反射地震学

反射地震学（または地震反射）は、地震学の原理を使用して反射地震波から地球の地下の特性を推定する探査地球物理学の方法である。この方法では、ダイナマイトやトベックス爆破、特殊な空気銃、地震バイブレーターなどの制御された地震エネルギー源が必要である。反射地震学は、ソナーやエコーロケーションに似ている。

地球内部の地質界面での地震波の反射と屈折は、地震によって発生した地震波の記録で初めて観測されました。地球深部の基本モデルは、地球内部を伝わる地震によって発生した地震波の観測に基づいています (例: Mohorovičić, 1910)。 ^[1]その後すぐに、人為的に発生した地震波を使用して地殻上部数キロメートルの地質を詳細にマッピングする技術が開発され、主に商業事業、特に石油産業によって発展してきました。

地震反射法探査は、岩塩ドームに関連する石油の発見に使用された地震屈折法探査法から発展した。^[2]ドイツの鉱山調査員ルドガー・ミントロップは、1914年に機械式地震計を考案し、ドイツで岩塩ドームの検出に成功した。彼は1919年にドイツの特許を申請し、1926年に発行された。1921年に彼はSeismos社を設立し、テキサスとメキシコで地震探査を行うために雇われ、1924年に屈折地震法を使用した最初の商業的な石油発見につながった。^{[3] 1924年にテキサスでオーチャード岩塩ドームが発見されたことで、メキシコ湾岸沿いで地震屈折法探査がブームになったが、1930年までにこの方法によって浅い}ルーアン岩塩ドームのほとんどが発見され、屈折地震法は衰退した。^[2]

第一次世界大戦後、地震波の商業的応用の開発に関わったのは、ミントロップ、レジナルド・フェッセンデン、ジョン・クラレンス・カーチャー、EA・エックハート、ウィリアム・P・ハースマン、バートン・マッカラムなどであった。1920年、ハースマン、カーチャー、エックハート、マッカラムは地質工学会社を設立した。1921年6月、カーチャー、ハースマン、I・ペリン、WC・カイトはオクラホマ州オクラホマシティ近郊で最初の探査反射地震計を記録した。^{[4] : 4–10}

初期反射地震学は石油業界の多くの人々から懐疑的に見られていました。この手法の初期の支持者は次のようにコメントしました。

「この方法を一般的なコンサルティング業務に個人的に導入しようとした者として、上級筆者は、反射法が探鉱棒と同等に考えられていなかった時代を確かに何度も思い出すことができます。少なくとも、この装置には伝統的な背景があったからです。」^[5]

地質工学会社は、石油価格の下落により倒産した。1925年に石油価格が回復し、ケルヒャーは石油会社アメラダの一部としてジオフィジカル・リサーチ・コーポレーション（GRC）の設立に協力した。1930年にケルヒャーはGRCを離れ、ジオフィジカル・サービス・インコーポレイテッド（GSI）の設立に協力した。GSIは50年以上にわたり最も成功した地震調査請負会社の1つであり、さらに成功した会社であるテキサス・インスツルメンツの親会社でもあった。GSIの初期の従業員であるヘンリー・サルバトリは1933年にその会社を離れ、別の大手地震調査請負業者であるウェスタン・ジオフィジカルを設立した。この方法が最初に発明されて以来、炭化水素の探査、水文学、工学研究、その他の用途で反射地震学を使用する他の多くの会社が設立されてきた。近年の主要なサービス企業としては、CGG、ION Geophysical、Petroleum Geo-Services、Polarcus、TGS、WesternGecoなどが挙げられますが、2015年の原油価格暴落以降、Polarcus ^[6]などの地震探査サービスプロバイダーは財政的に苦戦し続けており、一方、わずか10年前には地震探査業界のリーダーであったCGG ^[7]やWesternGeco ^[8]などの企業は現在、地震探査環境から完全に撤退し、既存の地震探査データライブラリ、地震探査データ管理、および地震に関連しない油田サービスに重点を置くように再編しています。

地震波は、地球を伝わる機械的摂動であり、伝わる媒体の音響インピーダンスによって決まる速度で伝わります。音響（または地震）インピーダンスZは、次の式で定義されます。

${\displaystyle Z=v\rho \ }$、

ここで、vは地震波の速度、ρ (ギリシャ語の ロー) は岩石の 密度です。

地球を伝わる地震波が音響インピーダンスの異なる2つの物質の境界面に遭遇すると、波のエネルギーの一部は境界面で反射し、一部は境界面を通過して屈折します。最も基本的な地震反射法は、地震波を生成し、地震波が発生源から伝わり、境界面で反射して地表の受信機アレイ（受振器または水中聴音器など）で検出されるまでの時間を測定するというものです。 ^[9] 発生源からさまざまな受信機までの移動時間と地震波の速度がわかったら、地球物理学者は地震波の経路を再構築して地下の画像を構築しようとします。

他の地球物理学的手法と同様に、反射地震学は逆問題の一種とみなすことができます。つまり、実験によって収集された一連のデータと実験に適用される物理法則が与えられた場合、実験者は研究対象の物理システムの抽象的なモデルを開発したいと考えています。反射地震学の場合、実験データは記録された地震記録であり、望ましい結果は地球の地殻の構造と物理的特性のモデルです。他の種類の逆問題と同様に、反射地震学から得られる結果は通常一意ではなく（複数のモデルがデータに適切に適合する）、データの収集、処理、または分析における比較的小さな誤差の影響を受けやすい場合があります。^[10] これらの理由から、反射地震調査の結果を解釈するときは細心の注意を払う必要があります。

地震反射の一般的な原理は、弾性波（ダイナマイトの 爆発やバイブロサイスなどのエネルギー源を使用）を地球に送り、地球内の各層が波のエネルギーの一部を反射し、残りを屈折させることです。これらの反射エネルギー波は、設置された地面の動きを検出する受信機によって、所定の期間（記録長と呼ばれる）にわたって記録されます。陸上で使用される一般的な受信機は、地面の動きをアナログ電気信号に変換するジオフォンと呼ばれる小型のポータブル機器です。水中では、圧力の変化を電気信号に変換するハイドロフォンが使用されます。各受信機の単一の発砲に対する応答は「トレース」と呼ばれ、データストレージデバイスに記録され、発砲場所が移動されてプロセスが繰り返されます。通常、記録された信号は、大量の信号処理を受けます。^{[4] : 2–3, 21}

地震P波が音響インピーダンスの異なる2つの物質の境界に遭遇すると、波のエネルギーの一部は境界で反射され、残りのエネルギーは境界を通過します。反射波の振幅は、入射波の振幅に、2つの物質間のインピーダンスの差によって決まる地震反射係数 を掛けることで予測されます。^[4]${\displaystyle R}$

境界に垂直入射（正面から）する波の場合、反射係数の式は単純に

${\displaystyle R={\frac {Z_{2}-Z_{1}}{Z_{2}+Z_{1}}}}$、

ここで、と はそれぞれ第1媒体と第2媒体のインピーダンスである。^[4]${\displaystyle Z_{1}}$${\displaystyle Z_{2}}$

同様に、入射波の振幅に透過係数 を掛けて、境界を通過する波の振幅を予測します。垂直入射透過係数の式は次のとおりです。 ${\displaystyle T}$

${\displaystyle T=1+R={\frac {2Z_{2}}{(Z_{2}+Z_{1})}}}$^[4 ]

反射波と透過波のエネルギーの合計は入射波のエネルギーと等しくなければならないので、次の式は簡単に示せる。

${\displaystyle {\frac {R^{2}}{Z_{1}}}+{\frac {T^{2}}{Z_{2}}}={\frac {Z_{2}(Z_{2}-Z_{1})^{2}+4Z_{1}Z_{2}^{2}}{Z_{1}Z_{2}(Z_{1}+Z_{2})^{2}}}={\frac {1}{Z_{1}}}}$。

地震学者は、反射の強度の変化を観察することで、地震インピーダンスの変化を推測することができます。次に、この情報を使用して、地震反転法^[4]により、境界面の岩石の密度や波の速度などの特性の変化を推測します。

非垂直入射の場合、P波とS波のモード変換により状況ははるかに複雑になり、ツォープリッツ方程式で説明されます。1919年に、カール・ツォープリッツは、入射角と6つの独立した弾性パラメータの関数として、平面界面でのP波の反射波と屈折波の振幅を決定する4つの方程式を導きました。 ^[9] これらの方程式には4つの未知数があり、解くことはできますが、反射振幅が関連する岩石特性によってどのように変化するかを直感的に理解することはできません。^[11]

各反射の振幅を左右する反射係数と透過係数は入射角によって変化し、岩石の流体含有量に関する情報 (その他多数) を取得するために使用できます。AVO (振幅とオフセットを参照)として知られる非垂直入射現象の実用化は、 Zoeppritz 方程式の実用的な近似値を導き出す理論的研究とコンピュータ処理能力の進歩によって促進されました。AVO の研究では、潜在的な貯留層の流体含有量 (石油、ガス、または水) を予測し、非生産的な井戸を掘削するリスクを減らし、新しい石油貯留層を特定しようと試み、ある程度の成功を収めています。最も一般的に使用される Zoeppritz 方程式の 3 項簡略化は 1985 年に開発され、「Shuey 方程式」として知られています。さらに2項簡略化したもの「シューイ近似」は、入射角が30度未満の場合に有効であり（通常は地震調査の場合）、以下のように表される：^[12]

${\displaystyle R(\theta )=R(0)+G\sin ^{2}\theta }$

ここで、= ゼロオフセット（垂直入射）での反射係数、= AVO 勾配（中間オフセットでの反射挙動を記述）、= 入射角。この式は、=0 での垂直入射の式に簡略化されます。 ${\displaystyle R(0)}$${\displaystyle G}$${\displaystyle (\theta )}$${\displaystyle (\theta )}$

特定の境界からの反射が受振器に到達するまでの時間を伝播時間と呼びます。岩石中の地震波の速度が分かっている場合は、伝播時間を使って反射体の深さを推定することができます。単純な垂直伝播波の場合、表面から反射体まで、そして反射体から反射体までの移動時間は双方向時間 (TWT) と呼ばれ、次の式で表されます。 ${\displaystyle t}$

${\displaystyle t=2{\frac {d}{V}}}$、

ここで、は反射体の深さ、は岩石中の波の速度である。^{[4] : 81}${\displaystyle d}$${\displaystyle V}$

複数の地震記録に見られる一連の明らかに関連した反射は、反射イベントと呼ばれることが多い。地震学者は反射イベントを相関させることで、反射を発生させた地質構造の断面を推定することができる。^{[4] : 196–199}

地下の界面からの反射に加えて、受信機によって検出される、望ましくない、または不要な地震応答が数多くあります。

電波は音源から受信機まで直接伝わり、コヒーレント ノイズの一例です。空気中の 音速である 330 m/s の速度で伝わるため、簡単に認識できます。

レイリー波は、通常、固体の自由表面に沿って伝播しますが、空気の弾性定数と密度は岩石に比べて非常に低いため、地球の表面はほぼ自由表面です。低速度、低周波数、高振幅のレイリー波は、地震記録に頻繁に存在し、信号を不明瞭にし、全体的なデータ品質を低下させる可能性があります。これらは業界では「グラウンドロール」と呼ばれ、慎重に設計された地震調査で減衰させることができるコヒーレントノイズの例です。^[13] ショルテ波はグラウンドロールに似ていますが、海底（流体/固体界面）で発生し、海洋地震記録の深部反射を不明瞭にしたり隠したりする可能性があります。^[14] これらの波の速度は波長によって異なるため、分散的であると言われ、波列の形状は距離によって異なります。^[15]

頭波は境界面で屈折し、下層媒体内を伝わり、境界面に平行な振動運動を生じます。この運動により上層媒体に乱れが生じ、それが地表で検出されます。^[9] 同じ現象が地震波の屈折法でも利用されています。

地震記録に記録されている、1回以上の反射を受けたイベントは多重反射と呼ばれます。多重反射は、一次反射と干渉するかどうかによって、短経路（ペグレッグ）または長経路のいずれかになります。^{[16] [17]}

水域の底や空気と水の境界からの多重振動は海洋地震データでは一般的であり、地震処理によって抑制されます。

文化的ノイズには、気象の影響、飛行機、ヘリコプター、電柱、船舶（海洋調査の場合）からのノイズが含まれ、これらはすべて受信機で検出できます。

特に都市環境（電力線など）では重要であり、除去することは困難です。このような環境では、マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEM）などの特定のセンサーを使用して干渉を低減します。^[18]

当初の地震反射法では、地殻の 2 次元垂直プロファイルに沿ってデータを取得していましたが、これは現在 2D データと呼ばれています。このアプローチは、傾斜が低い比較的単純な地質構造の領域ではうまく機能しました。しかし、より複雑な構造の領域では、平面外反射やその他のアーティファクトのために 2D 技術では地表下を適切に画像化できませんでした。2D データでは、線間の解像度が不足しているため、空間エイリアシングも問題になります。1960 年代の初期実験から、地震技術は完全な 3 次元の取得と処理の可能性を探りました。1970 年代後半には最初の大規模な 3D データセットが取得され、1980 年代と 1990 年代までにこの方法が広く使用されるようになりました。^{[19] [20]}

反射地震学は多くの分野で広く利用されており、その応用は調査の深さによって 3つのグループに分類できます^{[21] 。}

• 地表付近のアプリケーション – 最大約1kmの深さの地質を理解することを目的としたアプリケーションで、通常はエンジニアリングや環境調査、石炭^[22] や鉱物探査に使用されます。^[23] 地震反射のより最近開発されたアプリケーションは地熱エネルギー調査ですが、^[24]この場合、調査の深さは最大2kmの深さになります。^[25]
• 炭化水素探査– 炭化水素業界で使用され、地下 10 km までの深さにおける音響インピーダンス コントラストの高解像度マップを提供します。これは、地震属性分析やその他の探査地球物理学ツールと組み合わせて、地質学者が対象地域の地質モデルを構築するのに役立ちます。
• 鉱物探査 – 地表近く（<300 m）の鉱物探査に対する従来のアプローチは、地質図作成、地球化学分析、航空および地上の電位場法の使用であり、特にグリーンフィールド探査では^[26] 、ここ数十年で反射地震探査が硬岩環境での探査に有効な方法となっている。
• 地殻研究 –モホ不連続面からさらにその先、最大 100 km の深さまでの地殻の構造と起源を調査します。

反射地震学に似た方法で、弾性波の代わりに電磁波を使用し、浸透深度がより浅いため、地中レーダーまたは GPR として知られています。

反射地震学は、炭化水素業界では「地震反射」または略して「地震」と呼ばれ、石油地質学者や地球物理学者が潜在的な石油貯留層の地図を作成し、解釈するために使用されています。地震調査の規模とスケールは、20 世紀後半以降、コンピュータの能力が大幅に向上するとともに拡大しました。これにより、地震業界は、1980 年代に労力をかけて (したがってめったに行われなかった) 小規模な 3D 調査から、大規模で高解像度の 3D 調査を日常的に行うようになりました。目標と基本原則は同じままですが、方法は長年にわたって少しずつ変化してきました。

地震探査による炭化水素探査の主な環境は、陸地、遷移層、海洋です。

陸地– 陸地環境は、地球上に存在するほぼすべてのタイプの地形をカバーしており、それぞれが独自の物流上の問題をもたらします。この環境の例には、ジャングル、砂漠、北極ツンドラ、森林、都市環境、山岳地帯、サバンナなどがあります。

遷移帯（TZ） – 遷移帯は陸地と海が接する場所と考えられており、水深が浅すぎて大型地震探査船が通れず、陸上での従来の調査方法を使用するには深すぎるため、特有の課題があります。この環境の例としては、河川デルタ、沼地、^[27]サンゴ礁、海岸の潮汐地帯、砕波帯などがあります。遷移帯地震探査チームは、地下の完全な地図を取得するために、1つのプロジェクトで陸上、遷移帯、浅瀬の海洋環境で作業することがよくあります。

海洋– 海洋ゾーンは、浅水域（通常、3D 海洋地震探査では水深 30 ～ 40 メートル未満の領域が浅水域とみなされます）または、通常は海や海洋に関連付けられる深水域（メキシコ湾など）のいずれかです。

地震データの取得は地震探査の3つの異なる段階のうちの最初の段階であり、他の2つは地震データの処理と地震の解釈である。^[28]

地震調査は通常、国営石油会社や国際石油会社によって設計され、 CGG、Petroleum Geo-Services、WesternGecoなどのサービス会社を雇って調査を実施します。その後、別の会社がデータの処理を依頼されますが、調査を依頼した会社と同じ会社であることが多いです。最後に、完成した地震ボリュームが石油会社に届けられ、地質学的に解釈されます。

陸上の地震調査は、数百トンの機材と数百人から数千人の人員を必要とし、何ヶ月もかけて広大な地域に展開する大規模なものになる傾向がある。^[29] 陸上調査における制御された地震発生源には多くの選択肢があり、特に一般的な選択肢はバイブロサイスとダイナマイトである。バイブロサイスは非衝撃性の地震発生源で、安価で効率的だが、動作には平らな地面が必要であるため、未開発地域での使用は難しい。この方法は、1台以上の大型全地形対応車で鋼板を地面に降ろし、特定の周波数分布と振幅で振動させるものである。^[30] エネルギー密度が低いため、ダイナマイトでは大きな被害が出る都市部やその他の密集地域でも使用できるが、バイブロサイストラックに取り付けられた大きな重量物自体が環境被害を引き起こす可能性がある。^{[31]ダイナマイトは、ほぼ完璧な}衝撃関数 を生み出すため理想的な地球物理学的発生源とみなされている衝撃発生源ですが、明らかな環境的欠点があります。長い間、ダイナマイトは唯一の地震発生源でしたが、1954年頃に重量落下法が導入され、^[32]地球物理学者は画像品質と環境へのダメージの間でトレードオフを行うことができました。バイブロサイスと比較すると、ダイナマイトは各発生源点を掘削し、穴にダイナマイトを配置する必要があるため、運用効率も低くなります。

海洋地震調査とは異なり、陸上の地形は狭い取得経路に制限されないため、通常は広範囲のオフセットと方位が取得され、最大の課題は取得速度を上げることです。生産速度は、明らかに、ソース（この場合はバイブロサイス）を発射し、次のソースの場所に移動できる速度によって制御されます。調査効率を高めるために、複数の地震源を同時に使用する試みが行われており、この技術の成功例は独立同時スイープ（ISS）です。^[33]

陸上地震調査には、相当なロジスティックス支援が必要です。日々の地震調査活動自体に加えて、補給活動、医療支援、キャンプと装備のメンテナンス作業、警備、人員交代、廃棄物管理など、メインキャンプへの支援も必要です。一部の活動では、毎日メインキャンプに戻るには遠すぎる場所に小規模な「フライ」キャンプを設置することもあり、これらにも頻繁なロジスティックス支援が必要になります。

曳航式ストリーマー海洋地震調査は、専門的な地震調査船を使用して実施されます。この船は、プロジェクトの仕様に応じて通常 5～15 メートルの水面下で、ストリーマーと呼ばれる 1 本以上のケーブルを曳航します。ケーブルには、長さに沿ってハイドロフォンのグループ (または受信機グループ) が含まれています (図を参照)。現代のストリーマー船は通常、船尾に複数のストリーマーを曳航します。これらのストリーマーは、一般にドアまたはベーンと呼ばれる水中翼に固定でき、これにより、多数のストリーマーを船の左舷と右舷に広く曳航できます。2013年から 2017 年の間に建造されたPGS が運営するRamform シリーズの船舶^[34]に見られるような現在のストリーマー曳航技術により、これらの船舶のストリーマーの数は合計 24 にまで増加しています。このタイプの容量の船舶では、1 海里あたりのストリーマーが「ドアからドアまで」船尾全体に広がることは珍しくありません。あらゆるプロジェクトにおけるストリーマーの正確な構成（ストリーマーの長さ、ストリーマーの間隔、ハイドロフォン グループの長さ、ソース センターと受信機間のオフセットまたは距離）は、クライアントがデータを取得しようとしている海底下の関心のある地質学的領域によって異なります。

ストリーマー船は、主に 2000psi で作動する高圧エアガン アレイなどの高エネルギー源も曳航します。これらの高圧エアガン アレイは同時に発射され、調整されたエネルギー パルスを海底に生成します。このパルスから反射されたエネルギー波がストリーマー レシーバー グループに記録されます。ガン アレイは調整されており、発射時にアレイから発生する気泡の周波数応答は、特定のアレイ内のガンの組み合わせと数、および個々の容積に応じて変更できます。ガンはアレイ上に個別に配置することも、組み合わせてクラスターを形成することもできます。通常、ソース アレイの容積は 2000 立方インチから 7000 立方インチですが、これは調査エリアの特定の地質によって異なります。

海洋地震調査では、現代の曳航式ストリーマー船の大きさと曳航能力により、 膨大な量のデータが生成されます^{[35] 。}

2つの震源を持ち、1つのストリーマーを曳航する地震探査船は、狭方位曳航ストリーマー（NAZまたはNATS）として知られています。2000年代初頭までに、このタイプの取得は初期探査には有用でしたが、井戸を正確に配置する必要がある開発と生産には不十分であることが判明しました^[36]。これにより、NATS調査の線形取得パターンの制限を打ち破り、異なる方位でのNATS調査の組み合わせを取得しようとする多方位曳航ストリーマー（MAZ）が開発されました（図を参照）。 ^[37] これにより、地下の照明が増加し、信号対雑音比が向上しました。

塩の地震特性は海洋地震調査にとってさらなる問題を引き起こします。塩は地震波を減衰させ、その構造には画像化が難しい張り出し部分があります。このため、NATS 調査タイプの別のバリエーションである広方位曳航ストリーマー(WAZ または WATS) が生まれ、2004 年にMad Dog フィールドで初めてテストされました。 ^[38] このタイプの調査では、1 隻の船舶が 8 本のストリーマーのセットを単独で曳航し、2 隻の別の船舶が最後の受信ラインの始点と終点に位置する地震源を曳航しました (図を参照)。この構成は 4 回「タイル化」され、受信船は毎回震源船から遠ざかり、最終的には 4 倍のストリーマー数での調査の効果を生み出しました。最終結果は、より広い方位範囲の地震データセットとなり、地震画像化の画期的な進歩をもたらしました。^[36] 現在、これらが 3 種類の海洋曳航ストリーマー地震調査の一般的なタイプです。

海洋調査の取得は地震探査船だけに限定されず、陸上の地震探査でケーブルが使用されるのと同様の方法で海底に地震計や水中聴音機のケーブルを敷設し、別のソース船を使用することもできます。この方法はもともと、生産プラットフォームなどの障害物があるエリアで地震探査を実施できるようにするために、運用上の必要性から開発されたもので、結果として得られる画像の品質を損なうことはありませんでした。^[39] 海底ケーブル（OBC）は、地震探査船が使用できない他のエリア、たとえば浅い海（水深<300m）や遷移帯環境でも広く使用されており、再現性が重視される場合は遠隔操作式無人潜水機（ROV）によって深海に展開することもできます（以下の4Dを参照）。従来のOBC調査では、圧力センサー（ハイドロフォン）と垂直粒子速度センサー（垂直ジオフォン）を組み合わせた2成分受信機が使用されていましたが、最近の開発では、ハイドロフォンと3つの直交ジオフォンの4成分センサーを使用するように方法が拡張されました。4成分センサーには、水を伝わらないが貴重な情報を含む可能性が ある剪断波^[40]も記録できるという利点があります。

運用上の利点に加えて、OBCは、調査形状に関連する褶曲の増加と方位角の広い範囲から生じる、従来のNATS調査に対する地質物理学的利点も備えています。^[41] しかし、陸上調査と同様に、方位角の拡大と褶曲の増加にはコストがかかり、大規模なOBC調査の能力は大幅に制限されています。

2005年に、 BPとフェアフィールドジオテクノロジーズの提携により、深海に設置されたバッテリー駆動のケーブルレス受信機を使用するOBC方式の拡張である海底ノード（OBN）がアトランティス油田で初めて試験されました。^[42] これらのノードの配置はOBCのケーブルよりも柔軟で、サイズが小さく重量が軽いため保管や展開が容易です。

ノード技術の開発は、海底ケーブル技術から直接発展したものです。つまり、曳航式ストリーマー技術で存在する海底からハイドロフォンまでの海水空間を排除し、ハイドロフォンを海底に直接接触させる能力です。海底ハイドロフォンの概念自体は新しいものではなく、科学研究で長年使用されてきましたが、石油・ガス探査におけるデータ取得方法として急速に使用されるようになったのは比較的最近のことです。

ノードは、水中聴音器と 3 つの水平軸および垂直軸の方向センサーを含む、自己完結型の 4 コンポーネント ユニットです。その物理的寸法は設計要件とメーカーによって異なりますが、一般的にノードは、浮力の問題に対処し、海流や潮流による海底での移動の可能性を減らすために、ユニットあたり 10 キログラムを超える重量になる傾向があります。

ノードは、ストリーマー船が安全に入ることができない可能性のあるエリアでも使用できます。そのため、ノード船の安全な航行のため、またノードの展開前に、サイドスキャン技術を使用して調査エリアの水深測量海底調査を実施し、海底地形を詳細にマッピングします。これにより、ノード船とソース船の安全な航行に影響を与える可能性のあるすべての危険を特定し、海底の障害物、難破船、油田インフラストラクチャ、またはノードが安定していないか海底と適切に接続されていない可能性のある海底の崖、峡谷、その他の場所による水深の急激な変化など、ノード展開に関するすべての問題を特定します。

OBC 操作とは異なり、ノード船はノード ラインに接続されませんが、リアルタイムでデータを記録するためには、海底ケーブルをレコーダー船に物理的に接続する必要があります。ノードの場合、ノードが回収され、そこからデータがリープされるまで (リープとは、回収されたノードをコンピューター システムに配置し、ノードからハード ドライブ データをコピーするときに、そのノードからデータを削除することを指す業界用語です)、ノードは自己完結型であり、展開後はどのシステムにも接続されないため、ノードの動作状態にリアルタイムの品質管理要素がないため、データが記録されるものと想定されます。このテクノロジは現在、十分に確立され、非常に信頼性が高く、ノードとそのバッテリー システムがセットアップ基準をすべてパスすると、ノードが仕様どおりに動作するという高い信頼性が得られます。ノード プロジェクト中の技術的なダウンタイム、つまり展開中の個々のノード障害は、展開されたノード全体のパーセンテージとして通常 1 桁です。

ノードは、充電可能な内蔵リチウムイオン バッテリーパックまたは交換可能な非充電式バッテリーのいずれかで稼働します。どのバッテリー技術が使用されるかは、ノードの設計と仕様によって決まります。ノード ユニットのバッテリー寿命は、ノード プロジェクトの設計において重要な考慮事項です。これは、ノードのバッテリーが切れると、収集されたデータはソリッド ステート ハード ドライブに保存されなくなり、海底に展開されてから記録されたすべてのデータが失われるためです。したがって、30 日間のバッテリー寿命を持つノードは、その 30 日間の期間内に展開、データ記録、回収、および収集を行う必要があります。これは、展開されるノードの数とも関連しており、これもバッテリー寿命と密接に関係しています。展開されるノードが多すぎて、OBN クルーのリソースが間に合うようにこれらを回収するのに十分でない場合、または悪天候などの外部要因によって回収作業が制限される場合、バッテリーが切れてデータが失われる可能性があります。使い捨てバッテリーや充電式でないバッテリーも、作業現場に輸送する必要があり、使用済みのバッテリーは陸上の認可を受けた請負業者によって廃棄されるため、重大な廃棄物管理の問題を引き起こす可能性があります。

もう 1 つの重要な考慮事項は、内部クロック ドリフト補正を使用して個々のノード クロック ユニットのタイミングを同期することです。ノードを展開する前に適切に同期できない場合、使用できないデータが作成されることがあります。ノードの取得は多くの場合、24 時間の時間枠内で複数のソースから同時に多方向で行われるため、正確なデータ処理には、すべてのノードが同じクロック時間で動作していることが不可欠です。

ノードの種類と仕様によって、ノード処理システムの設計と展開および回復モードが決まります。現在、主流のアプローチは、ロープ上のノードと ROV 操作の 2 つです。

ロープ上のノード

この方法では、ノードを鋼線または高規格ロープに取り付ける必要があります。各ノードは、探鉱地の設計に応じて、たとえば 50 メートルごとに、ロープにノードをしっかりと接続するための特別な取り付け具を備えたロープに沿って均等に配置されます。次に、このロープは、通常、事前定義されたノード ラインに沿って動的位置決めを行うノード処理システムを使用して、専門のノード船によって敷設されます。ノードは、合意された許容可能な誤差半径で事前にプロットされた位置に「着陸」します。たとえば、ノードは、ナビゲーションの事前プロット位置から半径 12.5 メートル以内に配置する必要があります。ノードには、多くの場合、ピンガーが付属しています。これは、水中音響測位トランスデューサーによって検出できる小型トランスポンダーで、これにより、ピンガー船またはノード船自体が、展開時に各ノードの海底位置を明確に特定できます。契約に応じて、たとえば、ピンガーはすべてのノードまたは 3 ノードごとに配置できます。ピンギングおよびピンギング装置は、船舶ベースの差動 GPSまたは差動全地球測位システムナビゲーション装置 とインターフェースされるUSBL または超短基線音響測位システムの使用を業界で略して表します。

ノード ラインは通常、アンカーまたはグラップル フックで引きずって船上に回収されます。ノード船のハンドリング システムは、ノードの保管、展開、回収に使用され、その具体的な設計はノードの設計によって異なります。小さなノードには手動のハンドリング要素を含めることができますが、大きなノードは、ノードの移動、保管、再充電、および収穫のためにロボット システムによって自動的に処理されます。ノード船は、ロープ ラインを管理するスプーラーや、ロープ船に搭載されることが多い何キロメートルものロープを保管するロープ ビンなどのシステムも使用します。

ロープ上のノードは通常、探査対象地域内に浅瀬がある場合、たとえば水深 100 メートル未満、または海岸に近い遷移ゾーン領域で使用されます。より深い水域での作業では、ノードの正確な配置を確実にするためにダイナミック ポジショニング船が使用されますが、これらの大型船は安全に航行できる岸までの距離に制限があります。通常のカットオフは、船とその水中機器に応じて水深 15 メートルから 20 メートルの間になります。専門の浅瀬ボートを使用すると、水深 1 メートルから 3 メートルの浅い水深でノードを配置および回収できます。これらの浅瀬ノードは、海岸の受振器と結び付けて、水から陸への一貫した地震線遷移を提供するために使用できます。

このアプローチには、プロジェクト中に損傷や損失を受けやすくなるという問題がいくつかあり、これらすべてのリスクを評価して軽減する必要があります。ロープでつながれたノードは海底に放置されているため、強い流れによって移動したり、ロープが海底の障害物に引っかかったり、第三者の船舶のアンカーに引きずられたり、トロール漁船に引っかかったりする可能性があります。この機器に対するこれらの潜在的な危険の脅威は、通常、プロジェクト計画段階で特定および評価する必要があります。特に、油田の場所では、坑口、パイプライン、その他の海底構造物が存在し、これらとの接触を避ける必要があり、通常は立ち入り禁止区域を設けることで回避する必要があります。ノード ラインは展開後に移動する可能性があるため、回収時のノードの位置の問題は重要であり、展開中と回収中の両方で位置決めを行うことは、標準的なナビゲーション品質管理チェックです。場合によっては、ノードが契約仕様外に移動した場合、ノード ラインを回収して再配置する必要があります。

ROVの展開

この方法は、ROV (遠隔操作型水中車両) 技術を利用して、ノードを操作し、事前に計画された位置に配置します。このタイプの展開および回収方法では、水中に降ろされる、ノードがいっぱい入ったバスケットを使用します。ROV は、互換性のあるノード バスケットに接続し、事前に定義された順序でトレイから個々のノードを取り出します。各ノードは、割り当てられた事前計画位置に配置されます。回収時には、プロセスが逆の順序で行われます。回収するノードは ROV によって拾い上げられ、バスケットがいっぱいになるまでノード バスケット トレイに配置され、バスケットは水面に戻されます。バスケットはノード船に回収され、ノードはバスケットから取り出されて収穫されます。

ROV 操作は通常、外洋の水深 3000 メートルまでの深海ノード プロジェクトに使用されます。ただし、ROV 操作には考慮する必要がある問題がいくつかあります。ROV 操作は複雑になる傾向があり、特に深海 ROV 操作では、定期的なメンテナンスの要求が生産に影響を与える可能性があります。ROV 用のアンビリカルやその他のハイテク スペアパーツは非常に高価になる可能性があり、陸上またはサードパーティの専門家のサポートを必要とする ROV の修理は、ノード プロジェクトを停止させます。水深が極端に深いため、ノード バスケットが海面から海底に移動する時間のために、ノードの展開と回復の生産率が大幅に低下し、外洋地域での ROV 操作では天候や海況の制限がほぼ確実に発生します。海岸から遠く離れた場所での操作をサポートするためのロジスティクスも、定期的な補給、燃料補給、および乗組員の交代活動にとって問題になる可能性があります。

タイム ラプスまたは 4D 調査は、一定期間後に繰り返される 3D 地震調査です。4D という用語は、この場合、時間である 4 番目の次元を指します。タイム ラプス調査は、生産中の貯留層の変化を観察し、従来の地震調査では検出できない可能性のある流れの障壁がある領域を特定するために取得されます。タイム ラプス調査は、フィールドが生産された後に取得されるベースライン調査とモニターまたは繰り返し調査で構成されます。これらの調査のほとんどは、取得コストが低く、ほとんどのフィールドで歴史的に既に NATS ベースライン調査が行われていたため、繰り返し NATS 調査でした。これらの調査の一部は、海底ケーブルを使用して収集されます。これは、ケーブルを取り外した後に以前の場所に正確に配置できるためです。正確なソースとレシーバーの位置をより正確に繰り返すと、再現性が向上し、信号対雑音比が向上します。海底ケーブルが購入され、恒久的に配備されているフィールドでは、多数の 4D 調査も設定されています。この方法は、現場耐用年数地震計（LoFS）または永久貯留層モニタリング（PRM）として知られています。^[36]

曳航式ストリーマー技術を使用した 4D 地震調査は、元の調査またはベースライン調査を可能な限り正確に繰り返すことを目的としているため、非常に困難になる可能性があります。天候、潮汐、海流、さらには季節も、このような調査でその再現性の目標をどれだけ正確に達成できるかに大きな影響を与える可能性があります。

OBNは、地震探査を正確に繰り返すためのもう1つの非常に優れた方法であることが証明されています。ノードを使用した世界初の4D調査は、2009年にアトランティス油田で実施されました。ノードはROVによって水深1300～2200メートルに配置され、2005年に設置された場所から数メートル以内の位置にありました。^[43]

地震データ処理には、デコンボリューション、共通中間点（CMP）スタッキング、マイグレーションという3つの主要なプロセスがあります。^[44]

デコンボリューションは、地震波形が歪曲フィルターで畳み込まれた地球の反射率シリーズにすぎないという仮定のもと、地球の反射率シリーズを抽出しようとするプロセスです。^[45] このプロセスは、地震ウェーブレットを折りたたむことで時間分解能を向上させますが、坑井ログなどの追加情報が利用可能でない限り、または追加の仮定が行われない限り、一意ではありません。 デコンボリューション操作はカスケード化することができ、個々のデコンボリューションは特定の種類の歪みを除去するように設計されています。

CMPスタッキングは、地下の特定の場所が何度も異なるオフセットでサンプリングされているという事実を利用する堅牢なプロセスです。これにより、地球物理学者は、共通ミッドポイントギャザーと呼ばれる、同じ地下場所をすべてサンプリングするさまざまなオフセットを持つトレースのグループを構築できます。^{[46]次に、平均振幅が時間サンプルに沿って計算され、ランダムノイズが大幅に低下しますが、地震振幅とオフセットの関係に関する貴重な情報がすべて失われます。CMP}スタックの 直前に適用される、それほど重要ではないプロセスは、通常のムーブアウト補正と静力学補正です。海洋地震データとは異なり、陸上地震データは、ショット位置とレシーバ位置の標高差を補正する必要があります。この補正は、平面データへの垂直時間シフトの形式であり、静力学補正として知られていますが、地表近くの速度が正確にわからないため、処理シーケンスの後半でさらに補正する必要があります。この追加の補正は、残差静力学補正として知られています。

地震移動とは、地震イベントを、地表で記録された場所ではなく、地下でイベントが発生した場所に空間的または時間的に幾何学的に再配置するプロセスであり、これにより地下のより正確な画像が作成されます。

地震解釈の目標は、処理された地震反射の地図から一貫した地質学的ストーリーを得ることです。^[47] 最も単純なレベルでは、地震解釈では、2D または 3D データセット全体の連続した反射体をトレースして相関させ、これらを地質学的解釈の基礎として使用します。その目的は、特定の地質層の深さの空間的変化を反映する構造マップを作成することです。これらのマップを使用して、炭化水素トラップを特定し、体積計算を可能にする地下モデルを作成できます。ただし、地震データセットでは、これを行うのに十分な鮮明な画像が得られることはめったにありません。これは主に、地震の垂直方向と水平方向の解像度によるものですが、 ^[48]ノイズや処理の難しさによっても画像の品質が低下することがよくあります。このため、地震解釈には常にある程度の不確実性があり、特定のデータセットには、データに適合する複数のソリューションが存在する可能性があります。このような場合、解決策を限定するために、例えば、さらなる地震探査、ボーリングログ、重力および磁気探査データの形で、より多くのデータが必要になる。地震プロセッサの考え方と同様に、地震解析者は、調査エリアを放棄するのではなく、さらなる作業を促すために、一般的に楽観的であることが奨励されている。^{[49]地震解析は}地質学者と地球物理学者 の両方によって行われ、ほとんどの地震解析者は両方の分野を理解している。

炭化水素探査において、解析者が特に描写しようとしている特徴は、石油貯留層を構成する部分、つまり根源岩、貯留岩、シールおよびトラップです。

地震属性分析では、地震データから分析可能な量を抽出または導出し、従来の地震画像ではより微妙な情報を強化して、データのより優れた地質学的または地球物理学的解釈につなげます。 ^[50]分析できる属性の例には、明るいスポットと暗いスポットの描写につながる平均振幅、一貫性、振幅とオフセットなどがあります。炭化水素の存在を示すことができる属性は、直接炭化水素指標と呼ばれます。

反射地震学を地殻構造や地殻の研究に利用することは、1970年代に大陸反射プロファイリングコンソーシアム（COCORP）などの団体によって開拓され、英国のBIRPSやフランスのECORSなど他の国々の深部地震探査に影響を与えた。^[51]英国反射プロファイリングシンジケート（BIRPS）は、北海の石油炭化水素探査の結果として設立された。探査対象の地質構造や堆積盆地を形成した地殻構造プロセスに対する理解が不足していることが明らかになった。この取り組みはいくつかの重要な成果を生み出し、海洋地震探査によって地殻を貫通して上部マントルに至る逆断層などの特徴をプロファイリングできることを示した。^[52]

すべての人間の活動と同様に、地震反射調査は地球の自然環境に何らかの影響を及ぼし、炭化水素業界と環境保護団体の両方がこれらの影響を調査する研究に参加しています。

陸上で地震調査を行うには、機材や人員を輸送するための道路の建設が必要になる場合があり、機材を配置するために植生を伐採する必要があるかもしれません。調査が比較的未開発の地域で行われる場合、生息地の重大な撹乱が発生する可能性があり、多くの政府は地震調査会社に環境破壊に関する厳しい規則に従うことを要求しています。たとえば、地震源としてダイナマイトの使用は禁止される場合があります。地震処理技術により、地震測線が自然の障害物を迂回したり、既存の直線でないトラックやトレイルを使用したりすることができます。慎重に計画すれば、陸上地震調査の環境への影響を大幅に減らすことができます。最近では、陸地調査にセオドライトの代わりに慣性航法機器を使用し、調査線を木々の間を曲がりくねって配置できるようにすることで、地震の影響を減らしました。

土地に対する地震調査の潜在的な影響は、計画段階で評価し、効果的に管理する必要があります。適切に規制された環境では、通常、作業を開始する前に環境社会影響評価 (ESIA) または環境影響評価(EIA) レポートが必要になります。プロジェクト計画では、プロジェクトが完了したら、どのような影響が残るかを認識する必要もあります。契約およびプロジェクトが実施された場所の法律に従って修復計画を管理するのは、請負業者とクライアントの責任です。

プロジェクトの規模によっては、陸上地震探査作業は、特に保管施設、キャンプ設備、廃棄物管理施設 (汚水および中水管理を含む)、一般および地震車両駐車場、作業場、メンテナンス施設、居住施設が必要な場合、地域に重大な影響を及ぼし、かなりの物理的影響が生じる可能性があります。地域住民との接触は、騒音の増加、24 時間作業、交通量の増加など、彼らの通常の生活に潜在的な混乱を引き起こす可能性があり、これらを評価して軽減する必要があります。

考古学的な考慮も重要であり、プロジェクト計画では、考慮しなければならない法的、文化的、社会的要件に対応する必要があります。専門的な技術を使用して、建物や考古学的構造物からの安全な作業距離を評価し、影響を最小限に抑えて損傷を防ぐことができます。

海洋地震調査における主な環境上の懸念は、高エネルギーの地震源に関連する騒音が動物、特にクジラ、ネズミイルカ、イルカなどの鯨類に迷惑をかけたり、傷つけたりする可能性である。これらの哺乳類は音を主なコミュニケーション手段としているからである。^[53] 高レベルかつ長時間の音は難聴などの身体的損傷を引き起こす可能性がある一方、低レベルの騒音は一時的な聴力閾値の変動を引き起こし、海洋生物にとって重要な音が聞こえにくくなったり、行動障害を引き起こしたりする可能性がある。^[54]

ある研究^[55]によると、回遊中のザトウクジラは稼働中の地震探査船との間に最低3kmの距離を置くが、休息中の雌のザトウクジラの群れは感度が増し、7～12kmの距離を置くことがわかっている。逆に、この研究では、オスのザトウクジラは作動中のエアガン1機に引き寄せられたことが判明した。これは、低周波音をクジラのジャンプ行動の音と混同したためだと考えられている。クジラに加えて、ウミガメ、魚類、イカはすべて、接近する地震源があると警戒し、回避する行動を示した。地震探査ノイズが海洋生物に与える影響に関する報告書を比較することは、方法や単位が適切に文書化されていないことが多いため、困難である。

コククジラは地震探査の行われた海域では、通常の回遊・採食地から30km以上離れる。^[要出典]同様に、コククジラの呼吸はより速くなっており、クジラが不快感とパニックに陥っていることを示している。このような状況証拠から、研究者は回避行動とパニックがクジラの座礁増加の原因であると考えるようになったが、これらの疑問についての研究は進行中である。

それでも、空気銃は、鯨類が通常1km以内の非常に近い距離で見られる場合にのみ停止される^[56]

別の観点から、国際地質調査請負業者協会（IAGC）と国際石油・ガス生産者協会（IOGP）の共同論文では、海洋地震調査によって発生するノイズは自然発生の地震ノイズに匹敵すると主張し、次のように述べています。^[57]

英国政府機関である合同自然保護委員会（通称JNCC）は、「英国政府および地方自治体に英国全土および国際的な自然保護について助言する公的機関」である。^{[58] は}長年にわたり、地質調査や地震調査が海洋環境に与える影響に強い関心を寄せてきた。1990年代にはすでに、地震調査によって生じる音響エネルギーの影響を調査し監視する必要があることは政府レベルで認識されていた。^[59] JNCCガイドラインは、2017年の「地質調査による海洋哺乳類の傷害リスクを最小化するためのJNCCガイドライン（地震調査ガイドライン）」など、世界中の地震調査契約における調査のベースライン基準として国際的に使用されている参考資料の1つであり続けている。^[60]

地震音エネルギーが海洋哺乳類に悪影響を及ぼすという議論を複雑にしているのは、21 世紀に実施されている地震調査の規模とスケールである。歴史的に、地震調査は数週間から数か月の期間がかかり、局所的になる傾向があったが、OBN 技​​術を使用すると、調査は数千平方キロメートルの海洋をカバーし、複数のエネルギー源から 24 時間音響エネルギーを海洋に送り込みながら何年も継続することができる。現在の例としては、アブダビの国営石油会社ADNOCが 2018 年に締結した85,000 平方キロメートルの大規模地震調査契約^[61]があり、深海域、沿岸域、島嶼、浅瀬の各場所で 2024 年まで調査が予定されている。これらの大規模な活動が海洋生物に与える長期的な影響を評価することは非常に難しいかもしれない。

2017年にIOGPは調査中の妨害を避けるために次のように勧告した^[62]。

• 音響暴露や船舶交通が海洋哺乳類に害を及ぼさないよう、各作業現場の環境条件に応じた保護対策が講じられています。
• 繁殖地や餌場など、既知の敏感な地域や時間帯を避けるように調査が計画されています。
• 海洋生物を音の潜在的に有害な影響からさらに保護するために、通常、地震発生源の周囲に立ち入り禁止区域が設定されます。立ち入り禁止区域は通常、音源の周囲に半径 500 メートル以上の円で囲まれます。
• 訓練を受けた観察員と聴取装置を使用して、音を出す作業が始まる前に、その区域に海洋哺乳類やその他の保護対象種がいないか視覚的および聴覚的に監視します。これらの観察員は、作業中に保護対策が順守されていることを確認するのに役立ち、詳細なレポートは調査区域の生物多様性に関する情報を地方自治体に提供します。
• 音の発生は通常、「ソフトスタート」または「ランプアップ」で始まります。これは、地震探知ラインの開始時に、エアガン音源からの音レベルを非常に低いレベルから完全に作動可能なレベルまで徐々に増加させるもので、通常は 20 分から 40 分かけて行われます。このソフトスタート手順は、音が大きくなるにつれて音源の近くにいる動物が離れる時間を与えることを目的としています。

2 つ目の要因は、地震調査が行われる規制環境です。北海やメキシコ湾などの規制が厳しい場所では、契約レベルで法的要件が明確に規定され、請負業者とクライアントの両方が規制を遵守します。規制に違反した場合、多額の罰金や探査ブロックの許可の取り消しなど、重大な結果を招く可能性があるためです。ただし、多様で豊かな海洋生物群系を有していながら、環境法が弱く、規制当局が効果的でないか、まったく存在しない国もあります。規制の枠組みが堅牢でないこのような状況では、海洋環境を保護するためのあらゆる取り組みが著しく損なわれる可能性があります。これは、国有の石油・ガス会社が国内で優位に立っており、規制当局も国有で運営されている組織であるため、真に独立しているとは見なされていない場合によく見られます。

• デコンボリューション
• 深度変換、音波の往復移動時間を実際の深度に変換する
• 探査地球物理学
• ライゴ
• パッシブ地震
• SEG-Y、地震反射データ用の一般的なファイル形式
• 地震による移住
• 地震波屈折法
• Seismic Unix、地震反射データの処理のためのオープンソースソフトウェア
• 地震波
• スウェルフィルター
• 合成地震記録

以下の書籍は、反射地震学の重要なトピックを扱っています。ほとんどの書籍では、大学レベル以上の数学、地質学、物理学の知識が必要です。

• Brown, Alistair R. (2004)。3次元地震データの解釈（第6版）。探査地球物理学会および米国石油地質学会。ISBN 0-89181-364-0。
• Biondi, B. (2006)。3D 地震画像: 3 次元地震画像。探査地球物理学会。ISBN 0-07-011117-0。
• クレアバウト、ジョン F. (1976)。地球物理学的データ処理の基礎。マグロウヒル。ISBN 1-56080-137-9。
• イケレ、リュック・T. & ラッセ・アムンセン (2005)。石油地震学入門。探査地球物理学会。ISBN 1-56080-129-8。
• スケールズ、ジョン（1997年）。地震画像化の理論。コロラド州ゴールデン：サミズダット・プレス。2015年8月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• Yilmaz, Öz (2001).地震データ解析. 探査地球物理学会. ISBN 1-56080-094-1。
• ミルソム、J.、ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジ（2005年）。フィールド地球物理学。Wiley Publications。ISBN 978-0-470-84347-5。{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
• チャップマン、CH. (2004).地震波伝播の基礎. ケンブリッジ大学出版局. ISBN 978-0-521-81538-3。

反射地震学のさらなる研究については、特に地球物理学探査協会、アメリカ地球物理学連合、および欧州地球科学者技術者協会の書籍や雑誌で見つけることができます。

• ヘンリー・サルヴァトリの伝記
• 地震反射法が本当に機能することを証明 – タルサ地球物理学会
• スタンフォード探査プロジェクトにおける反射地震学文献
• 国際地球物理調査請負業者協会のウェブサイト
• 地震調査と海洋哺乳類に関する IAGC/IOGP の立場表明 (PDF)
• 地震反射データ処理に関するチュートリアル
• オーストラリアの石油・ガス探査における地震探査の利用に関する情報 2013年6月13日アーカイブ、Wayback Machine