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Verfahren und Einrichtung zur seismischen Mutung Die Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Einrichtung zur seismischen Mutung, insbesondere unter Verwendung
von schwimmenden Unterwasserschallempfängern (Hydrophonen) zur Meeresvermessung,
also zur Bestimmung der Form des Meeresbodens und geophysikalischer Formationen
unterhalb des Meeresbodens.
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Bei der seismischen Bodenuntersuchung verwendet man allgemein ein
Kabel, das mit einer Anzahl von Empfängern für Druckwellen (Geophonen bzw.
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Hydrophonen) ausgestattet ist. Bei der Meeresvermessung ist normalerweise
eine Anzahl derartiger Empfänger gleichmäßig auf der Länge eines schwimmenden Kabels
verteilt, das hinter einem Schiff hergezogen wird. Eine solche lineare Anordnung
von in regelmäßigen Abständen verteilten Druckwellenempfängern soll nachstehend
als Empfängerreihe be-- zeichnet werden.
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Bei der Aufzeichnung der Reflexionen der Explosionswellen, die von
einer an geeigneter Stelle gezündeten Sprengladung ausgehen, wirken Mehrfachreflexionen
störend. Solche Mehrfachreflexionen treten insbesondere auf, wenn eine scharfe Diskontinuität
am Meeresboden und an einer dominanten Schicht unterhalb des Meeresbodens auftritt.
Die Druckwellen werden dann zwischen dem Meeresboden und der dominanten Schicht
mehrfach hin-und herreflektiert. Sie täuschen dadurch weitere Diskontinuitäten unterhalb
der dominanten Schicht vor und verdecken außerdem häufig die Primärreflexionen von
tieferen Schichten.
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Im allgemeinen wird eine Empfängerreihe aus vierundzwanzig Unterwasserschallempfängern
verwendet.
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Wegen der großen Ausdehnung der Empfängerreihe ist die Laufzeit der
seismischen Wellen vom Explosionsherd zu den einzelnen Empfängern sehr unterschiedlich.
Dieser Laufzeitunterschied für Reflexionen von der gleichen horizontalen Ebene ist
als »normale Abweichung« bekannt. Um sie zu beseitigen, kann eine Entzerrung durchgeführt
werden, die in der Kompression der Information von den weiter entfernten Empfängern
besteht. Nach Durchführung der Entzerrung ergeben Parallelaufzeichnungen der empfangenen
Signale auf getrennten Spuren des Empfangsgeräts eine genaue Wiedergabe der Bodenformation.
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Die Normalentzerrung kann dazu verwendet werden, Mehrfachreflexionen
zu erkennen, wenn die Länge der Empfängerreihe genügend groß im Vergleich zur Tiefe
der zu untersuchenden Bodenformation ist. Dies ist möglich wegen der unterschiedlichen
Geschwindigkeit seismischer Wellen in verschiedenen Tiefen. Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
nimmt nämlich mit zunehmender Tiefe deutlich zu. Der Laufzeitunterschied der reflektierten
Wellen ist umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit, weshalb die Normalabweichung
eines Mehrfachreflexionssignals erheblich größer als die Abweichung für ein reflektiertes
Signal von einer tatsächlich vorhandenen tieferen Schicht ist. Wenn nun der Abstand
der Schallempfänger verhältnismäßig groß ist, so wird der Laufzeitunterschied für
Mehrfachreflexionen im Gegensatz zu denjenigen der Echos von echten tieferen Schichten
nicht vollständig ausgeglichen, und es ergeben sich deshalb gekrümmte Linien für
die falschen Echos. Ist dagegen der Empfängerabstand verhältnismäßig klein im Vergleich
zur Tiefe der untersuchten Schicht, so ist die Laufzeitabweichung zwischen einfachen
und mehrfachen Reflexionen sehr gering, weshalb der Unterschied kleiner als die
normalen Meßfehler wird. Somit können Mehrfachreflexionen nicht mehr sicher festgestellt
werden.
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Zur Erkennung durch Mehrfachreflexionen vorgetäuschter Schichten
sollten also die Schallempfänger über eine große Strecke verteilt sein und damit,
da ihre Anzahl festliegt und der Zahl der zur Verfügung stehenden Spuren im Empfangsgerät
entspricht, weit voneinander entfernt sein. Um dagegen eine möglichst hohe Meßpunktdichte
längs des Profils zu erreichen, soll der Abstand der Empfänger möglichst gering
sein. Bisher hat man versucht, diesen widersprechenden Forderungen durch Wahl eines
mittleren Abstandes Rechnung zu tragen. In manchen Fäl-
len hat
man auch die gleiche Meeresgegend zuerst mit geringer Reihenlänge und dann mit großer
Reihenlänge vermessen. Das bedeutet aber Doppelarbeit und Verdoppelung der Ausrüstung.
Außerdem kann man im allgemeinen nicht genau die gleiche Fahrtroute wählen, so daß
die Meßergebnisse nicht ohne weiteres vergleichbar sind.
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Es sind nun Verfahren und Einrichtungen zur seismischen Mutung bekannt
bzw. vorgeschlagen worden, bei denen eine Empfängerreihe mit großem Abstand zwischen
den Empfängern und eine Empfängerreihe mit geringem Abstand zwischen den Empfängern
gleichzeitig verwendet werden. Im einen Fall sollen hierdurch die horizontalen Oberflächenwellen
für zwei verschiedene Frequenzen und damit auch in einem gewissen Frequenzband eliminiert
werden. Es soll also eine Bandfilterwirkung erzielt werden. Voraussetzung hierfür
ist, daß die Echos von beiden Empfängerreihen gleichzeitig einem gemeinsamen Empfangs-
und Auswertegerät zugeführt werden.
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Gemäß dem anderen, nicht vorveröffentlichten Vorschlag werden zwei
parallele Aufstellungen von Geophonen verwendet, wobei in der Hauptaufstellung mehrere
Geophone pro Verstärkerkanal benutzt werden, während in einer Hilfsaufstellung nur
ein Geophon pro Verstärkerkanal vorgesehen ist. Die Geophone der beiden Aufstellungen,
die an einander entsprechenden Stellen angeordnet sind, sind jeweils mit dem gleichen
Verstärkerkanal verbunden, um so die ersten Einsätze der von einer künstlichen Schallquelle
längs der Grenzschicht der Verwitterungszone der Erdoberfläche laufenden refraktierten
Welle genauer ermitteln zu können.
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Diese früheren Verfahren sind zur Ausscheidung von Mehrfachreflexionen
nicht geeignet. Zwar tritt selbstverständlich auch bei Meeresvermessungen eine Oberflächenwelle
auf, aber da sich hier die Schallquelle ziemlich nahe an den Empfängern befindet,
läßt sich die rascher als die Echos ankommende Oberflächenwelle verhältnismäßig
leicht von diesen trennen. Viel schwieriger ist aus den oben geschilderten Gründen
die Ausscheidung der Mehrfachreflexionen, die mit den bekannten Schaltungsmaßnahmen
nur unter Verlust an Darstellungsgenauigkeit durchgeführt werden können.
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Demgegenüber ist das erfindungsgemäße Verfahren zur seismischen Mutung,
insbesondere unter Verwendung von schwimmenden Unterwasserschallempfängern (Hydrophonen)
zur Meeresvermessung, in dem eine Empfängerreihe mit großem Abstand zwischen den
Empfängern und eine Empfängerreihe mit geringem Abstand zwischen den Empfängern
gleichzeitig verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß von den zwei verschiedenen
Empfängerreihen abgeleitete, aber von einer einzigen Druckwellenquelle erzeugte
Signale unabhängig voneinander aufgezeichnet werden.
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Vorzugsweise sind die Empfängerreihe mit großcm Abstand und die Empfängerreihe
mit kleinem Abstand zu einer gemeinsamen Anordnung zusammengefaßt. An Bord des Schiffes,
das ein Kabel mit den beiden Empfängerreihen zieht, sind zwei Aufzeichnungsvorrichtungen
vorhanden, welche die Signale von den beiden Empfängerreihen getrennt aufzeichnen.
Die Ausgangssignale beiden Reihen gemeinsamer Schallempfänger werden beiden Aufzeichnungsvorrichtungen
zugeführt.
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Man kann nun ohne zusätzlichen Zeitaufwand mittels der einen Aufzeichnung
die falschen Echos von Mehrfachreflexionen ausscheiden und mittels der anderen Aufzeichnung
ein genaues Bild des Meeresbodens und der unter ihm liegenden Schichten erhalten,
das auch Einzelheiten exakt wiedergibt.
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Hierbei ist gewährleistet, daß die beiden Aufzeichnungen einander
genau decken, wodurch die Auswertung sehr erleichtert wird.
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Die Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnung erläutert. Hierin
ist Fig. 1 die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Empfängeranordnung
und des Zustandekommens von Mehrfachreflexionen, F i g. 2 eine Darstellung des Kabelaufbaus
bei einer Ausführungsform der Erfindung mit den zugehörigen Registriergeräten und
F i g. 3 der Verteilungsplan der Kabelanschlüsse auf die angeschlossenen Registriergeräte.
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Gemäß F i g. 1 zieht ein Vermessungsschiff 12 ein Kabel 14 hinter
sich her. Das Kabel 14 kann auf einer Kabeltrommel 16 aufgewickelt werden. Längs
des Kabels sind die einzelnen Schallempfänger verteilt. Sie sind über getrennte
Doppeladern mit einem Registriergerät im Schiff 12 verbunden.
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Die Punkte 52 und 54 stellen die Endpunkte der Empfängeranordnung
dar. Erfindungsgemäß sind in dem I(abel zwei verschieden lange Empfängerreihen vereinigt.
Die lange Reihe hat die Länge S und ist durch die Kreuze zwischen den Punkten 52
und 54 angedeutet. Die kurze Empfängerreihe von der Länge S' zwischen den Punkten
56 und 58 wird aus den mit Kreisen bezeichneten Schallempfängern gebildet. Wie man
sieht, gehört jeder zweite dieser Empfänger gleichzeitig zur Gruppe S.
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Ferner sind in Fig. 1 der Meeresboden 60 und zwei Grenzflächen 62
und 64 zwischen geologischen Schichten angegeben. Wenn eine Explosion in Punkt 66
ausgelöst wird, der seitlich gegen den gemeinsamen Mittelpunkt 53 der beiden Gruppen
S und S versetzt ist, so erreicht das Echo von der unteren Grenzfläche 64 die äußersten
Schallempfänger 52 und 54 über die Wege 68 und 70. Der in der Mitte der Anordnung
liegende Schallempfänger 53 erhält ein Echo vom Punkt 77 auf der Grenzfläche 64.
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Mehrfachreflexionen längs der Wege 72 und 74 können fälschlich die
Anwesenheit einer Schicht etwa in der Tiefe der Fläche 64 vortäuschen. Wie oben
ausgeführt wurde, nimmt jedoch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit von seismischen
Wellen mit der Tiefe erheblich zu.
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Demgemäß pflanzen sich die Wellen längs des Weges 72 langsamer als
die Wellen längs des Weges 68 zurück, auch wenn die Laufzeit längs des Weges 66-76-75-76-53
genau gleich der Laufzeit längs des Weges 66-77-53 ist. Die Laufzeitabweichung zwischen
dem Echo von den entfernten Schallempfängern 52, 54 und demjenigen von dem nächsten
Emp fänger 53 ist also für die Mehrfachreflexion längs des Weges 72 größer als für
die direkte Reflexion längs des Weges 68. Wird eine Laufzeitentzerrung für die angegebene
Tiefe der Schicht 64 durchgeführt, so machen sich Mehrfachreflexionen durch fehlende
volle Entzerrung bemerkbar. Sie erscheinen damit als Bögen auf dem Registrierstreifen.
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Wenn die Tiefe der untersuchten Formation viel größer als die Reihenlänge
S ist, so tritt eine sehr geringe Laufzeitabweichung auf. Demgemäß ist die
für
die Reihe S' gemessene Abweichung weit geringer als diejenige für die Reihe S. In
diesem Falle ist es sehr schwierig, Falschanzeigen infolge Mehrfachreflexion von
wahren Reflexionen zu unterscheiden.
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Infolgedessen ist die Verwendung einer langen Reihe S zwischen den
Punkten 52 und 54 wünschenswert.
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Andererseits soll das Profil mit möglichst vielen Einzelheiten untersucht
werden. Bei großer Reihenlänge kann aber nur eine weit geringere Anzahl von Meßpunkten
je Entfernungseinheit erhalten werden.
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Aus diesem Grunde ist erfindungsgemäß zusätzlich die kürzere Reihe
S' mit größerer Empfängerdichte vorgesehen. Da die Mitteipunkte der beiden Reihen
zusammenfallen, kann eine einzige Explosion vom Reihenmittelpunkt zur Erregung beider
Reihen herangezogen werden.
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Natürlich können andere Anordnungen getroffen werden. So kann z.
B. nur jeder dritte oder vierte Schallempfänger in der kürzeren Reihe gleichzeitig
für die längere Reihe verwendet werden. Auch kann die kurze Reihe S' an einem Ende
der langen Reihe S angeordnet sein. In diesem Falle wird man die Explosionen nicht
in der Mitte, sondern an einem Ende des Kabels auslösen.
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Fig. 2 zeigt eine Ausbildung des Kabels gemäß der Erfindung. Der
äußerste Kabelabschnitt 82 trägt sechs Empfängeranordnungen gemäß der Anzahl der
Empfänger zwischen den Punkten 54 und 58 in Fig. 1. Demgemäß sind sechs Doppeladern
zur Weiterleitung der Signale von den Schallempfängern zu den anderen Kabelabschnitten
84. 86, 88 und 90 und schließlich zum Endverteiler 92 vorgesehen. Die weiteren Kabelabschnitte
84, 86 und 88 haben 18, 30 und 36 Doppeladern für die Weiterleitung der Schallsignale
von entfernteren Schallempfängern und den in diesen Abschnitten weiter angebrachten
Schallempfängern. Die Doppeladern sind sämtlich zum Verteiler 92 geführt, von dem
die Signale auf die Registriergeräte 94 und 96 gegeben werden. Das Registriergerät
94 empfängt die Signale von der längeren Reihe S und das Registriergerät 96 die
Signale von der kürzeren Reihe S'. Wie erwähnt, ist jeder zweite Empfänger in der
Mittelreihe mit beiden Registriergeräten verbunden.
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F i g. 3 zeigt die Verdrahtung des Verteilers 92 in F i g. 2. Wie
erwähnt, enthält das Kabel 90 36 Doppeladern entsprechend der Gesamtzahl der Empfänger
in den beiden Reihen S und S'. Jede Linie 142 auf der rechten Seite der F i g. 3
bedeutet eine solche Doppelader des Kabels 90. Sie sind von 1 bis 36 durchnumeriert.
Die Doppelader Nr. 1 ist mit dem Empfänger im Kabelabschnitt 88 verbunden, der dem
Schiff am nächsten liegt. Die Doppelader Nr. 36 ist mit dem entferntesten Empfänger
verbunden. Bei 144 ist gezeigt, daß es sich jeweils um zwei Adern handelt. Links
in F i g. 3 zeigt die untere Liniengruppe 146 die Verbindung mit dem Registriergerät
96, das der kurzen ReiheS' im Blockschaltbild der F i g. 2 entspricht. Die Linien
148 links oben in F i g. 3 bedeuten Adern, die mit dem Registriergerät 94 für die
lange Reihe S verbunden sind. Wie man sieht, ist das Registriergerät 94 mit den
Doppeladernl bis 6, den geradzahligen Doppeladern 8 bis 30 und den Doppeladern 31
bis 36 verbunden. Diese 24 Adern führen zu einer entsprechenden Anzahl
von Registrierspuren.
Ebenso sind die Adern 146 für das Registriergerät 96 mit allen Doppeladern 7 bis
30 verbunden. Dies ergibt ebenfalls 24 Registrierspuren für die Signale aus der
kurzen Reihe.
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Bei seismischer Meeresvermessung beträgt der Abstand zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Schallempfängern oSIt 50 oder 100 Meter. Somit kann die erfindungsgemäße
Anordnung so getroffen sein, daß der Abstand in der kurzen Reihe 50 und in der langen
Reihe 100 Meter beträgt.
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Selbstverständlich kann die längere Reihe auch drei- oder viermal
so lang wie die kurze Reihe sein.
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Die Erfindung ist auch auf die Verteilung von Druckwellen empfängern
auf dem Festland anwendbar.
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Statt eines Empfängers kann in bekannter Weise jeweils eine Gruppe
von gemeinsam an einen Verstärkerkanal angeschlossenen Empfängern verwendet werden.