DE2023476A1

DE2023476A1 - Verfahren und Vorrichtung zur seismischen Prospektion und zum Erkennen von Oberflächen

Info

Publication number: DE2023476A1
Application number: DE19702023476
Authority: DE
Inventors: Andre Rueil Malmaison; Grau Gerard Paris; Fontanel (Frankreich)
Original assignee: Institut Francais du Petrole des Carburants et Lubrifiants, Rueil Malmaison (Frankreich)
Priority date: 1969-05-14
Filing date: 1970-05-13
Publication date: 1970-12-10
Also published as: JPS5040081B1; FR2041016A1; DK147834C; NL7006886A; NO130881B; NO130881C; DK147834B; SE363408B; CA922800A; ES379692A1; NL171744B; BE750256A; OA03638A; DE2023476C2; NL171744C; GB1315704A; US3721954A

Description

INSTITUT J¹IiANi¹ALU I)U PEiHGLi DES CARBlffiÄNTS ET LUBIiIFIANTSj

Hueil-Malmaison, Frankreich

Verfahren und Vorrichtung zur seismischen Prospektion und

zum Erkennen von Oberflächen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur seismischen Prospektion und/oder zum Erkennen bzw. Schürfen von Diskontinuitätsoberflächen, wobei man in dem zu untersuchenden Medium kontinuierlich eine akustische oder radioelektrische monochromatische Welle (d. h. deren Frequenzspektrum eng und stabil über den Zeitverlauf ist) emittiert, und zwar während eines Zeitintervalls, dessen Minimum im Fall der seismischen Prospektion durch die Dicke der aufzuschließenden oder zu prospektierenden Schichten bestimmt wird. Man nimmt mittels Empfängern, beispielsweise Seismographen, die verschieden durch die verschiedenen Diakontinuitäten des zu untersuchenden Mediums reflektierten oder gebeugten Wellen auf und charakterisiert für eine gegebene Emission und erst nach Vergehen einer gewissen Zeit, die der Zeit des tiin- und Her-

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gangs der Wellen für die am weitesten entfernte Diskontinuität entspricht, den Schwingungszuatend am Crt des Empfange durch Aufzeichnung von nur zwei Werten pro Empfänger, wobei der eine aich auf die Amplitude der Schwingung, der andere auf ihre Phaße bezieht. Die zum Erhalt dieser beideii Werte notwendige Aufzeichnungszeit kann sehr kurz und gleich einer Halbperiode des emittierten Signals sein. Die erhaltene Aufzeichnung wird dann ausgenutzt, um, beispielsweise durch Berechnung, und an der reellen Stelle im prospektieren medium gleichzeitig die Bilder der Emissionsquellen und/oder der Empfängerpunkte bezüglich der Diskontinuitäten und somit mätierungsweiae diese Diskontinuitäten selbst sowie die Dxffraktionspunkte zu reotituieren, die im Falle der seismischen Pröopektierung im aL!gemeinen Störungen der unterirdischen Schichten (beispielsweise einer Verwerfung) entsprechen.

Es soll nun besonders auf die Anwendung dea Verfahrens auf die seismische Prospektierung Bestig genoiaisen werden.

Nach einem zur Zeit verwendeten Verfahren ö©r seismischen Prospektierung sendet man in den Erdboden akustische Wellen kurzer Dauer, beispielsweise durch Explosion einer Ladung aus und betätigt gleichzeitig die Empfangs- und AufZeichnungseinrichtung für die reflektierten, aus den verschiedenen Schichten stammenden Signale während eines ziemlich langen Zeitintervalls, welches wenigstens der Zeitdauer für den Weg der durch die tiefste unterirdische Schicht, die erkannte werden soll, reflektierten Wellen entspricht. !Im zufriedenstellende Ergebnias zu erhalten, verwendet man im allgemeinen eine Vielzahl von Seismographen oder Gruppen toh Seismographen (beispielsweise 24 in Reihe angeordnete Seismographen). Die verschiedenen erhaltenen Spuren führen zu atatischen und dynamischen Korrekturen.■Sie müssen beispielsweise vor ihrer Summierung eine Verschiebung erleiden,, insbesondere, wenn man eine "multiple überdeckung¹* der Spiegel nach dem in der

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US-Patentschrift 2 732 906 von Heyne (1956) beschriebenen Verfahren erhalten will.

Ein Vorteil dee neuartigen erfindungsgenäBen Verfahrene besteht darin, daß nur ein geringes Volumen aufgezeichneter Daten notwendig ist, da nur zwei Werte für jede "Spur" anstelle von 6000 nach den bekannten Verfahren für den Fall gespeichert werden müssen, wo eine Probe alle !"Hilisekunden genommen wird. Im übrigen ermöglicht es das erfindungagemüße Verfahren, eine "multiple Überlagerung oder Überdeckung" der verschiedenen geologiechen Schichten vorzunehmen, ohne deß nan hierbei, wie dies üblicherweise der Fall ist, für die jeweiligen unterschiedlichen Entfernungen der verschiedenen ikdssions- und ^ ämpfangspunkte sorgen muß.

Die Erfindung soll nun anhand der beiliegenden leichnungen näher erläutert werden, in denen

Fig. 1 schenatiach den Weg eines emittierten und durch eine tiefe unterirdische Schicht reflektierten Wellenzuges wiedergibt{

Fig. 2 zeigt schematises ein Verfahren der klassischen Prospektierungi

Fig. 3 zeigt schematisch das Prinzip des Verfahrens m der Proapektierung nach der Erfindung\

Fig. 3Jk zeigt schematisch das Prinzip des übertragenen Prospaktierungavarfahrens nach dar Erfindung}

Fig. 4- zeigt achamatiacn das Prinzip des Prospektierungsrerfahrens nach dar Erfindung für dan Fall, wo dar Spiegel einen Einfallswinkel hat i

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Fig. 5 zeigt eine Stellung der Empfangseinrichtung bezüglich der Emisaionsquelle im Falle mehrerer Spiegel 5

Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung mit η-Empfängern in Reihe mit der Emisaionaquelle sowie das Reatitutionaprinzip;

Fig. 7 zeigt das nach dem Verfahren der Erfindung mit swei Empfängereinrichtungen erhaltene Restitutionebild;

Fig. 8 zeigt echematiach ein© erste Äusfiüsrungsform

der Vorrichtung zur Durchführung de® Verfahrens nach dar Erfladungι

Fig. 9 zeigt aetiematieefa ein® awsit® Auefütmragsform der Vorrichtung zar JhxrGhfWävm&s des

Nach den neuen ©rfiodusgßgQisMflsia ¥©rf©fer©a <ä©2? Prospektiemag emittiert man in ö@a EMboöea ©ine a©a.ocfer©»atieche sinusförmige unterhalten© Meile. BIqs© ¥©11© Jtaasr beispielBweise durch eiaem Vibrator klassischer -Beiart ©rseiägt werden.

Die Frequenz des Sigaale liegt snisefeiH 15 ^aä

bi® @uf Bruchteile eiaüü Herta ©ntepreetoüad Terrainabectoittes, der proepektiert
Je größer die Dicke dieses
die emittierte

Man keim die Äsplitoä® der

die Äbsebwletaiag d©r Hellen sit

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zu -berücksichtigen, wobei die stärksten Amplituden dem Beginn ■ der" Emission entsprechen müssen.-

Dauer des emittierten WelLenzug.ee* muß wenigetono gLöich dor doppelten Zeitdauer sein, welche die Wellen brauchen, um die .Entfernung zwischen den beiden äußeren Spiegeln dsa Terrainabsc-hnittes, der expLoriert werden soll, zu durchlaufen, Hacb Fig. 1 z. Β* , wo M.j den am weitesten on der Oberfläche befindlichen üpio^eL und JM^ den tiefsten Spiegel defl imterirdiHchen zu explorierendeii Abschnittes, darstellt, und £J (Hü Kmiiäiii -onsqußl Le am Erdboden ist, sollte die * Hm iss ion vnmigubtms ao -liM-ib^ .dauern, wie die akustischen'.Wellen brauchen, um tion Wee-A-B¹J zu durcheilen, wobei B der Reflektionapimkb den WeLLen-XugeH .auf. dem ■ tiefsten-Spiegel M₀ ist. Die EmisHionmLauer für den WiiLlenzitg kann beispielsweise 6 Sekunden orröichen.

.Empfang erfolgt mittels einer Empf finger einrichtung R (Flg. '0,'diu an der Erdbodenoberfläche angeordnet ist und doreh Empfangnfrequenz auf dio Emissionsfrequenz abgestimmt ist. Die Lmpfangszeitdauer ist kurz. Da nänlich ,}üdu ruflolctierenila unterirdische Schicht zwischen Hj und IU gegen die Oberfläche einer ■-sinusförmige. WeLIe zurückschickt, sind ihre frhaeenunfcerschiede konstant und ihre Schwebungen oder Auelenkungen erzeugen an der überfläche einen stationären Interfertinzzuetand. Jeder Punkt an der Oberfläche des Erdbodens vibriert also entsprechend einer Sinuskurve, deren Frequenz die der emittierten Sinuskurve ist, deren Amplitude und Phase Jedoch von einem I'unkt zum nächsten variieren. Da die emittierte Uinuskurve eine Dauer hat, die wenigstens gleich den Doppelten des Weges tt,j und I^ entspricht und deren Frequenz Spektrum aus*· reichend eng ist, genügt es, ausgehend von dem Augenblick, wo die durch den tiefsten Spiegel iL> reflektierten Wellen an die Oberfläche des Erdbodenο gelangen, die Maximalaaplitude und die Hiase der Schwingung an jeder Empfängerstelle zu erkennen

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und aufzuzeichnen, um niinit liehe Spiegel und Üiffrakbioiujpimkte zwischen M.j und Mg zu ruetituieren.

Die Empfangs- und Aufzeichnuiigazeit kann also sehr kurz it: in, da Lm Prinzip ei no Hilbperiode genügt;, um di« vc> iiergt:;U..>r'lim Parameter zu b ο κ blumen. Uti nämlich dna Verhältnis; von Hi κ im 1/ tleräufjch zu er hohem, kann man das empfangene Sign-il wann·* . I einer Zeitdauer entsprechend n-Pörioden aufzeichnen, (wobei η beifipielfwaiiTö gleich 10 ist). Man bildet dann i;; t\n nicl ba» kannbor V/jiae die iJumnio dieuer rx-Periodtm, um da ι /erhälti-iio von iJign-il an Gor-äuach odor Störung in einem /or 1-\l bni-i ·/ η" zu erhöhen. Hat;hd«.!i:i dienü ijiiiüiüu· gebildet L¹Jb₁ mü'jijüü auf ; 1 I ■■ Fällt; je loch zv;ei Uurte zurückbehalten und pro trupfangfiptuikb aufiiHi'.eit:hn«t v;erden, wobei der eine dir mittleren Amplituda der ÜJchwingung an diener Stelle, der andere ihrer Phaau ■ gegenüber der ümissionaBinuekurve entaprichfc.

So braucht selbst im Falle der Aufzeichnung wähi-mid msiuorfU' Perioden die Einpfangodauer des reflektierten Signal© nur etliche Zehntel Hilliaekunden betragen_s wählend «ich dm Vöi-fahren dor klaaaiochon Seismik die Empfangsdauei obwa ?> £]«kim·· den ini allgemeinen beträgt.

Zum bestreu Verständnis dee Verfahrens nach der Erfindung iot es nübzlich, aich ein übliches Verfahren der asisialochen Prospekt ierung, das mit Fig. 2 erläutert wird, vor Aug-m zu halten.

Nach diesem Verfahren emittiert man akuetlache Wellen mn einer Quelle S, die auf der Erdbodenoberfläche angeordnet ist. Die akustische Energie kann beispielsweise in Form ein mi Inpulses für den Fall einer Dynamitexplosion oder in Fora eines langen Signals im Falle der Benützung von Vibratoren emittiert werden» In beiden Fällen enpfangen die Empfänger

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odor Gruppe·η von Empfängern R , R₁ ···» R„» die in Reihe an der ErdVodfcnoT:prflache angeordnet sind, die Wellen, die bei ij au«treten uii-3 durch den üpiegel K an den Reflexionspunkten M , M. ..., M, reflektiert werden. !lan ermittelt dann in an eich bekannter Weise die Ijage d^r Reflexionspunkte M . M. M und damit des Gpiegele M, indem man auf den Aufzeichnungen dos In-Phase-hringen der reflektierten Wellen für die verschiedenen Punkte markiert. Wenn man, wie ea üblich ist, 24 Empfangt-:· vorwendet, eo restituiert man also 24 Punkte des M und jedem restituierten Punkt enaprieht nur ein

einziger We^ ^vzw. ein einziger Bahnverlauf, wie 2. B. SM R .

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren emittiert man wie vorher akustische Wrllen von einer Quelle S (Fig. 5), die an der Erdbod-erioberfläche angeordnet ist, diese Quelle muß aber notwendigerweise sinusförmige Wellen abgeben. Qnpfanger R. R^, ..., R empfangen die aus S stammenden und durch den Spiegel K reflektierten Wellen. Anschließend an die fieetitutionsstufe jedoch ermittelt man die Position, und uwar nicht der He-/ flexionepunkto H , H^_t ..., Ä, sondern dea einsigen Bildes S^ der Quölle ä, das durch den Spiegel W gegeben wird» Ran leitet dann die Position des Funktee 4 des Spiegele K her, der eich in halber Entfernung von den Punkten S und S₄. befindet. Wenn, wie im vorhergehenden Fall, man 24 Empfänger benutzt, so ermöglichen es die 24 Aufzeichnungen, einen einzigen Punkt eu rekonstituieren, nämlich den des Bildes S_-. der Quelle 8» Dieser Punkt S wird dann reetituiert, indes man 24 unterschiedliche Bahnen verwendet, was sehr günstig ist, um das Verhältnis Signal/Geräuech au verbessern. Ben ir^np ebenfalls gleichzeitig mehrere Emiesionsquellen S₁ B¹ ... (Pig. 3) verwenden. Die Restitution der Bilder wird inter ausgehend von ein und der gleichen Aufzeichnung YorgenosaMxi, die nur über η-Perioden (n - 10 beispielsweise) eich verteilt. Jedes der Oeiseionspunkte wird der Bildpunkt S^ oder S¹^ «xageordnet,

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der durch den Spiegel M gegeben ist. Multipliziert man die gleichzeitigen Emissionspunkte, ao kann man eine Vielzahl von Bildpunkten der Quellen erhalten und so leicht den Spiegel M reßtituieren. Das gleiche Ergebnis kann selbstverständlich mit aufeinanderfolgenden Emissionen erhalten werden, wenn man Jede der Aufzeichnungen getrennt behandelt.

Man kann auch (Fig. 3A) die unterschiedlichen erhaltenen Aufzeichnungen von ein und der gleichen Empfängereinrichtung H bei Schüssen verwenden, die getrennt an verschiedenen Stellen 8 , S, , ..., S abgegeben werden. Dieses Verfahren wird wie in der klassischen Seismik ein transponiertes Verfahren im Gegensatz zu dem in den Pig. 2 und 3 dargestellten Verfahren, bei dem es sich üb das normale Verfahren handelt, genannt. Ausgehend von den bei R aufgezeichneten Daten, die aus den Bohnen GKR, S, H^R, ···» ^n-^n^ ^s*^anunen» kann man das Bild R^ von R im Spiegel M und durch Deduktion den Punkt f des Spiegels restituieren.

Man sieht, daß das System mehrere Empfangepunkte und eine einzige Emissionsquelle (Hormalmethode) umfaßt} nan kann das Bild der Quelle restituieren und, wenn diese mehrere Emiselonspunkte und einen einzigen Empfänger (transponiertes Verfahren) aufweist, so kann man das Bild des Empfangspunktes unter der Bedingung restituieren, daß die Emissionen nicht gleichzeitig erfolgen. Sind mehrere gleichzeitig emittierende Quellen und ein einziger Empfänger vorhanden, so ist keine einsig« Restitution möglich, da man nicht über genig Informationen verfügt. Pur den Fall, wo mehrere Empfänger und mehrere Quellen vorhanden aind, restituiert man eo viele Bilder,wie Empfänger und Quellen vorhanden sind, vorausgesetzt jedoch, daß die gleichzeitigen Schüsse aus gegebenenfalls mehreren Quellen durch mehrere Empfänger empfangen werden.

Ist der Spiegel horizontal (Pig. 3)» eo befindet eich jeder

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Bildpunkt Ln der Vertikalen des Emisßionspunktes (normales Verfahren)»

Weist Jedoch der Spiegel einen Einfall oder eine Neigung (Pig. 4) auf, so wird er natürlich auf seine richtige Position restituiert. Wird die Aufzeichnung nach einer Abmessung vorgenommen, d. h., wenn sämtliche Seismographen sich auf einer Linie befinden, so kann man die Hypothese stellen, daß der Punkt S¹^ (Fig. 4) sich in der durch diese Linie verlaufenden Vertikalebene befindet. Wenn man dagegen an der Oberfläche die Seismographen entsprechend einem zweidimensionalen Netz angeordnet hat, so kann man das Bild S^ unabhängig von seiner Position im (unterirdischen) Gebirge restituieren.

Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht etf:aleo, ein Verfahren analog der "multiplen Überlagerung" zu realisieren, da jedem rekonstituierten Punkt so viele Wellenbahnen entsprechen, wie Empfänger in der Vorrichtung vorhanden sind. Dies ermöglicht also ein sehr elastisches Vorgehen, da jede Emission es ermöglicht, die verschiedenen Spiegel in multipler Überlagerung zu restituieren, ohne daß Ban sich darum kümmern muß, was gewesen ist oder was beim benachbarten Eüiissionspunkt sowie bei der zugeordneten Empfangseinrichtung sein wird· Man muß nicht, wie beim klassischen Verfahren, die Aufzeichnungen, die gut gewählten Emissions- und Aufzeichnungspunkten entsprechen, summieren, so, daß die Reflexionspunkte auf den Spiegeln zu gemeinsamen werden. Die statischen Korrekturen haben nach diesem Verfahren die gleiche Wichtigkeit wie im Verfahren der üblichen seismischen Prospektierung. Was die dynamischen Korrekturen angeht, so bilden sie, wie man veiter unten sehen wird, einen integralen Beatandteil des Hestitutionsverfahrens, was selbstverständlich voraussetzt, daß man die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten der akustischen Wellen im Untergrund kennt. Jeder Punkt des Spiegels wird dann systematisch mit mehreren Strahlen restituiert, der "Uberlagerungs"-

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£;ΐ·-ι·1 ./LfI gleich der Anzahl der aufgezeichneten Spuren, die für i L ti Reiijti uUbion dieses Punktoa verwendet worden.

',/■Γ'Γΐη ein Gegyrustand oder eine Anomalie des Terrains die tieiamiachf Energie bougb öder streut, so sendet er Informationen an alle Eapfanger, und das"Verfahren nach der Erfindung ermöglicht es. das Bild dieses Gegenstandes auf die wirkliche Lane au rostituierenj tatsächlich spielt dieser Punkt die liolle von Bildern der Quelle S^, S'^, wie vorher zu sehen war. i)er Grad der "überlagerung" für einen beugenden Punkt ist gleich der Anzahl der unterschiedlichen Bahnverläufe, die, ausgehend von diesem Punkt, die .Empfänger erreicht haben» Im i'nlle vom gleichzeitigen oder aufeinanderfolgenden Emissionen ist diese Zahl gleich dem Produkt der Anzahl der Emissionen, die c^f-s ösen beugenden Punkt (Diffraktionapunkt) erregt haben, durch die Anzahl der Empfänger dar Vorrichtung. Nach der Uosbitutionestufe sbellt man auf den Aufzelcimungadokumanten nicht mehr das Vorhandensein von Diffraktionshyperbolen fest, wie dies beim üblichen seismischen Prospektieren der Pail isb, sondern nur das Bild des Diffrakfeioaepwikt©® in seiner tatsächlichen Lage im Untergrund»

Empfangseinrichtung kann auf dem Boden ansprechend zwei Abmessungen oder entsprechend einer Abmeseusg, d. h. in einer Linie, wie bei der üblichen seismischen Proepektierung angeordnet sein.

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Der Bereich tii-r Vorrichtung steht nicht wie bei der klaeiaiacLoü Seismik in Beziehung zur Länge dec Spiegels, den man Vei. _t1<-der Üninaicii ermitteln will, sondern zur Ermittlung oder Auslönung, mit der man dna Bild für die verschiedenen Emia-Bionsquellen resti tuierei: will. Je weiter oder ausgestreckter die Vo: richtuti^; hinsichtlich einer oder beider Abmessungen iat, ucao besser wird die Genauigkeit, wenn der Spiegel plan ist.

Es ict ebenfalls notwendig, engenähert die Entfernung zu bestimmen, die die verschiedenen Empfänger oder Emissione- quellen trennen soll.

In Fig. 5 nun bezeichnet man mit S eine Eoissionsquelle an der I/rdbodenc-berflache. S. ist der Bildpunkt der Quelle G gegenüber dem am weitesten an der Oberfläche befindlichen Spiegel M^, der restituiert werden soll. Dieser Spiegel trird in^fcorizontaler Lage angenommen.

llit R(x) bezeichnet man einer. Seismographen, der an der Erdoberfläche unter einer Entfernung χ von Punkt S sich befindet. Man muß am I"unkt IUx) und in dessin Hähe eine Iiaumfrequenz k in Hertz pro Meter aufzeichnen, die durch folgende Beziehung gegeben ist:

k - -ψ- sin (X^ , ■. ' ' W

wobei f_₀ die TSini bs ionsf requenz in Hertz, T die Fortpflanzungsgeschwindigkeit in Meter/Sekunden der Wellen im homogen angenommenen Gelände (Boden) und-O^ der Iniidenzwinkel dos Strahle S^RCx) auf den Erdboden ist«

Die Raumfrequenz steigt alsj mit steigendem Winkel <&>·. Sind andere Spiegel Mg, M5» ·'·■■> M_n, die tiefer als der Spiegel M_-.

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Idegen, vorhanden, so führen diese zu Bildpunkten S«, S,, ..., S der Quelle S. Die bei R(x) empfangenen diesen Bildquellen entsprechenden Wellen addieren sich und in diesem Punkt R(x) entspricht das Spektrum der Raumfrequenzen der Summe der ELementarepektren, die su jeder der Quellen S₁, gehören.

Die durch die Empfängereinrichtung empfangenen Baumfrequenzen nehmen zu mit der Entfernung ac, und en jeder. Empfangsetelle ist die höchste Frequenz, die man aufzeichnen soll*, entsprechend der kürzesten Wellenlänge diejenige, die an dieser Stelle die durch den am weitesten an der Oberfläche befindlichen Spiegel M^ reflektierten Wellen erzeugt, was zum Bildpunkt S_n führt.

Es ist also vorteilhaft, eine Vorrichtung zu benutzen, bei der die Entfernung zwischen den verschiedenen Empfängern als Punktion ihrer Entfernung χ von der Quelle S variiert, wobei das größte Intervall den am nächsten der Emissionsstelle S befindlichen Empfänger entspricht.

Wenn beispielsweise der Bildpunkt der am weitesten an der Oberfläche befindlichen Quelle S^ eich auf 500 Meter befindet, so wird die Raumfrequenz X* der Bewegung des Erdbodens, hervorgerufen für die Reflexion am Spiegel Il an einer Empfangsstelle auf 300 Metern vom Baiseionepunkt S,zu;

einest^ »■

% V

V - Geschwindigkeit der akustischen Wellen, f - emittierte Frequenz- ist;

in diesen Fall hat ein &. einen Wert im wesentlichen gleich 0,5, damit wird λ⁹ # 2 X.

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Dagegen hat für einen Enipfangspiinkt an der Oberfläche unter einer Entfernung von 15 Metern von der Fjoiasionsquelle S ο in Ä.j einen Wert im wesentlichen gleich 0,98 und die Raunifrequenz X¹ ißt etwa gleich X.

Unter 1500 Metern vom Etaissionspunkt also ist die maximale Abweichung zwischen den Empfängern an der Erdoberfläche zweimal kleiner als etwa bei 500 Metern.

Die Yerfahrensstufe, die sich an Eapfang-AufZeichnung mit Hilfe von Seismographen anschließt, ist dia Reotitution, Dao Prinzip der Restitution beim normalen Verfahren besteht darin, anzunehmen, daß die Seismographen nunmehr ninusförmigo Erschübterungßciuellen sind und daß diese verschiedenen Bewegungen durch Berechnung zusammengesetzt werden. Wenn die durch die Seismographen hervorgerufenen fiktiven Erschütterungen dio gleichen sind, die sie im Augenblick der Aufzeichnung erleiden, muß das Zusammensetzen dieser fiktiven Bewegungen die verschiedenen Bildpunkte der Eaiflsionaquellen rekonstituieren.

Fig, 6-zeigt eine in einer Linie vorgesehen© Vorrichtung, die sich, aus n-öeismographen zusammensetzt, die beispielsweise auf ein und der gleichen Seite des ifeissionspunktee 3 angeordnet sind. Bei der Aufzeichnung hat jeder dieser Seismographen R_it der einer später beschriebenen Vorrichtung angeordnet ist, die Amplitude a^ der Vibration an der entsprechenden Stelle der Vorrichtung aufgezeichnet, genauso wie dessen Phase <f_i, der Ursprung dieser Phasen wird beispielsweise an der JEmissionssteile S gewählt»

Für Jede Aufzeichnung entsprechend jedem 8*i*e©$raph wird der die Phase ausdrückende Ausdruck also tu» .

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Bin Rnntitutionaverfahren wird nunmehr im folgenden beinpielaweinii oenchrLeben.

Man kann beispielsweise an jeder Stelle P(x,y) (t'ig. 6) der dur'ih die Vorrichtung verlaufenden Vertikalebene die ^erochio» denen durch die verschiedenen üeiainographen R. euiittierteti WeLlcn mit einer Amplitude a- und einer Phase ~?~- 8,.H- zu · ßammonnebzen.

i'Mir einen Punkt P der Koordinaten £ und y wird alao dia άοιιι ρLexe AwpLitude zu;

₁₁₁

jr- II J

j r x,y) - Σ a. e , uo ]'" «·

i-1 ^τ

iian tjLeht also gut, daß im FaLIe etnea einzigen Spiegeln H,., wenn düj.· l'unkt P mit der einzigen i^uelle B^ entnpcochorul H^ zuaamnt ni'ällt, die Differenz 3.,R. - PR. bei aäiüL liehen aundrücken dor rmmme zu null wird, und der Modul der komplexen AmplLtudü χ , der bei P erhalten wird» wird maximal.

Tat eine große Anzahl von Punkten 3^, S^» ..., O - Cig. ^Γ> vorhanden, so findet man immer dann, wenn der Punkt P mit einem dieser Punkte zusammenfällt, bei der Restitution uin relative«! Maximum des Moduls. Vlan ordnet ao jedei.L Punkt P(x,y) vier durch die Vorrichtung verlaufenden Vertikal «bane einen Wert \S (x,y)l, Modul von j , zu und übersetzt υΛίΐ iin Papier oder auf einen Aufzeichmmgafilin nach einem an »ich bekannten Verfahren die starken Amplituden von | ί ! durch die starken photographiachen Dichten und die schwachen Amplituden durch die schwachen Dichten.. Eb resultiert hieraus eine Eepräßentation eineu vertikalen Abschnitbea des Unfcergrimdee, wo dio uüiamischen Horizonte dargestellt werden tlurch diö Aufeinanderfolge der Bilder der Quellen (normale ; Verfahren)

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oder durch die Empfänger (tranaponiertee Verfahren).

Fig. 6 steht für den Pall einer in Linie angeordneten Vorrichtung nach dem normalen Verfahren, die sich völlig auf einen der gleichen £3eite, bezogen auf den Emieeionspunkt S, "bezieht. Jn iiianchen Fällen iet es nämlich vorteilhaft, zur Erreichung einer guten Auflösung die Empfänger auf zwei Vorrichtungen D^ und D₀ zu beiden Seiten von S, wie in Pig'. 7 dargestellt, aufzuteilen, wobei die bei D^ und Dp vorgenommenen Aufzeichnungen im übrigen entweder gleichzeitig oder aufeinanderfolgend sein können. In sämtlichen Fällen bieten eich zwei BohandlungßDößlichkeiten: Entweder betrachtet man die Anordnung ίλ, und up als ein und die gleiche Vorrichtung oder nan. behandelt getrennt die bei D^. und D« vorgenommenen Aufzeichnungen. In dieaeia Fall iet Jeder Funkt der Ebene, wie beispielsweise Hxj), der in Fig. 7 definiert wurde, mit zwei Werten behaftet, von denen der erste 0,., der andere D^ entspricht. Man versucht dann, durch Kombination dieser beiden Werte willkürlich oder beliebig P eine reele Zahl zuzuordnen, derart, daß die so erhaltene Auflösung oder Ermittlung hei S^ die bestmögliche wird.

Sine beispielsweise Vorrichtung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Maßnahmen soll nun mit Bezug auf die Fig. 8 und 9 erläutert wurden. ·

Nach einer ersten in Fig. 8 dargeetellten AusfÜhrungefono umfaßt eine Vorrichtung nach der Erfindung eine Emissionseinrichtung F, eine Empfänger einrichtung G und eine Sinrlcatuag zum Verarbeiten von Informationen H, eine AufBeiehnmigaeinrichtung I und ein Zählwerk J.

Die Emissionseinrichtung F umfaßt beispielsweise ein oder mehrere Vibratoren 1, welche jeder ein sinusförmiges Signal von der Frequenz f aussenden, die mit Strom von ein und des

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gleichen Generator 2 oder jeder durch einen gesonderten Generator erzeugt werden können. Eine elektronische Torschaltung 5, die in den Kreis zwischen Generator 2 und Vibratoren 1 eingeschaltet ist, ermöglicht es, das Emieeionesignal während des gewünschten Zeitintervalle zu liefern, d. fa. hier während des Zeitintervalle, die die akustischen Wellen brauchen, um im Hin- und Hergang den vertikalen Abschnitts des Terrains, der untersucht werden soll, zu durchlaufen*

Wenn die verschiedenen Vibratoren 1 elektrisch untereinander verbunden sind, so kann man sie derart anordnen, daß die Oberflächenstörungen in an sich bekannter Weise neutralisiert

φ werden.

Die Empfängereinrichtung G umfaßt einen Bapfängerpoaten 4 pro Spur, die aufgezeichnet werden soll. Jeder Bopffingerposten kann mehrere Geber aufweisen, üb das Slgnal/Störungsverhältnie in ebenfalls an sich bekannter Weiae su erhöhen.

Die Vorrichtung zur Behandlung der Informationen H, dia auf dem Erdboden angeordnet ist, umfafit ein elektrisches Bandpassfilter 5, welches zentriert ist auf die Uniβaionsfrequenz f_Q und angepaßt ist an die Breite des Bandes des emittierten Signals. Das aus dem Filter 5 kommend· Signal wird, in einem Verstärker 6 verstärkt. Eine elektronische,hinter dam Verw stärker in den Kreis eingeschaltete Torschaltung 7 läßt nur eine Zahl η von Perioden dea ßignalea passieren, d. h., sie ist nur während einer Zeit At - ^- offen· Dl··· Zahl n hängt von der relativen Größe dea Signale* und dar Störung bei* aufzeichnen ab. Je größer das Verh&ltnie Signal/Ötönme 1*%, desto kleiner kann die Anzahl der Perioden η a«in. Al· Grenzwert kann η -| Periode werden. Praktischem·!·· wihlt man η als ganze Zahl.

Der Wert dee Verhältnisses Signal/Störung, welcher η bestimmt,

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wird mittels eines elektrischen Breitwandpassfilt«re 8, welches auf die Emissionsfrequenz t_Q zentriert ist, und ein·· elektronischen Komparators 9 erhalten, welcher die jeweils aus den Filtern 5 und 8 kommenden Signale empfängt und sie vergleicht. Dies führt au einem Signal, welches eine Funktion des Verhältnisses Signal/Störung ist und welches bei Lieferung an das Gatter 7 di° Dauer von dessen öffnung steuert.

Sas aus dem Gatter 7 austretende Signal wird an eine Verzögerungeeinrichtung 10 übertragen, welche einen*Eingang und n-Ausgänge entsprechend den n- von der Torschaltung 7 durchgelassenen Perioden, entspricht. Diese Verzögerungseinrichtung kann gebildet werden durch eine sich bei konstanter m Geschwindigkeit drehende Magnettrommel. Ortsfeste magnetische Ableseköpfe werden um diese Trommel unter gleichen Intervallen derart angeordnet, daß die Zeit, die ein Punkt der Trommel braucht, um ein Intervall zwischen zwei Köpfen zu durchlaufen, gleich der Periode T '* γ- des emittierten Signales ist. Die η-Ausgänge der Verzögerungsvorrichtung werden an eine Summierungseinrichtung 11 gegeben, welche ein Signal in Form einer sinusförmigen Periode liefert, welches dem mittleren Wert der η-empfangenen Perioden während der Zeit At ■ Tr- entspricht.

¹O

Ein Amplitudendetektor 12 ermöglicht es, die maximale Anpli- ^ tude des sinusförmigen Bogens oder Wellenberges aus der Summierungsvorrichtung 11 zu messen. Die Behandlungsvorrichtung umfaßt im übrigen einen Phasendetektor 1J, der das direkt aus dem Generator 2 austretende Signal und das aus der Summiereinrichtung 11 austretende Signal eapfängt und die Phasendifferenz φ zwischen diesen beiden Signalen mißt.

Die Aufzeichnungsvorrichtung I umfaßt einen vorzugsweise numerischen Hagnetmuf «eichner 15« welcher für Jeden aapf anger aufzeichnet: den Aaplitudehwert ·, der durch den Detektor 12

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gegeben ist und die Fhaeenvtrechiebung (| ₈ welch® vom Detektor 13 geliefert wird ι d. ho fttr einen BctaB mit 24 muß man nur 48 Wert© aiiifss©iclinea_o

in den Schaltkreis hinter, dem Auf zeiclmer ©iagaeetater Rechner J ermöglicht die selbsttätig© Hestitufeisa»ausgehend von verschiedenen Werten von a imd von Cf entsprechend ©inen Verfahren analog dem vorher beschriebenen«.

Die Bilder der Quellen oder -Stupf äager werden öasm durch· eine Verteilung reeler ZaWLen in-eisern vertikal©» TOterirdiechen,, durch S und R. verlaufenden AbECtoitt ia feil© ©ia©r in Linie vorgesehenen Vorrichtung dargestellt«. D©i"t₉ wo man auf erhöhte Zahlen stößt, kann maa da© Bild ©ia©r Ο,μθΙΙ®, anordnen.

Nach einem zweiten in Figo 9 äarg©ütellt©a Äis spiel der erfiadungsgemäßaa ¥©E»^ielitimg isfaBt di©s@_ eiae Emissionseinrichtung F, MoatiseJa mit der Htariehtung W nach Fig. 8, welche ein Sigpaal ¥οώ. ©iac» AisgeaTbliek t eise aussendet. Ein© sweite Aiiagiossuiariefeteag F⁸, identisch- der Vorrichtung F, emittiert; ©in identisches Signal von einem Augenblick t 4- At ab. Die !seitliche Verschiebung At muß entweder null oder größer als die Dauer des emittierten Signals sein.

Die Empfängervorrichtung G ist gleich der nach Fig. 8»

Die Vorrichtung zur Verarbeitung der empfangenen Informationen H iet ebenfalls gleich der nach Fig*. 8 und liefert die Phasendifferenz zwischen dem emittierten Signal und dem empfangenen Signal sowie die maximale Amplitude des an Jedem Empfänger empfangenen Signals. Im ü'aile, wo^t gleich O ist, werden die Signale gleichzeitig emittiert; Etapfang und Verarbeitung erfolgen wie im vorhergehenden Fall der Fig. 8, bei der Restitution Jedoch erhält man zwei Bilder anstelle des einen.

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Venn At ^O₁ βο gibt ββ in die atm Pell zwei seitlich verschobene Emiasionesignale, die Jeweils aus den Vorrichtungen F und F' stammen j die Behandlunge- oder Verarbeitung*vorrichtung liefert dann nacheinander zwei Amplitudenaeßwerte a und a' und zwei Meßwerte für. die Verschiebung (f und Cf'-..

Die Auf zeichner einrichtung I umfaßt einen der 9un»iereinrichtung zugeordneten Speicher, wie durch das Eleeent 14· verdeutlicht ist. Der Speicher speichert momentan die a und tf betreffenden Informationen, die aus der Emissionseinrichtung F komnen, die Informationen a¹ und if ', die von F¹ herrühren, und die Üummiereinrichtung führt zur Amplitude

cob Φ + a'coe if ' )² ♦ (a eis (f + a'sin cf')^Z

und die Phase

a'sin» '

Φ - Arcttr a ainiy-» a'sin» ' T - Arctg a cos cf+ a'coe<f' *

Der Aufzeichner 15 zeichnet die Werte</cund f auf. Selbstverständlich, kann man mehrere füttieeioneeinrichtungen unter den gleichen Bedingungen zum Einsäte bringen. -

Ein Rechner oder ein Zählwerk J analog dem nach Fig. 8 vervollständigt eine BOlehe nach der Erfindung ausgebildete Vo:PP richtung.

Sämtliche Operationen können bei verschiedenen Frequenzen wiederholt werden. Die Vorgänge der Restitution können getrennt vorgenommen werden und überlagert werden. Man kann die verschiedenen Werte der komplexen Amplituden Jk^ die an jeder der üte11 en erhalten wurden, für die verschiedenen Frequenzen substituieren und den Modul der Summe nehmen. Nach den oben genannt ei] Beispielen arbeitet man mit in Reihe angeordneten Empiär-forn CFiκ. 6), was nicht genug Informationen für eine

Restitution liefert. Wünscht man eine solche

' - 20 - 0658 5Π K 3 Ζ'".

Restitution, so ist es klar, daß man nicht die .Empfänger auf einer gerad.cn Linie anordnen, sondern sie Über eine ganse Fläche verteilen muß.

Die Beechreibung der vorstehenden Beispiele erfolgte 80, dall als Emissionsquelle Vibratoren eingesetzt wurden, welche Wellen in den Erdboden schickten« Selbstverständlich kann Ban jede andere akustische monochromatische wellenauseendende ■ Quelle, beispielsweise Ultraschallsender, in einen flüssigen Medium im Rahmen der Erfindung verwenden. In diesem Falle können die Empfänger beispielsweise gebildet werden durch piezoelektrische Materialien. So kann man unter Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung beispielsweise topographische Oberflächen unter Wasser sowie die Oberfläche der Bohrlochwandungen, oder von Brunnen ermitteln oder erkennen. Man kann auch in Betracht ziehen, nach diesem Verfahren biologische Studien vorzunehmen, um innere Bereiche eines Organismus zu beobachten, Studien, welche üblicherweise entweder durch Bissektion oder durch Fhotographie mit Röntgenetrahlen oder y-Strahlen vorgenommen werden.

Man kann Sender oder Emitter für radioelektrische Wellen benutzen sowie Empfänger, die ihnen im allgemeinen zugeordnet sind.

Patentansprüche:

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'i /

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Fernerkennung oder -aufSchließung von Oberflächen oder Diskontinuitäten eines zu untersuchenden Mediums, insbesondere zur'seismischen Prospektion, wobei die Emission an wenigstens einer Stelle und der Empfang an wenigstens einer Stelle ton Wellen erfolgt, die im Bereich der akustischen und radioelektrischen wellen gewählt sind, wobei diese Emissions- und Empfangepunkte .unter Intfennmg von der Oberfläche sich befinden, dadurch gekennzeichnet, daß man an jeder Eniasionssteile einen Wellenzug im wesentlichen konstanter Frequenz und von einer Dauer wenigstens .gleich der Dauer aussendet, <31θ die Wellen brauchen, um die doppelte Bahn zwischen den äußersten Punkten der zu untersuchenden Zone zu durchlaufen; daB man an Jeder Bmpfängerr stelle den Empfang und das Aufzeichnen der reflektierten oder gebeugten Wellen nach einer Zeitdauer bzw. Verzögerung nach dem Beginn der leiaelon eines Yellenrages cos« * löst, welcher der Laufzeit der Wellen rom entsprechenden Emissionspunkt zum Empfangspunkt bei Durchgang durch einen extremen Punkt der zu untersuchenden Zone entspricht, daB diese Aufzeichnung eine Dauer wenigstens gleich der Halbdauer des emittierten Wellenzuges ist; daB men, ausgehend von Jeder Aufzeichnung, zwei charakteristische Zahlen bestimmt, eine für die Amplitude, die andere für die Phase der aufgezeichneten Wellen; und daB man diese Zahlen benutzt, um die Diffraktionen erzeugenden Diakontinuitäten und die Bilder der Emissions- und/oder Empfangspunkte, besogen auf die Oberflächen, welche die Bolle von Spiegeln beim betrachteten Medium spielen, reatituiert, was das Erkennen dieser Oberflächen möglich macht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB die Aufzeichnungsdauer gleich At - J*- ist, wo f_o die Emlssionsfrequens und η die Anzahl der aufgezeichneten Perioden der empfangenen Wellen ist«

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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des emittierten Wellenzuges im wesentlichen gleich der Zeit ist, welche diese Wellen brauchen, um die Entfernung im Hin- und Hergang zwischen der am nächsten befindlichen Diskontinuität und der am weitesten befindliche!. Diskontinuität, vergrößert um das Intervall At, zu durchlaufen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet _% daß die EmisBionsfrequenz des WelX&namgea gewählt wird in einem Frequenzbereich, dessen Wert im umgekehrten Verhältnis zur Entfernung zwischen den äußersten zu erkennenden Flächen des zu untersuchenden Mediums variiert.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen gleichzeitig an mehreren Stellen ausgesandt werden, und daß die Phasendifferenz zwischen diesen verschiedenen Wellen während der Emission konstant bleibt»

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgesandten Wellen eine größere Aaplitude zu Beginn des Zeitintervalls entsprechend der Ausseodung als am Ende dieses Zeitintervalls aufweisen.

7. Verfahren nach Anspruch 1_S dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden und die Phasen der aufgenommenen Signale an jedem der Empfangspunkte kombiniert werden, um hieraus eine charakteristische Zahl für'jeden der Punkte des zu untersuchenden Mediums herzuleiten, und daß man so die Bilder der Emissionsquellen bezüglich der Diskontinuitäten und/oder die Dikontinuitäten selbst restituiert.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Amplituden und Phasen der aufgenommenen und von mehreren Emissionspunkten kommenden Signale kombiniert, um hieraus eine charakteristische Zahl für jede der Stellen des

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zu unter suchenden Mediums herzuleiten und daß nan so die Bilder des Empfangspunktee restituiert.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrene nach Anspruch 1, gekennzeichnet in Kombination durch Emiseionseinrioatungtn (1) für monochromatische Vollen; Einrichtungen (2) zum Bpeieen der Emissionseinrichtungen »it elektrischen Signalen} Einrichtungen (3) zum Begrenzen der Emissionsdauer dieser Wellen in diesem Zeitintervall; Einrichtungen turn Empfang eines Signals entsprechend den durch die Diskontinuitäten des Mediums zurückgeschickten Wellen! Einrichtungen (5*8,9) «um Vergleichen des empfangenen Signals mit der empfangenen Störung/. Einrichtungen (7) zum Begrenzen der Aufeeichnungedauer des empfangenen Signals als Funktion des Verhältnisses Signal/ Störung bei einer gewählten Anzahl η von Perioden* Einrichtungen (10,11) zur Summierung dieser η-Perioden, welche einen sinusförmigen Verlauf entsprechend der mittleren dieser n-Perioden liefern j Einrichtungen (12) zum Kessen der maximalen Amplitude a der sinusförmigen Wellenwölbungi Einrichtungen (13) zum Ermitteln der Phasendifferenz Af zwischen dem aus den Speiseeinrichtungen (2) kommenden Signal und der sinusförmigen ,durch die Summierungseinrichtung (11) gelieferten Wellenwölbungj Einrichtungen (15)1 um für Jede der Empfangereinrichtungen (4) den Wert der Amplitude a und der Phasendifferenz qj aufzuzeichnen; und Einrichtungen zur fiestituierung der Bilder der Emissicnsquellen oder der Empfängerpunkte, ausgehend von diesen Werten a und (f.

10. Vorrichtung zur Äirchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 5» gekennzeichnet in Kombination durch Emissionseinrichtungen (1) für monochromatische Wellen mit wenigstens zwei Emissionsstellen (F₁F¹), die Jeweils ein identisches Signal zu gewählten unterschiedlichen Augenblicken emittieren; Einrichtungen (2) zum Speisen der Emissionseinrichtungen mit elektrischem Strom? Einrichtungen (3) zum Begrenzen der Emis-

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sionsdauer Jedes Signale zu diesem Zeitintervall; Einrichtungen (4) zum Empfang jedes durch die unterirdischen Schichten reflektierten Signals} Einrichtungen (5»8,9) zum Vergleich jedes empfangenen Signale mit der empfangenen Störung$ Ein» richtungen (7) zum Begrenzen der Aufzeichnungsdauer dee eapfangenen Signale als' Funktion des Signal/Störungsverhältnisee» bei einer Anzahl η der Perioden; Sum&ieruhgseinrichtungen (10,11), die nacheinander sinusförmige Wellenwölbungen jeweilB entsprechend der mittleren der η-Perioden jedes Signale liefern; Einrichtungen (12) sum Hessen der Haximalaapiitude (a,a⁽) jeder sinusförmigen Wellenwölbung; Einrichtungen (13) zum Ermitteln der Phasendifferenz^ CP, Cp¹) zwischen dem aus den Speiseeinrichtungen (2) und jeder sinusförmigen'Wellenwölbung hervorgegangenen Signale; den Summierungseinrichtung gen (14) zugeordneten Verzögerungeeinrichtungen, um durch . Kombination der Werte der Amplitude (e,«J) und der Phase ( (p , If ' ) einen Amplitudenwert *rt und einen/wert φ entsprechend dem Wert der Amplitude und der Phase zu liefern, die man erhalten hätte, wenn gleichzeitig Wellen an diesen verschiedenen Stellen emittiert worden wären.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Empfängereinrichtung für durch die verschiedenen Spiegel rückgesandten Wellen mit einer Vielzahl von Empfängern, wobei die maximale Abweichung zwischen den verschiedenen Empfängern mit zunehmender Entfernung vom Emiesionspunkt abnimmt.

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