Brevet FR2574189A1 — publié le 19860606

La présente invention concerne d'une façon générale le domaine de l'exploration sismique et plus particulière- ment des appareils pour la génération d'ondes combinées de compression et de cisaillement. L'injection de signaux sismiques dans le sol au moyen d'un appareil qui utilise un gaz comprimé pour projeter une masse de percussion contre une cible rigide en contact avec le sol est décrite en détail dans les brevets U.S. n 4.284.164 et 4.284.165, tous deux publiés le 18 aolt 1981. Un avantage notable de tels dispositifs est leur aptitude à créer des signaux sismiques à répétition rapide dont la valeur variable de l'énergie est soigneusement contrôlée. Les dispositifs ayant ce caractère sont donc bien adaptés à la production d'ondes combinées de compres- sion et de cisaillement. Les progrès récents qui ont été apportés aux équipements d'acquisition et de traitement des données sismiques pour leur permettre de traiter de grosses quantités de données ont suscité un plus grand intérêt pour le développement de sources sismiques souples d'énergie élevée, capables de produire à la fois des ondes de compression et de cisaille- ment. En enregistrant la forme complète d'une onde sis- mique, comprenant des ondes P, SH et SV, on peut obtenir des informations beaucoup plus détaillées au sujet des propriétés des roches et de leur profondeur. Grâce à l'invention qui va être décrite, les dispositifs du type décrit dans les brevets mentionnés ci-dessus constituent des moyens efficaces pour la production d'ondes combinées de compression et de cisaillement du type ci-dessus. L'ensemble actionneur destiné à des sources sismiques comme celles qui sont décrites dans les brevets cités ci-dessus comprend typiquement une masse de percussion pesant plusieurs tonnes qui doit être projetée de haut en bas par un gaz comprimé ou analogue contre une cible rigide reposant sur le sol sous-jacent. Pour générer une combinaison souhaitée d'ondes P, SH et SV, il est nécessaire d'avoir la possibilité de faire fonctionner la source de telle façon que cette lourde masse de per- cussion se déplace vers la cible le long d'une trajectoire en pente convenablement choisie. Le terme "source sismique de signaux complets" tel qu'il est utilisé dans la présente demande concerne un dispositif qui peut être réglé en position de telle façon que l'on puisse faire varier facilement l'inclinaison de cette trajectoire sur 360 degrés en azimut par intervalles de 90 degrés. Une telle trajectoire inclinée doit être établie avec préci- sion, c'est-à-dire à moins d'un degré environ de l'incli- naison et de l'azimut prévus. De plus, le mécanisme grâce auquel ceci est réalisé doit être, au sens pratique du terme, transportable d'un endroit à un autre, le long d'une longue ligne de relevé, au moyen d'un véhicule très mobile. Obtenir la précision et les possibilités de manoeuvre qui sont nécessaires pour les objectifs ci- dessus, avec un système monté sur un véhicule, constitue un problème difficile à résoudre. C'est donc un but général de cette invention de proposer une source sismique avec des moyens perfectionnés pour le montage et la commande d'une telle source qui délivre de l'énergie à un point choisi du sol le long de l'une quelconque de plusieurs trajectoires inclinées convenablement choisies. Un but plus particulier de cette invention est de proposer une telle source sismique dans laquelle une lourde masse de percussion est accélérée de haut en bas le long de l'une quelconque de ces trajectoires inclinées, pour frapper une cible rigide en contact avec le sol. D'autres buts et avantages de l'invention apparaî- tront à la lecture de la description détaillée qui va suivre ainsi que de l'examen des dessins annexés. Selon le mode de réalisation préféré de cette inven- tion, il est décrit une source sismique qui peut être commandée de façon à délivrer de l'énergie à un point de la surface du sol le long de plusieurs trajectoires vectorielles prédéterminées, inclinées dans une direction quelconque par rapport à la verticale. D'une façon générale, la source comprend une envelop- pe cylindrique creuse, une masse de percussion montée à l'intérieur de l'enveloppe de façon à pouvoir coulisser selon un mouvement limité le long de l'axe longitudinal de l'enveloppe, des moyens pour supporter l'enveloppe et la masse au-dessus du sol, des moyens pour incliner l'axe de l'enveloppe de façon sélective par rapport à l'un ou l'autre de deux axes de pivotement horizontaux, per- pendiculaires entre eux, de façon que l'axe de l'enveloppe soit aligné avec une trajectoire inclinée prédéterminée, et des moyens agissant à l'intérieur de l'enveloppe pour appliquer une poussée à la masse de percussion et l'accé- lérer vers le bas jusqu'à ce qu'elle vienne frapper le sol. La figure 1 est une vue laterale en élévation du mode de réalisation préféré de la présente invention, illustrant une source sismique montée sur un véhicule, cette source étant du type décrit et placée au-dessus d'une cible rigide qui peut être mise en place sur le sol; la figure 2 est une vue en plan détaillée de la source illustrée sur la figure 1 et représente son ensemble actionneur, un étrier qui l'entoure et une ossature extérieure fixée au chassis du véhicule, avec des touril- lons perpendiculaires entre eux pour relier ensemble les éléments cidessus par un montage tournant; la figure 3 est une vue en plan détaillée de la source sismique de la présente invention, semblable à celle de la figure 2, et représente en plus deux paires parallèles de vérins hydrauliques destinés à incliner l'ensemble actionneur et deux autres paires parallèles de vérins hydrauliques (qui sont représentés en trait mixte) destinés à incliner l'étrier; la figure 4 est une vue latérale détaillée de la source sismique de la figure 1, représentant une paire de vérins hydrauliques d'inclinaison de l'actionneur ainsi que des moyens de détection de la position angulaire de cet ensemble actionneur, les vérins hydrauliques d'inclinaison de l'étrier ayant été omis; la figure 5 est une vue en coupe verticale détaillée le long de la ligne 5-5 de la figure 4 et représente les ailes qui supportent les tourillons de l'ensemble actionneur- et les axes d'inclinaison de l'actionneur; et la figure 6 est une vue arrière détaillée de la source sismique de la figure 1, illustrant un jeu de vérins hydrauliques d'inclinaison de l'étrier ainsi que des moyens pour détecter la position angulaire de l'étrier, les vérins d'inclinaison de l'actionneur ayant été omis. En se référant maintenant d'une façon générale à la figure 1, on peut y voir un véhicule de transport à moteur sur lequel est montée une source sismique 12. Celle-ci comprend d'une façon générale un ensemble actionneur 14 et une cible 15 en forme de plaque qui peut être abaissée pour reposer sur le sol. La cible 15 comprend généralement une place de base 16 et une plaque de percussion supérieure 17 ayant une surface supérieure concave. L'ensemble actionneur 14 comprend une enveloppe cylindrique creuse ou cylindre 18, dont l'extrémité supérieure fermée 19 présente plusieurs ouvertures (non représentées) en communication avec un nombre identique de réservoirs extérieurs d'air comprimé 20. Le cylindre 18 contient un piston 22 qui sort vers le bas de l'extrémité inférieure ouverte 23 du cylindre 18 et se termine en une lourde masse de percussion 24. Selon un procédé qui a été décrit en détail dans les brevets US n 4.284. 164 et 4.284.165, lorsque la source 12 doit être mise en action, la masse 24 est rétractée vers le haut jusqu'à ce que le piston 22 bloque ou ferme les susdites ouvertures du cylindre 18. Quatre vérins verti- caux de levage 26 dont deux sont visibles sur la figure 1 sont fixés près des quatre angles d'une ossature 29 fixée au centre du véhicule. A l'intérieur de chaque vérin 26 fonctionne un piston (non représenté) dont la tige 31, faisant saillie vers le bas, est soudée à-l'un des adaptateurs 32 qui sont respectivement fixés à côté des quatre angles d'une ossature de poutre transversale 33, laquelle est fixée sur le dessus de la plaque de base 16 au moyen d'amortisseurs 34. Le mouvement d'extension des tiges 31 applique de haut en bas une poussée contre l'ossature de poutre transversale 33 et la plaque de base 16. Par réaction, les vérins 26 exercent une poussée de bas en haut contre l'ossature de véhicule 29, ce qui dégage le véhicule 10 de sa suspension à ressort jusqu'à ce que l'un au moins des deux jeux de pneus 35 s'écarte du sol. Ceci amène le poids du véhicule 10 à porter. partiel- lement ou complètement sur la cible 15. Des manchons de guidage 36, en nombre égal à celui des vérins 26, s'étendent vers le bas en traversant l'ossa- ture 29 parallèlement aux vérins 26. Ces manchons 36 sont agencés pour recevoir des arbres de guidage 37 dont les extrémités inférieures sont rigidement fixées à l'ossature de poutre transversale 33. Les arbres 37 se déplacent d'un seul mouvement avec les tiges 31 de bas en haut et de haut en bas. Ceci empêche les charges latérales de provoquer un flambage ou une détérioration des vérins de levage 26, en particulier lorsqu'ils sont dans leur position sortie. Le fonctionnement des éléments tels que les vérins de levage 26 et les manchons de guidage 36 sont décrits plus en détail dans le brevet US 4 402 381 délivré à Tom P. Airhart, le 6 septembre 1983. Lorsqu'un signal de départ est donné, la masse 24 est libérée par action sur des moyens de déclenchement convenables (non représentés). Il en résulte un déplacement par gravité de haut en bas du piston 22 qui dégage les ouvertures latérales du cylindre 18 en laissant l'air comprimé des réservoirs 20 pénétrer dans ce cylindre et exercer une puissante force d'accélération de haut en bas sur le piston 22. De cette façon, la masse de percussion 24 est projetée contre la plaque de percussion 17 de la cible 15 pour générer une impulsion sismique exploitable. L'ensemble actionneur 14 est placé au centre de gravité centre du véhicule 10 ou à proximité de ce/afin d'éviter autant que possible l'effet de déséquilibre des puissantes forces de recul en fonctionnement. La description qui suit est relative particulièrement à la manière dont l'ensemble actionneur 14 est monté et utilisé pour permettre à un opérateur d'incliner rapidement l'axe du cylindre 18, d'une trajectoire verticale 40 à l'une quelconque de plusieurs trajectoires inclinées, sans déplacer le véhicule 10. Pour des questions de simplicité, les caractéristiques du véhicule 10 et de l'équipement de ce véhicule lié au fonctionnement de la source ne sont pas décrites ici lorsqu'elles sont soit classiques, soit évidentes pour un homme de métier, et que leur description n'est pas nécessaire à une bonne compréhension de la présente invention. En se référant maintenant en particulier à la figure 2, on peut y voir l'ensemble actionneur 14 présenté avec une orientation verticale et monté sur des tourillons horizontaux 44 et 45 qui peuvent tourner à l'intérieur d'un étrier rectangulaire 48 entourant l'actionneur. L'étrier 48 est équipé d'une autre paire de tourillons horizontaux et 51 orientés à angle droit par rapport aux tourillons 44 et 45 pour assurer la rotation à l'intérieur de l'ossature fixe 29 du véhicule. L'ossature 29 est solidaire des longerons 53 du châssis du véhicule 10. Il est clair que ce montage donne à l'ensemble actionneur 14 deux degrés de liberté en rotation. L'ensemble actionneur 14 peut en effet être incliné vers l'avant et vers l'arrière par rap- port au véhicule 10 grâce à la rotation des tourillons 44 et 45 et d'un côté ou de l'autre par la rotation des tourillons 50 et 51. L'inclinaison admissible dans l'un quelconque de ces quatre sens dépend de la construction du véhicule 10 et de la source 12, une variation maximale de degrés par rapport à la verticale dans un sens de rota- tion quelconque ayant été jugée suffisante pour la plupart des études géophysiques importantes. La figure 3 illustre en plan les moyens grâce auxquels les mouvements d'inclinaison de l'ensemble actionneur 14 et de l'étrier 48 sont obtenus. Deux paires de vérins hydrauliques opposés ou dirigés en sens inversessont installées le long des côtés opposés de l'actionneur 14 et montées sur l'étrier 48. Une de ces paires comprend les vérins 60 et 62, l'autre les vérins 64 et 66. La construc- tion et le fonctionnement des vérins 60 et 62 étant exacte- ment les mêmes que ceux des vérins 64 et 66, seuls les premiers vérins vont donc être décrits en détail. Le - vérin 60 est monté par un pivot dans un support 70 fixé à un angle de l'étrier 48 afin de pouvoir tourner autour de l'axe Gd'un pivot 72. De même, le vérin 62 tourne autour de l'axe d'un pivot 76 placé dans un support 78 qui est situé dans un autre angle de l'étrier 48. Le piston 80 du vérin hydraulique 60 se termine par une chape 82 qui entoure l'axe d'inclinaison 84 orienté horizontalement et rigidement fixé à l'aile 85 d'un palier de butée qui est montée sur la paroi latérale du cylindre 18. De la même manière, le pis- ton 86 du vérin hydraulique 62 se termine par une chape 88 qui entoure aussi l'axe 84 et s'assemble en queue d'aronde avec l'extrémité de la chape 82. L'extrémité extérieure de l'axe 84 est maintenue en place par un cadre de montage 89 qui part latéralement de l'aile 85. Comme on le voit bien à la figure 4, l'axe d'inclinai- son 84 est verticalement décalé au-dessus du tourillon 45 afin que les axes des vérins 60 et 62-soient inclinés vers le haut dans des directions opposées pour venir coopérer avec cet axe 84. Par des moyens bien connus dans l'art antérieur, des sianaux électriques de commande convenables sont créés Dour faire fonctionner les vérins 60 et 62 en opposition ou symétriquement dans des sens opposés. Par exemple, si on fait rentrer la tige 80, on fait sortir la tige 86 en même temps et l'axe 84 est poussé dans un sens qui fait incliner ou tourner l'ensemble actionneur 14 sur les tourillons 44 et 45 dans le sens inverse des aiguilles d'une montre ou vers l'avant du véhicule 10. Dans le but d'égaliser les forces de rotation créées de la manière décrite sur les deux côtés de l'ensemble actionneur 14 et pour éviter des forces linéaires indési- rables, les vérins 64 et 66 fonctionnent en tandem avec les vérins 60 et 62 montés sur le côté opposé de l'ensemble actionneur 14. Ainsi, l'axe d'inclinaison horizontal 90 fixé à l'aile 92 du palier de butée et supporté par un cadre 94 coopère avec les vérins 64 et 66 afin de permettre à l'ensemble actionneur 14 d'être soumis à un couple équilibrant la force d'inclinaison définie ci-dessus. En se référant encore à la figure 4, on peut voir qu'une came 95 est fixée sur l'extrémité du tourillon 45 qui traverse la paroi de l'étrier 48. La rotation du cylindre 18 sur les tourillons 44 et 45 fait abaisser la came 95 et se déplacer en ligne droite un galet suiveur 96 qui émerge d'un transducteur 97 de déplacement linéaire variable, ce transducteur étant monté-sur une paroi laté- rale verticale de l'étrier 48. Par des moyens connus dans l'art antérieur, ce déplacement linéaire peut être trans- formé en une variation de signal électrique qui est 2574 1 89 proportionnelle à l'angle de rotation de l'ensemble action- neur 14 par rapport à une position axiale de référence comme par exemple la trajectoire verticale 40. Par comparaison avec une position prédéterminée, ce signal permet à un dispositif de commande approprié d'arrêter le mouvement des vérins hydrauliques 60, 62, 64 et 66 quand l'axe de l'ensemble actionneur 14 atteint n'importe quelle position d'inclinaison désirée, comme par exemple la-trajectoire 98 ou la trajectoire 99. On comprendra mieux la façon dont l'étrier 48 peut être incliné ou tourné sur les tourillons 50 et 51 d'un côté à l'autre en se référant à nouveau à la figure 3 et au détail de la figure 6. Comme on peut le voir sur la figure 6, deux vérins hydrauliques 100 et 102 peuvent respectivement tourner autour d'axes parallèles horizon- taux sur des pivots 103 et 105 portés par des équerres 108 et 110 solidaires de l'ossature fixe 29. Deux autres vérins hydrauliques 104 et 106 directement opposés (représentés en pointillé sur la figure 3) sont disposés à l'opposé ou sur le côté avant de l'étrier 48. Ces vérins 104 et 106 sont construits et fonctionnent de la même façon que les vérins 100 et 102 et ne seront donc pas décrits en détail. Le piston 112 du vérin 100 se termine par une rotule 114 qui peut tourner autour d'un axe 116, lequel est fixé à une équerre 118 solidaire de l'étrier 48. De la même manière, le piston 120 du vérin 102 se termine par une rotule 122 qui peut tourner autour d'un axe 124 fixé à une équerre 126. Selon un procédé semblable à celui qui a été décrit pour incliner l'ensemble actionneur 14, un fonctionnement opposé ou symétrique des vérins hydrauliques 100 et 102 en tandem avec la paire de vérins hydrauliques parallèles 104 et 106 produit un mouvement d'inclinaison ou de rotation de l'étrier 48 dans un sens ou dans l'autre autour des tourillons 50 et 51. Une came 130 boulonnée 2574 1 89 sur un prolongement 132 de l'ossature inférieure fixe, solidaire de l'ossature 29, est suivie par un galet suiveur 133. Par conséquent, l'inclinaison angulaire de l'étrier 48 par rapport à une position de référence, comme par exemple la trajectoire 135, est mesurée au moyen d'un transducteur de déplacement linéaire variable 136. L'amplitude et le sens de rotation ou d'inclinaison de l'étrier 48 d'un côté à l'autre par rapport au véhicule , comme par exemple jusqu'aux trajectoires inclinées 137 ou 138, peuvent être surveillés, commandés et signalés. La figure 5 représente une vue en coupe indiquant l'em- placement de fixation, sur le cylindre 18, des ailes 85 et 92 des paliers de butée. Lorsque la source 12 est mise en action pour projeter la masse 24 vers le bas contre la cible 15, de puissantes forces de recul, exercées de bas en haut contre le cylindre 18, sont transmises au véhicule 10 au moyen des ailes 85 et 92. Un avantage du principe de l'invention est que les tourillons 44 et 45 sont aussi rapprochés que possible tout en laissant suffisamment d'écart pour le passage de la masse 24. Ceci contribue à un fonctionnement régulier et efficace du mécanisme d'inclinaison de l'ensemble actionneur 14, lequel peut peser plusieurs tonnes. Pour des motifs sem- blables, l'écart en avant et en arrière entre l'étrier 48 et l'ossature du véhicule 29 est réduit au minimum. Les détails des canalisations électriques et hydrau- liques nécessaires au fonctionnement de l'appareil de la présente invention tel qu'il a été décrit ci-dessus n'ont pas été représentés pour des questions de simplicité. Il est évident qu'un contrôleur central (non représenté) peut être utilisé pour délivrer des signaux électriques qui sont transformés en une action appropriée des différents vérins hydrauliques. Un tel contrôleur peut en outre servir à surveiller avec précision la trajectoire il- en pente ou l'inclinaison de l'ensemble actionneur 14 tel- les qu'elles ont été décrites. Des positions préréglées de l'ensemble actionneur 14 peuvent être mises en mémoire dans un microprocesseur (non représenté) pour être comparées de façon continue à la sortie des transducteurs de dépla- cement linéaire variable 97 et 136. Naturellement, de plus, un tel contrôleur peut assurer des fonctions asso- ciées comme par exemple pour faire fonctionner les vérins de levage 26, pour soulever et abaisser la plaque-cible 16, pour délivrer un signal de départ voulu et pour mettre en action des moyens permettant de reculer la masse 24 et - le piston 22 jusqu'à leurs positions les plus hautes pour les préparer à la prochaine percussion. En résumé, il vient d'être décrit un nouveau système et un nouvel appareil pour injecter de l'énergie sismique dans le sol le long de trajectoires inclinées dans une di- rection quelconque. L'un des avantages du système de la présente invention est inhérent à la puissance et à la fia- bilité des vérins hydrauliques employés comme moyens de dé- placement de lourdes masses et de contrôle des très grandes forces cinétiques créées sans rebondissement. Les expé- riences montrent que l'ensemble actionneur 14 peut être décalé par rapport à une orientation verticale jusqu'à n'importe quelle trajectoire inclinée prévue en une à deux secondes. REVENDICATIONS 1. Appareil pour générer des ondes combinées de cisaillement et de compression dans le sol, caractérisé par.le fait qu'il comporte une plaque de cible rigide (15) qui peut être posée sur le sol, une enveloppe cylindrique verticale (18) ouverte vers le bas, des moyens (29, 48, 26, 31, 32, 37) pour supporter ladite enveloppe cylin- drique au-dessus de la plaque de cible, de façon qu'elle puisse tourner autour de deux axes horizontaux mutuellement orthogonaux (44, 45, 50, 51), une masse de percussion (24) montée dans ladite enveloppe de façon à pouvoir coulisser axialement à l'intérieur de l'enveloppe, des moyens (60, 62, 64, 66 et 100, 102, 104, 106) pour faire tourner l'enveloppe (18) autour desdits axes de façon que l'axe longitudinal de l'enveloppe (18) se place sur une trajectoire sélectionnée, et des moyens (20) pour accélé- rer ladite masse de percussion (24) de haut en bas afin qu'elle vienne frapper ladite plaque de cible (15) au bout de ladite trajectoire inclinée. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdits axes mutuellement orthogonaux se coupent. 3. Appareil pour générer des ondes combinées de ci- saillement et de compression dans le sol, caractérisé par le fait qu'il comporte une plaque de cible rigide (15) qui peut etre placée sur le sol, une enveloppe cylindrique verticale (18) ouverte vers le bas, un étrier (48) à l'intérieur duquel l'enveloppe (18) est supportée de façon à pouvoir tourner autour d'un premier axe horizontal de rotation (44, 45), une ossature fixe (29) à l'intérieur de laquelle l'étrier est supporté de façon à pouvoir tourner autour d'un second axe horizontal (50, 51) per- pendiculaire audit premier axe de rotation, une masse de percussion (24) montée de façon à pouvoir coulisser à l'intérieur de ladite enveloppe dans la direction axiale de l'enveloppe, des moyens d'entratnement (60, 62, 64, 66 et 100, 102, 104, 106) pour faire tourner l'enveloppe et l'étrier autour des premier et second axes de rotation res- pectivement afin que l'axe longitudinal de ladite enveloppe soit orienté le long d'une trajectoire inclinée sélection- née, et des moyens (20) pour accélérer ladite masse de per- cussion de haut en bas pour qu'elle vienne frapper ladite plaque de cible au bout de ladite trajectoire inclinée. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'entraînement comprennent une première paire de vérins hydrauliques (60, 64, 62, 66) montés sur ledit étrier, respectivement sur des côtés opposés dudit premier axe de rotation, chacun des vérins de ladite première paire étant monté entre ledit étrier et un emplacement (84) de ladite enveloppe décalé longitudinalement par rapport audit axe de rotation, et des moyens pour actionner ladite première paire de vérins symétriquement l'un par rapport à l'autre afin d'exercer une force sur ladite enveloppe en ledit empla- cement dans un sens qui fait incliner ladite enveloppe autour du premier axe de rotation. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'entraînement comprennent en outre une seconde paire de vérins hydrauliques (100, 104, 102, 106) montés sur ladite ossature fixe (29) du véhicule (10) sur des côtés opposés du second axe de rotation (50, 51), chacun des vérins de ladite seconde paire étant monté entre ladite ossature du véhicule et ledit étrier en des emplacements (116, 124) de cet étrier respectivement décalés par rapport au second axe de rotation dans une direction perpendiculaire au plan dudit étrier, et des moyens pour actionner ladite seconde paire de vérins symétriquement l'un par rapport à l'autre pour exercer sur ledit étrier une force en lesdits emplacements et dans une direction qui fait incliner l'étrier par rapport au second axe de rotation. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ladite première et ladite seconde paires de vérins hydrauliques sont agencés pour pouvoir fonctionner simultanément. 7. Appareil selon la revendication 3, caractérisé par des moyens de came permettant de convertir la rotation de l'enveloppe et de l'étrier autour des premier et second axes de rotation respectivement en déplacements linéaires variables; des moyens transducteurs pour convertir lesdits déplacements linéaires variables en signaux électriques; et des moyens pour comparer lesdits signaux électriques à des signaux électriques prédéterminés représentatifs d'une position d'inclinaison désirée pour l'enveloppe et l'étrier. 8. Appareil selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'emplacement de l'enveloppe o la première paire de vérins est montée se situe entre l'extrémité supérieure de l'enveloppe et le premier axe et par le fait que les emplacements de l'ossature o les vérins de la seconde paire sont montés se situent au-dessous du plan de cette ossature.