Luận văn Áp dụng tổ hợp thuật toán xử lý nhằm nâng cao chất lượng tài liệu địa chấn biển nông

Nội dung tài liệu: Luận văn Áp dụng tổ hợp thuật toán xử lý nhằm nâng cao chất lượng tài liệu địa chấn biển nông

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------- Nguyễn Đức Anh ÁP DỤNG TỔ HỢP THUẬT TOÁN XỬ LÝ NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TÀI LIỆU ĐỊA CHẤN BIỂN NÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2018
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- Nguyễn Đức Anh ÁP DỤNG TỔ HỢP THUẬT TOÁN XỬ LÝ NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TÀI LIỆU ĐỊA CHẤN BIỂN NÔNG Chuyên ngành: Vật lý Địa cầu Mã số: 60440111 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Đức Vinh TS. Dương Quốc Hưng Hà Nội – 2018
3. LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, học viên xin bày tỏ lòng biến ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Đức Vinh và thầy giáo TS. Dương Quốc Hưng. Các thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo học viên trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Đồng thời, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể thầy cô giáo trong bộ môn Vật lý Địa cầu, các thầy cô trong Khoa Vật lý và phòng Sau Đại học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN đã giảng dạy, tạo mọi điều kiện cho học viên trong suốt quá trình học tập. Luận văn này được hỗ trợ bởi đề tài NCKH mã số VAST.ĐTCB.02/16-17 do TS. Dương Quốc Hưng làm chủ nhiệm. Học viên xin trân trọng cảm ơn sự hỗ trợ quý báu đó. Cuối cùng, học viên xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, đồng nghiệp tại phòng Địa chấn – Viện Địa chất và Địa vật lý biển đã giúp đỡ, động viên tinh thần để học viên hoàn thành luận văn. Hà Nội, tháng 05 năm 2018 Nguyễn Đức Anh
4. MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................... i DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..................................................................................... ii MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN NÔNG PHÂN GIẢI CAO ............................................................................................................................ 3 1.1. Sự phát triển của phương pháp Địa chấn nông phân giải cao .......................... 3 1.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp ..................................................................... 6 1.2.1. Đặc điểm trường sóng địa chấn ................................................................. 6 1.2.2. Hệ thống phát và thu sóng địa chấn ......................................................... 12 CHƯƠNG 2. MỘT SỐ THUẬT TOÁN XỬ LÝ SỐ LIỆU ..................................... 17 2.1. Phân tích đặc trưng tín hiệu............................................................................ 17 2.2. Phục hồi biên độ ............................................................................................. 18 2.3. Trung bình hóa các đường ghi ....................................................................... 21 2.4. Hạn chế nhiễu bằng lọc tần số ........................................................................ 21 2.4.1. Cơ sở lọc sóng một mạch......................................................................... 21 2.4.2. Các bộ lọc tần số ...................................................................................... 22 2.5. Hạn chế nhiễu PXNL ..................................................................................... 26 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ ÁP DỤNG ........................................................................ 29 3.1. Khu vực nghiên cứu ....................................................................................... 29 3.2. Công tác thu thập số liệu ................................................................................ 30 3.3. Kết quả áp dụng xử lý hạn chế nhiễu ............................................................. 32 3.3.1. Kiểm tra số liệu ........................................................................................ 32 3.3.2. Phân tích đặc trưng tín hiệu ..................................................................... 34 3.3.3. Kết quả phục hồi biên độ ......................................................................... 35 3.3.4. Trung bình hóa các đường ghi ................................................................. 36 3.3.5. Hạn chế nhiễu bằng bộ lọc tần số ............................................................ 38 3.3.6. Hạn chế nhiễu PXNL ............................................................................... 40 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 48
5. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Ý nghĩa ĐCNPGC Địa chấn nông phân giải cao PXNL Phản xạ nhiều lần i
6. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Bề rộng đới Fresnel thứ nhất qui định độ phân giải ngang của số liệu [10] ................................................................................................................... 9 Hình 1.2. Mối liên hệ tốc độ, tần số, bước sóng và độ sâu [3] ................................... 9 Hình 1.3. Hình ảnh tia sóng PXNL và các mặt ranh giới ảo do chúng gây ra [10] .. 11 Hình 1.4. Sóng lặp 2-3 lần bề mặt đáy biển, nhiễu tần số thấp che lấp bức tranh số liệu và làm giảm độ phân giải .................................................................. 11 Hình 1.5. Bố trí hệ thống thiết bị khảo sát địa chấn nông phân giải cao .................. 12 Hình 1.6. Sơ đồ khối bố trí thiết bị khảo sát địa chấn nông phân giải cao ............... 15 Hình 2.1. Phổ tần số mặt cắt CUADAY-03 khu vực Cửa Đáy ................................. 18 Hình 2.2. Đồ thị biểu diễn sự suy giảm biên độ sóng địa chấn................................. 19 Hình 2.3. Hàm phục hồi biên độ theo lý thuyết ........................................................ 20 Hình 2.4. Hàm phục hồi biên độ (Gain function) trong phần mềm Reflexw ........... 20 Hình 2.5. Đặc trưng lọc tần thấp tần số của bộ ......................................................... 22 Hình 2.6. Đặc trưng tần số của bộ lọc dải ................................................................. 23 Hình 2.7. Đặc trưng tần số của bộ lọc dải trong thực tế ........................................... 24 Hình 2.8. Giao diện thực hiện các module lọc trên Reflexw .................................... 25 Hình 3.1. Vị trí khu vực nghiên cứu ......................................................................... 29 Hình 3.2. Vị trí các tuyến đo ĐCNPGC trong khu vực nghiên cứu và tuyến đo được xử lý (tuyến bôi đậm) .............................................................................. 30 Hình 3.3. Bộ tích năng lượng Geontself 97 .............................................................. 31 Hình 3.4. Đầu phát Sparker ....................................................................................... 31 Hình 3.5. Mặt cắt địa chấn CUADAY-02B chưa qua sửa lỗi ................................... 33 Hình 3.6. Sửa lỗi phần nhiễu tín hiệu trích từ mặt cắt CUADAY-02B .................... 34 Hình 3.7. Phổ tần số mặt cắt CUADAY-03 .............................................................. 34 Hình 3.8. Module phục hồi biên độ Gain Function .................................................. 35 Hình 3.9. Mặt cắt CUADAY-03 trước (trên) và sau (dưới) khi phục hồi biên độ.... 36 Hình 3.10. Module trung bình hóa đường ghi (running average) ............................. 37 ii
7. Hình 3.11. Mặt cắt CUADAY-03 trước (trên) và sau (dưới) khi thực hiện trung bình hóa 5 đường ghi ....................................................................................... 37 Hình 3.12. Mặt cắt CUADAY-03 trước (trên) và sau (dưới) khi lọc tần số ............. 38 Hình 3.13. Phổ tần số mặt cắt CUADAY-03 trước (trên) và sau (dưới) khi lọc tần số ................................................................................................................. 39 Hình 3.14. Mặt cắt CUADAY-03 trước (trên) và sau (dưới) khi lọc tần số ............. 40 Hình 3.15. Lựa chọn (pick) tín hiệu phản xạ đầu tiên bề mặt đáy biển .................... 40 Hình 3.16. Module xử lý nhiễu PXNL suppress multiple ........................................ 41 Hình 3.17. Vị trí sóng phản xạ lần 2 bề mặt đáy biển (mặt cắt CUADAY-03) được loại bỏ sau khi sử dụng bộ lọc ngược tiên đoán ...................................... 42 Hình 3.18. Kết quả hạn chế nhiễu PXNL bề mặt đáy biển trên các đường ghi trích từ mặt cắt CUADAY-03 .............................................................................. 43 Hình 3.19. Kết quả hạn chế sóng PX lần 2 bề mặt đáy biển trích từ mặt cắt CUADAY- 03 ............................................................................................................. 43 Hình 3.20. Mặt cắt CUADAY-03 trước (trái) và sau (phải) lọc PXNL.................... 44 Hình 3.21. Mặt cắt CUADAY-03 gốc (trên) và sau (dưới) xử lý ............................. 44 Hình 3.22. Mặt cắt CUADAY-03 sau xử lý (trên) và minh giải sơ bộ (dưới) .......... 45 iii
8. MỞ ĐẦU Địa chấn thăm dò là phương pháp đóng vai trò rất quan trọng trong nghiên cứu cấu trúc vỏ Trái Đất, địa chất kiến tạo, địa chất công trình và địa chất thăm dò, đặc biệt trong lĩnh vực tìm kiếm thăm dò dầu khí. Với sự phát triển nhanh của khoa học và công nghệ, phương pháp địa chấn thăm dò luôn được hoàn thiện từ phương pháp nghiên cứu đến xử lý phân tích tài liệu và đem đến kết quả tích cực trong việc giải quyết các nhiệm vụ địa chất. Phương pháp Địa chấn nông phân giải cao (ĐCNPGC) (tên đầy đủ là phương pháp Địa chấn phản xạ liên tục phân giải cao trong vùng nước nông (SHALLOW WATER HIGH RESOLUTION CONTINUOUS REFLECTION SEISMIC METHOD)) là một trong số rất nhiều phương pháp Địa chấn thăm dò hiện đang phục vụ đắc lực cho công tác nghiên cứu địa chất tầng nông. Phương pháp này có nhiều ưu điểm như độ phân giải cao (tới vài chục cm), có thể khảo sát và xây dựng được các lát cắt địa chất với bề dày nhỏ, mức độ chi tiết và định lượng cấu trúc rõ nét hơn so với các phương pháp truyền thống khác. Đặc biệt có thể tiến hành khảo sát trong các địa hình khó thực hiện đối với các phương pháp khác. Ngoài ra, do chỉ có thành phần sóng dọc (sóng P) được lan truyền trong môi trường chất lỏng nên bức tranh sóng thu được từ phương pháp ĐCNPGC đã được giản lược các thành phần sóng ngang, qua đó có thể quan sát được các ranh giới phản xạ một cách rõ ràng và trực quan hơn. Ở Việt Nam, phương pháp địa chấn nông phân giải cao được sử dụng từ đầu những năm 90 của thế kỷ trước, đã có những đóng góp quan trọng trong công tác điều tra khảo sát nghiên cứu địa chất biển và là một trong những phương pháp nghiên cứu chủ đạo đối với các đối tượng địa chất biển trên thềm lục địa [8] [12] [13]. Cùng với những thành tựu to lớn đạt được trong lĩnh vực nghiên cứu địa chất tầng nông, công nghệ và kỹ thuật xử lý, phân tích số liệu ĐCNPGC cũng từng bước được hoàn thiện. Các phần mềm xử lý tiên tiến như Seismic Unix, RadExpro, Reflexw, Kingdom Suite, đã được thử nghiệm và áp dụng, cho phép thu nhận những mặt cắt địa chấn chất lượng cao. Tuy nhiên, phương pháp này cũng tồn tại những hạn chế nhất định, cụ thể là chất lượng tín hiệu bị chi phối rất mạnh bởi thiết bị và điều kiện khảo sát 1
9. thực địa, dẫn đến trên các băng ghi cũng tồn tại một lượng nhiễu lớn, nhiễu phản xạ nhiều lần (PXNL). Các loại nhiễu này làm giảm chất lượng của mặt cắt, gây trở ngại cho việc quan sát các sóng phản xạ có ích và cho công tác minh giải tài liệu. Vì thế, việc áp dụng các thành tựu công nghệ tin học, máy tính trong xử lý số liệu nhằm hạn chế các loại nhiễu là nhiệm vụ cực kỳ cần thiết. Với mục đích hạn chế và loại bỏ các loại nhiễu (trong đó có nhiễu PXNL) trong các mặt cắt nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu và hiệu quả của phương pháp ĐCNPGC ở Việt Nam, học viên lựa chọn đề tài: “Áp dụng tổ hợp thuật toán xử lý nhằm nâng cao chất lượng tài liệu địa chấn biển nông”. Nội dung của luận văn được chia làm 3 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về phương pháp Địa chấn nông phân giải cao và khu vực nghiên cứu. Chương 2: Một số thuật toán xử lý số liệu Chương 3: Kết quả áp dụng 2
10. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN NÔNG PHÂN GIẢI CAO 1.1. Sự phát triển của phương pháp Địa chấn nông phân giải cao Địa chấn nông phân giải cao (ĐCNPGC) tiến hành quan sát mặt cắt địa chất dựa vào quan sát các sóng phản xạ từ các ranh giới phản xạ khác nhau của mặt cắt. Phương pháp này được sử dụng có hiệu quả trong công tác nghiên cứu địa chất tầng nông, với ưu điểm là độ phân giải cao, cho phép xác định chi tiết lát cắt địa chất. a) Trên thế giới: Năm 1954, Pakisen L.C. và cộng sự thuộc Sở Địa chất Hoa Kỳ (Geological Survey of America) tiến hành các cuộc thử nghiệm sử dụng địa chấn phản xạ để khảo sát cấu trúc địa chất các tầng nông trên đất liền [19]. Các kết quả nghiên cứu của Pakisen L.C đã được thực hiện với mục đích khảo sát đặc điểm và mức độ phá hủy mặt cắt địa chất do nổ bom nguyên tử và phân biệt với mức độ và đặc điểm phá hủy của các trận động đất. Tuy nhiên, việc áp dụng địa chấn phản xạ chỉ dừng lại ở các nghiên cứu mang tính hàn lâm do giá thành khảo sát quá cao. Các kết quả nghiên cứu của Sở Địa chất Canada (Geological Survey of Canada) và các nghiên cứu của Hunter và cộng sự vào những năm 1982 - 1985 [16] đã chọn được các cửa sổ (window) và khoảng quan sát (offset) tối ưu. Kết quả này đã mở ra khả năng dùng các kỹ thuật đơn giản để quan sát sóng phản xạ nông. Bên cạnh các kết quả nghiên cứu trên, trong những năm 80 của thế kỷ trước, các thành tựu nhảy vọt của khoa học công nghệ đã giúp chế tạo thành công trạm địa chấn ghi số và máy tính cá nhân với các phần mềm mở ra khả năng xử lý số liệu. Nhờ đó, người ta đã thu được các mặt cắt địa chấn nông đáp ứng tốt các yêu cầu nghiên cứu môi trường, khảo sát địa chất công trình và địa chất thủy văn. Do có độ phân giải cao, nên phương pháp ĐCNPGC có khả năng phân chia chi tiết lát cắt địa chất tới vài chục cm theo phương thẳng đứng và phát hiện được các đứt gãy có biên độ dịch chuyển 1-2m [17] [18] [20]. Từ những năm 90 của thế kỷ XX đến nay, ĐCNPGC đã được nhiều nước trên thế giới và khu vực, như Mỹ, Đức, Canada, Trung Quốc, Australia, Nhật Bản, Đài Loan, Indonesia, Thái Lan, áp dụng 3