RU2053525C1

RU2053525C1 - Device for exciting seismic waves

Info

Publication number: RU2053525C1
Authority: RU
Inventors: С.М. Жданов; В.А. Куликов; К.А. Лебедев
Original assignee: Новосибирский государственный университет; Институт геофизики Объединенного института геологии, геофизики и минералогии СО РАН
Priority date: 1992-07-21
Filing date: 1992-07-21
Publication date: 1996-01-27

Abstract

FIELD: multiwave seismic prospecting. SUBSTANCE: induction coils are mounted rigidly onto platform. The coils form vertical cups, inside which pole tips of horseshoe-shaped magnet assembly are placed. The poles are tied firmly with intermediate plate, which rests against the platform by means of vertical resilient member. The other induction coils, connected in pairs, are mounted onto the same platform symmetrically to its axes. The coils form horizontal cups, inside which movable inertial masses are disposed among resilient horizontal members. Pairs of induction coils disposed in horizontal are connected together in series. Induction coils which form horizontal cups are connected one to another pairwise in series, and any pair is connected to the circuit of induction coils, mounted in vertical, by means of switch. EFFECT: improved reliability of results of prospecting. 2 dwg

Description

Изобретение относится к техническим средствам возбуждения сейсмических волн и может быть использовано при поисках месторождений полезных ископаемых методом многоволновой сейсморазведки. The invention relates to technical means for exciting seismic waves and can be used in the search for mineral deposits by the method of multi-wave seismic exploration.

Известно устройство для возбуждения сейсмических колебаний, содержащее электродинамический излучатель, подключенный к источнику тока и установленный на излучающей платформе с грунтозацепами, и устройство прижима излучающей платформы к грунту, включающее промежуточную плиту, шарнирно связанную с силовыми гидроцилиндрами, излучающая платформа со стороны прижимной плиты снабжена клиновой выемкой, образованной двумя равно наклоненными к излучающей платформе плоскостями, на стенках которых установлены электродинамические излучатели, сопряженные с демпферами в виде клиньев, на которые оперта промежуточная плита [1]
Недостатком этого устройства является малая эффективность возбуждения поперечных волн вследствие использования механического демпфирования противо- положно направленного воздействия. При этом в самом исполнительном органе, представляющем собой тяжелые клинья, при воздействии электродинамического излучателя происходит резкая подвижка составляющих частей и передача части обратного воздействия через смежный клин на излучающую платформу. Это генерирует в грунте сдвиговые напряжения противоположного первоначальному знака и, в совокупности, резко снижает направленные свойства излучателя.A device for exciting seismic vibrations is known, comprising an electrodynamic emitter connected to a current source and mounted on a radiating platform with lugs, and a device for clamping a radiating platform to the ground, including an intermediate plate articulated with power hydraulic cylinders, the radiating platform on the side of the pressure plate is provided with a wedge recess formed by two planes equally inclined to the radiating platform, on the walls of which electrodynamic radiators are installed, coupled with dampers in the form of wedges on which the intermediate plate is supported [1]
The disadvantage of this device is the low efficiency of shear wave excitation due to the use of mechanical damping of the opposite direction. At the same time, in the executive body itself, which is heavy wedges, when exposed to an electrodynamic emitter, a sharp movement of the component parts occurs and part of the feedback is transmitted through an adjacent wedge to the emitting platform. This generates shear stresses in the soil opposite to the original sign and, in the aggregate, sharply reduces the directional properties of the emitter.

Известно устройство для возбуждения сейсмических волн, содержащее платформу с грунтозацепами, на которой установлена несущая мачта с направляющими и падающий груз, снабженный горизонтальным пальцем, закрепленным на нем в стороне от центра тяжести, а платформа снабжена тормозами-зацепами, выполненными с возможностью захвата ими горизонтального пальца [2]
Недостаток этого устройства низкая сейсмическая эффективность горизонтального воздействия из-за невозможности предотвращения и формирования повторного удара груза по платформе после отскока.A device for exciting seismic waves, comprising a platform with lugs, on which a carrier mast with guides and a falling load, equipped with a horizontal finger mounted on it away from the center of gravity, and the platform is equipped with brakes, hooks made with the ability to capture a horizontal finger [2]
The disadvantage of this device is the low seismic efficiency of the horizontal impact due to the inability to prevent and form a second strike of the cargo on the platform after the rebound.

Технический результат изобретения состоит в повышении сейсмической эффективности при возбуждении поперечных волн. The technical result of the invention is to increase seismic efficiency in the excitation of transverse waves.

Сущность изобретения состоит в том, что устройство для возбуждения сейсмических волн, содержащее мачту с направляющими, падающий груз, платформу с грунтозацепами, дополнительно снабжено воспринимающей удар плитой, инертными массами, постоянными магнитами и индукционными катушками, причем последние жестко закреплены на платформе с образованием вертикальных и горизонтальных колодцев, расположенных попарно симметрично относительно постоянных магнитов соосно падающему грузу, а постоянные магниты жестко связаны с воспринимающей плитой, через упругие элементы опирающейся на платформу с грунтозацепами, и выполнены подковообразными, при этом каждый из них своим полюсным оконечником входит в соответствующий вертикальный колодец индукционной катушки. При этом каждый горизонтальный колодец, может быть образован парой одинаковых индукционных катушек, токоведущие выводы которых поочередно присоединены к входам индукционных катушек, образующих вертикальные колодцы, при этом инертные массы, размещенные в этих горизонтальных колодцах, посредством упругих элементов связаны с вертикальными стенками платформы с грунтозацепами. The essence of the invention lies in the fact that the device for exciting seismic waves, comprising a mast with guides, an incident load, a platform with lugs, is additionally equipped with a shock-absorbing plate, inert masses, permanent magnets and induction coils, the latter being rigidly fixed to the platform with the formation of vertical and horizontal wells arranged in pairs symmetrically with respect to the permanent magnets coaxially with the falling load, and the permanent magnets are rigidly connected to the receiving plate , through elastic elements resting on a platform with grousers, and made horseshoe-shaped, each of them with its pole end enters the corresponding vertical well of the induction coil. Moreover, each horizontal well can be formed by a pair of identical induction coils, the current-carrying leads of which are alternately connected to the inputs of the induction coils forming vertical wells, while inert masses placed in these horizontal wells are connected by elastic elements to the vertical walls of the platform with lugs.

На фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство, поперечный разрез; на фиг.2 принципиальная электрическая схема. In FIG. 1 schematically shows the proposed device, a cross section; figure 2 circuit diagram.

Устройство для возбуждения сейсмических колебаний состоит из несущей мачты 1 с направляющими 2, падающего груза 3, платформы 4 с грунтозацепами 5, промежуточной плиты 6, постоянных магнитов 7, индукционных катушек 8, образующих вертикальные стаканы, индукционных катушек 9-12, жестко соединенных между собой и платформой 4, расположенных попарно симметрично относительно индукционных катушек 8 и постоянных магнитов 7, упругих элементов 13, опирающихся на платформу 4, поддерживающих промежуточную плиту 6 и размещенных в вертикальном стакане, инертных масс 14, горизонтальных упругих элементов 15, удерживающих инертные массы 14 в центре горизонтальных индукционных катушек 9-12, опирающихся на вертикальные стенки 16 платформы 4. A device for exciting seismic vibrations consists of a carrier mast 1 with guides 2, a falling load 3, a platform 4 with grousers 5, an intermediate plate 6, permanent magnets 7, induction coils 8 forming vertical glasses, induction coils 9-12 rigidly interconnected and platform 4, arranged in pairs symmetrically with respect to induction coils 8 and permanent magnets 7, elastic elements 13, supported on platform 4, supporting an intermediate plate 6 and placed in a vertical glass, are inert x masses 14, horizontal elastic elements 15 holding inert masses 14 in the center of the horizontal induction coils 9-12, resting on the vertical walls 16 of the platform 4.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

На заданной точке пункте возбуждения сейсмических волн производится установка устройства на поверхность грунта так, чтобы грунтозацепы 5 платформы 4 были полностью погружены в верхний слой почвы, а нижнее основание этой платформы плотно прилегало к поверхности земли. At a given point, the point of excitation of seismic waves, the device is installed on the soil surface so that the lugs 5 of the platform 4 are completely immersed in the upper soil layer, and the lower base of this platform is firmly adjacent to the earth's surface.

Одновременно с установкой устройства на поверхность земли производится его ориентация относительно направления профиля с целью обеспечения вполне определенной поляризации поперечных волн, генерируемых предлагаемым агрегатом. Для проведения наблюдений по схеме Y-Y (поперечные волны SH) устройство ориентируется таким образом, чтобы направление перемещения инертных масс 14 внутри горизонтальных стаканов индукционных катушек 9-12 было перпендикулярно направлению профиля. Simultaneously with the installation of the device on the surface of the earth, it is oriented relative to the direction of the profile in order to ensure a well-defined polarization of the transverse waves generated by the proposed unit. To conduct observations according to the Y-Y scheme (SH transverse waves), the device is oriented in such a way that the direction of inert mass movement 14 inside the horizontal glasses of the induction coils 9-12 is perpendicular to the profile direction.

Для осуществления наблюдений по схеме Х-Х (поперечные волны SV) направление перемещения инертных масс 14 ориентируется вдоль линии профиля. To carry out observations according to the scheme XX (transverse waves SV), the direction of movement of inert masses 14 is oriented along the profile line.

По завершении этих операций устройство по команде, исходящей от сейсмостанции, приводится в рабочее положение. Для этого производится коммутация индукционных катушек 8, например, с катушками 9 и 12 через переключатель К, для чего начало общего токоведущего вывода вертикальных индукционных катушек 8 соединяется с началом токоведущего вывода горизонтальной индукционной катушки 12, конец которого соединен с началом токоведущего вывода второй горизонтальной индукционной катушки 9. Конец общего токоведущего вывода катушки 8 через второй контакт переключателя К соединен с концом токоведущего вывода горизонтальной индукционной катушки 9. После этого осуществляется подъем груза 3 по мачте 1 вдоль направляющих 2 на заданную высоту. Upon completion of these operations, the device, on command from the seismic station, is brought into working position. For this, the induction coils 8 are switched, for example, with coils 9 and 12 through the switch K, for which the beginning of the common current-carrying output of the vertical induction coils 8 is connected to the beginning of the current-carrying output of the horizontal induction coil 12, the end of which is connected to the beginning of the current-carrying output of the second horizontal induction coil 9. The end of the common current-carrying output of the coil 8 through the second contact of the switch K is connected to the end of the current-carrying output of the horizontal induction coil 9. After that, fected load lifting mast 3 by 1 along the guide 2 to a predetermined height.

Промежуточная плита 6 вместе с магнитами 7 освобождается от тяг, фиксирующих стационарное положение магнитов 7 относительно индукционных катушек 8 при транспортных операциях, и свободно "плавает" на упругих элементах 13 в стаканах вертикальных индукционных катушек 8. The intermediate plate 6 together with the magnets 7 is freed from rods that fix the stationary position of the magnets 7 relative to the induction coils 8 during transport operations, and freely “floats” on the elastic elements 13 in the glasses of the vertical induction coils 8.

По команде сейсмостанции груз 3 освобождается от удерживающих захватов и падает по направляющим 2 мачты 1, набирая скорость до соударения с плитой 6. При этом плита 6 вместе с грузом 3 и магнитами 7 начинает двигаться внутрь стаканов вертикальных индукционных катушек 8, сжимая упругие элементы 13. Силовые линии неоднородного магнитного поля, образованного между полюсами постоянных магнитов 7, пересекают плоскости витков индукционных катушек 8 и, в соответствии с явлением магнитной индукции, наводят в них электродвижущую силу, которая в электрической цепи, замкнутой на горизонтальные индукционные катушки 9 и 12, возбуждает электрический ток амплитудой, обратно пропорциональной суммарному активному сопротивлению катушек 8, 9 и 12. At the command of the seismic station, the load 3 is released from the holding grips and falls along the guides 2 of the mast 1, gaining speed until it hits the plate 6. At the same time, the plate 6 together with the load 3 and magnets 7 begins to move inside the glasses of the vertical induction coils 8, compressing the elastic elements 13. The lines of force of an inhomogeneous magnetic field formed between the poles of the permanent magnets 7 intersect the planes of the turns of the induction coils 8 and, in accordance with the phenomenon of magnetic induction, induce an electromotive force in them, which A circuit closed to horizontal induction coils 9 and 12 excites an electric current with an amplitude inversely proportional to the total active resistance of coils 8, 9 and 12.

Промежуточная плита 6 вместе с грузом 3 и магнитами 7 входит внутрь стаканов индукционных катушек 8 до своей остановки под действием силы сопротивления сжимающихся упругих элементов 13, после чего начинает смещаться в противоположном направлении (вверх). В этот момент сила расширяющихся упругих элементов 13 воздействует на платформу 4, стремясь сдвинуть ее в направлении вертикально вниз. Так как платформа 4 плотно прилегает к поверхности грунта, порода препятствует вертикальному перемещению платформы 4, воспринимая ее давление. Грунт под основанием платформы 4 деформируется, порождая возникновение сжимающих напряжений, действующих по нормали к поверхности земли. Это приводит к возбуждению продольных сейсмических волн, распространяющихся по вертикали в глубь среды. Вместе с тем электрический ток, генерируемый движением магнитов 7 внутри стаканов индукционных катушек 8, течет по цепям связи в индукционные катушки 9 и 12, где, в соответствии с тем же явлением электромагнитной индукции, происходит преобразование электрической энергии в энергию магнитного поля катушки с током. В связи с тем, что инертные массы 14 смещены от положения центра индукционных катушек 9 и 12, на них воздействует неоднородное магнитное поле с градиентом, направленным к центру катушек 9 и 12. Взаимодействие этого поля с инертными массами, выполненными из ферромагнитного материала, приводит к тому, что инертные массы втягиваются внутрь горизонтальных стаканов индукционных катушек 9 и 12, сжимая и одновременно растягивая соответствующие упругие элементы 15. The intermediate plate 6, together with the load 3 and magnets 7, enters the glasses of the induction coils 8 until it stops under the action of the resistance force of the compressing elastic elements 13, after which it begins to shift in the opposite direction (up). At this moment, the force of the expanding elastic elements 13 acts on the platform 4, trying to shift it in the direction vertically down. Since the platform 4 is tightly attached to the soil surface, the rock prevents the vertical movement of the platform 4, perceiving its pressure. The soil under the base of platform 4 is deformed, causing the occurrence of compressive stresses acting normal to the surface of the earth. This leads to the excitation of longitudinal seismic waves propagating vertically into the interior of the medium. At the same time, the electric current generated by the movement of the magnets 7 inside the glasses of the induction coils 8 flows through the communication circuits to the induction coils 9 and 12, where, in accordance with the same phenomenon of electromagnetic induction, electric energy is converted into magnetic field energy of the current coil. Due to the fact that the inert masses 14 are displaced from the position of the center of the induction coils 9 and 12, they are affected by an inhomogeneous magnetic field with a gradient directed to the center of the coils 9 and 12. The interaction of this field with inert masses made of ferromagnetic material leads to the fact that inert masses are drawn into the horizontal glasses of the induction coils 9 and 12, compressing and simultaneously stretching the corresponding elastic elements 15.

Прекращение движения промежуточной плиты 6 с магнитами 7 в нижней точке траектории приводит к падению электродвижущей силы в индукционных катушках 8 до нуля и, следовательно, силы тока, протекающего по обмоткам катушек 9 и 12. Вместе с уменьшением силы тока в обмотках катушек 9 и 12 исчезает и магнитное поле в горизонтальных стаканах, удерживающие инертные массы 14 в крайнем левом положении. Упругие элементы 13, сжатые в вертикальном стакане индукционных катушек 8, выталкивают промежуточную плиту 6 вместе с магнитами 7 и грузом 3 вверх. В катушках 8 вновь генерируется электродвижущая сила, которая индуцирует магнитное поле в катушках 9 и 12. Взаимодействуя с инертными массами 14, это магнитное поле препятствует резкому обратному ходу масс, одновременно подавляя колебательный процесс в системе упругий элемент 13 промежуточная плита 6 с грузом 3. The cessation of the movement of the intermediate plate 6 with magnets 7 at the lower point of the trajectory leads to a decrease in the electromotive force in the induction coils 8 to zero and, therefore, the current flowing through the windings of the coils 9 and 12. Together with a decrease in the current strength in the windings of the coils 9 and 12 disappears and a magnetic field in horizontal beakers holding inert masses 14 in the extreme left position. The elastic elements 13, compressed in a vertical cup of induction coils 8, push the intermediate plate 6 together with the magnets 7 and the load 3 up. In coils 8, an electromotive force is again generated, which induces a magnetic field in coils 9 and 12. Interacting with inert masses 14, this magnetic field prevents a sharp backward movement of the masses, while suppressing the oscillatory process in the system of the elastic element 13 of the intermediate plate 6 with the load 3.

Подберем жесткость упругих элементов 13 и 15 таким образом, чтобы время движения промежуточной плиты 6 вместе с грузом 3 и магнитами 7 было одинаковым со временем движения инертных масс 14, тогда, коммутируя выводы индукционных катушек 8 с входом катушек 10 и 11, вследствие явления электромагнитной индукции на инертные массы 14 начнет действовать сила противоположного направления, вытягивающая в стакан катушки 10 и 11. При этом упругие элементы 15 инертных масс 14 также выталкивают их из конечного положения. Таким образом возникает колебательный процесс поочередного перемещения инертных масс 14 в горизонтальных стаканах индукционных катушек 9, 10 и 11, 12. Такое движение инертных масс 14 будет продолжаться некоторое время с затухающей амплитудой, пока не остановится плита 6 с грузом 3 и магнитами 7. При этом под воздействием упругих элементов 15 инертные массы займут свое начальное положение внутри стаканов индукционных катушек 9, 10 и 11, 12. We choose the stiffness of the elastic elements 13 and 15 so that the time of movement of the intermediate plate 6 together with the load 3 and magnets 7 is the same with the time of movement of inert masses 14, then, commuting the conclusions of the induction coils 8 with the input of the coils 10 and 11, due to the phenomenon of electromagnetic induction the inertial mass 14 begins to act in the opposite direction, pulling the coils 10 and 11 into the glass. In this case, the elastic elements 15 of the inertial masses 14 also push them out of their final position. Thus, an oscillatory process arises of alternately moving the inert masses 14 in the horizontal cups of the induction coils 9, 10 and 11, 12. Such a motion of the inert masses 14 will continue for some time with a damping amplitude, until the plate 6 with the load 3 and magnets 7 stops. under the influence of elastic elements 15, inert masses will occupy their initial position inside the glasses of induction coils 9, 10 and 11, 12.

Вместе с тем перемещение инертных масс 14 в одну сторону (в нашем случае влево) вызовет перераспределение положения масс в замкнутой системе платформы 4 и, как следствие, движение платформы 4 в противоположную сторону. Движение инертных масс 14 одновременно вызывает и соответствующее смещение платформы 4, которое в этом случае совпадает с направлением сил, действующих вследствие расширения и сжатия упругих элементов 15, опирающихся своими концами на вертикальные стенки платформы 4. Это приводит к раскачке платформы 4 в горизонтальном направлении. При этом платформа 4 своими грунтозацепами 5 производит поочередное сжатие слоя грунта под нижним основанием, что деформирует грунт вдоль линии перемещения. Эти деформации генерируют поперечные волны SH поляризации, которые излучаются по вертикали вниз полупространства, на котором размещается устройство. However, the movement of inert masses 14 in one direction (in our case to the left) will cause a redistribution of the position of the masses in the closed system of platform 4 and, as a result, the movement of platform 4 in the opposite direction. The movement of inert masses 14 simultaneously causes a corresponding displacement of the platform 4, which in this case coincides with the direction of the forces acting as a result of the expansion and contraction of the elastic elements 15, resting their ends on the vertical walls of the platform 4. This leads to the buildup of the platform 4 in the horizontal direction. In this case, the platform 4, with its lugs 5, sequentially compresses the soil layer under the lower base, which deforms the soil along the line of movement. These deformations generate shear waves of polarization SH, which are emitted vertically down the half-space on which the device is placed.

Поскольку излучение продольных и поперечных волн происходит одновременно, то для их разделения необходимо использовать признак фазовой инверсии поперечных колебаний при перемене направления действия силы в источнике на противоположное. Это достигается при помощи соединения индукционных катушек 8 с 10 и 12 ключом К (фиг.2). При этом все операции повторяются, а направление первого смещения инертных масс 14, а вместе с ними платформы 4 с грунтозацепами 5, изменяется на противоположное. Это дает перемену первых фаз колебаний поперечных волн и возможность использования операций суммирования и вычитания двух разнополярных сейсмограмм для выделения продольных и поперечных волн. Since the radiation of longitudinal and transverse waves occurs simultaneously, for their separation it is necessary to use the sign of phase inversion of transverse vibrations when the direction of the force in the source is reversed. This is achieved by connecting the induction coils 8 with 10 and 12 with the key K (figure 2). In this case, all operations are repeated, and the direction of the first displacement of inert masses 14, and with them the platform 4 with lugs 5, is reversed. This gives a change in the first phases of shear wave oscillations and the possibility of using the operations of summing and subtracting two bipolar seismograms to separate longitudinal and transverse waves.

Таким образом, устройство позволяет совместить в одном агрегате возможность возбуждения продольных и поперечных волн одного и того же воздействия. Использование явления электромагнитной индукции для преобразования вертикального движения в горизонтальное резко повышает эффективность такого преобразования. Thus, the device allows you to combine in one unit the possibility of excitation of longitudinal and transverse waves of the same effect. Using the phenomenon of electromagnetic induction to convert vertical motion to horizontal dramatically increases the efficiency of such a conversion.

Другим преимуществом устройства является его легкая сопрягаемость с любыми источниками вертикально-направленного движения, включая и вибрационные. Another advantage of the device is its easy mating with any sources of vertical directional movement, including vibration.

Claims

DEVICE FOR EXCITING SEISMIC WAVES, containing a mast with guides, a falling load and a radiating platform, characterized in that the platform is equipped with an intermediate plate, horizontally arranged inert masses, vertically arranged permanent magnets, horizontally and vertically arranged induction coils symmetrically with respect to the vertical axis of the platform, and the coils rigidly fixed to the platform and form vertical and horizontal glasses with its walls, permanent magnets are rigidly fastened they are insulated with an intermediate plate resting on the platform through vertically arranged elastic elements and form a horseshoe-shaped magnetoactive system, each pole tip of which enters a corresponding vertical glass, inert masses are placed in horizontal glasses between horizontally located elastic elements, pairs of vertically located induction coils are interconnected in series, and the induction coils making up the horizontal cups are interconnected in pairs edovatelno and each pair through the switch is included in the circuit indukitsionnyh vertically disposed coils.