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Verfahren und Einrichtung zur Untersuchung des Erduntergrundes mittels
durch Sprengung erzeugter seismischer Wellen Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren und Einrichtungen zur Untersuchung des Erduntergrundes mittels durch Sprengung
erzeugter sleismischer Wellen und mehrerer Geophone. Sie bezweckt die Schaffung
einer Einrichtung zur Feststellung der Zeit, die für künstlich erzeugte seismische
Wellen erforderlich ist, um abwärts zu der oberen Fläche einer unterirdischen Gebirgsschicht
von abweichender Dichte und zurück zur Erdoberfläche zu laufen, wobei die gemeinsame
Grenzfläche beider Gebirgsschichten den reflektierenden Horizont bildet. Dieses
Verfahren gründet sich auf den Umstand, daß jedesmal, wenn eine Erdwelle von einem
Medium zu einem anderen übertritt, ein Teil von ihr reflektiert wird, vorausgesetzt,
daß ein Unterschied in den Dichten oder den elastischen Koeffizienten oder beiden
Eigenschaften der benachbarten Gebirgsschichten besteht und daß die Welle auf die
Grenzfläche unter einem Winkel auftritt, der innerhalb des kritischen Reflexionswinkels
liegt.
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In Fig. I ist ein senkrechter Schnitt durch die Oberfläche der Erde
veranschaulicht, der eine obenliegende Schicht I aus unverfestigten Ablagerungen
zeigt, unter der eine dichtere Gebirgsschicht 2 liegt. Nachdem eine Explosivladung
an einem Punkt an oder nahe, aber innerhalb der Erdoberfläche zur Detonation gebracht
worden ist,
pflanzen sich seismische Wellen nach allen Richtungen
durch die Erde fort. Manche dieser Wellen werden direkt durch die Erde zu den Detektoren
oder Seismometern D laufen, die in bestimmten Abständen von der Ursprungs stelle
der künstlichen seismischen Wellen angeordnet sind. Da diese Wellen längs eines
Weges nahe der Oberfläche verlaufen, also in einem Medium von verhältnismäßig kleiner
Dichte und kleinem Elastizitätsmodul, haben sie verhältnismäßig kleine Geschwindigkeiten.
Andere Wellen, die nachstehend als reflektierte Wellen bezeichnet werden, laufen
abwärts zu der Oberfläche von unterirdischen Gebirgsschichten, in denen die Wellen
abweichende Geschwindigkeiten haben. Ein Teil jeder Welle wird nach oben zurückgeworfen
und kann durch die Geophone D empfangen werden. Gleichzeitig läuft der größere Teil
der Welle weiter durch das dichtere und elastischere Medium zu tieferen unterirdischen
Gebirgsschichten, in denen die Wellen wieder andere Geschwindigkeiten besitzen.
Die obere Fläche der tieferen unterirdischen Gebirgsschicht wird ihrerseits einen
weiteren Anteil der Welle nach oben zu den Geophonen zurückwerfen, wo sie von einem
Seismographen aufgezeichnet werden kann. Diese Reflexionen treten an den Grenzschichten
sowohl bei zunehmender Dichte und Elastizität als auch bei abnehtnender Dichte und
Elastizität auf. Die reflektierten Wellen von den verschiedenen Gebirgsschichten
in unterschiedlicher Tiefe können daher in derselben Weise aufgezeichnet werden
bis zu der praktischen Tiefen grenze für diese Art der Untersuchung.
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Aus der schematischen Darstellung in Fig. 1 könnte hervorgehen, daß
die direkt laufenden Wellen die Geophone lange genug vor den reflektierenden Wellen
erreichen, so daß keine Uberlagerung auftritt. Dies ist jedoch nicht der Fall, denn
eine solche Welle erreicht das Geophon nicht als ein einziger Impuls, sondern vielmehr
als eine länger unterhaltene Störung von verschiedenen Frequenzen, die noch nach
dem ersten Impuls weiterhin das Geophon infolge unterschiedlicher Geschwindigkeit
in Schwingung versetzen. Gerade wegen dieser Erscheinungen werden häufig die direkt
laufenden Wellen den reflektierten Wellen von tiefliegenden reflektierenden Horizonten
überlagert, so daß nicht ohne weiteres die direkten Wellen von den reflektierten
Wellen zu unterscheiden sind.
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Da die Tiefe des reflektierenden Horizont aus dem Zeitraum zwischen
dem Augenblick der Sprengung und der Rückkehr der reflektierten Wellen zur Oberfläche
der Erde sowie aus der mittleren Geschwindigkeit von elastischen Wellen berechnet
wird, ist es wichtig, daß diese reflektierten Wellen deutlich aufgezeichnet werden,
damit der Augenblick ihrer Ankunft genau ermittelt werden kann. Die Seismogramme
werden in einem gebräuchlichen elektrischen Seismographen aufgezeichnet, der mit
Einrichtungen für die Auftragung bestimmter kleiner Zeiträume längs des Seismogramms
ausgestattet ist.
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Hier schließt die Erfindung an und schlägt ein Verfahren zur Untersuchung
des Erduntergrundes vor, das sich dadurch auszeichnet, daß gleichzeitig mit der
in an sich bekannter Weise vorgenommenen Aufzeichnung der von jedem einzelnen Geophon
aufgenommenen und verstärkten Schwingungen eine solche Aufzeichnung erfolgt, die
sich aus der Überlagerung der von mehreren Geophonen aufgenommenen, über eine Schaltungsanordnung
zusammengeführten und nochmals verstärkten Schwingungen ergibt, und dadurch daß
sich diese beiden Gruppen von Aufzeichnungen gegenseitig nicht beeinflussen.
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Da die reflektierten Wellen notwendigerweise einen beträchtlich längeren
Weg als die direkt laufenden Wellen zu durchlaufen haben, wird ein größerer Teil
ihrer Energie absorbiert. Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der
Erfindung bewirkt eine Steigerung der Amplitude der reflektierten Wellen ohne wesentliche
Beeinflussung der Amplitude der aufgezeichneten direkt laufenden Wellen. Dies wird
dadurch erreicht, daß jedem Geophon je ein Verstärker nebst Kurvenschreiber zur
gesonderten Aufzeichnung der von jedem Geophon aufgenommenen Wellen zugeordnet und
mit den Stromkreisen zur Einzelaufzeichnung der von jedem Geophon aufgenommenen
Wellen ein weiterer Verstärker nebst Kurvenschreiber zur gleichzeitigen, von der
Einzelaufzeichnung der Wellen jedes Geophons unabhängigen Aufzeichnung einer solchen
Welle, die aus den von mehreren Geophonen aufgenommenen Wellen zusammengesetzt ist,
verbunden ist.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. In
der folgenden Beschreibung ist die Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt Fig. I die bereits beschriebene schematische Darstellung eines Querschnittes
durch ein Stück der Erdoberfläche mit den Wegen der seismischen Wellen, die aufgezeichnet
werden sollen, Fig. 2 ein Schaltschema für eine Einrichtung nach der Erfindung,
Fig. 3 einen Teil eines Seismogramms. wie es mit dem Gerät nach der Erfindung aufgezeichnet
wird.
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Nach Fig. 2 ist eine Mehrzahl von Geophonen D wie üblich mit dem
Eingang je eines normalen Röhrenverstärkers 3 verbunden. Die Verstärker für die
von jedem Geophon aufgenommenen Wellen sind voneinander getrennt. Die Ausgänge dieser
Verstärker sind mit entsprechenden Galvanometern oder mit unabhängigen Schwingsystemen
in einem gebräuchlichen Mehrfachgalvanometer 5 der allgemeinen Bauart verbunden,
die in den USA.-Patenten I 930 673 und 1 981 266 dargestellt ist.
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Das Galvanometer zeichnet Seismogramme von den Wellen auf, die von
den Geophonen D empfangen werden. Das soweit besprochene Gerät ist gebräuchlich
und kann zur Aufzeichnung unabhängiger Kurven benutzt werden, welche die von jedem
Geophon unabhängig erzeugten Wellen wiedergeben.
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Die Ausgangsleitungen der einzelnen Verstärker 3 sind über hohe Widerstände
4 mit einem verhältnismäßig kleinen Widerstand 6 verbunden, der durch eine T-Schaltung
aus veränderlichen Widerständen 7, 8 und 9 überbrückt ist, wobei von der T-Schaltung
eine Spannung abgenommen wird, die den Spannungsabfall an dem Widerstand 6 zum Teil
wiedergibt, und an ein besonderes Galvanometer gelegt oder über einen Verstärker
einem besonderen Galvanometer zugeführt wird. Dieses Galvanometer zeichnet eine
Welle auf, die aus den von allen Geophonen aufgenommenen Wellen zusammengesetzt
ist, in welcher die reflektierten Wellen hervorgehoben und die direkt laufenden
Wellen und äußeren Störungen abgeschwächt werden. Ein derartiges Seismogramm ist
in Fig. 3 veranschaulicht, in der die Kurven a, b, c, d und e Aufzeichnungen von
seismischen Wellen von fünf getrennten Geophonen und Kurve f eine zusammengesetzte
Aufzeichnung der seismischen Wellen der Kurven a> b, c, d und e darstellen. Bekanntlich
kommen Reflexionen von einer unterirdischen Gebirgsschicht in allen Geophonen im
wesentlichen zur gleichen Zeit an, während die direkt laufenden Wellen und die anschließend
unterhaltenen Störungen sowie die örtlichen Störungen - das sind diejenigen, denen
nur ein Geophon ausgesetzt sein mag - zu verschiedenen Zeiten ankommen und außlerdem
die Phasenwinkel der Störungen zwischen Aufzeichnungen von zwei oder mehr Geophonen
mehr oder weniger wahllos sind. Die Aufzeichnungen dieser Wellen in den getrennten
Kurven sind daher außer Phase miteinander.
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Der feste Widerstand 6, der mit allen Widerständen 4 in Reihe liegt,
führt den Gesamtstrom aller Widerstände 4. Die Augenblicksspannung an diesem Widerstand
ist daher die algebraische Summe aller Augenblicksspannungen, die sich aus sämtlichen
Augenblicksströmen ergehen, die durch die Widerstände 4 und durch den festen Widerstand
6 fließen. In diesem festen Widerstand 6 entsteht also die zusammengesetzte Spannung.
Alle Spannungen werden somit, auch wenn sie rede ziert sind, in diesem festen Widerstand
addiert.
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Da die von den reflektierten Wellen herrührenden Spannungen in Phase
sind, werden sie unmittelbar addiert, und da die Phasenwinkel der direkt laufenden
Welle und der anschließend unterhaltenen Störung und anderer örtlicher Störungen
wahllos verteilt sind, wird ein großer Teil unterdrückt. Das Ergebnis ist daher,
daß die erste Ankunft der reflektierten Energie sich deutlich abhebt gegenüber den
direkt laufenden Wellen und anderen Störungen.
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Indem die Schalter S mit den Widerständen 4 in Reihe geschaltet werden,
wie in Fig. 2 dargestellt, können die Wellen von einer beliebigen Anzahl oder allen
Detektoren als zusammengesetzte Aufzeichnung in einer einzigen Kurve des Seismogramms
aufgezeichnet werden. Wegen der angegebenen Bemessung der Widerstände 4 und 6 kann
nach Einstellung der veränderlichen Widerstände 7, 8 und 9 die zusammengesetzte
Kurve gleichzeitig mit den Einzelkurven auf demselben Seismogramm ohne Wechselwirkungen
zwischen irgendwelchen dieser Kurven aufgezeichnet werden.
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Ebenso kann gemäß der Erfindung eine beliebige Anzahl von zusammengesetzten
und einzelnen Kurven auf dasselbe Seismogramm aufgezeichnet werden.
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Es wurde früher vorgeschlagen, mehrere im Al,-stand angeordnete Geophone
in Reihe zu schalten, damit die algebraische Addition der erwünschten reflektierten
Wellen und die algebraische Unterdrückung der erwünschten Wellen und Störungen erreicht
wird. Dieses Verfahren hat viele Nachteile. Beispielsweise geht eine beträchtliche
Zeit für die Wiederverbindung der Geophone zu einer Reihenschaltung verloren. Die
Bedienungsperson weiß im voraus nicht, wieviel Geophone in Reihe geschaltet werden
müssen, um die gewünschten Ergebnisse sicherzustellen, und viel Zeit geht mit dem
Ausprobieren in dieser Hinsicht verloren.
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Ferner besteht die Möglichkeit von schlechten Verbindungen, Erdungen,
Ableitungen usw. an den verschiedenen Geophonen und sind zusätzlicheVerbindungsdrähte
notwendig. Wenn ferner die einzelnen Geophone in Reihe geschaltet sind, erhält die
Bedienungsperson keine Aufzeichnung von den einzelnen aufgestellten Geophonen mehr,
sondern nur eine zusammengesetzte Kurve der in Reihe geschalteten Gruppe. Beim Verfahren
nach der Erfindung werden die Kurven der einzelnen Detektoren beibehalten und gleichzeitig
mit den zusammengesetzten Kurven aufgezeichnet. Die Erfindung stellt daher eine
wesentliche Verbesserung gegenüber dem bekannten Stand der Technik dar.