PRAKLA-SEISMOS Report 3 / 1972  
 
Vibroseis
Während einer Jahrestagung der SEG in S. Antonio, Texas, im Jahre 1958, wurde in einem zusätzlichen Abend-Vortrag über ein eigenartiges, neueres Verfahren berichtet. Es handelte sich um das VIBROSEIS-Verfahren, dessen erste Ergebnisse von seinem Haupterfinder, Mr. Grawford, vorgelegt wurden. Trotz der noch dürftigen Technik war es damals bereits gelungen, Reflexionen bis zu einer Laufzeit von 0,8 s mit einem " Korrelationsprozeß" erkennbar zu machen. Die Idee des Verfahrens war faszinierend. Sie führte im hannoverschen Kollegenkreis zu intensiven Erörterungen über einige noch unklar gebliebene technische Einzelheiten, wie z. B. die Durchführung der Korrelation, die in einer streng geheim gehaltenen " black box" erfolgte. Im übrigen glaubte man aber damals, daß die Zeit noch weit sei, wo dieses neue Verfahren in der Praxis Bedeutung erlangen würde. Es kam jedoch ganz anders.

Schon drei bis vier Jahre später hatten sich sowohl PRAKLA als auch SEISMOS, die damals noch getrennt operierten, mit dem Gedanken auseinanderzusetzen, von der Conoco eine Lizenz für das VIBROSEIS-Verfahren zu erwerben.

Etwa zur Jahreswende 1962/63, kurz vor der übernahme der GmbH-Anteile der SEISMOS durch die PRAKLA wurde das neue Verfahren bei uns eingeführt, wobei von Anfang an der elektromagnetische Korrelator von Anstey benutzt wurde. Auch die Anschaffung von starken hydraulischen Vibratoren erwies sich als richtig, obwohl damals durchaus die Versuchung bestand, sich mit leichteren und billigeren elektrodynamischen Vibratoren zu begnügen, die dann später sicherlich enttäuschende Ergebnisse gebracht hätten.

Diesen Tatsachen war es zu verdanken, daß der erste vibroseismische Trupp, der unter der Leitung von Dr. Erlinghagen stand und von Dr. Bortfeld betreut wurde, von vornherein Ergebnisse erzielte, die mit der damaligen Sprengseismik vergleichbar waren.

1964
Vergleich: Sprengseismogramm (links) und
VIBROSEIS-Seismogramm (rechts) aus Norddeutschland

Sprengseismogramm, VIBROSEIS-Seismogramm

Durch eine Veröffentlichung in "Erdöl und Kohle" trug Dr. H. W. Maaß dann wesentlich zum Verständnis des neuen Verfahrens bei.

Schon bald ging man auch bei VIBROSEIS zur Mehrfachüberdeckung über. Schwerpunkt wurde das süddeutsche Molassegebiet, weil bei qualitativ gleichen Ergebnissen der finanzielle Aufwand bei der Sprengseismik wegen der erforderlichen tiefen Schußbohrlöcher sehr viel größer gewesen wäre. In Norddeutschland, wo die Herstellung der Schußbohrlöcher im allgemeinen billiger ist als in Süddeutschland, waren es hauptsächlich die Städte und ihre Randgebiete, die nun durch VIBROSEIS für eine seismische Erkundung zugänglich wurden, z. B. Berlin.

In dieser analog-technischen Zeit wurde von unserer technischen Abteilung schon bald eine wesentliche Verbesserung durch den Bau neuer Vibratoren erreicht, indem man die Vibratorplatte vom Heck des Fahrzeuges in die Nähe seines Schwerpunktes verlegte.

Dadurch wurde der Auflagedruck und damit die möglichen Beschleunigungskräfte wesentlich vergrößert. Außerdem wiesen diese neu entwickelten Vibratoren bald weniger Ausfälle auf als die ursprünglich eingesetzten amerikanischen Geräte.

Um die km-Kosten der VIBROSEIS-Trupps zu senken, ging man bereits 1966 in Bayern dazu über, nur noch in den ruhigen Nachtstunden zu vibrieren und tagsüber Geophone und Kabel umzubauen. Das erforderte zwar den Einsatz von mehr Geophonen und Kabeln als sonst üblich, erwies sich aber sehr bald als zweckmäßig ; der VIBROSEIS-Trupp arbeitete billiger als ein sprengseismischer Trupp. Anregend für diese Umstellung waren sicher die jährlich wiederkehrenden refraktionsseismischen Messungen in Nordwestdeutschland zur Untersuchung des Präperms. Hierbei war -wie bei den Messungen in Berlin -aus zwingenden Gründen überwiegend nachts gearbeitet worden.

Inzwischen ging die technische Entwicklung in der angewandten Geophysik weiter. Immer mehr setzten sich digitale Datenverarbeitung und digitale Feldaufnahme durch, und auch das VIBROSEIS-System mußte entsprechend umgestellt werden. Während man aber in Amerika bei vielen Gesellschaften noch bei der analogen Feldaufnahme und der analogen Feldstapelung blieb, und erst beim Korrelationsprozeß, ja teilweise sogar erst beim CommonDepth-Point-Stapeln zur digitalen Technik überging, führte man bei PRAKLA-SEISMOS eine 100%ige Digitalisierung durch. Sie beginnt bereits bei der digitalen Sweep-Steuerung und führt über die digitale Feldaufnahme zur digitalen vertikalen Feldstapelung. Daneben hat jeder Trupp einen digitalen Feldkorrelator, der es der Truppleitung ermöglicht, die Qualität der Messungen laufend zu verfolgen. Die eigentliche, endgültige Korrelation und alle weiteren Prozesse werden danach normalerweise im Datenzentrum Hannover ausgeführt.

Diese gründliche "Durchdigitalisierung" führte dazu, daß PRAKLA-SEISMOS heute eine Reihe von VIBROSEISTrupps laufen hat, von denen nur einer in der Bundesrepublik und die anderen im europäischen Ausland arbeiten. Damit fügt sich PRAKLA-SEISMOS in den weltweiten Siegeszug ein, den das VIBROSEIS-System unter den sprengstofflosen seismischen Verfahren auf dem Lande genommen hat. Zur Zeit gibt es 115 VIBROSEIS-Trupps. Die Zunahme im letzten Vierteljahr war größer als 10%.

Es ist das hoch zu bewertende Verdienst von Dr. Maaß, daß er unter den verschiedenen sprengstofflosen Verfahren dasjenige ausgewählt hat, das zwar anfangs eine etwas komplizierte Technologie zu haben schien, das aber so viele Vorteile und Möglichkeiten aufwies, daß es sich endgültig durchsetzte und an die Spitze rückte. Im folgenden soll ganz kurz die Arbeitsweise des VIBROSEIS-Systems ins Gedächtnis zurückgerufen werden.

Beim VIBROSEIS-System wird die sonst in der Seismik übliche Energieausstrahlung, die mit hoher Leistung bei geringer Zeitdauer erfolgt, durch eine oder mehrere Energieausstrahlungen von langer Dauer und geringer Leistung ersetzt. Diese Energieausstrahlung besteht beim VIBROSEIS-System aus dem Sweep-Signal, das von den Vibratoren ausgesandt wird. Die kurze ausstrahlungslose Zeit wird zum Umsetzen der Vibratoren nutzbringend verwendet.

  On the occasion of the 60th birthday of the president of our Technical Department, Dr. H. W. Maass, a paper on "The VIBROSElS* system at PRAKLA-SElSMOS" was presented by Dr. Theodor Krey. This very successful seismic non-explosive method was introduced in our company on Dr. H. W. Maass' initiative, and by his correct judgement of future developments. This was the very reason for choosing this subject for the paper, which described the complete historical and methodical development of VIBROSElS at PRAKLA-SElSMOS and therefore had documentary value. We give here an abbreviated resume of its content.

During an annual meeting of the SEG in S. Antonio, Texas, in 1958, a paper on a remarkable new seismic method was given at an additional evening event. It dealt with the VIBROSEIS system, the first results of which were offered by Mr. Crawford, its main inventor. Despite techniques which were still unsatisfactory at that time it had al ready been possible to produce reflections to a travel time of 0.8 s using a correlation process. The idea behind the method was fascinating. It led to intense debates among our Hannovarian colleagues, especially on some technical details which had not yet been cleared up, as for example, how the correlation was done. This process had been carried out in a "black box" the contents of which were kept top secret. In spite of this interest our general feeling was that it would still take a long time before this new procedure could gain a decisive place in practice. The development turned out quite differently.

Only 3-4 years later both PRAKLA and SEISMOS -who were than still working separately - had to come to terms with the idea of obtaining a licence for the VIBROSEIS system from Conoco.

About the turn of 1962 to 1963, shortly before PRAKLA took over the GmbH shares of SEISMOS, the new process was introduced in our company, Anstey's electromagnetic correlator being used from the very beginning. The provision of heavy hydraulic vibrators also proved to have been right, although there was then a strong temptation to begin with lighter and cheaper electrodynamic vibrators, which would surely have brought disappointing results later on.

Thanks to these facts the first VIBROSEIS crew, led by Dr. Erlinghagen, very soon became active under Dr. Bortfeld's control. From the very beginning they succeeded in getting results weil comparable to those of explosion seismics (see left figure).

Dr. H. W. Maass contributed considerably to the understanding of the new method by a publication ("Erdöl und Kohle", 1964, Das "Vibroseis"- System als optimales Laufzeit-Verfahren). Soon, multiple coverage was introduced into the VIBROSEIS system too. The area of main interest became the Southern German Molasse Basin. Here explosion seismics is much more expensive in some areas due to the depth of shot holes required. In northern Germany, where the drilling of holes is in general much cheaper than in southern Germany, VIBROSEIS now provided the possibility of using seismics in towns and their surroundings, e. g. Berlin.

VIBROSEIS im Zentrum Berlins 1967
VIBROSEIS im Zentrum Berlins 1967

Already at that time of analog recording and processing our technical department soon made a basic improvement in the construction of new vibrators by shifting the vibrator plate from the rear of the vehicle to near its centre of gravity. This increased the contact pressure ,considerably, and therefore the possible accelerative force as weil. In addition these newly developed vibrators soon showed fewer breakdowns than the American models originally used.

In order to reduce the VIBROSEIS crew's costs per km, a switch was made to vibrating only in the quiet hours of night, and to layout geophones and cables in day time. This procedure was introduced by 1966. Though more geophones and cables had to be used than was normally the case, the VIBROSEIS crew was still working much more economically than a crew using explosives. The refraction seismic surveys carried out each year in NW Germany for investigation of the Prepermian had certainly stimulated this change. These surveys -like those in Berlin -had largely to be carried out at night for cogent reasons.

Meanwhile technical development in geophysics was continuing. Digital data processing and digital field recording were increasingly used, and the VIBROSEIS method had to be changed over correspondingly. Whereas many large American companies continued to use analog field recording and analog field stacking, and only changed to digital techniques when correlating, or even later when carrying out common-depth-point stacking, PRAKLA-SEISMOS introduced a 100% digitalization. It began with digital sweep control, and via digital field recording went on to digital vertical field stacking. In addition every crew now has a digital field correlator which enables the party chief to check the quality of the survey continually. The actual final correlation and all further processes are then carried out in the Hannover Data Center.

This thorough, basic digitalization led to PRAKLA-SEISMOS having its present series of VIBROSEIS crews, only one of which is working in Germany: the rest being in other European countries. Thus PRAKLA-SEISMOS adapted itself to the world-wide leading position which the VIBROSEIS system has taken among seismic non-explosive methods on land. At the moment there are 115 VIBROSEIS crews. The increase in the last quarter year was more than 10%.

Merit is due to Dr. Maass in choosing this particular nonexplosive procedure which, although seeming to have a somewhat complex technology at first, later proved to have so many advantages, and so much potential that it finally won through and took its place at the front.

The following recalls briefly the working principle of the VIBROSEIS system.


Steuersignale
Steuersignale
 
Signal -auto-correlation
Signal -auto-correlation

 

Das aufgenommene Feldseismogramm besteht aus der Summe der direkten, der refraktierten und der reflektierten Vibrationssignale ; auch die Oberflächenwellen kann man durch das Zusammenwirken derartiger Wellen entstanden denken. Diese vielen Signale erscheinen aber nicht wie bei der Sprengseismik säuberlich voneinander getrennt. Wegen ihrer Länge von 7 bis 16 Sekunden durchsetzen sie sich vielmehr in vielfacher Weise, so daß sie sich mit dem Auge nicht mehr voneinander trennen lassen. Hier bewirkt nun die Korrelation des Feldseismogramms mit dem ausgesandten Signal, daß eine Folge von kurzen Impulsen erhalten wird, deren Darstellung dem durch Sprengung erhaltenen Seismogramm ähnlich ist. Durch den Korrelationsvorgang wird gleichzeitig die äußere Unruhe weitgehend unterdrückt.

 

In the VIBROSEIS system the normal seismic emission of energy, which is done with high power over a very short time, is replaced by one or more emissions of energy of less power over an extended time. This energy' emission consists in the VIBROSEIS system of the sweep se nt out by the vibrators. The short pauses in emission are economically used for resetting the vibrators.

The seismogram recorded consists of the sum of the direct, refracted and reflected vibration signals ; surface waves too can be regarded as a combination of such waves. These signals are, however, not clearly separated from each other as in explosion seismics. Due to their length of 7 s -16 s they are superimposed on each other in a manifold way and cannot be separated by eye. Here the correlation of the field seismogram with the emitted signal produces arecord which contains aseries of shorter impulses, the presentation of which is similar to seismograms gained from explosions. In addition, by the correlation process, the statistical noise is largely suppressed.

Vorteile des VIBROSEIS-Verfahrens
gegenüber der Sprengseismik

1. Die Möglichkeit, auch in solchen Gebieten seismisch zu arbeiten, in denen Sprengungen undenkbar sind, also in Stadtgebieten. Im Laufe der letzten Jahre ist in folgenden größeren Städten gemessen worden: Berlin, München, Steyer, Bremen und Hamm in Westfalen.

2. Die Bohr-und Sprengstoffkosten können eingespart werden. Dadurch wird das VIBROSEIS-Verfahren besonders in solchen Gebieten sehr wirtschaftlich, in denen das Bohren teuer ist.

3. Bei der Energieaussendung kann der Frequenzbereich gezielt ausgestrahlt werden, der für das in Frage kommende seismische Problem am besten geeignet ist. Bei einer breitbandigen weitgehend unkontrollierbaren Energiequelle, wie sie eine seismische Sprengung darstellt, besteht die Gefahr, daß in gewissen Frequenzbereichen unerwünschte kräftige Störwellen auftreten, die eine Aussteuerung der seismischen Verstärker bewirken. Beim VIBROSEIS-Verfahren kann die Aussendung dieser gefährlichen Frequenzen unterbleiben.

Wahl des Steuersignals
Wahl des Steuersignals

4. Eine Wellenzahlfilterung auf der Sendeseite ist ohne besonderen Aufwand möglich und zwar bei gleichzeitigem Einsatz mehrerer Vibratoren, durch den Aufbau eines günstigen Vibrationspatterns. Diese großzügige WeIlenzahlfilterung auf der Sendeseite verbietet sich für die Sprengseismik in vielen Gebieten, weil multiples Schießen mit ausgedehnten Schußfiguren wegen zu großer Schußtiefen unwirtschaftlich wird.

5. Durchführung einer Fächerfilterung auf der Sendeseite, die sich in der Schießseismik kaum realisieren läßt. Eine Fächerfilterung ist bekanntlich immer dann erwünscht, wenn Nutzwellen und Störwellen im gleichen Frequenzbereich liegen, und daher eine Trennung durch eine einfache Frequenzfilterung nicht möglich ist.

Das Bild rechts zeigt, daß im dargestellten Falle eine Trennung zwischen Nutz-und Störsignalen durch eine horizontale Linie (Frequenzfilterung) oder durch eine vertikale Linie (Wellenzahlfilterung) undurchführbar ist. Hier kann nur eine schräge Trennungslinie helfen, die sich beim VIBROSEISSystem durch die eingezeichnete Treppenfunktion annähern läßt.

In der Praxis erreicht man eine solche treppenförmige Begrenzung im Frequenzwellenzahlbereich dadurch, daß man bei den äußeren Punkten der Vibrationsstrecke den ausgestrahlten up-Sweep vorzeitig abbricht. Dadurch wird die Vibrationsstrecke für hohe Frequenzen kürzer als für tiefe.

Ein anderer Weg, die Flächenfilterung auf der Sendeseite durchzuführen, bietet sich bei der Mehrfachüberdeckung an, indem man z. B. eine 12fach-überdeckung in zwei 6fach-überdeckungen aufteilt. Eine 6fach-überdeckung wird mit einem niederfrequenten Sweep über eine große Vibrationsstrecke, die zweite 6fach-überdeckung mit einem höherfrequenten Sweep über eine kleinere Vibrationsstrecke durchgeführt. Beide Sweeps können sich in einem gewissen Frequenzbereich überlappen. Nach Durchführung der Korrelationen und Stapelungen kann man die beiden 6fach-Stapelungen zu einer 12fach-Stapelung kombinieren, womit die gewünschte Fächerfilterung auf der Sendeseite realisiert ist.

Nachteile des VIBROSEIS-Verfahrens
gegenüber der Sprengseismik

1. Das VIBROSEIS-System arbeitet mit einer Energiequelle, die erheblich mehr Oberflächenwellen anregt als ein Schuß, der unterhalb des Grundwasserspiegels oder unterhalb der Verwitterungsschicht abgetan wird. Dieser Nachteil kann aber auf der Sendeseite weitgehend durch Wellenzahlfilterung kompensiert werden. Wenn die Bohrverhältnisse leicht sind und der Sprengstoff gut verdämmt ist, kann die Schießseismik mit dem VIBROSEIS-System in wirtschaftlicher und qualitativer Hinsicht oft gut konkurieren, zumal ein VIBROSEIS-Trupp durch erhebliche Investitionen belastet ist.

2. Das Gewicht der Vibratoren schließt die Anwendung von VIBROSEIS in manchen Gebieten aus. So dürfte der Einsatz im Hochgebirge, im Moor oder auf Urwaldpisten nicht ohne besondere Aufwendungen möglich sein.

Welche Punkte müssen beim VIBROSEIS-
Verfahren besonders beachtet werden?

Hier ist zunächst die Form des Korrelationssignals zu erwähnen. Bei der Korrelation entsteht stets außer dem eigentlich gewünschten Impuls auch " Korrelationsnoise", der noch in großem zeitlichen Abstand von dem gewünschten Signal in Betracht gezogen werden muß. Dieser Korrelationsnoise überlagert sich den " nützlichen" Korrelationssignalen, die den Reflexionen entsprechen. Der Korrelationsnoise kann erheblich vermindert werden, wenn man den auszusendenden Sweep am Anfang und Ende mit einem abgeschrägten Fenster versieht, wenn man ihn also tapert.

 Getaperte Sweeps Getaperte Sweeps

Die Abbildung stellt eine Reihe von Vibrationssignalen mit unterschiedlicher Abschrägung, d. h. mit unterschiedlicher Taperung dar. Die Wirkung dieser Taperungen auf ein Reflexionssignal, dessen Amplitude 1% der ErsteinsatzAmplitude beträgt, ist im Bild rechts zu sehen:

Der vom Ersteinsatz herrührende Korrelationsnoise überdeckt zunächst das schwache Reflexionsbild fast gänzlich, gibt es aber mit zunehmendem Taperungsgrad mehr und mehr frei. Diese Taperung läßt sich allerdings heute weitgehend auch im Datenzentrum nachträglich vollziehen. Mit der Digitalisierung des VI BROSEIS-Systems haben sich mancherlei Vorteile ergeben. So kann man z. B. vor der Korrelation bereits eine Dekonvolution durchführen. Sie ist erforderlich, da der ausgesandte Sweep auf seinem Weg vom Vibrator in die Erde und beim Durchlaufen der Erdschichten bis zu den Geophonen in mannigfacher Weise geändert, d. h. in erster Näherung linear gefiltert wird. Statt des Vibrationssignals, das ausgesandt wurde, gelangt zu den Geophonen ein moduliertes Signal. Wird solch ein Signal mit dem Ausgangssignal kreuzkorreliert, ergibt sich ein Korrelationssignal, das unerwünschte Nebenmaxima besitzt. Durch den Dekonvolutionsprozeß wird etwa die ursprüngliche Form des Vibrationssignals wiederhergestellt, die Voraussetzung für die Ausbildung der Nebenmaxima bei der Kreuzkorrelation ist beseitigt, und als Ergebnis erhält man wieder das gewünschte relativ kurze Korrelationssignal.

Unsere Vibratoren sind alle mit der digitalen ETL-Phasenkompensation ausgerüstet. Durch ihr schnelles und exaktes Ansprechen kann stets mit " up-Sweeps" gearbeitet werden, d. h. daß bei der Ausstrahlung mit den tiefen Frequenzen begonnen werden kann. Früher mußte häufig der down-Sweep benutzt werden - beginnend mit den hohen Frequenzen - weil das Ansprechen der analogen Phasenregelung für tiefe Frequenzen zu langsam war. Dieser down-Sweep hatte den Nachteil, daß durch Oberwellen asymmetrische Geister entstanden. Er wird heute kaum mehr verwendet.

Von entscheidendem Einfluß auf die Qualität der Korrelog ramme ist die Verminderung der örtlichen Bodenunruhe. Sie wird erreicht durch die digitale vertikale Feldstapelung. Die Aufaddierung einer zuletztgewonnenen n-ten-Registrierung auf die bisherige Teilsumme der (n-1 ) vorangegangenen registrierten Sweeps erfolgt hierbei nämlich nicht sofort, sondern erst während der Registrierung des folgenden (n +1ten) Sweeps. Dadurch hat der Meßtechniker die Möglichkeit, Aufnahmen, die besonders viel Unruhe enthalten, vor der Aufaddierung zu löschen. Früher mußte in solchen Fällen die ganze bisherige Registrierung wiederholt werden. Bei der neuesten VIBROSEIS-Truppausrüstung mit dem Feldstapier ADD-IT und der Apparatur DFS-IV mit instantaneous floating point braucht das Eliminieren einer Registrierung nicht einmal alle Spuren zu umfassen, sondern sie kann auf die in Frage kommenden Spuren, ja sogar auf Spurteile, beschränkt werden.

Bei VIBROSEIS-Messungen ist eine sorgfältige Planung der Feldtechnik besonders wichtig, weil oft starke Oberflächenwellen auftreten. Noise-Analysen und Testmessungen müssen die Grundlage bilden, um einen oder mehrere günstige Anläufe festzulegen, um den richtigen Sweep oder die richtigen Sweeps zu finden und um geeignete Vibrations-und Geophonpattern zu erarbeiten, wobei auch ungleichmäßige Abstände und gewichtete Vibrationspattern eine Rolle spielen. In Hannover wurde eine kleine Arbeitsgruppe eingerichtet, die mit Hilfe des Computers bei der Ermittlung der günstigsten Daten mitwirkt.

  Advantages of VIBROSEIS compared
with explosion seismies

1. It is possible to make seismic investigations in places where explosions are impossible -for example in towns. During the last few years work has been done in Berlin, Munich, Steyer, Bremen and Hamm in Westfalia.

2. Costs of drilling and explosives are saved. Thus the VIBROSEIS method is especially economical in areas where drilling is expensive.

3. On emission of energy a suitable frequency range can be used -most closely adapted to the given seismic problem. When a broad-band uncontrollable energy source is used, as with explosion seismics, there is a danger that strong undesirable noise may occur at a certain frequency range, producing an overflow in the seismic amplifiers. In the VIBROSEIS method the emission of these dangerous frequencies can be avoided.

4. Since digital phase compensation was introduced, a wave number filter on emission can easily be carried out by providing a suitable vibration pattern using several vibrators simultaneously. This large-scale wave number filtering on emission cannot be done in explosion seismics in many areas, because multiple shooting with extended shot patterns becomes uneconomic due to excessive shot depths.

5. The carrying out of velocity filtering on emission, which can hardly be done in explosion seismics. Velocity filtering is known to be needed when signal and noise lie in the same frequency range, and separation by simple frequency filtering is not possible.

The picture below shows that in the case illustrated separation of signal and noise cannot be carried out with a horizontal line (frequency filtering) or a vertical line (wave number filtering). Only an oblique boundary hel ps, and this is achieved in the VIBROSEIS system by the step function shown in the figure.

In practice such a stepped boundary in the frequency wave number range is achieved by breaking off the emission of an up-sweep at the farthest points of the vibration line some seconds earlier. Thus the vibration line becomes shorter for higher frequencies than for lower frequencies.

Frequenzwellenzahldiagramm zur sendeseitigen Fächerfilterung
Frequenzwellenzahldiagramm zur sendeseitigen Fächerfilterung

Another way of carrying out velocity filtering on emission can be combined with multiple coverage, 'in which, for example a 12-fold coverage is divided into two 6-fold coverages. The first 6-fold coverage is carried out with a low frequency sweep over a greater vibration line, the second 6-fold coverage with a higher frequency sweep over a smaller vibration line. Both sweeps may overlap within a certain frequency range. After correlation and stacking both 6-fold stacks can be combined into one 12-fold stack, and this realizes the desired velocity filtering on emission.

Disadvantages of VIBROSEIS
in comparison with explosion seismics

1. The VIBROSEIS system uses an energy source which excites far more surface waves than a shot detonated below the ground-water level or below the weathered layer. But this disadvantage can be largely compensated for by wave number filtering on emission.

When the drilling conditions are easy and the explosive weil tamped, explosion seismics can be economically and qualitatively competitive with the VIBROSEIS system particularly because considerable instrumental investment is necessary for VIBROSEIS crews.

2. The weight of the vibrators excludes the use of the VIBROSEIS method in certain areas. This means that its use in high mountain chains, in bogs, or on jungle paths is not possible without special effort.

What points have to be especially noted
in the VIBROSEIS system?

Firstly the correlation signal has to be mentioned. Correlation not only produces the desired sharp pulse but " correlation noise" too which has to be considered even at great time distances from the desired sharp signal. This correlation noise interferes with the "useful" signals corresponding to the reflections. Correlation noise can be reduced considerably by providing the beginning and end of the sweep with oblique gates, i. e. by tapering. The left figure shows aseries of vibration signals with different gate slopes -i. e. with different tapering. The effect of this tapering on a reflection signal (of amplitude = 1% of that of the first arrival) is seen in the picture below.

The correlation noise originating in the first arrivals first covers the weak reflection almost completely, but this reflection be comes more and more visible with increasing amount of tapering. Today, this tapering can of course be carried out later on in the data center too.

Taperversuche
Taperversuche

Various advantages have resulted from the digitalization of the VIBROSEIS system. For example, deconvolution can be carried out before correlation. This step is ne cessary as the emitted sweep is altered in various ways on its journey from the vibrator, through the surface, and the subsurface layers, to the geophones. This alteration may be looked upon as linear filtering in a first approximation. Instead of the vibration signal emitted, an alte red (modulated) signal is recovered at the geophone. When this signal is cross-correlated with that emitted, a correlation signal results which has unwanted secondary maxima. By deconvolution the original form of the vibration signal can be almost regained, the prerequisite for the formation of secondary maxima on cross-correlation is cancelled and the final result is again the relatively short correlation signal desired.

Our vibrators are all equipped with digital ETL phase compensation. Due to their rapid and accurate control up-sweeps can be used exclusively, i. e. emission can start at low frequencies. Earlier, the down-sweep beginning with high frequencies had very often to be used, as the response of the analog phase control was too slow for low frequencies. This down-sweep had the disadvantage that asymmetrical ghosts developed from harmonics. It is hardly used today.

The reduction of local ground noise is vital for the quality of the correlogram. It is achieved by digital vertical field stacking. In so doing, the addition of the last, n th, sweep recorded to the part sum of (n -1 ) previous sweeps is not done immediately, but only du ring the recording of the subsequent, (n + 1) th, sweep. Thus the operator has the opportunity to cancel recordings which have too much noise before addition. Earlier the total recording hitherto gained had to be repeated in such cases. W ith the latest VIBROSEIS equipment -the field stacker ADD-IT and the DFS IV unit with instantaneous floating point, -the elimination of a recording does not have to include all traces, but can be limited to those necessary, or even to parts of traces only.

A careful planning of field techniques is especially important in VIBROSEIS surveys, as strong surface waves often occur. Noise analyses and test surveys have to secure the basis, in order to determine one or more suitable offsets, to find the appropriate sweep(s), and to produce suitable vibration and geophone patterns. In this context unequal intervals and weighted vibration patterns are also powerful tools. In Hannover a small group of specialists assists in determining the most suitable field data, using a computer.

Wellenzahlfilterkurven für ein Vibratorpattern und für ein Geophonpattern

   Wellenzahlfilterkurven für ein Vibratorpattern und für ein Geophonpattern

Für die Zukunft zeichnen sich bereits neue Entwicklungen ab. Durch den Einsatz eines kleinen Feldcomputers werden eine Reihe heute im Gebrauch befindlicher Instrumente, die verschiedene Aufgaben erfüllen, ersetzt werden, wie der Sweep-Adapter oder der Sweep-Generator, der digitale vertikale Feldstapier (ADD-IT) und der digitale Feldkorrelator, der zur Zeit die anfallenden Multiplikationen mit einer Genauigkeit von 8 x 8 Bit ausführt. Dieser kleine Feldcomputer, der in den Meßwagen eingebaut wird, kann alle Funktionen der aufgezählten Instrumente ausführen. Er wird auch noch weitere Operationen übernehmen können, z. B. Demultiplexen, statische und dynamische Korrekturen sowie horizontales Stapeln und anderes mehr, so daß bereits beim Trupp recht brauchbare Vorergebnisse erhalten werden können. Trotz dieser Verbesserullg würden die Gesamtinvestitionen für einen VIBROSEIS-Trupp etwa die gleichen bleiben.

 

For the future, new developments are al ready being planned. A small field computer will replace aseries of instruments now in use with various purposes, for example the sweep adapter or sweep generator, the digital vertical field stacker (ADD-IT) and the digital field correlator, which can at present carry out the multiplications required to an accuracy of 8 x 8 bits. This little field computer which will be installed in the survey truck will carry out all the functions of the instruments listed. It will be able to take over further operations as weil, for example demultiplexing, static and dynamic corrections, horizontal stacking, etc. so that useable preliminary results can already be obtained in the field. Despite this improvement, the total investment for a VIBROSEIS crew will stay at about the same level.

* Trade mark and Service mark of Continental Oil Company