DE3703669C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beaufschlagen der Erde mit seismischen Schwingungssignalen für die Erzeugung von kombinierten Kompressions- und Scherungswellen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine solche Vorrichtung wurde bereits in der älteren, als DE-OS 36 36 527 veröffentlichten Patentanmeldung vorgeschlagen. Bei diesem älteren Vorschlag ist der Vibrator ungedämpft mit der Grundplatte über Halterungen verbunden, die an der Grundplatte befestigt sind. Außerdem steht der Vibrator auch vor seiner Inbetriebnahme mit der Grundplatte in Energie übertragendem Kontakt.

Aus der DE-AS 14 48 556 ist eine Vorrichtung zum Beaufschlagen der Erde mit seismischen Schwingungssignalen bekannt, die in einer Ausführungsform die Erzeugung von Scherungswellen und in einer anderen Ausführungsform die Erzeugung von Kompressionswellen gestattet. Bei jeder Ausführungsform ist der jeweilige Vibrator ungedämpft mit der Grundplatte verbunden. Die Schwingungsachse verläuft bei der einen Ausführungsform parallel zu der Grundplatte und bei der anderen Ausführungsform senkrecht zu der Grundplatte. Die Grundplatte wird durch eine statische Belastung beispielsweise das Fahrzeuggewicht an die Erdoberfläche gedrückt, wobei die statische Belastung durch aufrechtstehende Stützen und eine Federanordnung auf die Grundplatte aufgebracht wird.

Aus der US-PS 43 21 981 ist eine Vorrichtung zum Beaufschlagen der Erde mit seismischen Schwingungssignalen bekannt. Bei dieser Vorrichtung sind zwei oder mehr Vibratoren unmittelbar auf der Grundplatte ungedämpft angeordnet, wobei sie um zwei zueinander und zu der Grundplatte parallele Achsen verschwenkbar sind. Die parallelen Ebenen, in welchen die jeweiligen Schwingungsachsen der beiden Massen liegen, sind entweder quer zu der seismischen Vermessungslinie oder längs einer solchen Vermessungslinie ausgerichtet. Mit dem richtigen Phasenabgleich kann man durch die Querachsenausrichtung der Schwingungsmassen gleichzeitig P-Wellen und SH-Scherungswellen erzeugen und aufnehmen. Wenn andererseits die Schwingungsachsen längs zu der Vermessungslinie ausgerichtet sind, kann man gleichzeitig P-Wellen und SV-Scherungswellen erzeugen und aufnehmen. Mit dieser bekannten Vorrichtung können somit alle Formen einer seismischen Welle, einschließlich P-, SH- und SV- Wellen erzeugt und aufgenommen werden, allerdings nur wenn beide Betriebsarten der Vorrichtung nacheinander durchgeführt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Vorrichtung für die gleichzeitige Erzeugung von Kompressions- und Scherungswellen mittels eines einzigen Vibrators.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch Anwendung der Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß sie sich ohne weiteres für den Transport mit einem Fahrzeug eignet. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß mit ihr die Übertragung von Schwingungsenergie an eine am Boden angreifende Grundplatte so ermöglicht wird, daß der Einsatz von Grundplatten mit verschiedenem Aufbau und verschiedener Form erleichtert ist.

Anhand der Zeichnungen wird eine bevorzugte Ausführungs­ form der Erfindung im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer auf einem Fahrzeug an­ geordneten Vorrichtung mit einem Vibrator, der über einer eine geeignete Kontur aufweisenden am Boden angreifenden Grundplatte angeordnet ist,

Fig. 2 eine detaillierte Ansicht der Vorrichtung von Fig. 1, wie sie von der Vorderseite des Trans­ portfahrzeugs aus gesehen wird,

Fig. 3 eine detaillierte Draufsicht der Vorrichtung von Fig. 1, wobei der Drehtisch dargestellt ist, auf welchem der Vibrator von Fig. 1 angeordnet ist,

Fig. 4 eine detaillierte Vertikalansicht des Vibrators von Fig. 1, wobei sein zylindrisches Außenge­ häuse im Schnitt gezeigt ist,

Fig. 5 eine Schnittdarstellung der Linie 5-5 in Fig. 4,

Fig. 6 eine Draufsicht entlang der Linie 6-6 in Fig. 1 und

Fig. 7 eine schematische dreidimensionale Darstellung einer seismischen Schwingungswelle, die gerade in die Erde durch die Vorrichtung entlang einer Bahn mit vorbestimmter Neigung und vorbestimmtem Azimut in bezug auf eine seismische Linie, die zu einem entfernten Drei­ komponentengeophon führt, eingegeben wird.

Es wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen. Dort ist ein Teil des Bettes 10 eines nicht dargestellten Transport­ fahrzeugs gezeigt, auf dem ein herkömmlicher seismischer Vibrator 12 angeordnet ist, so daß er über und unabhängig von einer am Boden angreifenden Grundplatte 14 abgestützt ist. Im allgemeinen weist der Vibrator 12 eine Schwingungsmasse bzw. Reaktions­ masse 15 auf, die für eine Hin- und Herbewegung an einem nicht gezeigten Kolben mit doppeltem Stangenende angeord­ net ist, der ein oberes Stangenende 17 und ein unteres Stangenende 18 hat. Wenn die Masse 15 infolge der Einfüh­ rung von hydraulischem Druck in den Vibrator 12 sich auf- und abbewegt, bewirken die an dem Kolben angreifenden Reaktionskräfte eine entsprechende Bewegung der Stangen­ enden 17 und 18. Vibratoren, wie der Vibrator 12, sind in der US-PS 31 59 233 und in verwandten Patenten aus­ führlich beschrieben und dargestellt. Die im folgenden beschriebene Vorrichtung schafft ein Mittel zum unter­ schiedlichen Ausrichten der Schwingungsachse des Vibra­ tors 12 und zum anschließenden Absenken des Vibrators gegenüber seinem Stützlager, so daß er nach unten auf die Grundplatte 14 drückt. Durch die Betätigung des Vibra­ tors 12, während sein Kontakt fest aufrechterhalten wird, wird Schwingungsenergie durch die Grundplatte 14 hindurch auf die Erde übertragen.

Der Vibrator 12 ist für eine begrenzte Axialbewegung inner­ halb eines und gegenüber einem zylindrischen Außengehäuse 16 gelagert, durch das der Vibrator 12 mit dem Bett 10 verbunden ist. Das Gehäuse 16 ist mit einem Paar äußerer Schwenkarme 21 versehen, deren obere Enden an der Außen­ fläche des Gehäuses 16 angeschweißt oder sonstwie befestigt sind. Die unteren Enden der Schwenkarme 21 sind in Ösen 19 drehbar gemacht, die auf der Oberseite des Drehtisches 20 befestigt sind, der sich seinerseits auf dem Bett 10 abstützt.

Mit den Schwenkarmen 21 arbeitet ein Paar hydraulischer Zy­ linder 24 zusammen, die auf jeder Seite des Vibrators 12 angeordnet sind, wie am besten in Fig. 2 zu sehen ist. Die oberen Enden der Kolbenstangen 26 der Zylinder 24 enden in Schwenkhalterungen 27, die jeweils an den Schwenkarmen 21 befestigt sind. Die unteren Enden der Zylinder 24 sind drehbar mit Ösen 30 verbunden, die ihrerseits an dem Drehtisch 20 befestigt sind. Es ist offensichtlich, daß der Betrieb der Zylinder 24 in Verbindung mit der Drehung der Schwenkarme 21 um die horizontale Achse 25 die Änderung der Neigung der Schwingungsachse des Vibrators 12 in bezug auf eine Vertikalrichtung ermöglicht.

Durch zusätzliche Betrachtung der Fig. 3 ist ersichtlich, daß durch den Betrieb von Hydraulikmotoren 33 das Antriebs­ zahnrad 34 gedreht wird, das über die Kette 36 einen Dreh­ antrieb für den Drehtisch 20 schafft. Hierdurch wird die Drehung der Schwingungsachse des Vibrators 12 zu irgend­ einem gewünschten Azimut ermöglicht. Der Drehtisch 20 hat eine zentrale Öffnung 38, durch welche sich der Vibrator 12 hindurch erstreckt und die eine Berührung zwischen dem unteren Stangenende 18 und der Grundplatte 14 auf eine unten beschriebene Art und Weise gestattet.

Der Drehtisch 20 ist auf dem Lastwagenbett 10 auf irgend­ eine geeignete Art und Weise befestigt, so daß er eine Drehung um seinen Mittelpunkt, aber auch eine vertikale Trennung von dem Lastwagenbett 10 verhindert. Dies ist wichtig, weil in Betrieb Aufwärtskräfte auf das Außen­ gehäuse 16 des Vibrators 12 und folglich auch auf den Drehtisch 20 ausgeübt werden. Um das Anlegen einer Schwin­ gung an dem gesamten Fahrzeug zu verhindern, ist der Dreh­ tisch 20 von dem Bett 10 durch ein nicht gezeigtes Gummi­ kissen oder ein anderes geeignetes allgemein bekanntes Stoßtrennmittel zu trennen.

Um wenigstens teilweise das Gewicht des Transportfahr­ zeugs von seiner federnden Aufhängung auf die Grundplatte 14 zu verlagern, können vier einstellbare stoßisolierte Stützteile 39 zwischen der Grundplatte 14 und dem Fahr­ zeugbett 10 angeordnet werden. Dies dient zum Stabili­ sieren der Grundplatte 14, so daß sie nicht in seitlicher Richtung wegrutschen kann, wenn sie nichtvertikalen Schwingungskräften ausgesetzt wird.

Wie am besten in den Fig. 4 und 5 zu sehen ist, sind mehrere Hydraulikzylinder 42 (von denen vier zur Erläu­ terung gezeigt sind) in dem Ringraum zwischen dem Vibrator 12 und dem Außengehäuse 16 angeordnet, so daß ihre Kolben­ stangenenden 44 sich nach oben erstrecken und an der Unterseite des querverlaufenden kreisförmigen Flansches 45 befestigt sind, der mit Abstand über dem oberen Ende des Außengehäuses 16 angeordnet ist. Durch Betätigen der Hy­ draulikzylinder 42 können die Kolbenstangenenden 44 zu­ rückgezogen werden, wodurch der Vibrator 12 in der Boh­ rung 46 gleitend nach unten gezwungen wird, bis die am Boden des unteren Stangenendes 18 befestigte abgerundete Kappe 47 mit der halbkugelförmigen konkaven oberen Ober­ fläche 48 der Grundplatte 14 in Kontakt kommt. Hierdurch wird die Vorrichtung für die Betätigung des Vibrators 12 entlang irgendeiner vorgewählten Bahn einsatzbereit ge­ macht. Wenn eine neue Vibratorbahn oder eine andere Stelle für eine seismische Operation gewünscht wird, werden die Zylinder 42 betätigt, um die Kolbenstangen 44 nach oben wieder auszufahren, um den Vibrator 12 zurückzuziehen.

Die Länge der Bewegung der Kolbenstangen 44, die erfor­ derlich ist, um einen Kontakt zwischen der Kappe 47 und der Grundplattenoberfläche 48 herzustellen, ist so, daß ein Freiraum zwischen dem Flansch 45 und dem oberen Ende des zylindrischen Gehäuses 16 verbleibt. Somit kann, nach­ dem ein Kontakt mit der Oberfläche 48 hergestellt ist, eine zusätzliche Kraft leicht durch die Zylinder 42 auf­ gebracht werden, um einen Abwärtsdruck an der Oberfläche 48 anzulegen. Der nach oben gerichteten Reaktion auf diesen Druck, die über das Außengehäuse 16 auf den Dreh­ tisch 20 übertragen wird, wird durch das Gewicht des tra­ genden Fahrzeugs entgegengewirkt. Auf diesem Weg kann eine ausreichende Kraft ohne weiteres aufgebracht werden, um einen festen Kontakt zwischen der Kappe 47 und der Oberfläche 48 während des Betriebes des Vibrators 12 auf­ rechtzuerhalten. Hierdurch werden ein unerwünschtes Zu­ rückschnellen des Vibrators 12 oder heftige Schläge gegen die Oberfläche 48 vermieden. Auf diesem Weg kann die Grundplatte 14 die hin- und hergehende Schwingungsbewe­ gung des Vibrators 12 getreu wiedergeben, wenn er in sei­ ner unteren Betriebsstellung betätigt wird.

Wie insbesondere aus Fig. 6 ersichtlich ist, ist die obere Kontaktfläche 48 der Grundplatte 14 auf einer kegel­ stumpfförmigen Erhöhung 52 gebildet. Die Oberfläche 48 ist als Teil einer Kugel ausgebildet, deren Mitte auf der horizontalen Drehachse 25 der Schwenkarme 18 liegt. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Bahn der Schwin­ gungsachse des Vibrators 12 immer senkrecht zu der Ober­ fläche 48 an der Stelle des Kontaktes ist. Somit ist die Richtung der sich ergebenden Energieeingabe in die Erde im wesentlichen immer dieselbe wie die Bahn, auf die die Schwingungsachse des Vibrators 12 ausgerichtet ist. Für irgendeine vorgewählte Neigung des Vibrators 12 wird die Drehung des Drehtisches 20 einen Kontakt zwischen der Kappe 47 und der Oberfläche 48 an irgendeiner Stelle auf einer kreisförmigen Bahn bewirken. Wenn z.B. der Vibra­ tor 12 auf die Vibratorbahn 50 geneigt ist, stellt die Drehung des Drehtisches 20 einen Kontakt zwischen der Kappe 47 und der Oberfläche 48 an irgendeiner Stelle ent­ lang einer kreisförmigen Bahn, wie z.B. des Kreises 56, her. Wenn man die Neigung des Vibrators 12 auf eine näher an der Vertikalen (Fig. 1) liegenden Bahn 51 verschiebt, stellt die Drehung des Drehtisches 20 einen Kontakt an einer Stelle auf einer anderen kreisförmigen Bahn, wie z.B. Kreis 58, her. Die senkrechte Beziehung zwischen der Bahn der Schwingungsachse des Vibrators 12 und der Oberfläche 48 bleibt aber immer dieselbe.

In Betrieb der Vorrichtung nach der Erfindung kann die Frequenz- und Wobbelgeschwindigkeitssteuerung des Vibra­ tors 12 auf eine dem Fachmann gut bekannte Art und Weise durchgeführt werden, wobei eine Hydraulikzufuhr 60 und ein Steuerventil 62 verwendet wird. Die Servoventile 64 können dann durch Signale von der Wobbelsteuerung 66 be­ tätigt werden, um die Hin- und Herbewegung der Reaktions­ masse 15 innerhalb des Vibrators 12 zu erzeugen und eine entsprechende Schwingungsbewegung der Grundplatte 14 zum Einleiten in die Erde zu schaffen.

Die Art der Verwendung der Erfindung wird durch eine Be­ trachtung der Fig. 7 besser verstanden, die schematisch die Neigung und den Azimut von typischen Bahnen der Schwingungsachse des Vibrators 12 zeigt. Beispielsweise können die zuvor genannten Bahnen 50 und 51 Neigungswinkel α₁ und α₂ jeweils bezüglich einer Vertikalrichtung 60 er­ geben. Die Drehung der Schwingungsachse kann so sein, daß sie einen Azimutwinkel β bezüglich einer seismischen Linie 62 schafft. Auf diesem Weg kann ein Dreikomponentenseismo­ meter 64, das von der seismischen Quellenstelle 66 ent­ fernt auf der seismischen Linie 62 angeordnet ist, gleich­ zeitig jede gewünschte Kombination von P-, SH- und SV- Wellen aufnehmen.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Beaufschlagen der Erde mit seismischen Schwingungssignalen für die Erzeugung von kombinierten Kompressions- und Scherungswellen, mit einer am Boden angreifenden Grundplatte zum Einleiten von Schwingungsenergie in die Erde, mit einem einzigen eine Schwingungsmasse aufweisenden Vibrator zum Erzeugen von Schwingungen entlang einer Schwingungsachse, mit Ausrichteinrichtung zum Ausrichten des Vibrators gegenüber der Grundplatte derart, daß von ihm erzeugte Schwingungen in einer vorbestimmten Richtung in die Erde über die Grundplatte einleitbar sind, und mit einer Steuereinrichtung zum Betätigen des Vibrators, wenn die Schwingungsmasse mit der Grundplatte in Energie übertragendem Kontakt ist und der Vibrator so ausgerichtet ist, daß die Schwingungsachse in der vorbestimmten Richtung liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der einzige Vibrator (12) durch die Ausrichteeinrichtung (24) auf einem von der Grundplatte (14) schwingungsisolierten Bett (10) in einem Abstand oberhalb der Grundplatte (14) abgestützt ist, und daß eine Hydraulikeinrichtung (42) derart vorgesehen ist, daß der Vibrator (12) vor seiner Inbetriebnahme gegenüber dem Bett (10) und der Grundplatte (14) in Richtung der Grundplatte (14) abgesenkt werden kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (α₁, α₂) der Schwingungsachse des Vibrators (12) bezüglich der Vertikalrichtung (60) und der Azimutwinkel (β) der Schwingungsachse bezüglich einer seismischen Linie (62) durch Neigen bzw. Drehen des Vibrators (12) einstellbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrator (12) an die Grundplatte (14) durch eine konstante Vorspannkraft andrückbar ist, die von der Hydraulikeinrichtung (42) längs der Schwingungsachse auf den Vibrator (12) aufbringbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nach oben weisende Oberfläche (48) der Grundplatte (14) kalottenförmig ist, so daß die Schwingungsachse immer im wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche (48) am Schnittpunkt zwischen der Schwindungsachse und der Oberfläche (48) ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrator (12) in der Längsbohrung (46) eines hohlzylindrischen äußeren Gehäuses (16) axial verschiebbar derart gelagert ist, daß die Schwingungsachse mit der Achse der Bohrung (46) zusammenfällt, eine drehbare Plattform (20) über der Grundplatte (14) in einem festen Vertikalabstand angeordnet ist, das Gehäuse (16) auf der Plattform (20) angeordnet ist, die Ausrichteinrichtung (24) zwischen der Plattform (20) und dem Gehäuse (16) derart angeordnet ist, daß das Gehäuse (16) durch die Ausrichtungseinrichtung (24) um eine horizontale Achse verschwenkbar ist, eine Einrichtung (33) zum Drehen der Plattform (20) vorgesehen ist, um den Azimutwinkel der Achse der Bohrung (46) zu ändern, und die Hydraulikeinrichtung (42) zwischen dem Gehäsue (16) und dem Vibrator (12) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikeinrichtung (42) an dem Gehäuse (46) befestigt ist und eine Kolbenstangeneinrichtung (44) hat, die an dem Vibrator (12) angreift, so daß eine Bewegung der Kolbenstangeneinrichtung (44) die axiale Lage des Vibrators (12) gegenüber der Bohrung (46) verändert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikeinrichtung eine Vielzahl von parallelen voneinander beabstandeten Hydraulikzylindern (42) aufweist, deren Kolbenstangen (44) auf einem zu der Bohrung (46) koaxialen Umkreis liegen, wobei der Vibrator (12) einen querverlaufenden kreisförmigen Flansch (45) hat, an dem die Enden der Kolbenstangen (44) angreifen.