СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
METHOD OF EXCITATION OF SEISMIC VIBRATIONS

Изобретение относится к геофизическим методам исследования геологической среды и предназначено, главным образом, для сейсмической малоглубинной разведки, а также для инженерной сейсморазведки, объектом изучения которых является верхняя часть разреза.
В практике сейсморазведки широкое практическое применение получили источники активного действия, в которых потенциальная энергия поднятого над землей груза преобразуется в кинетическую энергию при его взаимодействии с поверхностью земли, в результате которого возбуждаются сейсмические волны. На этом принципе были основаны первые излучатели, получившие название установки типа «падающий груз». В настоящее время установки такого типа применяются лишь в малоглубинной сейсморазведке при изучении глубин порядка несколько сотен метров.
Механический источник сейсмических колебаний, при помощи которого осуществляют известный способ возбуждения сейсмических колебаний, включает в себя груз заданной массы, соединенный с подъемно-сбрасывающим механизмом с механическим или гидравлическим способом подъема груза на заданную высоту. Для освобождения (сбрасывания) груза применяют электромагнитные муфты (Теория и практика наземной невзрывной сейсморазведки // Под редакцией М.Б. Шнеерсона. - М.: ОАО «Издательство «Недра», 1998, 527 с.).
Основным недостатком источника типа «падающий груз» является низкочастотный состав возбуждаемых им колебаний, снижающий разрешающую способность сейсморазведки. Существенно, что при увеличении массы груза с целью повышения интенсивности возбуждаемых колебаний имеет место сдвиг спектра влево (Никитин В.Н. Основы инженерной сейсмики // М.: Изд-во МГУ, 1981, 176 с.; Палагин В.В., Попов А.Я., Дик П.И. Сейсморазведка малых глубин // М.: Недра, 1989, 210 с.).
Низкочастотный состав возбуждаемых колебаний обусловлен соотношением между массой падающего груза, скоростью его движения в момент соприкосновения с поверхностью возбуждаемой среды и упругими свойствами среды.
Известно, что частотный состав сейсмических колебаний зависит от продолжительности действия силы, приложенной к поверхности возбуждаемой среды: чем меньше продолжительность, тем больше высокочастотных колебаний содержится в возбуждаемом сигнале.
В известном способе (прототипе) возбуждения колебаний источником типа «падающий груз» для обогащения спектра сейсмических колебаний высокочастотными компонентами при постоянной массе падающего груза и постоянной высоте его падения предложено было увеличить площадь его контакта с возбуждаемой средой. Достигается такое увеличение путем плотной установки листа железа (подложки) на грунт. При этом значительная доля энергии, выделяемой падающим грузом, расходуется на возбуждение сейсмических волн, а не на деформацию (выравнивание) неровностей грунта, вследствие чего длительность импульса будет уменьшаться, а амплитуда увеличиваться, что приводит к увеличению общей энергии волн и особенно энергии высокочастотных компонент (Берешполец А.И., Гавшин А.Н., Чомахидзе З.Г. Сравнение источников возбуждения при изучении верхней части разреза методом МПВ // Приборы и системы разведочной геофизики, №1, 2014, 42-45). Повторных ударов при падении груза, характерных для большинства известных устройств, реализующих известный способ, в прототипе удалось избежать путем применения в качестве груза «космического молотка», в котором груз изготовляется полым (в виде сферы), а полость заполняется металлическими шариками.
Основной недостаток известного способа, несмотря на расширение в нем спектра возбуждаемых колебаний в область высоких частот, обусловлен конечным временем воздействия падающего груза на среду, резко ограничивающим возможности дальнейшего расширения спектра вправо и соответствующего повышения разрешающей способности сейсморазведки.
Цель изобретения - повышение разрешающей способности сейсморазведки путем расширения спектра возбуждаемых колебаний.
Поставленная цель достигается тем, что в способе возбуждения сейсмических колебаний, основанном на использовании потенциальной энергии поднятого над землей груза, возбуждают сейсмические колебания путем разгрузки предварительно напряженной под весом груза среды в момент отрыва груза от точки его крепления. При этом высоту подъема груза задают из условия превышения продолжительности падения груза над максимальным временем регистрации полезных волн, возбуждаемых в результате акта разгрузки грунта при отрыве груза. В одном из воплощений предлагаемого изобретения регистрируют сейсмические колебания, возбуждаемые при падении груза на подложку, и суммируют с учетом различия полярностей записи этих колебаний с записями колебаний, возбуждаемых при отрыве груза. В другом воплощении изобретения демпфируют груз после отрыва, исключая его удар о подложку.
Существенные отличия от аналогов и прототипа, а также преимущества предлагаемого способа состоят в следующем:
1. Вопрос о сокращении продолжительности воздействия на среду, крайне важный для повышения относительной интенсивности высокочастотных компонент в спектре возбуждаемого сигнала, решен радикально - путем мгновенного снятия нагрузки со среды, предварительно нагруженной поднятым над землей грузом.
2. Отсутствие в предлагаемом изобретении необходимости в непосредственном ударном воздействии на среду решает ряд проблем, возникающих из-за механического воздействия тяжелого груза при его ударе о свободную поверхность: при многократных воздействиях типа разгрузки поверхность земли практически не повреждается, в результате чего улучшаются условия для синхронного накапливания записей и не возникает препятствий экологического порядка, например, при работах в городских условиях.
3. Высота подъема груза над землей определяется, главным образом, заданным временем его падения до соударения с подложкой: это время должно превышать время регистрации полезных волн, возбуждаемых путем разгрузки напряжения грунта в момент отрыва груза.
Сущность изобретения состоит в следующем.
В источнике сейсмических колебаний типа «падающий груз» удары осуществляют тяжелым грузом, падающим с вершины передвижного копра или подъемника. В момент освобождения (отрыва) груза от удерживающего запора, которым может быть электромагнитная муфта, происходит мгновенная разгрузка грунта, нагруженного перед этим весом груза, поднятого на заданную высоту. «Толчок», вызванный разгрузкой грунта, обычно рассматривали как помеху, и для ее подавления применяли механический фильтр, состоящий из пружин с дополнительным грузом между ними и соединяющий основной груз с копром (Сейсморазведка. Справочник геофизика, том четвертый // М.: Недра, 1966, 749 с (с. 617)). В предлагаемом изобретении импульс, возникающий при мгновенной разгрузке грунта при отрыве поднятого груза от точки его закрепления, является импульсом полезной волны, а не помехи. Рассмотрим этот вопрос подробнее.
Груз, поднятый над землей на определенную высоту, обладает потенциальной энергией, которая при его падении преобразуется в кинетическую энергию, достигающую максимального значения при соударении груза с подложкой, установленной на грунт. Продолжительность соударения грунта с подложкой является конечной величиной, от которой зависит спектральный состав возбуждаемых колебаний: чем эта продолжительность меньше, тем больше спектр обогащен высокочастотными компонентами, необходимыми для обеспечения высокой разрешенности сейсморазведки. Противоречивость ситуации состоит при этом в том, что массу груза приходится брать меньшей для того, чтобы продолжительность соударения его с подложкой уменьшить, увеличив тем самым относительную интенсивность высокочастотных компонент спектра возбуждаемых колебаний. Но уменьшение массы груза приводит к уменьшению энергии источника и, следовательно, к уменьшению интенсивности возбуждаемых колебаний и глубинности разведки. Данное противоречие разрешается путем использования в качестве источника энергии не эффекта соударении груза с подложкой, а эффекта разгрузки грунта, предварительно деформированного действием на него через подложку (или через опоры копра) поднятого груза. Грунт при отрыве груза ведет себя подобно предварительно сжатой пружине, восстановление которой после снятия с нее механической нагрузки происходит мгновенно. Тем самым создаются идеальные условия для формирования короткого по времени сигнала, обладающего широкополосным спектром.
Кроме этого короткого по продолжительности импульса, сформированного в результате мгновенной разгрузки предварительно нагруженного грунта, в среде, расположенной вблизи подложки, возникают резонансные колебания, параметры которых определяются упругими свойствами грунта, а также массой подложки и расположенного под ней столбика так называемой присоединенной массы расположенных под подложкой горных пород.
Импульс, излучаемый в среду при разгрузке грунта, предварительно нагруженного весом поднятого груза, имеет полярность, противоположную полярности импульса, возникающего при ударе груза о подложку или непосредственно о грунт. Поэтому продольные волны, распространяющиеся в среде, в одном случае будут испытывать разрежение на своем фронте (при разгрузке грунта), а в другом случае - сжатие (при ударе груза о грунт). Если осуществить накапливание этих противоположных по знаку вступления воздействий, то следует привести их перед актом суммирования к одной полярности. Суммирование таких воздействий целесообразно осуществлять в силу того, что волны разгрузки будут иметь, в основном, высокочастотный характер, а волны, вызванные ударом груза, - низкочастотный, поэтому их суммирование между собой способно обеспечить еще более широкополосный спектр, чем каждое из этих воздействий в отдельности.
В предлагаемом изобретении практически нет ограничений на величину массы груза. Использование подложки, в качестве которой можно брать значительный по размеру лист стали или пластика, позволяет избежать перегрузки грунта, превышающего предел его прочности. Тем самым энергия, накопленная в грунте при его сжатии подложкой установки типа «падающий груз», практически полностью преобразуется в энергию возбуждаемого импульса при снятии нагрузки после отрыва поднятого над землей груза. Для исключения отскока подложки в момент отрыва груза к нижней части подложки целесообразно жестко прикрепить специальные грунтозацепы, погружающиеся в грунт под действием веса транспортных средств, содержащих подъемник или копер с падающим грузом.
Способ в одном из его возможных воплощений осуществляют следующим образом.
Вначале оценивают высоту груза, необходимую для неискаженной регистрации колебаний, возникающих при отрыве груза от точки его закрепления. К примеру, если отражения от горизонтов, представляющих разведочный интерес, регистрируются на временах t, не превышающих 0.6 с, то продолжительность падения груза должна быть не меньше этого времени, чтобы волны, возникающие при ударе груза о подложку, не наложились на полезные сигналы, возбуждаемые при отрыве груза. Высоту подъема h груза определяют по формуле:
2
h=gt/2,
где g - ускорение свободного падения.
Для приведенного примера из этой формулы следует, что высота груза должна составить не менее 1.8 м.
Возбуждение колебаний осуществляют при помощи источников известной конструкции типа «падающий груз», предусмотрев в них несущественное усовершенствование для регистрации отметки момента, в качестве которой в предлагаемом изобретении берут момент отрыва груза. Осуществляется это элементарно путем установки датчика колебаний не на падающий груз, как это делают в аналогах и прототипе, а на подложку или электромагнитную муфту, удерживающую груз в поднятом состоянии до момента его отрыва. Можно также для этой цели использовать пару электрических контактов, которые размыкаются в момент отрыва груза.
Систему наблюдений, использующую предлагаемый способ возбуждения сейсмических колебаний, выбирают такую же, как и при работах с использованием энергии падающего груза.
Если нет необходимости в дополнительном использовании энергии падающего груза для возбуждения колебаний, вызванных его соударением с подложкой, то источник можно усовершенствовать, введя в него демпфирование падающего груза таким образом, что вообще исключается его удар о подложку. Таким путем можно существенно ограничить высоту подъема груза и обеспечить более высокую производительность при осуществлении накапливания сигналов, формирующихся исключительно при отрыве груза. При сопоставлении полученных при этом результатов с результатами от другого источника колебаний необходимо будет учесть противоположную полярность колебаний, генерируемых при разгрузке механических напряжений в среде.