Seismische Quelle - Seismic source

Dieser Artikel behandelt künstliche seismische Quellen. Für natürliche seismische Quellen siehe Erdbeben .
Eine seismische Quelle mit Luftgewehr (30 Liter)

Eine seismische Quelle ist ein Gerät, das kontrollierte seismische Energie erzeugt, die zur Durchführung von seismischen Reflexions- und Refraktionsmessungen verwendet wird . Eine seismische Quelle kann einfach sein, wie beispielsweise Dynamit , oder sie kann eine ausgefeiltere Technologie verwenden, wie beispielsweise eine spezielle Luftpistole. Seismische Quellen können einzelne Impulse oder kontinuierliche Energiedurchläufe liefern, die seismische Wellen erzeugen , die sich durch ein Medium wie Wasser oder Gesteinsschichten bewegen . Ein Teil der Wellen wird dann reflektiert und gebrochen und von Empfängern wie Geophonen oder Hydrophonen aufgezeichnet .

Seismische Quellen können verwendet werden, um oberflächennahe Untergrundstrukturen zu untersuchen , zur Charakterisierung von Ingenieurstandorten oder um tiefere Strukturen zu untersuchen, entweder bei der Suche nach Erdöl- und Mineralvorkommen oder zur Kartierung von unterirdischen Verwerfungen oder für andere wissenschaftliche Untersuchungen. Die von den Quellen zurückkommenden Signale werden von seismischen Sensoren ( Geophone oder Hydrophone ) an bekannten Orten relativ zur Position der Quelle erfasst . Die aufgezeichneten Signale werden dann einer fachmännischen Verarbeitung und Interpretation unterzogen, um verständliche Informationen über den Untergrund zu erhalten.

Quellmodell

Ein seismisches Quellsignal hat die folgenden Eigenschaften:

  1. Erzeugt ein Impulssignal
  2. Bandbegrenzt
  3. Die erzeugten Wellen sind zeitvariabel

Die verallgemeinerte Gleichung, die alle oben genannten Eigenschaften zeigt, lautet:

wobei die maximale Frequenzkomponente der erzeugten Wellenform ist.

Arten von Quellen

Hammer

Die grundlegendste seismische Quelle ist ein Vorschlaghammer , der entweder direkt auf den Boden schlägt oder häufiger eine Metallplatte auf den Boden schlägt, die als Hammer und Platte bekannt ist. Nützlich für seismische Refraktionsuntersuchungen bis zu etwa 20 m unter der Oberfläche.

Sprengstoffe

Explosives am häufigsten als seismische Quellen verwendet werden , wie Gelatine bekannt dynamites . Diese Dynamite werden in drei Unterkategorien eingeteilt, reine Gelatinen, in denen Nitroglycerin , auch bekannt als Glyceryltrinitrat mit der chemischen Formel C3H5(ONO2)3, die aktive Komponente ist, Ammoniakgelatine, in der Ammoniaknitrit mit der chemischen Formel NH₄NO₃ als aktive Komponente verwendet wird, und Semi Gelatinen, deren Zusammensetzung hauptsächlich aus Nitroglycerin besteht.

Bei der Detonation setzen Sprengstoffe sehr schnell große Mengen an expandierendem Gas frei, wodurch ein großer Druck in Form von seismischen Wellen auf die Umgebung ausgeübt wird.

Die Verwendung von Sprengstoffen als seismische Quellen ist aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Energieeffizienz seit Jahrzehnten in der Praxis. Solche Quellen werden am häufigsten an Land und in sumpfigen Umgebungen wegen der hohen Dicke der Sedimente verwendet. Typische Ladungsgrößen, die im Feld für Reflexionsuntersuchungen verwendet werden, betragen 0,25 kg bis 100 kg für Einzellochquellen, 0,25 kg bis 250 kg oder mehr für Mehrfachlochquellen und können 2500 kg oder mehr für Refraktionsuntersuchungen erreichen.

Obwohl Dynamit und andere Sprengstoffe aufgrund ihrer geringeren Kosten, des einfachen Transports in schwierigem Gelände und des Mangels an regelmäßiger Wartung im Vergleich zu anderen Quellen effiziente seismische Quellen sind, wird die Verwendung von Sprengstoffen in bestimmten Gebieten eingeschränkt, was zu einem Rückgang und einer zunehmenden Popularität von Alternativen führt seismische Quellen.

Zum Beispiel Hexanitrostilben war die Hauptsprengstofffüllung in dem thumper Mörtel Runde Kanister als Teil der verwendeten Aktiv Seismische Experimente Apollo Lunar . Im Allgemeinen werden die Sprengladungen zwischen 6 und 76 Metern (20 und 250 ft) unter der Erde in einem Loch platziert, das zu diesem Zweck mit spezieller Bohrausrüstung gebohrt wird. Diese Art des seismischen Bohrens wird oft als "Shot Hole Drilling" bezeichnet. Ein gängiges Bohrgerät für "Shot Hole Drilling" ist der ARDCO C-1000 Bohrer, der auf einem ARDCO K 4X4 Buggy montiert ist. Diese Bohrgeräte verwenden häufig Wasser oder Luft, um das Bohren zu unterstützen.

Luftgewehr

Litton LP-Luftgewehrstränge für die seismische Erfassung auf See
Seismologe mit 18-Liter-Luftgewehr-Array, der für den Transport an Bord des R/V Sikuliaq gesichert ist.

Ein Luftgewehr wird für marine Reflexions- und Refraktionsuntersuchungen verwendet. Es besteht aus einer oder mehreren pneumatischen Kammern, die mit Druckluft mit Drücken von 14 bis 21 MPa (2000 bis 3000 lbf/in 2 ) beaufschlagt werden . Luftgewehre werden unter die Wasseroberfläche getaucht und hinter einem seismischen Schiff geschleppt. Wenn eine Luftpistole abgefeuert wird, wird ein Solenoid ausgelöst, das Hochdruckluft von einer Kammer zur Rückseite eines Shuttles freisetzt, das normalerweise zwischen den beiden gleich unter Druck stehenden Kammern im Gleichgewicht gehalten wird. Das sofortige Absenken des Luftdrucks in der ersten Kammer ermöglicht es dem Shuttle, sich schnell in die erste Kammer zu bewegen, wobei ein Hochdruck-Luftreservoir, das sich hinter dem Shuttle in der zweiten Kammer befindet, durch Öffnungen direkt ins Meer freigesetzt wird, wodurch ein akustischer Energieimpuls erzeugt wird. Luftgewehr-Arrays können aus bis zu 48 einzelnen Luftgewehren mit unterschiedlich großen Kammern bestehen oder bestimmte Luftgewehr-Volumen können zu einem Cluster zusammengefasst werden. Das Abfeuern des gesamten Arrays wird durch die Pistolensteuerung gesteuert und erfolgt normalerweise innerhalb einer Toleranz von ± 1 oder 2 Millisekunden, wobei das Ziel darin besteht, die optimale anfängliche Stoßwelle gefolgt von einem minimalen Nachhall der Luftblase(n) zu erzeugen. Da das Shuttle magnetisiert ist, liefert die schnelle Bewegung in die erste Kammer beim Loslassen des Magnetventils einen kleinen Strom, der tatsächlich ein Zeitsignal für die feuernde Pistole ist, das an die Pistolensteuerung zurückgegeben wird. Ein Nahfeld- Hydrophon, das sich in einem bekannten gemessenen Abstand von der Kanonenöffnung befindet, kann auch verwendet werden, um das erste Unterbrechungssignal in das Hydrophon zu takten, um eine genaue Kanonen-Timing-Überprüfung zu ermöglichen.

Die Wartung von Luftgewehren ist wichtig, da Waffen fehlzünden können. das schlimmste Szenario ist ein automatischer Schuss, bei dem die Pistole aufgrund eines Defekts in der Pistole selbst, wie z. Eine einzelne selbstfeuernde Pistole kann dazu führen, dass die Blasensignatur des gesamten Arrays beschädigt wird, und wenn sie nicht erkannt wird, kann dies dazu führen, dass viele seismische Linien nur für eine selbstfeuernde Pistole neu geschossen werden, wenn der Fehler während der anfänglichen Datenverarbeitung gefunden wird.

Während der normalen Handhabung für den Einsatz und die Bergung dürfen Luftgewehre niemals vollständig auf ihren optimalen Arbeitsdruck an Deck gebracht werden und es ist üblich, Geschütze auf 500 psi zu drücken, um das Eindringen von Wasser bei der Entfaltung und Bergung zu verhindern. Es ist auch eine schlechte und gefährliche Praxis, Feuergeschütze an Deck in der Luft unter Druck zu testen. Es muss auch ein Isolationssystem vorhanden sein, um das versehentliche Abfeuern von Geschützen an Deck durch Beobachter oder Navigatoren aus Versehen zu verhindern. Hochdruckluftaustritte an Deck können Finger amputieren und auch zu einer Hochdruckinjektionsverletzung durch die Haut führen, eine fast unheilbare und tödliche Verletzung in einer seismischen Umgebung. Schützen sollten die erforderliche persönliche Schutzausrüstung tragen , um ihre Augen und ihr Gehör zu schützen und die Exposition unbedeckter Haut zu minimieren.

Druckluftpistolen werden aus korrosionsbeständigem Edelstahl höchster Qualität hergestellt. Große Kammern (dh größer als 1 l oder 70 cuin) neigen dazu, niederfrequente Signale zu erzeugen, und die kleinen Kammern (weniger als 1 l) geben höherfrequente Signale.

Plasma-Tonquelle

Plasma-Schallquelle, die in einem kleinen Schwimmbad gezündet wird

Eine Plasma-Schallquelle (PSS), auch Funkenstrecken-Schallquelle oder einfach ein Sparker genannt , ist ein Mittel, um unter Wasser einen sehr niederfrequenten Sonarimpuls zu erzeugen . Für jedes Brennen wird elektrische Ladung in einer großen Hochspannungs Bank gespeicherter Kondensatoren , und dann in einem Bogen über Elektroden in dem Wasser freigesetzt. Die Unterwasserfunkenentladung erzeugt ein Hochdruckplasma und eine Dampfblase, die sich ausdehnt und kollabiert und ein lautes Geräusch macht. Die meisten der Klang erzeugt wird zwischen 20 und 200 Hz, nützlich für die beiden seismischen und Sonaranwendungen.

Es ist auch geplant, PSS als nicht-tödliche Waffe gegen untergetauchte Taucher einzusetzen .

Klopfer-LKW

Klopfer-Trucks, Noble Energy , Nord-Nevada 2012.

1953 wurde als Alternative zu Dynamitquellen die Weight-Drop-Thumper-Technik eingeführt.

Vibroseis
Vibroseis 2
Seismischer Vibrator während des Betriebs

Ein Schlagwagen (oder Gewichtsabfall) ist ein fahrzeugmontiertes Bodenaufprallsystem, das verwendet werden kann, um eine seismische Quelle bereitzustellen. Ein schweres Gewicht wird durch eine Hebevorrichtung an der Rückseite des Lastwagens angehoben und im Allgemeinen etwa drei Meter fallen gelassen, um auf den Boden aufzuprallen (oder zu "schlagen"). Um das Signal zu verstärken, kann das Gewicht mehr als einmal an derselben Stelle fallengelassen werden, das Signal kann auch durch Klopfen an mehreren nahegelegenen Stellen in einem Array erhöht werden, dessen Abmessungen so gewählt werden können, dass das seismische Signal durch räumliche Filterung verbessert wird.

Fortgeschrittenere Schläger verwenden eine Technologie namens " Accelerated Weight Drop " (AWD), bei der ein Hochdruckgas (min. 7 MPa (1000 lbf/in 2 )) verwendet wird, um einen schweren Hammer (5.000 kg (11.000 lb)) auf Schlagen Sie aus einer Entfernung von 2 bis 3 Metern auf eine Bodenplatte, die mit dem Boden verbunden ist. Mehrere Schläge werden gestapelt, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. AWD ermöglicht sowohl mehr Energie als auch eine bessere Kontrolle der Quelle als ein Gewichtsverlust durch die Schwerkraft, was eine bessere Tiefendurchdringung und Kontrolle des Signalfrequenzinhalts bietet.

Schlagen kann die Umwelt weniger schädigen als das Abfeuern von Sprengstoff in Schusslöchern, obwohl eine stark geschlagene seismische Linie mit Querrippen alle paar Meter zu einer dauerhaften Störung des Bodens führen kann. Ein Vorteil des Klopfers (später geteilt mit Vibroseis), insbesondere in politisch instabilen Gegenden, ist, dass kein Sprengstoff benötigt wird.

Elektromagnetische Impulsenergiequelle (nicht explosiv)

EMP-Quellen basierend auf den elektrodynamischen und elektromagnetischen Prinzipien.

Seismischer Vibrator

Ein seismischer Vibrator propagiert Energiesignale über einen längeren Zeitraum in die Erde, im Gegensatz zu der nahezu augenblicklichen Energie, die von Impulsquellen bereitgestellt wird. Die so aufgezeichneten Daten müssen korreliert werden , um das erweiterte Quellsignal in einen Impuls umzuwandeln. Das Quellsignal bei dieser Methode wurde ursprünglich von einer servogesteuerten hydraulischen Vibrator- oder Rütteleinheit erzeugt, die auf einer mobilen Basiseinheit montiert ist, aber auch elektromechanische Versionen wurden entwickelt.

Die Explorationstechnik "Vibroseis" wurde in den 1950er Jahren von der Continental Oil Company (Conoco) entwickelt und war bis zum Erlöschen des Patents des Unternehmens ein Markenzeichen .

Boomer-Quellen

Boomer-Schallquellen werden für seismische Vermessungen in Flachwasser verwendet, hauptsächlich für technische Vermessungsanwendungen. Boomer werden in einem schwimmenden Schlitten hinter einem Vermessungsschiff geschleppt. Ähnlich wie bei der Plasmaquelle speichert eine Boomer-Quelle Energie in Kondensatoren, entlädt sich jedoch durch eine flache Spiralspule, anstatt einen Funken zu erzeugen. Eine der Spule benachbarte Kupferplatte biegt sich von der Spule weg, wenn die Kondensatoren entladen werden. Diese Biegung wird als seismischer Impuls ins Wasser übertragen.

Ursprünglich waren die Speicherkondensatoren in einem Stahlbehälter (der Knallbox ) auf dem Vermessungsschiff untergebracht. Die verwendeten Hochspannungen, typischerweise 3.000 V, erforderten schwere Kabel und starke Sicherheitsbehälter. In letzter Zeit sind Niederspannungsboomer verfügbar geworden. Diese verwenden Kondensatoren auf dem gezogenen Schlitten, die eine effiziente Energierückgewinnung, Stromversorgungen mit niedrigerer Spannung und leichtere Kabel ermöglichen. Die Niederspannungssysteme sind im Allgemeinen einfacher einzusetzen und weisen weniger Sicherheitsbedenken auf.

Geräuschquellen

Korrelationsbasierte Verarbeitungstechniken ermöglichen es Seismologen auch, das Innere der Erde in mehreren Maßstäben unter Verwendung von natürlichem (zB ozeanischem Mikroseismus) oder künstlichem (zB urbanem) Hintergrundrauschen als seismische Quelle abzubilden. Beispielsweise liefert unter idealen Bedingungen einer gleichförmigen seismischen Beleuchtung die Korrelation der Rauschsignale zwischen zwei Seismographen eine Schätzung der bidirektionalen seismischen Impulsantwort .

Siehe auch

Verweise

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Literaturverzeichnis

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  • Modellierung und Inversion seismischer Wellenausbreitung, Phil Bording [1]
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Externe Links