von H. J. Körner

In der letzten Zeit hat das Bearbeiten reflexionsseismischer Messungen nach wahren Amplituden starken Auftrieb erfahren. In diesem Zusammenhang wurde besonders von solchen Bearbeitungen gesprochen, die durch örtlich starke Überhöhungen von Reflexionsamplituden eine direkte Entdeckung von Erdgaslagerstätten ermöglichten ("hot spot" oder "bright spot"). Auch bei uns sind inzwischen hot spots auf See nachgewiesen worden. Erste Erfahrungen konnten wir sogar für Landmessungen an dem wahrscheinlich ältesten Beispiel dieser Art, dem Gasspeicher Hähnlein sammeln; hierüber schrieben wir im PRAKLA-SEISMOS-Report 3/72 auf S. 9. Eine erste Veröffentlichung erfolgte auf der 11. Internationalen Gas-Konferenz in Moskau (Juni 1970) durch E. Diekmann und E. Wierczeyko, eine weitere auf der 35. Tagung der EAEG in Brighton (Juni 1973) durch A. Glocke, K. Lemcke und J. Schmoll (s. Artikel "Geophysik-Tagungen 73").

Im folgenden soll über die Bearbeitung seismischer Messungen nach dem RAP-System (Real Amplitude Processing) berichtet werden, mit dem wir inzwischen viele Erfahrungen gesammelt haben.

1. Die Aufnahme wahrer Amplituden

Der Schreiber dieser Zeilen erinnert sich an einen Versuch mit einer Analogapparatur aus dem Jahre 1953, damals natürlich noch ohne Magnetband. Um einen Begriff von den wahren Amplituden am Empfänger zu erhalten, wurde ein Einzelgeophon durch einen 5 kg-Schuß angeregt. An dieses Geophon waren die 24 Verstärker unter Ausschaltung der AGC angeschlossen, mit gleichen Einstellungen, jedoch mit ständig abnehmenden Vorwiderständen (s. Abb. 1). Die stark gedämpfte Spur 1 zeigt den ersten Einsatz klar, dahinter ist die Spur bald tot; die Spur 2 weist etwas größere Amplituden auf; Spur 3 ist im ersten Einsatz wegen zu großer Amplituden bereits unleserlich, aber bei etwas längerer Zeit wird sie besser lesbar, usw. Die Spur 24 ist zunächst lange Zeit übersteuert, gibt aber am Seismogrammende die klarste Information.

Dieses Versuchsergebnis, das wir vor allem aus historischen Gründen hier anführten, ließ bereits vor 20 Jahren erkennen : die Amplitudenunterschiede in einer normalen seismischen Aufnahme sind um einige Potenzen größer als die Möglichkeit ihrer Darstellung. Das menschliche Auge vermag auf einer Spur normaler Größe vielleicht 10-20 verschiedene Werte voneinander zu trennen, was einer Dynamik von 20-26 dB entspricht (20 dB = Verhältnis 1 : 10, 40 dB = 1 : 100 usw. 120 db = 1 : einer Million).

Heute wissen wir genau, daß die seismischen Amplituden vom Beginn des Registriervorganges bis zu ihrem Ende durch ihre räumliche Ausbreitung (sphärische Divergenz) Absorption und Transmission ständig zunehmende Verluste erleiden und dabei einen Dynamikbereich von etwa 120 dB und mehr durchlaufen: die einzelnen Spuren weisen im Computer nach der True Amplitude Recovery (TAR) wahre Amplitudenwerte zwischen 1 bis 5 Millionen (im ersten Einsatz) und 1000 bis 5000 (mittlere Reflexion bei 5 sec) auf. Dieser Bereich übersteigt das menschliche Auflösungsvermögen natürlich bei weitem, jedenfalls in einem technisch brauchbaren Maßstab. Von den modernen Digitalapparaturen wird aber diese Dynamik ohne weiteres erreicht und sogar überschritten, so daß für übermäßig große Amplituden immer noch eine Reserve bleibt. Dieser große Dynamikbereich wird im Dualzahlensystem linear dargestellt und zwar in Exponentialzahlen mit 14-stelligen Mantissen (14 Bit) und 4-stelligen Exponenten (4 Bit), was eine Darstellung in Dezimalzahlen bis 536,870.912 ermöglicht.

Abb. 2 Stufenweise Darstellung einer Stapelung
mit wahren Amplituden
Fig. 2 Stepwise presentation of the stack
with real amplitudes

2. Die Verarbeitung wahrer Amplituden

Würde man seismische Feldaufnahmen ohne TAR im Computer verarbeiten, so würde man nur mit der Mantissen arbeiten und die weit wichtigeren Exponenten (= Gain) vergessen; die Amplituden wären also binär (und damit stufenhaft) geregelt. Die True Amplitude Recovery stellt nun die wahren Amplituden wieder her (oder "macht die gain rückgängig"). Während man außerhalb des RAP-Systems diese wahren Amplituden durch individuelle Normierung gleich wieder einander angleicht -was die Weiterverarbeitung erleichtert und vor übersteuerungen schützt -wird innerhalb des RAP-Systems mit diesen wahren Amplituden weitergearbeitet. Die Spuren können dynamisch und statisch korrigiert, gefiltert, dekonvolutioniert, gestapelt, migriert werden. Sie behalten damit also während des Processing die volle Dynamik der Aufnahme.

The RAP-System

Processing of seismic data in a true amplitude mode has became more and more important nowadays. Interest centered in particular on survey data which due to their large local increase of reflection amplitudes permit a direct discovery of natural gas deposits ("hot spots" or "bright spots"). We, too, have since demonstrated the existence of hot spots in offshore surveys. We gained one first experience even in land surveys at the probably oldest example of this kind, the Hähnlein-gas-reservoir (See our article in PRAKLA-SEISMOS-Report 3/72 on page 9). A first publication appeared at the 11th International Gas Conference in Moscow in June 1970 by E. Diekmann and E. Wierczeyko, a further publication at the 35th meeting of the EAEG in Brighton in June 1973 by A. Glocke, K. Lemcke and J. Schmoll.

In the following we would like to report on seismic survey processing according to the RAP-system (Real Amplitude Processing) with which we have in the meantime gained a great deal of experience.

1. The recording of real amplitudes

The writer of this article recalls an attempt made with analog equipment in 1953, then, of course, without magnetic tapes. A single geophone was excited by means of a 5 kg dynamite charge to get an idea on the real amplitudes at the receiver. To this geophone were connected the 24 amplifiers with the same settings and AGC "off" but with continuously decreasing input resistors.

Abb. 1Versuchsanordnung aus 1953 zur Aufnahme
wahrer Amplituden
Fig.1Experimental arrangement of 1953 for recording
of real amplitudes

The strongly attenuated trace 1 shows clearly the first arrival ; however, behind it the trace soon dies out; trace 2 exhibits somewhat larger amplitudes ; in trace 3 the first arrival is already unreadable as the amplitudes are too large, but after some ti'me they become clear again, etc. Trace 24 is at first highly overmodulated but contains the clearest information at the end of the seismogram.

This test, reproduced here mainly for its historical interest, showed already 20 years ago that the amplitude differences of anormal seismic recording are for several powers greater than the possibility of its presentation ; the human eye is able to resolve on a trace, in anormal scale, perhaps 10-20 amplitude values, which corresponds to a dynamic range of 20 to 26 dB (20 dB = relation 1 : 10, 40 dB = 1 : 100, etc.; 120 = 1 : 1 Million).

We know, nowadays exactly, that the magnitude of seismic amplitudes decreases continuously from the beginning of the recording process to its end because of the spatial propagation (spherical divergence), absorption, and transmission of the seismic energy that it hereby passes a dynamic range of approximately 120 dB or more; for the individual traces exhibit in the computer after the True Amplitude Recovery (TAR) real amplitude values between 1 and 5 million in the first arrivals and between 1000 and 5000 in medium reflections at about 5 s. In a technically useful scale, this range naturally exceeds by far the human resolving power. However, modern digital recording equipment easily reach, and even exceed, this dynamic range, so that there is still some in reserve for abnormally large amplitudes. This large dynamic range is prepared linearly in the binary numbering system, namely by exponential numbers with 14 bit mantissae and with 4 bit exponents, which permits the presentation of decimal numbers up to 536 870912.

2. The processing of real amplitudes

If seismic recordings would be processed by the computer without T AR one would work with the mantissae only and forget the far more important exponents (= gain) ; then, the amplitudes would be controlled by a stepwise AGC. The True Amplitude Recovery now reconstitutes the real amplitudes (cancels the gain). In other procedures than the RAP-system these real amplitudes are adapted to each other by individual normalization - which facilitates the further processing and protects against overflow - in the RAP-system, however, one continues to work with these real amplitudes. The traces can be corrected dynamically and statically, filtered, deconvolved, stacked, and migrated ; they retain during processing the full dynamic range of the field recording.

3. Presentation of real amplitudes

There are difficulties when tryring to displaya recording range of more than 120 dB in a paper seismogram which has a dynamic range of 20 to 26 dB only. In spite of this one could display in this system too the whole range in a stepwise fashion -see fig. 2 -as is shown for example below:

1. step:Amplitude values of 1 million control the traces
(for times greater than 1.5 s traces are quiet)

3. Darstellung wahrer Amplituden

1. Stufe: Amplitudenwerte von 1 Million steuern die
Spuren aus (ab 1.5 sec Spuren tot)

2. Stufe: Amplitudenwerte von 256000 steuern die
Spuren aus (Übersteuerungen bis 1.4 sec,
ab 2.5 sec Spuren tot)

3. Stufe: Amplitudenwerte von 64000 steuern die
Spuren aus (Übersteuerungen bis 2.0 sec,
ab 3.5 sec Spuren tot)

4. Stufe: Amplitudenwerte von 16000 steuern die
Spuren aus (Übersteuerungen bis 3.0 sec)

In der Praxis haben wir jedoch einen anderen Weg beschritten. Wir bestimmen aus etwa 100 bis 1000 Spuren (je nach geologischen Verhältnissen) eine Kurve der mittleren Energieabnahme und korrigieren die wahren Amplituden um die so festgestellten Energieverluste. Diese Kurve zeigt für unsere Beispiele die Abb. 3, in der die Zeitachse linear, die Amplitudenachse logerithmisch dargestellt ist.

Da diese Kurve an jeder Stelle bekannt ist und da man sie in einem möglichst großen Gebiet verwendet, ist es relativ einfach, die wahren Amplituden aus den reduzierten Amplituden zurückzuerhalten. Die Abspielung von in solcher Weise reduzierten wahren Amplituden zeigt Abb. 4. Der Vergleich mit Abb. 5, dem Ergebeis des konventionellen Processing, beweist die weitaus größere Dynamik in der Abb. 4, obwohl man allerdings bei der Verfolgung einiger Horizonte auch manchmal Schwierigkeiten hat. Es ist aber nun möglich, Vergleiche von Amplituden anzustellen, und zwar in horizontaler Richtung -am einfachsten, wenn die Energiekurve überall gleich bleibt -wie auch in vertikaler Richtung, da die statistische Ermittlung der Reduktionskurve eine mittlere Korrektur betreffs sphärischer Divergenz, Absorption und Transmissionsverlusten beinhaltet.

Bei starker Vergrößerung der Spuren ist natürlich auch das Ausmessen der Amplituden (und damit, falls gewünscht, der Rückschluß auf die ursprünglichen wahren Amplituden) möglich. Eine bessere Abstufung der Amplitudenwerte ermöglicht aber eine Amplitudenanalyse (Scanning), wie in Abb. 6 wiedergegeben. Man kann z. B. Unruhe vor dem Schuß ebenfalls in wahren Amplituden bestimmen und diese zu einem Grundniveau machen. Ein mehrfacher Betrag davon mag dann einen Level 1 ergeben, den man von allen Amplitudenwerten abzieht. So entstand die Abb. 6a, in dem viele Spurteile tot sind, weil sie unterhalb dem definierten Level 1 liegen. Bei der Abb. 6b wurde Level 2 als das doppelte von Level 1 eingeführt; weitere Spurteile (zwischen dem Niveau der Level 1 und 2) sind tot. Auf diese Weise ist es leicht, Amplitudenvergleiche objektiv durchzuführen. Gegenüber anderen Darstellungsarten hat diese den Vorteil, die ursprüngliche Charakteristik der Reflexionen weitgehend zu erhalten.

4. Ausblick

Mit der Entwicklung des RAP-Systems ist ein alter Traum vieler Geophysiker, den Bezug zu den exakten Aufnahmewerten am Geophonort nicht zu verlieren, Wirklichkeit geworden. Einige Erdälgesellschaften lassen schon heute ihre Seemessungen in konventioneller Art und - gegen geringen Aufschlag - zusätzlich nach wahren Amplituden bearbeiten: das Verhältnis der Amplituden interessierender Horizonte gegen Durchschnittswerte uniformer Horizonte wird laufend verfolgt und dann dargestellt.

Darüber hinaus sind Spuren, die "nach wahren Amplituden" bearbeitet sind, eine Grundvoraussetzung für die Weiterverarbeitung zu Pseudo-Geschwindigkeitslogs, über die im nächsten PRAKLA-SEISMOS-Report berichtet werden soll, (siehe auch entsprechende Bemerkungen im Artikel ASP).

Die Bearbeitung von Seemessungen im RAP-System ist relativ problemlos, obwohl manchmal Unregelmäßigkeiten in der Aufnahme auftreten (z. B. erbringt der Leistungsabfall von Luftpulsern geringere Amplituden usw.). Problematischer sind Landmessungen, bei denen jeder Schuß und jeder Geophonstandort eine andere Ankopplung aufweist. Hier erfolgt eine Angleichung der Spuren über raffinierte Normierungsprozesse, die unterschiedlich angesetzt werden, je nach dem überwiegen von schußabhängiger oder schußunabhängiger Unruhe. Sicherlich gehärt in Kürze auch das Bearbeiten seismischer Landmessungen nach wahren Amplituden zum Standardprocessing.

Abb. 6 Amplitudenanalyseb) Amplituden unter
a) Amplituden unterLevel 2 unterdrückt
Level 1 unterdrückt
Fig. 6 Amplitude scanninga) Amplitudes below
b) Amplitudes below level 2 suppressed
level 1 suppressed

2. step:Amplitude values of 256000 control the traces
(overflow to 1.4 s, from 2.5 s traces are quiet)

3.step:Amplitude values of 64000 control the traces
(overflow to 2.0 s, from 3.5 s traces are quiet)

4.step:Amplitude values of 16000 control the traces
(overflow to 3.0 s)

In practice, however, we have chosen a different mode. From approximately 100 to 1000 traces (depending on the geological conditions) we determine a curve of average energy decrease and we correct the real amplitudes for the resulting . energy losses. This curve is shown in our example in fig. 3 in which the time axis is represented in a linear, the amplitude axis in a logarithmic scale.

It is relatively easy to recover the real amplitudes from the reduced amplitudes as the curve is known at each point and applied to an area as large as possible. The display of real amplitudes reduced in such a way is shown in fig. 4. A comparison with fig. 5, the result of conventional processing, demonstrates the far greater dynamic range of fig. 4, although there may be difficulties when following some horizons. It is now possible, to compare the amplitudes in a horizontal direction -easiest, when the energy curve remains the same everywhere -as weil as in a vertical direction as the statistic determination of the reduction curve inculdes an average correction for spherical divergence, absorption, and transmission losses.

Measuring of the amplitudes is, of course, possible (and with it the conclusion to the original true amplitudes) when enlarging the traces to a considerable degree. However, a better graduation of the amplitude values permits an amplitude analysis (scanning) as has been reproduced in fig. 6. One can also, for example, determine the noise before the shot in real amplitudes and use it as a base. A multiple value of this base can then become level 1, which is subtracted from all recorded amplitude values. In this way fig. 6a results, in which many trace portions are dead as they lie below the threshold of level 1. In fig. 6b, level 2 has been introduced at twice the value of level 1; further trace portions are dead, namely between level 1 and 2; it is now easy to carry out amplitude comparisons objectively. In relation to others, this kind of presentation has the advantage of retaining largely the original characteristics of the reflections.

4. Prospects

An old dream of many geophysicists became true with the development of the RAP-system in which the exact recording values of the geophone site are not lost. Several oil companies order already today their processing of marine data not only in the conventional manner but also -for a small extra charge -additionally with the RAPsystem : The amplitudes of interesting horizons are continuously compared against the average amplitude values of uniform horizons and then mapped. Traces which are processed according to " real amplitudes" are, on top of that, a basic requirement for further processing to pseudo-velocity logs about which we will comment in the next issue of the PRAKLA-SEISMOS Report (see also note in article on ASP).

Processing of marine survey data with the RAP-system is comparatively easily performed, although irregularities can occur at times in the recordings (i. e. a decrease of airpulser performance means lesser amplitudes, etc.). Somewhat more problematic are land surveys in which each shot and each geophone site exhibit different coupling effects. Here adaption of the traces takes place via sophisticated normalization processes which come into effect at varying rates dependent on the preponderance of shot-dependent or shot-independent noise. Certainly, processing of seismic land survey data according to real amplitudes will soon be a standard processing procedure.