar-

geur de bande pour la conformer à des caractéristiques

de propagation de la formation de terrain 14 et aux para-

mètres de fonctionnement de la source vibratoire 11, comme expliqué ciaprès, le filtre qui est incorporé dans le circuit de conditionnement 15 n'est habituellement pas activé, et le code numérique est directement appliqué à une unité de traitement et d'enregistrement 17, par un

canal d'information.séparé (non représenté).

Sur la figure 1, les ondes vibratoires qui en-

trent dans la formation de terrain 14 sont représentées par des chemins de rayons 20, les ondes se propageant

obliquement vers le bas en direction d'une paire d'inter-

faces de strates 21, 22, au niveau de laquelle elles su-

bissent une réflexion partielle et retournent vers le haut

en suivant des chemins 23, ici encore en direction obli-

que, en direction de la série de détecteurs 13 qui se trouvent à la surface de la terre. Bien que la figure 1 ne montre que trois détecteurs symboliques, on peut employer

sur le terrain des centaines de détecteurs dans la prati-

que actuelle réelle.

En outre, la source 11 peut être constituée par plusieurs vibrateurs fonctionnant en un seul ensemble, qui sont répartis autour d'un point source-SP en étant alignés le long d'une ligne d'exploration 24. La source 11 et les détecteurs 13 peuvent accomplir un mouvement incrémentiel

dans la direction de la-flèche 25, d'une manière classi-

que, pour permettre d'échantillonner de manière redondante des zones sélectionnées des interfaces 21, 22. Autrement dit, les réflexions qui sont détectées dans les détecteurs

13 peuvent être normalisées par rapport à des points cen-

traux situés en position médiane entre le point source SP et chaque détecteur 13, et chacun de ces points centraux peut ensuite devenir un point commun à plus d'une paire

source-détecteur, comme il est classique dans des techni-

- ques de collecte à point central commun (PCC). Après que les données ont été détectées dans les détecteurs, en fonction de la position dudétecteur ou d'une grandeur représentative de la position -du détecteur, elles sont

transmises vers le circuit de traitement et d'enregistre-

ment 17. Une forme perfectionnée d'intercorrélation est mise en oeuvre dans le circuit 17, comme expliqué ci-après de façon plus détaillée, mais en utilisant des circuits

d'intercorrélation actuels qui sont disponibles.

On va maintenant considérer les figures 2, 3 et 4 qui illustrent des enregistrements 30, 31 et 32 qui sont générés en utilisant une source 11 excitée par un balayage linéaire classique (figure 2); par un code numérique à phase aléatoire construit conformément à un aspect de l'invention (figure 3), mais avec traitement des résultats

détectés au moyen d'une intercorrélation linéaire classi-

que; et par un code numérique à phase aléatoire similaire

(figure 4), mais avec traitement des signaux détectés con-

formément à un autre aspect de l'invention, c'est-à-dire

par l'utilisation d'une corrélation de balayage périodi-

que. Dans chaque cas, la collecte a été effectuée de façon similaire. On a fait fonctionner la source vibratoire 11 à

un niveau d'excitation beaucoup plus élevé pour le balaya-

ge linéaire que pour le balayage à phase aléatoire, en utilisant des détecteurs à des emplacements similaires le

long de la même ligne d'exploration. On a obtenu l'enre-

gistrement de configuration à deux réseaux en plaçant la source vibratoire entre deux réseaux de récepteurs, pour

collecter les enregistrements 30, 31, 32 qui sont repré-

sentés. On a utilisé des paramètres d'enregistrement nor-

maux. On a limité le balayage à une largeur de bande de 8 à 48 Hz. On a enregistré et traité 120 canaux de données correspondant à une configuration à deux réseaux. On a

utilisé une période d'échantillonnage de 4 millisecondes.

La longueur de la trace enregistrée a été de 5 secondes.

La corrélation peut être effectuée sur la terrain.

Comme représenté, l'enregistrement 32 de la figu-

re 4, conforme à l'invention, est supérieur à l'enregis-

trement classique 30 de la figure 2. En un sens, une telle

comparaison n'est pas équitable envers le procédé de l'in-

vention, du fait que le niveau d'excitation du balayage

linéaire classique était plus élevé. Même dans ces condi-

tions, on remarque une absence distincte d'onde parasite

de surface dans l'enregistrement 32. A environ 1,5 secon-

de, l'événement 33 de l'enregistrement 32 est masqué sur

l'enregistrement classique 30. De plus, les premiers chan-

gements de pente 34 de l'enregistrement 32 apparaissent

plus nets et moins affectés par des oscillations.

La comparaison des enregistrements 31 et 32 per-

mettra d'illustrer les résultats.étonnamment supérieurs

qui sont dus à des procédures de corrélation appropriées.

Dans l'enregistrement 31, on a utilisé une intercorréla-

tion linéaire classique dans laquelle l'extrémité du code (pour la corrélation dans le domaine des fréquences) est remplie avec des zéros, tandis que dans l'enregistrement 32, on-a utilisé une corrélation conforme à la présente invention, dans laquelle il y a une absence complète de remplissage par des zéros. Dans l'enregistrement 31, on note la formation de lobes latéraux dans la région 35, tandis que cette formation.est complètement supprimée

dans l'enregistrement 32.

Bien que l'aspect de supériorité soit évident

sur les figures, les sismologues en général doivent éga-

lement connaître la théorie et.les étapes matérielles des opérations.

ETAPES OPERATIONNELLES DE LA CONSTRUCTION DU

CODE DE COMMANDE

Conformément à l'invention, on peut construire

le code de commande à phase aléatoire en utilisant un or-

dinateur classique programmé de façon appropriée, pour accomplir les étapes suivantes: (a) après avoir pré-spécifié une autocorrélation de mérite numérique et finie, Ak, ayant un niveau minimal de lobes latéraux, et des caractéristiques compatibles

dans le domaine.des temps en ce qui concerne la transmis-

sion dans la terre et la réponse du système vibratoire,

on convertit l'autocorrélation pré-spécifiée en représen-

tations dans le domaine des fréquences, comprenant son spectre de puissance, Pj, en multipliant les conjugués réels et complexes de ses représentations par transformées de Fourier dans l'équation Pj=Pj P.* dans laquelle la séquence pj est le carré de la réponse amplitude- fréquence de l'autocorrélation, égal d la transformée de Fourier de l'autocorrélation, Ak, dans l'équation: N-1 -2rijk/N Pj Ake k=0 p.* est le conjugué complexe, c'est-à-dire que le signe de la partie imaginaire est inversé; j est l'index de sommation défini par 0 < k < N-1, N étant le nombre

d'échantillons dans le code de commande aléatoire à cons-

truire; et k est l'index de composante, défini par 0 < j < N-1; (b) on génère le spectre d'amplitude du code de commande dans le domaine des fréquences, conformément à aj= C 0 < j < N-1 (c) on génère le spectre de phase du code de commande dans le domaine des fréquences conformément à: 00=2 n 0 < j < N-1 en désignant par n. une séquence de nombres normalisée J aléatoire quelconque, par exemple une séquence normalisée entre -1 et + 1; (d) on construit le code de commande, dj, par

transformation de Fourier inverse des spectres d'amplitu-

de et de phase des étapes (b) et (c), conformément à la relation: N-1 d j = L AkeiOke 2rijk/N k=O0

On utilise ensuite le code de commande pour com-

mander avec soin le ou les vibrateurs du système d'ex-

ploration de type PCC, de la manière décrite précédemment, c'est-à-dire pour commander en fonction du temps la valeur de la pression que les plaques de base des vibrateurs exercent contre la terre, cette commande s'effectuant d'une manière répétitive mais aléatoire connue, de façon que les vibrations résultantes que les vibrateurs excités génèrent en vue de leur propagation dans la terre, soient

compatibles avec les exigences de transmission de la ter-

re et de réponse des vibrateurs, et soient redondantes

d'un point source au suivant le long de la ligne d'explo-

ration. Le signal de sortie vibratoire des vibrateurs excités possède néanmoins des caractéristiques puissance/ fréquence aléatoires souhaitables, qui sont utiles dans

les circonstances indiquées dans les brevets des E.U.A.

n 4 601 022 et 4 486 866 précités.

La figure 5 illustre de façon plus détaillée les

étapes (a) - (d) précitées, au cours desquelles est cons-

truit le code de commande à phase aléatoire de l'inven-

tion. Comme mentionné précédemment, on peut construire

le code de commande de l'invention en utilisant un ordi-

nateur relativement important, programmé de façon appro-

priée pour accomplir les étapes ci-dessus. Cependant, les

progrès dans le domaine du logiciel, de la microprogramma-

tion et du matériel sont si rapides qu'un prospecteur peut, s'il le désire, effectuer une telle construction sur le terrain. Cette dernière solution peut être préférable

dans certains cas.

* Dans l'explication qui suit, on examinera une par-

une les étapes de la figure 5, en-examinant également les

options possibles dans la préparation du code.

En 40, le concepteur fournit une autocorrélation de mérite wj au moyen de plusieurs procédés disponibles, dont l'un utilise le balayage linéaire ou le balayage à variation de fréquence ou "chirp", de type classique. Par exemple, la forme habituelle du balayage est donnée par l'expression: F(t) = A(t) sin 2 T[at + 2

1 2

(0 < t < T) et le signal consiste en une fonction sinusoidale dont la fréquence augmente progressivement et uniformément, en partant à wo=27Fa (fo=a) et en aboutissant à wf=2Tr(a+bT). Par conséquent, un balayage passant de 6 à 100 Hz en 16

secondes présente les valeurs suivantes: a=10 et b=5,6.

La fonction A(t) a pour but d'introduire un facteur mul-

tiplicatif dans la fonction sinusoidale, de façon que le balayage ne commence pas ou ne s'arrête, pas de façon trop

abrupte, en ce qui concerne l'amplitude.

Dans une zone urbaine, avec la manière de procé-

der habituelle en ce qui concerne la délivrance de permis, le niveau d'excitation serait limité à une valeur maximale Fm(t) avec, en plus, l'exclusion de certaines plages de m

fréquence, à cause d'effets de résonance possibles. Cepen-

dant, du fait que cette dernière condition n'est pas limi-

tative dans le procédé de l'invention (le code aléatoire

étale uniformément l'énergie de chaque composante de fré-

quence), on peut utiliser le code sur la totalité de l'en-

semble de fréquences. Des structures construites par l'homme sont moins susceptibles de vibrer à des niveaux dangeureusement élevés que lorsqu'elles sont soumises à

des signaux à variation de fréquence ou "chirp' classi-

ques, c'est-à-dire dans lesquels l'énergie de fréquences

particulièresest concentrée et localisée dans le temps.

On détermine ensuite l'autocorrélation du ba-

layage construit, par transformation de Fourier, pour

obtenir le spectre de puissance du balayage dans le do-

maine des fréquences, et on fait suivre ceci par une transformation inverse pour générer l'autocorrélation de mérite, W-j, avec des dimensions amplitude/temps. On peut effectuer aisément de tels calculs avec un ordinateur correctement programmé, comme il est habituel dans la technique. L'index j pour le fonctionnement est compris entre zéro et Ns, en désignant par Ns le nombre de points

dans le balayage, ce qui indique que seule la moitié po-

sitive de l'autocorrélation est générée. A cet égard, une valeur courante pour la période d'échantillons est de 2 millisecondes. Ensuite, en 41, on applique une transformation

de Fourier à l'autocorrélation, wj, en employant les for-

mules habituelles qui convertissent i'autocorrélation amplitude/temps en ses représentations dans le domaine des fréquences, conformément à: N -1

s - 2-ri jk/ Ns-

w. = w e2 k/s k=0

En 42, en continuant à travailler dans le domai-

ne des fréquences, on génère le spectre d'amplitude des représentations de Fourier obtenues en 41, conformément a- =W.W Simnltanément aux étapes indiquées en 40, 41 et

42, ou avant ou après ces étapes, on peut accomplir d'au-

tres étapes, indiquées en 44 et 45. Ces étapes concernent

la génération d'un spectre de phase aléatoire. Par exem-

ple, en 44, on produit un ensemble de nombres aléatoires; par exemple 500 par seconde pour une durée présélectionnée déterminée par l'index j, entre une phase minimale (bien qu'une phase zéro puisse être satisfaisante) et Ns, défini

précédemment comme étant Tle nombre de points d'échantil-

lons dans le balayage. On produit cet ensemble de nombres aléatoires en utilisant un sous-programme bien connu dans

le progiciel IBM Scientific Subroutine Package, c'est-à-

dire RANDU. D'autres techniques peuvent cependant être s'a-

tisfaisantes à cet égard. On pourrait par exemple générer

des ensembles de nombres aléatoires de la manière indi-

quée par Lewis dans IBM System Journal n 2 (1969) et par Knuth dans son livre "Seminumerical Algorithms" (vol. 2 de "ART OF COMPUTER PROGRAMMING", Addison Wesley Pub. Co).

On cadre les amplitudes entre plus et moins un (+/-1).

Ensuite, en 45, on génère le spectre de phase aléatoire conformément à:

- 0j=2T1M.

J.;j On combine ce dernier, en 46, avec le spectre d'amplitude généré, pour produire les représentations de Fourier du code de phase aléatoire, conformément à: id. sj=aje j J ij En 47, on applique une transformation inverse aux représentations de Fourier obtenues en 46. Le résultat consiste dans la génération du code de phase aléatoire

numérique dans le domaine des temps, conformément à l'ex-

pression: NS-1 21i k/Ns Sj = L sje k=0 L'examen des figures 6 et 7 permet d'observer les avantages du code qui est généré en 47 et qui est conforme à l'invention. Sur la figure 6, la représentation du code 47 après conversion numérique-analogique, qui a été calculée dans ce cas en exécutant un programme en FORTRAN sur un ordinateur IBM 3033, est représentée en 50 en compagnie du balayage linéaire ("chirp") en 51 et d'un balayage aléatoire classique 52. Du fait qu'on a construit le balayage 50 à partir du balayage linéaire 51, les spectres d'amplitude dans le domaine des fréquences sont identiques, comme représenté en 53 et 54 sur la figure 7, mais les variations d'amplitude en fonction du temps sont notablement différentes, comme représenté. En outre, on voit que-les variations d'amplitude en fonction du temps du balayage 50 correspondent à celles d'un balayage aléatoire classique 52 sur la figure 6. On a généré le balayage 52 de la figure 6 paw des procédés classiques, comme par exemple en employant des générateurs de nombres

aléatoires classiques et des convertisseurs numérique-

analogique, comme indiqué dans l'ouvrage précité de Waters et col., en utilisant le progiciel RANDU, pour générer un ensemble de nombres uniformément aléatoires,

mais sans utiliser pleinement les enseignements de l'in-

vention. Le résultat consiste en un spectre d'amplitude non constant, déchiqueté, qui est représenté en 56 sur la figure 7. En considérant toujours le spectre d'amplitude

56, on note que le matériel habituel, connu de l'inven-

teur, qu'on utilise dans des systèmes de prospection

géophysique dans des zones urbaines, utilise des périodes -

d'échantillonnage de deux à quatre millisecondes. En con-

sidérant par exemple un code de 32 secondes avec une pé-

riode d'échantillonnage de deux millisecondes, le généra-

teur de nombres aléatoires devrait fournir 1600 nombres

aléatoires pour la génération du balayage 52.

OPERATIONS SUR LE TERRAIN

Ensuite, on met en action le système d'explora-

tion de la figure 1 dans une zone urbaine. On suppose que le code 47 de la figure 4 a été codé dans la mémoire d'un contrôleur numérique- classique, comme décrit précédemment, et que le système est mis en action. Dans ces conditions, comme indiqué précédemment, des vibrations sont générées

et se propagent dans la terre au-dessous de la zone ur-

baine. Ensuite, des réflexions sont collectées par la sé-

rie de détecteurs et ces résultats sont ensuite intercor- rélés avec le code de contrôle. Du fait que les résultats

sont habituellement collectés de façon numérique, la cor-

rélation est habituellement accomplie dans le domaine des fréquences. Une telle corrélation classique ne comprend cependant pas les étapes qui permettent d'effectuer une

corrélation de balayage périodique, conformément à l'in-

vention.

CORRELATION DE BALAYAGE PERIODIQUE

La figure 8 illustre en détail une corrélation

de balayage périoduque.

En résumé, le but de la corrélation de balayage périodique est de garantir que la petite onde noyée dans

tout corrélogramme final soit effectivement l'autocorré-

lation de mérite qui est utilisée dans la conception ini-

tiale. Par conséquent, après que le code de commande nu-

mérique de l'invention a été employé pour exciter le vi-

brateur et après que les réflexions ont été enregistrées,

les corrélogrammes résultants produits en association -

avec le code d'excitation (ou sa représentation) procurent

une ressemblance surprenante avec la petite onde d'origi-

ne. Certains paramètres d'enregistrement numérique et de corrélation sont importants à cet égard et exigent une

définition plus précise. Par exemple, chacun des corrélo-

grammes a une durée commune qui est égale à la dimension

tt liée à la durée totale de l'enregistrement sur le ter-

rain, t0,et à la durée du code de commande ts. Autrement dit, la durée de l'enregistrement, to, est égale à la somme de la durée du code de commande t et de la durée s d'écoute tZ. De plus, l'intervalle d'échantillonnage de at pendant l'exploration sismique sur le terrain produit

un enregistrement sismique numérique défini par l'expres-

sion:

D = [DO, D1,..., DND_

dans laquelle to=(ND-1) L t. En outre, le corrélogramme numérique est défini par: C = C0,o C1,..., CN.-_i avec t=(Ne-1) A t. De plus, le code de commande numérique est défini par: S- tS0, S1,...S S Ns_- 1

avec ts=(Nsl) At.

En ayant à l'esprit les paramètres ci-dessus, on utilise l'invention de la manière suivante:

(i) on étend le code de commande numérique aléa-

toire d'origine, utilisé pour exciter la source vibratoire pendant la collecte, cette extension-procurant le balayage

périodique exigé pour la corrélation, ce balayage périodi-

que de corrélation consistant en k répétitions du code

aléatoire d'origine S, et le balayage périodique corres-

pondant à: P tS0' S1, ' * SN s-1' Sot S1 ' avec Np=k Ns; (ii) on étend la longueur d'enregistrement en remplissant la fin de l'enregistrement avec des zéros, ce qui fait que l'extension de l'enregistrement est conforme à: E= ^Dof Dit... 1, DN D-10,0,...} E p S

(iii) on permet ensuite essentiellement l'accom-

plissement d'une corrélation classique, en utilisant (i)

et (ii) ci-dessus, mais du fait que les paramètres cor-

rects du balayage périodique sont toujours spécifiés, la

petite onde noyée est maintenant l'autocorrélation de mé-

rite dans chaque corrélogramme résultant.

En retournant à la figure 8 pour examiner des détails supplémentaires', on note que l'organigramme 56 comprend une série d'étapes qui sont utilisées dans un

corrélateur de terrain classique (non représenté) pro-

grammé de façon appropriée, qui fait partie du circuit d'enregistrement et de traitement de la figure 1. Ces étapes ont pour but d'étendre (i) le code d'excitation

numérique d'origine (utilisé pour commander la source vi-

bratoire), pour former le code de balayage périodique correct compatible, dans des étapes de corrélation ulté- rieures, et (ii) les traces d'enregistrements numérisées collectées elles-mêmes. Les enregistrements finals après extension doivent présenter un caractère commun; Ceci signifie que les longueurs normalisées parmi (i) et (ii)

doivent être compatibles avec une intercorrélation ulté-

rieure, bien que le code numérique aléatoire d'origine ait été conçu dans le domaine des fréquences. Ces étapes

peuvent cependant être accomplies indépendamment. Autre-

ment dit, les étapes associées à l'extension du code nu-

mérique aléatoire d'origine, qui sont identifiées par une accolade de processus 58, peuvent être indépendantes des opérations de l'accolade 59 qui sont liées à l'extension des traces d'enregistrements. Cependant, les produits de chaque accolade 58 et 59 doivent être générés avant que

la corrélation réelle ait lieu, comme expliqué ci-après.

En considérant maintenant de façon plus détail-

lée le processus qui correspond à l'accolade 58, on note que le code numérique d'enregistrement indiqué en 60 peut avoir été traité par multiplication par un facteur d'échelle, à partir du code numérique généré à l'origine, pour assurer la compatibilité avec la source vibratoire de la figure 1. Le code indiqué en 61 est donc identifié par la lettre S et est égal à: {s S', S1...SN3-1 s L'extension du code conformément à l'accolade 58 commence ensuite en 61 o les éléments qui constituent le code S sont étendus d'une manière périodique pour former le code de balayage périodique exigé, qui est nécessaire pour la

cohérence au cours d'étapes de corrélation suivantes.

Cette extension commence au point d'échantillon N -1 du s

code d'origine, et elle est ensuite périodique de la ma-

nière indiquée ci-après: o iSl, s,.. SN 1S. S1, s

Fondamentalement, le code de balayage périodique résul-

tant consiste en k répétitions du code d'excitation aléa-

toire numérique d'origine de la figure 1. Il contient

donc Np=kNs éléments, en désignant par k un entier posi-

tif supérieur à un. Du fait d'une telle extension pério-

dique, on constate avec surprise que le-spectre d'ampli-

tude du code périodique est le même que celui du code

d'excitation aléatoire d'origine, bien qu'une interpola-

tion puisse être nécessaire. On effectue ensuite en 62

- la transformation de Fourier du code de balayage périodi-

que généré, conformément à: N -1 (FP) j = t p -ffijk/N k=O Les transformations de Fourier résultantes sortent en 62 et sont ensuite transmises aux étapes de corrélation 63 et 64,après que les traces d'enregistrements ont été

étendues conformément à l'accolade 59.

En considérant maintenant de façon plus détaillée le processus correspondant-à l'accolade 59, on note que

l'extension des traces d'enregistrements commence en 65.

Les traces d'origine proviennent d'un enregistrement in-

diqué en 65. En 65,.les éléments des traces d'origine

sont étendus par l'ajout de zéros aux extrémités des tra-

ces, pour former les traces étendues exigées, de longueur commune. Ensuite, du fait qu'il y a N échantillons du code de balayage périodique étendu, comme décrit ci-dessus,

il doit y avoir N- échantillons associés aux traces d'en-

P

registrements étendues finales. Une telle extension com-

mence au point d'échantillon Nd-1 des traces d'origine, et elle correspond ensuite à l'incorporation de zéros, de la manière indiquée ci- après: D= Do, D1, D2,..., DN -1, 0, 0,.. Fondamentalement, chaque trace étendue comprend alors N p échantillons égaux à ceux du code de balayage périodique étendu de l'accolade 58, dans lesquels Np-Nd sont mis à zéro. La transformation de Fourier des traces générées est ensuite effectuée en 64. Ensuite, les représentations résultantes sortent de 64 pour la corrélation avec le

code de balayage périodique étendu, en vue de la généra-

tion du corrélogramme numérique final auquel on s'inté-

resse. Cette corrélation est effectuée en 66 et 67.

En 66, les transformées de Fourier du corrélo-

gramme numérique sont calculées à partir des représenta-

tions de Fourier du code et des traces d'enregistrements étendues, conformément à: (FC)j =(FE) (FP) D Ensuite, en 67, le corrélogramme est généré par synthèse de Fourier conformément à: N -1 _gP -2(i jk/Np Cj = _ (FC)j e p k=0 On constate avec surprise que de tels corrélogrammes ont un faible niveau de lobes secondaires, grâce à quoi on

peut observer aisément des événements plus profonds.

Les figures 9, 10 èt 11 illustrent des détails

de corrélogrammes obtenus par le procédé de l'invention.

Du fait qu'un corrélogramme est simplement la convolution entre l'autocorrélation utilisée dans sa conception, et

la série de réflexions qui est associée aux données col-

lectées sur le terrain', il est intéressant d'étudier les autocorrélations des balayages représentés sur-la figure 6, c'est-à-dire les corrélations de chaque balayage avec lui-même. Une telle étude fournit les résultats qui sont représentés sur les figures 9, 10 et 11. Sur la figure 9, on obtient l'autocorrélation

en corrélant avec lui-même le code d'excitation numé-

rique généré conformément à l'invention (figure 6), en

utilisant la corrélation de code de balayage périodique.

On note l'atténuation de ses lobes latéraux. Une telle

atténuation est supérieure à celle que procurent des au-

tocorrélations 72 et 73, comme expliqué ci-après. L'auto-

corrélation 71 se rapporteau balayage linéaire de la figu-

re 6 et elle a été obtenue par corrélation numérique li-

néaire. L'autocorrélation 72 se rapporteau balayage aléa-

toire classique de la figure 6, qui est affecté par de grandes variations du spectre d'amplitude. On l'a obtenue par corrélation linéaire. On a obtenu l'autocorrélation 73 en corrélant le code d'excitation numérique généré conformément à l'invention (c'est-à-dire le même que pour l'autocorrélation 70), mais en utilisant une corrélation

linéaire. -

Les figures 10 et 11 ilustrent en détail le dé-

gré d'atténuation des lobes latéraux que procure le pro-

cédé de l'invention.

En résumé, chaque tracé réordonne l'amplitude de chaque autocorrélation de la figure 9 sur une échelle logarithmique normalisée, en dB, pour mieux illustrer le niveau de lobes latéraux. Chaque valeur d'échantillon des autocorrélations de.la figure 9 a d'abord été redressée,

et a ensuite été normalisée à la valeur de crête de l'au-

tocorrélation, avant dJ&être tracée avec une échelle loga-

rithmique. A titre d'exemple, sur les figures 10 et 11,

l'autocorrélation redressée 80 qui est associée au procé-

dé de l'invention, présente des lobes latéraux qui sont à

environ 60 dB au-dessous de la valeur de crête. Au con-

traire, les autocorrélations redressées 82 et 83 ont des lobes latéraux de niveau beaucoup plus élevé. De façon plus détaillée, l'autocorrélation redressée 81 qui est associée au balayage linéaire de la figure 6, présente des lobes latéraux qui sont à environ 60 dB au-dessous de

la valeur de crête. Au contraire, l'autocorrélation re-

dressée 82 qui est associée au balayage aléatoire classi-

que de la figure 6 a des lobes latéraux qui sont à envi-

ron 20 dB au-dessous de la valeur de crête. De façon si-

milaire, l'autocorrélation redressée 83 (figure 11) a des lobes latéraux qui sont à environ 30 dB au-dessous de la valeur de crête. Cette autocorrélation redressée 83 se rapporteau balayage d'excitation aléatoire de la figure 6 qui est obtenu par l'invention, mais qui a été produit par corrélation linéaire (et non par corrélation de code

de balayage périodique).

Des modifications et des variantes du procédé de l'invention apparaîtront aisément à l'homme de l'art. Par exemple, bien que dans la construction du code numérique

de l'invention, la description qui précède ait mis l'ac-

cent sur l'utilisation de l'autocorrélation du signal

"chirp" classique, en tant que point de départ du proces-

sus ultérieur de construction dans le domaine des fré-

quences, on peut utiliser à la place, en fonction des be-

soins, d'autres types de signaux de mérite noyés. A cet

égard, on a testé la petite onde de Ricker, et on a trou-

vé qu'elle convenait.

Par définition, la petite onde de Ricker est une forme d'onde sismique qui résulte de la transmission d'une impulsion sismique à travers un matériau viscoélastique idéal avec une atténuation proportionnelle à la fréquence

(voir le document de Ricker, "THE FORM AND LAWS OF PROPA-

GATION OF SEISMIC WAVELETS", Geophysics, volume 18, pages -40).

La figure 6 illustre le résultat de la généra-

tion d'un balayage de phase aléatoire numérique 90 par l'utilisation du spectre d'amplitude de Ricker 91, comme

représenté sur la figure 7. La figure 9 montre que l'au-

tocorrélation 92 qui est associée au balayage 90 de la

figure 6 corrélé avec lui-même en utilisant la corréla-

tion de code de balayage périodique, présente un niveau de lobes latéraux exceptionnellement bas. La figure 10 illustre l'autocorrélation redressée de Ricker 93, pour

mieux montrer sa supériorité. -

- Des modifications supplémentaires dans l'utili-

sation de l'invention apparaîtront également aisément à l'homme de l'art. D'une manière similaire, des zones

d'exploration autres que des zones urbaines peuvent éga-

lement bénéficier de perfectionnements liés à l'utilisa-

tion des enseignements de l'invention, en particulier si ces zones sont des "zones bruyantes". A titre d'exemple, des zones de permafrost, comme en Alaska, dans lesquelles des lignes sismiques se prolongent dans la mer à partir

de la terre, sont des environnements idéaux pour l'utili-

sation du procédé de l'invention. Le procédé de l'inven-

tion permet d'atténuer de façon surprenante des ondes de flexure qui peuvent être produites simultanément aux

ondes vibratoires classiques.

Il va de soi que de nombreuses autres modifica-

tions peuvent être apportées au procédé décrit et repré-

senté, sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Procédé pour produire et enregistrer des vi-

brations aléatoires non impulsionnelles se propageant dans la terre (14), caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: (i) on produit les vibrations non impulsionnelles sur une durée t en excitant au moins une s source vibratoire (11) avec un code de balayage aléatoire numérique comprenant un nombre n de nombres aléatoires s

uniformément échantillonnés, et un intervalle d'échantil-

lonnage A t, la durée tS, le nombre n et l'intervalle d'échantillonnage étant liés par la relation ts=(ns-1)At, ce code résultant d'une transformation de Fourier inverse d'une séquence de nombres complexes de la forme: i0k ake dans laquelle e est la base des logarithmes naturels, i est la racine carrée de -1, ak est un spectre d'amplitude,

k est un index de composante et 0k est un spectre de fré-

quence, ce code commandant la source vibratoire d'une manière répétitive mais aléatoire; (ii) on enregistre sur une seconde durée des vibrations sismiques reçues qui se

sont propagées dans la terre, à partir de la source vi-

bratoire (11) vers au moins un récepteur (13); (iii) on

calcule l'intercorrélation des vibrations sismiques re-

sues avec le code de commande, de façon que ce code con-

serve la cohérence des domaines pendant l'intercorréla-

tion, cette corrélation correspondant à une autocorréla-

tion pré-spécifiée.

2. Procédé. selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'autocorrélation a une ligne de retard nul qui

est appropriée pour un objectif d'exploration.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on accomplit l'opération (iii) dans le domaine

des fréquences après que le code a été étendu pour main-

tenir la cohérence des domaines, de façon à définir un code de balayage périodique numérique étendu, ce code de balayage périodique-étendu consistant en k répétitions du

code, en désignant par k un entier positif supérieur à 1.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé

en ce que k=2.

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on accomplit l'opération (iii) dans le domaine

des temps après que le code a été étendu de façon à main-

tenir là cohérence des domaines au cours d'une extension, cette extension étant bidirectionnelle et définissant deux intervalles de temps de répétition équivalents, t2 et t3, l'un plus en avant dans le temps et l'autre plus en arrière dans le temps à partir des représentations d'origine du code, mais chacun d'eux étant correctement adapté,en tête et en queue, avec les représentations d'origine du code, de façon à maintenir la cohérence des domaines. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé

en ce que les intervalles de temps de répétition équiva-

lents sont égaux entre eux et à la durée ts.

7. Procédé selon la revendication 1, caractéri-

sé en ce que le terme principal de la transformation de Fourier augmentée de l'opération (i) est (ik) ak e

avec k compris dans la plage 0 < k < ns-I.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la transformation de Fourier est conforme à l'expression:

d a ns-

dz =. ak e e k=0 dans laquelle d. est le code de commande et j est un J

nombre ayant une fonction d'index.

9. Procédé de construction d'un code de commande numérique aléatoire pour exciter une source vibratoire non impulsionnelle, afin d'injecter dans la terre (13) des vibrations non impulsionnelles aléatoires, caractéri- sé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: (i) on

pré-spécifie que la corrélation résultante doit correspon-

dre à une autocorrélation pré-spécifiée ayant une séquence de nombres aléatoires uniformément échantillonnés, ayant un nombre de points n et un intervalle d'échantillonnage s t, et une durée correspondant à l'autocorrélation, le nombre de points de l'autocorrélation et l'intervalle d'échantillonnage de l'autocorrélation étant les mêmes

que pour un code de commande, cette autocorrélation com-

prenant en outre une petite onde noyée du type amplitude/ temps; (ii) on utilise une séquence de nombres réels ak,

0 < k < ns-l, en tant que spectre d'amplitude d'une trans-

formée de Fourier du code de commande, ak étant une trans-

formée de Fourier de l'autocorrélation et k étant un index de sommation; (iii) on utilise une séquence aléatoire de nombres réels 0k' en tant que spectre de phase de la transformée de Fourier du code de commande, cette séquence k étant construite conformément à l'expression: k 0k=2r nk dans laquelle nk est une séquence quelconque de nombres - réels aléatoires compris entre 0 et 1, c'est-à-dire 0 < nk < -1; (iv) et on construit une transformée de Fourier inverse du code de commande, sous la forme d'une k séquence de nombres complexes ake, et on applique une k transformation inverse à la transformée de Fourier du code de commande, conformément à la relation: ns-1 (i0k) (2 ijk) d.= 0ake s k=0 dans laquelle d. est le code de commande, 0< j < ns-l, e J est la base des logarithmes naturels et i est égal à 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'opération (ii) comprend les sous-opérations suivantes: (a) on génère un spectre d'amplitude de la transformée de Fourier du code de commande, à partir de

l'autocorrélation, cette autocorrélation étant une sé-

quence uniformément échantillonnée de nombres réels, Ak,

comprenant le même nombre de points n et le même inter-

valle d'échantillonnage At que le code de commande, un

carré du spectre d'amplitude étant un spectre de puissan-

ce, pj et étant formé conformément à la relation: pj =Pj.P 15. dans laquelle PJ est le conjugué complexe de Pj, et Pj est donné par la relation: ns-1 2Wijk k n Pj = ARe ke ns <i< -1 P'A0e e s 0<j ns-; k=0 (b) on génère un spectre d'amplitude a à partir de la J séquence de pj, conformément à la relation:

a= j 0 < j < ns-1.

11. Procédé pour construire un corrélogramme nu-

mérique dans le but d'exciter une source vibratoire non impulsionnelle, C={CoCi,...,Cn 1 dans lequel n est un nombre d'échantillons associé à une durée découte

t =(n,-1) At, en désignant par At un intervalle d'échan-

tillonnage, ce corrélogramme numérique étant formé en cor-

rélant (ai un code aléatoire numérique, S = S1, S2,..., Sn s}, dans lequel ns est le nombre d'échantillons dans s le code qui est associé à une durée ts=(ns-1)tt, avec (b) un enregistrement numérique de trace collecté sur le terrain et défini par D = DO,D1,...,Dn 11, expression dans laquelle nd désigne le nombre d'échantillons de

l'enregistrefent numérique, chaque corrélation du corré-

logramme définissant une autocorrélation de mérite pré-

spécifiée, à partir de laquelle on peut calculer des spectres d'amplitude et de phase pour le code, dans le domaine des fréquences, caractérisé en ce qu'il comprend

les opérations suivantes: (i) on reproduit le code aléa-

toire numérique S pour former un code de balayage numéri-

que périodique P = iSoS1,...,Sn 1' S0' S1'' ce code de balayage périodique P consistant en k reproductions du code aléatoire numérique S et ayant np échantillons avec n =kn en désignant par k un entier positif supérieur à p s un, et dans lequel des éléments non nuls d'un spectre

d'amplitude du balayage numérique périodique sont identi-

ques aux éléments d'un spectre d'amplitude du code aléa-

toire numérique correspondant à des fréquences communes; (ii) on construit un enregistrement numérique étendu E ayant np échantillons, en remplissant l'enregistrement

numérique D avec des échantillons égaux à zéro, conformé-

ment à l'expression:

E = IDOD1,.--,Dnd-_ ',3...

dans laquelle il y a (np-nd) échantillons égaux à zéro, nd étant le nombre d'échantillons dans l'enregistrement numérique D; (iii) on calcule l'intercorrélation du code de balayage numérique périodique, P, avec l'enregistrement numérique étendu, E, tout en maintenant la cohérence des

domaines, les corrélations résultantes constituant un en-

registrement d'exploration de durée tg.

12. Procédé selon la revendication 11, caracté-

risé en ce que l'opération (iii) comprend en outre les

sous-opérations suivantes: (a) on calcule des transfor-

mées de Fourier numériques du code de balayage numérique

périodique P et de l'enregistrement étendu E, conformé-

ment à l'expression: rip-1 2 ijk (FP)j = Z Pk e nP k=0 dans laquelle (FP) j sont des éléments de. la transformée

de Fourier numérique du code de balayage numérique pério-

dique, Pk sont des éléments du code de balayage numérique périodique, et les index j et k sont des entiers positifs compris entre 0 et np; et à l'expression: np-1 2ijk (FE)j = Ek e P k=0- dans laquelle (FE)j sont des éléments de la transformée de Fourier numérique de l'enregistrement étendu E, et dans laquelle Ek sont les éléments de l'enregistrement numérique étendu; (b) on calcule les transformées de

Fourier du corrélogramme numérique conformément à l'ex-

pression: (FC).=(FE).(FP)j dans laquelle (FP)* est le conjugué complexe de (FP). et (FC)j sont des éléments des transformées de Fourier du corrélogramme numérique; et (c) on effectue la synthèse de Fourier des transformées de Fourier du corrélogramme numérique de l'opération (b) pour former un corrélogramme numérique conformément à l'expression: -n p 2-Fijk C zJ (FC)k e np Cj = Z k=0

dans laquelle les nI premiers échantillons sont les cor-

rélogrammes de l'enregistrement d'exploration auquel on

25. s'intéresse.