DE3704626A1 - Vorrichtung zum beaufschlagen der erde mit seismischen schwingungssignalen fuer die erzeugung von kombinierten kompressions- und scherungswellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beaufschlagen der Erde mit seismischen Schwingungssignalen für die Er­ zeugung von kombinierten Kompressions- und Scherungs­ wellen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei der ausgewählte Kombinationen von Kompressionswellenenergie und Scherungswellenenergie gleichzeitig erzeugt werden können.

In der älteren Patentanmeldung P 37 03 669.6 der Anmelderin ist eine Vorrichtung zum Einleiten von Schwingungsenergie in die Erde an einer gegebenen Stelle auf der Erdoberfläche beschrieben. Wie in dieser älteren Anmeldung beschrieben ist, wird ein hydraulischer Vibrator zum Erzeugen von hin­ und hergehenden Schwingungen entlang einer Schwingungs­ achse über und unabhängig von einer am Boden angreifenden Grundplatte abgestützt. Vorzugsweise ist der Vibrator her­ kömmlicher Bauart, bei der eine Reaktionsmasse an einem Kolben mit zwei Kolbenstangenenden verschiebbar angeordnet ist. Die Einführung von hydraulischem Druck in einen solchen Vibrator erzeugt eine heftige Hin-und Herbewegung des Kolbens. Eine Einrichtung zum veränderbaren Ausrichten des Vibrators, so daß die Schwingungsachse in irgendeiner vorbestimmten schrägen Bahn ausgerichtet ist, ist vorge­ sehen. Außerdem ist eine Einrichtung zum Absenken des Vibrators in der Richtung der Schwingungsachse, so daß ein Kolbenstangenende mit der Grundplatte in Kontakt kommt, vorgesehen. Die Betätigung des Vibrators in dieser Kontakt­ stellung bewirkt dann die Weiterleitung der Schwingungs­ energie in die Grundplatte, mit welcher diese Energie in die Erde eingeleitet wird. Wie in der älteren Anmeldung beschrieben ist, ist der Vibrator vorzugsweise auf einem Drehtisch angeordnet, der beispielsweise horizontal auf dem Bett eines Transportfahrzeugs angeordnet sein kann. Der Drehtisch hat eine zentrale Öffnung, durch die der Vibrator bewegt werden kann, um mit der Grundplatte in Kontakt zu kommen. Hydraulikzylinder, die einstellbar zwischen dem Drehtisch und dem Vibrator geschaltet sind, verändern die Neigung der Schwingungsachse durch Drehen des Vibrators um eine zu der Drehtischebene parallele Achse. Eine Drehung des Drehtisches um seine eigene Verti­ kalachse ändert die Azimutrichtung der Schwingungsachse.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einer gattungs­ gemäßen Vorrichtung eine leicht steuerbare Einrichtung zum Ändern der Winkelstellung der Schwingungsbahn zu schaffen, entlang welcher Energie in die Erde mit dem Vibrator ein­ geleitet wird.

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

Die Erfindung schafft somit eine weiterverbesserte Ein­ richtung zum Einleiten der Energie eines Vibrators in die Erde, wobei der Vibrator hin- und hergehende Schwingungen entlang einer unterschiedlich ausrichtbaren Schwingungs­ achse erzeugt. Ein kardanartiger Vibratorhalterahmen ist über einer Grundplatte, die am Boden angreift, abgestützt, so daß der Rahmen um eine erste Drehachse, die parallel zu der Ebene der Grundplatte ist, drehbar ist. Der Vibrator ist drehbar in dem Rahmen abgestützt, um eine begrenzte Drehung des Vibrators um eine zweite Drehachse, die zu der ersten Drehachse senkrecht ist, zuzulassen. Eine kom­ binierte Drehbewegung des Rahmens und des Vibrators um diese Drehachsen richtet die Schwingungsachse beliebig aus. Im engeren Sinne der Erfindung ist der Halterahmen auf einem Lastwagen oder einem anderen Transportfahrzeug ab­ gestützt. Eine Drehbewegung des Rahmens um die erste Dreh­ achse wird durch eine hydraulische Zylindereinrichtung be­ wirkt, die zwischen dem Fahrzeug und dem Rahmen einstell­ bar befestigt ist. Eine Drehbewegung des Vibrators um die zweite Drehachse wird durch eine weitere hydraulische Zy­ lindereinrichtung bewirkt, die zwischen dem Rahmen und dem Vibrator einstellbar befestigt ist. Der Vibrator kann mit einer mit der Rahmenabstützung zusammenwirkenden Einrich­ tung versehen sein, so daß die Vibratorstellung entlang der Schwingungsachse verschoben werden kann, um mit der Grundplatte für die Schwingungsenergieübertragung in Kon­ takt zu kommen.

Die Erfindung schafft einen verbesserten Vibrator für seismische Energie, der in der Lage ist, kombinierte Kompressions- und Scherungswellen zu erzeugen.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungs­ beispiels und den Zeichnungen hervor. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines hydraulichen Vibrators, der über einer auf der Erdoberfläche angeordneten Grundplatte einstellbar angeordnet ist,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die in Fig. 1 gezeigte Vor­ richtung, wobei der in einem inneren, an einem Fahrzeug angeordeten Rahmen abgestützt und ihre zueinander senkrechten Drehachsen gezeigt sind,

Fig. 3 eine detaillierte Seitenansicht der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, wobei ein Paar von den Vibratorkippenden Hydraulikzylindern gezeigt ist,

Fig. 4 einen detaillierten Vertikalschnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 3, wobei dieHalterungen zum Ab­ stützen der Drehachsen und der Kippstifte des Vibrators gezeigt sind,

Fig. 5 eine detaillierte Rückansicht der in Fig. 1 ge­ zeigten Vorrichtung, wobei eine Gruppe von Hy­ draulikzylindern zum Drehen des inneren Rahmens um einen äußeren festen Fahrzeugrahmen gezeigt ist,

Fig. 6 eine detaillierte Ansicht des in Fig. 1 gezeigten Vibrators, wobei das äußere Stützgehäuse teilweise im Schnitt dargestellt ist, und

Fig. 7 eine Draufsicht entlang der Linie 7-7 in Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt, die eine einzelne Schwingungsmasse benutzt. Ein zylindri­ scher Vibrator 10 ist von einer Bauart, bei welcher eine Reaktionsmasse, die für eine Hin- und Herbewegung an einem Kolben mit zwei Kolbenstangenenden unter hydraulischer Steuerung angeordnet ist, verwendet wird. All dies ist bekannt. Ein Beispiel für eine solche Vorrichtung ist in der US-PS 31 59 233 beschrieben und gezeigt. Der Vibrator 10 ist in einem hohlen zylindrischen äußeren Gehäuse 12 angeordnet und so ausgerichtet, daß die Schwingungsachse 13 des Vibrators 10 mit der Längsachse des Gehäuses 12 zusammenfällt. Der Vibrator 10 und das Gehäuse 12 bilden zusammen eine Vibratoranordnung 14 die über und unabhängig von einer Grundplatte 16 für eine Drehung um zwei zuein­ ander senkrechte Achsen einstellbar abgestützt ist, so daß die richtungsmäßige Anordnung der Schwingungsachse 13 bestimmt wird. Nachdem die Schwingungsachse 13 so einge­ stellt ist, daß sie mit der gewünschten Richtung zusammen­ fällt, kann der Vibrator 10 gegenüber dem Gehäuse 12 nach unten gezogen werden, so daß das untere Ende des Vibrators 10 mit der Grundplatte 16 in Kontakt kommt. In dieser Kontaktstellung wird dann der Vibrator 10 betätigt, so daß Schwingungsenergie auf die Grundplatte 16 in der gewünsch­ ten Richtung zur Einleitung in die Erde übertragen wird.

Fig. 2 zeigt die "kardanische" Art der Befestigung, mit der die Änderung der Bahn der Schwingungsachse 13 durchgeführt wird. Die Vibratoranordnung 14 ist in einem kippbaren rechtwinkligen inneren Rahmen 20 für eine Drehung auf einem Paar von nach innen laufenden Achsen 22 und 24 aufgehängt. Der innere Rahmen 20 ist mit einem weiteren Paar von Achsen 28 und 30 versehen, die im rechten Winkel zu den Achsen 22 und 24 verlaufen und die mit dem festen äußeren Fahrzeug­ rahmen 34 verbunden sind. Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist der Rahmen 34 starr an den Chassislängsteilen 36 eines nicht gezeigten Transportfahrzeugs befestigt, dessen Gewicht zumindest zum Teil auf die Grundplatte 16 mittels einstellbarer stoßisolierter aufrechter Stützen 40 über­ tragen wird.

Es ist erkennbar, daß die oben beschriebenen zusammen­ wirkenden Elemente der Vibratoranordnung 14 zwei Dreh­ freiheitsgrade geben. Anders ausgedrückt kann die An­ ordnung 14 nach vorne und nach hinten bezüglich des Trans­ portfahrzeugs durch die Drehung auf den Achsen 22 und 24 und von Seite zu Seite durch die Drehung des inneren Rah­ mens 20 auf den Achsen 28 und 30 gekippt oder geneigt werden. Die zulässige Neigung in jeder dieser vier Rich­ tungen hängt von der Konstruktion der Vibratoranordnung 14 und der des Transportfahrzeugs ab. Eine maximale Änderung von 30° gegenüber der Vertikalen in jede Richtung wird als ausreichend für die meisten wichtigen geophysikalischen Arbeiten angesehen.

Fig. 2 zeigt ferner die Einrichtung, mit welcher die Kipp­ bewegung der Vibratoranordnung 14 und des inneren Rahmens 20 durchgeführt wird. Zwei Paare von sich gegenüberliegen­ den oder entgegengesetzt gerichteten Hydraulikzylindern erstrecken sich auf entgegengesetzten Seiten der Anordnung 14 und sind an dem inneren Rahmen 20 angeordnet. Eines dieser Paare besteht aus den Zylindern 42 und 44, die sich auf einer Seite der Anordnung 14 befinden. Das andere Paar besteht aus den Zylindern 46 und 48, die sich auf der gegenüberliegenden Seite der Anordnung befinden. Der Auf­ bau und der Betrieb der Zylinder 42 und 44 ist genau der selbe wie der der Zylinder 46 und 48, so daß nur die erst­ genannten näher beschrieben werden. Der Zylinder 42 ist in der Halterung 49 für eine Drehung um den Drehstift 50 dreh­ bar angeordnet. Auf ähnliche Art und Weise ist der Zylinder 44 um den Drehstift 51 drehbar, der in der Halterung 52 angeordnet ist, die sich gegenüber der Halterung 49 be­ findet. Das obere Ende der Kolbenstange 54 des Zylinders 42 endet in einem Kolbenstangenschäkel 56, welcher den Kippstift 58 umgibt, der selbst wieder an dem Schubrahmen 60 starr befestigt ist und von diesem nach außen wegsteht, der an der Außenfläche des Gehäuses 12 angeordnet ist. Auf ähnliche Art und Weise endet die Kolbenstange 62 des Zylinders 64 in einem Kolbenstangenschäkel 64, der auch den Kippstift 58 umgibt und mit dem Ende des Schäkels 56 verzahnt ist.

Wie am besten in den Fig. 3 und 4 zu sehen ist, ist der Kippstift 58 von der Achse 24 vertikal versetzt, so daß die Kolbenstangen 54 und 62 in entgegengesetzte Richtungen von dem inneren Rahmen 20 aus nach oben schräg verlaufen, um an dem Kippstift 58 anzugreifen. Durch allgemein bekannte Mittel können geeignete Steuersignale geliefert werden, um den Betrieb der Zylinder 42 und 44 für eine "Stoß-Zieh"- Bewegung in jede der beiden Richtungen zu ermöglichen, wo­ durch die Vibratoranordnung 14 auf den Achsen 22 und 44 in der einen oder anderen Richtung gekippt oder gedreht wird, z. B. um den Winkel α. Um die Drehkräfte, die auf beiden Seiten der Anordnung 14 auf die oben beschriebene Art und Weise erzeugt werden, auszugleichen und um dadurch unerwünschte Verdrehkräfte auszuschalten, werden die Zylinder 42 und 44 im Tandembetrieb mit den Zylindern 46 und 48 auf der entgegengesetzten Seite der Anordnung 14 betätigt. Somit wird der an dem Schubrahmen 68 (Fig. 2) befestigte Kippstift 66 von den Zylindern 46 und 48 beauf­ schlagt, um die Anlegung eines Drehmoments an die Anord­ nung 14 zu ermöglichen, das die oben beschriebene Kipp­ kraft ergänzt.

Die Art und Weise, auf der der innere Rahmen 20 auf den Achsen 28 und 30 von Seite zu Seite gekippt oder gedreht werden kann, wird am besten durch eine zusätzlich Be­ trachtung der Fig. 2 und des Details der Fig. 5 verstanden. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, ist ein Paar von Hydraulik­ zylindern 70 und 72 um parallele Achsen an den Drehstiften 74 und 76, die von den Halterungen 78 und 80 getragen werden, die von dem festen Rahmen 34 herabhängen, drehbar. Ein anderes Paar von derart entgegengesetzt gerichteten Hy­ draulikzylindern 82 und 84 (wie sie in Fig. 2 im Umriß gezeigt sind) ist an der entgegengesetzten Seite oder Vorderseite des inneren Rahmens 20 angeordnet. Sie sind im Aufbau und im Betrieb mit den Zylindern 70 und 72 identisch und werden daher nicht näher beschrieben. Die Kolbenstange 82 des Zylinders 70 endet in einem Gelenk 86, das um den Drehstift 88 drehbar ist, der an der Halterung 90 befestigt ist, die von dem inneren Rahmen 20 herab­ hängt. Auf ähnliche Art und Weise endet die Kolbenstange 92 des Zylinders 72 in einem Gelenk 94, das um den Dreh­ stift 96 drehbar ist, der an der herabhängenden Halterung 98 befestigt ist. Ähnlich wie das Kippen der Vibratoran­ ordnung 14 bewirkt wird, erzeugt der entgegengesetzte oder Stoß-Zieh-Betrieb der Hydraulikzylinder 70 und 72 im Tandembetrieb mit dem parallelen Paar von Hydraulikzylin­ dern 82 und 84 eine Kipp- oder Drehbewegung des inneren Rahmens 20 in einer der beiden Richtungen auf den Achsen 20 und 30, wie z. B. um den Winkel b.

Da der Abstand zwischen den Kippstiften 58 und 66 und den jeweiligen Drehachsen 24 und 22 im Vergleich zu der ge­ samten Axiallänge der Vibratoranordnung 14 klein ist, ist die erforderliche Hublänge der Hydraulikzylinder 42, 44, 46 und 48 kurz. Dies ermöglicht ein wirkungsvolles Ar­ beiten der Hydraulikzylinder und verringert die zum Kippen der Anordnung 14 erforderliche Zeit. Ähnliche Vorteile ergeben sich daraus, daß die Punkte, an welchen die Kipp­ kräfte an dem Rahmen 20 angreifen, nahe der Achsen 28 und 30 angeordnet werden.

In Fig. 6 sind die Mittel gezeigt, mit denen der Vibrator 10 mit der Grundplatte 16 in Kontakt gebracht wird. Wie zuvor festgestellt, kann der Vibrator 10 einen herkömm­ lichen Aufbau haben, bei dem eine Reaktionsmasse 102 ver­ schiebbar an einem Kolben (nicht gezeigt) mit zwei Kolben­ stangenenden angeordnet ist, der nach außen ragende Stangen­ enden 104 und 106 hat. Der Vibrator 10 ist verschiebbar in einer ein offenes Ende aufweisenden Bohrung 108 des Ge­ häuses 12 angeordnet, so daß er eine begrenzte Axialbe­ wegung darin ausführen kann. Eine Vielzahl von im Abstand voneinander angeordneten Hydraulikzylindern 110 sind in dem Gehäuse 12 befestigt, so daß ihre jeweiligen Kolbenstangen 112 nach oben ragen, um an einer Querplatte 114 anzugreifen, die an der Spitze des Stangenendes 104 befestigt ist. Durch Zurückziehen der Kolbenstangen 112 wird der Vibrator 10 nach unten gezogen, bis die abgerundete Kappe 116 am Boden des unteren Stangenendes 106 mit der Grundplatte 16 in Kontakt kommt. Wie am besten in den Fig. 1 und 7 zu sehen ist, ist die Kappe 116 dafür angepaßt, mit der oberen halb­ kugelförmigen konkaven Oberfläche 118 der zylindrischen Erhöhung 119 der Grundplatte 16 in Kontakt zu kommen. Die Oberfläche 118 hat vorzugsweise eine solche Kontur, daß sie einen Teil einer Kugel bildet, deren Zentrum die Schwingungsachse 13 schneidet, ganz gleich welche Richtung sie hat. Diese Wirkung ergibt sich, wenn die Achsen 22, 24, 38 und 30 im wesentlichen in der gleichen Ebene sind. Auf diesem Weg ist es möglich sicherzustellen, daß die Bahn der Schwingungsachse 13 immer senkrecht zu der Oberfläche 118 für eine äußerst wirkungsvolle Übertragung der Schwin­ gungsenergie auf die Grundplatte 16 in der gewünschten Richtung ist.

Die Frequenz- und Wobbelgeschwindigkeitssteuerung der Vorrichtung nach der Erfindung kann auf bekannte Art und Weise durchgeführt werden, wobei eine Hydraulikzufuhr 121 und Steuerventile 122 verwendet werden. Servoventile 123 können dann durch Signale von der Wobbelsteuerung 124 betätigt werden, um die Hin- und Herbewegung der Reaktions­ masse 102 und eine entsprechende Schwingungsbewegung der Grundplatte 16 zur Einleitung in die Erde zu erzeugen.

Mit der Vorrichtung nach der Erfindung ist es möglich, seismische Kompressions- und Scherungswellen sowohl des Typs SH als auch des Typs SV gleichzeitig zu erzeugen und mit Hilfe von herkömmlichen orthogonalen 3-Elementen­ geophonen an einer entfernten Stelle aufzuzeichnen. Die relativen Amplituden der Kompressions- und Scherungswellen, die so erzeugt werden, können durch Auswählen jeder be­ liebigen Kombination von Kippwinkeln α und β , wie oben beschrieben, geändert werden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Beaufschlagen der Erde mit seismischen Schwingungssignalen für die Erzeugung von kombinierten Kompressions- und Scherungswellen, mit einer Grundplatte zum Einleiten von Schwingungsenergie in die Erde, einem Vibrator zum Erzeugen von hin- und hergehenden Schwingun­ gen entlang einer Schwingungsachse, einer Einrichtung zum Verschieben des Vibrators in der Richtung der Schwingungs­ achse, so daß der Vibrator mit der Grundplatte in Kontakt kommt, und einer Einrichtung zum Betätigen des Vibrators in der Kontaktposition, um Schwingungsenergie auf die Grundplatte überzuleiten, gekennzeichnet durch einen kardanischen Rahmen (20), eine Einrichtung (28, 30) zum drehbaren Abstützen des Rahmens (20) über der Grundplatte (16) im Abstand zu ihr, um eine begrenzte Drehung des Rahmens (20) um eine erste Drehachse zu ermöglichen, die parallel zu der Ebene der Grundplatte (16) verläuft, eine Einrichtung (22, 24) zum drehbaren Abstützen des Vibrators (10) in dem Rahmen (20), um eine begrenzte Drehung des Vibrators (10) um eine zweite Drehachse zu ermöglichen, die senkrecht zu der ersten Drehachse ist, und eine Einrichtung (42, 44, 46, 48; 70, 72, 82, 84) zum Kippen des Rahmens (20) und des Vibrators (10) um die erste bzw. zweite Drehachse, bis die Schwin­ gungsachse mit einer vorbestimmten Richtung zusammenfällt, wobei die Einrichtung (110, 112) zum Verschieben des Vibrators (10) in der Richtung der Schwingungsachse ver­ stellbar zwischen dem Rahmen (20) und dem Vibrator (10) befestigt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Achse in der gleichen Ebene liegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrator (10) ein hydraulischer Vibrator ist.

4. Vorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (20) auf einem Transportfahrzeug abgestützt ist.

5. Vorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Drehen des Rahmens (20) und des Vibrators (10) um die erste bzw. zweite Drehachse das Folgende aufweist:
ein erstes Paar von entgegengesetzt gerichteten hydrau­ lischen Zylindern (70, 72, 82, 84), die einstellbar zwischen dem Fahrzeug und dem Rahmen (20) befestigt sind, so daß der Betrieb des ersten Paares von hydraulischen Zylindern in entgegengesetzter Richtung die Drehung des Rahmens (20) um die erste Drehachse bewirkt, und ein zweites Paar von entgegengesetzt gerichteten hydraulischen Zylindern (42, 44, 46, 48), die einstellbar zwischen dem Rahmen (20) und dem Vibrator (10) befestigt sind, so daß der Betrieb des zweiten Paares von hydraulischen Zylindern in entgegen­ gesetzter Richtung die Drehung des Vibrators (10) um die zweite Drehachse bewirkt.