Địa chấn phản xạ

Thăm dò Địa chấn phản xạ (Seismic Reflection), là một phương pháp của địa vật lý thăm dò, phát sóng đàn hồi vào môi trường và bố trí thu trên mặt các sóng phản xạ từ các ranh giới địa chấn ở các tầng trầm tích dưới sâu. Giải đoàn tài liệu sẽ xác định được các ranh giới kết hợp với xem xét định tính đặc trưng động lực của sóng cho phép xác lập cấu trúc địa chất của vùng và định vị đối tượng quan tâm, như các tầng chứa khoáng sản, đứt gãy,...
Địa chấn phản xạ là công cụ hàng đầu trong tìm kiếm thăm dò dầu khí, được đầu tư nhiều tiền của và trí tuệ vào phát triển phương tiện và xử lý tài liệu, kết tinh trong các giáo trình ngàn trang . Nó cũng được ứng dụng vào tìm kiếm khoáng sản ở vùng trầm tích chưa biến chất, như mỏ muối Na-K, than nâu, than đá,... Đôi khi nó cũng được sử dụng vào khảo sát địa chất công trình, ví dụ trong dự án Nhà máy Điện hạt nhân 1 tại Phước Dinh, Ninh Thuận, Việt Nam, thực hiện năm 2012.

Phép phân tích cổ điển

Tập hợp các đường ghi điểm nguồn chung CSP thành băng ghi, dò tìm phản xạ mạnh trước, kết hợp với thông tin địa chất khác để xem đó có phải là phản xạ thật hay không. Sau đó vạch sóng theo các cực trị, rồi hiệu chỉnh về đầu sóng. Đường biểu diễn đầu sóng được gọi là biểu đồ sóng (Travel Time).
Dựa theo công thức của hyperbol thực hiện xấp xỉ biểu đồ sóng để tính ra V và h. Việc xấp xỉ thuận lợi nhất ở vùng lân cận cực tiểu của hyperbol, nên trước đây đo thực địa tiến hành ở cả hai phía của SP. Giá trị V tính được cho các ranh giới sâu gọi là tốc độ trung bình Vₘₑₐₙ, đại diện thay thế các lớp phủ bên trên về một lớp.
Ngày nay có thể dùng cách phân tích cổ điển để kiểm tra nhanh tài liệu, ví dụ tại vị trí có hố khoan hoặc kiểm tra kết quả chuyển đổi time-depth của mặt cắt CDP. Biến đổi công thức của hyperbol thành x² = V² t² - 4h² để xấp xỉ tuyến tính bằng MS Excel. Từ tập hợp trị số của biểu đồ sóng (x,t) tính ra hai cột Yi = [x²] và Xi = [t²]. Khi đó [V²] = Slope{Yi, Xi} và [-4h²] = Intercept{Yi, Xi}. Kết quả tính trực tiếp này tin cậy nếu không bị nhầm vào phản xạ lặp.

Nguồn súng hơi

Nguồn súng hơi (Air Gun) là loại súng chuyên dụng để bắn trong nước hoặc hố nước. Nguồn tích năng là máy nén khí công suất từ chục đến vài trăm mã lực. Các súng công suất lớn thường có nhiều nòng bắn. Nguồn này được dùng trên sông biển. Khi dùng trên bộ thì phải dùng súng nhỏ và phải tạo bồn hoặc hố chứa nước .

Nguồn phóng điện

Nguồn phóng điện (Sparker) dùng nguồn tích năng điện áp DC cao 3 - 4 KV công năng đến vài KJ, phóng xung vào các điện cực trong môi trường nước mặn ở biển hoặc nước pha muối. Nguồn cho ra xung có tần số chính cỡ 100 Hz. Nguồn được dùng trong khảo sát nông trên sông biển. Có thể dùng cho phát sóng trong hố khoan song cần có bơm nước muối qua đường ống cỡ 7 mm tới đầu điện cực phát .
Cùng làm việc với nguồn tích năng của sparker thường có "đầu phát sóng từ giảo" gọi là boomer, phát sóng ở nơi nước ngọt. Boomer có cấu tạo là một đĩa nhôm có quấn vài vòng dây đồng, khi phóng xung điện thì tạo ra xung từ trường mạnh gây biến dạng đĩa nhôm, tạo ra rung động theo hiệu ứng từ giảo .
Súng hơi và Sparker có wavelet kéo dài và có các đỉnh thứ cấp do quá trình dãn - nén của khối khí gây ra (Ghost và Residual Bubble Pulses). Cần thu được dạng wavelet để phục vụ lọc ngược.

Đầu thu sóng địa chấn kiểu cơ điện

Đầu thu sóng địa chấn kiểu cơ điện (Geophone): Nó giống cái loa nghe nhạc, có thể tháo xem. Điểm khác là màng đỡ được thay bằng vành đàn hồi, phía đáy có chân cắm vào đất, gia cố cách nước, và giải pháp kỹ thuật để chế loạt lớn nhưng đồng nhất về các chỉ tiêu kỹ thuật: Tần số riêng, đặc tuyến tần số, hệ số cơ điện. Dùng cho thu sóng trên bộ. Trở kháng ra của máy nhỏ, cỡ 300Ω, có thể yên tâm ngâm điểm đấu dây và đầu thu trong nước suối khi đo đạc. Đầu thu là loại có hướng, thu thành phần dọc trục cuộn dây, và có hai phiên bản: thu thành phần dao động đứng Z, thu thành phần dao động ngang H. Ví dụ: GeoSpace GS-20DM.
Thu phản xạ sóng dọc P dùng đầu thu thành phần dao động đứng Z. Thu phản xạ sóng ngang SH dùng đầu thu thành phần dao động ngang H, đặt trục đầu thu vuông góc với tuyến đo.

Đầu thu sóng địa chấn kiểu điện áp

Đầu thu sóng địa chấn kiểu điện áp hay đầu thu gốm (Piezoelectric sensor), là mảnh cắt tinh thể gốm, thường là titanat bari, có gắn điện cực. Nó chuyển sóng áp suất (sóng dọc) sang điện áp, được dùng cho thu sóng trong môi trường nước nên gọi là hydrophone. Đầu thu này không có tính hướng. Chúng thường được ghép thành cáp đa kênh, đặt trong ống nhựa chứa dầu khoáng, thường gọi là con lươn/rắn (Eel Cable). Trở kháng ra của đầu gốm cao, nên phải có tiền khuếch đại tại đầu cáp. Geometrics còn đặt luôn khối số hóa tín hiệu trong cáp và truyền số liệu về máy tính trung tâm theo giao thức mạng, như Digital Marine Streamer System DMS-1 .

Xử lý phân tích

Các xử lý đơn kênh và đa kênh được thực hiện xen nhau trong quá trình chung. Việc lựa chọn trình tự và công đoạn tùy thuộc vào kiến thức và kinh nghiệm của người thực hiện.

Phép lọc Dự báo

Phép lọc Dự báo (Predictive Deconvolution) là thuật toán được Rudolf E. Kálmán đưa ra năm 1960  và gọi là bộ lọc Kalman. Thuật toán này đưa ra mô hình cho rằng giá trị tương lai của một Time Series chứa hai phần: phần dự báo được (predictable) và phần không thể. Phần dự báo được có thể tính từ các trị trước tương lai, thông qua việc giải phương trình tính ra toán tử lọc. Ví dụ vui kinh điển là dự báo giá vàng ở thị trường New York, và kết quả khá sát.
Trong địa chấn ứng dụng đơn giản nhất là bộ lọc khử nhiễu ngẫu nhiên cho đường ghi, số liệu ra là lai ghép theo hệ số ghép α nào đó: trị lọc = α x[trị quan sát] + (1- α) x[trị dự báo].
Trong địa chấn vùng nước nông, lọc dự báo được ứng dụng để khử sóng lặp của lớp nước, trong đó thực hiện loại trừ khỏi số liệu phần xung dự báo được. Thuật lọc này sử dụng nhận dạng đa kênh, nên có sự sai khác với lọc dự báo thuần túy.

Lọc ngược tương tự cao nhất

Lọc ngược tương tự cao nhất (Maximum Likelyhood Deconvolution, MLD)  là phép lọc do Mendel J.M. đưa ra năm 1983, thực hiện lặp (iteration) phép ước lượng wavelet và dãy xung phản xạ, đến khi có được đường ghi tổng hợp gần với đường ghi thực tế nhất. Tuy nhiên ít thấy ứng dụng vào các phần mềm xử lý hiện đại.

Biến đổi F-K

Biến đổi F-K là biến đổi Fourier hai chiều (2D Fourier transform) thực hiện cho hàm tín hiệu từ miền (x,t) sang miền (k,f), trong đó f - tần số, k - số sóng (Wavenumber), với k = 2π/λ trong đó λ là bước sóng.
Trong miền (k,f) các sóng cùng tần số nhưng khác nhau về tốc độ biểu kiến sẽ hiện ra ở vùng khác nhau. Áp dụng bộ lọc triệt giảm vùng của nhiễu rồi thực hiện biến đổi F-K ngược để thu về kết quả.

Biến đổi Radon

Biến đổi Radon (Radon transform) là phép biến đổi toán học dạng tích phân hàm số do Johann Radon đưa ra năm 1917. Nó được vận dụng vào xử lý địa chấn với đường tích phân có dạng parabol, hyperbol (như trong quét tốc độ), và đường thẳng (như trong biến đổi Tau-p).

Biến đổi Tau-p

Biến đổi Tau-p còn gọi là Slant Stack, do Tatham R., Keney J. và Noponen I. đưa ra năm 1982 , áp dụng cho CSP, CMP gather hay từng đoạn CMP Stack. Nó là trường hợp vận dụng biến đổi Radon, trong đó phép tích phân hàm tín hiệu s(x,t) lấy theo đường thẳng t = px + τ, với p gọi là độ chậm (Slowness), và biểu diễn tại điểm (p,τ). Độ chậm là p = 1/Vₐ, với Vₐ là tốc độ biểu kiến.
Trong thực tế thường tính từ p=0 (tức Vₐ=∞) đến pₘₐₓ (hoặc ±pₘₐₓ) nào đó, có thể là 1/1450 s/m (tốc độ sóng trong nước). Các trục đồng pha thẳng sẽ hiện thành điểm, còn hyperbolic hiện thành ellip trong hệ (p,τ).
Sau đó áp dụng bộ lọc tốc độ. Nó gồm vùng thông qua, thường là vùng p nhỏ, và vùng triệt (cắt) ở p lớn. Giữa hai vùng trên là vùng ráp nối, để hệ số lọc chuyển dần từ 1 tới 0. Biến đổi Tau-p ngược sẽ cho lại băng ghi đã lọc bớt các sóng có tốc độ biểu kiến thuộc vùng triệt, thường ứng với sóng lặp (Multiples) hay nhiễu thường trực khác.
Biến đổi Tau-p không động chạm đến đặc trưng pha.

Stack và Migration

CDP Stack là công đoạn quan trọng nhưng đơn giản, thực hiện cộng các đường ghi về một đường ghi tổng cho điểm thu. Nó được thực hiện sau khi các xử lý đơn/đa kênh đã cho kết quả vừa ý. Phần mềm có thể nội suy ra các đường ghi sau CDP Stack theo giãn cách đều.
Các dạng Stack khác và Migration là chủ đề hàn lâm cao, được đề cập ở trang riêng.

Tính chuyển sang độ sâu

Kết quả CDP cuối cùng có thể được tính chuyển từ trục thời gian sang độ sâu (time-depth), để thuận tiện trong biểu diễn, so sánh với kết quả của các phương pháp khác đặc biệt là địa tầng khoan. Trong chuyển đổi này tốc độ trung bình Vₘₑₐₙ cho vị trí tại đường ghi được nội/ngoại suy từ CSDL tốc độ, và chuyển đổi.
Nếu cột tốc độ có biến thiên lớn, kết quả CDP có thể có vẻ ngoài khác thường, không thuận tiện cho xác định ranh giới địa chấn bán tự động trên băng số.