Сейсмический источник

Сейсмический источник — это устройство, генерирующее контролируемую сейсмическую энергию , используемое для проведения сейсмических исследований как на отражение , так и на преломление . Сейсмический источник может быть простым, например, динамитом , или использовать более сложную технологию, например, специальную пневматическую пушку. Сейсмические источники могут обеспечивать одиночные импульсы или непрерывные колебания энергии, генерируя сейсмические волны , которые проходят через такую среду , как вода или слои горных пород . Некоторые волны затем отражаются и преломляются и регистрируются приемниками, такими как геофоны или гидрофоны . ^[1]

Сейсмические источники могут использоваться для исследования неглубокой структуры недр , для определения характеристик инженерных объектов или для изучения более глубоких структур либо при поиске месторождений нефти и полезных ископаемых, либо для картирования подземных разломов, либо для других научных исследований. Возвратные сигналы от источников обнаруживаются сейсмическими датчиками ( геофонами или гидрофонами ) в известных местах относительно положения источника. Записанные сигналы затем подвергаются специальной обработке и интерпретации для получения понятной информации о недрах. ^[2]

Исходная модель

Сигнал сейсмического источника имеет следующие характеристики:

Генерирует импульсный сигнал
Ограниченный диапазон
Генерируемые волны меняются во времени.

Обобщенное уравнение, которое демонстрирует все вышеперечисленные свойства:

s(t)=\beta e^{-\alpha t^{2}}\sin(2\pi f_{max}t)

где $f_{max}$ — максимальная частотная составляющая генерируемого сигнала. ^[3]

Типы источников

Кувалда

Самый простой сейсмический источник – это кувалда . Сейсмическая энергия генерируется либо при прямом ударе о землю, либо, что чаще всего, при ударе о металлическую или полиэтиленовую пластину, лежащую на земле. Обычно применяется для приповерхностных сейсмических исследований рефракции. Контакт кувалды с поверхностью может обеспечить достаточную сейсмическую энергию для глубин интерфейса до 30 м и более, в зависимости от геологических условий и физических свойств. ^[4]

взрывчатые вещества

Взрывчатые вещества, наиболее широко используемые в качестве сейсмических источников, известны как желатиновые динамиты . Эти динамиты разделены на три подкатегории: прямые желатиновые вещества, в которых нитроглицерин , также известный как тринитрат глицерина с химической формулой C ₃ H ₅ (ONO ₂ ) _{3 , аммиачные желатины, в которых нитрит аммиака с химической формулой} активным компонентом является NH ₄ NO ₃ в качестве активного компонента и полужелатины, в состав которых входит преимущественно нитроглицерин. ^[5]

При детонации взрывчатые вещества очень быстро выделяют большие объемы расширяющегося газа. ^[6] оказывая огромное давление на окружающую среду в виде сейсмических волн. ^{[ нужна ссылка ]}

Использование взрывчатых веществ в качестве сейсмических источников практикуется на протяжении десятилетий из-за их надежности и энергоэффективности. ^[7] Такие источники чаще всего используются на суше и в болотистой местности из-за большой толщины отложений. ^{[ нужна ссылка ]} Типичные размеры зарядов, используемые в полевых условиях для исследований отражения, составляют от 0,25 до 100 кг для источников с одним отверстием, от 0,25 до 250 кг или более для источников с несколькими отверстиями и могут достигать 2500 кг или более для исследований рефракции. ^[5]

Хотя динамиты и другие взрывчатые вещества являются эффективными сейсмическими источниками из-за их низкой стоимости, простоты транспортировки в труднопроходимой местности и отсутствия регулярного технического обслуживания по сравнению с другими источниками, ^[8] использование взрывчатых веществ в определенных районах ограничивается, что приводит к снижению и увеличению популярности альтернативных сейсмических источников. ^[7]

Например, гексанитростильбен был основным взрывчатым веществом в канистрах с тамперным круглых минометом , которые использовались в рамках лунных активных сейсмических экспериментов Аполлона . ^[9] Обычно заряды взрывчатого вещества размещаются на глубине от 6 до 76 метров (от 20 до 250 футов) под землей, в яме, пробуренной для этой цели с помощью специального бурового оборудования. Этот тип сейсмического бурения часто называют «бурением дробовых скважин». Обычной буровой установкой, используемой для «сверления дробовых скважин», является бур ARDCO C-1000, установленный на багги ARDCO K 4X4. Эти буровые установки часто используют воду или воздух для облегчения бурения.

Воздух нет

Пневматическая пушка используется для исследований морских отражений и преломлений. Он состоит из одной или нескольких пневматических камер, в которых находится сжатый воздух под давлением от 14 до 21 МПа (от 2000 до 3000 фунтов силы на дюйм). ²). Пневматические пушки погружаются под поверхность воды и буксируются за сейсмическим кораблем. При выстреле из пневматического пистолета срабатывает соленоид, который выпускает воздух под высоким давлением из одной камеры в заднюю часть челнока, который обычно удерживается в балансе между двумя камерами с одинаковым давлением. Мгновенное снижение давления воздуха в первой камере позволяет шаттлу быстро переместиться в первую камеру, высвобождая резервуар с воздухом под высоким давлением, который находится за шаттлом во второй камере, через порты прямо в море, создавая импульс акустической энергии . ^[10] Группы пневматических пушек могут состоять из 48 отдельных пневматических пушек с камерами разного размера, или определенные объемы пневматических пушек могут быть сгруппированы вместе. Стрельба всей группы контролируется контроллером пистолета и обычно осуществляется с точностью до ± 1 или 2 миллисекунды, цель состоит в том, чтобы создать оптимальную начальную ударную волну с последующей минимальной реверберацией пузырьков воздуха. Поскольку челнок намагничен, быстрое перемещение в первую камеру при отпускании значения соленоида обеспечивает небольшой ток, который фактически является сигналом синхронизации для стреляющего пистолета, который возвращается в контроллер пистолета. ближнего поля, Гидрофон расположенный на известном измеренном расстоянии от порта пушки, также может использоваться для синхронизации первого сигнала разрыва, поступающего в гидрофон, для точной проверки синхронизации пушки.

Техническое обслуживание пневматического оружия важно, поскольку оно может давать осечки; худшим сценарием является автоматический огонь, при котором пистолет фактически стреляет неоднократно несинхронно из-за дефекта самого пистолета, такого как поврежденный электромагнитный клапан или негерметичное уплотнительное кольцо пистолета. Одиночная автострелковая пушка может привести к повреждению всей сигнатуры пузырьков массива, а если ее не обнаружить, это может привести к повторному прохождению множества сейсмических линий только для одной автострелковой пушки, когда неисправность будет обнаружена во время первоначальной обработки данных.

Во время обычных операций по развертыванию и подъему пневматические пушки никогда не должны полностью находиться под оптимальным рабочим давлением на палубе, и обычной практикой является понижение давления в пушках до 500 фунтов на квадратный дюйм, чтобы предотвратить попадание воды при развертывании и подъеме. Также плохой и опасной практикой является испытание огнестрельного оружия на палубе в воздухе под давлением. Также должна быть предусмотрена система изоляции, предотвращающая случайный выстрел из орудий на палубе наблюдателями или штурманами по ошибке. Выбросы воздуха под высоким давлением на палубе могут привести к ампутации пальцев, а также к под высоким давлением травме кожи , практически неизлечимой и смертельной травме в сейсмической среде. Артиллеристам следует носить необходимые средства индивидуальной защиты , чтобы защитить глаза и слух и свести к минимуму воздействие на открытые участки кожи.

Пневматические пистолеты изготовлены из высококачественной нержавеющей стали, устойчивой к коррозии. Большие камеры (т.е. более 1 л или 70 куб. дюймов) имеют тенденцию давать низкочастотные сигналы, а маленькие камеры (менее 1 л) дают более высокочастотные сигналы.

Плазменный источник звука

Плазменный источник звука (PSS), иначе называемый источником звука с искровым разрядником или просто спаркером , представляет собой средство создания гидролокационного импульса очень низкой частоты под водой. При каждом срабатывании электрический заряд накапливается в большой высоковольтной батарее конденсаторов , а затем высвобождается в виде дуги на электродах в воде. Подводный искровой разряд создает пузырек плазмы и пара под высоким давлением, которые расширяются и схлопываются , издавая громкий звук. ^[11] Большая часть производимого звука имеет частоту от 20 до 200 Гц, что полезно как для сейсмических , так и для гидролокационных приложений.

Также планируется использовать ПСС в качестве нелетального оружия против подводных водолазов. ^{[ нужна ссылка ]}.

Тампер грузовик

В 1953 году в качестве альтернативы источникам динамита была представлена техника сброса веса.

Сейсмический вибратор во время работы

Грузовик -самосвал (или грузоподъемник) — это установленная на автомобиле система воздействия на землю, которую можно использовать в качестве источника сейсмических сигналов. Тяжелый груз поднимается с помощью подъемника в задней части грузовика и падает, как правило, примерно на три метра, чтобы удариться (или «стукнуть») о землю. ^[12] Чтобы усилить сигнал, груз можно сбросить более одного раза в одном и том же месте. Сигнал также можно увеличить, постукивая в нескольких близлежащих местах в массиве, размеры которого могут быть выбраны так, чтобы усилить сейсмический сигнал посредством пространственной фильтрации.

Более продвинутые амортизаторы используют технологию под названием « Ускоренное снижение веса » (AWD), при которой газ под высоким давлением (минимум 7 МПа (1000 фунтов силы/дюйм) ²)) используется для ускорения тяжелого молота (5000 кг (11000 фунтов)) для удара по опорной плите, прикрепленной к земле, с расстояния от 2 до 3 метров (от 6 футов 7 дюймов до 9 футов 10 дюймов). Несколько ударов суммируются для улучшения соотношения сигнал/шум. AWD позволяет использовать больше энергии и лучше контролировать источник, чем гравитационное падение веса, обеспечивая лучшую глубину проникновения и контроль частоты сигнала.

Стук может нанести меньший ущерб окружающей среде, чем стрельба взрывчаткой по воронкам. ^[13]^{[ нужна ссылка ]} хотя сильно нарушенная сейсмическая линия с поперечными гребнями через каждые несколько метров может вызвать длительное нарушение почвы. Преимущество тампера (позже использованного совместно с Вибросейсом), особенно в политически нестабильных регионах, заключается в том, что взрывчатка не требуется.

Источник энергии электромагнитных импульсов (невзрывоопасный)

Источники ЭМИ, основанные на электродинамических и электромагнитных принципах.

Сейсмический вибратор

Сейсмический вибратор передает энергетические сигналы на Землю в течение длительного периода времени, в отличие от почти мгновенной энергии, обеспечиваемой импульсными источниками. Записанные таким образом данные необходимо скоррелировать для преобразования расширенного исходного сигнала в импульс. Исходный сигнал с использованием этого метода первоначально генерировался гидравлическим вибратором или вибростендом с сервоуправлением, установленным на мобильном базовом блоке, но электромеханические были также разработаны версии.

Методика разведки «Вибросейс» была разработана Continental Oil Company (Conoco) компании в 1950-х годах и являлась товарным знаком до истечения срока действия патента .

Бумерские источники

Источники звука Boomer используются для сейсмических исследований на мелководье, в основном для инженерных изысканий. Бумеры буксируются на плавучих санях за исследовательским судном. Подобно источнику плазмы, источник-бумер накапливает энергию в конденсаторах, но разряжается через плоскую спиральную катушку вместо того, чтобы генерировать искру. Медная пластина, прилегающая к катушке, отгибается от катушки по мере разряда конденсаторов. Это изгибание передается воде в виде сейсмического импульса. ^[14]

Первоначально накопительные конденсаторы размещались в стальном контейнере ( боксе ) на исследовательском судне. Используемое высокое напряжение, обычно 3000 В, требовало толстых кабелей и прочных защитных контейнеров. Недавно стали доступны бумеры низкого напряжения. ^[15] В них используются конденсаторы на буксируемых салазках, что обеспечивает эффективную рекуперацию энергии, источники питания с более низким напряжением и более легкие кабели. Системы низкого напряжения, как правило, легче развертывать и вызывают меньше проблем с безопасностью.

Источники шума

Методы обработки на основе корреляции также позволяют сейсмологам получать изображения недр Земли в различных масштабах, используя естественный (например, океанический микросейсм) или искусственный (например, городской) фоновый шум в качестве сейсмического источника. ^[16] Например, в идеальных условиях равномерного сейсмического освещения корреляция шумовых сигналов между двумя сейсмографами позволяет оценить двунаправленный сейсмический импульсный отклик .

См. также

Ссылки

^ RE Шериф (2002), стр. 160 и стр. 182.
^ RE Шериф (2002) стр. 312
^ Моделирование и инверсия распространения сейсмических волн, Фил Бординг. Архивировано 8 февраля 2008 г. в Wayback Machine.
^ Рейнольдс, Джон М. (2011). Введение в прикладную геофизику и геофизику окружающей среды (2-е изд.). Чичестер, Западный Суссекс: Уайли-Блэквелл. стр. 155–156. ISBN 978-0-471-48535-3 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Старк, Андреас (2010). Сейсмические методы и приложения . Универсал-Издательство. стр. 177–178. ISBN 9781599424439 .
^ «Взрывчатое | химическое изделие» . Британская энциклопедия . Проверено 9 октября 2018 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Йордкайхун, Савасди; Иванова, Александра; Гизе, Рюдигер; Джулин, Кристофер; Косма, Калин (январь 2009 г.). «Сравнение наземных сейсмических источников на площадке CO2SINK, Кетцин, Германия» . Геофизическая разведка . 57 (1): 125–139. Бибкод : 2009GeopP..57..125Y . дои : 10.1111/j.1365-2478.2008.00737.x . ISSN 0016-8025 . S2CID 55497365 .
^ Строббия, К.; Вермеер, П.; Глущенко А.; Лааке, А. (8 июня 2009 г.). Достижения в области обработки поверхностных волн для определения приповерхностных характеристик в наземной сейсморазведке . Нидерланды: EAGE Publications BV. дои : 10.3997/2214-4609.201404894 . ISBN 9789462821033 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )
^ Справочная публикация НАСА
^ RE Шериф (2002) стр. 6-8
^ RE Шериф (2002) стр. 328
^ RE Шериф (2002) стр. 357
^ Чиненезе, Маду. «Типы источников сейсмической энергии для разведки нефти в пустынях, засушливых землях, болотах и морской среде в Нигерии и других странах Африки к югу от Сахары». Международный журнал науки и исследований (IJSR) . 6 .
^ Шериф RE, 1991, Энциклопедический словарь разведочной геофизики, Общество геологоразведочных геофизиков, Талса, 376p
^ Джоплинг Дж. М., Форстер ПД, Голландия, округ Колумбия и Хейл Р.Э., 2004 г., Низковольтный источник сейсмического звука, патент США № 6771565.
^ RE Шериф (2002) стр. 295

Библиография

Кроуфорд, Дж. М., Доти, ВЕН и Ли, М. Р., 1960, Сейсмограф непрерывного сигнала: геофизика, Общество геологоразведочных геофизиков, 25, 95–105.
Роберт Э. Шериф, Энциклопедический словарь прикладной геофизики (геофизические справочники № 13), 4-е издание, 2002 г., 429 стр. ISBN 978-1560801184 .
Снайдер, Роэл (29 апреля 2004 г.). «Извлечение функции Грина из корреляции кодовых волн: вывод, основанный на стационарной фазе». Физический обзор E . 69 (4). Американское физическое общество (APS): 046610. Бибкод : 2004PhRvE..69d6610S . дои : 10.1103/physreve.69.046610 . ISSN 1539-3755 . ПМИД 15169121 .
Моделирование и инверсия распространения сейсмических волн, Фил Бординг [1]
Вывод уравнения сейсмических волн можно найти здесь. [2]

Внешние ссылки

[1] RE Шериф (2002), стр. 160 и стр. 182.

[2] RE Шериф (2002) стр. 312

[3] Моделирование и инверсия распространения сейсмических волн, Фил Бординг. Архивировано 8 февраля 2008 г. в Wayback Machine.

[4] Рейнольдс, Джон М. (2011). Введение в прикладную геофизику и геофизику окружающей среды (2-е изд.). Чичестер, Западный Суссекс: Уайли-Блэквелл. стр. 155–156. ISBN 978-0-471-48535-3 .

[:0-5] Перейти обратно: ^а ^б Старк, Андреас (2010). Сейсмические методы и приложения . Универсал-Издательство. стр. 177–178. ISBN 9781599424439 .

[6] «Взрывчатое | химическое изделие» . Британская энциклопедия . Проверено 9 октября 2018 г.

[:2-7] Перейти обратно: ^а ^б Йордкайхун, Савасди; Иванова, Александра; Гизе, Рюдигер; Джулин, Кристофер; Косма, Калин (январь 2009 г.). «Сравнение наземных сейсмических источников на площадке CO2SINK, Кетцин, Германия» . Геофизическая разведка . 57 (1): 125–139. Бибкод : 2009GeopP..57..125Y . дои : 10.1111/j.1365-2478.2008.00737.x . ISSN 0016-8025 . S2CID 55497365 .

[8] Строббия, К.; Вермеер, П.; Глущенко А.; Лааке, А. (8 июня 2009 г.). Достижения в области обработки поверхностных волн для определения приповерхностных характеристик в наземной сейсморазведке . Нидерланды: EAGE Publications BV. дои : 10.3997/2214-4609.201404894 . ISBN 9789462821033 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )

[9] Справочная публикация НАСА

[10] RE Шериф (2002) стр. 6-8

[11] RE Шериф (2002) стр. 328

[12] RE Шериф (2002) стр. 357

[13] Чиненезе, Маду. «Типы источников сейсмической энергии для разведки нефти в пустынях, засушливых землях, болотах и морской среде в Нигерии и других странах Африки к югу от Сахары». Международный журнал науки и исследований (IJSR) . 6 .

[14] Шериф RE, 1991, Энциклопедический словарь разведочной геофизики, Общество геологоразведочных геофизиков, Талса, 376p

[15] Джоплинг Дж. М., Форстер ПД, Голландия, округ Колумбия и Хейл Р.Э., 2004 г., Низковольтный источник сейсмического звука, патент США № 6771565.

[16] RE Шериф (2002) стр. 295

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]