Seismik Refraksi

Studi seismik refraksi ditujukan untuk memetakan karakteristik lapisan dekat permukaan (near surface) seperti kedalaman lapisan lapuk (weathering), bed rocks, pemetaan air tanah, lingkungan, dll. Informasi geofisika yang diperoleh dari studi ini adalah model kecepatan serta kedalaman lapisan bawah permukaan. Informasi tersebut diturunkan dari first break serta geometri sumber-penerima.

Peralatan yang digunakan didalam survey seismik refraksi, biasanya terdiri dari 12 sampai 24 channel geophone dengan interval 2-5 meter dan frekuensi 8-14Hz, dengan sumber gelombang berupa palu ataupun dinamit serta perekam yang biasanya jauh lebih portable daripada peralatan seismik refleksi. Akan tetapi pada sebuah survey seismik refleksi, rekaman refraksi bisa diperoleh seiring dengan perekaman gelombang refleksi sendiri.

Gambar dibawah ini menunjukkan perekam yang dikhususkan untuk survey seismik refraksi.

Courtesy Geometrics

Gambar di bawah ini adalah layout perekaman seismik refraksi. Geophone diletakkan disepanjang lintasan survey, dimana offset (bentangan kabel) harus 3-5 kali lebih panjang dari kedalaman target. Jadi jika panjang offset nya adalah 600 meter, maka kedalaman maksimum yang akan terdeteksi adalah 200 meter.

Courtesy Geometrics

Sumber gelombang pada sebuah offset dari survey refraksi, sedikitnya dua sumber S1 dan S2 (lihat gambar di bawah) yang biasanya diletakkan di sisi kiri dan kanan, dengan jarak dari geophone ½ dari group interval. Ada baiknya juga dilakukan penembakan S3. Jika crossover distance diketahui (lihat gambar anonymous (GEOL 335.3)). Ada baiknya dilakukan pengukuran S4 dan S5, tergantung tujuannya S6 dan S7 kadang-kadang diperlukan.

Courtesy Geometrics

Pada rekaman seismik (shot gathers), first break merupakan sinyal yang pertama kali terekam oleh penerima. Sinyal tersebut berasal dari direct wave dan head wave. Direct wave adalah gelombang yang merambat dari sumber langsung ke penerima melewati lapisan pertama, Sedangkan head wave adalah gelombang yang melewati lapisan pertama lalu merambat disepanjang lapisan kedua. Syarat terjadinya head wave adalah sudut tembak gelombang harus melewati critical angle dan lapisan kecepatan lapisan tersebut harus lebih cepat dari lapisan sebelumnya.

Berikut adalah ilustrasi jejak sinar, kurva serta persamaan waktu tempuh dari direct wave (merah), head wave (biru) dan refleksi (hijau).

Courtesy anonymous (GEOL 335.3)

Gambar di bawah ini menunjukkan rekaman (shot gather) serta interpretasi first break untuk direct wave (merah), head wave yang merambat melewati lapisan pertama dan disepanjang lapisan kedua (biru), serta head wave yang melewati lapisan pertama, kedua dan disepanjang lapisan ketiga (hijau). Kedalaman dan kecepatan lapisan pertama dapat dianalisis dari kurva warna merah, lapisan kedua dari kurva warna biru dan lapisan ketiga dari kurva warna hijau. Perhatikan, banyaknya perlapisan ditunjukkan dengan berapa banyak kurva tersebut saling memotong (crossover).

Courtesy Mitchell J.F. and R.J. Bolander, 1986

Gambar dibawah ini menunjukkan perhitungan kecepatan dan kedalaman perlapisan dari kurva waktu tempuh terhadap offset untuk model 3 lapisan bumi berlapis horizontal.

Courtesy Exploration Geophysics: Refraction Seismic Notes 06/20/02

Kecepatan lapisan V1, V2, dan V3 merupakan slope dari masing-masing kurva, sedangkan kedalaman lapisan ditentukan oleh persamaan di bawah ini:

Courtesy Exploration Geophysics: Refraction Seismic Notes 06/20/02

Karakteristik kemiringan perlapisan batuan, dapat dianalisis melalui kesimetrisan kurva waktu tempuh dari beberapa shot, setidak-tidak nya S1 dan S2 pada desain survey di atas.

Gambar di bawah ini merupupakan plot waktu tempuh untuk semua shot. Terlihat bahwa kurva yang dari arah kiri simetris dengan kurva dari arah kanan, sehingga kita berkesimpulan bahwa perlapisan pada survey ini adalah horizontal.

Courtesy Geometrics

Gambar di bawah ini menunjukkan karikatur survey seismic refraksi untuk model 3 perlapisan yang miring. Sumber gelombang diletakkan pada shot a dan shot b.

Courtesy Exploration Geophysics: Refraction Seismic Notes 06/20/02

Masing-masing kurva waktu tempuh dari shot a dan shot b ditunjukkan pada gambar di bawah ini:

Courtesy Exploration Geophysics: Refraction Seismic Notes 06/20/02

Kecepatan lapisan pertama V1 dihitung dari slope berwarna hijau, dimana kedua shot akan memiliki nilai yang sama. Sedangkan untuk V2 (merah) dan V3 (pink), masing-masing merupakan rata-rata dari slope shot a dan slope shot b. Kedalaman lapisan dibawah masing-masing shot dihitung dengan rumus di atas, yang tentunya akan menghasilkan kedalaman yang berbeda untuk shot a dan shot b. Kemiringan lapisan ditentukan dari perbedaan kedalaman tersebut.

Seismic Refraction Ray Tracing

Metoda Seismik Refraksi merupakan metoda yang cukup populer digunakan baik untuk keperluan eksplorasi yang bersifat bisnis ataupun untuk keperluan riset.

Seperti yang saya jelaskan di sini, seismik refraksi digunakan untuk pendeteksian zona dekat permukaan (near surface zone) ataupun Refraction Tomo yang digunakan untuk koreksi statik yang mendukung keberhasilan pengolahan data seismik refleksi.

Seismik Refraksi kerap digunakan didalam global seismology untuk pendeteksian lapisan bumi dalam seperti zona subduksi, moho, mantel, dll.

Teknik dan kualitas Ray Tracing merupakan merupakan kunci keberhasilan pencitraan bawah permukaan. Terdapat berbagai macam metoda ray tracing, diantaranya Fast Marching Method, Finite Difference, Shooting Method, Bending Method, dll.

Untuk mempelajari Ray Tracing silakan anda download kode refract_raytracer.m serta data pendukungnya ak135.txt dan attenuationdata.txt.

Kode tersebut akan membaca lokasi sumber dan penerima serta kedalaman sumber dalam latitude dan longitude dengan model kecepatan ak135. Pada kode tersebut saya menggunakan Shooting Method yang melakukan iterasi beberapa kali sampai selisih error dibawah threshold tertentu.

Gambar di bawah ini merupakan penampang Jejak Sinar dalam 2D yang di-overlay dengan model kecepatan ak135.

Penampang Jejak Sinar dalam 3D (click untuk memperbesar)

Untuk mempelajari lebih jauh mengenai penerapan metoda ini, silakan download paper saya di sini.

Static Correction

Didalam pengolahan data seismik, terdapat dua jenis static correction (koreksi statik) yang harus dilakukan yakni elevation (field) statics dan near surface (weathering) correction.

Elevation Statics
Elevation statics adalah koreksi karena perbedaan elevasi source dan receiver. Elevation statics dilakukan dengan meletakkan source dan receiver pada posisi virtual dengan elevasi yang sama (datum) yang biasanya sedikit dibawah elevasi source dan receiver yang terendah. Untuk proses ini, diperlukan informasi replacement velocity dari material antara datum dengan masing-masing source dan receiver. Replacement velocity biasanya diperoleh dari pengetahuan sebelumnya dari daerah yang bersangkutan atau dari pengukuran uphole time.

Persamaan elevation statics, diberikan oleh:

t_D = [(E_S – Z_S - E_D) + (E_R – Z_R - E_D)]/V_r

Dimana E_S elevasi dari source (di atas permukaan laut), Z_S kedalaman dari source ( 0 untuk vibroseis), E_R elevasi dari receiver, Z_R kedalaman dari receiver, E_D elevasi datum, dan V_r adalah replacement velocity.

Gambar di bawah ini mengilustrasikan parameter-parameter yang digunakan dalam elevation statics.
Selanjutnya dilakukan perhitungan:

TWTes=TWT-t_D

TWTes adalah waktu tempuh (TWT) dari trace pasangan sumber penerima setelah koreksi statik, TWT adalah waktu tempuh trace sebelum koreksi statik.


Near surface (weathering) correction
Setelah elevation statics, selanjutnya dilakukan near surface correction untuk mengkompensasi variasi ketebalan dan perubahan lateral kecepatan dari lapisan lapuk (weathering zone).

Metoda yang biasa dilakukan untuk near surface correction adalah: uphole surveys, refractions statics, residual statics dan tomo statics.

Uphole survey dilakukan dengan meletakkan rangkaian geophone pada lubang bor yang menembus kedalaman weathering layer dan sub weathering layer, sumber gelombang diletakkan di permukaan di dekat lubang bor, lalu waktu tempuh gelombang dari sumber ke masing-masing penerima diplot untuk menghitung kecepatan. Uphole survey dilakukan pada beberapa lokasi, dimana kecepatan lapisan akan diinterpolasi dari satu lokasi ke lokasi lainnya.

Refraction statics dilakukan untuk mengestimasi long wavelength statics. Wavelength statics mengacu pada lebarnya perubahan lateral kecepatan dan ketebalan dari lapisan lapuk relatif terhadap offset maksimum.

Refraction statics dilakukan untuk mengestimasi ketebalan dan kecepatan lapisan lapuk pada lintasan survey. Terdapat beberapa metoda refraction statics diantaranya: Delay-time, Generalized Reciprocal Method (GRM), dan Least-squares method. Dua metoda pertama memerlukan proses first break picking dan geometri jejak sinar, sedangkan least square method memiliki konsep yang sama dengan residual statics, hanya saja least square menggunakan gelombang refraksi daripada refleksi.

Gambar di bawah ini menunjukkan hasil pekerjaan first break picking, profil weathering dan sub weathering zone dari studi seismik refraksi serta profil untuk elevation statics dan weathering statics.

Courtesy Lawton, D.C., Geophysics Vol. 54 NO. 10, 1989.

Dari hasil studi refraksi di atas terlihat bahwa kecepatan weathering zone (Vw) = 520m/s sedangkan sub weathering zone (Vb)=3103m/s. Demikian juga kita memperoleh informasi kedalaman weathering zone (Zw) pada setiap titik pengamatan.

Koreksi statik untuk mengkompensasi weathering zone terhadap datum D dapat dirumuskan sbb:

t_D=(-2Zw/Vw)+(2(E_D-E_S+Zw)/Vb)

Dimana E_D adalah elevasi dari datum dan E_S elevasi dari source. Selanjutnya t_D akan dikurangkan dari TWT trace untuk shot yang bersangkutan.

Gambar di bawah ini menunjukkan perbandingan antara data awal (a), elevation statics (b), dan elevation statics+weathering statics (c). Walaupun pada contoh ini kita tidak melihat perbedaan yang sangat mencolok, tetapi kalau kita perhatikan lebih teliti koreksi statics memberikan peningkatan koherensi dari satu trace ke trace yang lainnya.

Courtesy Lawton, D.C., Geophysics Vol. 54 NO. 10, 1989.

Residual statics atau dikenal juga dengan reflection statics dilakukan untuk mengkoreksi short wavelength statics, dimana metoda yang paling banyak digunakan adalah surface consistent method.

Residual statics dirumuskan dengan persamaan sbb:

t_ijk=r_i+s_j+G_k+M_kx_ij²

dimana t_ijk adalah koreksi residual statics total untuk receiver ke-i, source ke - dan CMP ke-k, r_i adalah residual statics untuk receiver ke-i, s_j adalah residual statics untuk source ke-j, G_k perbedaan TWT antara CMP ke-k dengan CMP referensi yang biasanya CMP pertama, M_kx_ij² adalah residual moveout.

Mengacu pada persamaan di atas, komputasi least square dilakukan untuk memperoleh parameter r_i, s_j, G_k dan M_k sebagai unknown parameters dengan input t_ijk dan x_ij (offset) sebagai known parameters.

Pada praktiknya residual statics dilakukan dengan beberapa tahap: menghitung t_ijk, mendekomposisi persamaan di atas untuk memperoleh unknown parameters, menerapkan r_i dan s_j pada gathers sebelum koreksi NMO.

Cara yang umum digunakan untuk menghitung t_ijk adalah pilot trace method, dimana tahapannya sbb:

• Sebuah CMP dengan S/N ratio yang bagus di-gain lalu di-NMO dengan menggunakan model kecepatan awal.
• Memilih event refleksi tertentu.
• CMP gather di stack untuk menghasilkan sebuah stack trace.
• Masing-masing trace pada gather di kros-korelasi dengan stack trace.
• Time shifts t_ijk¹ merupakan time shift dengan kros-korelasi tertinggi.
• Melakukan shifting trace original dengan t_ijk¹ .
• Pilot trace awal diperoleh dengan melakukan stacking trace yang di time shifting pada gather tersebut.
• Pilot trace ini di kros-korelasi dengan trace yang di shifting pada gather untuk memperoleh t_ijk².
• Shift masing-masing trace yang telah di shift dengan menggunakan t_ijk².
• Time shift total saat ini adalah t_ijk = t_ijk¹+t_ijk²
• Pilot trace akhir dibangun lagi dengan melakukan stacking time shift total.
• Pilot trace akhir ini di kros korelasi dengan trace-trace pada gather berikutnya untuk membuat pilot trace pada gather yang bersangkutan.
• Proses ini dilakukan pada semua CMP dengan menggerakkan ke-kanan atau ke kiri dari CMP referensi.

Gambar di bawah ini menunjukkan stack sebelum dan setelah residual statics dengan referensi events pada 3.5-4.0s . Perhatikan perbedaan antara keduanya.

Sebelum reflection statics, courtesy Ronen J. dan Claerbout, SEG Atlanta, 1984

Setelah reflection statics, courtesy Ronen J. dan Claerbout, SEG Atlanta, 1984

Pada hasil studi seismik refraksi di atas (Lawton, D.C), kita melihat bahwa profil model kecepatan untuk weathering dan sub weathering zone memiliki resolusi lateral yang kurang baik. Hal seperti ini memberikan hasil yang kurang akurat untuk mengkoreksi elevation statics maupun refraction statics.

Untuk mengantisipasi kekurangan tersebut, teknik tomo statics digunakan untuk memberikan hasil yang lebih baik karena menghasilkan model kecepatan yang lebih detail.

Hal yang terpenting pada tomo statics adalah determinasi model kecepatan tomography yang secara garis besar diperoleh dengan tahapan sbb: penelusuran jejak sinar refraksi (ray tracing), mendiskritisasi model bawah permukaan menjadi sel-sel tomography, perhitungan waktu tempuh gelombang refraksi (first break picking), pembuatan model kecepatan awal dari studi refraksi dan inversi untuk memperoleh model kecepatan tomography.

Keakuratan model kecepatan tomography terutama ditentukan oleh densitas sinar dan arah sinar yang merata ke semua arah pada masing-masing sel tomography.

Gambar di bawah ini menunjukkan densitas sinar serta model kecepatan refraction tomography.

Densitas Sinar, courtesy Doll et al., 2010

Model kecepatan refraction tomography, courtesy Doll et al., 2010

Seismic Processing with Seismic Unix - Part8

Lihat tahap sebelumnya

Pada bagian ini, saya akan menunjukkan bagaimana caranya melakukan elevation statics dan residual statics untuk data seismik yang kita miliki.
Elevation statics umumnya dilakukan sebelum koreksi NMO pada tahap 13. Akan tetapi untuk melihat efek elevation statics terhadap citra seismik, saya lakukan setelah memperoleh citra yang terbaik. Hal ini sah-sah saja untuk dilakukan, mengingat kita masih memiliki peluang untuk terus memperbaiki citra tersebut diantaranya dengan analisa kecepatan pada interval CMP yang lebih rapat, analisa pada super gather, dll.

Informasi yang harus kita miliki untuk melakukan elevation statics adalah elevasi sumber-penerima relatif terhadap datum serta kecepatan sedimen di bawah sumber-penerima sehingga diperoleh waktu tempuh gelombang dari elevasi yang bersangkutan terhadap datum.

Untuk data ini, waktu tempuh sumber dan penerima (elevation statics) telah dilakukan dan sudah diselipkan ke dalam trace header. Sehingga, jika kita melakukan surange diperoleh hasil sbb:

Dari hasil surange di atas, terlihat elevation statics dari sumber (selev) dan penerima (gelev) telah berada pada trace header.

Jika kita tidak memiliki informasi gelev dan selev, maka kita harus menghitungnya melalui first break picking dari gelombang refraksi.

Elevation statics dilakukan dengan perintah:

sustatic < Line_001_kill_vibro_agc_d2_fk_flt_decon_geom.su > Line_001_kill_vibro_agc_d2_fk_flt_decon_geom_elev_stat.su hdrs=1

sustatic adalah perintah untuk elevation static, hdrs=1 menunjukkan bahwa data statics berada pada trace header. Untuk mempelajari options atau parameter yang digunakan pada sustatic, ketiklah sustatic pada terminal linux.

Gambar dibawah ini adalah shot gather sebelum elevation static:

Gambar dibawah ini adalah shot gather setelah elevation statics yang ditampilkan dengan perintah:

suwind < Line_001_kill_vibro_agc_d2_fk_flt_decon_geom_elev_stat.su key=ep min=32 max=32 | suxwigb perc=80 & Perbandingannya (klik untuk memperbesar):

Gambar dibawah ini menunjukkan stack sebelum elevation statics yang kita peroleh sebelumnya:

Gambar di bawah ini adalah stack setelah elevation statics dengan dengan mengunakan model kecepatan dari analisa kecepatan sebelumnya. Lakukan proses yang sama (Tahap 16), dengan mengganti data input dan output.

Saya melakukan sorting dari shot ke cmp dengan perintah:

susort cdp offset < Line_001_kill_vibro_agc_d2_fk_flt_decon_geom_elev_stat.su > Line_001_kill_vibro_agc_d2_fk_flt_decon_geom_cdp_elev.su

Lalu, pada nmo.sh:
Input: Line_001_kill_vibro_agc_d2_fk_flt_decon_geom_cdp_elev.su
Output: Line_001_kill_vibro_agc_d2_fk_flt_decon_geom_cdp_elev_nmo_v2.su

Run dengan mengetikkan sh nmo.sh

Lakukan stacking:
sustack < Line_001_kill_vibro_agc_d2_fk_flt_decon_geom_cdp_elev_nmo_v2.su > Line001_stack_vel2_elev.su

Tampilkan:
suximage < Line001_stack_vel2_elev.su cmap=hsv17 perc=90 title='After Elevation Statics' & Berikut perbandingannya:



Tahap 17:

Pada Seismic Unix, residual static dilakukan dengan perintah suresstat dimana metoda yang digunakan mengacu pada Ronen dan Claerbout, Geophysics 50, 2759-2767 (1985).

Berbeda dengan elevation statics, residual statics dilakukan setelah koreksi NMO, akan tetapi harus dilakukan pada domain shot gather dengan key=fldr.

Berikut adalah tahapan untuk melakukan residual statics:

Lakukan sorting:
susort < Line_001_kill_vibro_agc_d2_fk_flt_decon_geom_cdp_elev_nmo_v2.su > Line_001_kill_vibro_agc_d2_fk_flt_decon_geom_cdp_elev_nmo_v2_fldr.su fldr offset

Hitung residual statics:
suresstat < Line_001_kill_vibro_agc_d2_fk_flt_decon_geom_cdp_elev_nmo_v2_fldr.su ssol=sstats rsol=rstats ntraces=70782 ntpick=50 niter=5 nshot=481 nr=282 nc=70782 sfold=282 rfold=282 cfold=284

• ntraces=70782 (jumlah seluruh trace pada data)
• ntpick=50 (banyaknya sample maksimum untuk melakuan shifting dalam korelasi) niter=5 (jumlah iterasi, pada mesin 32bit dengan Intel Core Duo, 1.5GB Mem memerlukan waktu 12-15 menit)
• nshot=481 (fldr maksimum, lakukan surange untuk melihat semua key)
• nr=282 (jumlah receiver maksimum pada shot)
• nc=70782 (harus sama dengan banyaknya seluruh trace) sfold=282 (harus sama dengan nr)
• rfold=282 (maksimum ep)
• cfold=284 (maksimum cdpt)

Perintah di atas akan menghasilkan dua file i.e. sstats and rstats yang masing-masing berisikan source and receiver statics. Terapkankanlah statics tersebut dengan perintah:

sustatic < Line_001_kill_vibro_agc_d2_fk_flt_decon_geom_cdp_elev_nmo_v2.su > Line_001_kill_vibro_agc_d2_fk_flt_decon_geom_cdp_elev_nmo_v2_rstat.su \
hdrs=3 sou_file=sstats rec_file=rstats ns=481 nr=1282

• hdrs=3 (Angka 3 memerinta sustatic untuk membaca statics dari file)
• sou_file=sstats (file source statics)
• rec_file=rstats (file receiver statics)
• ns=481 (harus sama dengan nshot pada command sebelumnya)
• nr=1282 (banyaknya cdp didalam stack data)

Gambar di bawah ini adalah stack sebelum elevation dan residual statics.
Gambar di bawah ini adalah penampang setelah elevation dan residual statics.
Lakukan perintah-perintah sbb:

Stacking:
sustack < Line_001_kill_vibro_agc_d2_fk_flt_decon_geom_cdp_elev_nmo_v2_rstat.su > Line001_stack_vel2_elev_rstat.su

Dikarenakan kedua koreksi statics tersebut mengakibatkan time shifting, maka untuk kenyamanan dalam membandingkan hasilnya, saya lakukan shiting dengan perintah:

suresamp < Line001_stack_vel2_elev_rstat.su > Line001_stack_vel2_elev_rstat_shift.su ns=1501 dt=0.002 tmin=0.25

• ns=1501 (banyaknya sample)
• dt=0.002 (samping interval dalam detik)
• tmin=0.25 (di shifting ke atas 0.25 detik)

Tampilkan:
suximage < Line001_stack_vel2_elev_rstat_shift.su cmap=hsv17 perc=90 title='After Elevation and Residual Statics' &
Dan perbandingannya:

Dari perbandingan di atas, terlihat bahwa residual statics masih belum memberikan hasil yang optimal, walaupun di beberapa tempat memberikan hasil yang lebih baik.

Anda masih bisa memperbaiki hasilnya dengan melakukan perubahan dari parameter-parameter yang saya pilih sebelumnya.

Tahap berikutnya

Tips untuk membuat animasi GIF dan menampilkannya pada blogspot:

1. Install imagemagick untuk mengkonversi png ke gif format, sudo apt-get install imagemagick (saya perlu ini karena hasil screen capture saya berupa png)
2. Pada folder dimana file-file png berada ketik: for file in *.png; do echo "convert $file $(basename $file .png).gif"; done
3. Copy semua print out dari tahap 2 lalu paste pada terminal linux (print outnya akan seperti: convert filename.png finename.gif)
4. Install gifsicle untuk menghasilkan animasi gif: sudo apt-get install gifsicle
5. Contoh perintah untuk menganimasi dua file gif: gifsicle --delay 200 --loop=1000 stack1.gif stack2.gif > anim.gif
6. Buat account photobucket http://photobucket.com/
7. Upload anim.gif
8. Pada photobucket, double clicks gambar anim.gif
9. Click HTML code (di sebelah kanan anim.gif, dalam 'Share this photo' box)
10. Masuk ke blogspot, new post in HTML Mode lalu paste html code dari tahap 9