Heijastusseismologiaa käytetään laajalti useilla aloilla, ja sen sovellukset voidaan jakaa kolmeen ryhmään, jotka määritellään tutkimussyvyyden mukaan:

• Pinnanläheiset sovellukset – sovellus, jolla pyritään ymmärtämään geologiaa enintään noin 1 km:n syvyydessä, ja jota käytetään tyypillisesti insinööri- ja ympäristötutkimuksissa sekä hiili- ja malminetsinnässä. Seismisen heijastuksen viime aikoina kehitetty sovellus on geotermisen energian tutkiminen, vaikka tutkimussyvyys voi tässä tapauksessa olla jopa 2 km syvyydessä.
• Hiilivetyjen etsintä – hiilivetyteollisuus käyttää tätä menetelmää tuottamaan korkearesoluutioisen kartan akustisista impedanssikontrasteista jopa 10 km:n syvyydessä maanpinnan alla. Tämä voidaan yhdistää seismiseen attribuuttianalyysiin ja muihin tutkimusgeofysiikan työkaluihin, ja sitä voidaan käyttää auttamaan geologeja rakentamaan geologinen malli kiinnostavasta alueesta.
• Mineraalien etsintä – Perinteinen lähestymistapa pinnanläheiseen (<300 m) mineraalien etsintään on ollut käyttää geologista kartoitusta, geokemiallista analyysiä ja ilmasta ja maasta käsin tehtäviä potentiaalisia kenttämenetelmiä erityisesti vihreiden peltojen etsintätutkimuksissa, mutta viimeisten vuosikymmenten aikana heijastusseismisestä on tullut varteenotettava menetelmä kovan kallion ympäristössä suoritettavaan etsintään.
• Krustitutkimukset – maankuoren rakenteen ja alkuperän tutkiminen Moho-jatkumoon asti ja sen jälkeen jopa 100 km:n syvyydessä.

Heijastusseismologiaa muistuttava menetelmä, jossa käytetään sähkömagneettisia aaltoja elastisten aaltojen sijasta ja jonka tunkeutumissyvyys on pienempi, tunnetaan nimellä maatutka eli GPR.

Hiilivetyjen etsintä Muokkaa

Hiilivetyteollisuudessa käytetään öljygeologien ja geofyysikoiden käyttämää heijastusseismologiaa, josta käytetään yleisemmin nimitystä ”seisminen heijastus” tai lyhennettä ”seisminen”, kartoittamaan ja tulkitsemaan potentiaalisia öljysäiliöitä. Seismisten tutkimusten koko ja laajuus on kasvanut samalla, kun tietokoneiden teho on lisääntynyt merkittävästi 1900-luvun lopusta lähtien. Tämä johti siihen, että 1980-luvulla seisminen teollisuus hankki pieniä 3D-tutkimuksia vaivalloisesti ja siksi harvoin, mutta nyt se hankkii rutiininomaisesti laajamittaisia korkean resoluution 3D-tutkimuksia. Tavoitteet ja perusperiaatteet ovat pysyneet samoina, mutta menetelmät ovat hieman muuttuneet vuosien varrella.

Seismisen hiilivetyjen etsinnän ensisijaiset ympäristöt ovat maa, vaihettumisvyöhyke ja meri:

Kaista – Maaympäristö kattaa lähes kaikki maapallolla esiintyvät maastonmuodot, joista jokainen tuo mukanaan omat logistiset ongelmansa. Esimerkkejä tästä ympäristöstä ovat viidakko, aavikko, arktinen tundra, metsä, kaupunkiympäristö, vuoristoalueet ja savanni.

Transition Zone (TZ) – Siirtymävyöhykkeeksi (TZ) katsotaan alue, jossa maa ja meri kohtaavat, ja se tuo mukanaan ainutlaatuisia haasteita, koska vesi on liian matalaa suurille seismisille aluksille, mutta liian syvää perinteisten hankintamenetelmien käyttämiseen maalla. Esimerkkejä tästä ympäristöstä ovat jokisuistot, suot ja rämeet, koralliriutat, rannan vuorovesialueet ja aallokkovyöhyke. Siirtymävyöhykkeen seismiset miehistöt työskentelevät usein maalla, siirtymävyöhykkeellä ja matalassa vesiympäristössä samassa hankkeessa saadakseen täydellisen kartan maanalaisesta maaperästä.

Merivyöhyke – Merivyöhyke sijaitsee joko matalilla vesialueilla (alle 30-40 metrin vesisyvyydellä olevia vesialueita pidettäisiin tavallisesti matalina vesialueina 3D-meriseismisissä operaatioissa) tai syvillä vesialueilla, jotka tavallisesti liitetään meriin ja valtameriin (esim. Meksikonlahdella).

Seismisen tiedon hankintaMuokkaa

Seismisen tiedon hankinta on ensimmäinen seismisen etsinnän kolmesta erillisestä vaiheesta, joista kaksi muuta ovat seismisen tiedon käsittely ja seisminen tulkinta.

Seismisiä tutkimuksia suunnittelevat yleensä kansalliset öljy-yhtiöt ja kansainväliset öljy-yhtiöt, jotka palkkaavat CGG:n, Petroleum Geo-Servicesin ja WesternGecon kaltaisia palveluyrityksiä hankkimaan ne. Tämän jälkeen palkataan toinen yritys käsittelemään tietoja, vaikka se voi usein olla sama yritys, joka hankki tutkimuksen. Lopuksi valmis seisminen aineisto toimitetaan öljy-yhtiölle, jotta se voidaan tulkita geologisesti.

Maatutkaluotauksen hankintaEdit

Kaistaseismiset tutkimukset ovat yleensä suuria kokonaisuuksia, jotka vaativat satoja tonneja laitteita ja työllistävät muutamasta sadasta muutamaan tuhanteen ihmistä, joita käytetään laajoilla alueilla monien kuukausien ajan. Kontrolloidun seismisen lähteenä maastotutkimuksissa on useita vaihtoehtoja, ja erityisen yleisiä vaihtoehtoja ovat vibroseis ja dynamiitti. Vibroseis on ei-impulssimainen lähde, joka on halpa ja tehokas, mutta vaatii toimiakseen tasaisen maan, mikä vaikeuttaa sen käyttöä kehittymättömillä alueilla. Menetelmässä yksi tai useampi raskas maastoajoneuvo laskee teräslevyn maahan, jota sitten tärytetään tietyllä taajuusjakaumalla ja amplitudilla. Energiatiheys on alhainen, joten sitä voidaan käyttää kaupungeissa ja muilla rakennetuilla alueilla, joilla dynamiitti aiheuttaisi merkittävää vahinkoa, vaikka Vibroseis-kuorma-autoon liitetty suuri paino voikin aiheuttaa omat ympäristöhaittansa. Dynamiitti on impulssilähde, jota pidetään ihanteellisena geofysikaalisena lähteenä, koska se tuottaa lähes täydellisen impulssitoiminnon, mutta sillä on selviä ympäristöhaittoja. Se oli pitkään ainoa käytettävissä oleva seisminen lähde, kunnes noin vuonna 1954 otettiin käyttöön painon pudottaminen, jolloin geofyysikot pystyivät tekemään kompromissin kuvanlaadun ja ympäristövahinkojen välillä. Vibroseissiin verrattuna dynamiitti on myös toiminnallisesti tehoton, koska jokainen lähdepiste on porattava ja dynamiitti asetettava reikään.

maaseisminen tutkimus vaatii huomattavaa logistista tukea. Varsinaisen päivittäisen seismisen toiminnan lisäksi on tuettava myös pääleiriä (ruokahuoltoa, jätehuoltoa, pyykinpesua jne. varten), pienempiä leirejä (esimerkiksi silloin, kun etäisyys on liian pitkä, jotta pääleiriin voitaisiin ajaa takaisin vibraattoriautoilla), ajoneuvojen ja laitteiden kunnossapitoa, lääkintähenkilökuntaa ja turvatoimia.

Toisin kuin meriseismisessä seismisessä kartoituksessa, maa-alueen geometriaa ei ole rajoitettu kapeisiin hankintareitteihin, mikä tarkoittaa sitä, että hankintoihin otetaan tavallisesti monenlaisia offsets- ja atsimuuttivaihtoehtoja. Tuotantonopeutta ohjaa luonnollisesti se, kuinka nopeasti lähde (tässä tapauksessa Vibroseis) voidaan laukaista ja siirtyä sitten seuraavaan lähdepaikkaan. Tutkimuksen tehokkuuden lisäämiseksi on yritetty käyttää useita seismisiä lähteitä samanaikaisesti, ja onnistunut esimerkki tästä tekniikasta on Independent Simultaneous Sweeping (ISS).

Meriseisminen tutkimushankinta (streamer)Edit

Traditionaaliset seismiset meriseismiset kartoitukset tehdään käyttämällä erikoisvalmisteisia-varustettuja aluksia, jotka vetävät yhtä tai useampaa kaapelia, joissa on sarja hydrofoneja tasaisin väliajoin (ks. kaavio). Kaapeleita kutsutaan streameriksi, ja 2D-tutkimuksissa käytetään vain yhtä streameria ja 3D-tutkimuksissa jopa 12:ta tai useampaa (vaikka 6 tai 8 on yleisempää). Virtajohtimet sijoitetaan aivan vedenpinnan alapuolelle ja ne ovat tietyllä etäisyydellä aluksesta. Seisminen lähde, joka on yleensä ilmaluotain tai ilmaluotainten ryhmä, mutta myös muita lähteitä on saatavilla, sijoitetaan myös veden pinnan alapuolelle ja se sijaitsee aluksen ja ensimmäisen vastaanottimen välissä. Usein käytetään kahta samanlaista lähdettä nopeamman kuvausnopeuden saavuttamiseksi. Meriseismiset tutkimukset tuottavat huomattavan määrän dataa, kukin streamer voi olla jopa 6 tai jopa 8 km pitkä ja sisältää satoja kanavia, ja seisminen lähde laukaistaan tyypillisesti 15 tai 20 sekunnin välein.

Seisminen alus, jossa on kaksi lähdettä ja joka hinaa yhtä streameria, tunnetaan nimellä Narrow-Azimuth Towed Streamer (tai NAZ tai NATS). 2000-luvun alkuun mennessä hyväksyttiin, että tämäntyyppinen hankintatapa oli hyödyllinen alkututkimuksessa, mutta riittämätön kehitystyössä ja tuotannossa, jossa porausreiät oli sijoitettava tarkasti. Tämä johti Multi-Azimuth Towed Streamerin (MAZ) kehittämiseen, jolla pyrittiin poistamaan NATS-tutkimuksen lineaarisen hankintamallin rajoitukset hankkimalla yhdistelmä NATS-tutkimuksia eri atsimuuteilla (ks. kaavio). Näin saatiin menestyksekkäästi lisättyä maanpinnan valaistusta ja parannettua signaali-kohinasuhdetta.

Suolan seismiset ominaisuudet aiheuttavat lisäongelman meriseismisille kartoituksille, sillä se vaimentaa seismisiä aaltoja ja sen rakenteessa on kohoumia, joita on vaikea kuvata. Tämä johti NATS-tutkimustyypin toiseen muunnelmaan, hinattavaan leveäakseliseen streameriin (WAZ tai WATS), jota testattiin ensimmäisen kerran Mad Dogin kentällä vuonna 2004. Tämäntyyppiseen tutkimukseen kuului yksi alus, joka hinasi ainoastaan kahdeksan streameriä, ja kaksi erillistä alusta, jotka hinasivat seismisiä lähteitä, jotka sijaitsivat viimeisen vastaanottolinjan alussa ja lopussa (ks. kaavio). Tätä kokoonpanoa käytettiin neljä kertaa siten, että vastaanotinalus siirtyi joka kerta kauemmas lähdealuksista, mikä lopulta aiheutti vaikutelman tutkimuksesta, jossa oli neljä kertaa enemmän streamereita. Lopputuloksena saatiin seisminen tietokokonaisuus, jossa oli suurempi valikoima laajempia atsimuutteja, mikä merkitsi läpimurtoa seismisessä kuvantamisessa. Nämä ovat nyt kolme yleisintä meriseismisten tutkimusten tyyppiä.

Meritutkimusten hankinta (merenpohjan seisminen (OBS))Edit

Meritutkimusten hankinta ei rajoitu pelkästään seismisiin aluksiin, vaan on myös mahdollista asentaa geofoneista ja hydrofoneista koostuvia kaapeleita merenpohjaan samaan tapaan kuin kaapeleita käytetään maanpäällisissä seismisissä tutkimuksissa ja käyttää erillistä lähdealusta. Tämä menetelmä kehitettiin alun perin toiminnallisista syistä, jotta seismisiä tutkimuksia voitaisiin tehdä alueilla, joilla on esteitä, kuten tuotantolauttoja, ilman että tuloksena olevan kuvan laadusta joudutaan tinkimään. Merenpohjan kaapeleita (OBC) käytetään laajalti myös muilla alueilla, joilla seismistä alusta ei voida käyttää, esimerkiksi matalissa merialueissa (vesisyvyys <300 m) ja siirtymävyöhykeympäristöissä, ja niitä voidaan käyttää kauko-ohjattavilla vedenalaisilla ajoneuvoilla (ROV) syvissä vesissä silloin, kun toistotarkkuus on tärkeää (ks. kohta 4D, jäljempänä). Perinteisissä OBC-tutkimuksissa käytetään kaksikomponenttivastaanottimia, joissa yhdistyvät paineanturi (hydrofoni) ja pystysuuntainen hiukkasnopeusanturi (pystysuuntainen geofoni), mutta viimeaikaisemmassa kehityksessä menetelmää on laajennettu niin, että siinä voidaan käyttää nelikomponenttiantureita eli hydrofonia ja kolmea ortogonaalista geofonia. Nelikomponenttiantureiden etuna on se, että ne pystyvät tallentamaan myös leikkausaaltoja, jotka eivät kulje veden läpi, mutta voivat silti sisältää arvokasta tietoa.

Toiminnallisten etujen lisäksi OBC:llä on myös geofysikaalisia etuja tavanomaiseen NATS-tutkimukseen nähden, jotka johtuvat tutkimusgeometriaan liittyvästä suuremmasta taittuvuudesta ja laajemmasta atsimuuttialueesta. Kuten maastomittauksissa, laajemmilla atsimuuteilla ja lisääntyneellä taitteella on kuitenkin hintansa, ja mahdollisuudet laajamittaisiin OBC-tutkimuksiin ovat hyvin rajalliset.

Vuonna 2005 BP:n ja Fairfield Geotechnologiesin yhteistyönä kokeiltiin ensimmäisen kerran Atlantis-öljykentän yläpuolella valtameren pohjan solmupisteitä (Ocean Bottom Nodes, OBN), joka on OBC-menetelmän laajennus ja jossa käytetään akkukäyttöisiä kaapelittomia syvään veteen sijoitettuja vastaanottimia. Näiden solmujen sijoittelu voi olla joustavampaa kuin OBC-menetelmässä käytettävien kaapeleiden, ja ne on helpompi varastoida ja ottaa käyttöön pienemmän kokonsa ja pienemmän painonsa ansiosta.

Time lapse -hankinta (4D)Edit

Time lapse- tai 4D-tutkimukset ovat 3D-seismisiä tutkimuksia, jotka toistetaan tietyn ajan kuluttua. 4D viittaa neljänteen ulottuvuuteen, joka tässä tapauksessa on aika. Time lapse -tutkimuksia hankitaan, jotta voidaan havainnoida säiliön muutoksia tuotannon aikana ja tunnistaa alueita, joilla on virtausesteitä, joita ei ehkä voida havaita tavanomaisessa seismisessä tutkimuksessa. Aikatutkimukset koostuvat perustutkimuksesta ja seuranta- tai uusintatutkimuksesta, joka tehdään sen jälkeen, kun kenttä on ollut tuotannossa. Useimmat näistä tutkimuksista ovat olleet toistuvia NATS-tutkimuksia, koska ne ovat halvempia hankkia ja koska useimmilla kentillä on jo aiemmin tehty NATS-perustutkimus. Jotkin näistä tutkimuksista kerätään merenpohjan kaapeleiden avulla, koska kaapelit voidaan tarkasti sijoittaa entiselle paikalleen niiden poistamisen jälkeen. Lähteen ja vastaanottimen tarkan sijainnin parempi toistaminen parantaa toistettavuutta ja signaalikohinasuhdetta. Useita 4D-tutkimuksia on tehty myös kentillä, joilla merenpohjan kaapelit on hankittu ja asennettu pysyvästi. Tämä menetelmä tunnetaan nimellä Life of Field Seismic (LoFS) tai Permanent Reservoir Monitoring (PRM).

OBN on osoittautunut toiseksi erittäin hyväksi tavaksi toistaa seisminen hankinta tarkasti. Maailman ensimmäinen 4D-tutkimus, jossa käytettiin solmuja, hankittiin Atlantis Oil Field -öljykentän yllä vuonna 2009, jolloin solmut sijoitettiin ROV:lla 1300-2200 metrin vesisyvyyteen muutaman metrin tarkkuudella siitä, mihin ne oli aiemmin sijoitettu vuonna 2005.

Seismisen datan käsittelyEdit

Seismisen datan käsittelyssä on kolme pääprosessia: dekonvoluutio, common-midpoint (CMP) stacking ja migraatio.

Dekonvoluutio on prosessi, jossa pyritään saamaan esiin maan heijastussarjat olettaen, että seisminen jälki on vain vääristävillä suodattimilla konvolvoitu maan heijastussarja. Tämä prosessi parantaa ajallista erottelukykyä romahduttamalla seismisen aaltoliikkeen, mutta se ei ole ainutkertainen, ellei saatavilla ole lisätietoja, kuten porausreikien lokitietoja, tai ellei ole tehty muita oletuksia. Dekonvoluutio-operaatioita voidaan kaskadoida, jolloin jokainen yksittäinen dekonvoluutio on suunniteltu poistamaan tietyntyyppinen vääristymä.

CMP-pinoaminen on vankka prosessi, jossa hyödynnetään sitä tosiasiaa, että tietystä paikasta maanalaisessa kerroksessa on otettu näytteitä useita kertoja ja eri etäisyyksillä. Tämän avulla geofyysikko voi muodostaa ryhmän jälkiä, joilla on eri etäisyyksiä ja jotka kaikki ottavat näytteitä samasta maanalaisesta sijainnista, jota kutsutaan Common Midpoint Gatheriksi. Tämän jälkeen lasketaan keskimääräinen amplitudi aikanäytettä pitkin, jolloin satunnaiskohina vähenee huomattavasti, mutta samalla menetetään kaikki arvokas tieto seismisen amplitudin ja offsetin välisestä suhteesta. Vähemmän merkittäviä prosesseja, joita sovelletaan juuri ennen CMP-pinoa, ovat Normal moveout -korjaus ja statiikan korjaus. Toisin kuin meriseismiset tiedot, maaseismiset tiedot on korjattava laukaisu- ja vastaanottopaikkojen välisten korkeuserojen vuoksi. Tämä korjaus tehdään pystysuuntaisena aikasiirtymänä tasaiseen datumiin, ja sitä kutsutaan staattiseksi korjaukseksi, mutta sitä on korjattava edelleen myöhemmin käsittelyjaksossa, koska pinnan läheisen alueen nopeutta ei tunneta tarkasti. Tätä lisäkorjausta kutsutaan jäännösstatiikkakorjaukseksi.

Seisminen migraatio on prosessi, jossa seismiset tapahtumat siirretään geometrisesti joko tilassa tai ajassa siihen paikkaan, jossa tapahtuma tapahtui maanalaisessa kerroksessa, eikä siihen paikkaan, jossa se tallennettiin pinnalla, ja näin luodaan tarkempi kuva maanalaisesta kerroksesta.

Seisminen tulkinta Muokkaa muokkaa

Seismisen tulkinnan tavoitteena on saada käsiteltyjen seismisten heijastusten kartalta yhtenäinen geologinen tarina. Yksinkertaisimmillaan seisminen tulkinta käsittää jatkuvien heijastusten jäljittämisen ja korreloinnin koko 2D- tai 3D-tietoaineistossa ja niiden käyttämisen geologisen tulkinnan perustana. Tavoitteena on tuottaa rakennekarttoja, jotka kuvastavat tiettyjen geologisten kerrostumien alueellista syvyysvaihtelua. Näiden karttojen avulla voidaan tunnistaa hiilivetyloukkuja ja luoda maanalaisesta kerroksesta malleja, joiden avulla voidaan tehdä määrälaskelmia. Seisminen aineisto antaa kuitenkin harvoin riittävän selkeän kuvan tähän tarkoitukseen. Tämä johtuu pääasiassa pystysuuntaisesta ja vaakasuuntaisesta seismisestä resoluutiosta, mutta usein myös kohina ja käsittelyvaikeudet johtavat heikompilaatuiseen kuvaan. Tämän vuoksi seismiseen tulkintaan liittyy aina jonkin verran epävarmuutta, ja tietyssä tietokokonaisuudessa voi olla useampi kuin yksi ratkaisu, joka sopii aineistoon. Tällaisessa tapauksessa tarvitaan lisää tietoja ratkaisun rajaamiseksi, esimerkiksi seismisiä lisähankintoja, kairauslokituksia tai painovoima- ja magneettitutkimustietoja. Samoin kuin seismisen prosessorin ajattelutapa, myös seismisen tulkitsijan kannustetaan yleensä olemaan optimistinen, jotta voidaan kannustaa jatkotyöhön eikä tutkimusalueen hylkäämiseen. Seismistä tulkintaa suorittavat sekä geologit että geofyysikot, ja useimmilla seismiikan tulkitsijoilla on ymmärrystä molemmista aloista.

Hiilivetyjen etsinnässä piirteet, joita tulkitsija pyrkii erityisesti hahmottamaan, ovat ne osat, jotka muodostavat öljysäiliön – lähdekallio, säiliökallio, tiiviste ja ansa.

Seisminen ominaisuusanalyysi Muokkaa

Seisminen attribuuttianalyysi tarkoittaa sellaisen suureen poimimista tai johtamista seismisestä datasta, jota voidaan analysoida, jotta voidaan parantaa perinteisessä seismisessä kuvassa mahdollisesti hienovaraisemmin esiintyvää tietoa, mikä johtaa datan parempaan geologiseen tai geofysikaaliseen tulkintaan. Esimerkkejä analysoitavista ominaisuuksista ovat keskimääräinen amplitudi, joka voi johtaa kirkkaiden ja himmeiden pisteiden erottamiseen, koherenssi ja amplitudi suhteessa offsetiin. Attribuutteja, jotka voivat osoittaa hiilivetyjen esiintymisen, kutsutaan suoriksi hiilivetyindikaattoreiksi.

Maankuoren tutkimukset Muokkaa

Heijastusseismologian käyttöä maankuoren tektoniikan ja maankuoren tutkimuksessa aloittivat 1970-luvulla ryhmät, kuten Consortium for Continental Reflection Profiling (COCORP), jotka innoittivat syvälle ulottuvia seismisiä tutkimuksia myös muissa maissa, kuten BIRPS Isossa-Britanniassa ja ECORS Ranskassa. British Institutions Reflection Profiling Syndicate (BIRPS) perustettiin Pohjanmeren öljyhiilivetyjen etsinnän seurauksena. Kävi selväksi, että ei ymmärretty riittävästi niitä tektonisia prosesseja, jotka olivat muodostaneet etsittävät geologiset rakenteet ja sedimenttialtaat. Ponnistelut tuottivat joitakin merkittäviä tuloksia ja osoittivat, että meriseismisten tutkimusten avulla on mahdollista profiloida ominaisuuksia, kuten maankuoren läpi ylempään vaippaan tunkeutuvia työntömurtumia.