Eine Analyse der Amplituden oberflächennaher refraktierter Wellen

Abstract

Die Auswertung refraktionsseismischer Wellen findet in der Praxis mit wenigen Ausnahmen nur mit der Laufzeitinformation statt, was zu einer Verteilung der seismischen Geschwindigkeit im Untergrund führt.<br />Die dynamische Ausbreitung dieser Wellen und damit die Amplituden, die durch verschiedene gesteinsphysikalische Parameter, aber auch durch die Strukturen im Untergrund beeinflusst werden, werden bei allen Auswertemethoden völlig vernachlässigt. Um diese Einflüsse auf die Amplituden refraktionsseismischer Wellen zu untersuchen, wird in dieser Arbeit die numerische Methode der Finiten Elemente in 2D verwendet. Um eine ausreichende Genauigkeit mit dieser Methode und ein besseres Verständnis der folgenden Ergebnisse zu erreichen, wird zuerst eine Analyse der Amplituden bei Modellen durchgeführt, bei denen die geometrischen und physikalischen Modellparameter, aber auch die Anregungsfrequenzen variiert werden. Bei dieser grundsätzlichen Untersuchung werden einfache Modellfälle, wie der Halbraum und ein ebener 2-Schichtfall, verwendet, für die zusätzlich eine Kalibrierung mit einer analytischen Strahlenintegral-Methode erfolgt. Dies führt zu einer Festlegung aller wichtigen Modellparameter, die für alle weiteren numerischen Berechnungen verwendet werden. Die nachfolgende Analyse der Amplituden refraktionsseismischer Modelle ergibt mit verschiedenen gesteinsphysikalische Parametern, wie den seismischen Geschwindigkeiten und Poissonzahlen, aber auch mit vertikalen Geschwindigkeitsgradienten im Refraktor eindeutige Zusammenhänge zu den Amplituden in Abhängigkeit mit der Distanz. Auch zeigt sich, dass verschiedene Strukturen im Untergrund, von Geschwindigkeitsinversionen bis Störzonen im Untergrund ein eindeutiges Abbild von Amplitudenwerten an den Aufnehmern liefern. Beide Aspekte der räumlichen Amplitudenabhängigkeiten werden anhand von einigen Feldbeispielen diskutiert, was die numerischen Ergebnisse der Einflüsse auf die Amplituden mehr oder wenig bestätigt. Die Feldbeispiele zeigen außerdem, dass die Amplituden bei der Auswahl einer kinematischen Auswertemethode eine Hilfe geben können, aber auch, dass großräumige Dämpfungen eine große Rolle spielen. Zuletzt wird mit Hilfe der Finiten Elemente Methode ein lokaler Absorptionsfaktor ermittelt, wofür ein Inversionsalgorithmus entwickelt wird. Dieser Parameter soll Informationen über kleinräumige Strukturen im Untergrund geben.<br />

The processing and evaluation of refracted seismic waves normally use their travel time information, which results in the distribution of seismic velocities in the underground. The dynamic propagation of the seismic waves and therefore the amplitudes, which are influenced by various rock properties and also by underground structures, are almost completely neglected in all seismic calculation methods.<br />To investigate these influences on the amplitudes of refracted seismic waves, the numerical method of finite elements in 2D is used in this work. To achieve a sufficient accuracy of the amplitude values and a better understanding of the numerical results, firstly, an analysis of the amplitudes for models is made, where the geometrical and physical parameters of the model, but also the frequencies of the source are varied. For this basic investigations simple model cases, like the half space and a planar interface model with 2 layers, are used, for which a calibration with the generalized ray method is applied. After this analysis the most important model parameters are determined, with which all former models are calculated. The following analysis of the amplitudes of refracted seismic waves results in clear correlations of rock properties, like the seismic velocities and the Poisson ratio, but also of vertical gradients of the seismic velocities in the refractor with the amplitude dependence on the distance. It also shows that various underground structures, from velocity inversions to fault zones show a special image of amplitude values at the receiver positions. Both aspects of this space dependence of the amplitudes are discussed for several field cases, which more or less confirm the numerical results. Moreover, the field cases show, that the amplitude could be a help to select the exact kinematic seismic method, but also that regional damping is very important. At least with the mean of the finite element method a local absorption factor is determined, for that an inversion algorithm is developed. This parameter should give information about small-sized structures in the underground.