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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein System zur seismischen Erforschung des
Meeresbodens bzw. ein Seeseisnlikerforschungssystem mit einer Vielzahl seismischer
Energiequellen, deren jede seismische Impulse breitbandiger Frequenz erzeugt mit
einer niedrigsten Frequenz, einer höchsten Frequenz und einer vorherrschenden Frequenz
der seismischen Energie in jedem Impuls, mit einer Vielzahl von liydrophonen zur
Erfassung von reflektierten Impulsen und liitteln zurn Schleppen der Energiequellen
und der Ilydrophone hinter dem Schiff in horizontaler linearer Anordnung mit festen
Abständen zwischen den Energiequellen, zwischen den ilydrophonen und einer festen
seitlichen Distanz zwischen der Anordnung der Energiequellen und der Anordnung der
Ilydrophone.
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Die Erfindung bezieht sich speziell auf die Anordnung der Energiequellen
und Empfangseinrichtungen mit einer vertikalen Richtwirkung.
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Bei einer Seeseismikuntersuchung kann die seismische Energie von
einer linearen Anordnung von Energiequellen erzeugt werden, die hinter dem Schiff
her gezogen werden. Die Zukabel garantieren einen festen Abstand zwischen den Energiequellen.
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Ublicherweise besteht jede Energiequelle aus einer Gasquelle (so7cnanntes
air gun), die Prenluftimpulse in das Wasser leitet.
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Eine typische Gasquelle ist in der USA-Patelltschrift 3 506 o85 (George
B. Loper) gezeigt. Solche Gasquellen emittieren seismaische Impulse mit einer charakteristischen
Frequenz, die eine
niedrigste Frequenz, eine höchste Frequenz und
eine vorherrschende Frequenz der seismischen Energie in jedem Impuls enthält.
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Das Schiff zieht also einen seeseismischen Kabelbaum, sogenannter
Streamer, von Hydrophonen, der die von der Untergrundformation reflektierte seismische
Energie mißt. Systeme mit einem großen Zwischenraum zwischen den Energiequellen
und den Hydrophonen weisen eine große Amplitude in horizontaler Ausbreitungsrichtung
des von der Energiequelle erzeugten Geräusches auf.
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Es kann gezeigt werden, daß hierbei eine kritische Distanz von der
Energiequelle existiert, die durch die Schallgeschwindigkeit im Wasser und die Schallgeschwindigkeit
auf dem Untergrund bestimmt ist. Bei Uberschreiten dieser kritischen Distanz wird
die Energie totalreflektiert und breitet sich horizontal aus. Es ist daher wünschenswert,
solche Energiequellen und Empfänger zu verwenden, die eine solche horizontale Ausbreitung
unterscheiden können.
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In bekannten Anordnungen war die Länge der Anordnung und der Zwischenraum
zwischen den Elementen der Anordnung durch die vorherrschendc Frequenz der seismischen
Impulse bestimmt.
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Derartige Anordnungen weisen fUr die Energie an der vorherrschenden
Frequenz eine Richtwirkung auf; jedoch haben sie keine gute Richtwirkung im gesamten
breitbandigen Bereich der seismischen Impulse. So ist z.B. in einer Anordnung gemäß
der
USA-Patentschrift 3 479 638 der Zwischenraum zwischen den Energiequellen
ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge bei der gewünschten Frequenz.
Bei einer Anordnung gemäß der USA-Patentschrift 3 613 823 ist die Länge der Anordnung
größer als eine Wellenlänge bei der vorherrschenden Frequenz.
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Derartige Lösungen ermöglichen keine Richtwirkung über den breitbandigen
Bereich der seismischen Impulse.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein System der oben genannten
Art anzugeben, bei dem die im Stand der Technik auftretenden Nachteile vermieden
werden, bei dem eine gut Richtwirkung der seismischen Impulse erzielt wird und bei
dem weiterhin sich horizontal ausbreitende reflektierte Impulse ausgefiltert werden
können.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Länge mindestens einer
dieser Anordnungen größer ist als die Wellenlänge der in denbreitbandigen seismischen
Impulsen enthaltenen niedrigsten Frequenz und daß der Abstand zwischen den Elementen
dieser Anordnungen kleiner ist als die Wellenlänge der in den breitbandigen seismischen
Impulsen enthaltenen höchsten Frequenzen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Ilierdurch wird also gemäß der Erfindung eine Anordnung von Energiequellen
und Detektoren mit vertikaler Richtwirkung
geschaffen, durch die
bei Seeseismikuntersuchungen horizontal sich ausbreitende, von den Energiequellen
erzeugte Geräusche unterschieden werden können.
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Eine vertikale Richtwirkung über das breite Frequenzband der seismischen
Impulse wird durch eine horizontale Anordnung der Energiequellen und Empfänger erreicht,
deren Länge größer ist als die Wellenlänge der niedrigsten Frequenz der seismischen
Impulse. Der Zwischenraum zwischen den Elementen der Anordnungen ist kleiner als
die Wellenlänge der höchsten Frequenz der seismischen Impulse.
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Die Richtwirkung der Quellenanordnung kann dadurch geändert werden,
daß die Verzögerungszeit zwischen der Zündung der einzelnen Energiequellen in der
Anordnung verndert wird.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
im Zusammenhang mit den Figuren ausführlicher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 und 2 e in ein Seeseismikuntersuchungssystem; Fig.
3 die charakteristische Frequenz einer typischen Seeseismikenergiequelle; Fig. 4
die Richtwirkung einer linearen Anordnung seismischer Energiequellen;
Fig.
5 das Antwortsignal einer linearen Anordnung von 16 Elementen und Fig. 6 ein polares
Antwortdiagramm einer linearen Anordnung.
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Fig. 1 und 2 zeigen ein Seeseismikuntersuchungssystem.
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Ein Schiff 11 durchfährt einen seismischen Untersuchungsweg und vermißt
eine Untergrundformation 12 unter einer Wasserschicht 13. Hinter dem Schiff wird
über ein Kabel 17 eine lineare, horizontale Anordnung seismischer Energiequellen
14, 15, 16 und weiterer gezogen. Oberflächenschwinu:Ikörper 18, 19, 20 und weitere
ermöglichen,einen gleichmäßigen Zwischenraum zwischen den Energiequellen aufrechtzuerhalten.
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Ein seeseismischer Kabelbaum (Streamer) 21 von Hydrophonen wird also
hinter dem Boot hergezogen. Das erste hydrophob dieser Anordnung kann irgendwo außerhalb
des Schiffes angeordnet sein. Im Idealfall ist das erste Hydrophon direkt gegenüberliegend
im Zentrum der Energiequellenanordnung angeordnet. Eine Oberflächentrageboje 22
ermöglicht eine exakte Beziehung zwischen dem Iiydrophon-Streamer und der Energiequellenanordnung
aufrechtzuerhalten. Diese sind mit einer durch einen Pfeil 23 bezeichneten Distanz
voneinander seitlich versetzt. Diese seitliche Distanz ist so ausgelegt, daß die
Hydrophone in dem Streamer 21 dem sich horizontal ausbreitenden Geräusch der Energiequellenanordnung
ausgesetzt sind.
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Die Energiequellen dieser Anordnung können aus geeigneten herkömmlichen
Gasquellen (air guns) bestehen, wie sie in der USA-Patentschrift 3 506 o85 (George
B. Loper) beschrieben sind. In einer solchen Gasquelle steuert ein elektrisches
Signal ein Elektromagnetventil, wodurch Druckluft hohen Druckes plötzlich aus einer
Kammer in der Gasquelle entladen wird und hierbei einen seismischen Impuls im Wasser
erzeugt. Ubliche Gasquellen dieser Art haben ein Fassungsvermögen in der Größenordnung
von 1310 bis 3277 cm (80 bis 200 inches3) . Ein charakteristischer Frequenzverlauf
der seisraischen Impulse einer solchen Gasquelle ist in Fig. 3 gezeigt, in der die
Amplitude der akustischen seismischen Impulse über der Frequenz aufgetragen ist.
Wie dort gezeigt ist, liegt die niedrigste Frequenz der seismischen Impulse bei
10 Hz, die höchste Frequenz bei loo Hz und die vorherrschende Frequenz bei 30 Hz.
Es ist nun wünschenswert, der Energiequellenanordnung und der Hydrophonanordnung
eine vertikale Richtwirkung zu geben, um sich horizontal ausbreitende Geräusche
auszufiltern und über den breitbandigen Frequenzbereich der seismischen Impulse
(vgl. Fig. 3) das Antwortsignal zu den ilydrophonen zu maximieren.
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Bei bekannten Anordnungen wird eine lklaximierung des Antwortsignals
der Siydrophone auf die seismischen Impulse dadurch versucht, daß die Anordnung
der Energieslucllen so ausgerichtet ist, daß bei der vorherrschenden Frequenz, im
vorliegenden Beispiel 30 llz, ein maximales Antwortsignal erhalten wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Länge 24 der in Fiy. 1 dargestellten
Anordnung größer als die Wellenlänge der niedrigsten Frequenz der seismischen Impulse.
Werden z.B.
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Gasquellen mit einem in Fig. 3 dargestellten charkateristischen Frequenzverlauf
verwendet und wird weiterhin eine Schallgeschwindigkeit im Wasser von 1524 m/sec
angenorllmen, so ist die Länge der Anordnung größer als 1524 = 152,4 m.
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10 Weiterhin ist gemäß der vorliegenden Erfindung der in Fig. 1 mit
dem Pfeil 25 bezeichnete Zwischenraum zwischen den einzelnen Elementen der Anordnung
kleiner als die Wellenlange der höchsten charakteristischen Frequenz des Impulses.
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liat, entsprechend dem oben Beispiel, die Gasquelle den in Fig. 3
dargestellten charakteristischen Frequenzverlauf, so ist der Zwischenraum kleiner
als 1124 = 15,24 m.
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100 In einer praktischen Ausführungsform der Erfindung ist die vollständige
Länge der Anordnung 243,8 m,was wesentlich länger als 152,4 m ist. Die Anordnung
besteht hierbei aus 16 Gasquellen, die in Abständen von 15,24 m angeordnet sind.
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Die ilydrophone in dem Streamer 21 können die gleichen Zwischenräume
und die gleiche Länge der Anordnung aufweisen.
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Im folgenden wird erläutert, warum derartige Anordnungen eine vertikale
Richtwirkung und ein gutes Antwortsignal über den breiten Frequenzbereich der seismischen
Impulse haben.
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Eine Anordnung mit Richtwirkung kann im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben
werden. Die Richtwirkung der Anordnung ist mit #T bezeichnet, d.h. der Zeit, die
ein seismischer Impuls benötigt, um von der Quelle 26 zu einem Punkt 27 zu gelangen.
Mit anderen Worten ist T die Zeit, die ein seismischer Impuls benötigt, um von einer
Quelle am einen Ende der Anordnung zu der von den Impulsen anderer Energiequellen
erzeugten ebenen Wellenfront zu gelangen. AT läßt sich darstellen als: = n(T - V
vc:s (1) Vw n ist hierbei die Anzahl der Elemente in der Anordnung, bX ist der Zwischenraum
zwischen den Elementen, # der Winkel zwischen der Vertikalen und der Ausbreitungsrichtung
der Impulse, Vw die Geschwindigkeit der seismischen Impulse im Wasser und f die
Verzögerungszeit zwischen der Zündung der einzelnen Energiequellen. Die Frequenz
der seismischen Impulse ist 1/T. Bei einer horizontalen Energiequellenanordnung,
unter der Bedingung r = O, wird eine maximale vertikale Richtwirkung erhalten.
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Das Antwortsignal eines Geophon-Streamer (hier llydrophon-Streamer)
einer solchen linearen Anordnung von Energiequellen im eingeschwungenen Zustand
kann mit: R (# T ) = sin ##T/T T # #T/T
angegeben werden. Dieses
Antwortsignal R(T) ist in Fig. 5 dargestellt.
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In der Praxis wird das Antwortsignal des Systems durch Ermittlung
von und Vw und Errechnung von AT aus Gleichung (1) ermittelt. Für das obige Beispiel
erhält man AT = (243,84 C 4 ).
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Mit diesem A T, verschiedenen T ' s oder Frequenzen kann das Verhältnis
ß T/T bestimmt werden. Für die einzelnen Werte von AT/T kann das Antwortsignal aus
der obigen Gleichung (2) oder aus der Kurve in Fig. 5 ermittelt werden. Ein Bereich
solcher Werte wurde errechnet und als polares Diagramm gezeichnet. Fig. 6 zeigt
ein solches Diagramm. Es ist dort das Antwortsignal für eine horizontale lineare
Anordnung mit 16 Elementen im Abstand von 15,24 m dargestellt, ohne eine Auslöseverzögerung
zwischen den einzelnen Energiequellen. Das polare Antwortdiagramn zeigt das relative
Maß der seismischen Energie bei einer gegebenen Frequenz unter Ausbreitung mit verschiedenen
Winkeln, die auf die Energie der Ausbreitung einer punktförmigen Energiequelle bezogen
ist. Eine solche punktförmige Energiequelle weist ein charakteristisches polares
Antwortdiagramm mit einem Kreis der Amplitude 1,0 auf.
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Es sei darauf hingewiesen, daß für sehr große T der Bereich der Werte
dT/T zwischen 0 und 1 liegt. In dem Maß, wie T abnimmt, wächst AT/T jenseits 1 und
in dem polaren Antwortdiagramm erscheinen seitliche Äste (gestrichelte Kurve). Für
den Fall T = 0 liegen die Kurven symntetrisch um 8 = 00.
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Die horizontalen Anordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung sind
speziell für den Fall geeignet, bei dem die Energiequellen in separaten Gruppen
gezündet werden, um einen seismischen Impuls zu erzeugen, dessen Zeitbereichscharakteristik
inversen Verzerrungseffekten (distortion effect), die durch Echos in den Wasserschichten
verursacht werden, entsprechen.
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Eine derartige Technik ist in der niederländischen Patentanmeldung
No. 7601413 beschrieben.
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Obwohl eine spezielle Ausführungsform der Erfindung beschrieben und
dargestellt wurde, liegen unterschiedliche Ausgestaltungen innerhalb des Erfindungsgedankens.
Derartige Ausgestaltungen sind in den Patentansprüchen beansprucht.
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