REFLEKSJONSSEISMIKK - METODEBESKRIVELSE Refleksjonsseismikk anvendt på løsmasser er tilpasning og modifisering av konvensjonelle refleksjonsseismiske teknikker. I mange tilfeller kan refleksjonsseismikk være et alternativ til refraksjonsseismikk ved undersøkelse av løsmassestratigrafi og fjelltopografi under løsmasser. Metoden er standard ved forundersøkelser for tunneler under sjøen (fjordkryninger). Målemetode Ved refleksjonsseismiske undersøkelser trengs en energikilde og et utstyr som kan registrere bølgene som settes opp kontinuerlig på forskjellige avstander fra skuddet (energiutløsningen). NGU benytter refleksjonsseismikk ved marine undersøkelser, men har også benyttet teknikken på land. Energikilder ved marine undersøkelser kan være luftkanon, Boomer, Sparker eller Pinger. Ved undersøkelser på land har NGU benyttet haglpatroner avfyrt fra en spesiallagd børse, men andre energikilder som elektriske tennere og vibratorer er også blitt benyttet. For å registrere bølgene benyttes spesielle geofoner høy frekvensrespons på land mens en i vann benytter hydrofoner. Den benyttede seismograf (registreringsinstrument) må hå høyt dynamikkområde for å kunne gi god nok oppløsning på de registrerte signalene. Den enkleste utførelsen er å benytte en geofon/hydrofon for hvert skudd til å registrere signalene "Common offset". Ved å registrere på flere geofoner (hydrofoner) ved hvert skudd, kan datakvaliteten forbedres. Metoden kalles gjerne "Common Depth Point" (CDP). Måleopplegg og registreringer er skissert i figur 1. Det velges en fast avstand mellom skudd og geofonrekke. Avstanden bør være så stor at overflatebølger (Rayleigh-bølger) og luftbølger, som alle betraktes som støy, ankommer geofonene etter signal fra den dypeste laggrense man vil kartlegge (Figur 1). For grunne undersøkelser på land har det vært vanlig å benytte 12 kanaler. Et CDP-opptak oppnås ved at første skudd registreres på geofonene 1-12. Deretter flyttes skuddpunktet fram en avstand som tilsvarer geofonavstanden, og man registrerer på geofonene 2-13. Man flytter de aktive geofonene utover i det etablerte geofonutlegget som gjerne kan bestå av 24 geofoner ("roll along"). Ved å benytte 12 registreringsenheter får en refleksjon 6 ganger fra hvert punkt langs en grenseflate i bakken (6-fold dekning). Data fra hvert skudd blir lagret for seinere prosessering. En bemanning på 3 personer har vist seg å være optimal ved utførelsen av CDP-målinger på land, og det re mulig å profilere 300-400 m pr. dag. Produksjonen kan økes ved å benytte en "land-streamer" som slepes på bakken mellom hvert skudd, en lettversjon av det utstyr som oljeindustrien benytter til havs. 1
Figur 1: Opplegg for målinger ved 'common depth point'-teknikken (venstre) og et utvalg av seismiske hendelser som er vanlige i et opptak (høyre). Oppløsning/dybderekkevidde I løpet av de siste årene har det skjedd en utvikling av digitalt refleksjonsseismisk utstyr i retning av høyere oppløsning og raskere prosessering. Oppløsningen er proporsjonal med registrerte signalers frekvensinnhold og seismisk hastighet. Man anvender derfor energiseringskilder som gir høyfrekvent energi. Et eksempel på en slik kilde er haglpatroner avfyrt fra en spesiallagd børse. Ved undersøkelser i vann kan forskjellige energikilder som luftkanon, Boomer, Sparker eller Pinger benyttes, men også elektrisk tennere er blitt prøvd. Frekvensinnholdet for disse kildene øker i nevnte rekkefølge, men samtidig avtar dybderekkevidden. Ytterligere framheving av høye frekvenser oppnås ved anvendelse av geofoner (hydrofoner i vann) med høy egenfrekvens (50 eller 100 Hz), samt analog og digital frekvensfiltrering. En utvikling av seismografer i retning av økende dynamikkområde bidrar også til høyere oppløsning. Reflektorer kan under 'gunstige forhold' kartlegges på dyp i området ti til flere hundre meter ved denne metoden. Ved en frekvens på 300 Hz og seismisk hastighet på 2000 m/s, kan man teoretisk sett skille ut lag med en mektighet ned mot 2 m. Anvendelse/Fordeler og ulemper Anvendelsen av refleksjonsseismikk avhenger av god forplantning av høyfrekvent energi. Metoden egner seg derfor best der man ved overflaten har finkornige, vannmettede løsmasser. Dette gir best kobling med bakken for skudd og geofoner. Metoden gir dårlige resultater ved grovkornige, tørre 2
masser og over fyllinger og myr. Ved slike grunnforhold bør refraksjonsseismikk benyttes. Ved å benytte teknikken i vann vil dette vanligvis ikke være noe problem. I forhold til refraksjonsseismikk gir refleksjonsseismikk en mer direkte og detaljert avtegning av lag i jorda, og man har ikke de samme problemer med blindsonelag og hastighetsinversjon. Metoden gir derimot dårligere informasjon om seismiske hastigheter i fjellet under løsmassene. Ønskes informasjon om lag grunnere enn 10 m, benyttes refraksjonsseismikk. Prosessering Prosesseringen av refleksjonsseismiske data er vanligvis mer omfattende enn ved refraksjonsseismikk. Første steg er vanligvis å redigere data ved å ta ut registreringer med mye støy som kan forstyrre bildet. Ofte må det utføres en statisk korreksjon som tar hånd om uregelmessigheter i topografi og lokale hastighetsvariasjoner. Det kan være behov for å utføre båndpassfiltrering for å fjerne energi som kommer fra støykilder med et annet frekvensinnhold enn selve signalet. Ved CDP-opptak må data sorteres slik at en kan finne registreringer (tracer) som kommer fra det samme punktet i bakken. Deretter må det gjøres en hastighetsanalyse for å kunne utføret en NMO-korrigering. NMO-korreksjonen korrigerer for lengde av gangbane signalene har og er nødvendig for å slå sammen ("Stacke") registreringer som stammer fra samme punkt i bakken. Til slutt kan det utføres korreksjoner for å fjerne gjenværende uregelmessigheter som ikke ble fjernet ved den innledende statiske korreksjon ("Residual statics") Plotting Ved plotting av seismisk seksjon benyttes ofte AGC ('automatic gain control') for å normalisere amplituder og for å framheve svake reflektorer og korrigere for energitap mot større dyp. Det kan benyttes en fargeskala som er avhengig av signalenes utslag, eller en kan benytte en kombinasjon av "wiggle trace" og "variable area" (sverting av utslag) som i figur 1 og 2. Plottet kan skrives ut i bestemte filformat eller sendes direkte til skriver eller plotter. I tillegg til seismisk seksjon blir detaljer om oppdrag, opptaksparametre og prosessering skrevet ut. Tolkning Tolkning av ferdig prosessert seismisk seksjon baserer seg på gjenkjenning og sammenknytning av refleksjoner. Sammenholdt med opplysninger om seismiske hastigheter avledes en geologisk modell, der man også trekker inn resultater fra eventuelle andre undersøkelser og en geologisk forståelse. Det er viktig at en er klar over kunstige effekter ved metoden under tolkning (multipler, diffraksjoner, reflekser fra punktkilder og fra trange "daler" i en laggrense ("Bow Ties"). Vanlige p-bølgehastigheter i norske løsmasser og bergarter er vist tabell 1. Sammenstillingen baseres på NGUs og Geomaps erfaringer gjennom årene. 3
Jordarter P-bølgehastighet (m/s) Bergarter, ikke oppsprukket P-bølgehastighet (m/s) Torv 150 500 Sandstein 3000 3500 Leire (tørr) 600 1200 Kalkstein 4000 6000 Sand (tørr) 400 900 Dolomitt 2500 6500 Grus (tørr) 400 1000 Kvartsitt 5500 6000 Morene (tørr) 400 1600 Granitt 4800 5500 Leire (vannmettet) 1200 1600 Gneis 4700 5800 Sand (vannmettet) 1400 1800 Diabas 5700 6500 Grus (vannmettet) 1400 1900 Gabbro 6200 6700 Morene (løs) 1500 1900 Ultramafisk 6500 7500 Morene (hard) 1900 2800 Tabell 1: P-bølgehastighet i noen geologiske materialer. Data er hentet fra norske erfaringer (NGU og Geomap). S-bølgehastigheten er ofte lik ca 60 % av P-bølgehastigheten med dette varierer og er avhengig av fjellkvalitet. Oppsprekning av bergarten og leiromvandling vil kunne redusere hastighetene betydelig. Eksempel på opptak. Figur 2 viser refleksjonsseismiske data fra Tana-deltaet i Finnmark (Mauring m, fl. 1995). Data er samlet med et 12-aktive geofoner (6-fold dekning) med avstand 5 meter. Energikilden er et enkelt haglskudd avfyrt ca. 60 cm ned i vannmettede sandavsetninger på deltaplanet for hver 5 meter. Opptaket viser tre forskjellige avsetninger med interne strukturer. Nederst, på et dyp fra 100 til 190 meter finner vi fjell. Hyperbler her er kunstige effekter som stammer fra punktreflektorer eller fordypninger i fjellet ("Bow Ties"). I tillegg sees en multippel av fjellreflektoren. Over fjell og opp til et ca. dyp på 70 meter, finner vi glasimarine avsetninger hvor fjelltopografien gradvis jevnes ut (Geoff Corner UiTø, personlig meddelelse). Øverst ser vi lagene i deltautbygningen. Profilet går mer eller mindre på tvers av utbygningsretningen slik at skrå strukturer avtegnes tilnærmet horisontalt. 4
Figur 2: Eksempel på refleksjonsseismisk opptak fra Tanadeltaet i Finnmark. Referanse: Mauring, E., Rønning, J.S. & Danielsen, E. 1995: Georadar og refleksjonsseismiske målinger i Tanadalen. Tana kommune, Finnmark. NGU Rapport 95.007 (44 sider). http://www.ngu.no/upload/publikasjoner/rapporter/1995/95_007.pdf 5