Сейсмический источник — это устройство, которое генерирует контролируемую сейсмическую энергию , используемую для проведения как отраженных , так и преломленных сейсмических исследований. Сейсмический источник может быть простым, например, динамитом , или может использовать более сложную технологию, например, специализированную воздушную пушку. Сейсмические источники могут обеспечивать одиночные импульсы или непрерывные колебания энергии, генерируя сейсмические волны , которые проходят через среду, например, воду или слои горных пород . Некоторые из волн затем отражаются и преломляются и регистрируются приемниками, например, геофонами или гидрофонами . [1]
Сейсмические источники могут использоваться для исследования неглубокой структуры подпочвы , для инженерной характеристики участка или для изучения более глубоких структур, либо для поиска месторождений нефти и минералов, либо для картирования подземных разломов или для других научных исследований. Возвращающиеся 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 подпочве. [2]
Сигнал сейсмического источника имеет следующие характеристики:
Обобщенное уравнение, которое показывает все вышеперечисленные свойства, имеет вид:
где - максимальная частотная составляющая генерируемой формы волны. [3]
Самый простой сейсмический источник — кувалда . Сейсмическая энергия генерируется либо путем прямого удара по земле, либо, что более распространено, путем удара по металлической или полиэтиленовой пластине на земле. Обычно применяется для сейсмических исследований методом преломления волн вблизи поверхности. Удар кувалды о поверхность может обеспечить достаточную сейсмическую энергию для глубин интерфейса до 30 м и более, в зависимости от геологических условий и физических свойств. [4]
Взрывчатые вещества, наиболее широко используемые в качестве сейсмических источников, известны как желатиновые динамиты . Эти динамиты делятся на три подкатегории: простые желатины, в которых активным компонентом является нитроглицерин , также известный как тринитрат глицерина с химической формулой C3H5 ( ONO2 ) 3 , аммиачные желатины, в которых активным компонентом является нитрит аммиака с химической формулой NH4NO3 , и полужелатины, в составе которых в основном присутствует нитроглицерин. [5]
При детонации взрывчатые вещества очень быстро высвобождают большие объемы расширяющегося газа, [6] создавая огромное давление на окружающую среду в виде сейсмических волн. [ необходима цитата ]
Использование взрывчатых веществ в качестве сейсмических источников практикуется уже несколько десятилетий из-за надежности и энергоэффективности, которые они обеспечивают. [7] Такие источники чаще всего используются на суше и в болотистой местности из-за большой толщины отложений. [ требуется ссылка ] Типичные размеры зарядов, используемых в полевых условиях для исследований методом отражения, составляют от 0,25 кг до 100 кг для источников с одним отверстием, от 0,25 кг до 250 кг или более для источников с несколькими отверстиями и могут достигать 2500 кг или более для исследований методом преломления. [5]
Хотя динамиты и другие взрывчатые вещества являются эффективными источниками сейсмической активности из-за их низкой стоимости, простоты транспортировки в труднодоступных местностях и отсутствия регулярного обслуживания по сравнению с другими источниками, [8] использование взрывчатых веществ становится ограниченным в определенных областях, что приводит к снижению и росту популярности альтернативных источников сейсмической активности. [7]
Например, гексанитростильбен был основным взрывчатым веществом в минометных снарядах , используемых в рамках активных сейсмических экспериментов по лунной программе Apollo . [9] Обычно взрывчатые заряды размещаются на глубине от 6 до 76 метров (от 20 до 250 футов) под землей в скважине, которая пробурена специальным буровым оборудованием для этой цели. Этот тип сейсмического бурения часто называют «бурением взрывных скважин». Распространенной буровой установкой, используемой для «бурения взрывных скважин», является бур ARDCO C-1000, установленный на багги ARDCO K 4X4. Эти буровые установки часто используют воду или воздух для облегчения бурения.
Воздушная пушка используется для морских исследований отражения и преломления. Она состоит из одной или нескольких пневматических камер, которые наполняются сжатым воздухом под давлением от 14 до 21 МПа (от 2000 до 3000 фунтов силы/дюйм 2 ). Воздушные пушки погружаются под поверхность воды и буксируются за сейсмическим судном. Когда срабатывает воздушная пушка, срабатывает соленоид, который выпускает воздух высокого давления из одной камеры в заднюю часть шаттла, который обычно удерживается в равновесии между двумя одинаково напорными камерами. Мгновенное понижение давления воздуха в первой камере позволяет шаттлу быстро перемещаться в первую камеру, выпуская резервуар воздуха высокого давления, который находится позади шаттла во второй камере, через порты непосредственно в море, производя импульс акустической энергии. [10] Массивы воздушных пушек могут состоять из до 48 отдельных воздушных пушек с камерами разного размера, или определенные объемы воздушных пушек могут быть объединены вместе. Срабатывание всего массива контролируется контроллером пушки и обычно выполняется с допуском ± 1 или 2 миллисекунды, цель состоит в том, чтобы создать оптимальную начальную ударную волну, за которой следует минимальная реверберация пузырька(ов) воздуха. Поскольку челнок намагничивается, быстрое движение в первую камеру при отпускании значения соленоида обеспечивает небольшой ток, который по сути является сигналом синхронизации для стреляющей пушки, который возвращается контроллеру пушки. Гидрофон ближнего поля , расположенный на известном измеренном расстоянии от порта пушки, также может использоваться для синхронизации первого сигнала разрыва в гидрофоне для точной проверки синхронизации пушки.
Техническое обслуживание пневматических пушек важно, поскольку пушки могут срабатывать с перебоями; худший сценарий — это автоматическая стрельба, когда пушка фактически срабатывает неоднократно без синхронизации из-за дефекта самой пушки, например, поврежденного электромагнитного клапана или протекающего уплотнительного кольца пушки. Одна автоматическая пушка может привести к тому, что общая сигнатура пузырьков массива будет искажена, и если ее не обнаружить, это может привести к повторному запуску многих сейсмических линий только для одной автоматической пушки, когда неисправность будет обнаружена во время первоначальной обработки данных.
Во время обычного обращения с установкой и подъемом пневматические пушки никогда не должны быть полностью накачаны до оптимального рабочего давления на палубе, и обычной практикой является спуск воздуха в пушках до 500 фунтов на квадратный дюйм, чтобы предотвратить попадание воды при установке и подъеме. Также плохой и опасной практикой является испытание огнестрельных орудий на палубе в воздухе под давлением. Также должна быть установлена система изоляции, чтобы предотвратить случайную стрельбу из пушек на палубе наблюдателями или штурманами по ошибке. Выбросы воздуха под высоким давлением на палубе могут привести к ампутации пальцев, а также к травме от инъекции под высоким давлением через кожу, что является почти неизлечимой и смертельной травмой в сейсмической среде. Артиллеристы должны носить необходимые средства индивидуальной защиты для защиты глаз и слуха и минимизации воздействия на открытые участки кожи.
Воздушные пистолеты изготавливаются из самых высоких сортов коррозионно-стойкой нержавеющей стали. Большие камеры (более 1 л или 70 куб. дюймов) обычно дают низкочастотные сигналы, а маленькие камеры (менее 1 л) дают высокочастотные сигналы.
Плазменный источник звука (PSS), иначе называемый источником звука искрового промежутка или просто искрогасителем , является средством создания очень низкочастотного гидроакустического импульса под водой. Для каждого выстрела электрический заряд хранится в большой высоковольтной батарее конденсаторов , а затем высвобождается в дуге через электроды в воде. Подводный искровой разряд создает плазму высокого давления и пузырь пара, который расширяется и схлопывается , производя громкий звук. [11] Большая часть производимого звука находится в диапазоне от 20 до 200 Гц, что полезно как для сейсмических , так и для гидроакустических применений.
Также есть планы использовать ПСС в качестве нелетального оружия против подводных дайверов [ необходима ссылка ] .
В 1953 году в качестве альтернативы динамиту была предложена технология сбрасывания груза ударником.
Грузовик с ударом (или сбросом веса) — это установленная на транспортном средстве система воздействия на грунт, которая может использоваться для обеспечения сейсмического источника. Тяжелый груз поднимается подъемником в задней части грузовика и падает, как правило, с высоты около трех метров, чтобы ударить (или «ударить») о землю. [12] Для усиления сигнала груз может быть сброшен более одного раза в одном и том же месте, сигнал также может быть усилен ударами в нескольких близлежащих местах в массиве, размеры которого могут быть выбраны для усиления сейсмического сигнала путем пространственной фильтрации.
Более продвинутые ударники используют технологию под названием « Ускоренное падение груза » (AWD), где газ высокого давления (мин. 7 МПа (1000 фунтов силы/дюйм 2 )) используется для ускорения тяжелого молота (5000 кг (11 000 фунтов)) для удара по опорной плите, соединенной с землей, с расстояния от 2 до 3 метров (от 6 футов 7 дюймов до 9 футов 10 дюймов). Несколько ударов накладываются друг на друга для улучшения соотношения сигнал/шум. AWD обеспечивает как большую энергию, так и больший контроль над источником, чем гравитационное падение груза, обеспечивая лучшее проникновение на глубину, контроль частотного содержания сигнала.
Удары могут быть менее разрушительными для окружающей среды, чем подрывы взрывчатых веществ в шпурах, [13] [ требуется ссылка ] хотя сильно ударенная сейсмическая линия с поперечными гребнями каждые несколько метров может создать долгосрочное нарушение почвы. Преимущество ударника (позже совместного с вибросейсом), особенно в политически нестабильных районах, заключается в том, что не требуется никаких взрывчатых веществ.
Источники ЭМИ, основанные на электродинамических и электромагнитных принципах.
Сейсмический вибратор распространяет энергетические сигналы в Землю в течение длительного периода времени в отличие от почти мгновенной энергии, предоставляемой импульсными источниками. Данные, записанные таким образом, должны быть коррелированы для преобразования расширенного сигнала источника в импульс. Исходный сигнал с использованием этого метода изначально генерировался сервоуправляемым гидравлическим вибратором или вибрационным блоком, установленным на мобильном базовом блоке, но были разработаны также электромеханические версии.
Метод разведки «Вибросейс» был разработан компанией Continental Oil Company (Conoco) в 1950-х годах и являлся торговой маркой до истечения срока действия патента компании .
Источники звука Boomer используются для сейсмических исследований на мелководье, в основном для инженерных изысканий. Boomer буксируются в плавучих санях позади исследовательского судна. Подобно плазменному источнику, источник звука Boomer хранит энергию в конденсаторах, но она разряжается через плоскую спиральную катушку вместо того, чтобы генерировать искру. Медная пластина, прилегающая к катушке, изгибается от катушки, когда конденсаторы разряжаются. Это изгибание передается в воду в виде сейсмического импульса. [14]
Первоначально накопительные конденсаторы размещались в стальном контейнере ( bang box ) на исследовательском судне. Высокое используемое напряжение, обычно 3000 В, требовало тяжелых кабелей и прочных защитных контейнеров. Недавно стали доступны низковольтные бумеры. [15] Они используют конденсаторы на буксируемых санях, что позволяет эффективно рекуперировать энергию, использовать низковольтные источники питания и более легкие кабели. Низковольтные системы, как правило, проще в развертывании и имеют меньше проблем с безопасностью.
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 обеспечивает оценку двунаправленного сейсмического импульсного отклика .
{{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )