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Verfahren und Vorrichtung zur seismischen Bodenuntersuchung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur seismischen Bodenuntersuchung, wobei seismische
Energie, die entsprechend einem vorher aufgezeichneten Bezugssignal erzeugt wird, in die Erde eingeleitet wird und die reflektierte seismische Energie an einem entfernten Ort als seismisches
Energiesignal bestimmt wird, das dann zur Korrelation mit dem vorher aufgezeichneten Bezugssignal verstärkt und aufgezeichnet wird, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei bekannten Verfahren wird unter Verwendung der Korrelierungstechnik durch einen Schwinger an einer Stelle der Bodenoberfläche ein seismisches Wellenschwingungssignal gesteuerten Frequenzgehaltes erzeugt, und werden die Reflexionen dieses Signals an verschiedenen unterirdischen
Schichtgrenzen an einer andern Stelle der Oberfläche empfangen und aufgezeichnet. Das Schwingungssignal dauert in der Regel mehrere Sekunden und ändert seine Frequenz in vorausbestimmter Weise zwischen einer oberen und unteren Grenze oder umgekehrt. Ein solches Signal wird in der Regel als ein Durchgang bezeichnet. Das empfangene Signal enthält zahlreiche Reflexionen des Durchgangssignals und besitzt eine sehr komplexe Wellenform.
Da die Reflexionen in Abständen von kleinen Sekundenbruchteilen auftreten können, während das vom Schwinger erzeugte Durchgangssignal mehrere Sekunden dauert, ist es klar, dass die verschiedenen reflektierten Durchgänge in beträchtlichem Ausmass übereinandergreifen bzw. sich überlappen. Im Korrelierprozess wird das Signal mit der komplexen Wellenform mit dem vom Schwinger erzeugten Durchgangssignal korreliert, jeder einzelne reflektierte Durchgang der Reihe nach festgestellt und der Zeitpunkt seines Auftretens klar und genau messbar gemacht.
Die im Korrelierprozess erzeugte Aufzeichnung ist ein Mass fur den Grad der Übereinstimmung zwischen dem komplexen Signal und dem vom Schwinger erzeugten Durchgangssignal, wenn letzteres in bezug auf ersteres zeitlich verschoben wird. Ist also das Signal durch die für seinen Empfang, seine Verstärkung, seine Aufzeichnung und seine Wiedergabe verwendeten Instrumente phasenverzerrt, so wird auch der Grad der Übereinstimmung zwischen den Reflexionskomponenten und dem als Bezug dienenden Durchgangssignal verschlechtert, und somit auch die Korrelationsaufzeichnung entsprechend verschlechtert.
Die brit. Patentschrift Nr. 979, 719 behandelt ein Verfahren zum Feststellen von Phaseninformation und zahlenmässigen Aufzeichnen der Phasendifferenz zwischen dem empfangenen und dem gesendeten Signal, wobei auch die Amplitude des empfangenen Signals zahlenmässig aufgezeichnet wird. Es wurde festgestellt, dass die durch das vorerwähnte bekannte Verfahren bewirkte Phasenverzerrung ein schlechtes Korrelierungsergebnis liefert. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird entsprechend dem bekannten Verfahren die Phase des gesendeten Signals mit dem zum Sender gesendeten Steuersignal verglichen, nicht aber das empfangene Signal, und diese Information wird verwendet, umabsolut sicherzustellen, dass der Vibrator bzw. Schwinger das gleiche Phasenverhältnis mit dem Steuersignal aufrechterhält.
Die Aufrechterhaltung des richtigen Phasenverhältnisses zwischen Steuersignal und Schwinger ist notwendig, wenn mehrere Schwinger in Tandem vom gleichen Steuersignal arbeiten, und wo die Erde unter jeder Schwingerbasisplatte einen andern Dämpfungsfaktor
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auf den Schwinger ausübt.
Das erfindungsgemässe Verfahren, das Verfahren dieser Art verbessert, ist dadurch gekennzeichnet, dass das vorher aufgezeichnete Bezugssignal in jenem Ausmass, gegebenenfalls abhängig von der
Frequenz, phasenverzerrt wird, das auch das seismische Energiesignal während seiner Bestimmung,
Verstärkung und Aufzeichnung erfährt, das phasenverzerrte Signal wieder aufgezeichnet und nach
Verschiebung um einen bestimmten Festwert mit dem aufgezeichneten seismischen Energiesignal zu einem korrelierten Ausgangssignal kombiniert wird. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann dabei in vorteilhafter Weise das aufgezeichnete Bezugssignal zur Phasenverzerrung durch ein Filter geleitet werden.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren werden die Wirkungen der Phasenverzerrung auf ein
Minimum herabgesetzt, die durch Empfang, Verstärkung, Aufzeichnung und Wiedergabe der empfangenen Signale bei ihrem Korrelieren mit einem als Bezug dienenden Eingangssignal an sich auftreten. Durch die Phasenverzerrung des aufgezeichneten Bezugssignals wird die Übereinstimmung mit dem Empfangssignal wieder hergestellt und die Korrelationsaufzeichnung verbessert. Die einzelnen Vorgänge werden durch das Herabsetzen der Phasenverzerrung bzw. -verschiebung auf ein Minimum besser getrennt, wie dies den zu dem Empfang, der Verstärkung und Aufzeichnung des Signals verwendeten Instrumenten eigen ist.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, welche eine seismische Energiequelle zur Übertragung einer seismischen Energie in die Erde, einen Transduktor zur Umwandlung des von unterirdischen Schichtgrenzen reflektierten seismischen Signals in ein elektrisches Signal, ein mit dem Transduktor verbundenes Verstärker-und Aufzeichnungsgerät zur Verstärkung und Aufzeichnung des Transduktor-Ausganges und ein Korreliergerät zur Korrelation des aufgezeichneten seismischelektrischen Signals mit dem Bezugssignal aufweist, wodurch eine Aufzeichnung erhalten wird, die das Vorhandensein der Schichtgrenzen anzeigt, weist erfindungsgemäss einen Geophon-Simulator,
der zur Erzeugung eines in vorausbestimmter Art phasenverzerrten Ausgangssignals auf ein elektrisches Signal anspricht und dem eine Nachbildung des Bezugssignals übermittelt wird, ein Verstärker-Aufzeichnungs- gerät zur Verstärkung und Aufzeichnung des Ausganges des Simulators und ein Korreliergerät auf, das den aufgezeichneten Ausgang des Simulators nach Verschiebung um einen bestimmten Zeitwert mit dem aufgezeichneten seismisch-elektrischen Signal zur Ableitung einer seismischen Spur korreliert.
Das Verfahren und ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäss der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen erläutert. Fig. l zeigt ein Blockschaltbild einer bekannten Vorrichtung, die bisher bei der seismischen Lagerstättenforschung durch gegenseitiges Korrelieren des Signals vom Geophon mit dem als Bezug dienenden Durchgangssignal verwendet wurde ; Fig. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemässen Vorrichtung ; Fig. 3 den Amplitudengang eines üblichen, bei der seismischen Lagerstättenforschung verwendeten Geophons, Fig. 4 den entsprechenden Phasengang des gleichen Geophons, Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Kreises zur Erzeugung einer Phasenverzerrung, die ähnlich der des Geophons ist, und Fig. 6 eine schematische Darstellung eines andern Kreises, der zur Erzeugung einer ähnlichen Phasenverzerrung wie der durch das Geophon verwendbar ist.
Bei der bekannten, in Fig. 1 mit --10-- bezeichneten Vorrichtung gelangt eine magnetische Aufzeichnung-12--, in der Regel auf einem breiten Tonband, zur Anwendung, auf dem eine grosse Anzahl von Kanälen aneinander angrenzend aufgezeichnet werden können und auf dem ein als Bezug dienendes Durchgangssignal aufgezeichnet wird. Wie bereits erwähnt wurde, ist dieses Durchgangssignal in der Regel ein mehrere Sekunden dauerndes Schwingungssignal mit vorausbestimmtem Frequenzgehalt. Die Aufzeichnung--12--wird auf eine rotierende Trommel--14--oder
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auf einem nicht dargestellten, zur Aufzeichnung dienenden Lastwagen.
Das vom Sender --16-- gesendete Radiosignal wird von der Antenne eines Radioempfängers - aufgenommen, und nach Demodulation und Gleichrichtung wird der Ausgang dieses Empfängers durch den Verstärker-20-verstärkt und zur Steuerung eines servogesteuerten Transduktors in Form eines Schwingers --22-- über ein phasenverschiebendes Netzwerk--24verwendet. Der Schwinger--22--erzeugt das auf den Boden übertragene seismische Schwingungssignal. Der Ausgang des Schwingers--22--wird, z. B. an er Basisplatte des Schwingers,
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oder mechanischen Steuerung des phasenverschiebenden Netzwerks--24--.
Dieses und der Phasenkomparator--26--können von beliebiger Bauweise sein, auf Grund der das
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Schwingereingangssignal phasenverschoben wird, um die vom Schwinger bewirkte Phasenverzerrung und die Änderungen in der Kupplung des Schwingers mit der Erde zumindest teilweise auszugleichen. Der Ausgang des Verstärkers-20-wird in der Regel hier als Eingangssignal bezeichnet, da es das den Schwinger --22-- steuernde Signal ist.
Das so erzeugte seismische Signal läuft durch den geschichteten Boden und wird von unterirdischen Schichtgrenzen--28--reflektiert. Das reflektierte Signal kehrt zur Oberfläche zurück und wird dort von einem Transduktor in Form eines Geophons--30--empfangen, der die seismische Energie in elektrische zurückverwandelt. Der Ausgang des Geophons--30-wird in einem Verstärker-und Aufzeichengerät-32--in Form einer Geländeaufzeichnung verstärkt und aufgezeichnet. Diese Kombination Verstärker-Aufzeichengerät--32--dient tatsächlich zur Erzeugung der ursprünglichen magnetischen Aufzeichnung des Durchgangssignals, und die verstärkten Geophonsignale werden tatsächlich auf aneinander angrenzenden Kanälen des oben erwähnten Tonbandes--12--aufgezeichnet.
Die magnetische Aufzeichnung --12-- enthält also sowohl das als Bezug dienende Durchgangssignal als auch die verstärkten Signale vom Geophon. Indem diese Aufzeichnung auf eine
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Zeit/Phasenverhältnisses aufzeigt und deshalb auch das Vorhandensein von Schichtgrenzen-28und der Reflexionszeiten.
Bei solchen Korreliersystemen wird die Qualität der korrelierten Aufzeichnung starkt eingeschränkt, wenn eine merkliche Phasenverzerrung zwischen den reflektierten Signalkomponenten vom Geophon und dem als Bezug dienenden Durchgangssignal bestehen. Sämtliche bei der Vorrichtung - -10-- verwendeten Instrumente erzeugen eine spezielle Phasenverzerrung der Signale, die durch sie gehen, und diese Verzerrung ist immer die gleiche. Die Verzerrung kann durch Wegfallenlassen des Teils der Vorrichtung--10-, in dem eine Ausbreitung durch die Erde erfolgt, aufgezeigt werden, indem z. B. das Geophon --30-- unmittelbar auf die Basisplatte des seismischen Schwingers--22-gebracht wird.
Es wurde festgestellt, dass bei solchem Vorgehen und gegenseitigem Korrelieren des vom Schwinger erzeugten Signals und des als Bezug dienenden Durchgangssignals eine schwerwiegend phasenverzerrte Form im Vergleich zu der beim Autokorrelieren des Durchgangssignals auftritt. Und diese Verzerrung bewirkt eine unangenehme Verschlechterung der bei Betrieb im Gelände erzeugten korrelierten Aufzeichnung.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfmdungsgemässen Verfahrens nach Fig. 2 weist diese Nachteile nicht auf. Bei dieser Vorrichtung --40-- wird wie bei der bekannten Vorrichtung eine
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verstärkt und zur Steuerung des servogesteuerten Schwingers--22--verwendet, der das auf den Boden übertragene seismische Schwingungssignal erzeugt. Der Schwinger --22-- wird mit einem Phasenkomparator und einem phasenverschiebenden Netzwerk ebenso wie bei der bekannten Vorrichtung nach Fig. l gesteuert ; diese Teile sind der Einfachheit halber in Fig. 2 nicht dargestellt.
Das sich im Boden fortpflanzende seismische Signal mit dem an unterirdischen Schichtgrenzen - -28-- reflektierten Signal wird vom Geophon--30-aufgenommen, das die seismische Energie in
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verstärkten Signale vom Geophon werden in aneinander angrenzenden Kanälen auf dem Tonband - aufgezeichnet, auf dem das als Bezug dienende Durchgangssignal bereits gespeichert worden ist.
Der Ausgang vom Verstärker --20--, der zur Steuerung des servogesteuerten Schwingers --22-- über ein phasenverschiebendes Netzwerk verwendet worden war, kann als eine Darstellung des
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Signals angesehen werden, das vom Schwinger erzeugt und auf die Erde übertragen wird. Demzufolge wird es als Eingangssignal bezeichnet, und eine Wiedergabe eines solchen Signals wird zur Erzeugung eines Gegensignals verwendet, mit dem das verstärkte, vom Geophon aufgenommene Signal korreliert wird. Demzufolge wird jede Phasenverzerrung, die im Übermittlungskanal (Abspielgerät --14--, Sender --16-- und Empfänger --18--) auftritt, automatisch beseitigt.
Zusätzlich zur Phasenverzerrung im übermittlungskanal tritt noch eine beträchtliche Phasenverzerrung in den für Empfang, die Verstäkung und die Aufzeichnung des das Geophon-30-- erregenden seismischen Signals erforderlichen Arbeitsgängen auf. Die Wirkungen dieser Phasenverzerrung können beseitigt werden, wenn das Eingangssignal (oder eine Wiedergabe desselben) einem
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diese beiden Kombinationen nur parallele Kanäle eines Mehrkanalaufzeichengerätes.
Demzufolge werden die verstärkten Signale vom Geophon auf aneinander angrenzenden Kanälen des Tonbandes --42-- aufgezeichnet, das zur Aufzeichnung des Gegensignals (die veränderte Fassung bzw. Darstellung des Schwingereingangssignals) verwendet wird. Durch Aufbringen dieses Tonbandes auf die Trommel --34-- oder ein anderes Wiedergabegerät, das ebensogut die oben beschriebene Abspielvorrichtung --14-- sein kann, ist es möglich, das Gegensignal und das im Gelände aufgezeichnete Signal, das das vom Geophon--30-aufgenommene seismische Signal darstellt, wieder zu erzeugen. Diese beiden Signale werden dem Korreliergerät-36-zugefuhrt, um eine verbesserte korrelierte Aufzeichnung--48--zu erzeugen.
In dieser neuen Aufzeichnung hat die für das Eintreffen jedes reflektierten Signals kennzeichnende Wellenform ein Minimum an Phasenverzerrung, da die ganze durch die Instrumentierung hervorgerufene Phasenverzerrung ausgeschaltet worden ist. Diese Wellenform ist besser abgetrennt und symmetrischer, und die korrelierte Aufzeichnung wird dadurch leichter und genauer deutbar.
Die Wirkung der Phasenverzerrung wird also durch gegenseitiges Korrelieren des verstärkten Signals vom Geophon mit einem dadurch gewonnenen Gegensignal auf ein Minimum beschränkt, dass das Schwingereingangssignal durch dieselben Instrumente geleitet wird (oder ein Äquivalent derselben). Die Instrumentierung weist eine Phasencharakteristik auf, die jederzeit die gleiche ist und sich demzufolge beim Betrieb im Gelände nicht verändert. Die Prozesse des magnetischen Aufzeichnens und Wiedergebens bzw. Abspielens sowie des Sendens und Empfangens durch Funk haben eine beträchtliche Phasenverzerrung bei niedriger Frequenz zur Folge.
Dieser Teil erscheint jedoch nicht auf der korrelierten Aufzeichnung --48-- der Vorrichtung --40--, da das im Korreliergerät --36-verwendete Gegensignal die gleiche Verzerrung erfahren hat.
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Kennzeichen des Geophons--30-gehen aus der Kurve der Ausgangsspannung des Geophons als Funktion der Frequenz hervor, wenn es mit konstanter Geschwindigkeit geschüttelt wird und einer ähnlichen Kurve der Phase zwischen Ausgang und Eingang bei verschiedenen Frequenzen. Diese in Fig. 3 und 4 jeweils gezeigten Kurven sind, wenn sie in einer logarithmischen Frequenzteilung eingetragen sind, kennzeichnend für den Amplituden-und Phasengang des Geophons.
Dieser Amplituden-und Phasengang ist der eines quadratischen Hochpassfilters, der dem in Fig. 5 gezeigten elektrischen Kreis äquivalent ist. In diesem Kreis erzeugen eine Kapazität--50-, eine Induktivität --52-- und ein Widerstand-54--das gewünschte Ergebnis. Wie dem Fachmann bekannt ist, wird die Eigenfrequenz des Geophons --30-- von der Masse der bewegten Spule und der Federkonstante der Tragfeder bestimmt. Im Simulator --44-- wird die Eigenfrequenz entsprechend von der Grösse der Kapazität --50-- und der Induktivität --52-- bestimmt. Die Grösse des
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Dämpfung des Geophons.
Ebenso lässt sich das elektrische Äquivalent sehr leicht einstellen, indem die Komponenten so gewählt werden, dass sie eine Phasenvoreilung von 1r/2 bei der gleichen Eigenfrequenz ergeben, wonach der Widerstand --54-- so gewählt wird, dass er dem Rest der Phasengangkurve gemäss Fig. 4 am besten entspricht.
Dem Fachmann ist auch erkenntlich, dass der Phasengang des kritisch gedämpften Geophons - -30--, wie er in Fig. 4 gezeigt wird, der gleiche ist wie derjenige einer besonderen Art von Vollpassnetzwerk, wie es schematisch in Fig. 6 gezeigt wird. Dieses Netzwerk enthält eine geeignete Triode--56--, wie z. B. eine Hälfte einer 12AX7 Röhre mit gleichem Widerstand R in ihrem Anoden-und Kathodenkreis.
Der Ausgang wird der Anode über einen Kondensator--58--und der Kathode über einen Widerstand--60-entnommen. Der Amplitudengang dieses in Fig. 6 gezeigten Netzwerkes ist flach im Gegensatz zu dem in Fig. 3 gezeigten veränderlichen Gang, aber es wurde festgestellt, dass ein solcher Gang die darauffolgende Korrelierung eines durch das Netzwerk geleiteten Schwingereingangssignals erleichtert. Das in Fig. 6 gezeigte Netzwerk kann also mit guten Ergebnissen als Geophonsimulator-44-verwendet werden.
In der Praxis wird nach Zusammenbau sämtlicher Teile der Vorrichtung --40-- ein
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Eingangssignal wird zum Aufzeichenlastwagen zurückgesendet und bei richtiger Einstellung dem Geophonsimulator zugeleitet. Dann wird dieses Signal, wie oben beschrieben wurde, auf Tonband aufgezeichnet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur seismischen Bodenuntersuchung, wobei seismische Energie, die entsprechend einem vorher aufgezeichneten Bezugssignal erzeugt wird, in die Erde eingeleitet wird und die reflektierte seismische Energie an einem entfernten Ort als seismisches Energiesignal bestimmt wird, das dann zur Korrelation mit dem vorher aufgezeichneten Bezugssignal verstärkt und aufgezeichnet wird,
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gegebenenfalls abhängig von der Frequenz, phasenverzerrt wird, das auch das seismische Energiesignal während seiner Bestimmung, Verstärkung und Aufzeichnung erfährt, das phasenverzerrte Signal wieder aufgezeichnet und nach Verschiebung um einen bestimmten Festwert mit dem aufgezeichneten seismischen Energiesignal zu einem korrelierten Ausgangssignal kombiniert wird.
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