SU488A1

SU488A1 - Method and device for acoustic investigation of terrestrial strata

Info

Publication number: SU488A1
Application number: SU76385A
Authority: SU
Inventors: В.С. Воюцкий
Original assignee: В.С. Воюцкий
Priority date: 1923-02-28
Filing date: 1923-02-28
Publication date: 1924-09-15

Description

Автор исходит из следующих соображений: Звук, при переходе из одной среды, с одной скоростью распространени звука в ней, в другую, с другой скоростью , отражаетс на границе обоих сред. Известны опыты и наблюдени Дж. Тиндал относительно отражени звука на границах газообразных сред; автор же обратил внимание на отражени на границах твердых сред и производил соответствующие опыты. Земна кора в своем строении на огромных прот жени х представл ет, по мнению автора, превосходные услови дл такого рода отражений. Осадочные горные породы залегают в земной коре сло ми или пластами и целыми р дами пластов (свитами). Пласты в свите всегда более или менее параллельны друг другу и чередуютс в самом различном пор дке; петрографический состав их также различен; глины разных формаций перемежаютс с песками , песчаниками, известн ками, каменным углем и т. д., почти всегда между пластами залегают пропластки самого разного состава. С другой стороны , земна кора вл етс , по мнению автора, превосходным проводником звука , лучшим нежели воздух; он убедилс в этом, производ опыты и наблюдени . Скорость звука в горной породе зависит от ее плотности и упругости , а эти последние свойства различны дл различных пород и завис т еще от их скважности, насыщенности водой и др. свойств. В различных породах скорость распространени звука будет различна . По Вертгейму скорость звука в горных породах колеблетс от 1500 до 3000 метр, в сек. (см. Мущкетов, Физич. геологи , т. 1). В твердых песчаниках скорость звука будет наибольщей (автор берет только осадоч. горн, породы), затем пойдут плотные известн ки, глины разных плотностей и пески. В одной и той же породе, но вз той из разных месторождений , плотность и упругость, а, следовательно , и скорость звука будет также различна . Это вид.чо уже из того, что значение пределов на сжатие и раздробление в породах, вз тых из различных месторождений, сильно отличаютс друг от друга. Мало того, пласты из одного и того же месторождени , но вз тые на разных горизонтах , всегда будут различатьс по плотност м и упругост м, а, следовательно, и по скорости звука. Только один и тот же пласт будет иметь на больших прот жени х приблизительно одинаковую скорость звука, так как он сохран ет свой состав и физические свойства породы его составл ющей посто нными, часто на всем своем прот жении, нередко на громадные рассто ни . Звук, проход р ды пластов осадочных горных пород, должен отражатьс . В природе такие отражени наблюдаютс при землетр сени х. Сейсмические волны, скорость распространени которых, также как и звука, зависит от плотности и упругости среды, в которой они распростран ютс , проход по многочисленным пластам земной коры, многократно преломл ютс и отражаютс . При землетр сени х часто образуетс и звук в виде шума и гула, который сно слишитс на поверхности земли. Звук этот, проход по пластам, преломл етс , отражаетс и ослабл етс также, как и сейсмические волны (см. Мушкетов, „Физич. Геолог., т. 1-й и Орлов „Сейсмические влени в Туркестане ). Дл образовани интенсивных отражений на границах неоднородных сред вовсе не нужно, чтобы эти среды были сильно разнородны в акустическом смысле, т. е. сильно различались по скорост м распространени в них звука. Напротив, из опытов Тиндал видно, что достаточно небольшой разницы скорости звука в них, чтобы получить сное и легко обнаруживаемое отражение. Предлагаемый способ и прибор имеет целью исследование земных напластований посредством звуковых отражений. На фиг. 1 изображен вид прибора, посылающего звуковые волны в землю; на фиг. 2 - продольный вертикальный разрез; на фиг. 3 - вид чечевицы; на фиг. 4 - вид приемного прибора; на фиг. 5 - камера; на фиг. 6-зеркало . Способ исследовани месторождений полезных ископаемых посредством звуцилиндрический щик i - 2 (фиг. 1) поставлен на основание, представл юсжиматьс кожаные мехи 3 - 4. Верх цилиндра :/-2 открыт, нижнее основание мехов 3, 4 зат нуто тонкой каучуковой перепонкой 5, б, легко пропускающей звук. Весь прибор ставитс на очищенную от дерна и слегка утрамбованную поверхность земли, пр мо на то место, под которым требуетс исследовать пласты. В приборе, как видно из фиг. 2, помещена дво ковыпукла чечевица 7, 8 (изображ. отдельно на фиг. 3) из тонкого каучука диам. приблизительно 0,75 метр. В чечевицу, посредством трубки 9, наливают терпентинное или какое либо другое масло , скорость звука в котором около 1200 метр, в секунду. В цилиндрический щик, сверху чечевицы и в мехи снизу чечевицы, посредством трубки 9, наливают крепкий раствор хлористого кальци , скорость звука в котором около 1900 метр, в секунду. Источником звука служит резкое и кратковременное соударение двух небольших стальных шариков, диам. по 15-16 м/м, погруженных , например, в раствор хлористого кальци в том месте, где находитс фокус чечевицы 7, 8. Звук, не задерживаемый проницаемой дл звука перепонкой 5, 6, войдет в поверхностные пласты земли и распространитс в них параллельным пучком лучей по направлению вертикальной оси черевицы 7, 8. Так как акустический коэффициент преломлени хлористого кальци и поверхностных пластов земли подход т друг к другу (скорость звука в хлор, кальции 1900, в м гк. горн, породах, из которых больщею частью составлены поверхностные пласты, 1500 - 2000 метр, в сек.), то звук из прибора, по мнению ковых отражений состоит в том, что звук, направленный с поверхности земли через неразведанные пласты осадочных горных пород, отражаетс от них, и отражени возвращаютс обратно, к поверхности земли, где подвергаютс анализу , дающему сведени о свойствах пластов, числе их и стратиграфическом положении. Устройство прибора дл осуществлени способа следующее: металлический щее собою могущие раст гиватьс и автора, войдет в пласты с полной силой , неослабленной сильным отражением . Измен наклон чечевицы под углом к горизонту (это достигаетс соответственным движением мехов 5, 4), измен етс направление, по которому распростран етс в земле звук. Цилидр i, 2, дл предупреждени рассеивани звука своими стенками, внутри обит м гкой резиной, войлоком или другим веществом, неотражающим звуковые волны. Таким образом, посылаетс в землю звук по любому направлению; нужно старатьс направить его перпендикул рно к исследуемому пласту, чтобы получить отражение, которое возвращаетс на поверхность земли, где попадет в приемный прибор. Приемный прибор устроен соверщенно так же, как и посылающий прибор 1, 2, 3, 4; он имеет такую же чечевицу и наполнен такими же жидкост ми; только, вместо щариков, в фокусе его чечевицы, в растворе кальци , подвешен чувствительный микрофон 10 (фиг. 4) включенный в цепь небольщой батареи и электромагнита 77. Электромагнит 77 действует на колеблющеес упругое дно 72, 73 небольщой камеры J4 (фиг. 4 и 5). В камеру /4 через трубочку, не показанную на чертеже, входит светильный газ или ацетилен. С другой стороны камера J4 имеет небольшую трубочку 75, через которую газ выходит и где при выходе зажигаетс . Когда микрофон не воспринимает звуковых отражений и, следовательно, упруга пластинка 72, 73 находитс в покое, то во вращающемс зеркале 76 (фиг. 6) видна непрерывна огненна лента. Как только микрофон воспримет р д отражений от пластов, то лента, по мнению автора, распадетс на р д огоньков, получающихс каждый от каждого отдельного отражени . Способ анализа при помощи вышеописанного газового манометра можно заменить другим каким либо способом, напр., анализом при помощи Гейслеровской трубки, трубки Герке, телефонной пластинкой, отражающей световой луч на движущуюс светочувствительную ленту и др. Допустим теперь что мы получили отражение от свиты пластов. Число всех огоньков укажет нам число всех пластов в свите. Высота каждого огонька, получившегос на границе двух соответствующих пластов, будет тем меньше , чем глубже под поверхностью земли залегают эти пласты, а также тем меньше , чем меньше разница скоростей звука в этих пластах, а потому укажет на степень их разнородности. Рассто ние между двум соответственными огоньками в зеркале, при равномерном его вращении, зависит от толщины или мощности соответствующего пласта, именно пропорциональна ей и обратно пропорциональна скорости распространени звука в этом пласте. Так как скорость звука, в одном и том же пласте, на больших прот жени х посто нна , то, производ исследование звуком различных участков одного и того же пласта, можно, по мнению автора, по изменени м рассто ни в зеркале между соответственными огоньками, проследить все относительные изменени мощности этого пласта, именно его выклинивание или разбухание, заметить его исчезновение, по вление вновь и т. д. и так с каждым пластом в свите, а вообще получить картину стратиграфического строени свиты. Несмотр на то, что соударение шариков дает звук сравнительно не интенсивный, все же силы звука, по мнению автора, хватит на то, чтобы распространитьс до исследуемого пласта и, возвративщись обратно, подействовать на упругую пластинку газового манометра или другой приемник - анализатор. Произойдет это потому, что звук от соударени шариков собираетс чечевицей и направл етс через пласты пучком параллельных или слабо расход щихс лучей, затем, отразившись , оп ть собираетс чечевицей, так что вс сила звука от удара действует на приемник, за исключением только той части, котора потрачена на поглощение в пластах, при чем эта часть, по мнению автора, очень мала, так как твердые тела хорошие проводники звука. ром дл исследовани пластов, залегающих на большой глубине под поверхностью земли; он надеетс добитьс лучших результатов среди пластов верхних напластований, ненарушенных и лишенных разрывов сплошности. ОсоИзобретение не предназначаетс автобенно способ, по мнению автора, пригоден дл изысканий нефти, воды и золота, так как эти ископаемые залегают сравнительно не глубоко, ПРЕДМЕТ ИЗОБРЕТЕНИЯ. 1.Способ акустического исследовани земных напластований посредством звуковых отражений, характеризующийс тем, что звуковые волны направл ют на исследуемые пласты и после их отражени от последних воспринимают и закрепл ют их в видимой форме с целью последующего изучени расположени и свойств пластов. 2.При указанном в п. 1 способе применение служащего дл испускани направленных звуковых волн прибора, отличающегос тем, что он состоит из цилиндрического сосуда 1,2, соединенного с цилиндрическим же сосудом 5,4 со складчатыми боковыми стенками, зат нутым снизу тонкой каучуковой перепонкой 5, 6, каковые сосуды заполнены средою, коэффициент преломлени звука в которой мало отличаетс от коэффициента звукового преломлени в поверхностных горных породах, с помещенною в ней каучуковою, заполненною терпентинным маслом, чечевицею 7, 8, в фокусе коей помещены два стальных щарика, соударение которых служит источником звуковых волн. 3. При указанном в п. 1 способе применение прибора, служащего приемником-анализатором звуковых колебаний , отличающегос тем, что в приборе по п. 2 соудар ющиес щарики, помещаемые в фокусе чечевицы 7,8, заменены чувствительным микрофоном 10, включенным в цепь электромагнита 77, действующего на упругое дно 72, 73 газовой камеры 14, снабженной горелкой 75, дл отражени и изучени пламени которой служит вращающеес зеркало 16.The author proceeds from the following considerations: Sound, when moving from one medium, with one speed of sound propagation in it, to another, with another speed, is reflected at the boundary of both media. Known experiments and observations of J. Tyndall regarding the reflection of sound at the boundaries of gaseous media; the author also drew attention to the reflections at the boundaries of solid media and carried out the corresponding experiments. The Earth's crust in its structure over vast expanses represents, in the author's opinion, excellent conditions for such reflections. Sedimentary rocks are deposited in the earth's crust by layers or layers and a whole series of layers (suites). Formations in the suite are always more or less parallel to each other and alternate in a very different order; their petrographic composition is also different; Clays of different formations are interspersed with sands, sandstones, limestones, coal, etc., almost always, layers of very different composition occur between the layers. On the other hand, the earth's crust is, in the opinion of the author, an excellent conductor of sound, better than air; he was convinced of this, of making experiments and observations. The speed of sound in a rock depends on its density and elasticity, and these latter properties are different for different rocks and also depend on their duty cycle, water saturation and other properties. In different rocks, the speed of sound propagation will be different. According to Wertheim, the speed of sound in rocks ranges from 1,500 to 3,000 meters, in seconds. (see Mushcheketov, Physical. Geologists, vol. 1). In solid sandstones, the speed of sound will be the greatest (the author takes only sedimentary, rocks), then dense limestones, clays of various densities and sands will go. In the same rock, but taken from different fields, the density and elasticity, and, consequently, the speed of sound will also be different. This is a view that even from the fact that the value of the limits for compression and fragmentation in rocks taken from different deposits, is very different from each other. Moreover, the layers from the same field, but taken at different horizons, will always differ in density and elasticity, and, consequently, in the speed of sound. Only the same layer will have approximately the same speed of sound over long distances, since it retains its composition and physical properties of the rock, its constituent constant, often over its entire length, often over long distances. The sound, the passage of a row of sedimentary rock layers, should be reflected. In nature, such reflections are observed during earthquake earthquakes. Seismic waves, the propagation speed of which, as well as sound, depends on the density and elasticity of the medium in which they propagate, pass through numerous layers of the earth's crust, are repeatedly refracted and reflected. With earthquakes, sound is often produced in the form of noise and hum, which is clearly too much on the surface of the earth. This sound, the passage through the seams, is refracted, reflected and attenuated as well as seismic waves (see Mushketov, Physical Geolog., Vol. 1 and Orlov, Seismic phenomena in Turkestan). In order to form intense reflections at the boundaries of inhomogeneous media, it is not at all necessary that these media be strongly heterogeneous in the acoustic sense, i.e., they differ greatly in the speed of sound propagation in them. On the contrary, from Tyndal's experiments one can see that a small difference in the speed of sound in them is enough to get a clear and easily detectable reflection. The proposed method and device aims to study terrestrial strata by means of sound reflections. FIG. 1 shows a view of an instrument sending sound waves to the ground; in fig. 2 is a longitudinal vertical section; in fig. 3 - type of lentils; in fig. 4 - type of receiving device; in fig. 5 - camera; in fig. 6 mirror. The method of exploring mineral deposits by means of a cylindrical box i - 2 (Fig. 1) is placed on the base, it is compressed leather bellows 3 - 4. The top of the cylinder: / - 2 is open, the lower base of the bellows 3, 4 is tightened by a thin rubber membrane 5, b easily transmits sound. The entire device is placed on a cleaned from sod and a slightly rammed surface of the earth, directly to the place under which it is necessary to examine the strata. In the device, as can be seen from FIG. 2, a double cowl of lentils 7, 8 (shown separately in Fig. 3) of thin rubber dia. approximately 0.75 meters. In lentils, through the tube 9, pour turpentine or any other oil, the speed of sound in which about 1200 meters per second. In a cylindrical box, on top of the lentils and in the bellows on the bottom of the lentils, through a tube 9, pour a strong solution of calcium chloride, the speed of sound in which is about 1900 meters per second. The sound source is a sharp and short-term collision of two small steel balls, dia. 15-16 m / m, immersed, for example, in a solution of calcium chloride in the place where the focus of lentils 7, 8 is located. A sound not delayed by a sound-permeable membrane 5, 6 will enter the surface layers of the earth and spread in them parallel the beam of rays in the direction of the vertical axis of the skull 7, 8. Since the acoustic refractive index of calcium chloride and the surface layers of the earth approach each other (sound speed in chlorine, calcium 1900, in mk. horn, rocks from which surface parts are composed layers, 1500 - 2000 meter, in sec.), the sound from the instrument, in the view of specular reflections, is that sound directed from the surface of the earth through undiscovered layers of sedimentary rocks is reflected from them, and the reflections are returned to the surface of the earth, where they are analyzed which gives information about the properties of the formations, their number and stratigraphic position. A device for carrying out the method of the following: the metal conductor itself can stretch and the author, will enter the layers with full force, unabated by strong reflection. By changing the inclination of the lentil at an angle to the horizon (this is achieved by the corresponding movement of the bellows 5, 4), the direction in which the sound propagates in the ground changes. Cylinder i, 2, to prevent sound from being scattered by its walls, inside a padded with soft rubber, felt, or other substance that does not reflect sound waves. Thus, sound is sent to the earth in any direction; one must try to direct it perpendicularly to the formation being studied in order to obtain a reflection that returns to the surface of the earth where it falls into the receiving instrument. The receiving device is designed perfectly the same way as the sending device 1, 2, 3, 4; it has the same lentils and is filled with the same liquids; only, instead of balls, in the focus of its lentils, in calcium solution, a sensitive microphone 10 is suspended (Fig. 4) included in the circuit of a small battery and an electromagnet 77. Electromagnet 77 acts on an oscillating elastic bottom 72, 73 of a small chamber J4 (Fig. 4 and five). The luminescent gas or acetylene enters the chamber / 4 through a tube, not shown in the drawing. On the other hand, chamber J4 has a small tube 75 through which gas escapes and where it ignites when exiting. When the microphone does not perceive sound reflections and, consequently, the resilient plate 72, 73 is at rest, a continuous fire ribbon is visible in the rotating mirror 76 (Fig. 6). As soon as the microphone receives a series of reflections from the layers, the tape, in the author's opinion, will decay into a series of lights, each from each individual reflection. The method of analysis using the gas gauge described above can be replaced by some other method, for example, analysis using a Geisler tube, a Gerke tube, a telephone plate reflecting a light beam onto a moving photosensitive tape, etc. Let us now assume that we received reflection from the retinue. The number of all lights will indicate the number of all layers in the suite. The height of each light received at the boundary of the two corresponding layers will be the smaller, the deeper beneath the surface of the earth these layers lie, and the smaller, the smaller the difference in sound velocities in these layers, and therefore will indicate the degree of their heterogeneity. The distance between the two corresponding lights in the mirror, with its uniform rotation, depends on the thickness or thickness of the corresponding layer, it is proportional to it and inversely proportional to the speed of sound in this layer. Since the speed of sound in the same stratum over large stretches is constant, the study of sound of different sections of the same stratum can be carried out, according to the author, by changes in the distance in the mirror between the corresponding lights, to trace all the relative changes in the thickness of this stratum, namely its wedging out or swelling, to notice its disappearance, reappearance, etc., and so on with each stratum in the suite, and generally get a picture of the stratigraphic structure of the suite. Despite the fact that the impact of the balls gives the sound relatively not intense, yet the sound power, according to the author, will be enough to spread to the reservoir under study and, returning back, act on the elastic plate of the gas manometer or other receiver - the analyzer. This will happen because the sound from the collision of the balls is collected by the lentils and guided through the layers by a beam of parallel or weakly diverging rays, then, having reflected, is collected again by the lentils, so that all the force of the sound from the impact affects the receiver, except for only that part which is spent on absorption in the seams, and this part, according to the author, is very small, since solids are good conductors of sound. rum for examining seams lying at great depth beneath the surface of the earth; he hopes to achieve better results among the layers of upper strata undisturbed and devoid of discontinuities. The invention is not intended for autobing, the method, according to the author, is suitable for exploration of oil, water and gold, as these minerals are not relatively deeply deposited, the SUMMARY of the INVENTION. 1. The method of acoustic study of terrestrial strata by means of sound reflections, characterized by the fact that sound waves are directed onto the studied strata and, after their reflection from the latter, perceive and fix them in visible form with the aim of further studying the location and properties of the strata. 2. When specified in paragraph 1 of the method, use an instrument for emitting directional sound waves of an instrument, characterized in that it consists of a cylindrical vessel 1.2, connected to the cylindrical vessel 5.4 with folded side walls, tightened at the bottom with a thin rubber membrane 5, 6, which vessels are filled with medium, the refractive index of sound in which differs little from the coefficient of sound refraction in surface rocks, with a rubber filled with turpentine oil, lentil 7, 8, in the focus Two steel balls are placed, the collision of which serves as a source of sound waves. 3. With the use of the device specified in clause 1 of the device, which serves as a receiver-analyzer of sound vibrations, characterized in that in the device of clause 2 colliding balls placed in the focus of lentils 7.8 are replaced by a sensitive microphone 10 connected to an electromagnet circuit 77 acting on the elastic bottom 72, 73 of the gas chamber 14, provided with a burner 75, for which the rotating mirror 16 serves to reflect and study the flame.

Нпатенту B.C. ВОЩйОГО mm.Npatent B.C. Mm.

ФигЛ.Figl.

4 four

3 3

Фиг.2.2.