СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН
METHOD OF EXCITING SEISMIC WAVES

Изобретение относится к области исследований осадочного чехла Земли с применением источников сейсмических волн (сейсмоисточников) при поиске полезных ископаемых, а также при инженерной сейсморазведке. Сейсмические волны создаются посредством деформации грунта жесткой плитой в результате приложения к ней механического импульса силы.
Известны механические сейсмоисточники, создающие сейсмические волны механическим импульсом N силы P(t) в результате воздействия через расположенную на грунте плиту массивным ударником, движущимся с некоторой скоростью, приобретаемой им при сбрасывании с определенной высоты (приблизительно от 1 до 3 м). Иногда для увеличения кинетической энергии ударника к моменту его удара по плите применяется его дополнительное ускорение пневматическим или иным двигателем. Сейсмоисточники такого типа получили название "падающий груз" (Шнеерсон М.Б. Теория и практика наземной сейсморазведки / под ред. М.Б.Шнеерсона. - М.: ОАО "Издательство Недра", 1998. - с.138-139), а способ возбуждения сейсмических волн таким сейсмоисточником можно назвать ударным.
Недостатки такого способа возбуждения сейсмических волн обусловлены тем, что значительная часть кинетической энергии ударника теряется при ударе им по массивной плите, который имеет частично упругий характер, а также на неупругие (пластические) деформации грунта в прилегающем к плите слое, доля которых в общей деформации грунта плитой тем больше, чем больше скорость воздействия на грунт. Большие потери энергии в месте контакта ударника с плитой и в грунте снижают долю кинетической энергии, передаваемую в упругую составляющую деформации грунта, и обусловливают низкую эффективность преобразования механической энергии падающего груза в энергию сейсмической волны (низкую сейсмическую эффективность).
Кроме того, такой способ не обеспечивает возможность синхронной групповой работы (группирования) нескольких сейсмоисточников, необходимость которой возникает при недостаточной интенсивности сейсмических волн, генерируемых одним сейсмоисточником.
Известен способ возбуждения сейсмических волн, при котором массивный ударник воздействует на плиту через метательное устройство (А.с. СССР №213360, бюл. №10, 1968). Срабатывание метательного устройства в момент взаимодействия ударника с плитой позволяет увеличить энергию воздействия на грунт. Способ возбуждения сейсмических волн таким сейсмоисточником можно назвать ударно-силовым.
Недостатки такого способа также заключаются в низком коэффициенте передачи механической энергии двигателя в энергию упругих деформаций грунта под плитой, определяющих энергию генерируемых сейсмоисточником сейсмических волн, и невозможности применения синхронной групповой работы нескольких сейсмоисточников.
Известен принятый за прототип способ возбуждения сейсмических волн, при котором деформация грунта расположенной на нем плитой создается при воздействии на нее механическим импульсом N силы P(t), создаваемой применяемым в сейсмоисточнике пневматическим, пневмогидравлическим, газодинамическим, электромеханическим или иного типа двигателем (Шнеерсон М.Б. Теория и практика наземной сейсморазведки / под ред. М.Б.Шнеерсона. - М.: ОАО "Издательство Недра", 1998. - с.143-151). При этом способе в сейсмоисточнике необходимо использование массивного элемента, называемого инерционной массой или пригрузом, между которым и плитой прикладывается сила двигателя. Способ возбуждения сейсмических волн таким сейсмоисточником можно назвать силовым.
При использовании этого способа возбуждения сейсмических волн в известных конструктивных решениях сейсмоисточников значительная часть энергии двигателя расходуется на ускорение пригруза, что снижает коэффициент передачи механической энергии двигателя в энергию воздействия на грунт. Причем параметры механического воздействия на грунт по длительности и скорости деформации грунта плитой не обеспечивают близкий к согласованному с грунтом как акустической нагрузкой режим работы сейсмоисточника, что снижает коэффициент передачи механической энергии воздействия на грунт в энергию его упругих деформаций и, следовательно, сейсмическую эффективность сейсмоисточника. Следствием перечисленного является большая масса и стоимость сейсмоисточника, его недостаточно высокие технико-эксплуатационные показатели и ограниченность применения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение сейсмической эффективности и расширение возможностей применения импульсных сейсмоисточников.
Технический результат заключается в повышении коэффициента передачи механической энергии двигателя сейсмоисточника в энергию воздействия им на плиту и в увеличении доли механической энергии плиты, преобразуемой в энергию упругих деформаций грунта под плитой, определяющих энергию генерируемых сейсмоисточником сейсмических волн.
Поставленная задача достигается тем, что при возбуждении сейсмических волн посредством деформации грунта расположенной на нем жесткой плитой приложением к ней механического импульса силы силовым, ударным или ударно-силовым способом длительность механического импульса силы задают не более времени создания плитой механических напряжений сжатия в грунте, а величину механического импульса силы ограничивают значением, при котором напряжения сжатия в грунте под плитой создаются не превышающими прочности грунта.
На фиг.1 представлена схема реализации способа возбуждения сейсмических волн путем деформации грунта 1 под плитой 2 в результате приложения к плите импульса силы определенной величины и длительности. На фиг.2 приведены графики изменения силы, скорости и деформации нагружения грунта плитой при силовом способе возбуждения сейсмических волн. На фиг.3 приведены графики изменения силы, скорости и деформации нагружения грунта плитой при ударном способе возбуждения сейсмических волн.
Механическая система сейсмоисточника для реализации предложенного способа содержит (фиг.1) установленную на грунте 1 жесткую плиту 2, пригруз 3 и источник силы 4. Силу 4, приложенную между плитой 2 и пригрузом 3, создает применяемый в сейсмоисточнике импульсный двигатель пневматического, пневмогидравлического, газодинамического, электромеханического или иного принципа действия. Она же может возникать в результате торможения падающего на плиту 2 пригруза 3, выполняющего в этом случае функцию ударника.
0
p
1
Возбуждение сейсмических волн по предложенному способу происходит следующим образом. По команде системы управления сейсмоисточника с момента t (фиг.2) в течение времени t между плитой 2 и пригрузом 3 действует сила 4. Под действием этой силы плита 2 ускоряется в направлении грунта 1 и создает деформацию 5 его поверхностного слоя со скоростью 6, от величины которой зависят механические напряжения сжатия грунта 1. Скорость 6 плиты 2 вначале увеличивается, а затем, в результате увеличения силы реакции грунта 1 при его сжатии, уменьшается к моменту t до нуля. При деформации 5 поверхностного слоя грунта механическое напряжение его сжатия передается последовательно более глубоким слоям грунта - создается удаляющаяся от плиты 2 волна сжатия.
ф
Известно (Харкевич А.А. Избранные труды. Т.1. Теория электроакустических преобразователей. Волновые процессы. / А.А.Харкевич. - М.: Наука, 1973. - 399 с.), что при воздействии плитой на грунт с постоянной скоростью давление плиты на грунт через время t уменьшается до нуля:
ф
p
t=D/v,
p
где v - скорость распространения сейсмической волны в грунте (фазовая);
D - диаметр плиты (если она круглая).
ф
p
ф
За время t завершается формирование состояния сжатия грунта плитой. Причем по мере распространения фазы сжатия грунта происходит уменьшение давления в нем. Поэтому длительность t действия силы на плиту не должна существенно превышать время t формирования состояния сжатия грунта плитой.
мех
1
В течение действия силы 4 на плиту 2 скорость движения плиты и ее кинетическая энергия А вначале возрастают, а затем, в результате реакции грунта на его сжатие, уменьшаются. Момент времени t соответствует максимальному смещению 5 плиты в направлении грунта:
где P(t) - действующая на плиту сила;
v(t) - скорость 6 движения плиты.
мех
Следствием передачи в грунт энергии А является энергия излучаемой сейсмоисточником сейсмической волны.
см
p
В грунте при его деформации плитой создаются механические напряжения σ, которые не должны превышать значений механической прочности [σ] грунта. Известно, что величина механических напряжений в грунте при прохождении по нему сейсмической волны определяется скоростью v смещения частиц грунта и его удельным волновым сопротивлением ρv:
p
см
σ=(ρv)v,
где ρ - плотность грунта.
При типичных для поверхностного слоя грунта параметрах:
5
3
p
σ=5•10 Па; v=300 м/с; ρ=1800 кг/м,
см
p
скорость v имеет значение 0.93 м/с. Причем она слабо зависит от жесткости грунта, поскольку с повышением жесткости грунта увеличиваются его прочность [σ] и скорость v распространения в нем сейсмической волны. Из экспериментальных исследований следует, что увеличение скорости деформации грунта плитой выше значений (1-2) м/с не приводит к существенному увеличению интенсивности создаваемых сейсмических волн.
p
п
При силовом способе возбуждения сейсмических волн пригруз 3 (фиг.1) под действием силы 4 двигателя в течение времени t действия силы ускоряется вверх и получает максимальную скорость v:
п
cp
cp
п
v=Pt/m,
ср
p
где P - средняя за время t сила двигателя;
п
m - масса пригруза.
п
Получаемая пригрузом кинетическая энергия А:
p
p
p
ф
2
пропорциональна t  и, следовательно, резко возрастает с увеличением t. Увеличение времени t относительно времени t формирования волны, например, в (1,5-2) раза приводит к увеличению кинетической энергии груза в (2,25-4) раза, при этом соответственно увеличивается высота его подброса вверх, усложняется конструкция сейсмоисточника, увеличиваются потребляемая двигателем мощность и стоимость сейсмоисточника, снижаются его эксплуатационные характеристики и возможности применения.
p
1
Предложенный способ может быть эффективно использован и в сейсмоисточниках ударного типа, в которых силовой импульс на плиту образуется в результате воздействия на нее движущимся массивным ударником. Длительность t ударного взаимодействия ударника с плитой обычно меньше времени t сжатия грунта плитой. А величину механического импульса:
выбирают из соотношения масс ударника и плиты такой, чтобы механические напряжения σ в грунте при его нагружении плитой не превышали предела прочности грунта [σ].
На фиг.3 приведены зависимости скорости 6 плиты, деформации 5 грунта (перемещения плиты) и изменения силы 4, действующей на плиту при ударе по ней ударника 3. Заштрихованная площадь силы 4 равна прикладывающему к плите механическому импульсу N.
Предложенный способ возбуждения сейсмических волн предусматривает необходимость обеспечения времени нагружения грунта плитой соответствующим времени формирования сейсмической волны в грунте под плитой при создании удельных давлений в грунте под плитой, не превышающих предела его прочности. Применение предложенного способа приводит к повышению доли механической энергии двигателя сейсмоисточника, передаваемой в энергию воздействия плитой на грунт и энергию создаваемых сейсмических волн, что позволяет уменьшить массу и стоимость двигателя, пригруза и сейсмоисточника в целом, потребляемую сейсмоисточником мощность, снизить эксплуатационные расходы и расширить области применения невзрывных наземных сейсмоисточников.