DE3636527C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von kom­ binierten seismischen Scherungs- und Kompressionswellen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Gemäß der Patentanmeldung älteren Zeitrangs entsprechend der nachveröffentlichten DE-OS 35 41 795 werden kombinierte seismische Scherungs- und Kompressionswellen dadurch erzeugt, daß eine schwere Masse in einer einzelnen Abwärtsbewegung längs einer bestimmten Stoßachse gegen eine mit der Erdoberfläche gekoppelte Grundplatte getrieben wird, so daß sie auf der Grundplatte derart aufschlägt, daß der Stoß entlang eines bestimmten Pfades in den Untergrund einge­ leitet wird. Zum Beschleunigen der Masse wird eine einzelne Einrichtung verwendet, deren Stoßachse mittels einer Steuer­ einrichtung räumlich festlegbar ist. Im einzelnen ist die Massenbeschleunigungseinrichtung an zwei gelenkig miteinander verbundenen Rahmen der Steuereinrichtung im Abstand über der Grundplatte kardanisch abgestützt, so daß sie um zwei zuein­ ander senkrechte Horizontalachsen schwenkbar ist, wobei die Steuereinrichtung zwei Hydraulikeinrichtungen aufweist, von denen die eine an einem der beiden Rahmen und der Massenbe­ schleunigungseinrichtung angreift, um letztere um die eine Horizontalachse zu schwenken, und von denen die andere Hydraulikeinrichtung an dem einen und dem anderen Rahmen an­ greift, um den einen Rahmen zusammen mit der Massenbeschleu­ nigungseinrichtung um die andere Horizontalachse zu schwenken. Eine hin- und herschwingende Masse ist nach dem älteren Vorschlag nicht vorgesehen.

Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 ist aus der US-PS 43 21 981 bekannt. Bei dieser Vorrichtung werden zwei oder mehrere Schwingungsmassen entlang entgegen­ gesetzter nichtvertikaler Schwingungsachsen, die unter einem festen Winkel zueinander in parallelen Ebenen verlaufen, in Schwingungen versetzt. Die Anzahl der Durchgänge der Massen durch einen gemeinsamen zentralen Punkt bei ihren Schwingungen entlang ihrer jeweiligen Achsen kann gesteuert werden, um eine Phasenbeziehung zwischen den beiden Schwingungsbewegun­ gen herzustellen. Durch Verändern der aufeinander bezogenen Phasen der beiden Massen kann man bewirken, daß gewünschte Kompression- und Scherungswellen gleichzeitig eingegeben werden. Aus dieser US-PS geht hervor, daß die parallelen Ebenen, in welchen die jeweiligen Schwingungsachsen der bei­ den Massen liegen, entweder quer zu der seismischen Vermes­ sungslinie, d. h. der Linie zwischen dem Ort der seismischen Quelle und den aufnehmenden Geophonen, oder längs einer sol­ chen Vermessungslinie ausgerichtet sein müssen. Mit dem richti­ gen Phasenabgleich kann man durch die obengenannte Querachsen­ ausrichtung der Schwingungsmassen gleichzeitig P-Wellen und SH-Scherungswellen erzeugen und aufnehmen. Wenn andererseits die Schwingungsachsen zu der Vermessungslinie ausgerichtet sind, kann man gleichzeitig P-Wellen und SV-Scherungswellen erzeugen und aufnehmen. Die Vertikalkomponente der Bewegung in beiden Fällen erzeugt sogenannte "umgekehrte" SV-Scherungs­ wellen, die aber nicht mit herkömmlichen seismischen Verfahren verarbeitet und interpretiert werden können. Mit dieser Vor­ richtung können somit alle Formen einer seismischen Welle, einschließlich P-, SH- und SV-Wellen erzeugt und aufgenommen werden, wenn beide Betriebsarten der Vorrichtung nacheinander durchgeführt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Vor­ richtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, mit der die P-, SH- und SV-Wellen entlang eines bestimmten Pfades gleich­ zeitig erzeugt werden können.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des kenn­ zeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Draufsicht einer Vorrichtung nach der Erfindung, z. T. in blockschematischer Form, wobei die Schwingungserzeugungseinrichtung nichtvertikal geneigt ausgerichtet ist,

Fig. 2 eine vereinfachte Draufsicht der Vorrichtung von Fig. 1, wobei die Achse der Schwingungserzeugungseinrichtung in eine Vertikalstellung gedreht ist, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Schwingungserzeugungs­ einrichtung der Vorrichtung nach der Erfindung, wobei ihre axiale Ausrichtung in bezug auf eine seis­ mische Vermessungslinie dargestellt ist.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Vorrichtung nach der Er­ findung weist eine einzelne schwingende Masse auf, wobei die zylindrische Schwingungserzeugungseinrichtung 10 alle inneren Teile (nicht gezeigt) beinhaltet, die für einen herkömmlichen seismischen Vibrator notwendig sind. Zu diesen Teilen gehört eine schwingende Masse, die verschiebbar an einem Kolben angeordnet ist, der selbst an dem äußeren Gehäuse 11 befestigt ist. Die Masse wird hydraulisch über einen kurzen Hub bei verschiedenen Fre­ quenzen hin- und herbewegt. Wenn sich die Masse auf- und abbewegt, werden die Reaktionskräfte an dem Kolben mit der Grundplatte 12 auf eine weiter unten näher zu beschreibende Art und Weise gekoppelt, um somit seismische Schwingungen in die Erde einzuleiten.

Die Einrichtung 10 endet an ihrem unteren Ende in einem Schäkel 14, der durch einen Drehzapfen 15 an einer quadra­ tischen horizontalen Welle 16 befestigt ist, die wiederum für eine Axialdrehung zwischen den aufrechten Stützen 18 gelagert ist. Die Drehachse der Einrichtung 10 erstreckt sich quer zu der Achse der Welle 16 und parallel zu der Ebene der Grundplatte 12.

Die Einstellung der Schwingungsachse der Schwingungserzeugungsein­ richtung 10 wird durch Hydraulikzylinder 20, 22, 24 und 26 erzielt, deren untere Enden an der Grundplatte 12 durch gleiche untere Kugelgelenke 30 befestigt sind, die in ent­ sprechenden Halterungen 32 gebildet sind. An einem zwischen dem oberen und dem unteren Ende der Einrichtung 10 liegenden Punkt erstrecken sich Abstandshalterarme 34 radial von einem Umfangsring 36 aus, der an dem äußeren Gehäuse 11 befestigt ist. Die oberen Enden der Kolben 38, 40, 42 und 44, die in dieser Reihenfolge in den Zylindern 20, 22, 24 und 26 bewegbar sind, sind mit den Abstandshalterarmen 34 durch obere Kugelgelenke 46 verbunden. Durch den Betrieb der Zylinder 20 und 22 in entgegengesetzter Richtung oder in einer "Stoß-Zieh"-Bewegung kann man den axialen Pfad der Einrichtung 10 in jedem Sinn um die horizontale Achse durch den Drehzapfen 15 kippen oder schwenken. In entspre­ chender Weise wird durch eine "Stoß-Zieh"-Betrieb der Hydraulikzylinder 24 und 26 die Einrichtung 10 um die andere Horizontalachse entlang der Welle 16 gedreht. Die notwendi­ ge Bewegungsfreiheit aller vier Hydraulikzylinder an ihren oberen und unteren Enden wird durch die Kugelgelenke 30 und 46 sichergestellt. Somit kann durch das Arbeiten beider Gruppen von Zylindern im Tandembetrieb die Einrichtung 10 so ausgerichtet werden, daß ihr geneigter Pfad irgendeine gewünschte Ausrichtung in bezug auf die Vertikalrichtung und eine bestimmte seismische Linie annimmt. Beispielsweise kann man durch jeweiliges Zurückziehen und Ausfahren der Kolben 38 und 40 die Einrichtung 10 im Gegenuhrzeigersinn kippen, so daß ihre Achse 68 unter einem Winkel α, in bezug auf die Vertikale, liegt, wie am besten in Fig. 1 zu sehen ist. Wenn man außerdem die Kolben 42 und 44 auf die geeig­ neten Längen ausfährt oder zurückzieht, kann man ferner die Achse 68 der Einrichtung 10 in die im unteren linken Quadranten der in Fig. 2 gezeigten gestrichelten Stellung drehen. In dieser Stellung verläuft die Achse 68 unter einem Winkel α ₂ bezüglich der Achse der Welle 16. Die Gesamtwir­ kung dieser beiden Drehungen der Schwingungsachse 68 der Einrichtung 10 wird am besten durch eine Betrachtung der Fig. 3 erkannt. In Fig. 3 wird aus Darstellungsgründen an­ genommen, daß die Grundplatte 12 auf dem Boden positioniert und so angeordnet ist, daß die Achse der Welle 16 längs der Linie 60 im rechten Winkel oder quer zu der seismischen Linie 62 verläuft, die sich zwischen dem Punkt 64 der seis­ mischen Quelle und den entfernt angeordneten orthogonalen Geophonen 66 erstreckt. Eine Drehung der Schwingungsachse 68 der Einrichtung 10 um die Winkel α ₁ und α ₂, wie oben beschrieben, versetzt die Achse 68 in eine Ver­ tikalebene 70 unter einem schiefen Winkel zu der seis­ mischen Linie 62. Um eine gute Verindung der Schwingungs­ energie der Einrichtung 10 zu der Erde sicherzustellen, sind die inneren Seitenwände des Schäkels 14 vorzugsweise als in Gleitkontakt mit den entsprechenden ebenen Flächen der Welle 16 befindliche ebene Flächen ausgebildet. In ent­ sprechender Weise sollten die äußeren Enden der Welle 16 eng an den Stützen 18 anliegen. Ein auf die oben beschrie­ bene Art und Weise entlang der Achse 68 gegebener Schwin­ gungsstoß einer einzelnen Masse gegen die Erde ermöglicht die Aufnahme von jeder gewünschten Kombination von P-, SH- und SV-Wellen durch drei orthogonale Geophone 66, die mit ihren Achsen jeweils vertikal, längs der seismischen Linie und im rechten Winkel dazu ausgerichtet sind. Um die je­ weilige Größe dieser Wellen einzustellen, ändert man die Größen der Winkel a ₁ und α ₂. Die empfangenen Signale kön­ nen mit einem Computer durchgedreht werden, um sie zu stei­ gern und außerdem SH- und SV-Komponenten zu erkennen, wenn dies erwünscht ist. Eine vertikale Ausrichtung der Einrichtung 10 kann zum Vergleich mit einem geneigten Stoß ver­ wendet werden, um umgekehrte SV-Scherungswellen zu erken­ nen. Falls erwünscht, kann man ohne die Einrichtung 10 von dem Punkt 64 der seismischen Quelle zu bewegen, auf die beschriebene Art zwei getrennte Schwingungseingaben in die Erde machen, und zwar jede unter einem anderen Azimut schräg zu der seismischen Linie 62, um Unterschiede zwi­ schen SH- und SV-Wellengeschwindigkeiten zu beobachten. Man kann auch auf diese Art den Azimutwinkel α ₂ auf das Ändern der Tiefenausrichtung in dem unterirdischen Reflek­ tor hin einstellen.

Wenn der Winkel α ₁, wie in Fig. 3 dargestellt, in die Nähe der Vertikalen begrenzt ist, d. h. 5° bis nicht mehr als 25° bezüglich der Vertikalen, wird angenommen, daß die Amplitude in der sich ergebenden Scherungswellenenergie für einige beinahe Oberflächenbedingungen fast sogar den Maximumwert beibehält, der mit einer den Charakter der Einrichtung 10 aufweisenden Vorrichtung erzielt wird. Die erhöhte Kompression des Bodens, die sich aus dem beinahe vertikalen Stoß ergibt, erhöht die Schersteifigkeit und -festigkeit in dem Boden, wo diese Eigenschaften mangel­ haft sind. Wenn in Gebrauch die Reibungsverbindung zwi­ schen der Grundplatte 12 und der Erde durch die fortgesetz­ te Hin- und Herbewegung der Einrichtung 10 unterbrochen wird, kann die Unterseite der Grundplatte 12 mit umgekehrten pyramidenförmigen Keilen (nicht gezeigt) versehen sein. Solche Kupplungsvorrichtungen sind bekannt.

Eine Frequenz- und Wobbelgeschwindigkeitssteuerung der Einrichtung 10 kann auf eine dem Fachmann gut bekannte Art und Weise durchgeführt werden, wobei eine hydraulische Zufuhr 76 und Steuerventile 78 verwendet werden. Servoventile 80 können durch Signale von der Wobbel­ steuerung 82 betätigt werden, um eine Hin- und Herbewegung der inneren Reaktionsmasse innerhalb der Einrichtung 10 und die entsprechende Schwingungsbewegung der Einrichtung 10 zu erzeugen.

Die Grundplatte 12 ist mit irgendeinem geeigneten Trans­ portfahrzeug 81 durch einstellbare hydraulische Gleit­ stützteile 84 verbunden. Durch Ausführen der Stützen 84 kann man das Gewicht des Transportfahrzeuges 81 ganz oder zum Teil von seiner normalen Federaufhängung und den Reifen so verschieben, daß es direkt auf die Grundplatte 12 wirkt und sie stabilisiert.

Eine weitere Verfeinerung des Betriebes der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die Schwingungs­ achse der Einrichtung 10 zuerst längs der Achse 68 ausgerich­ tet wird und daß danach die Achse der Einrichtung 10 in eine phasenverkehrte Axialstellung 85 verdreht wird, wie in Fig. 2 in Schattenlinien gezeigt ist, wobei eine Schwin­ gungsaufnahme in beiden Stellungen erzielt wird. Der Azimut der Achse 85 wird gegenüber dem der Achse 68 in den Fig. 1und 2 um 180° gedreht, während der Schrägpfad der Achse 85 von der Vertikalen um denselben Winkel wie zuvor, aber im Uhrzeigersinn abweicht, wie in Fig. 1 im Umriß gezeigt ist. Eine Phasenumkehrung zwischen aufeinander­ folgenden Schwingungsachsen ermöglicht es, daß man SV- und SH-Wellenenergie entlang der seismischen Linie 62 in Fig. 3 in jedem gewünschten Verhältnis frei von P-Wellenenergie oder Oberflächenwellen- oder anderen un­ erwünschten Nichtphasenumkehrausbreitungen messen kann. Durch Abziehen der Wellenamplituden der einen Aufnahme von der anderen werden diese Nichtphasenumkehrwellen ge­ löscht.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Erzeugen von kombinierten seismischen Scherungs- und Kompressionswellen, die von einem Ort an der Erdoberfläche in den Untergrund so einleitbar sind, daß sie auf einer in einer bestimmten Richtung verlaufenden Aufnahme­ linie an der Erdoberfläche mittels seismischer Empfänger er­ faßt werden können, mit einer Schwingungserzeugungseinrich­ tung, die eine längs einer Schwingungsachse hin- und her­ schwingende Masse aufweist, die mit einer mit der Erdober­ fläche koppelbaren Grundplatte gekoppelt ist, sowie mit einer Steuereinrichtung zur räumlichen Festlegung der Schwingungs­ achse, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich eine hin- und herschwingende Masse vorgesehen ist, daß eine um ihre Längs­ achse drehbare Welle (16) oberhalb und parallel zur Ober­ fläche der Grundplatte (12) angeordnet ist, daß die Schwin­ gungserzeugungseinrichtung (10) mit der Welle (16) zwischen den Enden der Welle (16) für eine Drehung der Schwingungs­ erzeugungseinrichtung (10) um eine quer zu der Achse der Welle (16) verlaufende Achse schwenkbar verbunden ist, und daß die Steuereinrichtung (20, 22, 24, 26) zur Festlegung der räumlichen Lage der Schwingungsachse (68) nach zwei Freiheitsgraden der Drehung ausgelegt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung der Schwingungserzeugungseinrichtung (10) und die der Welle (16) gleichzeitig durchführbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinrichtung eine erste Hydraulikein­ richtung (24, 26) und eine zweite Hydraulikeinrichtung (20, 22) aufweist, von denen die erste Hydraulikeinrichtung (24, 26) einerseits an der Grundplatte (12) und andererseits an der Schwingungserzeugungseinrichtung (10) derart angreift, daß die erste Hydraulikeinrichtung (24, 26) die Schwingungs­ erzeugungseinrichtung (10) um die quer zu der Achse der Welle (16) verlaufende Achse schwenkt, und daß die zweite Hydraulikeinrichtung (20, 22) einerseits an der Grundplatte und andererseits an der Schwingungserzeugungseinrichtung (10) derart angreift, daß die zweite Hydraulikeinrichtung (20, 22) die Schwingungserzeugungseinrichtung (10) um die Längsachse der Welle (16) schwenkt.