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Möglichkeiten eines DMO-Prozesses in der CMP-Refraktionsseismik

Gawlas, Peter Florian (2002), Möglichkeiten eines DMO-Prozesses in der CMP-Refraktionsseismik, LMU Munich: Faculty of Geosciences.

Abstract
Die herk¨ommlichen Wellenfeldbearbeitungen der CMP-Refraktionsseismik basieren auf
N¨aherungsl¨osungen f¨ur kleine Schichtneigungen. Dieser Ansatz hat sich f¨ur Schichtneigungswinkel
bis zu ca. 100 bew¨ahrt. Mit gr¨oßer werdendem Neigungswinkel verschlechtern
sich die Ergebnisse der CMP-Refraktionsseismik aber zunehmend. Große Neigungswinkel
machen sich in zu hoch bestimmten Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten und einer
schlechteren Fokussierung auf gemeinsame Untergrundabschnitte durch die CMPSortierung
bemerkbar.
Die Probleme falsch bestimmterWellenausbreitungsgeschwindigkeiten und die schlechtere
Fokussierung auf gemeinsame Untergrundspunkte, sind auch aus den Anf¨angen der
CMP-Reflexionsseismik bekannt. Es gelang zuerst Judson, Shultz und Sherwood (1978)
mit der Einf¨uhrung eines zus¨atzlichen Korrekturschritts das CMP-Konzept so zu erweitern,
daß auch das reflektierte Wellenfeld von geneigten Schichtgrenzen korrekt bearbeitet
werden konnte. Ihr Verfahren, das sie DEVILISH nannten, wurde durch eine Vielzahl von
Autoren weiter verbessert und ist heute unter dem Namen DMO weitl¨aufig in der Seismik
bekannt. Die DMO hat sich zum Standardschritt in der modernen seismischen Datenverarbeitung
etabliert.
Die vorliegende Arbeit besch¨aftigt sich erstmals mit der M¨oglichkeit einer DMOKorrektur
f¨ur die CMP-Refraktionsseismik. Zu diesem Zweck mußte zun¨achst das DMOKonzept
aus der Reflexionsseismik in die Refraktionsseismik ¨ubertragen und in mathematischen
Grundgleichungen quantifiziert werden. F¨ur eine Erprobung der Refraktions-DMO
an seismischen Daten mußte man aus den Grundgleichungen einen geeigneten Algorithmus
konstruieren.
Die ¨Ubertragung des DMO-Konzepts aus der Reflexionsseismik in die Refraktionsseismik
erfolgte in Kapitel 3. In Kapitel 4 wurden die zugeh¨origen Grundgleichungen mit
Hilfe des Hales-Kreises nach Hales (1958) hergeleitet. Es zeigt sich, daß die gewonnenen
Grundgleichungen nicht mehr von der Zeit- bzw. der Ortskoordinate abh¨angen. Weil
auch die LMO-Korrektur unabh¨angig von der Zeit ist, sind LMO und Refraktions-DMO,im Gegensatz zu NMO und Reflexions-DMO, im Processing kommutativ. Die Kommutativit
¨at vereinfacht das urspr¨unglich in Analogie zur Reflexionsseismik entwickelte Processing.
Die Stapelung kann nach DMO (ohne vorherige LMO) mit den neigungsfreien
Stapelgeschwindigkeiten entlang schr¨ager Geraden erfolgen. F¨ur die iterative Geschwindigkeitsbestimmung
ben¨otigt man statt LMO-, DMO- und inverser LMO-Korrektur nur
eine einfache DMO-Korrektur. Diese Erkenntnis f¨uhrt zu dem in Kapitel 3 beschriebenen
Processingvorschlag.
Aus den Grundgleichungen konnte in Kapitel 4 ein DMO-Algorithmus entwickelt
werden. Dieser Algorithmus wirkt auf die fouriertransformierten COF-Wellenfelder. Der
Weg ¨uber den Frequenz-Wellenzahl-Bereich hat sich auch schon bei der Reflexions-DMO
bew¨ahrt (s. z.B. Hale, 1984; Jakubowicz, 1990). Ein o®ensichtlicher Vorteil beim Wechsel
des Koordinatensystems ist, daß die recht komplizierte und numerisch aufwendige
Operation der Faltung zu einer einfachen Multiplikation des Spektrums mit einem Operator
wird. Im DMO-Verfahren von Hale (1984) macht sich der Autor einen heuristischen
Ansatz zunutze. Es zeigt sich in dieser Arbeit, daß dieser heuristische Ansatz von Hale
(1984) auch f¨ur die Refraktions-DMO funktioniert. Der gewonnene DMO-Operator (Gl.
4.64) f¨ur die Spektren der COF-Familien wurde auf dem Rechner implementiert. Bei der
Implementierung der Refraktions-DMO f¨ur diskrete Wellenfelder m¨ussen die Eigenarten
der Diskreten Fouriertransformation beachtet werden. Zur Vermeidung des wrap-around-
E®ekts wurde deshalb eine Option zum Anf¨ugen von Nullspuren vorgeschlagen. Die bei
Migrationsalgorithmen immer auftretenden, st¨orenden Ausschmierungen an den Enden
der Laufzeitkurven, konnten durch eine Option zur Beschr¨ankung der ¨O®nungsweite teils
unterdr¨uckt werden.
Die Grundgleichungen lassen sich auch f¨ur eine theoretische Vorhersage ¨uber die Wirkungsweise
des Prozesses bei der iterativen Geschwindigkeitsbestimmung nutzen. Durch
die verschiedenen numerischen Versuche prognostiziert man ein schnelles Konvergieren
bei den neigungsfreien CRP-Scheingeschwindigkeiten. Diese theoretische Prognose wurde
mit Versuchen an synthetischen Datens¨atzen unter Verwendung des DMO-Algorithmus
f¨ur den Frequenz-Wellenzahl-Bereich in Kapitel 5 best¨atigt.
Die Grundgleichungen der Refraktions-DMO wurden, wie ¨ubrigens auch die Gleichungen
f¨ur die Reflexions-DMO, auf der Basis des sehr einfachen 2-Schichtenmodells mit
konstanten Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten hergeleitet. Im Fall mehrerer Schichten
im Hangenden einer Schichtgrenze f¨uhrt der Einsatz Reflexions-DMO i.d.R. trotzdem zu
einer Verbesserung. Das Processing der CMP-Reflexionsseismik ist dann allerdings nicht
mehr exakt richtig. F¨ur die Refraktions-DMO konnte mit Hilfe der Grundgleichungen gezeigt
werden, daß das Verfahren bei geeignet gew¨ahlten Korrekturparametern vhan und
vref sehr gut funktioniert. Mit den neigungsfreien CRP-Scheingeschwindigkeiten des direkt
angrenzenden Hangenden f¨ur vhan kann man wie im 2-Schichtenfall, die neigungsfreien
CRP-Scheingeschwindigkeiten des Refraktors exakt bestimmen.
Die theoretisch, auf der Basis der Grundgleichungen getro®enen Aussagen, konnten
an einem synthetischen Datensatz erprobt werden. Die simulierten Seismogramme wurden mit Hilfe eines Cerveny-Raytracing-Programms auf der Basis eines Mehrschichtenfalls
mit Geschwindigkeitsgradienten berechnet. Anschließend wurde der Datensatz nach dem
Konzept aus Kapitel 3 mit DMO bearbeitet. Das verwendete Modell wich dabei bewußt
von dem zur Herleitung der DMO verwendeten Modell ab, um bei der Bearbeitung auch
die Grenzen des DMO-Verfahrens auszuloten. Sowohl die Geschwindigkeitsgradienten, wie
auch die kleinen Neigungen im Hangenden, wurden in der Theorie der Refraktions-DMO
nicht ber¨ucksichtigt. Die Bearbeitung des synthetischen Datensatzes demonstrierte die
stabile Funktionsweise der f-k-DMO. Auch die großen Amplituden anderer Wellentypen
(Reflektierte und Direkte Welle) bzw. das aufaddierte Rauschen konnten die Funktionsweise
nicht beeintr¨achtigen. Es zeigte sich, daß man die Geschwindigkeiten nicht durch
eine langwierige Iteration verbessern mußte. Schon nach einer DMO-Korrektur mit den
zu großen neigungsabh¨angigen CMP-Scheingeschwindigkeiten ließen sich die anschließend
ermittelten CRP-Scheingeschwindigkeiten nicht weiter verbessern. Die Scheingeschwindigkeiten
wurden mit einer ¢tV-Inversion in Geschwindigkeitstiefen-Funktionen gewandelt
und zu einem 2-dimensionalen Geschwindigkeitsmodell kombiniert. Der Vergleich
dieses Modells mit dem Ausgangsmodell und mit dem Modell einer CMP-Bearbeitung
ohne DMO-Korrektur zeigte die Vorteile der Refraktions-DMO bei der Geschwindigkeitsbestimmung.
Der zweite Ansatzpunkt bei der Konzeptionierung der Refraktions-DMO,
die verbesserte Fokussierung auf gemeinsame Untergrundabschnitte, war weniger erfolgreich.
Die DMO-Bearbeitung brachte keine Vorteile bei der Darstellung der refraktierenden
Strukturen gegen¨uber der CMP-Bearbeitung ohne DMO. Theoretisch sollte allerdings
zumindest die verbesserte Geschwindigkeitsbestimmung zu einer besseren Lotzeittransformation
f¨uhren. Der E®ekt war allerdings gering.
Die theoretisch erdachten Verbesserungen der Refraktions-DMO konnten an dem synthetischen
Datensatz also gr¨oßtenteils best¨atigt werden. Allerdings basiert die Theorie der
Refraktions-DMO, wie ¨ubrigens die Theorie der Reflexions-DMO auch, auf der Annahme
zumindest lokal planarer Schichtgrenzen. Die Erweiterung der CMP-Refraktionsseismik
auf gekr¨ummte Schichtgrenzen ist eine sehr spannende und anspruchsvolle Herausforderungen.
Es ist zu erwarten, daß mit einer erweiterten CMP-Refraktionsseismik noch große
Fortschritte in der Abbildung der refraktierenden Strukturen durch das Wellenfeld zu erzielen
sind. Ho®entlich regen die ¨Uberlegungen und Ergebnisse dieser Arbeit m¨oglichst
viele Leser zu Weiterentwicklungen der CMP-Refraktionsseismik an.
Further information
BibTeX
@phdthesis{id372,
  author = {Peter Florian Gawlas},
  note = {in press},
  school = {LMU Munich: Faculty of Geosciences},
  title = {{M{\"o}glichkeiten eines DMO-Prozesses in der CMP-Refraktionsseismik}},
  year = {2002},
  url = {http://edoc.ub.uni-muenchen.de/archive/00000222/01/Gawlas{\_}Peter.pdf},
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EndNote
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%I LMU Munich: Faculty of Geosciences
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Printed 25. Aug 2019 08:52