Bài nghiên cứu: Ảnh hưởng, tác động trong khảo sát địa chấn 2D và giải pháp khắc phục (Remove the Ghost Reflection Interferences)

Tómtắt:

Do mặt biển đóng vai trò như một tấm gương phản xạ hoàn hảo sóng âm nên có các hiệu ứng “ma” (ghost effects) gây nhiễu ở cả phía nguồn phát và nguồn thu (source and reciver ghost). Hiệu ứng “ma” do các sóng phản xạ từ mặt biển, trong đó bao gồm cả nhiễu phản xạ nhiều lần (surface multiples) ảnh hưởng đến chất lượng tài liệu địa chấn thu nhận được và cần phải loại trừ.

Để loại trừ những tác động nhiễu không mong muốn đó và nâng cao chất lượng tài liệu địa chấn, người ta đã nghiên cứu, ứng dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật và thu được thành tựu như sau: Về công nghệ thu nổ đã thực hiện khảo sát 3D, 4D. Việc áp dụng các tiến bộ của công nghệ thông tin, hệ thống định vị vệ tinh đã làm tăng độ chính xác định vị các điểm thu, có thể sử dụng đồng thời và đồng bộ các tàu thu-nổ; Số mạch trong cáp thu đã tăng đến hàng nghìn mạch cho phép tăng năng suất thu nổ, tăng nguồn thông tin thu được và tăng độ phân giải của tài liệu địa chấn; Nguồn nổ và cáp thu cũng có những cải tiến về chống nhiễu, làm tăng cường độ của tín hiệu thu;;… [8]. Về thu nhận và xử lý tín hiệu, từ phương pháp dựa trên các phản xạ thông thường ban đầu đã phát triển thành phương pháp điểm giữa chung/điểm sâu chung (CMP) đến phương pháp thu nhận-xử lý số liệu địa chấn tập trung đa điểm (dựa trên việc hiệu chỉnh thời gian lan truyền sóng mới phù hợp cho mọi mô hình địa chất và mọi dạng hình học của đối tượng nghiên cứu [9]).

Tuy nhiên, việc áp dụng các phương pháp và công nghệ trên ở Việt Namcòn nhiều bất cập, do phải đầu nhiều với chi phí cao. Trong bài viết này, tác giả giới thiệu khái quát về các tác động của sóng “ma” và các giải pháp khắc phục khi thực hiện khảo sát địa chấn 2D.

I. Quy trình khảo sát địa chấn 2-D:

1.1. Sơ đồ khảo sát địa chấn 2-D trên biển:

Hình 1. Mô hình khảo sát 2D trên biển [6]

Tầu sẽ kéo cáp thu chạy dọc theo tuyến đo được xác định từ trước bằng sự hỗ trợ của hệ thống định vị vệ tinh GPS. Cáp thu Streamer gồm các đầu thu Hydrophones (bằng tinh thể áp điện) và người ta ghép 12 đầu thu thành 01 kênh thu (01 nhóm đầu thu) có chiều dài 12,5m. Cứ 12 kênh thu lại tạo thành 01 Section dài 150 m và sử dụng 01 bộ LAUM để cấp nguồn, tổng hợp số liệu từ 05 Sections hay từ 60 kênh thu, truyền thông tin về hệ thống ghi nhận số liệu trên tàu và được gọi là từ một đơn vị đo (từ 01 Module).

1.1. Nguồn nổ:

Nguồn nổ là súng hơi (Air Gun), cần đáp ứng 2 yêu cầu quan trọng. Thứ nhất là độ phân giải (Seismic Resolution) của nguồn nổ. Khi phát xung áp lực xuống các lớp địa chất phíadưới nước, sau khi va đập vào các ranh giới phản xạ sẽ đi ngược lên trên và được thu bởi các hydrophones. Nếu nguồn nổ có độ phân giải tốt, tín hiệu địa chấn thu được sẽ rõ ràng và sắc nét. Thứ hai là ở khả năng xuyên sâu của xung lực, bởi vì năng lượng xung sẽ bị hấp thu mạnh khi đi qua các lớp đất đá. Do đó, để xuyên sâu, nguồn nổ cần có công suất lớn và có một dải tần số thích hợp.

Trên thực tế, để đạt được hiệu ứng tốt nhất cho nguồn nổ, các súng hơi thường được ghép thành một nhóm nguồn nổ và cho nổ đồng thời. Tổng thể tích khí của mỗi lần nổ lên đến 3200 in³ (tương đương 52,438,4 cm³) và với áp suất lên đến 2000 psi cho mỗi súng.

Hình 2. Độ phân giải của nguồn nổ ảnh hưởng đến chất lượng dữ liệu địa chấn [6]

1.1. Truyền số liệu:

Có 2 phương pháp truyền số liệu thường được sử dụng: Phương pháp phân chia thời gian đa thành phần TDM (time division multiplex - số liệu từ các kênh thu được truyền trên cùng một cáp nhưng sai lệch nhau về thời gian) và phương pháp phân chia tần số đa thành phần FDM ( frequency division multiplex- sai khác nhau về tần số).

Trong cáp thu có dây passive và active là quan trọng. Lệnh ghi từ hệ thống điều khiển sẽ truyền trên dây passive đến các module để yêu cầu ghi số liệu. Dây thứ hai là dây active được dùng để truyền thông tin thu được về hệ thống ghi nhận số liệu trên tàu.

Khi lệnh ghi số liệu được truyền trên dây passive đến module đầu tiên và gần nhất, module này chưa hành động gì mà chờ cho đến khi lệnh ghi được truyền đến module cuối cùng và xa tàu nhất, gọi là module 1. khi đó module 1 mới xuất số liệu vào dây active để truyền sang module 2. Module 2 sẽ nhận luôn số liệu của module 1 và xuất số liệu, tức là xuất số liệu của cả module 1 và module 2. Cứ tiếp tục như vậy số liệu sẽ được xuất hoàn toàn tại module cuối cùng và truyền về hệ thống ghi số liệu trên tàu.

1.2. Ghi số liệu:

Hệ thống ghi nhận số liệu ví dụ như hệ thống SEAL CMXL 2000 có khả năng thu nhận được từ 20.000 kênh địa chấn. Hệ thống gồm có 2 phần cơ bản:

Phần Processing Remote Module (PRM): Trung tâm điều khiển, giao tiếp với các thiết bị ngoại vi, chuyển đổi và phân phối dữ liệu sang dạng chuẩn Seg-D.

Phần Human Computer Interface (HCI): Cho phép tác động vào và quản lý hệ thống/quản lý quá trình thu nổ. Tại HCI có thể cài đặt tham số của quá trình thu nổ như khoảng cách thu nổ, thời gian ghi sóng, lọc tần số cao, lọc tần số thấp,…

Người ta sử dụng kết hợp hệ thống ghi nhận số liệuvới hệ thống eSQC Pro. Hệ thống eSQC Pro thể hiện số liệu của từng điểm nổ trong miền thời gian thực, sóng đầu, mức độ nhiễu, biên độ của tín hiệu, … để người sử dụng quyết định về việc số liệu thu được có tốt hay không, mức độ nhiễu như thế nào….

1.3. Xử lý số liệu sơ bộ:

Sau khi số liệu được thu thập và lưu trữ vào băng/đĩa, dữ liệu này sẽ được xử lý thô bằng chương trình phân tích và xử lý địa chấn, ví dụ như chương trình GeoCluster. Hệ thống xử lý sơ bộ độc lập với hệ thống ghi nhận số liệu và bao gồm các thao tác:

Kiểm tra (multiple QC) các thông số đầu vào; định hình dạng đo (Geometry); quản lý số liệu; xử lý tín hiệu (signal processing); nội suy số liệu trong miền x-t; hạn chế, làm giảm nhiễu bằng phép biến đổi F-K, liên hệ các điểm đo kế cận,…; hiệu chỉnh động học, dịch chuyển thời gian trước cộng, dịch chuyển độ sâu trước cộng; cộng sóng và chuyển sang lát cắt địa tầng.

II. Những trở ngại trong khảo sát địa chấn 2D và giải pháp khắc phục:

2.1. Khắc phục tác động của nhiễu từ các phản xạ “ma”:

Do mặt biển phản xạ rất tốt sóng âm nên gây ra hiệu ứng “ma” (ghost) trong dữ liệu địa chấn thu nhận được. Tại mỗi vị trí nguồn nổ của mỗi vụ nổ luôn có sóng phản xạ về từ mặt biển, bị giữ chậm một khoảng thời gian (source ghost) và (tiếp tục) theo đường truyền trực tiếp của trường sóng địa chấn từ nguồn nổ đến đáy biển (Hình 3). Tác động của “source ghost” là ở cả tần số thấp và cao nên sẽ không thể nhận ra bức tranh đầy đủ từ toàn bộ dải tần của tín hiệu thu được. Tương tự như vậy, với mỗi vị trí máy thu dọc theo tuyến cáp thu (streamer) cũng có sóng phản xạ “ma” (receiver ghost) từ mặt biển (Tia “3” trong Hình 4), gây nhiễu liên tục và là tác động không mong muốn đối với sóng địa chấn hữu ích.

Hình 3. Phương pháp sử dụng sensors kép (dual sensors) [1]

Như vậy, tác động của sóng phản xạ “ma” là cả ở phía “nguồn” (source ghost) và phía “thu nhận” (reciver ghost) khi thực hiện một khảo sát đơn tuyến nào đó. Những tác động không mong muốn này và cả nhiễu phản xạ nhiều lần từ mặt biển (như Tia “4” trong Hình 4 là một dạng Multiples) cản trở liên tục (làm “bẩn” và “mờ” hình ảnh về lớp địa chất phía dưới), tác động dọc theo cáp thu, gây nhiễu tín hiệu địa chấn gốc (Tia “1” trong Hình 4 [1]) dưới đây.

Mô phỏng đường truyền sóng âm từ một nguồn nổ:

Hình 4. Mô phỏng đường truyền sóng âm từ nguồn nổ [1]

Tia “1” là tia “sóng chủ/gốc”: {Từ nguồn nổ - mặt đất/đáy biển - phản xạ về máy thu};

Tia “2” là nguồn (phát) phản xạ “ma”: {Từ nguồn nổ - mặt biển - đến đáy biển –máy thu};

Tia “3” là nguồn (thu) phản xạ “ma”: {Từ nguồn nổ - đáy biển - mặt biển - máy thu};

Tia “4” bao gồm cả nguồn phát và nguồn thu phản xạ “ma”: {Từ nguồn nổ - mặt biển – đáy biển – mặt biển (lần 2) – máy thu}.

2.1.2. Giải pháp khắc phục (Remove the Ghost Reflections):

a) Về bản chất, sự giao thoa giữa trường sóng chủ phản xạ về từ đáy biển (từ đối tượng nghiên cứu) và trường sóng “ma” phản xạ từ mặt biển như trình bày trên đây sẽ thay đổi theo độ sâu của nguồn (liên quan đến “source ghost”) hoặc độ sâu của cáp thu (“receiver ghost”). Liên quan đến nguồn thu phản xạ “ma” (receiver ghost), ở một độ sâu nào đó của cáp thu thì biên độ của sóng phản xạ “ma” ở những tần số nhất định sẽ bị triệt tiêu hoàn toàn tại đầu ghi, còn biên độ ở những tần số khác sẽ tăng gấp đôi. Nhìn chung, các tần số gắn với các đỉnh (biên độ) sẽ dịch chuyển dần về phía giá trị tần số thấp theo chiều tăng của độ sâu và ngược lại. Hiện tượng nguồn thu phản xạ “ma” (receiver ghost) luôn là vấn đề đối với khảo sát đơn tuyến, cả về địa vật lý và hoạt động. Do đó, người ta đã đặt cả nguồn nổ và cáp thu ở một độ sâu nào đó so với mặt biển để tạo thuận lợi cho việc thu sóng chủ và đồng thời làm suy giảm nhiễu ở một số tần số cố định – Phương pháp này thường vẫn hay được sử dụng.

b) Một phương pháp khác được dùng để loại trừ nhiễu phản xạ “ma” đạt hiệu quả cao là sử dụng sensors kép (Dual-Sensors). Do cáp thu bằng hydrophones không thể phân biệt được chiều phân cực ngược nhau của trường sóng địa chấn đi lên từ dáy biển và trường sóng địa chấn đi xuống từ mặt biển (receiver ghost). Kết quả là các sóng phản xạ “ma” từ mặt biển gây nhiễu ở những tần số nhất định, làm suy giảm độ phân giải hình ảnh địa chấn và giảm giá trị dữ liệu khảo sát. Do đó, người ta đã nghiên cứu ứng dụng các sensors kép, bao gồm đầu thu Hydrophones theo truyền thống và sensors đo vận tốc để phân biệt được chiều của “sóng lên” và chiều của “sóng xuống”, từ đó có thể loại trừ những sóng đi xuống từ mặt biển – Phương pháp này mới được đưa vào sử dụng năm 2007.

Hình 5. Phương pháp sử dụng sensors kép (dual-sensors) [3]

c) Việc phân bố thời gian nổ và độ sâu của nguồn phụ cũng là phương pháp khá hiệu quả trong việc loại trừ nguồn phản xạ “ma”. Phương pháp được sử dụng từ năm 2011 và hoạt động theo nguyên tắc như mô tả ở Hình 6 [4]. Từ phân bố độ sâu của các nguồn phụ sẽ tạo ra các hàm sóng “ma” nhẹ (wavelet functions) để bù/bổ sung cho những bậc sâu trong quang phổ. Từ độ trễ về thời gian nổ được giữ chậm (thường là < 1 giây) của các nguồn phụ phản ánh cho lớp địa chất đồng nhất và với những máy thuvề cơ bản vẫn ở những vị trí tương tự. Về hiệu suất và mật độ nổ của nguồn phụ cũng tương tự như của nguồn trước đây (theo truyền thống).

Hình 6. Phổ tần số của sóng “ma” từ 2 nguồn nổ ở độ sâu khác nhau [4]

Trong Hình 6 [4], hai nguồn phụ hoạt động ở những độ sâu khác nhau sẽ tạo ra sóng nguồn nhỏ (wavelet functions), với sự khác bịệt về độ giữ chậm giữa sóng chủ (của nguồn phụ) và sóng nguồn phản xạ “ma” source ghost (cột trung tâm. Các sóng nhẹ có phổ biên độ dùng để bù/bổ sung (cột bên phải). Các bước xử lý để loại bỏ nguồn “ma” được minh họa dưới đây.

Các nhà khoa học đã phát triển công nghệ xử lý dữ liệu sử dụng các độ giữ chậm về thời gian nổ đã biết để tách riêng ra các trường sóng của nguồn phụ. Bước loại bỏ nguồn “ma” tiếp theo (loại trừ source ghost) liên quan đến việc táikết hợp những trường sóng này và sử dụng phương pháp đã có để phục vụ cho xử lý dữ liệu.

Hình 7. Xử lý từ hai hàm sóng “ma” [4]

Hình 7_[4] trình bày hai hàm sóng “ma” nguồn (two source ghost functions) ở bên trái [4]. Các đỉnh tự tương quan là thẳng hàng để bù trừ cho sự khác biệt về độ sâu, rồi sau đó cộng lại với nhau. Sau khi chuẩn hóa quang phổ ởbước cuối cùng, kết quả thu được là một thanh đơn không còn liên quan đến nguồn phản xạ “ma”.

2.2. Tác động do cáp thu bị trôi lệch tuyến:

Do tác động chủ yếu của dòng hải lưu làm cho cáp thu bị trôi lệch, không nằm thẳng trong tuyến định trước (Hình 8) mặc dù là tàu kéo luôn chạy thẳng tuyến. Vì vậy sẽ có sự biến dạng ở sóng chủ và cả nhiễu phản xạ nhiều lần trong bộ tín hiệu địa chấn 2D thu được (do cấu hình đo thực tế khác với cấu hình đo tính toán) và sẽ gây khó khăn cho việc xử lý tín hiệu.

Hình 8. Phác thảo biến dạng sóng thu được do cáp bị trôi dạt [7]

Hình 8 là một phác thảo trực quan trên mặt bằng đơn giản của hệ thống thu nhận địa chấn trên biển, thể hiện việc cáp thu bị trôi dạt đã tạo ra những biến dạng sóng thu được. Giả sử đường nét gạch miêu tả trong một mặt phẳng thẳng đứng có chứa đường tia SAR của bội bề mặt (của nhiễu phản xạ nhiều lần), ở bậc đầu tiên. Sử dụng các tọa độ dọc trục thì thuật toán suy giảm bội bề mặt đòi hỏi phải dự đoán (trước) được bội bề mặt đó, bằng việc kết hợp từ 02 sóng phản xạ gốc ở trong mặt phẳng lan truyền được thể hiện bằng đường SB. Nhìn chung, liên quan đến bội thực sự, bội được dự đoán sẽ bao gồm các lỗi về động học và biên độ, phụ thuộc vào thời gian truyền và cự ly thu-nổ / độ lệch giữa nguồn và máy thu (offsets). Những lỗi này sinh ra là do sóng chủ kết hợp với bội bề mặt (với nhiễu phản xạ nhiều lần), theo như cấu trúc hình học 2D cho thấy thực tế không có tín hiệu gốc nào mà được kết hợp với bội bề mặt sẽ được ghi (theo đường SB). Những sóng chủ thực sự sẽ không bao giờ được ghi do không có trường hợp có nguồn ở S và máy thu A cũng như trường hơp nguồn ở A máy thu ở R.

Nếu cáp thu trôi dạt là vừa phải và dưới mặt biển là không có những biến đổi không gian bất thường, thì các lỗi dự báo bội bề mặt do cáp thu trôi dạt là nhỏ và có thể xử lý khắc phục. Trong khảo sát 2D truyền thống, bộ hiệu chỉnh đuôi cáp được đặt ở phao đuôi nhằm giữ cho cáp thu được kéo theo đường thẳng, nằm trong tuyến khảo sát định trước (tại phao đuôi có gắn thiết bị định vị vệ tinh để nhận biết tọa độ của đuôi cáp và điều chỉnh). Ngoài ra, cũng có thể mở rộng khoảng cách từ điểm kết thúc cáp thu đến phao đuôi (mở rộng đoạn không có gắn các đầu thu) để giữ cho đoạn cáp chính (có gắn các đầu thu) tương đối thẳng.

2. Kết luận:

Có thể áp dụng một số biện pháp dưới đây để góp phần loại trừ nhiễu phản xạ từ mặt biển.

- Sử dụng nguồn phụ cùng với phương án phân bố về độ sâu và độ giữ chậm thời gian nổ khác nhau như nêu ở trên có thể loại trừ được nguồn “ma” (source ghost) – Loại trừ tia số 2: nguồn phát phản xạ “ma” (từ nguồn nổ - mặt biển – đến đáy biển – đến máy thu).

- Sử dụng các sensors kép có thể loại trừ được các sóng phản xạ về từ mặt biển (receiver ghost) và cả nhiễu phản xạ nhiều lần (surface multiple), thu được đến mức tối đa thành phần tín hiệu gốc hay đạt được độ phân giải cao trong dữ liệu địa chấn;

- Đặc biệt, từ việc phân biệt được chiều của “sóng lên” và “sóng xuống” khi sử dụng sensors kép đã nảy sinh ý định khai thác chính từ nhiễu phản xạ nhiều lần có mang theo dữ liệu địa chấn, nếu có thể tách được những sóng này ra trong quá trình xử lý tín hiệu. Ví dụ như sử dụng công nghệ SWIM (separated wavefield imaging of multiple) của Hãng PGS đã thu được hình ảnh khảo sát địa chất rất rõ ràng (Hình 9b) và còn được ứng dụng tốt cho việc khảo sát những vùng nước nông, đặc biệt đạt hiệu quả khi khảo sát với góc phương vị rộng / toàn phương vị:

Trong Hình 9 [5], tác giả so sánh hai lớp cắt ở thời gian ở 120ms TWT, độ sâu nước là 70 m. Với SWIM được áp dụng đối với sóng phản xạ gốc (Hình 9a), kết quả thu được là hình ảnh có chứa các đường cắt ngang cản trở việc quan sát ngay cả với tầng địa chất nông. Với SWIM được áp dụng đối với bội bề mặt surface multiples (Hình 9b), kết quả thu được là hình ảnh liên tục khác thường và có độ phân giải cao do đã lấy được thông tin để bổ sung từ nhiễu phản xạ nhiều lần (surface multiples).