СПОСОБ СЕЛЕКЦИИ ЛИНЕЙНО ПОЛЯРИЗОВАННЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН
METHOD OF SELECTING LINEARLY POLARISED SEISMIC WAVES

Область применения способа селекции линейно поляризованных сейсмических волн: преимущественно сейсморазведка. Данный способ селекции сейсмических волн может найти применение при решении задачи выделения полезных продольных и поперечных волн, используемых при проведении сейсморазведочных работ, и подавления многократно отраженных, преломленно отраженных продольных и поперечных волн, обменных волн, относящихся к категории помех.
V(t)
Vxz(t), Vxy(t), Vyz(t)
V(t)xy
Vxy(t)
Известен способ фазовекторного анализа сейсмических волн (патент РФ №2351955), применение которого позволяет определять угловое положение проекций вектора выходного сигнала трехкомпонентного сейсмоприемника на плоскости прямоугольной системы координат и на радиальную плоскость. На фиг.1 представлен вектор выходного электрического сигнала трехкомпонентного сейсмоприемника , его проекции на плоскости системы координат в виде двухкомпонентных векторов , a также их угловое положение относительно осей системы координат x, y, z. На фиг.2 представлено изображение положений вектора  в отдельные моменты времени, показанные стрелками для линейно поляризованной сейсмической волны. На фиг.3 представлено изображение углового (фазового) положения вектора в виде функции времени при переходе вектора из одного квадранта в другой. Для линейно поляризованной сейсмической волны фазовое положение проекции вектора остается неизменным в том или ином квадранте. При переходе вектора из одного квадранта в другой фазовое положение вектора меняется на 180 градусов. В итоге фазовое положение вектора представляется функцией времени в виде прямоугольных импульсов. На фиг.4 представлен результат сканирования вектора  для продольной волны в виде двух пиков, из которых первый пик соответствует положению вектора в первом квадранте, а второй пик соответствует угловому положению вектора в 3-м квадранте. При этом амплитуды пиков пропорциональны амплитудам полупериодов электрического сигнала. На фиг.5 представлен результат сканирования векторов продольной и поперечной волны SH, следующих одна за другой. Результат представляется в виде четырех острых пиков, из которых 1-й и 3-й соответствуют продольной волне, а 2-й и 4-й соответствуют поперечной волне SH. Угловое положение пиков соответствует угловому положению векторов волн в квадрантах системы координат. По изображению фазового положения проекций вектора выходных сигналов сейсмоприемника на этих плоскостях, а также по результатам сканирования этих проекций определяются типы сейсмических волн, регистрируемых при проведении сейсморазведочных работ, и моменты прихода их в точки приема. Задача выделения полезных сейсмических волн и подавления помех данным способом не решается.
При проведении сейсморазведочных работ существенно усложняют процесс обработки сигналов сейсмические волны, относящиеся к категории помех. В связи с этим весьма актуальной является задача селекции из всего спектра сейсмических волн, регистрируемых в точках приема, только полезных волн, несущих информацию о геологической структуре среды района проведения сейсморазведочных работ и возможном месторождении нефти и газа.
Решение задачи селекции полезных сейсмических волн данным способом решается с использованием результатов фазовекторного анализа регистрируемых сейсмических волн и сканирования векторов сейсмических волн. Каждая линейно поляризованная сейсмическая волна характеризуется вектором с определенной ориентацией в пространстве. Годограф вектора каждой такой волны изображается прямой линией в прямоугольной системе координат и полностью представляется ее проекциями на плоскости xy, zx, zy. Положение каждой проекции вектора волны определяется углом относительно выбранной оси системы координат. Решение задачи селекции сейсмических волн в дальнейшем представляется применительно к цифровому представлению выходных сигналов трехкомпонентного сейсмоприемника. Результат селекции линейно поляризованных сейсмических волн представляется функцией селекции S(t,α,β,γ) в следующем виде:
V(t)
xy
xz
yz
S(t,α,β,γ)=||Sxy(q-α)Szx(q-β)Szy(q-y),
V(t)
V(t)
где || - модуль вектора выходного электрического сигнала  трехкомпонентного сейсмоприемника;
xy
xz
yz
q, q, q - цифровые отсчеты углов положения проекций вектора электрического сигнала на плоскостях xy, zx, zy прямоугольной системы координат относительно осей x и y;
V(t)
α, β, γ - заданное угловое положение проекций вектора сейсмического сигнала  на плоскостях прямоугольной системы координат (углы селекции вектора сейсмической волны);
Sxy, Szx, Szy - функции селекции проекций вектора электрического сигнала для плоскостей xy, zx, zy.
V(t)
При использовании радиальной составляющей вектора выходного сигнала  трехкомпонентного сейсмоприемника функция селекции представляется в виде:
V(t)
xy
rz
S(t,α,φ)=||Sxy(q-α)Szr(q-φ),
rz
где q - дискретные цифровые отсчеты положения вектора сигнала относительно горизонтальной плоскости;
φ - заданное угловое положение вектора сигнала относительно горизонтальной плоскости (угол селекции вектора волны);
Szr - функция селекции вектора электрического сигнала в радиальной плоскости.
V(t)
Функция селекции проекции вектора электрического сигнала  для горизонтальной плоскости имеет следующее выражение:
где k - масштабный коэффициент, определяющий избирательность функции селекции.
V(t)
xy
xz
yz
rz
Аналогичное выражение имеют функции селекции проекций вектора электрического сигнала для плоскостей zx, zy, zr. Модуль вектора выходного сигнала трехкомпонентного сейсмоприемника  преобразуется функцией селекции S(t,α,β,γ). При совпадении значений q, q, q, q отсчетов углов положения проекций вектора на соответствующих плоскостях и заданных значений углов селекции сейсмической волны α, β, γ, φ функции Sxy=Szx=Szy=Szr=1. Соответственно результат селекции линейно поляризованной волны представляется модулем вектора электрического сигнала
где Vx(t), Vy(t), Vz(t) - выходные сигналы сейсмоприемных каналов трехкомпонентного акселерометра.
xy
xy
xy
xy
При интерференции сейсмических волн происходит, как правило, частичное наложение одной волны на другую, что приводит к разрушению линейности поляризации исходных сейсмических волн на временном интервале наложения волн. На временном интервале суперпозиции волн движение частиц среды становится неполяризованным. Однако линейность годографов векторов сейсмических волн сохраняется вне интервалов суперпозиции сейсмических волн. На этих интервалах времени векторы волн характеризуются постоянным значением дискретных отсчетов углов, определяющих положение проекций вектора каждой волны на плоскостях системы координат. Возможности селекции сейсмических волн показаны на примере суперпозиции моделей продольной волны и поперечной волны SH, векторы которых в горизонтальной плоскости ортогональны. При этом векторы моделей исходных сейсмических волн ориентированы в горизонтальной плоскости в следующих направлениях: для продольной волны - q=π/3 (1-й квадрант) и q=π/3+π (3-й квадрант); для поперечной волны SH - q=π/3+π/2 (2-й квадрант) и q=π/3+3π/2 (4-й квадрант). Конец вектора каждой волны совершает поступательное движение из одного квадранта в другой при изменении полярности полупериодов и отсутствии интерференции волн. Значение масштабного коэффициента функции селекции k=300. При этом значении k избирательность функции селекции к угловому положению проекции вектора на горизонтальную плоскость определяется диаграммой направленности, ширина которой на уровне 0.7 составляет несколько долей градуса.
На фиг.6, фиг.7 представлены результаты селекции продольной и поперечной волны SH при отсутствии наложения одной волны на другую (коэффициент суперпозиции Ks=0%). Результат селекции каждой волны представляется модулем вектора каждой волны.
На фиг.8, фиг.9 представлены результаты селекции продольной и поперечной волны SH при коэффициенте суперпозиции волн Ks=40%.
На фиг.10, фиг.11 представлены результаты селекции продольной и поперечной волны SH при коэффициенте суперпозиции волн Ks=60%.
Результаты селекции сейсмических волн при коэффициентах Ks>0% представляются в виде части модуля вектора каждой волны, соответствующей временному интервалу, свободному от наложения одной волны на другую. Наличие острых пиков, показанных стрелками, свидетельствует о вращении вектора сигнала на временном интервале суперпозиции волн. При этом в отдельные моменты времени угловое положение вектора суперпозиции совпадает с углом заданной ориентации функции селекции (1). Наличие вращения вектора сигнала также свидетельствует об отсутствии значения модуля этого вектора, равного нулю, на интервале суперпозиции волн. Следует заметить, это возможно только при отсутствии аппаратурных фазовых сдвигов между выходными сигналами приемных каналов сейсмоприемника. По этой причине частотные характеристики приемных каналов трехкомпонентного сейсмоприемника должны быть идентичными. Это обеспечит отсутствие различия аппаратурных фазовых сдвигов электрических сигналов на выходах приемных каналов. Форма острых пиков свидетельствует о высокой избирательности функции селекции к угловому положению вектора сейсмического сигнала.
При отклонении вектора линейно поляризованной волны от заданного угла селекции на один градус (при значении k=300) снижение амплитуды модуля вектора сигнала достигает 30 дБ. При отклонении вектора волны на 3 градуса от заданного значения угла селекции снижение амплитуды модуля вектора сигнала составляет более 66 дБ.
Данный способ селекции линейно поляризованных волн позволяет принципиально выделять сейсмические волны с любой ориентацией вектора в пространстве, задавая значения углов α, β, γ, (α, φ), определенные предварительно с помощью сканирования вектора выходного сигнала трехкомпонентного сейсмоприемника. При этом сканирование вектора сигналов может производиться на всем временном интервале регистрации сейсмических волн от источника их возникновения. Результатом сканирования вектора сигнала будут значения углов ориентации проекций этого вектора на плоскости системы координат для всех регистрируемых волн. Критерием отбора значений углов ориентации проекций вектора сигналов на плоскостях системы координат для селекции полезных линейно поляризованных сейсмических волн может служить ожидаемое положение сейсмических лучей по азимуту и углу выхода сейсмической радиации, а также их различие для волн, отраженных от слоев, расположенных на различной глубине. Выделяя волны с заданной ориентацией вектора сигнала, волны с другой ориентацией вектора будут подавлены. Это составляет основной технический результат данного способа селекции линейно поляризованных волн.
Отбор значений углов ориентации проекций вектора на плоскости системы координат может производиться оператором-интерпретатором или программным путем на основании модели углов выхода сейсмической радиации полезных сейсмических волн.
Осуществляя селекцию линейно поляризованных сейсмических волн, регистрируемых трехкомпонентными сейсмоприемниками в системах 2D, 3D, ВСП, трехкомпонентные сейсмограммы в точках приема могут быть переведены в одну сейсмограмму, представляющую результат селекции только полезных волн. При этом может быть существенно повышена эффективность обработки сейсмической информации существующими алгоритмами и программами в этих системах.
Одним из важнейших условий реализации способа селекции линейно поляризованных сейсмических волн является полная идентичность частотных характеристик приемных каналов трехкомпонентных сейсмоприемников. К настоящему времени известны разработки цифровых трехкомпонентных сейсмоприемников на основе технологии MEMS (VektorSeis TrueDigital - США, Sercel - Франция). В качестве датчиков, преобразующих смещение частиц среды в электрические сигналы, в них используются акселерометры, частотные характеристики которых наиболее подходят для построения сейсмоприемных каналов с идентичными частотными характеристиками.
Литература
1. Е.И.Гальперин. Поляризационный метод сейсмических исследований. М.: Недра, 1977 г.
2. В.Н.Разнатов. Способ фазовекторного анализа сейсмических волн, патент РФ №2351955.