Источники возбуждения сейсмических волн.
Невзрывные механические источники, основанные на ударе падающего груза, применялись при сейсмической разведке малых глубин. Отсутствие накопительной аппаратуры приводило к производству мощных разовых воздействий, в результате чего применялись достаточно тяжелые грузы-бойки в несколько тонн, при ударе которых о грунт возбуждались низкочастотные сейсмические колебания, не обеспечивающие разрешенности записи, необходимой для малоглубинной сейсморазведки. Применение легких бойков, например кувалды, позволяло получить достаточно разрешенную запись, но при этом глубинность изучения ограничивалась 20-50м.
Применение накопления сигналов от некоторого числа ударных воздействий легкими бойками позволило увеличить глубинность исследования. Условие идентичности повторных ударов было достигнуто использованием прочной подложки, устанавливаемой на грунт и исключающей необратимые деформации грунта в процессе повторения ударов.
Развитие сейсморазведки малых глубин связано с портативными малоканальными сейсмостанциями. Это должно привести к необходимости применения и портативных источников сейсмических волн.
Отечественная сейсмостанция Талгар-3 снабжена кувалдой, на которую наварена пластина, предназначенная заменить подложку. Сучка для увеличения силы удара удлинена в 3 раза по сравнению с привычной кувалдой. Фирмой Гиско (США) подложка изготовлена заодно с ломом. Обе конструкции неудобны в работе. Нами в качестве ручного источника применялся лом, подвешенный к легкому копру с помощью эластичного амортизатора, компенсирующего массу лома. Удары производились но подложке, свободно лежащей на грунте. Нанесение ударов по сравнению с неподвешенным ломом или кувалдой существенно (в 3—4 раза) облегчается. Тем не менее ручные источники не могут решить проблемы обеспечения сейсморазведки малых глубин.
Если взять вообще невзрывные источники, допускающие возможность синхронного накопления сигналов, то они, как правило, имеют большую массу (10-20 т) и применение их для малых глубин не рентабельно.
Имеются сведения об источниках пороховых, стреляющих и т.п. Нам представляется, что подобные источники бесперспективны для широкого внедрения, поскольку обладают всеми недостатками, свойственными взрывным (специальное обучение персонала, повышенная опасность, высокая стоимость).
Заслуживают упоминания импульсный источник Дино-Сорс и виброимпульсный Мини-Соси (Франция). Первый из них представляет собой груз — поршень, который перемещается в цилиндре трубе, выполняющей роль направляющей. Приводом является бензоагрегат с воздушным насосом, который создает недостаток и избыток давления но разные стороны поршня, вызывая его подъем или опускание. В верхней части трубы имеется защелка, которой фиксируется поршень в верхнем положении. После этого создается максимальный перепад давлений, защелка отпускается и поршень-боек стремится вниз, нанося удар по подложке. Управление ручное. Время между воздействиями 20 с. Это практически исключает возможность применения такою источника для накопления — число воздействий, которое можно допустить при такой производительности работ, составляет 10—15.
Виброимпульсный источник Мини-Соси представляет собой механическую трамбовку с числом воздействий на грунт 10 в 1 с с ручной регулировкой частоты воздействий от ручки газа бензопривода. Источник выполнен в неразборном переносном варианте, но при этом масса его составляет 80 кг, что не отвечает принятым у нас нормам по ручной переноске грузов (30 кг). При работе источника предусматривается постоянный контакт с исполнителем работ.
Также есть импульсный источник на принципе электромолота. Он содержит магнитный сердечник-боек, помещенный в направляющую трубу, снабженную двумя электромагнитами, поочередное включение которых обеспечивает подъем сердечника-бойка и его опускание с ударом по подложке. Привод осуществляется от двигателя автомобиля УАЗ-469, на котором он установлен. Общая масса ударной части, электрогенератора и устройств управления составляет 500 кг. Энергия ударного воздействия 500 Дж, масса бойка 40 кг.
Начиная с 1980 г. производственными организациями и Казахским филиалом ВИРГ изготовлено несколько моделей импульсных источников типа падающего груза и одна модель пружинного.
Теория ударных источников сейсмических волн.
Вопросы, связанные с возбуждением сейсмических волн, относятся к числу кардинальных в малоглубинной сейсморазведке. Исчерпывающая общая теория ударного воздействия отсутствует, хотя и существует несколько теорий удара. Рассмотрим две из них, основные – классическую и волновую.
Классическая теория исходит из выполнения в системе соударяющихся тел фундаментальных положений классической механики. Это возможно, когда система соударяющихся тел является либо изолированной от внешних сил, либо время ударного взаимодействия настолько мало, что действием внешних сил за такой отрезок времени можно пренебречь. Это допущение приводит к тому, что из рассмотрения выпадает время, остаются только массы соударяющихся тел сосредоточенными в точках, что выполняется только при небольших размерах соударяющихся тел.
С точки зрения сейсморазведки, классическая теория в ее существующем виде может быть полезна только при оценке амплитуды воздействия и ничего не дает при оценке частоты возбуждаемых сейсмических колебаний. По существу, из классической теории удара непосредственно не следует существования ударной волны – все точки тела после соударения должны иметь одинаковую скорость движения.
Волновая теория удара исходит из конечности скорости распространения механического взаимодействия в материальной среде и оперирует такими понятиями, как время, длина волны и путь, который волна совершает.
Волновая теория удара решает вопрос о частоте возбуждаемых колебаний, поскольку последнюю можно связать с длительностью ударного импульса. Однако этому препятствует два обстоятельства. Длительность ударного импульса определяется временем пробега ударной волны от ударяющего конца стержня к противоположному его концу и обратно не связана со свойствами грунта, по которому производится удар. Между тем практика показывает, что зависимость возбуждаемых частот от свойств грунта существует. С другой стороны, применяемые ударники имеют собственную частоту, существенно превышающую частоты сейсмического диапазона, и должны рассматриваться с классических позиций, исключающих оценку частоты возбуждаемых колебаний.
Ударные источники сейсмических волн.
В основе ударных устройств лежит хорошо известная схема, состоящая из двух тел и силового элемента, сопряженного с ними и разгоняющего эти тела одно относительно другого. После разгона одно из тел — боек наносит механический удар в одну из точек изучаемой среды, вследствие чего в последней возбуждаются сейсмические волны, являющиеся объектом измерения.
Несколько обособленное место в общей схеме занимают источники падающего груза. Это объясняется практически бесконечно большой массой основания по сравнению с массой бойка и постоянством силы взаимодействия последнего при его свободном падении.
Источники падающего груза состоят из привода-подъемника с устройством зацепа и сброса, падающего груза-бойка, направляющей шахты, устанавливаемой на платформе, средства передвижения и подложки, устанавливаемой на грунте. Работа такого источника заключается в следующем. Посредством привода-подъемника груз-боек поднимается на некоторую заданную высоту, при достижении которой груз освобождается и свободно падает в направляющей шахте на подложку, после чего процесс повторяется. Удары падающего груза о подложку приводят к возбуждению сейсмических колебаний в изучаемой среде.
Источники падающего груза с точки зрения применения их для накопления сигнала обладают недостатками. К ним следует отнести многоэтапность процесса (зацеп - подъем — сброс), который должен обеспечиваться механизмами различного назначения, что усложняет конструкцию, неравномерность нагрузки привода и т.п. Эти недостатки не имеют принципиального значения и зависят в основном от технического решения, которое может быть удачным и все их устранит. К принципиальным относится невозможность достижения оптимальных параметров удара. Так, прочностные характеристики материала бойков и подложек допускают предварительные ударные скорости 10—20 м/с. Для такого разгона необходимо свободное падение без учета трения с высоты 5 — 20 м. Таким образом, вышка для сбрасывания груза, весьма солидная по своим габаритам и массе, снабженная механизмами для перевода ее в рабочее и транспортное положения, является необходимым атрибутом такого источника. Если добавить к этому, что масса бойка для получения хорошо разрешенного, а значит сравнительно высокочастотного, сейсмического поля должна быть небольшой, то становится ясным, что источники падающего груза имеют ограниченные перспективы применения в сейсморазведке малых глубин.
В источниках по общей схеме масса основания ограничена и входит в общую массу источника.
В качестве силового элемента принята сжатая пружина, например цилиндрическая, хотя устройство разгона может быть и другим. Общими характеристиками устройств разгона, которые учитываются в дальнейшем, служат энергия, освобождаемая в процессе разгона, и массы, участвующие в разгоне (но не участвующие в ударе). Массы разгонных устройств могут быть небольшими и не учитываться, если боек разгоняется сжатым воздухом, либо учитываться обязательно, если боек разгоняется сжатым воздухом посредством поршня, масса которого сравнима с массой бойка. В приведенном примере масса поршня в разгоне участвует полностью. Возможны случаи, когда приходится находить эффективную массу. Примером может служить пружина, так как при разгоне бойка скорости различных ее участков различны. Понятие эффективной массы разгонного устройства можно, очевидно, применить и там, где массы фактически отсутствуют, например, когда разгон осуществляется магнитным полем. В этом случае, мерой эффективной массы разгонного устройства могут служить энергетические потери в нем.