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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur geophysikalischen Untersuchung des Untergrundes unter Verwendung von mit einer Steuerungseinrichtung verbundenen Vibratoren, welche durch Belastung in Kopplungsberührung mit der Erdoberfläche stehen und Kompressionswellen an den Untergrund abgeben.
Die DE-OS 2205350 beschreibt einen speziellen Apparat zur Erzeugung von S-Wellen mittels Sprengung. Es ist dabei zwar angegeben, dass zwei Sender bezüglich eines zu untersuchenden Profils derart angeordnet werden können, dass sie SH-Wellen in einander entgegengesetzten Richtungen aussenden, wobei die Sender nacheinander ausgelöst werden und für jeden einzeln eine Aufzeichnung vorgenommen wird. Erst die Aufzeichnungen werden miteinander kombiniert.
Die DE-OS 1473951 offenbart die Erzeugung gerichteter P-Wellen (Longi-tudinal-Wellen). Hiezu werden mehrere Erreger (Vibratoren) in Reihe mit bestimmten, regelmässigen Abständen angeordnet, in bestimmten Zeitabständen ausgelöst und dabei in gleicher Weise erregt. Es werden demnach mit einer Reihe von Vibratoren P-Wellen erregt, die zusammen eine in bestimmter bevorzugter Richtung gehende Erregung des Untergrundese mit P-Wellen bilden.
Die US-PS Nr. 3, 587, 774 zeigt die Kombination von vier S-Wellen-Generatoren in einer ringförmigen Anordnung, zum Zwecke, um eine vertikale Achse drehende S-Wellen zu erzeugen. Dabei greifen die Erreger jeweils mit an der Unterseite angeordneten Zacken oder Zähnen in den Untergrund ein, wodurch die Energie auf den Untergrund übertragen wird. Die Energie wird mittels Zündung eines Gases in einer Verbrennungskammer erzeugt, wobei die vier in einer Anlage kombinierten Vorrichtungen gleichzeitig gezündet werden.
Übliche reflexionsseismische Messungen werden in der Weise ausgeführt, dass z. B. durch Sprengung oder mit einem oder mehreren Vibratoren in oder an der Erdoberfläche Schwingungen erzeugt werden, die im wesentlichen Druckwellen (P-Wellen) sind und die mit üblichen Geophonen, d. h. z. B. senkrecht angeordneten Tauchspulen od. dgl., nach Reflexionen im Untergrund aufgenommen werden. Bei Ergänzung dieser Messungen durch Erzeugung und Aufnahme von Scherwellen ergibt sich die Möglichkeit, für einzelne charakteristische Reflexionen aus dem Quotienten der Geschwindigkeiten der P- und S-Wellen die Poisson-Konstante zu errechnen, die wieder Aufschluss über lithologische Eigenschaften der Reflexionshorizonte gibt.
Ausführliche Berichte über die Erzeugung und Aufnahme von Scherwellen sind im Geophysics [1968], 229 bis 254, abgedruckt, einschliesslich weiterer Literaturhinweise. Diese Arbeiten beruhen hauptsächlich auf dem Einsatz besonderer Vibratoren (vgl. US-PS Nr. 3, 159, 232, Nr. 3, 159, 233 und Nr. 3, 205, 971). Dabei handelt es sich um Geräte, die für den besonderen Zweck der Erzeugung von S-Wellen gebaut worden sind. Sie gestatten, praktisch ausschliesslich Scherwellen vom Typ SH, d. h. mit einer Polarisierung in der Ebene des Reflexionshorizontes, zu erzeugen. Unter Verwendung entsprechend polarisierter Geophone sind bei diesen Versuchen gute Scherwellen-Seismogramme aufgenommen worden.
Die bei den bekannten Versuchen verwendeten Vibratoren (vgl. die erwähnten US-PS) erfüllen die physikalischen Anforderungen für diese besondere Art von reflexionsseismischen Aufnahmen in nahezu idealer Weise. Die Vibratoren haben jedoch im praktischen Einsatz erhebliche Nachteile. Wegen der horizontalen Bewegung der Masse sind die zur Führung dieser Masse benutzten Elemente sehr verschleissanfällig. Zur Übertragung der Scherkräfte auf den Untergrund sind die bekannten Vibratoren jeweils mit einer Stahlplatte versehen, die auf der mit dem Boden zu koppelnden Seite pyramidenförmige Warzen oder Ansätze aufweist. Beim Einsatz dieser Vibratoren werden insbesondere auf Strassen und Wegen kostspielige Flurschäden verursacht.
Ein sehr wesentlicher Nachteil dieser bekannten Vibratoren besteht darin, dass bei der zur Zeit verwendeten Vibratorleistung und der dafür notwendigen Masse ein Einbau in vorhandene übliche Vibratoren für P-Wellen nicht ohne weiteres möglich ist.
Allgemein haben bis in die jüngste Zeit in den USA fortgeführte Versuche mit Scherwellen für seismische Aufschlussarbeiten gezeigt, dass gute Ergebnisse unter verschiedensten geologischen und Gelände-Bedingungen erzielt werden können. In fast allen Gebieten, mit Ausnahme von lockeren Sanden und wassergesättigten Sedimenten, können an sich Scherwellen-Vibratoren als Quelle für die Erzeugung von Scherwellen vom Typ SH eingesetzt werden. Dabei werden in vielen Gebie-
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wellensignale beobachtet. Die Multiplizität ist jedoch bisher stets wenigstens doppelt so gross wie bei der Registrierung von Kompressionswellen. Im Zusammenhang mit den bisherigen Aufnahmen sind auch schon Auswerte-und Interpretationsverfahren entwickelt worden, die vor allem darauf zielen, lithologische Anomalien aufzufinden.
Es ist selbstverständlich, dass für die Aufnahme der hauptsächlich interessierenden SH-Wellen besondere, sogenannte Horizontal-Geophone benötigt werden. Die Ausstattung von Messtrupps mit zusätzlichen Horizontal-Geophonen ist jedoch weit weniger problematisch als die Notwendigkeit, über besondere Geräte zur Erzeugung von S-Wellen zu verfügen. Aufgabe der Erfindung ist es demnach, diese Schwierigkeit zu beseitigen.
Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art, besteht die erfindungsgemässe Einrichtung darin, dass zur Erzeugung von im wesentlichen horizontal polarisierten Scherwellen im Untergrund eine gerade Anzahl von Vibratoren in unmittelbarer Nähe und symmetrisch zu einer Mittellinie angeordnet sind, wobei jeweils der Vibrator auf der einen Seite der Mittellinie bezüglich des auf der andern Seite der Mittellinie gegenüber angeordneten Vibrators gegenphasig von der Steuerungseinrichtung angesteuert ist.
Weitere Merkmale der Erfindung bestehen darin, dass die Steuerungseinrichtung von einem Erregersignalgenerator angesteuert ist, und darin, dass die Vibratoren zu beiden Seiten der Mittellinie über Fühl- bzw. Abtastvorrichtung mit einem Komparator verbunden sind, dessen Ausgang an einem Phasenregler angeschlossen ist, der zwischen der von einem Erregersignalgenerator mit einem Erregersignal beaufschlagten Steuerungseinrichtung und dem zugehörigen Vibrator auf wenigstens einer Seite von der Mittellinie angeordnet ist.
Die Erfindung hat den grossen Vorteil, dass mit üblichen Vibratoren gearbeitet werden kann.
Wenn angenommen wird, dass die Vibratoren im wesentlichen kugelsymmetrisch in einen homogenen Halbraum abstrahlen, werden bei eng benachbarter Anordnung von zwei P-Wellen-Vibratoren und gegenphasiger Steuerung die P-Wellen im wesentlichen ausgelöscht, wobei allerdings die Kraftamplitude in der horizontalen, verglichen mit der vertikalen Anregung im gleichphasigen Betrieb verringert ist.
Aus dem Grunde empfiehlt sich auch die Verwendung von vier Vibratoren, die vorzugsweise auf den Eckpunkten eines Quadrates aufgestellt sind, für das die Profillinie, d. h. die Linie, auf der die Geophone, oder bei Verwendung von Geophongruppen, die Mittelpunkte dieser Gruppen angeordnet sind, eine Mittellinie bildet, wobei die Vibratoren, die auf der gleichen Seite stehen, gleichphasig zueinander und gegenphasig zu den Vibratoren auf der andern Seite von der Mittellinie gesteuert werden.
Im Gegensatz zu den bekannten, speziell für die Erzeugung von SH-Wellen gebauten Geräten,
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mässig lockeren Sanden und wassergesättigten Sedimenten bestehen. Neben der Vereinfachung durch Verwendung üblicher Geräte ergibt sich dadurch ein weiterer Vorteil.
Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen die Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt ist. Es zeigen Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch eine Profillinie mit erfindungsgemässer Anordnung von Vibratoren, Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Draufsicht auf eine Profillinie mit beiderseits angeordneten Vibratoren und Fig. 3 eine gegenüber Fig. 2 abgewandelte, bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
Zum Einsatz der erfindungsgemässen Einrichtung (s. Fig. 1 und 2) werden an der Erdoberflä-
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angeordnet. Die hier nur vereinfacht angedeuteten Vibratoren --12 und 14-- erzeugen Kompressionsoder P-Wellen, wie durch die Doppelpfeile in den Zeichnungen angedeutet wird. Da die Vibra- toren --12 und 14-- eng benachbart sind, löschen sich die von ihnen erzeugten Kompressionswellen zumindest im mittleren Bereich auf Grund der gegenphasigen Steuerung im wesentlichen aus.
Die entstehenden und in Richtung des Pfeiles 20 sich fortpflanzenden Wellen sind SH-Wellen mit der durch den Doppelpfeil 18 gekennzeichneten Schwingrichtung. Nach Reflexion im Untergrund werden die zur Erdoberfläche zurückkehrenden Signale von den Horizontal-Geophonen --16-- aufgenommen, die an eine übliche Aufzeichnungsapparatur angeschlossen sind.
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Von der nicht dargestellten Aufnahmeapparatur aus wird über eine Leitungs- oder drahtlose Verbindung --29-- ein Generator --28-- erregt, der Erregersignale (Sweepsignale) erzeugt und diese an eine Steuerungseinrichtung --26-- abgibt. Von der Steuerungseinrichtung --26-- werden die vom Generator --28-- erzeugten Erregersignale auf die Anschlusskanäle --30 und 32-- der Vibratoren --12 und 14-- weitergeleitet, wobei die Steuerungseinrichtung --26-- dafür sorgt, dass die Signale im Kanal --30-- in Frequenz und Amplitude gleich, aber gegenphasig zu den im Kanal --32-sind.
In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, nämlich die Verwendung üblicher Kompressionswellenvibratoren, die durch einfache Zusatzgeräte in Verbindung gebracht worden sind. Die beiden Vibratoren --112, 114-- sind jeweils über eine übliche Steuerung --126a, 126b--, an einen dem Generator-28-entsprechenden Generator-128a, 128b-ange- schlossen, der über eine Leitungs- oder drahtlose Verbindung --129a, 129b-- von der Registrierstation aus erregt wird.
Um sicherzustellen, dass beide Vibratoren --112, 114-- gleich grosse Signale mit gegensinniger Phase auf den Boden übertragen, ist ein Komparator --133-- vorgesehen, der über Fühler- oder Abtastvorrichtungen --134a, 134b-- mit den eigentlichen Vibrationsvorrichtungen verbunden ist. Die von den Vibratoren-112, 114-abgestrahlten Signale werden miteinander in dem Komparator --133-- verglichen, der eine Spannung erzeugt, die zur Korrektur von Amplitude und Phase eines der Vibratoren, in diesem Fall des Vibrators --112--, über die Leitungsverbindung --136-- auf einen Regler --137-- übertragen wird. Der Regler --137-- sorgt dafür, dass das vom Generator --128a-- erzeugte Erregersignal gegenphasig, aber im übrigen gleich dem Erregersignal des Generators-128b-- ist.
Die hier beschriebene Einrichtung ermöglicht zusätzlich, dass irgendwelche Bodeneinflüsse vollständig berücksichtigt werden.
Bis auf diese Zusatzeinrichtungen, die die gegenphasige Steuerung bewirken, werden für die Ausführung der Erfindung nur übliche Einrichtungen, insbesondere übliche P-Wellenvibratoren, verwendet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur geophysikalischen Untersuchung des Untergrundes unter Verwendung von mit einer Steuerungseinrichtung verbundenen Vibratoren, welche durch Belastung in Kopplungsberührung mit der Erdoberfläche stehen und Kompressionswellen an den Untergrund abgeben, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von im wesentlichen horizontal polarisierten Scherwellen im Untergrund eine gerade Anzahl von Vibratoren (12, 14 ; 112,114) in unmittelbarer Nähe und symmetrisch zu einer Mittellinie (22,24, 124) angeordnet sind, wobei jeweils der Vibrator (12,112) auf der einen Seite der Mittellinie bezüglich des auf der andern Seite der Mittellinie (22,24, 124) gegenüber angeordneten Vibrators (14,114) gegenphasig von der Steuerungseinrichtung (26,126b) angesteuert ist.