DE3490708C2 - Vorrichtung zum maritimen Erforschen geschichteten Untergrunds unter einem Gewässer mittels Scherwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung hat eine Vorrichtung zum maritimen seismischen Erforschen geschichteten Untergrunds unter einem Gewässer zum Gegenstand, wobei mittels eines im Gewässer befindlichen pneumatischen Druckwellenerzeugers eine sich nach unten ausbreitende und in den geschichteten Untergrund eindringende Druckwelle erzeugt wird und wobei beim Übergang der Druckwelle von einer Schicht in die darunterliegende an der Schichtgrenze gebildete und sich nach oben ausbreitende Scherwellen erfaßt werden.

Es ist bekannt, mittels eines im Gewässer befindlichen pneumatischen Druckwellenerzeugers, Druckwellen zu erzeugen, die mittels mehrerer, am Boden des Gewässers befindlicher Geophoneinheiten erfaßt werden. Ein seeseismisches Verfahren ist durch die US-PS- 2,952,834 bekannt geworden. Dabei werden mit Hilfe eines Meßboots am Meeresboden eine ganze Reihe von Ultraschallempfängern und Geophone abgelegt, die allesamt an einem seismischen Meereskabel angebracht sind. Ein zweites Boot plaziert an genau vorgegebener Stelle einen seismischen Transmitter, mit dem Druckwellen im Wasser erzeugt werden können. Ein Ultraschalltransmitter des zweiten Bootes ermöglicht zusammen mit den Ultraschallempfängern das genaue Ausrichten des Ultraschalltransmitters über dem Seekabel bzw. den Geophonen.

Beim Auslösen eines Schusses im Wasser entstehen u. a. an der Grenze zum festen Untergrund Schub- bzw. Scherwellen. Die physikalischen Grundlagen hierzu ergeben sich beispielsweise aus dem "Handbuch der Experimentalphysik, Geophysik II, zweiter Teil, Akad. Verlagsges.mbH, Leipzig, 1931, Seiten 450, 451".

Bei dem Verfahren nach dem US-Patent werden nur die innerhalb der ersten Schicht, also der Wasserschicht verlaufenden Wellen erfaßt. Zur Erfassung der Schubwellen dienen die Geophone in bekannter Weise.

Durch die DE 31 34 325 A1 ist es bekannt geworden, am Meeresboden seismische Detektoren auszulegen und mittels eines Schiffes über diese seismische Impulsquellen zu schleppen. An einer reflektierenden unterirdischen Grenzfläche des Meeresbodens werden die Druckwellen reflektiert. Nach Ablenkung am Meeresboden sowie einer weiteren Reflexion an der Meeresoberfläche erreichen sie die seismischen Detektoren in Form von "Verdünnungswellen". Die seismischen Detektoren erfassen demnach sowohl die unmittelbar entstehenden Druckwellen als auch die aus den Druckwellen hervorgehenden "Verdünnungswellen". Die außerdem auftretenden Schubwellen finden hierbei keine Berücksichtigung.

Beim Verfahren der US 2,354,548 wird eine Druckwelle an der Erdoberfläche ausgelöst, wo sich auch die seismischen Detektoren in gebührendem Abstand befinden. Sie erfassen sowohl die unmittelbar auftreffenden Schubwellen und Druckwellen, als auch die an einer tieferliegenden Bodenschicht reflektierten Schub- und Druckwellen. Die in die zweite Schicht weiterdringenden Wellen, insbesondere Schubwellen, werden für die Auswertung nicht herangezogen.

In der Veröffentlichung in der Zeitschrift Geophysics, Vol. 43, Nr. 3 (April 1978), Seiten 514 bis 527, wird darauf hingewiesen, daß die Bedeutung von Scherwellen bei der Erforschung des Meeresbodens unter Verwendung seismischer Sensoren zunehmende Bedeutung gewinnt. Es werden Messungen beschrieben, bei denen Geophone zur Erfassung vertikaler Komponenten von seismischen Signalen verwendet werden. Die Geophone sind jedoch in einer auf den Meeresboden abgesenkten Kapsel vorgesehen.

Aus dem US-Patent 3,660, 809 ist ein seismisches Streamerkabel beschrieben, welches von einem Schiff durch das Wasser geschleppt wird und eine Anzahl von Hydrophonanordnungen aufweist. Die Hydrophone sind innerhalb eines äußeren Kabelmantels in Längsrichtung des Kabels vorgesehen, sie sind in einer inneren Montageröhre aufgenommen, die an ihren Enden von einem Paar von Abstandshalterstücken verschlossen ist, durch welche Signalleitungen hindurchgeführt sind. Der Zugang zu den Hydrophonanordnungen ist daher auch bei Entfernen der äußeren Ummantelung nicht möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art anzugeben, die eine kompakte Anordnung der Geophone und einen leichten Zugang zu den Geophonen ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Wenn unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in dem betreffenden Gewässer bzw. der Wassermasse eine Druckwelle erzeugt wird, so werden die von den Zwischenschichten reflektierten, in Schubwellen umgewandelten Wellen erfaßt bzw. abgetastet. Das Erfassen dieser Schubwellen wird dadurch erreicht, daß das Seekabel auf dem Meeresboden angeordnet wird. Da in den meisten Fällen die umgewandelten Schubwellen ihre stärkste Bewegung in der horizontalen Bewegungskomponente, die zur Quelle gerichtet ist, besitzen, wird durch die patentgemäße Vorrichtung bevorzugt diese Komponente aufgezeichnet. Es ist auch erkannt worden, daß diese Komponente relativ frei von Bewegungen aufgrund der reflektierten Druckwellen ist. Eine weitere Trennung kann gewünschtenfalls bei der unmittelbaren Aufzeichnung durch herkömmliche Mittel durchgeführt werden, die Fachleuten auf dem Gebiet der seismischen Erforschung unter Verwendung von Druckwellen bekannt sind. In bevorzugter Weise werden die Meßwandler eine bestimmte Zeit lang, bevor die Druckwelle erzeugt wird, auf dem Meeresboden abgesetzt, um eine geeignete Kopplung der Geophone mit dem Meeresboden sicherzustellen und um ferner sicherzustellen, daß die Geräusche durch Einschwingvorgänge, die während des Ablegens des Seekabels auf dem Meeresboden erzeugt werden, gedämpft worden sind. Durch die Verwendung der patentgemäßen Vorrichtung können diejenigen Signalkomponenten, die in Richtung zur Quelle hin gerichtet sind, erfaßt werden. Die Druckwellen können durch geeignete Mittel, beispielsweise ein Luftgewehr, zum Ausstoßen einer vorbestimmten Menge von Druckgas in das Wasser erzeugt werden. Gewünschtenfalls können auch Druckmeßwandler, wie Hydrophone, in dem Kabel vorgesehen sein, um die Druckwellen, die von den Zwischenschichten reflektiert werden, zu erfassen bzw. abzutasten.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben und erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer see­ seismischen Erkundung unter Verwendung eines Seekabels,

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer see­ seismischen Erkundung unter Verwendung getrennter Schiffe,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Seekabel für die Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 4 eine auseinandergezogene Ansicht einer Geophon-Einheit und einer Befestigung, die im in Fig. 3 gezeigten Seekabel eingefügt sind, und

Fig. 5 eine Ansicht einer Gewichtseinheit, die im Seekabel der Fig. 3 eingefügt ist.

In Fig. 1 ist ein seismisches Forschungsschiff 10 dargestellt, das zum seismischen Erforschen des Untergrundes unterhalb eines Gewässer bzw. einer Wassermasse 14 ein Seekabel entfaltet bzw. verlegt. Das Kabel 12 kann verhältnismäßig lang, bspw. eine Meile oder länger, sein und ist normalerweise aus einer Zahl von einzelnen aktiven Abschnitten 16, die Ende an Ende bzw. hintereinander befestigt sind, zusammengesetzt. Jeder Abschnitt 16 enthält eine Vielzahl von nicht dargestellten Geophonen und ist dem Boden 18 benachbart angeordnet. Das Kabel 12 kann dann auf dem Boden an dem gewünschten Ort dadurch positioniert werden, daß es zu dem gewünschten Ort gezogen wird oder dadurch, daß es aufgewickelt und dann an den gewünschten Ort beim Vorwärtsbewegen des Schiffs 10 abgewickelt wird. Der Abschnitt 20 des Kabels 12, der mit dem ersten Abschnitt 16 verbunden ist, ist ein Gewichtsabschnitt, der bspw. Blei oder anderes geeignetes Material enthält. Ein Zuführabschnitt 22, der ein armiertes Kabel sein kann, verbindet den Abschnitt 20 mit dem Schiff 10. Der Abschnitt 20 sollte ein ausreichendes Gewicht enthalten, so daß die Wellen in der Wassermasse 14, die auf das Schiff 10 und den Einführabschnitt 22 wirken, die Abschnitte 16 nicht von dem Boden 18 abheben können. Gewünschtenfalls kann das Schwanzende des Kabels 12 ebenfalls mit einem Gewichtsabschnitt 20 und einer geeigneten Lokalisierungsboje, wie sie nach dem Stand der Technik bekannt ist, versehen sein. Druckwellenenergie ist in der Nähe des Kabels 12 mittels einer seismischen Quelle in Form eines pneumatischen Druckwellenerzeugers 24 erzeugbar. Die Quelle 24 kann von dem Schiff 10 oder einem zweiten Schiff, wie in Fig. 2 dargestellt, ausgelegt werden, das sich in der Nähe der Geophone ohne Bewegen des Kabels 12 bewegen kann. Ist die Quelle 24 vom Schiff 11 ausgelegt, ist es vorteilhaft, bei einer Kabelposition viele Explosionen aufzuzeichnen, die über eine Bahn parallel zum Kabel 12 erfolgen und sich über dessen Enden erstrecken. Die Bahnen des Schiffs 11 können sich über die Enden des Kabels 12, bspw. über eine Entfernung erstrecken, die in derselben Größenordnung liegt, wie die Tiefe der zu untersuchenden tiefsten Schichten des Untergrunds. Eine Druckwelle 26, die von der Quelle 24 erzeugt wird und die durch eine gerade Linie angedeutet ist, breitet sich nach unten durch die Wassermasse 14 und den Untergrund aus, wobei Teile, nämlich 32, 34, von ihr, z. B. an Punkten 28, 30, an denen ein Kontrast in der akustischen Impedanz zwischen den Schichten des Untergrunds vorliegt, reflektiert werden. Die Größe solch einer Reflexion bezieht sich hauptsächlich auf den Kontrast in der akustischen Druckwellen-Impedanz. Zusätzlich werden jedoch aus Druckwellen hervorgehende Scher- bzw. Schubwellen 36 und 38 an den Punkten 28 und 30 reflektiert. Die Größe dieser in Schubwellen 36 und 38 umgewandelten Wellen geht hauptsächlich auf den Kontrast in der akustischen Schubwellen-Impedanz zurück. Die reflektierten Schubwellen 36 und 38 breiten sich nach oben durch die Zwischenschichten bzw. den Untergrund aus und werden durch die Geophone, die in den Abschnitten 16 des Kabels 12 angeordnet und in Längsrichtung des Kabels empfindlich sind, abgetastet bzw. erfaßt. Die elektrischen Signale, die von den Geophonen als Reaktion auf die reflektierten Schubwellen erzeugt werden, werden längs Leitungen im Kabel 12 zu einer geeigneten Aufzeichnungs- und/oder Verarbeitungseinrichtung, die im Schiff 10 angeordnet ist, übertragen. Zusätzlich können gewünschtenfalls Hydrophone oder andere Druckwellen-Meßwandler, bspw. die vertikale Bewegung erfassende Geophone, in den aktiven Abschnitten 16 angeordnet werden, um die reflektierten Druckwellen 32 und 34 zu erfassen bzw. abzutasten. Es ist auch zusätzlich möglich, Geophone im Kabel 12 anzuordnen, um die horizontale Bewegung, die senkrecht zum Kabel 12 ist, zu erfassen. Es sei angemerkt, daß sich das Kabel 12 eine vorbestimmte Zeitdauer setzen sollte, wobei bspw. 10 bis 12 Sekunden als geeignet herausgefunden wurden, nachdem das Kabel mit einer Geschwindigkeit von 3 Knoten in die Stellung geschleppt worden ist, bevor die Quelle 24 betätigt wird, um sicherzustellen, daß das Kabel 12 sich in geeigneter Weise mit dem Boden 18 verbunden hat. Dies geschieht, um sicherzustellen, daß die Geräusche durch Einschwingvorgänge, die während des Verlegens des Kabels 12 erzeugt werden, gedämpft werden. Das Kabel in der Nähe der Geophone sollte ausreichend dicht bzw. kompakt sein, bspw. in der Größe des Mehrfachen der Dichte von Seewasser, um das sich Setzen und Koppeln der Geophone zu fördern.

In den Fig. 3, 4 und 5 ist ein Kabel zum Einsetzen in die Vorrichtung beschrieben. Das Kabel 12 besitzt 3 Spannelemente 42, die in der Form eines gleichseitigen Dreiecks durch einen (nicht dargestellten) Kunststoffabstandhalter, wie er nach dem Stand der Technik bekannt ist, gehalten werden. An vorbestimmten Orten längs des Kabels 12 sind Geophon-Einheiten 44 angeordnet, derart, daß die Geophone 45 in der Achse des Kabels 12 liegen. Jede Geophon-Einheit 44 enthält ein konventionelles Geophon 45, das zum Erfassen der horizontalen Bewegung verwendet wird, und eine Halterung 46, die dazu geeignet ist, das Geophon 45 an dem vorbestimmten Ort längs des Kabels 12 zu befestigen. Ein elektrischer Dämpfungswiderstand 47 ist mit den Klemmen 51 des Geophons 45 verbunden und Drähte 49 sind mit den Klemmen 51 verbunden. Bevorzugt sind das Geophon 45 und der Dämpfungswiderstand 47 in einem Schutzgehäuse 48, wie bspw. PVC-Rohr, angeordnet und die Enden des Gehäuses 48 sind durch Epoxidharz 50 oder dgl. versiegelt, um das Geophon 45 vor Korrosions- und Druckschäden zu schützen. Die Halterung 46 enthält 3 ähnlich geformte Segmente 52, die ein zylindrisches Gehäuse oder Halterung bilden, wenn sie durch Schrauben 53 in Öffnungen 54 zusammengesetzt sind. Beide Enden jedes Segmentes 52 besitzen eine Nut 55, die mit den Nuten 55 in den benachbarten Segmenten 52 fluchten und so Öffnungen 56 bilden, die so groß und angeordnet sind, um die drei Spannelemente 42 aufzunehmen. Ein mittiger Hohlraum 60 ist derart bemessen, daß das Gehäuse 48 darin sicher und fest gehalten ist, wenn die Schrauben 53 angezogen sind. Die Halterung 46 kann mit einem weiteren kleineren Hohlraum 62, der dem mittigen Hohlraum 60 benachbart ist, für Epoxidharz oder dgl. vorgesehen sein, um eine geeignete Verbindung zwischen der Halterung 46 und dem Gehäuse 48 sicherzustellen. Jeder Abschnitt 52 besitzt eine Nut 58 an seiner Außenfläche und etwa ein Drittel der Drähte der Gruppe der Drähte 66 ist in einer Schutzhülle 68, wie bspw. Polyurethan, eingefaßt und in jeder der Nuten 58 angeordnet. Die Drähte 49 von den Klemmen 51 sind mit einem Paar der Drähte aus der Gruppe der Drähte 66 durch herkömmliche Mittel verbunden. Die Halterung 46 sollte aus einem relativ schweren Material hergestellt sein, das Deformation und Korrosion widersteht, wie bspw. Messing, um sicherzustellen, daß das Geophon 45 mit dem Meeresboden in geeigneter Weise gekoppelt bzw. verbunden ist.

Eine Gewichtseinheit 72 kann bspw. aus Blei oder anderem geeigneten Material hergestellt sein und diese Gewichtseinheiten 72 sind vorzugsweise in gleichem Abstand an jeder Seite der Geophon-Einheit 44 angeordnet, um sicherzustellen, daß das Kabel 12 sich setzt und mit dem Meeresboden in geeigneter Weise verbunden bzw. gekoppelt ist. Die Gewichtseinheit 72 besteht aus drei Abschnitten 74, die zur Bildung eines Zylinders durch ein Metallband 76 oder andere geeignete Mittel zusammengehalten werden. Jeder der Abschnitte 74 besitzt eine Nut in jedem Ende derart, daß dann, wenn die Abschnitte 74 durch das Band 76 zusammengehalten werden, die Nuten Öffnungen 78 bilden, die so groß sind, daß sie die Spannelemente 42 aufnehmen. Die Gewichtseinheit 72 besitzt eine mittige Öffnung 80, die derart bemessen ist, daß sie die Gruppe von Drähten 66 aufnimmt. Ein Schutzüberzug 82, wie bspw. Polyurethan, kann in die mittige Öffnung 80 eingesetzt werden, um ein Scheuern der Gruppe der Drähte 66 zu verhindern. Das Kabel 12 ist mit einem Mantel 70, bspw. aus Polyurethan-Kunststoff, versehen, der eine relativ glatte und gegen Beschädigungen widerstandsfähige äußere Oberfläche aufweist, und ist mit einer geeigneten Flüssigkeit, wie Petroleum, gefüllt.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum maritimen seismischen Erforschen geschichteten Untergrunds unter einem Gewässer, wobei mittels eines im Gewässer befindlichen pneumatischen Druckwellenerzeugers (24) eine sich nach unten ausbreitende und in den geschichteten Untergrund eindringende Druckwelle erzeugt wird und wobei beim Übergang der Druckwelle von einer Schicht in die darunterliegende an der Schichtgrenze gebildete und sich nach oben ausbreitende scherwellen erfaßt werden, umfassend: ein am Boden des Gewässers zu positionierendes Seekabel (12) mit an vorbestimmten Positionen längs des Seekabels derart angeordneten Geophonen (45), daß die horizontale in der Längsrichtung des Seekabels liegende Bewegungskomponente der gebildeten Scherwellen erfaßt werden kann, wobei das Seekabel jeweils eine Halterung für jedes dieser Geophone aufweist, die innerhalb eines in drei Teilstränge aufgeweiteten und sich anschließend wieder vereinigenden Abschnitts eines Stranges von Drähten (66) angeordnet ist, wobei die Halterung hierfür an der Außenfläche eines Halterungskörpers (46) drei in Längsrichtung des Seekabels verlaufende Nuten (58), in welche die Teilstränge eingreifen, und eine zentrale Ausnehmung (60) in dem Halterungskörper (46) aufweist, in welcher das jeweilige Geophon aufgenommen und fixiert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halterungskörper (46) zylindrisch ausgebildet ist und drei im wesentlichen gleiche Kreisscheibensegmente (52) umfaßt, die lösbar zusammensetzbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisscheibensegmente (52) durch von den Nuten (58) her einsetzbare Schrauben (53) miteinander verbindbar sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anziehen der Schrauben (53) das Geophon (45) in der mittigen Ausnehmung (60) klemmbar und damit fixierbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halterungskörper drei die Eckpunkte eines gleichschenkligen Dreiecks bildende und in Längsrichtung des Seekabels (12) verlaufende Öffnungen (56) aufweist, durch die sich drei ebenfalls in Längsrichtung des Seekabels (12) verlaufende Spannelemente (42) hindurcherstrecken.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (56) durch Längsnuten (55) in aneinander anliegenden Seiten der Kreisscheibensegmente (52) begrenzt werden, wobei jeweils zwei einander zugewandte Längsnuten (55) eine Öffnung (56) begrenzen