GNGTS Atti del 17 Convegno Nazionale 14.01 M. Rubbano (1), M. Colombo (1), E. Stucchi (1), G.L. Fradelizio (1) e S. Bellotti (2) (1) Dip. Scienze della Terra Geofisica Università di Milano. (2) Dip. Elettronica e Informazione Politecnico di Milano. DISCUSSIONE DELLE PROBLEMATICHE DI CALCOLO DELLE CORREZIONI STATICHE IN ZONE COMPLESSE. Riassunto. Il calcolo delle correzioni statiche in zone con topografia e geologia superficiale complessa richiede grande attenzione nella definizione di tutti gli elementi necessari per l'applicazione degli algoritmi di calcolo, ovvero picking, definizione dei tratti di dromocrona relativi al primo rifrattore e velocità dell'aerato Vo. A causa dell'alternanza di differenti litologie superficiali che determinano brusche variazioni di velocità sia verticali sia orizzontali, il picking dei primi arrivi in alcuni tratti può risultare non univoco, specialmente nelle registrazioni vibroseis. In tali circostanze gli shot dinamite costituiscono una valida guida nella individuazione dei first break, ma non sempre garantiscono la copertura sufficiente richiesta dagli algoritmi menzionati. Per questo motivo viene impiegato il picking determinato sugli shot vibroseis, guidato in funzione di quello realizzato sui poco frequenti shot dinamite. Relativamente alla definizione dei tratti di dromocrona relativi ad un dato rifrattore, questi tratti devono essere congruentemente scelti shot per shot, eventualmente separando le zone caratterizzate da differenti velocità del rifrattore, questo per non disattendere una delle assunzioni fondamentali degli algoritmi utilizzati che prevede l'omogeneità laterale degli strati. Particolare riguardo va posto nella determinazione della velocità dell'aerato Vo che condiziona i valori calcolati delle correzioni statiche se i mezzi considerati non sono a strati orizzontali. Mentre nel caso di strati orizzontali un errore nella stima della velocità dell aerato genera correzioni statiche che producono solo una traslazione verticale della sezione senza distorsione, ipotizzando invece un mezzo a stratificazione non parallela esempi sintetici mostrano che la differenza tra correzioni statiche ottenute con diverse Vo puo' alterare significativamente l andamento delle riflessioni. Ulteriori difficoltà si presentano se la topografia accidentata dell area in esame obbliga, in sede di acquisizione, ad una disposizione dei geofoni lungo una linea irregolare e non rettilinea come si assume in teoria. In tali situazioni si può pensare di correggere il picking nei tratti di linea sismica eccessivamente tortuosi in base all'offset nominale e ad una prima stima della velocità del rifrattore, che verrà poi determinata con maggior precisione mediante i picking così corretti. Tali tematiche sono state approfondite su dati reali relativi alla linea sismica CROP 04 (linea Agropoli - Barletta 120 km circa). La configurazione geologica dell'area attraversata da tale linea, caratterizzata da una notevole complessità litologica e strutturale e l'estensione dello stendimento split-spread utilizzato per l'acquisizione (20 km circa), hanno messo ben in evidenza le problematiche sopra menzionate. I dati sismici sono stati sottoposti a correzioni statiche utilizzando due diversi algoritmi di calcolo: GRM (Generalized Reciprocal Method) e WIM (Wavenumber Iterative Modeling). Nel corso di questa esposizione vengono presentati i risultati ottenuti sottolineandone la stretta relazione con la realtà geologica della regione considerata. DISCUSSION ON THE PROBLEMS FOR STATIC CORRECTIONS COMPUTATION IN COMPLEX REGIONS Abstract. The computation of the static corrections in regions characterised by both rough topography and complex surface geology, requires a strong effort to define the elements needed to their computational algorithms such as first breaks, weathering velocity V0 and refractor traveltime picking. The abrupt succession of different near surface lithologies determines horizontal and vertical rapid variations of the velocity field, and is responsible of the non uniqueness in the first break picking, especially on Vibroseis records. In this case the dynamite shots are a better guide for the first break identification, but often they don't have a sufficient coverage to satisfy the computational algorithms. When low fold dynamite and high fold Vibroseis data are available, the dynamite picking can be used as a guide for the Vibroseis picking which is at last used in the static computation. The layer definition on the first breaks must be congruent from shot to shot, and must distinguish those portions which suggest different velocity of the refractor. In fact, the algorithms for the static computation normally suppose lateral homogeneity of the layers. Particular attention is required for the determination of the weathering velocity V0, which influences the computed static values.
In the case of a horizontal layered model, an error on the weathering velocity estimate results in a temporal shift of the whole section without distortions, otherwise, as shown with synthetic models, the statics computed with different V0 can alter significantly the reflection shape on a cdp gather. A further difficulty arising from the rough topography is the crooked-line acquisition of the seismic data, in which the position of the geophones is far away from the straight line supposed in the development of the static theory. In such situations we have to correct the first break times along the crooked line segments, using the nominal offset and a first estimate of the refractor velocity, which is then more precisely computed applying once again the static algorithms on the modified first break times. The problems above mentioned are carefully examined on the data of the CROP-04 seismic line (from Agropoli to Venosa, about 120 km). The geology of the region crossed by this line, characterised by a remarkable lithological and structural complexity, and the length of the spread in a split-spread configuration (20 km) well emphasise the problems discussed here. Two different algorithms are applied to the seismic data: GRM (Generalised Reciprocal Method) and WIM (Wavenumber Iterative Modelling). In this presentation we show the principal results obtained, pointing out the strong relation with the regional geology. INTRODUZIONE Lo scopo di questo lavoro è quello di dare delle utili indicazioni o suggerimenti per il calcolo delle correzioni statiche in zone con geologia superficiale e morfologia particolarmente complesse, dove è necessario porre particolare attenzione ai seguenti punti ritenuti fondamentali: La definizione dei primi arrivi. Le discontinuità laterali di velocità. La determinazione della velocità dell aerato V0. La correzione dei tempi di primo arrivo da introdurre dove la linea si presenta tortuosa. DEFINIZIONE DEI PRIMI ARRIVI Per quanto riguarda la determinazione dei tempi di primo arrivo (picking), il problema principale è rappresentato dalla non univocità di tale operazione, specialmente negli shot vibroseis. In fig. 1 vengono confrontati due shot, rispettivamente vibroseis e dinamite, acquisiti con il medesimo stendimento ed effettuati nella stessa posizione (indicata dal numero di stazione) tratti dalla linea sismica CROP-04. Come si può notare, nello shot vibroseis il riconoscimento dei primi arrivi risulta difficoltoso a causa dei precursori tipicamente presenti con sorgenti di questo tipo, mentre nello shot dinamite il picking risulta essere più semplice e preciso. Le sorgenti esplosive però non sempre offrono una copertura sufficiente a garantire un elevata affidabilità per il calcolo delle correzioni statiche, soprattutto quando gli shot dinamite sono troppo distanti fra loro e la geologia superficiale complessa non permette una agevole individuazione delle dromocrone relative ad uno stesso rifrattore. Sono comunque utilizzabili come guida nella definizione del picking per gli shot vibroseis, specie nelle zone dove ad un rapporto S/N basso si aggiungono complicazioni di carattere geologico. In fig. 2, ad esempio, osservando lo shot dinamite si nota un andamento discontinuo delle dromocrone a causa di una zona d ombra probabilmente dovuta ad un inversione di velocità. Questo fenomeno nello shot vibroseis appare meno evidente; se non si facesse riferimento ai dati ottenuti con l esplosivo, si rischierebbe di selezionare tempi di primo arrivo che darebbero luogo ad una velocità apparente inferiore a quella corretta.
Fig. 1a - Parte dello shot vibroseis 1703 (CROP-04). Fig. 1b - Parte dello shot dinamite 1703 (CROP-04).
Fig. 2a - Parte dello shot vibroseis 1644 (CROP-04) con zona d'ombra nei primi arrivi. Fig. 2b - Parte dello shot dinamite 1644 (CROP-04) con zona d'ombra nei primi arrivi.
DISCONTINUITA LATERALI La seconda problematica che si considera riguarda le variazioni laterali di velocità. Queste ultime vanno considerate durante l'operazione di definizione dei tratti di dromocrona corrispondenti ad un singolo rifrattore. Nello schema di fig.3 si può notare come a sinistra della sorgente si hanno onde che viaggiano in uno strato rifrattore più veloce rispetto a quello in cui si propagano le onde che raggiungono i ricevitori posti a destra. Gli shot relativi ad una configurazione geologica di questo genere presenteranno delle discontinuità nel valore della velocità apparente che si mostrano attraverso una spiccata asimmetria tra ramo diretto e ramo inverso simile a quella mostrata in fig.4. ricevitori sorgente ricevitori V0 V1=3000m/s V1=1850m/s V1=1850m/s Fig. 3 - Rappresentazione schematica di una brusca variazione di velocità nello strato rifrattore. I metodi di inversione che calcolano le statiche, GRM e WIM compresi, sono in grado di gestire queste variazioni laterali di velocità introducendo negli algoritmi di calcolo uno smoothing delle stesse. Questo però genera un errore nella valutazione delle statiche in corrispondenza dei salti soprattutto se questi sono elevati. Può essere opportuno allora analizzare separatamente i tratti di linea con velocità del rifrattore diverse, come è stato fatto nella porzione della linea CROP-04 illustrata in fig.5. Qui si ha una repentina variazione di velocità apparente, che passa da 3000 m/s dedotta dai segmenti di dromocrona evidenziati in giallo, a 1850 m/s dedotta dai segmenti delimitati in azzurro. Una volta effettuata la definizione degli strati per i rifrattori in base ai suddetti criteri, si sono applicati gli algoritmi per il calcolo delle correzioni statiche che sono state poi unite per ottenere i valori relativi a tutta la linea.
Fig. 4 - Effetto della variazione laterale di litologia sulla velocità apparente. rifrattore con Vapp.=3000 m/s linea di separazione rifrattore con Vapp.=1850 m/s Fig. 5 - Separazione dei tratti di dromocrona corrispondenti a differenti rifrattori.
DETERMINAZIONE DELLA V0 La corretta determinazione della velocità dell aerato è di fondamentale importanza nel calcolo delle correzioni statiche, soprattutto se la superficie del rifrattore non è orizzontale. In questo caso l introduzione di una V0 errata conduce ad una ricostruzione distorta della geometria del rifrattore e conseguentemente ad errori nel calcolo delle correzioni statiche. Quanto appena affermato può essere verificato col modello sintetico rappresentato in fig. 6 costituito da un rifrattore orizzontale ovunque, tranne che nella parte centrale, dove è presente una anomalia a forma di piramide. La superficie topografica è posta alla quota costante di 0 m e su questa vengono simulati 18 scoppi distanziati fra loro di 100 m, le stazioni previste sono 250 spaziate di 20 m e si estendono quindi sia verso sinistra che verso destra nel modello (fig.6). Si sono quindi ottenuti, mediante modellizzazione alle differenze finite, i corrispondenti 18 common shot sui quali è stata effettuata la determinazione dei primi arrivi e la definizione dei tratti di dromocrona relativi al rifrattore; in seguito, mediante l applicazione del GRM, si è provveduto al calcolo delle statiche per tre diversi valori di velocità V0, considerando il datum posto a 0 m. La V0 di 2000 m/s corrisponde a quella del modello, mentre le V0 di 4000 m/s e di 780 m/s simulano rispettivamente stime errate in eccesso e in difetto della velocità corretta e corrispondono alla massima e alla minima velocità dell'aerato ricavata dagli up-hole time della linea CROP-04. Le correzioni statiche che si ottengono per valori errati di V0 nel tratto in cui il rifrattore è orizzontale, corrispondono ad una semplice traslazione dei valori corretti; dove il rifrattore non è piatto si ottengono invece valori errati delle correzioni statiche (fig. 7). In fig. 8 viene rappresentata, in nero, la differenza tra le statiche relative alla V0 max e quelle riferite alla V0 min. Tale differenza rimane costante dove il rifrattore è orizzontale (semplice traslazione) e assume valori diversi nelle zone dell'anomalia. Tutto questo in termini di profondità si traduce nella distorsione delle geometrie evidenziata in fig.9; solo con una V0 corretta si riottiene l andamento del rifrattore impostato nel modello. LINEA CROOKED Nel caso in cui la linea si presenti eccessivamente tortuosa le correzioni statiche, ottenute in base ad algoritmi che considerano l'acquisizione rettilinea, non sono applicabili direttamente ai dati. Per ricondursi alle condizioni bidimensionali previste dalla teoria, si dovranno correggere i primi arrivi di una quantità t che tiene conto dell'offset reale e necessariamente della velocità del rifrattore (stretching della linea). A tal fine si procede nel seguente modo: 1) si applica un metodo di calcolo delle statiche (GRM o WIM) una prima volta ottenendo una stima preliminare della velocità del rifrattore; 2) si calcolano i tempi t di correzione in base alla differenza tra offset reale e nominale ed alla velocità stimata del rifrattore;
sorgenti G. interval=20m stazioni 81 86 91 96 101 106 111 116 121 126 131 136 141 146 151 156 161 166 profondità (m) 0-10 -20-30 -40-50 -60-70 -80-90 -100 V0 = 2000 m/s V1 = 5000 m/s Fig. 6 - Schema del modello a "piramide". Vo=4000 m/s Vo=2000 m/s Vo=780 m/s -6-8 Statica (ms) -10-12 -14-16 -18-20 90 100 110 120 130 140 150 160 170 Fig. 7 - Correzioni statiche imponendo differenti valori di velocità dell aerato.
-4 Vo=4000m/s Vo=780m/s differenza -6-8 Statica (ms) -10-12 -14-16 -18-20 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 Stazione Fig. 8 - Differenza (in nero) tra i valori di correzione statica ottenuti imponendo V0 differenti. Vo=780m/s Vo=2000m/s Vo=4000m/s Profondità (m) -50-100 -150 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 Stazione Fig. 9 - Profondità del rifrattore per valori differenti di velocità dell aerato. 3) si correggono i first break della quantità t e si aggiorna la definizione degli strati effettuata in precedenza; 4) si applica nuovamente l'algoritmo (GRM o WIM) ottenendo la velocità del rifrattore e le correzioni statiche definitive.
La fig. 10 illustra l'effetto dell'operazione di stretching su un tratto particolarmente tortuoso della linea CROP-04 (fig.10a). Nella fig.10b è riportato l'andamento dei first break prima (blu) e dopo (rosso) lo stretching. Si può osservare come gli effetti dovuti alla curvatura della linea sismica siano stati rimossi permettendo una definizione più accurata dei tratti di dromocrona relativi al medesimo rifrattore. Da notare anche la variazione di geometria del rifrattore che mostra ora una maggiore regolarità (fig.10c). Delle problematiche esaminate finora si è tenuto conto nel calcolo delle correzioni statiche della linea sismica CROP-04 che si estende da Agropoli a Barletta. Lo stendimento utilizzato è di tipo split spread simmetrico con 240 canali ed offset massimo di 10 Km circa. La sezione superficiale rappresentata in fig.11 dà una idea della complessità geologica dell'area in questione, caratterizzata da repentini cambi di litologia laterali e verticali e dall'irregolarità del profilo. In fig. 12 viene rappresentata la velocità del rifrattore calcolata con il GRM (simili risultati si ottengono col WIM) nel tratto che va da Venosa a Barletta. Tale responso trova riscontro nella realtà geologica sintetizzata in fig. 11; in particolare c è da notare come il netto salto di velocità intorno alla stazione 1850 (da 2000 m/s a 4000 m/s circa) avvenga in corrispondenza della transizione argille-calcari; da segnalare anche due picchi meno pronunciati in corrispondenza dei conglomerati pliocenici. La verifica della qualità delle statiche è stata effettuata su pannelli CVS (Constant Velocity Stack), con e senza la loro applicazione (fig. 13 e 14). Nell'esempio di fig. 13 si osserva chiaramente come gli eventi con le statiche applicate abbiano una coerenza superiore. In particolare l'evento al centro della figura a circa un secondo è scarsamente individuabile nella sezione senza statiche. Nel secondo esempio (fig. 14), oltre ad una maggiore coerenza degli eventi, che appaiono più continui lateralmente anche se in alcuni punti con intensità inferiore, si nota come l applicazione delle statiche comporta una sostanziale variazione delle geometrie dei riflettori.
4 x 10 4.8 Y coordinate (m) 4.7 4.6 4.5 4.4 4.3 4.2 4.1 4 900 919 947 981 1039 1014 1077 3.9 3.6 3.8 4 4.2 X coordinate (m) 4.4 4.6 x 10 4 Fig.10a 994 SOURCE 900 SOURCE 919 SOURCE 947 SOURCE 994 3000 2500 Unstretch iniziale Stretch corretto Tempo (ms) 2000 1500 1000 500 00 900 919 947 994 Stazione 767 817 867 925 975 806 856 906 964 1014 844 894 952 1002 1052 888 938 996 1046 1096 Fig.10b 1000 900 Profondità (m) 800 700 600 500 400 300 200 100 0 topografia iniziale corretto Fig.10c 900 915 930 945 960 975 990 1005 1020 1035 Stazione 1050 1065 1080 1095 Fig. 10 - a) Tratto della linea particolarmente tortuoso. b) Andamento dei first break prima e dopo lo stretching della linea. c) Quota del rifrattore prima e dopo lo stretching della linea.
LINEA CROP 04 PARAMETRI DI ACQUISIZIONE Stendimento: Split spread simmetrico Offset nominale: - 9880 m + 9880 m Gap nominale: 360 m Numero stazioni: 120 + 120 Group interval: 80 m Distanza V. P.: 80 m Copertura Vibroseis: 120 Distanza S. P.: 2400 m Copertura dinamite: 4 ITALY N Sezione geologica superficiale (non in scala) NE Venosa Barletta SW NW quota [m] All spread shot 1644 Cp Ap Cp Ap CG C All All-alluvioni recenti C-Calcari Ap-Argille plioceniche Cp-conglomerati pliocenici CG-Calcareniti di Gravina C CG All 800 600 400 200 0 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 numero stazione Fig. 11 - Parametri di acquisizione e sezione geologica superficiale.
Velocità rifrattore Argille plioceniche Conglomerati pliocenici Argille plioceniche Conglomerati pliocenici Argille plioceniche Calcareniti di Gravina Calcari Calcareniti di Gravina 5500 5000 4500 velocità (m/s) 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1601 1651 1701 1751 1801 1851 1901 1951 2001 2051 2101 2151 2201 stazioni Fig. 12 - Velocità del rifrattore stimata col GRM. CONCLUSIONI I punti illustrati in questo lavoro evidenziano quanto sia delicato il calcolo delle correzioni statiche in zone complesse e come possano essere importanti operazioni come il picking dei primi arrivi o la determinazione corretta della velocità dell'aerato. Inoltre, per un miglior funzionamento dei programmi di calcolo (GRM e WIM), è necessario considerare quanto si discosti la geometria reale di acquisizione da quella nominale ed eventualmente correggere i first break per eliminare l'effetto di curvatura della linea e permettere una definizione più accurata dei tratti di dromocrona relativi allo stesso rifrattore. I risultati di questo dettagliato approccio ai dati della linea sismica CROP-04 sono confortanti sia per quanto riguarda i CVS (Constant Velocity Stack) sia per quanto riguarda la velocità del rifrattore. L accordo tra le velocità stimate dagli algoritmi e la geologia superficiale è sempre stato considerato come uno strumento di controllo per la qualità delle statiche calcolate. Va comunque considerato che le tecniche illustrate richiedono molto tempo e accuratezza nell esecuzione delle varie operazioni menzionate.
Fig. 13a - CVS a 4500 m/s senza l'applicazione delle correzioni statiche. Fig. 13b - CVS a 4500 m/s con le correzioni statiche applicate.
Fig. 14a - CVS a 3500 m/s senza l'applicazione delle statiche. Fig. 14b - CVS a 3500 m/s con le correzioni statiche applicate.
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