DE3144196A1 - Verfahren und vorrichtung zum aufnehmen seismischer unterwassersignale - Google Patents

Description

Geophysical Company of Norway A.S. Veritasvn. 1, 1322 Hrfvik, NORWAY

Verfahren und Vorrichtung zum Aufnehmen seismischer Unterwassersignale

l>ie Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Sammeln bzw. Aufnehmen seismischer Unterwassersignale, bei dem mehrere. Sender für seismische Signale und ein Auf nehme Vokabel von einem hochseefähigen Schiff nachgeschleppt werden, und sie betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Bei der geophysischen Untersuchung des Meeresbodens ist es erforderlich, für die einzelnen Erdformationen charakteristische Informationen zu gewinnen. Dies geschieht mit

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Hilfe des Aussendens und Empfangens bzw. Registrierens seismischer Signale, die von einer Energiequelle in Form von Druckimpulsen ausgesendet werden, welche sich nach unten in die geologischen schichtförmigen Formationen hinein fortpflanzen, wobei bestimmte Signale reflektiert und aufgezeichnet werden. Hierbei wird bei jeder Zündung durch ein akustisches Kabel ein Reflexionsmuster registriert. Durch kontinuierliches Messen dieses Reflexions— musters erhält man ein Bild der geologischen Formation mit ihren Schichten, Verwerfungen usw. Als Energiequelle wird bei seismischen. Explorationsarbeiten eine sogenannte Druckluftkanone verwendet; solche Kanonen werden von einem Wasserfahrzeug geschleppt, und die reflektierten Impulse werden mit Hilfe eines akustischen Kabels aufgezeichnet. Die Druckluftkanonen dienen dazu, jeweils eine bestimmte Druckluftmenge auszustoßen, so daß eine langam abklingende Welle erzeugt wird, deren Schwingungsperxode sich nach dem. ausgestoßenen Luftvolumen richtet.

Bei der Verwendung zu reflektierender Impulse ist es vorteilhaft, wenn man eine Welle erzeugt, die möglichst weitgehend die Form einer Spitze aufweist, um Nachhall- bzw. Echoerscheinungen möglichst weitgehend zu vermeiden, so daß man ein möglichst reines Sendersignal erhält. Zu diesem Zweck werden bereits jeweils mehrere aufeinander abgestimmte Druckluftkanonen verwendet, die gleichzeitig Impulse erzeugen, wobei die Abstimmung derart ist, daß die Impulsechos ausgeglichen werden bzw. daß ihnen entgegengewirkt wird, während die erste Halbperiode der Schwingung verstärkt wird. Die Druckluftkanonen werden auf bestimmte Weise innerhalb eines begrenzten Bereichs angeordnet, und man kann sie als einen einzigen Sender betrachten, der unter Benutzung der zusammenarbeitenden Druckluftkanonen einen kräftigen, scharf ausgeprägten spitzenförmigen Impuls erzeugt. Man kann solche Senderquellen auch als "punktförmige Quellen" bezeichnen.

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Zwar liefern diese bekannten Punktquellen brauchbare Signale, doch da es sich bei ihnen um Sender ohne Richtwirkung handelt, ist es schwierig, den Ausgangspunkt einer bestimmten Reflexion, d.h. die genaue Lage der untersuchten Stelle zu ermitteln. Außerdem ergeben sich Schwierigkeiten aus dem Vorhandensein von Hintergrundgeräuschen, z.B.. von störenden Reflexionen an der Oberfläche des Meeresbodens, von Reflexionen an in einer anderen Richtung liegenden Punkten bei der Benutzung mehrerer Sender usw.

Somit wäre es erwünscht, einen Richtstrahlsender zur Verfügung zu haben, d.h. einen Sender, der in einer vorbestimmten Reflexionsrichtung eine Dominanz liefert. Eine bekannte Lösung für dieses Problem besteht darin, daß man mehrere der vorstehend geschilderten Punktquellen in einer Reihe oder auf andere vorbestimmte Weise so anordnet, daß die Anordnung in der senkrechten Richtung bezüglich der Signale bzw. Reflexionen mit einer Richtwirkung arbeitet. Ein solches System in Form einer Anordnung mit überlangen Druckluftkanonen ist in der Norwegischen Patentschrift 138 922 beschrieben.

Bei der Anwendung dieses Systems werden zwei bis vier Anordnungen von Punktquellen von einem Schiff nachgeschleppt, wobei zwischen den Reihen in der Mitte ein mit Hydrophonen versehenes akustisches Kabel angeordnet ist. Hierbei zeigen die ausgesendeten Signale eine Richtwirkung in der senkrechten Richtung und liefern ein gutes Bild des zu untersuchenden Bereichs.

Jedoch ergeben sich bei diesem System auch Nachteile, die unter anderem darauf zurückzuführen sind, daß der Meeresboden natürlich nicht eben ist. Obwohl die Konzentration der Wellen mit Hilfe der Punktquellen in einem erheblichen Ausmaß scharf ausgeprägte Signalspitzen liefert und trotz

der in der senkrechten Richtung erzielten Richtwirkung ist es bei der Untersuchung eines unregelmäßigen Bereichs nicht möglich, eine Streuung der Reflexionen und des zugehörigen Hintergrundrauschens zu vermeiden, wenn man auf Unregelmäßigkeiten trifft, z.B. einen Abfall des Meeresbodens oder dergl., so daß sich bezüglich der gewonnenen Informationen eine gewisse Unsicherheit ergibt.

Der. Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik ein verbessertes System zu schaffen, das es ermöglicht, die genannten Nachteile zu vermeiden. Genauer gesagt, besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die eine genauere Ermittlung der Lage der Signalreflexionen ermöglichen und die es gestatten, eine Verstärkung oder Fokussierung der Sendersignale an Punkten zu bewirken, an denen das Ausmessen der Formationen schwierig ist, d.h. die Möglichkeit zu schaffen, die Wirkung des Senders den tatsächlich zu untersuchenden Bedingungen anzupassen.

Mit Hilfe der Erfindung läßt sich eine weitere Richtungskoordinate gewinnen, denn die aus Punktquellen gebildeten "Teilanordnungen'* sind nicht nur längs einer Linie, sondern auch über die Breite des zu untersuchenden Bereichs verteilt. Es ist möglich, das Zünden der einzelnen Quellen getrennt zu steuern, so daß man im Vergleich zu bekannten Systemen eine bessere Kontrolle über den Datensammelvorgang erhält. Es ist möglich, eine Verstärkung bzw. Schwächung von Signalen zu erreichen, die an einem Reflexionspunkt zusammentreffen, so daß man Fehlerquellen entgegenwirken kann, die sich bei unebenem Meeresboden, z.B. bei steil abfallenden Formationen, ergeben können. Man kann die Abstände zwischen den Senderquellen sowohl in der Längsrichtung als auch in der Querrichtung variieren.-Die Erfahrung

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hat gezeigt, daß sich ein erheblicher Signalwirkungsgrad erzielen läßt.

Hierbei kann man die Richtung der Energieabgabe und/oder die Frequenz der Energiequelle in Abhängigkeit von der Tiefe und/oder der Gestalt der Formationen entsprechend der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Schallwellen innerhalb der Formation dadurch variieren, daß man den Abstand zwischen den Sendern in der Längsrichtung und/oder der Querrichtung verändert.

Man könnte auch sagen, daß es mit Hilfe der Erfindung möglich ist, die Energiequelle auf ein Ziel zu richten, d.h. die insgesamt ausgesendeten Signale zu einer Struktur zu leiten, bezüglich welcher ein besonderes Interesse entsteht. Die Bodenformationen, die kartiert werden sollen,, werden mit Hilfe einer Art von akustischer Linse untersucht. Unter Verwendung früher gewonnener Informationen über die Gestalt der Formationsschichten, der Tiefe und der Geschwindigkeit kann man die Energiequelle so gestalten oder einstellen, daß man eine maximale Energie für einen bestimmten Reflektor erhält, während gleichzeitig die von Vielfachreflexionen herrührende Energie auf ein Minimum verringert wird. Um diese Fokussierwirkung zu erreichen, wird die Senderanordnung so gestaltet, daß die Punktquellen innerhalb einer Fläche verteilt werden, wobei die verschiedenen Punktquellen in verschiedenen Zeitpunkten gezündet werden.

Zwar ist es bereits bekannt, mehrere Druckluftkanonen über eine relativ große Fläche und mit unterschiedlicher Anordnung zu verteilen, jedoch werden bis jetzt in allen diesen Fällen jeweils nur einzelne Druckluftkanonen benutzt, und eiae solche Verteilung von Druckluftkanonen innerhalb einer größeren Fläche soll entweder dazu dienen, jeweils insge-

samt einen relativ großen Bereich zu untersuchen oder ein bestimmtes Reflexionsmuster zu erzeugen. Gemäß der Erfindung wird dagegen auf andere Weise vorgegangen, denn es besteht nicht die Absicht, ein größeres System zu schaffen, sondern ein primäres Signal zu fokussieren und das Hintergrundrauschen auszuschalten, d.h. die Qualität · der an der reflektierenden Stelle zu gewinnenden Informationen zu verbessern.

Im folgenden wird die Erfindung anhand schematischer Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. I eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 in einer vergrößerten Darstellung Einzelheiten der Vorrichtung nach Fig. Ij und

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Wasserfahrzeug 1 dargestellt> das eigens mit Einrichtungen zum Schleppen von Kabeln für seismische Untersuchungen des Meeresbodens .versehen ist und auf dem Geräte zum Aufzeichnen und Speichern der gewonnenen Informationen vorhanden sind. Auf dem Heck des Schiffs befinden sich Trommelwinden 2 zum Abspulen und Einholen nachzuschleppender Kabel 3 sowie eine nicht dargestellte Einrichtung zum Ablassen und Einziehen eines akustischen Kabels 4. Die Kabel 3.tragen Druckluftkanonen, die in Form, einzelner Gruppen 5 angeordnet sind. Eine solche Gruppe oder Teilnnordnung ist mit weiteren Einzelheiten in Fig. 2 dargestellt; sie besteht grundsätzlich aus mehreren Schwimmern 6, von denen jeder eine Druckluftkanone 7 trägt. Zwischen jeder Druckluftkanone 7 und dem zugehörigen Schwimmer 6

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ist eine Einrichtung zum Zusammenfassen der Yerbindungsleitungen zum Triggern der Druckluftkanonen angeordnet. Innerhalb jeder Teilanordnung sind die Druckluftkanonen gemäß der vorstehenden Beschreibung so aufeinander abgestimmt, daß sie einen Sender in Form einer Punktquelle bilden. Die Abstände zwischen den einzelnen Teilanordnungen können variiert werden; der Aufbau der nachzuschleppenden Kabel 3 entspricht im übrigen der Beschreibung in der Norwegischen Patentschrift 138 922.

Gemäß der Erfindung müssen die zu schleppenden Kabel 3 quer zur Fahrtrichtung des Schiffs 1 auf eine vorbestimmte Weise verteilt werden. Zu diesem Zweck ist an jedem Kabel 3 ein ebenfalls mit Schwimmern versehenes Otterbrett 8 befestigt, dessen Stellung von dem Schiff aus geregelt werden kann. Werden die Otterbretter 8 in die richtige Lage gebracht, entstehen die gewünschten Querabstände zwischen den Kabeln 3, so daß die Kabel innerhalb einer bestimmten Fläche verteilt werden.

Es ist ohne Schwierigkeiten möglich, mit Hilfe eines Schiffs sechs solche parallelen Anordnungen zu schleppen. Die Abstände zwischen den Teilanordnungen 5 längs der Kabel 3 lassen sich variieren; auch die Querabstände zwischen den Kabeln 3 können durch entsprechendes Einstellen der Otterbretter 8 so variiert werden, daß die Fläche, innerhalb welcher die Sender verteilt sind, z.B. eine Breite von 5 bis 75 m erhält.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausfuhrungsform der Erfindung, zu der wiederum ein Schiff 1 der in Fig. 1 dargestellten Art gehört. Auch in diesem Fall werden ebenso wie bei der zuerst beschriebenen Ausführungsform Schleppkabel 3 und ein akustisches Kabel 4 verwendet. Die Ausführungsform nach Fig. 3 unterscheidet sich jedoch von derjenigen nach Fig.

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dadurch, daß anstelle der längs der Schleppkabel in Abständen verteilten Teilanordnungen von als Punktquellen ausgebildeten Sendern am Ende jedes Schleppkabels nur eine Teilanordnung von Sendern vorhanden ist. Die seitliche Verteilung der Schleppkabel wird in der gleichen Veise wie bei der Ausführungsform nach Flg. 1 mit Hilfe von Otterbrettern 8 herbeigeführt. Bei dieser Ausführungsform wird ein Flächenbereich dadurch simuliert, daß die Informationen addiert werden, die man erhält, wenn man die in den Bereichen 5 angeordneten punktförmigen Sender, die über die Breite der Fläche verteilt sind, mehrmals nacheinander zündet.

Im Rahmen der Ansprüche läßt sich die Erfindung in der verschiedensten Weise weiterbilden. Die Anforderungen bezüglich der Energiequellen variieren in Abhängigkeit von dem zu untersuchenden Bereich. Die aufzuzeichnenden seismischen Signale haben unterschiedliche Frequenzgehalte und scheinbare Wellenlängen, Das Geräuschbild variiert außerdem von einem Bereich zum anderen. Hieraus folgt, daß man die Möglichkeit haben muß, die Richtwirkung der Energiequelle in Abhängigkeit von den geologischen Bedingungen zu verändern, die untersucht werden sollen. Dies geschieht auf einfache Weise durch Variieren der geometrischen Verhältnisse der Senderanordnung, d.h. der Anzahl der verwendeten Elemente, der Größe der Fläche, innerhalb welcher die Sender verteilt sind, sowie der Abstände zwischen den Elementen. Mit Hilfe von Winden lassen sich die Abstände zwischen den Elementen leicht manuell verändern. Hierbei beschränkt sich die Anordnung.nicht auf ein rechteckiges Muster, d.h. ' man kann sternförmige, fächerförmige, kreuzförmige oder kreisrunde Anordnungen verwenden.

Bei allen beschriebenen älteren Systemen handelt es sich lediglich um einfache Erweiterungen von punktförmigen Quellen. Hierbei wird eine Punktquelle verwendet, die sich aus zwei oder drei Ketten von Druckluftkanonen zusammensetzt,

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die in Querabständen verteilt sind, um einen Bereich von größerer Breite zu erfassen. Bei dieser Lösung ergeben sich offensichtliche Nachteile, denn es bestehen nur beschränkte oder überhaupt keine Möglichkeiten, die geometrischen Verhältnisse zu variieren, und außerdem besteht jedes Element aus einer einzigen Druckluftkanone, woraus sich Nachteile ergeben; hierzu gehört die Tatsache, daß Impulse von geringer Bandbreite erzeugt werden, wobei jeder Impulsreihe lang anhaltende Echos folgen; außerdem ist es schwierig, das gesamte Ansprechverhalten des Systems zu" berechnen.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1.!Verfahren zum Aufnehmen seismischer Unterwassersignale, *—^ bei dem mehrere Sender für seismische Signale und ein Empfängerkabel von einem Wasserfahrzeug geschleppt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender im Wasser in Form von Anordnungen so verteilt werden, daß aus Punktquellen bestehende Sender auf bekannte Weise gebildet werden, und daß die Sender unter Benutzung geeigneter Mittel veranlaßt werden, sich gegenüber der Schlepprichtung seitlich zu verteilen, wobei die Abstände zwischen den Sendern, die Zündenergie und die Zündzeitpunkte von dem Wasserfahrzeug aus entsprechend Informationen geregelt werden, die vorher bezüglich der Natur des Meeresbodens gesammelt worden sind.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Punktquellen gebildeten Senderanordnungen sowohl in der Querrichtung als auch in der Längsrichtung verteilt werden.

   3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Sender in der Querrichtung mit Hilfe von Otterbrettern und Ottern verteilt werden.

   4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungsenergie und/oder die Frequenz der Energiequelle in Abhängigkeit von den Merkmalen der Formation und entsprechend der. Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Schallwellen innerhalb der Formation durch Einstellen der Abstände zwischen den Sendern variiert wird. ;

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   ο. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender innerhalb einer Fläche sowohl in der Querrichtung als auch in der Längsrichtung verteilt werden und daß sie in verschiedenen Zeitpunkten so gezündet werden, daß die Zündwirkung auf einen begrenzten Bereich fokussiert wird.

   6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Aufnehmen seismischer Unterwassersignale mit einem Wasserfahrzeug, das Einrichtungen zum Schleppen mehrerer Kabel aufweist, welche Sendeeinrichtungen . für seismische Impulse tragen, die auf bekannte Weise in Form von Teilanordnungen verteilt sind, wobei ein mit Hydrophonen ausgerüstetes akustisches Kabel vorhanden ist, das gegenüber den übrigen Kabeln in einer mittleren Lage nachgeschleppt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Senderkabel(3)mit Otterbrettern (8) und zusätzlichen Schwimmern versehen sind, daß sich die Otterbretter so steuern lassen, daß sie die Kabel derart führen, daß sie sich gegenüber der Fahrtrichtung des Wasserfahrzeugs in seitlicher Richtung ausbreiten, um die Kabel in der gewünschten Weise längs paralleler Bahnen anzuordnen, und daß zu der Vorrichtung Steuereinrichtungen gehören, die es ermöglichen, Impulse nach einem gewünschten Muster und/oder in der gewünschten Reihenfolge zu zünden.