DE2205350A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Transversalwellen im Erd boden - Google Patents

Description

INSTITUT PRANCAIS DU PETROLS DES CARBURAHTS ET LUBRIPlANTS RUEIL-MALMAISON (Hauts-de-Seine) Prankreich

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Transversalwellen im Erdboden·

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung ?ur seismischen Prospektion, die es erlaubt, im Erdboden akustische Transversal well en zu erzeugenη

Bei der seismischen Prospektion verwendet man hauptsächlich sogenannte akustische Longitudinalwellen, die sich in die Tie fe nach einer Dilatationsart fortpflanzen,, Man kann auch akustische Wellen benützen, die sich in die Tiefe nach einer Distorsioneart bzw„ einem Verzerrungsverfahren fortpflanzen, das man normalerweise mit dem Namen "'Iransversalwellen¹¹ bezeichnet. Man unterscheidet zwei Arten von Transversalwellen:

- die Transversalwellen, die den Partikeln eine Horizontalbewegung erteilen, deren gemessene Komponente senkrecht zu Vertikalebene ist, die durch das seismische Profil verläuft

209834/0848

220535Q

und die man SH-7ellen bezeichnet,

- die Transversalwellen, die den Partikeln eine Horizontal- · bewegung verleihen, deren gemessene Komponente in der durch das seismische Profil verlaufenden Vertikalebene enthalten ist und die man SV-fellen bezeichnet»

Die Verwendung akustischer Transversal-veil en ist von besonderem Interesse«, Da die Transversal well en nämlich bei gleicher Frequenz eine '/ellenlange, die kleiner als die der Longitudinalwellen ist, aufweisen, haben sie aufgrund dieser Tatsache ein besseres Trennvermögeηο Im übrigen weisen die SH-WeIlen die Besonderheit auf, daß sie unter gewissen Bedingungen keinerlei Umwandlung beim Vorhandensein von etratigraphiBchen Diskontinuitäten erleiden» Die von diesen Yellen erhaltenen Aufzeichnungen sind aufgrund dieser Tatsache viel einfacher^,

Die konjugierte Verwendung der longitudinalwellen und Transversalwellen ermöglicht es im Übrigen, gewisse physikalische Parameter des Gesteins zu bestimmen, ¹Ae zum Beispiel den Youngmodul, die Poisson'sche Zahl oder den Festigkeits- und Kompressibilitätsaiodul, dessen Kenntnis insbesondere in der ßeotechnik besonders stark geschätzt wird»

unter den Vorrichtungen, die es ermöglichen, Transversalwellen im Erdboden zu erzeugen, seien die in den US-Patentschriften 3 159 233 und 3 286 783 beschriebenen genannt, welche horizontale Vibratoren betreffen, die alternative Horizontalbewegungen durch Reibung gegen die Oberfläche, gegen die sie gepreßt oder angelegt sind, ausüben«

Der Nachteil dieser Vorrichtungen ist darin zu sehen« daß die durch die Vibratoren ausgesandten Impulse von langer

— 3 -209834/0848

220535Q

Dauer, im allgemeinen von mehreren Sekunden sind; es wird also notwendig, die erhaltenen Aufzeichnungen einer mathematischen Transformation zu unterziehen, um zurück zum Fall der Emission kurzer Impulse zu gelangen«,

Ein anderes bekanntes in der US-Patentschrift 2 740 488 beispielsweise beschriebenes Verfahren besteht darin, eine Masse gegen einen im Erdboden festen Anschlag zu schleudern«. Ein Nachteil dieser Vorrichtung ist darin zu sehen, daß sie erst nach mehreren Bohrvorgängen zu arbeiten in der Lage ist, die notwendig sind, um den Anschlag fest im Erdboden zu verankern«

Erfindungsgemäß nun sollen diese Nachteile mitteile einer Vorrichtung zur Erzeugung akustischer Transversalwellen im Erdboden mit einer steifen Kammer behoben werden, die eine Kopplungsflache mit dem Erdboden besitzt sowie mit Einrichtungen zur Erzeugung von Explosivkräften in dieser Kammer* Die Erfindung zeichnet sich aus durch Einrichtungen_s die eine seitliche Asymmetrie in der Verteilung der an diese Kammer gelegten Explosivkräfte hervorrufen, wobei diese Kräfte eine Komponente parallel zu dieser Kopplungsfläche aufweisen»

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Oberflächenvorrichtung, die durch eine Kammer mit Einrichtungen gebildet ist, um hierin, beispielsweise durch Explosion von kleinen Explosivladungen akustische Transversalwellen zu erzeugen, indem die Kugelsymmetrie der durch die Explosionen erzeugten fellen zerstört wird und so dem Erdboden, eine Tangentialkraft von kurzer Bauer erteilt wird. Diese Kammer ist fest einer Kopplungsfläche mit dem Erdboden zugeordnet«. Die seitliche Asymmetrie der an die Kammer gelegten Explosivkräfte, deren auf den Erdboden übertragene Resultierende die Transversalwellen erzeugt, kann erhalten werden, etweder durch Anbringung und Auslösung der Einrichtungen zur Erzeu-

209834/0848 ~ 4 -

gang der Explosivkräfte in seitlich in der Kammer exzentrischer Lage; oder indem man seitlich asymmetrisch in dieser Materialien mit unterschiedlichen Absorptionekoeffizienten für Hto3wellen anordnet oder indem man schlielich diese Einrichtungen'einander zuordnet.

Die Erfindung ist ganz besonders vorteilhaft, da sie:

a) es ermöglicht, auf den Erdboden ,viritungsvolle und mit extrem großer Stabilität reproduzierbare Stof3belastungen auszuüben;

b) sie es ermöglicht, in sehr bequemer Veise eine große Anzahl von Schüssen abzugeben, vvenn dies notwendig ist, um eine ausreichende Tiefe für die Untersuchung zu erhalten;

c) sie es ermöglicht, Spannungen in entgegengesetzten Rieh tungen zu erhalten und eine Tahl der Transversalwellen nach den Polarisationscharakteristiken vorzunehmen„ Die charakteristische Besonderheit der aus gerichteten Belastungen oder Spannungen resultierenden Vellen liegt in diesem Fall tatsächlich in der Tatsache, daß, wenn die Virkungsrichtung dieser Spannungen oder Belastungen um 18O° variiert, die Phase der Schwingungen entsprechend den Traneversalwellen ebenfalls um 180^ variiert;

d) die Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung au3er ihrer Mobilität und der Einfachheit der Betätigung und Anbringung noch den Vorteil sehr geringer Gestehungskosten bietet.

'Vettere Vorteile des Verfahrens sowie Werkmale der Vorrichtung sollen nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen beispielsweise Ausführungs-

formen der Erfindung dargestellt Bind*

In den Zeichnungen geben die Figuren 1A, 1B und 1C Prinzipschemata einer ersten AusfUhrungsform der Erfindung -vi ed er;

die Figuren 2A und 2B sseigen Prinzipschemata einer zweiten Ausführungsform;

Figur 3 zeigt ein Beispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Figur 4 zeigt eine Variante zu. der in Figur 3 gezeigten Vorrichtungβ

?fach einer ersten in den Figuren IA, 1B und 1G dargestellten Ausführungsform wird eine Explosiv»· oder Sprengladung 3 ia Innem einer Kammer I angeordnet, die eine Kopplungeflüche 2 mit dem Erdboden aufweist. Ein absorbierendes Material 4 ist seitlich nicht-symmetrisch im Innern der Karaer angeordnet, Die Ladung 3 ist in der Nahe der die durch das absorbierende Material eingenommenen Zone be~ gren2enden Oberfläche angeordnet. Der Hest der Kammer wird von einem gering absorbierenden Medium 5 (Wasser ζ·Β* ) eingenommen, welches für die Fortpflanzung der durch die Explosion der Ladung 3 erzeugten Stoßwellen sorgt. Auf-, grund der ungleichen Absorption der Stoßwellen bildet sich eine resultierende Tangentialkraft ungleich Null an der Anbringfläche der Kammer gegen den Erdboden» Diese resultierende Kraft erzeugt im Türdboden Transversal wellen, die sich hierin fortpflanzen, Diese "'Zellen sind in einer Richtung entsprechend der gering absorbierenden Abteilung der Schußkammer 1 polarisiert.

- "6 209834/0848

220535Q

Die Kammer kann von halbkugelförmiger Gestalt (Pig. 1A) sein,. Vorteilhaft verleiht man ihr eine elliptische Form ziemlich großer Exzentrizität (Pig. 1ft). In diesen beiden Füllen nimmt die absorbierende Zone teilweise eine der Hälften der Kammer ein, Man kann auch das absorbierende Volumen derart anordnen, daS eine halbkugelförmige Kammer sich wie eine elliptische Kammer verhalt. Diesen Effekt erreicht man, nie das Schema der Pig- 1C aeigt, indem man das absorbierende Material teils/ieise in ι'einer der Hälften einer halbkugelförmigen Kammer und teilweise im oberen Teil oberhalb der Explosivladung 3 anordnet.

Eine zweite Auaführungsform ist in den Figuren 2A und 2B wiedergegeben ο

Eine Explosivladung ist in einer halbkugelförmigen oder vorzugsweise ellipsenförraigen Kammer 1 angeordnet» Diese Kammer ist mit einer sehr gering absorbierenden Flüssigkeit (beispielsweise vasser) gefüllt und ist mit dem Erdboden gekoppelt. Die Explosivladung ist in der Kammer in einer Diametralebene für den Fall einer halbkugelförmigen Kammer und vorzu-gsweise in einer die gro3e Achse im Fälle einer ellipsenförmigen Kammer enthaltenden Ebene angeordnet* Ihre lage ist stark exzentrisch gewählte Nach dieser zweiten AusfUhrungsforra des Verfahrens wird die Atmosphäre außerhalb der Kammer als Absorptionszone verwendet. Die akustischen 'Veilen werden hierin wesentlich stärker ale in der Flüssigkeit der Kammer absorbiert. Aufgrund der exzentrischen Lage der Ladung 3 hat diese Absorptionszone wohl wie im Falle der ersten Auaführungsform eine bezüglich dem Explosionsort asymmetrische Lage. Hieraus folgt das Auftreten von Tangentialkräften, die den Erdboden, mit der die Kammer gekoppelt ist, gerichteten Belastungen oder Spannungen aussetzen. Die Orientierungsrichtung der

— 7 _ 209834/0848

220535Q

Belastungen befindet sich in einer durch die ladung und die Mitte der Kammer verlaufenden Ebene₀

Die schematisch in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform umfaßt beispielsweise eine steife halbkugelförmige Kammer 1, die an ihrer Unterseite durch eine für akustische Wellen durchlässige Membran 16 geschlossen ist_c Das Innere der Kammer ist in zwei Abteilungen 4 und 5 unterteilt, die durch eine Membran 6 getrennt sind» Die durch einen Teil der Vandung der Kammer und durch die Membran 6 begrenzte Abteilung 4 enthält Luft, welche als Absorbierungsmittel für die akustischen Vellen verwendet wird«, Die Abteilung 5 ist wassergefüllt ο Die Explosivladung 3 wird in der Abteilung 5 der Kammer in der Nähe der Trennmembran 6 für die beiden Abteilungen angeordnet„ Die Explosivladung kann in einer Explosivpatrone enthalten sein„ In diesem Fall kann man vorteilhaft ein Patronenladesystem analog dem verwenden, wie es in der französischen Patentschrift 1 475 622 beschrieben ist und ein Laderohr vorsehen, das bis in das Innere der Kammer verlängert ist und an dessen Ende die durch einen Vasserstrom vorgetriebenen Patronen in Anschlag kommen und gezündet werden«

Die beispielsweise dargestellte Vorrichtung umfaßt auch ein Element 7 zur Kopplung der Membran 16 mit dem Erdboden. Dieses Element hat eine Keilform und ruht auf dem Erdboden über eine Platte 8, welche Kanten aufweist, die auf ihre gesamte Oberfläche verteilt sind» Die Kammer 1 ruht oder ist befestigt auf der geneigten Fläche 9.des Elementes 7, ^! und zwar über einen Ringträger 10. Das keilförmige Element 7 ist besonders wirksam, um die Explosivenergie in Tangentialbeanspruchungen umzuformen und den Erdboden elastischen Deformationen auszusetzen,, Die auf die Oberfläche der Platte

_ 8 20983A/08A8

verteilten Kanten erleichtern die Übertragung der erzeugten Tangentialbeanspruchungen auf den Erdboden«. Das Element 7 ist hohl und in zwei Abteilungen 11 und 12 unterteilt. Die Abteilung 12 ist wassergefüllt und befindet eich unterhalb des Explosionsortes. Die vertikale, auf den; Erdboden über das Element wirkende Explosionekraft wird durch Absorption in Luft abgeschwächt, die in der Abteilung 12 enthalten ist-Die Abteilung 11 ist wassergefüllt und gegenüber der Vertikalen des Explosionsortee versetzte Sie sorgt für eine gUnstige Übertragung der seitlichen Komponenten der Explosivkraft auf den Erdboden,,

Nach der in Fig. 4 dargestellten Ausfuhrungsform besteht das Kopplungselement 7 aus einem Sockel 13 aus einem die akustischen Wellen gering absorbierenden Material, beispielsweise Beton oder Zement und ruht direkt auf der Erdbodenoberfläche auf. Dieser Sockel umfaßt eine bezüglich des Erdbodens geneigte Oberfläche 14, auf der die Membran 16 sitzt. Die Kammer ist am Sockel derart befestigt, daß ein Teil 16a der Membran auf dem Sockel aufruht, ein anderer Teil 16b begrenzt eine keilförmige Luftzone 15 wit 4er Eräbodenoberflftche. Die Kammer 1 ist beispielsweise von halbkugelföimiger Gestalt. Sie ist völlig mit einem gering absorbierenden Material (beispieleweise 'Yasser) gefüllt. Die Explosivladung 3 ist in der Kammer an einem stark exzentrischen Punkt, im wesentlichen unterhalb der Luftzone 15 angeordnet. Auf diese Weise wird die vertikale Komponente der durch die Explosion erzeugten Explosivkräfte im wesentlichen durch die Luftzone abgeschwächt und die Resultierende der Kräfte mit einer horizontalen Komponente wird durch den Sockel 13 auf den Erdboden übertragen. Uta die Übertragung der durch die Explosion erzeugten Tangentialbeanepruchungen - oder Kräfte zu verbessern, kann die in Kontakt mit dem Erdboden stehende Oberfläche des Sockels 13 auch Rillen aufweisen.

209834/0848

220535Q

Um Explosivenergie im Innern der Kammer zu erzeugen, kann man die Explosivpatronen durch explodierende Drähte ersetzen oder auch durch Elektroden, zwischen denen man einen Lichtbogen auftreten läßt.

Nach den beschriebenen Ausführungsformen wird die Xuft als absorbierendes Fluid verwendet«, Selbstverständlich kann man hierfür andere Fluide oder auch absorbierende Feststoffe, wie beispielsweise geschäumtes Polystyrol, Kautschukachaum, Sand etc vorsehen„„ο.

Die beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können in folgender Weise verwendet Werdens

a) ^TJm Transversalwellen vom Typ SV auszusenden, bringt man sie in die Achse des seismischen zu erzeugenden Profils, Die vertikale, die Ladung und die Symmetrieachse der absorbierenden Zone enthaltende Vertikalebene wird im wesentlichen parallel zu der durch das Profil verlaufenden vertikalen Ebene angeordnet«, Die Seismographen werden in der gleichen Ebene in Reihe angeordnet;

b) öm Transversalwellen des Type SH auszusenden, richtet man sie in eine Richtung senkrecht zum seismischen Profil» Die oben definierte Diametralebene wird im wesentlichen orthogonal zur Richtung der Seismographenreihe orientierte

Diese beiden Ausführungsformen können mittels eines einzigen Senders reallsiet werden; man kann jedoch auch mehrere Sender benutzen, um die Messung der Transveraalwellen nach dem Polarisation sprinzip zu verbessern, Zwei Sender beispielsweise sind bezüglich des zu untersuchenden Profils derart orientiert, daß aie Transversalwellen vom Typ SH in zwei einander entgegengesetzte Richtungen aussenden«, Nacheinander löst man die beiden

- 10 209834/0848

220535Q

Sender aus und nimmt für jeden eine Aufzeichnung vor. Dann erfolgt eine Subtraktion der beiden Aufzeichnungen. Man kann auch unter Verwendung mehrerer orientierter Sender in zweckmäGiger 'Veise bezüglich des zu untersuchenden seismischen Profils die Filtrierung der Störfortpflanzungen begünstigenο

Die beiden Ausführungsbeispiele für das Verfahren sind aber nicht als begrenzend zu verstehen*, So kann man der Kammer der beschriebenen Vorrichtung eine ellipsenförmige Gestalt oder irgendein anderes Profil verleihen, das in der Lage ist, eine saitliche Asymmetrie der auf die Kammer ausgeübten Stoßwellen hervorzurufen»

Im Hahmen der Erfindung ist es auch möglich, ebenfalls ein Kupplungselement 7 zu verwenden, das durch eine einzige, mit einem gering absorbierenden Material gefüllte Abteilung oder auch durch einen Sockel 13 gebildet ist, dessen geneigte Oberfläche ausreicht, um hierauf die die Kammer an ihrer Basis schließende Membran 16 in ihrer Gesamtheit abzusetzen»

Im Hinblick auf eine knappe Darstellung wurde die Erfindung nur anhand weniger Ausführungsformen erläutert;; Änderungen und Abänderungen liegen im Hahmen der Erfindungc

Patentansprüche t

209834/0848

Claims (1)

1. - 11

   Patentan sprüche

   Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Transversalwellen im Erdboden, mit einer steifen Kammer, die eine Kopplungsfläche mit dem Erdboden aufweist; und mit Einrichtungen zur Erzeugung von Explosivkräften in dieser Kammer, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Erzeugung einer seitlichen Asymmetrie bei der Verteilung der auf diese Kammer ausgeübten Explosivkräfte, wobei diese Kräfte eine Komponente parallel zu dieser Kopplungsfläche aufweisenο

   2ο Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung der seitlichen Asymmetrie in der Verteilung der Explosivkräfte wenigstens zum Teil gebildet werden durch Einrichtungen zum Anbringen oder Anordnen und Auslösen der Einrichtungen zur Erzeugung der Explosivkräfte in einer in der Kammer seitlich exzentrischen Lage ο

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung dieser seitlichen Asymmetrie in der Verteilung der Explosivkräfte wenigstens zum Teil gebildet werden durch Volumina von Substanzen mit unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten, die seitlich aeyaaek*isch im Innern dieser Kammer angeordnet sind»

   4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kammer eine für akustische Wellen durchlässige Wandung aufweist, gekennzeichnet durch ein Element zur Kopplung mit dem Erdboden mit wenigstens einer oberen Fläche, die bezüglich des

   - 12 209834/0848

   Erdbodens geneigt ist und wenigstens in teilweisem Kontakt mit dieser für akustische 'Vellen durchlässigen Wandung steht.

   5ο Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungselement durch wenigstens zwei Substanzen mit unterschiedlichein Absorptionskoeffizienten ge bildet wird, die derart angeordnet sind, daß die Substanz mit dem stärksten Absorptionskoeffizient sich vertikal unterhalb des Explosionsortes befindete

   6„ Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit dem stärksten Absorptionskoeffizient Luft ist„

   ^^Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, ▼ daß das Kopplungseiement gebildet wird durch ein festes Element, das in teilweisem Kontakt mit dieser durchlässigen Wandung steht; und daß ein Teil dieser Wandung mit der Erdbodenoberfläche eine Zone begrenzt, die mit einer Substanz mit einem Absorptionskoeffizienten größer als dem des festen Elementes gefüllt ist una sich vertikal unterhalb dieser Einrichtungen zur Erzeugung der Explosivkräfte befindet«

   ORfGJNAl