DE1473952A1 - Verfahren und Vorrichtung zur seismischen Bodenuntersuchung - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zur seismischen Bodenuntersuchung

Brfindung besieht sich allgemein auf das seismische Prospektieren, insbesondere auf das seismische Prospektieren mit einer Mehrzahl seismischer Schwingungsgeber mit gegenseitigen Verzögerungen sum Aussenden eines gerichteten Strahls seismischer Energie in einer Mehrzahl unterschiedlicher Frequenzen; Speziell betrifft die Erfindung das seismische Prospektleren unter Anwendung einer Mehrzahl von Frequenzen, wobei die Energie impulsartig oder In kurzen Wellenzügen der Jeweiligen Frequenz ausgesandt wird und wobei die aufgenommenen Signale unterschiedlicher Frequenz zu einer zeitlich überlagerten Aufzeichnung kombiniert werden.

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Das seismische Prospektieren schließt das Bestimmen der

gegenseitigen Anordnungen von Strukturen im Boden sein. Beim seismischen Prospektieren werden zurückgeworfene oder ge- , brochene Schallwellen benutzt, um die Lage von Schlchtgrensen zwischen den verschiedenen Bodenschichten su ermitteln. Beim üblichen seismischen Prospektieren wird eine Ladung Dynamit in der Nähe der Erdoberfläche gezündet, und es wird die Zeit

gemessen, in der die entstandene seismische Welle eine bestimm·* te unterirdische Schicht erreicht und nach der Reflektion an d#r Schichtgrenze bei einem Empfänger an der Erdoberfläche eintrifft. Der Empfänger wird allgemein als Geophon bezeichnet. Wenn man die Schallgeschwindigkeit im Boden kennt oder berechnet, kann man aus der gemessenen Laufselt dl· Tiefe berechnen, an der dl· Well· reflektiert wurde und daraus dl· Tiefenlage der reflektierenden Schicht. Im allgemeinen gibt es sahireiche reflektierende Schichten, und daher zeichnet das Geophon «ine Ansah! reflektierter Wellen auf. Dl· Tiefe einer Anzahl Schichten kann dadurch au· einem einsigen Schuft bestimmt werden..

Dynamitladungen werden zwar in großem Umfang mit Erfolg be- | nutzt, jedoch sind eine Reihe Nachteile damit verbunden. Einerseits wird der Boden an der Schußstelle zerstört, ein Schuß kann also nicht wiederholt werden. Die Schallwellen 'gehen von dem Schuß nach allen Seiten fort, es wird also Energie in nicht benötigte Richtungen geschickt. Außerdem können Wellen, die in mehr als einer Richtung auegesandt sind, zu ein und demselben Geophon reflektiert werden und können dort

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sogar gleichzeitig eintreffen, so daß es schwierig wird, Richtung und Tiefe der reflektierenden Schicht zu bestimmen. • Schließlich 1st die Schärfe der nachgewiesenen Wellen begrenzt wegen der natürlichen Frequenzen, die durch den Schuß erzeugt werden.

Auch durch Fallenlassen von schweren Massen können seismische .'.'eilen erzeugt werden. Dieses Verfahren weist aber die meisten Nachteile auf, die auch mit Schußwellenerzeugern verbunden sind, denn die Schallwellen gehen nach allen Richtungen aus, der Boden wird zerstört, und es werden Frequenzen erzeugt,die durch ei·:-- Eigenfrequenzen des 3odens begrenzt sind.

Eine weitere Schallquelle wird durch eine kreisförmige.Platte gcLildet, die durch das Gewicht eines Lastwagens, unter dem die Platte angebracht werden kann, in erzwungenen Kontakt mit der Bodenoberfläche gebracht wird. Die Platte wird dann mit kontiunierllch veränderter Frequenz zu Schwingungen erregt· Liit dieser Schallquelle wird der Boden nicht beschädigt. ,

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Anzahl seismischer Schwingungsgeber benutzt, die denen entsprechen, die in der noch laufenden Anmeldung von Park H. Miller jr. vom 25.6.1962 (Serial No. 2o4 739 - Verfahren und Gerät zum geophysikalischen Prospektleren) beschrieben sind oder denen aus der gleichzeitig eingereichten Anmeldung von Park H. Miller jr., Dv/ight C. Pound und Herschel R. Snodgrass (Seismischer Schwingungsgeber) . In der vorliegenden Srflnduns wird eine Mehrzahl derartiger Schwingungsgeber In einer bestimmten geometrischen

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Anordnung, vorzugsweise längs einer Geraden mit untereinander gleichen Abständen, angewandt; vorzugsweise werden die Geber so synchroriisiert, daß sie mit einer bestimmten gegenseitigen Phasenverschiebung einen gerichteten Schallwellenstrahl unter eir.er bestimmten von mehreren Frequenzen aussenden.

Jeder Geber besteht vorzugsweise aus einer starken ringförmigen Platte, die mit Hilfe einer Klammer unterhalb der Platte in Kontakt mit der Bodenoberfläche gehalten wird. Die Klammer ist über ein Zugglied mit der Platte verbunden. Der Zug in cem Verbindungsglied wird sinusförmig variiert und übt dadurch eine sinusförmig sich ändernde Kraft auf die Bodenoberfläche eus. Diese Kraft bewegt die Bodenoberfläche und erzeugt Druckwellen, das heißt seismische Wellen, die in den Boden abgestrahlt werden.

In der vorliegenden Anlage werden die verschiedenen Geber vor-

zugsweise unter der Wirkung eines Regelsystems angetrieben, das den verschiedenen Gebern eine Kette von Impulsen suführt, wobei jede Impulsfolge den jeweiligen Gebern zu verschiedenen Zelten zugeführt wird. Die verschiedenen Geber erzeugen daher im wesentlichen gleiche Wellensüge seismischer Schwingungen mit gegenseitiger Phasenverschiebung. Dadurch entstellt ein Gesamtbild seismischer Wellen mit Richtwirkung.

Sie Geber leiten die seismischen Wellen en jeweils eine« von mehreren» voneinander entfernten Punkten in den Boden. Die Wellen werden an verschiedenen Schichten reflektiert und an •einer Empfangsstation aufgenommen. Die Reflxionen der Wellen

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von allen Gebern werden zur gleichen Zelt aufgenommen und erzeugen ein Signal, das eine Kombination aller reflektierten wellen darstellt. Um eine bestimmte Schicht hervorzuheben, werden die kombinierten 7/ellen für eine bestimmte Reffecion auf ein Maximum eingestellt, indem die Phasenlage der von bestimmten Gebern ausgesandten Wellen verändert wird. Die Phasenlage für diese Einstellung auf das Maximum kann dann als Anzeige für die Richtung der kombinierten Schallwellen gemessen werden- und daraus die scheinbare Neigung der ausgewählten Schicht. Die Richtwirkung erfüllt damit zwei Funktionen: Hervorheben einer ausgewählten Schicht und Hessen ihrer relativen Neigung. Jede Funktion hat eine besondere Bedeutung.

• *

Auch die Detektoren oder Empfänger könntn in bestimmten Phasenbeziehungen au·inander stehen und damit eine Riehtcharakteristik aufweisen. Erfindungsgemäö wird eine Ansah! Geophone benutst, die vorzugsweise in geradliniger, gleichabständiger Folge ans·- , ordnet sind« und die Signale von dta Jeweiligen Geophonen erhalten durch geeignete Mittel gegenseitige Phaaenversögerung, so daß die aufgenommenen Signale praktisch kolnsidieren. Die für eine derartige Koinzidenz erforderliche Verzögerung gibt die Richtung des reflektierten Signals an·

Die Richtung des ausgesandten Strahls, die Richtung des reflektierten Signals und die Zeitspanne swiscben AusSendung und Empfang der Wellen werden von der mittleren Schallgeschwindigkeit und Tiefe und Neigung der reflektierenden Schicht bestlnsrt und daher können diese Werte, wenn die Entfernung »wischen

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der Geber- und der Empfängeranordnung bekannt ist, angegeben werden. Aus der gemessenen gegenseitigen Phasendifferenz zwischen Geiern für auf Maximalwert eingestellte, kombinierte aufgenommene Schwingungen, deren unterschiedlicher Ankunftszeit an ihren Empfängern und der Laufzeit der Hellen lassen sich die Schallgeschwindigkeit und die Neigung und Tiefenlage einer bestimmten Schicht genau bestimmen.

Ein wesentliche? Merkmal der Erfindung sind die Maßnahmen für die. zeitliche Zusammenfassung der aufgenommenen Signale. Das wird erreicht, indem die Geber nacheinander* mit einer Anzahl bestimmter Frequenzen betrieben werden, wobei die Länge der V/ellenzüge der jeweiligen Fr.eQ.ue.nEen la wesentlichen gleich 1st. Sie aufgenommenen Wellenzuge für die aufeinanderfolgenden Frequenzen werden dann summiert und bilden ein resultIe- '·. rendes Signal, das in einem kurzen Zeitraum die In allen WeI- ( 1enzügen, die über eine längere Zeitspanne auegesandt worden waren,, enthaltenen Informationen zusammenfaßt. Ia einzelnen liefert durch die Anwendung passender Schmalbandfilter, durch die tfahl bestimmter bevorzugter Frequenzen und Wellenzuglän-

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gen und durch passendes Einstellen des Regelsystems die resultierende Lies sung eine starke Spitze oder ein "Zeichen" fur jede reflektierende Schicht, das verhältnismäßig wenig durch Bodengeräusche oder durch Reflexionen von außerhalb dee Strahle liegenden Schichten gestört ist. Dadurch können tiefe reflek- . · tierende Schichten aus dem umgebenden Geräuschniveau heran·- j gehoben werden.

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Die Erfindung liefert somit ein System zum seismischen Prospektieren, bei dem die Geber seismische Energie bestimmten reflektierenden Schichten zuleiten können. Ferner wird eine Lethode des seismischen Prospektierens angegeben, nach welcher die .Ve 11 en durch die gegenseitige Phasenlage einer Mehrzahl von Gebern geleitet werden. Die gegenseitigen Phasenbeziehun- £en dor Geber werden außerdem verändert, um den von einer bec:leiten reflektierenden Schicht herkommenden und an der Empfangsstation aufgenommenen V/ellen einen Maximalwert zu geben. S:'nlie31ich werden die relative Phasenlage der Geber, die für das Erreichen des Laximalwerts erforderlich ist, der Zeitunterschied des Eintreffens des Maximalwertsignals an zwei Empfangsstationen und die Laufzeit der Wellen zwischen den Gebern und den Empfangsstationen gemessen, um eine Angabe über die Wellengeschwindigkeit und Neigung und Tiefe der bestimmten Schicht zu erhalten.

Die Erfindung stellt ferner ein System dar, mit dem das eintreffende seismische Signal durch Mehrfachfrequenztechnik zusammengefaßt werden kann. In dem System können außerdem di^e von tiefen reflektierenden Schichten herrührenden aufgefangenen Signale aus dem umgebenden Geräuschpegel herausgehoben werden. Die Messungen sind reproduzierbar, es sind Mehrfachschüsse möglich, und die Aufzeichnungen haben hohe Wiedergabetreue. Die bei dem erfindungsgemäßen System benuteten Frequenzen können so eingestellt werden, daß Bodengeräusche unterdrückt werden, daß Interferenzeffekte beobachtet werden und daß die Durchlässigkeit und das Reflexionsvermögen der xu bestimmenden Schichten überwacht werden können.

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Weitere Merkmale und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen, die folgend»» darstellen:

Fig.1 zeigt vereinfacht, teils im Schnitt, teils schematisch, eine bevorzugte Anordnung seismischer Geber und Empfänger in einer Ausführungsform der Erfindung und die Wege der seismischen Wellen für ein auf den Maximalwert gebrachtes Signal der aufgenommenen reflektierten Wellen;

Fig.2 zeigt einen Teil der Fig.1 vergrößert, darin aufeinanderfolgende Geber und die Verzögerung seismischer Wellen für Maximalwertsignale aufgenommener reflektierter Y/ellen;

Fig. 3 zeigt die Anordnung von Gebern und Empfängern gemäß Fig.1 und den Lauf von Wellen von einem bestimmten Geber und ihre Reflektion zu aufeinanderfolgenden Empfängern;

Fig.4 stellt einen Teil von Fig·3 vergrößert dar, und zwar aufeinanderfolgende Empfänger und die zeitliche Verzöge rung von Wellen,die bei aufeinanderfolgenden Empfängern eintreffen;

Fig.5 1st eine schematische Darstellung der Erfindüngegeometrie;

Fig.6 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine zweidimensional e Anordnung von Gebern und deren Lage su den Empfängern;

Fig.7 ist eine Ansicht vom Ende der Fig.6 her In Richtung 7-7;

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Fig.8 ist eine schematische Wiedergabe der Geometrie der erfindungsgemäßen Anordnung gemeäß Fig.6 und FIg.7;

Fig.9 gibt schematisch das für die Signalüberlagerung verwendete Aufzeichnungssyetem wieder;

Flg.1ο zeigt ein Schema für ein in dem System naoh Fig.9 verwendbares Filter;

Fig.11 stellt ein Schemasehaltbild des Filtere naoh FIg*1ο dar;

Fig·12 ist ein Schaltsohema für eine weitere Filterausgestaltung (zur Verwendung in dem System naoh Fig..9);

Fig.13 stellt gemäß der Erfindung erzeugte Schwingungen dar und

Fig.14 zeigt Summensignale, die durch einen einzelnen Reflektor bei unterschiedlicher Frequenzauswahl erzeugt werden.

Flg.1 zeigt allgemein die geometrische Anordnung von seismischen Gebern und Empfängern, wie sie in der vorliegenden Erfindung angewandt wird. In der in Flg.1 dargestellten'bevorzugten Ausgestaltung sind eine Anzahl seismischer Geber Io in gleichen gegenseitigen Abständen längs einer etwa geradlinigen Strecke 11 angeordnet, und in der gleichen Richtung 11 sind eine Anzahl seismischer Empfänger oder Aufnehmer 12, ebenfalls mit gleichem gegenseitigen Abstand ausgelegt. Die Strekke 11 verläuft, allgemein gesagt, in der Bodenoberfläche·

Wie oben gesagtj kann jeder seismische Geber 1o die Ausgestaltung erhalten, wie sie in der schwebenden Anmeldung von Miller (Serial No. 2o4 739) oder in der gleichzeitigen Anmeldung von

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Hillor, Found und Snodgrass beschrieben und gezeichnet ist. Jeder Empfänger 12 kann ein oder mehrere übliche Geophone umfassen, die aufgenommene Schallwellen in entsprechende elektrische Anzeigesignale umwandeln, die weiterverarbeitet und in einem Aufzeichnungssystem 13 registriert werden.

Der in den beiden laufenden Patentanmeldungen beschriebene Geber weist eine gegan die Erdoberfläche gedruckte ringförmige Platte auf, die mechanisch mit festgelegten Frequenzen bewegt wird.Genauer gesagt, die Platte ist; über ein Zugglied mit eir.er gut in der Erde festgelegten Klammer verbunden. Der Zug in diesem Zugglied wird periodisch verändert und auf diese Weise in dem Boden unter der Platte eine quasi sinusförmig veränderliche Kraftwirlcung hervorgerufen. Die Kraft preßt den Boden praktisch sinusförmig wechselnd zusammen und erzeugt eine von der Platte aus in den Boden abwärts laufende Druckwelle. In einer gegebenen Verankerungsbohrung können diese Geber über eine lange Zeit hinweg ohne merkbare Änderung der abgegebenen Druckwelle und ohne Änderung des Aufbaus des Bodens in der Umgebung des Gebers arbeiten. Die Geber werden im'allgemeinen in schnell gebohrten Verankerungsbohrungen von etwa 15 cm (6 inches) Durchmesser und etwa 3 m (1o feet) Tiefe angeordnet. Sie können leicht herausgenommen und an einen anderen Ort versetzt werden.

Bei der vorliegenden Anordnung werden die Geber in Übereinstimmung mit einer bestimmten gegenseitigen Erregung oder Phasenlage betrieben, damit die Kombination der von allen Gebern

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erzeugten Wellen eine Strahlkonzentratlon und -richtcharakteristik herv-orruft. Die Geber 1o werden von einer Haupt-Steueranlage 14 gesteuert, die vorzugsweise ausgeführt ist wie diejenige nach der gleichzeitig eingereichten Anmeldung von Dwight C. Found (Steuereinrichtung für seismische Geber). Wie in der Anmeldung von Pound ausgeführt, werden die Geber mit einer Anzahl Frequenzen betrieben. Die Geber werden in einem Zeltpunkt mit der gleichen Frequenz erregt, aber ihre Phasenlage kann unterschiedlich sein, festgelegt durch das Hauptsteuersystem 14. Vorzugsweise werden die Geber von Wellenzügen definierter, begrenzter Länge angeregt, wobei die anregenden Wellenzüge für alle Geber gleich lang sind. Jeder Geber liefert daher eine Druckwelle, die mit der Druckwelle jedes anderen Gebers genau übereinstimmt, jedoch unterschiedliehe Phasenlage oder Einsatzzeit aufweist. Nach der Erfindung setzt die Hauptsteueranlage die gegenseitige Phaeenbeziehung oder Verzögerung zwischen den von den jeweiligen Gebern abgestrahlten Druckwellen fest, die die von einem Empfänger 12 aufgenommenen zugeordneten reflektierten Wellen zur gegenseitigen Verstärkung veranlaßt.

Bei der Reflexionsseismik werden die Druckwellen der seismischen Geber 1o nach unten abgestrahlt und an den verschiedenen Bodenschichten reflektiert. Wie In Fig.1 dargestellt, können die Wellen von der Oberseite 16 der Schicht 18 reflektiert werden. Diese Schicht kann zwischen der darüberliegenden Schicht 2o und einer darunter liegenden Schicht 22 liegen und

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an einer anstoßenden Schicht 24 enden. BIe Reflection wird durch einä Änderung des Brechungsindex zwischen der Schicht und der Schicht 18 hervorgerufen.

Wie aus Fig.1 hervorgeht, hängt die Länge des Weges von dem Geber 1o zur reflektierenden Schichtgrenzt 16 und zurück zu einem Empfänger 12 von der relativen Lage des Gebers ab· Aufgabe der HauptSteueranlage ist es, eine gegenseitige Verzögerung zwischen der Erregung der jeweiligen Geber hervorzurufen, damit jede der von einem der Geber ausgehenden Wellen nach ihrer Reflection an der Grenzschicht 16 gleichzeitig an einem bestimmten Empfänger 12 eintrifft.. Eine Bestimmung dieser gegenseitigen Verzögerung stellt dann ein Element der Information dar, die zur Bestimmung der Neigung der reflektierenden Schichtgrenze 16 verwendet werden kann. Die Neigung ist der V/inkel zwischen der Schichtgrenze und der Waagerechten.

Bas läßt sich erklären durch Betrachtung der Weglänge von zwei bestimmten Gebern 1o zu einem vorgegebenen Empfänger 12. _t Wenn man zum Beispiel den Weg von dem mittleren Geber Se und dem benachbarten Geber S, bis zu dem mittleren Empfänger R₈ betrachtet, so erkennt man, daß die Weglänge vom Geber S^ zum Smpfänger R₈ nach Reflexion an der Schichtgrenze 16 um den Betrag Δ. D größer ist als die Weglänge vom Geber Se zum Empfänger Rg. Wenn die HauptSteueranlage richtig eingestellt ist, so sendet der Geber S_K seine Impulsfolge um die Zeit ΔΤ- später aus al3 der Geber S₄, so daß die Wellen vom Geber S^ im Augenblick des Sendebeginns des Gebers S₅ den Weg Λ Β zurückgelegt haben. Die Zeit & T_ ruft einen Phasenunterschied zwischen

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den von aufeinanderfolgenden Gebern ausgesandten seismischen Wellen hervor. Die Zelt d T_ 1st demnach ein MaQ für den

Phasenunterschied zwischen den beiden Gebern. Die Zelt ΔΤ_

wird bestimmt durch Beobachten des AnSprechens des Smpfängers Rg auf die von den Gebern S, und Se gesendeten Druckwellen und durch Herstellen der Koinzidenz der beiden Wellen. Das geschieht durch Verstellen der HauptSteueranlage, wie es In der erwähnten schwebenden gleichzeitigen Anmeldung von Pound beschrieben ist, um eine Verzögerungszeit zu erzielen, die am Empfänger Rg ein maxinal großes Reflektionssignal entstehen läßt, wodurch die gegenseitige Verstärkung der Wellen angezeigt wird. Die Amplitude der kombinierten aufgefangenen, von der ausgewählten Schicht reflektierten Wellen kann als Funktion der Verzögerung aufgezeichnet werden, und die ein GrÖ0tsignal hervorrufen-de Verzögerung wird gemessen. Die Verzögerung AT₈ wird dann zu der Strecke 4,D durch die Geschwindigkeit ν seismischer Wellen im Boden mit Hilfe der Gleichung

iiD ^a ν /ΛΤ_β

In Beziehung gesetzt.

Di'e Verzögerung für auf Maximalwert gebrachte aufgefangene Signale gibt die Richtung der von dem Geber nach Reflexion an der Schichtgrenze 16 zum Empfänger laufenden Welle an.

Deutlicher zeigt das die Flg.2. Zur Vereinfachung wird angenommen, daß die Wege von den verschiedenen Gebern iu den Empfängern im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Dies« Annahme ist ausreichend erfüllt bei allen praktisch vorkommenden Messungen, weil der Zwischenraum zwischen den Gebern Im allge-

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meinen sehr klein 1st im Vergleich zu der Tiefe der reflektierenden Schichtgrenze 16. Der Abstand zwischen den Gebern liegt la allgemeinen bei etwa 15 m (5o feet), während die interessierenden reflektierenden Schichtgrenzen gewöhnlich mehrere hundert fceter (several thousand feet) unter der Erdoberfläche liegen. Unter dieser Annahme ergibt sich aus geometrischen Betrachtungen, daß der Winkel 6 zwischen dem Weg der Druckwellen und der Normalen auf die Linie 11 durch Messung der Phasenbeziehung oder der Verzögerung AT. bestimmt werden kann, denn dieser Winkel S wird durch den folgenden Ausdruck bestimmt:

ο = arc sin - ,

CS

worin AS den Abstand

zwischen benachbarten Gebern bedeutet.

Aus Fig.1 ergibt sich ferner, daß ähnliche geometrische Verhältnisses vorliegen bei der Richtung und der relativen Laufzelt der Wellen von einem bestimmten Geber über die reflektierende Schichtgrenze 16 zu aufeinanderfolgenden Empfängern. Auf diese Weise kann der Zeitunterschied bei der Ankunft der Welle bei aufeinanderfolgenden Empfängern gemessen werden. Die Zeitdifferenz ΔΤ kann zur Bestimmung des Winkels £ zwischen der ankommenden Welle und der Normalen auf die Erdoberfläche dienen, denn

ν ,AT

arc sin —- . ,

4R

worin i\R den Abstand zwischen benachbarten Empfängern bedeutet.

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Deutlich sind die Verhältnisse in den Figuren 3 und 4 dargestellt, wo die V/ellen vom Geber Sc von der reflektierenden Schichtgrenze 16 zu den aufeinanderfolgenden Empfängern Rg und Rg laufen. Wie in der Optik können die geometrischen Verhältnisse bestimmt werden, wenn man den Geber S_c an den Ort seines Spiegelbildes S? verlegt.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Zeitdifferenz 4T in genau derselben Weise zu bestimmen wie ΔΤ. Die aufgefangenen Signale können an den jeweiligen Empfängern gegeneinander verzögert und dann kombiniert werden, wobei die Verzögerung so eingestellt wird, daß ein Maximalwert des kombinierten aufgefangenen Signals entsteht. Diese Verzögerung ist dann ein Maß für /IT . Die Verzögerung kann elektronisch oder auch mechanisch herbeigeführt werden, indem jedes aufgefangene Signa} für sich aufgezeichnet wird und dann die Aufzeichnungsträger gegeneinander verschoben werden, bis ein Größtwert erreicht ist.

Außerdem liegt es im Rahmen der Erfindung, die Verzögerung am Geber einzustellen, um den Maximalwert des aufgefangenen Kprabinationssignals zu erreichen; da jedoch die Empfänger verhältnismäßig nahe beieinander stehen, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Verzögerung am Geber für ein Maximum für ein einzelnes empfangenes Signal einzustellen, vorzugsweise das Signal am mittleren Empfänger R_Q.

Im praktischen Betrieb hat sich als zweckmäßig herausgestellt, nicht die Signale der verschiedenen Empfänger zu kombinieren sondern besser jedes einzeln als Funktion der Zeit zu regi-

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s trier en und dann die Zeitdifferenz zwischen der Ankunft der Reflexionen an der betrachteten Schicht bei den jeweiligen

Empfängern *zu messen.

Die Zuordnung eines bestimmten reflektierten Signals zu der betrachteten reflektierenden Schicht wird unten in Verbindung mit der Darstellung der bevorzugten Methode zur Erzielung scharfer Signale besprochen.

Unter der Annahme, daß die Geber geringen gegenseitigen Abstand besitzen, verglichen mit dem Abstand von der reflektierenden Schicht, und unter der Annahme, daß gleiches für dit Empfänger gilt, stellen eich die geometrischen Verhältnisse dar wie In Fig.5 gezeichnet. Die Winkel cf und t können wie oben beschrieben bestimmt werden, und die Strecke «wischen Gebern und Empfängern kann gemessen werden. Die von allen Gebern 1o ausgehenden Wellen werden von praktisch ein und demselben Punkt 26 auf dem Reflektor 16 zu den Empfängern 12 umgelenkt. Gegenüber der Linie 11 ist der Reflektor 16 um den Winkel 0 geneigt. V/eil bei der Reflexion der Einfallswinkel der Wellen gleich dem Austrittswinkel 1st, hat der Winkel j6 die Größe der halben Differenz zwischen C und O , das heißt:

Ferner ergibt sich aus geometrischen Überlegungen, daß auch die Geschwindigkeit ν aus leicht meßbaren Größen bestimmt werden kann:

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AR AS

worin χ der

Abstand zwischen den Gebern und den Empfängern ist und t die Zeit zwischen der Aussendung der Druckwellen seitens der Geber und dem Smpfang der von dem Reflektor 16 zurückgeworfenen Wellen.

Dieser 7/ert der Geschwindigkeit kann benutzt werden»um in Verbindung mit den vorher angegebenen Beziehungen die Winkel £, , O und 0 zu bestimmen. In ähnlicher Weise kann der Abstand h zwischen der Verbindungslinie von Gebern und Empfängern bis zum Reflexionspunkt 26 trigonometrisch bestimmt werden, ebenso auch R_ als die Entfernung auf der Verbindungslinie zwischen den Gebern 1o und dem Fußpunkt des Lots von der Reflexionsstelle 26 auf die Verbindungslinie.

Es ist zu beachten, daß die bisher angegebenen Beziehungen zur Bestimmung von Neigung, Tiefenlage und Geschwindigkeit nur näherungsweise gelten und unter den einschränkenden Be-

dingungen, das heißt solange der Abstand zwischen Gebern und Empfängern untereinander klein 1st gegenüber der Tiefenlage der reflektierenden Schicht. Die beschriebene Anordnung kann ähnlich auch unter Voraussetzungen betrieben werden, bei denen genauere Beziehungen angebracht sind, die aus den genauen geometrischen Verhältnissen abzuleiten wären. Die obenbezeichneten Beziehungen haben jedoch den Vorteil einfach und allgemein anwendbar zu sein.

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Die bisher gewonnenen Informationen (unter Benutzung der* in Fiß.1 dargestellten Anordnung) geben jedoch nicht die tatsächliche Neigung und Tiefe der Schichtgrenze 16 an. Bisher ist vielmehr nur die Lage der Schicht gegenüber der Linie 11 in der von der Linie und einer Normalen auf der Schlchtgrenie definierten Ebene gegeben. Die tatsächliche Neigung dor Sehloht wird durch den Flächenwinkel gegeben, der von der Schicht und der Waagerechten eingeschlossen wird, und die wahre Tiefe let die Vertikalentfernung von der Bodenoberflache. Um diese Größen zu bestimmen, kann man den Winkel der Ebene der aufgenommenen reflektierten Y/ellen gegenüber der Vertikalen bestimmen. Das kann durch Schwenken der Anordnung um 90 ° und die Ausführung einer gleichen Messung geschehen; dadurch ergibt sich die scheinbare Neigung der Schicht in einer weiteren Ebene. Die wahre Neigung und Tiefe kann dann trigonometrisch· berechnet werden.

Außerdem kann die Geberanordnung auch zweidimensional und in zwei Richtungen mit Verzögerungseinstellung ausgeführt werden, zur gleichzeitigen Bildung eines aufgenommenen Maximalsignale. Eine derartige zweidimensional Anordnung zeigt die Fig.6, nach welcher die Geber 10* in Form eines Rhombus ausgelegt sind, dessen eine Diagonale mit der Linie 11 zusammenfällt, während die Diagonale 11* auf der Linie 11 senkrecht steht. Die geometrischen Überlegungen für Neigung und Tiefe gegenüber der Linie 11 sind die gleichen wie bei Fig.1. Für die weitere Dimension erleichtert die Fig.7 das Verständnis der geometrischen Verhältnisse.

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Fig.7 ist eine Seitenansicht auf das in Fig.6 Dargestellte, von der Linie 7-7 aus. In dieser Ansicht überlagern sich die Geber 12 in dem zentralen Geber St. Man führt die gleichen Einstellungen der Verzögerungszeit oder der gegenseitigen Phasenlage aus, ;vie es oben in Verbindung mit den Gebern 10 beschrieben v/orden ist; die von einem Empfänger 12 aufgenommenen reflektierten Signale sind in Phase für alle Wellen, die von den jeweiligen Gebern 10' ausgesandt sind. Entsprechend den mit i'ig.1 genachten Angaben kann der ii/inkel der Bahn von de.~n Geber 10^f zum Reflektor 16 und weiter zu den E~?färgern 12 durch diese Verzögerung mit Hilfe der gleichen Beziehung bestimmt werden, das heißt

arc sin

worin O der Winkel zwischen der Normalen auf die Linie 11· und der Richtung der V/elle von den Gebern 10' ist, 4l' die Verzögerung zwischen der Erregung aufeinanderfolgender Geber ist und Λ S¹ der Abstand zwischen benachbarten Gebern 10' in Richtung der Linie 11_%· ist. Die Geschwindigkeit ν ist die gleiche wie die nach der in rig.1 gezeigten Anordnung.

We.-zi die gleichen Voraussetzungen gemacht werden wie zuvor, d.h. daß die Geber eng beieinander stehen gegenüber der Tiefe des Reflektors 16, so ist der Weg der aufgenommenen reflektierten 7/ellenwJe dargestellt in Fig. 8. Da Empfänger und Geber in der Darstellung der Fig.8 am gleichen Ort liegen, verläuft die Wellenbahn in einer Linie, die senkrecht zum Reflektor

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verläuft, wie in Fig.8 gezeichnet. Die Neigung 0^% des Reflektors ist in dieser Anordnung den Winkel O gleich:

Mit dieser zusätzlichen Information kann die Information aus der kollinearen Anordnung £eir.üß Fig.1 benutzt v/erden, um die tatsächliche Tiefe h^ ·_Γ des Reflektors und den tatsächlichen Neigungswinkel des Reflektors ebenso wie das wahre Streichen, d.h. das Auftreffen der Schichtgrenze auf die Bodenoberfläche, zu bestimmen.

Zu beachten ist ferner, daß die Linien 11 und 11* nicht notv/er.dig waagerecht verlaufen, weil auch die Erdoberfläche nicht überall waagerecht ist. Die Lage dieser Linien gegen die V/aagerechte kann durch die üblichen Vermessungsverfahren bestimmt werden, und die Bestimmung der wahren Tiefe» Neigung und Streichens kann dann genau unter Benutzung der erforderlichen Korrekturen bei der bisherigen Bestimmung der Linien und 11· erfolgen.

In Fig.1 ist eine lineare Anordnung von neun Gebern dargestellt derartige Anordnung hat sich als außerordentlich zweck erwiesen. Eine relativ große Zahl von Gebern verbessert

Gebern die Ausrichtung der seismischen Wellen. Eine große Zahl von verringert auch die Auswirkung von Oberflächen- oder sonstigen örtlichen Anomalien durch Ausmitteln dieser Störungen. Ein einzelner Geber oder eine geringe Zahl von Gebern könnte von örtlichen Störungen, die zu unrichtigen Messungen führen könnten, in hohem Kaße beeinflußt werden; Fehler in einer Kessung werden

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jedoch überdeckt durch den Einfluß einer großen Zahl richtiger Messungen. Andererseits gibt es einen Punkt kleiner werdender Rücksignale, jenseits dessen ein zusätzlicher Gewinn nicht die zusätzliche Ausrüstung und die damit verbundenen Kosten und Zunahme an Kompliziertheit lohnt. Es hat sich gezeigt, daß mehr als fünf Geber die erforderliche Genauigkeit gewährleisten, daß aber bei mehr als fünfzehn Gebern die zusätzlich gewonnene Richtwirkung verhältnismäßig gering ist. Daher wird die Zahl von neun oder elf Gebern bevorzugt. Sine ungerade Zahl von Gebern·ist zweckmäßig, weil sich damit ein mittlerer Geber als Messungeursprung ergibt. Wie oben gesagt, wird der Abstand zwischen benachbarten Gebern su etwa 15 bis 3o Metern (5o bis 1oo feet) gewählt. Der Abstand zwischen benachbarten Empfangsstationen kann ebenso groß gewählt werden. Es ist erwünscht, die Abstände klein gegen die Tiefenlage der interessierenden reflektierenden Schicht zu halten, damit die abgeleiteten vereinfachten Besiehungen gültig bleiben. Fig.1 zeigt die Anwendung von fünfzehn Empfangsstationen. Es, hat sich als zweckmäßig erwiesen, zwischen fünfzehn und fünund-.zwanzig Empfangsstationen su verwenden, die ebenfalls zwischen 15 und 3o Metern (5o bis loo feet) voneinander entfernt liegen.

Bei jedem seismischen System muß dem Boden ein gewisses Haß an Energie zugeführt und die Zelt gemessen werden, die die Energie benötigt, um eine bestimmte reflektierende Schicht zu erreichen und von dort su einer Smpfangsstation su gelangen. Sinzelimpulse seismischer Energie können In der oben angegebenen Weise verwendet werden; in ihrer bevorsugten Ausführungs-

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form macht die Erfindung jedoch Gebrauch von Wellenzügen, weil auf diese Welse zusätzliche Energie über einen längeren Zeitraum dem Boden zugeführt werden kann. Andererseits würde das, obwohl ein kontinuierliches Signal noch mehr Energie in den Boden bringen könnte, zu einem verwirrenden Empfangssignal führen, denn die Wellen würden kontinuierlich von einer großen Zahl Reflektoren reflektiert werden, und die Interessierende reflektierende Schicht würde nicht mehr erkannt werden können. Die Ankunftszeit der iVelle muß zu ihrer Aussendungszelt In Beziehung gesetzt werden. Daher wird es vorgezogen, We11enzüge von begrenzter Länge anzuwenden. Genauer gesagt, werden erfindungsgemäß Wellenzüge unterschiedlicher Frequenz benutzt, und die bei den jeweiligen Frequenzen gemachten Aufzeichnungen werden in bestimmter Weise miteinander kombiniert, um das entstehende kombinierte Signal zu verschärfen, das heißt, um es wesentlich zu kürzen gegenüber dem ausgesandten Wellenzug.

Die Wirkung von Störgeräuschen kann dadurch wesentlich verringert werden, daß jede Frequenz durch ihr eigenes Schmalbandfilter aufgenommen wird. Es wäre möglich, die Geräusche durch die Anwendung von Querkorrelationstechniken zu verringern, •s wird jedoch erfindungsgemäß vorgezogen, einfache, zur richtigen Zeit wirksame *in£aehe- Filter anzuwenden. Bei der Benutzung von Wellenzügen begrenzter Länge nimmt der Ausgang derartiger Filter allmählich su, erreicht einen Höhepunkt bei der letzten Schwingung des Wellenzuges und nimmt danach' allmählich ab. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung 1st die Kombination der Ausgänge der Filter mit allen Frequenzen In

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der Welse, daß alle Signale zu einer bestimmten Zeit in Phase sind, und zwar im Zeitpunkt der letzten übertragenen Welle, und daß alle Signale sich zu allen anderen Zeiten im Mittel gegenseitig aufheben, so daß ein scharfes kombiniertes Signal entsteht.

Die benutzten Frequenzen werden unten angegeben. Sie werden von den Gebern 1o, gesteuert von dem Hauptsteuersystem 14, erzeugt, wie es in der erwähnten laufenden Anmeldung von Pound beschrieben ist. Die reflektierten Wellen jeder Frequenz werden von allen Empfängern 12 aufgenommen.

Fij.9 gibt einen Teil des Aufzeichnungssystems 13 wieder, der nur einen Empfangskanal umfaßt. Das gesamte Aufzeichnungssystern 13 enthält Doppel der in Flg.9 gezeigten Schaltung für jeder. Empfänger 12. Das von einem Empfänger 12 beim Auf treffen reflektierter Wellen erzeugte elektrische Signal wird einem Filter 28 zugeführt, das genau eingestellt ist um Wellen der von den Gebern ausgesandten Frequenz für den gerade aufgenommenen wellenzug durchzulassen. Das von dem Filter 28 durchge^assene Signal wird dann von einem Aufnahmegerät 3o registriert. Damit das von dem Gerät 3o aufgezeichnete Ereignis in Beziehung gesetzt werden kann zur Laufzeit der Wellen von den genannten Gebern, wird der Umlauf des Aufnahmegeräts an die Hauptsteueranlage angeschlossen, entweder indem die Hauptsteueranlage den Beginn der Aufzeichnung steuert oder indem die Aufzeichnung zyklisch erfolgt, z.B. durch Benutzung einer Magnettrommelaufzeichnung und Einsatz des Betriebs der Hauptsteueranlage bei einem bestimmten Zeitpunkt des Aufzeichner-

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BAD

" ²*' H73952

syklus, etwa durch Schließen eines Uikroschalters, der an einer bestimmten Stelle der Aufzeichnertrommel angebracht ist. Es ist auch' möglich, eine Empfangsstation im Zentrum der Geberanordnung anzubringen, um die Zeit der Aussendi»g der seismischen Wellen zu messen und den Ausgang dieses Empfängers zum zeitlichen Steuern des Aufzeichnungsgeräts zu benutzen. Auf ^jZiLT* Fall wird in irgendeiner bekannten, brauchbaren V/eise

3o

die Zeit der in dein ^erät vorgenommenen Aufzeichnung zur Auslösungszeit der seismischen Impulse in Beziehung gebracht, so daß eine Aufzeichnung der aufgenommenen Wellen als Funktion der Zeit und mit der V/ellenaussendungszeit als Bezugspunkt gewonr.-un y/ird. Für jede von der Hauptsteueranlage 14 eingeschaltete Frequenz schaltet ein Frequenzstellschalter 31 Bauteile in das Filter 28 ein, um das Filter auf diese Frequenz abzustimmen. Gleichzeitig wird der Frequenzstellschalter über eine Welle 33 mit einem Schalter 32 verbunden, der den Ausgang des Filters 28 auf einen Aufzeichner 3o schaltet, der dann das Signal für die jeweils benutzte Frequenz aufzeichnet. Daraus ergibt sich, daß das reflektierte Signal einer Frequenz von einem zugeordneten Aufzeichner 3o aufgenommen wird. Verwirklicht werden kann der einzelne Aufzeichner durch eine eigene Spur auf einer einzigen Auf zeichnungs-Magnet trommel.

Da jede Aufzeichnung ein Maß für die aufgenommene seismische Welle in Abhängigkeit von der Zeit und bezogen auf einen Bezugspunkt, z.B. den AnregungsZeitpunkt der Geber zum Aussenden einer bestimmten Frequenz, darstellt, können die Aufzeichnungen so angeordnet werden, daß die Bezugspunkte zusammenfallen und die

BAD OFIlGINAL

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~²⁵' U73952

Aufzeichnungen dann kombiniert werden können. Die In jedem der Aufzeichner 3o aufgenommenen Aufzeichnungen können von einem Lesegerät 34 kombiniert werden, das als einzelner Abnehmerkopf ausgebildet sein kann, welcher sämtliche Aufzeichnungsspuren der Trommel der Aufzeichnungeeinrichtung Überdeckt , und das kombinierte Signal wird dann als Funktion der Zelt auf den Summensignalaufzeichner 36 gegeben. Der Summensignalaufzeichner 36 stellt eine eigene Aufzeichnung für jeden Ecipfängerkanal her, die alle auf die gleiche Anregungszeit der Geber bezogen sind und dadurch die Zeitdifferenz der Ankunft bestieunter Reflektionen an den jeweiligen Geophonen zu messen gestatten.

Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, als Filter ein sogenanntes Funktionsfilter in Form eines Schmalbandwirkfliters mit einstellbarer Frequenz und Güteschaltung zu benutzen. Das Filier basiert auf der Analognachbildung der Differentialgleichung eines gedämpften linearen Oszillators, der mit einem Eing&nsgssignal von Resonanzfrequenz angeregt wird. Die Frequenzen und GUtewerte werden so eingestellt, daß eine Filterkurve erreicht wird, die die Korrelationsfunktion für den speziellen V/ellenzug nach Frequenz und Länge annähert. Die Differentialgleichung lautet:

φ ♦ co²« - ω* FCt) .

worin F(t)

die Eingabefunktion darstellt, die ein gesuchtes seismisches Reflexionssignal enthält, gekennzeichnet durch die effektive

d O t> ·■* ΰ i] / O ,1 / ] BAD

H73952

Resonazfilterfrequenz, gemischt mit unterschiedlicher Geräuschhöhe. Eine Umwandlung ergibt

4 ,2„

lF(t) -

was entsprechend der Darstellung In Fig.io aufgebaut werden kann.

Es ist zu beachten, daß Cc für ein 100 Hz-Signal 628 ist, während ein Koeffizientenpotentiometer nur Zahlen von 0 bis 1 ergibt. Aus diesem Grunde ist die U> -Einstellung tatsächlich • /I000, und beiden derartigen Einstellungen folgen Integrantο-ren mit einer Verstärkung 1ooo zum Kompensieren. Aus diesem Grunde brauchen auch die Integrationskondensatoren nicht übermäßig groß zu werden.

Das bevorzugte grund-legende Schaltbild zeigt die Fig. 11.

Das Filter weist Verstärker 38, 4o, 42 und 44 auf. Die Verstärker 38, 4o und 42 können als kleine übliche Funktionsverstärker mit einem Frequenzbereich von O bis 10 kHz ausgeführt werden. Der Verstärker 44 kann als symmetrischer Emltter-Folge-Vejrstärker (symmetrical emitter follower) mit einem Ausgang niedriger Impedanz ausgeführt sein. Der Verstärker 38 bildet eine:. Toll eines Summierverstärkers 46, .dem Über jeden der Eingangs wider stände 48 und 5o ein Eingangssignal zugeführt wird und. der einen Rückkopplungswiderstand 52 besitzt. Potentiometer 54 dient der Frequenzeinstellung und liegt zwischen dem Ausgang des Summlerverstärkers 46 und einem Integrierverstärker 56, der Eingangswtderstände 58 und 6o, einen Verstärker

"²⁷" H73952

und einen Rückkopplungskondensator 62 besitzt. Der Ausgang des Verstärkers 56 wird auf ein weiteres Potentiometer 64

gegeben, das ebenfalls der Frequenzverstellung dient. Der Ausgang von der Frequenzeinstsilung 64 führt zu einem Potentiometer 66, das eine Güteeinstellung darstellt, sowie in einen Eingangsvviderstand 68, der Teil eines Integrators 7 ο ist, welcher außerdem die Verstärker 42 und 44 sowie den Rackkopplungskondensator 72 enthält. Das Signal aus der Güteeinstellung 66 wird über einen Widerstand 6o auf den Integrator 56 gegeben. Der Ausgang des Integrators 7o ist dann der Pilterausgang, der zu einem Aufzeichner 3o geführt v/ird. Er wird außerdem zurück an den Eingang des Verstärkers 46 geführt.

Die Arbeitsweise des Verstärkers ergibt sich aus Fig.io, die eine Funktionsbeschreibung des Filters darstellt. Das Funktionsfilter ist normalerweise so eingestellt, daß der Zuwachs des Filterausgangs über die Dauer eines einzelnen idealisierten Reflexionssignals und das Abklingen des Filters nach dem Verschwinden des Signals eine etwa dreieckige Hüllkurve ergeben. Der Verstärker 46 summiert seine EingangesIgnale -F(t) und χ und kehrt die Summe um zu einem Signal F(t) - x. Das Potentiometer 54 (mit passendem Verstärkungsgrad) multipliziert die Summe mit 60 > um ein Signal jF(t) - x|Cü zu erzielen. Der Integrator 56 addiert dieses Signal zu einem für - Tj -jf charakteristischen Signal, um ein Signal &(t) - xJW- -q -j^

zu erzielen, das, wie oben festgestellt, — ■=-£ gleich ist;

fc^dt^

BAD ORIGINAL

- 26 -

H73952

de* Integrator 56 integriert es, um «u einem Signal ~ 77, -jf SU gelangen, das dann von dem Potentiometer 64 (mit passendem Verstftrkungsgrad) mit cO multlpllsiert wird; das entstehende Signal entspricht - «J| . Dieses Signal mit 1/Q multipliziert, wosu das Q-(Güte-)potentiometer 66 dient, liefert ein Eingangssignal für den Integrator 56. Es wird weiter integriert sur Bildung des Signals x, das dem Filterausgang entspricht und ebenso dem Eingangssignal des Verstärkers 46.

Das Filter 28 wird abgestimmt durch Verstellen der Potentiometer 54 und 64. Die Einstellung kann durch die Bewegung des FrequenzeinGtellschalters 31 zur Lieferung der passenden Frequenzen vorgenommen werden, oder der Schalter kann verschiedene vorbestimmte Elemente den Potentiometern 54 und 64 zuschalten, wobei die Elemente so ausgeführt sind, daß bestimmte Frequenzen erzielt werden. Die Güteeinsteilung 66 kann in ähnlicher Weise vorgenommen werden.

Das in Verbindung mit den Figuren 1o und 11 beschriebene- Funktionsfilter besitzt unabhängige Frequenz- und Güteeinstellung. Bei einem Seismiksystem jedoch, das Frequenzfolgen und Zykluszahlen derart anwendet, daß alle Impulsfolgen etwa gleiche Zeitdauer haben (Periode χ Zahl der Pulse = constant), ist es zweckmäßig, ein Filter zu verwenden, bei dem die Güteeinstellung proportional der Frequenz 1st, während die Frequenaelnsteilung von Q unabhängig ist. Das kann durch ein Filter erreicht werden, wie es in Fig.12 wiedergegeben ist.

BAD ORIGINAL

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*²⁹' U73952

Ein Filter genäQ Fig.12 let in einem Aufsatz von F.T. May und B.A. Dandl beschrieben ("Active Filter Element and Its Application'to a Fourier Comb", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRU-IEHTS₁ April 1961, Band 32, Nr.4, Seite 387). Diese Schaltung erfordert nur eine einzige Frequenzeinstellung anstelle der beiden Frequenzeinstellungen des Filters nach den Figuren 1o und 11 und gewährt die geforderte Frequenzabhängigkeit in dor Q-Einstellung. Bandweite und Verstärkung sind bei dieser Schaltung praktisch dieselben wie bei der Schaltung nach den Figuren 1o und 11, Die zugehörigen Beziehungen lauten:

Resonanz

•C1/2

^Rf

»τ

Λ\ ■ Abgriff an Rj Bandbreite an langem Wellenzug a

Verstärkung bei f_D£,_eftwte_. *n langem '.Vellenzug » ^L

itesonans *

₁C₁

Bas Q₁ gesteuert von χ , braucht nur einmal für eine bestimmte Zeitdauer der Impulsfolge eingestellt zu werden,und die einzige Steuerung, die während der seismischen Untersuchung einen Schaltvorgang erfordert, ist die einseine Frβquens-(oO-Einstellung. Die Einstellung M kann also vorgenommen werden, um die geforderte Güte (Q) bei einer bestimmten Frequenz für einen »veilensug der benutzten Länge zu erzielen, damit der geforderte Anstieg und Abfall des Filterausgangs ersielt wird. Diese

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bad

- 3ο -

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Einstellung des Abgriffs · ·. liefert dann die geforderte Güte (Q) für alle '.weiteren Frequenzen, wie sie von der Einstellung * festgelegt herden, wobei Q ebenfalls durch die Einstellung -\ beeinflußt v/ird und damit frequenzabhängig ist. Dadurch entsteht ein Q, das nit der Frequenz ansteigt, was im Hinblick auf die normalerweise hö-here Dämpfung bei der Aussendung seismischer fellen höherer Frequenz erwünscht ist.

Das Filter nach Flg.12 kann besonders vorteilhaft in Schaltelementen eines Filters 28 benutzt werden, denn es muß nur ein einziges Element, nämlich R_f geschaltet werden. Das bedeutet, daß der Frequenz* el Ischalt er 31 einfach verschiedene Werte von R_f einschaltet, um die Frequenz des Filters zu verändern, wobei er gleichzeitig mit dem Schalter 32 \e rbuhden 1st, durch den das Filter an einen anderen Aufzeichner 3o angeschlossen wird (entsprechend einem anderen Kanal oder einer , anderen Spur eines MehrspuraufZeichners). \

Als Alternative zu den beschriebenen Funktionef11tern ist die als Verzögerungsfilterung bekannte Filtertechnik anzusehen. Versögerungs- oder Laufzeitfilterung kann zum Hervorheben eines Signals bekannter Frequenz und Dauer, wie es hler vorliegt, benutzt werden. Das wird erreicht durch Aufzeichnen des vom Geophon herkommenden ungefilterten Signals und Ausführen wiederholter Additionen der Aufzeichnung mit aufeinanderfolgenden Laufzelten von einer Periode, zwei Perioden, drei Perioden usf. Die Zahl der Summanden 1st gleich der Zahl der Zyklen in dem ursprünglichen Eingangssignal. Das IkH kann In befriedigender Weise entweder durch ent-

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BAD

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sprechende Drehungen der Trommel oder durch Drehung der Aufzoichnungsköpfe erreicht werden. Die η Aufzeichnungen können • je in einer besonderen Aufzeichnungsspur enthalten sein und alle Spuren können ianr. gleichzeitig von einem einzelnen Aufnehiaerkopf gelesen v/erden, um das gewünschte Ausgangs signal zu erhalten.

Laufzeitfiltern wurde auf jede Frequenzaufzeichnung jedes Geophons angewendet werden. Wenn der benutzte üfellenzug η Perioden lang ist, würde die aus der η-fachen Addition der Aufzeichnung hervorgehende liüllkurve dreieckig mit einer Spitzenhö'he vor. η Einheiten sein. Die Länge der Hüllkurve würde der zweifachen Impulslänge entsprechen. Das resultierende Signal würde im wesentlichen gleichwertig zu der Aufzeichnung sein, die von einen Aufzeichner 3o in der Schaltung nach Fig.9 stannt,und kann in ähnlicher V7eise verwendet werden. Das heißt, die resultierenden Signale für alle Frequenzen können phasenrichtig zusammengefaßt werden. Laufzeitfiltern bietet den Vorteil, daß die Hüllkurve außerhalb einer Zeitspanne, die der doppelten Wellenzuglänge entspricht, scharf abbricht, es bietet aber den Nachteil einer längeren Verarbeitungszeit.

Eine wesentliche Vorbedingungen für erfolgreiches Arbeiten der Einrichtung nach Fig.9 ist, daß die aufgenommenen Wellenzüge für alle Frequenzen In der zeltlichen Beziehung kombiniert werden, In der die aufgezeichneten Wellenzüge, die den auegesandten Wellenzüge ohne Durchgang durch den Boden entsprechen, während einer Periode eines jeden Wellenzuges In Phase sind, genauer Piepst, daß sie in Phase sind während der Periode, die

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H73952

der letzten Periode Jedes ausgesandten Wellenzuges entspricht. Die "/.eitliche Beziehung, in der die aufgezeichneten Wellenzüge, die den ausgesandten ϊ/ellenzügen ohne Durchgang durch den Boden entsprechen, während einer Periode eines Jeden Wellenzuges in Phase sind" bedeutet und schließt ein diejenige Beziehung, bei der alle Phasenverschiebungen im System selbst berücksichtigt sind, bei der aber die Phasenverschiebungen ausgeschlossen sind, die durch den Durchtritt der Wellen durch den Boden erzeugt worden sind. Das ist die zeitliche Beziehung, bei der die Si^nalspitzen aller der auf den jeweiligen Aufzeichnern 3o niedergeschriebenen jeweiligen Signale zeitlich zusammenfallen, wer.η der Detektor auf die ausgesandten seismischen Wellen uniai*. tslbar reagiert, ohne daß die Wellen den Boden durchsetzt hacö.'i. Das läßt sich durch passende Einstellung der Hauptsteueranlage erreichen, so daß jeder ausgesandte Wellenzug mit einer Endwelle zur richtigen Zeit im Betriebszyklus des Systems endet, das heißt, zu einer bestimmten Zeit nach einer Bezugsgrü:;3 oder Bezugszeit. Diese Bezugsgröße ist die Bezugsgröße für den Aufzeichner 3o, und wenn die abschließende Periode jeder Impulsserie in dem richtigen Zeitintervall nach der Bezu£sgröße für jede Frequenz abläuft und die Bezugsgrößen für die von allen Aufzeichnern 3o hergestellten Aufzeichnungen zusammengelegt werden, dann werden die aufgenommenen Wellen bei den verschiedenen Frequenzen sämtlich zu der Zeit in Phase sein, die dem Eintreffen der abschließenden Periode der jeweiligen aus ge sandten Wellenzüge von den verschiedenen Heflektoren aus entspricht.

BADORIGiNAL

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""" U73952

Die von den jeweiligen Aufzeichnern 3o hergestellten Auf-.-eichnungen werden nit zusanuaenf allenden Bezugsgröflen gemacht. Das .vird durch paesendes Programmieren der Hauptsteueranlage erreicht. Diese Einstellung der Hauptsteueranlage wird vor den jeweiligen seismischen Operationen einfach durch Anwendung eines Testempfängers beim dem zentralen Geber 1o erreicht, wie es später erläutert wird.

Die Frequenzsumaiertechnik wird In Flg.13 dargestellt. Alle Aufzeichnungen in dieser Abbildung sind unmittelbar den Feldaufzeichnungen entnommen. Bei der hler ausgewählten Untersuchung wurden sechs Frequenzen angewandt, und zwar 9o, 79, 53, 57, 46 und 35 Hz. Die auf den jeweiligen Aufzeichnungs-

3o geräten gewonnenen Schreibspuren sind in A, B, C, D, E und F wiedergegeben. Jeder dieser Schriebe ist unter Benutzung eines Schmalbandfilters 28 entstanden» das umgeschaltet wurde zur Abstimmung auf die jeweilige Frequenz. In den Aufieichnungsgeräten 3o werden normalerweise magnetische Schriebe hergestellt. In Flg.13 sind sie umgezeichnet als Schriebe aus einem Oszillographen.

Die Summierung der Signale A, B, C, D, E und F durch die Lesevorrichtung 34, aufgezeichnet in dem SummieraufzeIchner 36, 1st als Schrieb Q wiedergegeben. Die Verzögerung zwischen den Gebern war auf 3 msec eingestellt; diese Verzögerung ließ den Maximalwert der Signale im Zeitbereich um 1 see entstehen. LiIt dieser Verzögerung und mit Frequenz summierung werden zwei Reflektoren In der Gegend um 1 see sichtbar, gekennzeichnet als Signalspitzen 74 und 76 in dem Schrieb G.

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F,AD OFiIGiMAL

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Linzelochriebe und der Frequenzsucuaierschrleb gemäß I i^. 13 stellen graphisch den Effekt der Frequenzsuirunierungstechnik dar. Offensichtlich gibt keiner der Schriebe A, B, C, D, E und F vonsich aus deutlich die Position der reflektierenden Schichten wieder. Der Surnmierungsschrieb G dagegen zeigt deutlich die reflektierenden Schichten in weitgehend der gleichen ϊ/eise, wie sie in üblichen Seiscogramaen erkannbar werden. Die charakteristische kleine Welle (wavelet), die eine reflektierende Schicht anzeigt, ist als Reflexionszeichen jener Schicht bekannt. Da die Suir.mleraufzeichnung weitgehend .vie eine übliche seismische Aufzeichnung aussieht, kann sie in der üblichen Weise interpretiert werden. Die Art und V/eise, in der diese seismische Aufzeichnung gewonnen wurde, ermöglicht jedoch die Hervorhebung bestimmter reflektierender Schichten unter Bedingungen, bei denen die üblichen seismischen Verfahren versagt hätten. Insbesondere 1st zu sehen, wie sehr nahe beieinanderliegende reflektierende Schichten getrennt werden können.

Der Auflösungseffekt bei Frequenzeummierung wird am deutlichsten durch Vergleich mit monochromatischen Signalen unter den gleichen Bedingungen. Der Schrieb H In Flg.13 gehört zu einer 80 Hz-Aufzeichnung (8 Perioden, ungefiltert), bei der die gleiche Anordnung von Gebern und Empfängern verwendet wurde wie bei der Frequenzsummleraufzeichnung. Die Verzögerungezeit der Primär quell en begünstigt In beiden Fällen den Bereich um 1,o see. Die Signale In diesem Zeitbereich werden von der Frequenzsumaiertechnlk gut aufgelöst, während sie In dem

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monochromatischen Schrieb durch Überlappungen und Interferenzen verschleiert werden. Insbesondere ist die scharfe Auflösung der dicht beieinander liegenden Signale 74 und 76 in dor. Frequenzsumnierschrieb (G) zu beachten, verglichen mit der relativ langen, undifferenzierten Impulsfolge in dem L.o..ochroir.atischen Schrieb (H).

Ls ^"ibt eine Ar..:ahl von Kriterien, die eine optimale Kennzaleimung gewinnen lassen. Das Zeichen muß scharf und deutlich hervortreten. Uns ein scharfes Zeichen zu erhalten, ai'csen die aufgenommenen,von einem bestimmten Heflektor reflektierten .Yellenzüge einander während einer kurzen Zeitpericie verstärken, während sie sich in allen anderen Zeitabschnitten auslöschen. Es hat sich gezeigt, daß die lineare I reque.izverteilung im allgemeinen kleine Nebenzipfel aufweist, wodurch die Hauptspitze hervorgehoben wird. Die stärksten Nebenzipfel werden von der Schwebungsfrequenz hervorgerufen, die sich aus der allgemeinen Frequenzdifferenz ergibt. Diese von der Schwebungsfrequenz hervorgerufenen Kebenzipfel können jedoch durch eine passende Wahl der Länge der '.Vellenzüge eli-

r.iniert werden. Durch eine "lineare Frequenzfolge" soll ausgedrückt werden, daß eine Anzahl von Frequenzen vorliegt, bei denen sich benachbarte Frequenzen jeweils um gleiche Frequenzdifferenzen unterscheiden. Dazu soll aber auch eine lineare Folge gerechnet werden, in der ein oder mehrere Glieder der regelmäßigen Folge ausgelassen sind.

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Die folgenden Kriterien sind wichtig für die Gewinnung brauchbarer 2eichen:

1. Es sollte eine hohe Darchschnittsfrequenz benutzt v/erden, damit eine gute Auflösung erreicht wird; je höher die benutate Frequenz, ucso schärfer ist der Hauptpeak des Summierungsschriebes. Die Frequenz wird jedoch durch die physikalischen Eigenschaften des Gebers und des Bodens begrenzt.

Die höheren Frequenzen können nur unter Schwierigkeiten ausgestrahlt und wirkungsvoll weitergeleitet v/erden.

2. Es sollte ein v/eiter Frequenzbereich benutzt v/erden, der von den höchsten zu den niedrigsten Werten, bei denen gute Abstrahlung und Übertragung möglich ist, reicht. Ein großer Bereich ist zur Verkleinerung der Nebenzipfel erforderlich.

3. Für die allgemeine Herabsetzung der Nebenzipfel ist

eine große Zahl unterschiedlicher Frequenzen erforderlich.

mit Die benutzte Zahl von Frequenzen sollte den Kosten vereinbar sein, die die Feldausrüstung und der Betrieb verursachen. Mit einem Satz festgelegter Frequenzen, die durch Programmierung oder einfaches Auswählen mit Schaltern erreichbar sind, sollten Schüsse mit einer Anzahl unterschiedlicher Frequenzen kaum mehr Zeit in Anspruch nehmen als das Abtun der gleichen Zahl von Schüssen mit einer kleiner Zahl von Frequenzen. Eine große Zahl Frequenzen würde den grundlegenden Vorteil bieten, eine fast kontinuierliche Reihe van Wellen mit eng benachbarten, feststehenden Frequenzen zu haben. Das Auslassen einer oder euch einiger Frequenzen, um bestimmte, störende hervorragende Geräuschspitzen zu umgehen, würde möglich sein, ohne

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_0RiG!NAL

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daß die Aufieichnune zu sehr verschlechtert würde. Zusätzliche Frequenzen an beiden Enden der Hauptfolge würden eine Auswahl des Frequenzbereichs zur Anpassung an die besonderen Feldgegebenheiten erab'glichen.

4. Es ist erforderlich, Funktionsfilterausgänge von etwa gleicher Amplitude zu haben , um eine gleichmäßige Darstellung aller Frequenzen in der Aufzeichnung zu erhalten. Ausgänge mit gleicher Amplitude können entweder durch Einstellung der Verstärkung oder durch multiples Schießen erreicht werden, wenn bestimmte Frequenzen mit hoher dämpfung übertragen werden. Die Benutzung eines Filters, dessen Q mit der Frequenz zunimmt, z.B. des Fllteisnach Flg. 12, verhilft zur Aufreiht erhaltung dar Amplitude bei den normalerweise stärker gedämpften Signalen höherer Frequenz.

5. Eine lineare Frequenzverteilung liefert allgemein geringe Nebenzipfel, abgesehen von den großen Schwebungefrequen*- zipfeln, die sich durch das gleichbleibende Frequenzinterval ergeben. Diese Nebenzipfel liegen bei J-y Sekunden seitlich do3 zentralen Zeichens, wobei Af die gleichbleibende Frequenzdifferenz bedeutet. Mit einer großen Zahl von Frequenzen können diese Nebenzipfel von dem zentralen Zeichen ferngehalten werden.

6. Die Länge der ausgesandten Wellenzüge sollte ausreichend groß sein, damit sich ein gutes Verhältnis Signal/Flauschen ergibt; die Länge muß aber geringer sein als -r^y , damit die Nebenzipfel außerhalb der Grenzen des ausgesandten Wellenauges bleiben.

ρ ir O

- 33 -

7. Die Frequenzen müssen so ausgewählt werden, daß die aufgenommenen WellenzUge miteinander In Phase nur während einer ihrer Perioden sein können. Insbesondere während der der letzten Periode des entsprechenden ausgesandten Wellenzuges zugehörigen Periode.

8. Die Frequenzen nüssen so gewählt werden, daß die Frequenzen des Bodengeräuschs und aller anderen Störgeräusche, be lenders die 60 Hz-*requenz, ausgelassen werden können. Bodengeräusch 1st da3 von den seismischen Gebern in den oberen Bodenschichten hervorgerufene Geräusch. Bei den üblichen Soisaikisessungen deckt das Bodengeräusch oftmals die gesuchten Reflexions signale zu, weil es gleichzeitig und mit vergleichbarer Amplitude eintrifft. Die in der vorliegenden Erfindung bevorzugten Geber geben nur sehr geringes Bodengeräusch; außerdem wird das Bodengeräusch, nachdem es la allgemeinen zufällig auftritt, durch die Vielartigkeit der Geber etwas reduziert, «erner 1st das Bodangeräusch im allgemeinen in eiern!ich begrenzten Frequenzbereichen vorhanden, etwa bei Io bis 3o Hz, und die Wirkung des Bodengeräuschs kann daher erheblich verringert werden, indem xan diese Frequenz nicht zum Messen heranzieht. Das kann durch passende Wahl der Filter 28 geschehen und dadurch, daß man keine WellenzUge mit der gleichen Frequenz, wie sie das Bodengeräusch hat, auesendet.

Zusammengefaßt hat das Summier zeichen eine Breite, die durih die Durchschnittsfrequenz bestimmt 1st, und die Nebenzipfel werden geringer mit zunehmendem Frequenzbereich.. Die Zahl der Frequenzen ist anscheinend nicht kritisch, eine größere

009808/Q37· BADCn-^L

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Zahl reduziert jedoch die Kebonzipfel. Die genaue Größe der Frequenzen ist nicht kritisch, außer daß sie so gewählt werden sollten, daß die Signale niemals in Phase sind, ausgenommen einmal innerhalb der gesamten Zeit, die von den ausgehenden Signalen verbracht wird.

Empirische Untersuchungen haben eine lineare Verteilung der Frequenzen günstiger erscheinen lassen als andere untersuchte Verteilungen. Eine unbefriedigende Tatsache der linearen Verteilung ist das Auftreten von zwei starken Nebenzipfeln, die sich aus der gemeinsamen Differenz oder der Schwebungsfrequenz zwischen den einzelnen Frequenzen ergeben. Diese beiden Nebenzipfel können ausgefiltert oder sonstwie erheblich reduziert werden, je nach dem angewandten Filterprozeß, indem eine Länge des ausgestrahlten Wellenzuges gewählt wird und eine Frequenzdifferenzzusammenstellung, durch die die Nebenzipfel jenseits der zeitlichen Abgrenzungen des Wellenzuges gebracht werden. Die Sliminierung des Nebenzipfel wird erreicht, wenn vor der Frequenzsummierung zum Zusammenlegen der Impulse eine Laufzeitfilterung vorgenommen wird; eine Verkleinerung der Nebenzipfel wird durch Funktionsfilter herbeigeführt.

Es soll nun eine lineare Verteilung mit fünfzehn Frequenzen angenommen v/erden, die ein Frequenzintervall von J*f Hz aufweist. Wenn lange Wellenzüge dieser Frequenzen summiert werden, ergeben sich Schwebungen mit einer Schwebungsfrequenz ,^f. Das Zeitintervall zwischen phasengleichen Schwebungsspitzen ^ist -si ·

009808/0371

r_;:D OBiGiNAL

- 4ο - H7395J

In einer seismischen Aufzeichnung, die durch Summation von Wellen konstanter Amplitude entstanden ist, erscheint eine Folge großer phasengleicher Peaks mit Zeitintervallen -g-j> , getrennt durch Gebiete von beträchtlich geringerer Schwingung, die durch die Addition zufälliger Phasen entstanden sind.

Nun wird angenommen, daß anstelle von Wellenstigen konstanter Amplitude Wellenzüge zu kombinieren sind, die solche Phasen- · lSije, Fora und Länge aufweisdn, daß die durch Addieren der verschiedenen V/ellenzüge erhaltene Wellenform um eine Spitze ait Fhasengleichheit zentriert ist und eine Zeitspanne merk-

2
1Icher Amplitude von weniger als -yr» Dauer umfaßt, welches die Wellenzugart ist, die am Filterausgang auftritt. Auf diese Weise v/ürde nur ein zentraler Peak mit Phasengleichheit hervorgerufen, während die benachbarten Phasengleichheits-Peaks entweder fehlen oder vernachlässigbar klein sind, und die schwachen, das mittlere Einzelzeichen umgebenden Schwingungen nehmen an Amplitude ab mit der Entfernung vom zentralen Peak.

Das Kriterium der Aufzeichnung, daß die Zeitspanne, die die

2 gummierte Welle umfaßt, kleiner als -n ist, bedeutet für den

Fall des Verzö'gerungsfllterns, daß die Zeitspanne der Eingangs-Impulse zum Laufzeitfiltern kleiner ist als -J-* . Xn diesem Fall werden die Nebenzipfel eliminiert. Bei der Anwendung von Funktionsfiltern vor dem Summieren, würde das Kr It er lim besagen., daß die Eingangsimpulse für die Funktionsfilter eine Zeitspanne von weniger als -yj umfassen und weiter, daß die Verengerung Im Ausgang des Funktionsfilters innerhalb einer Zeit -n Im '.vesentlichen auf Null zurückginge. Beim Anwenden von Funktions-

009808/03-79 . bad ordinal

filtorn würde der liebenzipfel bei -~γ Sekunden nach dem Hauprpeak erheblich verkleinert aber nicht eliminiert werden.

Die tatsächliche Länge T des Wellenzuges sei gegeben durch die Beziehung

worin η die Zahl der Perioden

je Puls und f die Frequenz in Hz ist. Entsprechend dem Kriterium sollte diese Länge kleiner als -n sein. Wenn man zuläßt, daß

1 η + m

wobei m eine positive,

nicht notwendig ganzzahlige Konstante ist, wird das Kriterium erfüllt.

Für einJ3eispiel wird m = 1 gewählt. Die Zahl der Perioden und die Frequenzen ergeben dann folgendes Bild:

21 Perioden mit 99 Ha 2o Perioden mit 94,5 Hz 19 Perioden mit 9o Hz 18 Perioden mit 85,5 Hs 17 Perioden mit 81 Hz 16 Perioden mit 76,5 Hz 15 Perioden mit 72 Hs 14 Perioden mit 67,5 Hs 13 Perioden mit 63 Hs 12 Perioden mit 58,5 Hz 11 Perioden mit 54 Hs Io Perioden mit 49,5 Hs 9 Perioden mit 45 Hz 8 Perioden mit 4o,5 Hz 7 Perioden mit 36 Hz

009808/Q379

η r orisi^al

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15 Frequenzen	η	+ 1
		f
At =	4,	5 Hz
T99 -	O,	212 see
T56 *	o,	194 sec
Mittel a	67	,5 Hz

0,222 sec

Einen unter vielen Vorteilen bei den fünfzehn Frequenzen stellt ea dar, daß beim Auslassen einer Frequenz oder auch mehrerer, um bestimmte Nebengerauschfrequenzen vermeiden, nur geringe Auswirkungen auf die Darstellung der Aufzeichnung in Erscheinung treten würden. An beiden Enden der Frequenzfolge können auch zusätzliche Frequenzen zugefügt werden, und es kann die Verteilung zu hb'heren oder niedrigeren Frequenzen verschoben werden, ohne da3 ernsthafte Störungen der Aufzeichnung eintreten.

Untersuchungen mit einest einzelnen Reflektor und dem oben, angeführten Satz von Frequenzen führten zu dem durch den Schrieb A der Fig.14 dargestellten Ergebnis. Die Wirkung •iner passenden Frequenzauswahl läßt sich graphisch darstel len durch den Schrieb 3 in Fig.14, der mit einer liefraren Verteilung von acht Frequenzen zwischen 24 und 1o1 Hs gewonnen wurde. Das Intervall —t von 11 msec führte zu starken H eben- Zipfeln bei 90 msec, während das Intervall At von 4,5 msec, das bei der Herstellung des Schriebes A benutzt wurde, die Meoenzipfel um 222 msec entfernt vom Hauptpeak entstehen lessen würde, also ?.u weit auswärts, als daß sie mit merklicher

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BADOFCNAL

-43- H739S2

Amplitude bei der Anwendung von Pulslängen von 194 bis 212 msec erscheinen könnten.

Eine Folge'von Frequenzen, die sich als sehr nützlich in der Praxis herausgestellt hat, ist die lineare Verteilung von .fünfzehn Frequenzen, die mit 18 Hz beginnt und eine Differenz Δ t von 4,5 Hz zwischen benachbarten Frequenzen aufweist. Der tfellenzug mit 18 Kz ist vier Perioden lang und bei 81 Hz 18 Perioden lang; entsprechende Periodenzahlen gelten für die dazwischen liegenden Frequenzen, um Wellenzüge von etwa gleichmäßiger -L<änge entstehen zu lassen.

Vorausgesetzt daß die Frequenzen für die Pulssummierung ausgewählt ist, verbleiben zwei kritische Einstellungen für die Gewinnung eines optimal guten Frequenzsummationsschrlebs. Einerseits handelt es sich um die Zeitsteuerung für den Pulseinsatz, um zu erreichen, daß die zentrale!Kauptpeaks der aufgezeichneten Filterausgänge bei allen Frequenzen phasengleich zum Summieren aufgezeichnet sind. Andererseits betrifft es die Einstellung der Amplitude der einzelnen Frequenzen.

Die Festsetzung" der Pulseinsatzzeiten bei jeder Frequenz ist von großer Bedeutung. Die Erfahrung hat gezeigt, daß der Einsatz befriedigend erfolgt, wenn er Im Bereich einer Millisekunde oder besser bestimmt ist. Die Einsatzzeit wird für jede Frequenz durch die Hauptsteueranlage festgesetzt, wie früher beschrieben. Wenn die Zeit für ein begt-immtes System einmal festgesetzt ist, muß sie normalerweise nicht neu eingestellt werden, außer möglicherweise bei extremen Veränderungen der Feldbedingungen.

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Die Einsatzzeit muQ die Haupt- oder Zentralpeaks der Funktionsfilterausgänge zur Koinzidenz bringen. Sie umfaßt alle im System vorhandenen Phasenverschiebungen, auch des Gebers selbst. Sin befriedigendes Verfahren zur Bestimmung der Frequenzeinsatζzeiten besteht darin, ein Geophone in den Boden neben einender Geber zu setzen und dann den Geber mit den verschiedenen Frequenzen anzuregen und Aufzeichnungen zu machen; das Geophonsignal wird durch den üblichen Geophonverstärker mit dem auf die jeweilige Frequenz abgestimmten Funktionsfilter 28 aufgenommen. Die Laufzeiteinstellungen werden verändert, bis die erforderlichen Frequenzpeaks auf den Schrieben deutlich erscheinen. Die auf diese Weise bestimmten Frequenz-Einsatzseiten können dann für alle folgenden Schüsse benutzt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient als Aufzeichner eine Magnettrommel mit einer Mehrzahl von Aufzeichnungskanälen, die axial auf der Trommelfläche versetzt sind; die Trommel läuft mit gleichmäßiger Geschwindigkeit um und liefert eine Aufzeichnungszelt von einigen Sekunden. Sin bestimmter Punkt im Aufzeichnerumlauf kann als Bezugspunkt oder "Nullzeit" benutzt werden.. Dieser Punkt kann durch eine Zeitmarke Identifiziert und gekennzeichnet werden, die an der Aufzeichnungstrommel angebracht ist, z.B. durch einen liikrosehalter, der einen Kreis schließt, welcher an dieser Stelle des Umlaufs tätig wird und einen Bezugsimpuls liefert, der die Bezugsgräße oder die Nullzeit angibt. Da alle Aufzeichnungskanäle sich auf der gleichen Trommel befinden, kennzeich-

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net dieser Impuls den gleichen Punkt In dem Umlauf Jedes Aufzeichnungekanals und daher jedes mit einer der Frequenzen aufgezeichnete Signal. Der Bezugsimpuls kann dann dem Hauptsteuersystem zugeleitet werden, um dessen Arbeiten einzuleiten. Damit die aufgezeichneten Signale in den jeweiligen Kanälen in der richtigen gegenseitigen Phasenlage zum Zusammenfassen der Pulse gemäß der Erfindung sind, kann der Beginn des von den seismischen Gebern ausgesandten Wellenzu&es gegenüber der Bezugsmarke durch einen üblichen einstellbaren Laufzeitmechanisnius eingestellt werden, zum Beispiel durch einen monostabilen Multivibrator mit einstellbarer Schaltzeit oder einen Oszillator und Zähler, die als elektronischer Taktgebor betrieben werden. Eine unterschiedliche Verzögerung für jede Frequenz sorgt dafür, daß die Signale in den jeweiligen Kanälen zeitlich richtig gegenüber der Zeitmarke ausgerichtet sind, so daß die Signale aller Kanäle summiert werden können, um die oben beschriebene zusammengefaßte Aufzeichnung zu erhalten. Aus diesem Grunde fallen von sich &US die Bezugsmarken für die jeweiligen Kanäle zusammen, wenn alle Kanäle auf der gleichen Trommel registriert werden.

»Vie oben erwähnt, ermöglicht die derart ausgeführte Synchronisierung die Zusammenfassung der jeweiligen aufgenommenen oder aufgezeichneten V/ellenzüge In der Welse, die früher bezeichnet worden ist mit "zeltlicher Beziehung, in der die aufgezeichneten Wellenzüge, die den ausgesandten Wellenzügen ohne Durchgang durch den Boden entsprechen, während einer Periode eines jeden Wellenzugee in Phase sind", insbesondere während der letzten Periode.

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Es wurde'schon früher festgestellt, daß die besten Aufzeichnungen mit Filterausgängen zu erhalten zu sein scheinen, die ungefähr gleiche Amplitude haben. Ein Faktor 2 der Amplituden hat sich als zulässig erwiesen.

Wenn die Amplituden so eingestellt werden, daß die Ausgänge ungefähr gleiche Amplitude aufweisen, müssen von multiplen Reflexionen herrührende Interferenzerscheinungen sorgfältig ausgeschlossen werden. Dementsprechend sollte die Amplitudeneinstellung für eine bestimmte Frequenz auf einer Mittelung der Amplitude über einen beträchtlichen Teil der Zeitskala beruhen und nicht auf einem einzelnen Reflexionssignal. Ferner können für den Fall eines verhältnismäßig starken Anwachsens der Dämpfung der hohen Frequenzen mit zunehmender Tiefe zwei oder mehr Reihen unterschiedlicher Einstellungen für die Amplitudenbeziehungen vorgenommen werden. Wenn die Verstärkungseinstellung vorgenommen worden ist - entweder für die gesamte Zeitspanne oder für mehrere getrennte Zeitintervalle -, sollte sie während der seismischen Messung nicht verändert werden, selbst wenn es scheint, daß für bestimmte Reflektoren eine bestimmte Frequenz ungewöhnlich niedrige oder hohe Amplituden aufweist. Die ungewöhnlich niedrigen oder hohen Amplituden können infolge Interferenz zwischen zwei oder mehr Reflektoren entstanden sein.

Es liegt in der Natur der Frequenzsummationeaufzeichnung, daß diese Interferenzeffekte ihre augenblickliche Amplitude beibehalten, so daß die störenden Reflektoren Ihre eigenen Zeichen mit richtigem Abstand schreiben.

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Es wurde schon erwähnt, daß eine gewisse Abhängigkeit der aufgenommenen Amplitude von der Frequenz auftreten kann, die mit der Laufzeit variiert. Diese Abhängigkeit von der Frequenz wird durch Vorgänge bei der Erzeugung, der Fortleitung und der Reflexion hervorgerufen. In einigen Gegenden werden die hohen Frequenzen zunehmend verhältnismüßig stärker geschwächt, während sie in anderen Bereichen mit gleichmäßig guter relativer Stärke durchkommen. Unter Versuchsbedirgmgen, bei denen die Amplituden der Reflexionen mit hohen Frequenzen eine besondere Verstärkung nötig machen, ist es manchmal zweckmä3i£-, die hohen Frequenzen häufiger auszulösen, bevor sie mit den niedrigeren Frequenzen zusammengefaßt werden.

Oftmals ist es möglich, die aufgenommenen Signale durch Verstellen des Geberausgangs oder der Verstärkung in den verschiedenen Aufzeichnungskanälen einander anzugleichen. Jedoch wird eine Grenze gebildet durch die Leistungsfähigkeit der verwendeten Geber und Verstärker. Es gibt eine praktische Grenze für den Energiebetrag, der durch einen Geber von vernünftiger Größe abgestrahlt werden kann, wenn man innerhalb der Elastizitätsgrenzen der, Bodens bleiben will, mit dem er verbunden ist. Die Verstärkung kann das nur soweit wettmachen als ein angemessenes Verhältnis Signal/Bauschen besteht. Außerdem dürfen die benutzten Verstärker keine übermäßige Phasenverschiebung verursachen, sonst können die Signale der verschiedenen Frequenzen nicht richtig kombiniert werden. Unter derartigen Umständen können die Empfangssignale durch mehrfaches Auslösen bei den höheren Frequenzen angegli-

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chen werden. Das heißt, einige Kanaäle können mit der gleichen Frequenz beschickt werden. Jedes Empfangssignal dieser Frequenz kann dann in einem eigenen Aufzeichnungskanal geschrieben werden. Diese verschiedenen Kanäle würden dann zusammen das angeglichene Signal dieser Frequenz enthalten, das mit den Signalen der anderen Frequenzen zu summieren wäre. Diese multiple AusIbsen bei einer gegebenen Frequenz verbessert das Signal/Rauschen-Verhältnis ohne die Geber oder das Anzeigesystem zu überlasten.

Diese Angleichung der Signale ermöglicht nicht nur die beste Zusammenfassung der Impulse sondern es dient auch der Beibehaltung der Wiedergabetreue der Aufzeichnung. Das ist oftmals wichtig, denn - wie der Ausdruck besagt - die Kennzeichnung für jede reflektierende Schicht ist charakteristisch für diese Schicht auf verschiedenen Seismogrammen. Das ermöglicht eine richtige Zuordnung von seismischen Aufzeichnungen von verschiedenen Stellen einer Gegend, so daß die verschiedenen Schichten in einer geophysikalischen Studie eines größeren Gebiets, in dem Geber und Empfänger an einer Anzahl verschiedener Orte ausgelegt waren, richtig eingeordnet v/erden können.

Der hier bei einer seismischen Aufzeichnung angewandte Ausdruck "Wiedergabetreue" ist in Anlehnung an den Gebrauch des Ausdrucks bei der ICusikwiedergabe benutzt. Die Genauigkeit der Wiedergabe der seismischen Kennzeichen hängt ebenso wie die Treue der musikalischen Wiedergabe von dem Ausmaß ab, in dem ein gleichmäßiger Frequenzgang erreicht ist.

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Die teianitchen Zeichen werden nach Ihrer Form und Struktur Qls von einer bestimmten Schichtgrenze herkommend erkannt. Form und Struktur eines bestimmten beobachteten Reflexionszeichen· hängen jedoch nicht nur von den Reflexionseigeneehaften der Grenzschicht ab sondern ebenso von den Durchlaßeigenschaften des Weges der Welle zwischen Geber und Empfänger. Sin Mechanismus oder ein Verfahren, das für die Aufrecht· erhaltung «Ines Frequenzspektrums konstanter Amplitude über verschiedene Wege sorgt, gewährleistet, daß die Reflexionszeichen gleiche Form und Struktur über diese verschiedenen Lurchlafivrege beibehalten werden, womit dann das Zeichen ein Charakteristlkum der einzelnen Reflexions-Schichtgrenze 1st. Eine Einrichtung oder ein Vorgehen wie etwa multiples zunehmendes Auslösen bei höheren Frequenzen, das die relativ starke Dämpfung der hohen Frequenzen auszugleichen vermag und eine konstante Amplitude des Frequenzspektrums am Empfänger aufrechterhalten kann, gewährleistet die Zeichentreue und vermittelt dadurch optimale Erkennbarkeit. Das oben beschriebene System , das die getrennte Behandlung jeder der Frequenzkomponenten vorsieht, ist ganz besonders geeignet für das selektive multiple Auslösen, das erforderlich ist, um die gleichmäßige Frequenzkurve für Zeichentreue zu erreichen.

Ed ist festzustellen, daß die Prozedur der Laufieitelnetellung und dl· Zusammenfassung von Wellenzügen durch Frequenzsumaleren verschiedene Dinge sind, die für sich von Bedeutung sind. Die Kombination beider vermittelt jedoch eine verbesserte Informationsauswahl und macht es möglich, bisher nicht erkenn-

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bare reflektierende Schichten zu identifizieren. Die Technik des Summierens liefert schärfere Fomationszeichen mit geringerem Nebengeräusch als sie mit den bisher bekannten Verfahren erreichbar waren. Die Hinzufügung des Laufzeitverstell ens macht es jedoch außerdem möglich, Zeichen zu identifizieren, die 30nst von anderen Reflektieren überdeckt sind. Um bestimmte Reflektoren hervorzuheben, ist es allgemein erforderlich, mehrere Messungen mit unterschiedlichen LaufZeitwerten vorzunehmen und die Laufzeiteinstellung festzustellen, die einen Llaxiraalwert des interessierenden Reflektorzeichens ergibt.

Die durch das Frequenzsummierverfahren gewonnene zusammengefaßte Aufzeichnung ähnelt in ihrem Aussehen dem sogenannten "Ricker Wavelet" und den durch Autokorrelationstechniken erzielbaren Zeichen. Die geringe Zeichenbreite, die durch die hohe mittlere Frequenz erzielt wird, welche dieses System cöglich macht, führt zu einer besseren Zelt- und damit Tiefenauflösung als sie bei den üblichen Systemen mit Fallgewicht oder Dynamit möglich sind. Das hohe Signal/Rauschen-Verhältnis, erreichbar durch die Schmalbandfunktionsfllter und die Frequenz summierung ame t ho de, führt zu besonderer Klarheit der Reflexlonspeaks und zu der Möglichkeit, bei starkem Umgebungsgeräusch zu arbeiten. Die Ausweichmöglichkeiten bei der Wahl der Frequenzen gestattet es, Umgebungsgeräusche mit starken Spitzen zu vermeiden, das Bodenrauschen zu vermindern, spezielle Interferenzstudien dünner reflektierender Schichten anzustellen uni. > ringt weitere bemerkenswerte Vorteile. Die

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genau· seitliche Synchronisierung und gute Reproduzierbarkeit der Slgnalelgenechaften macht wiederholtes Signalauslösen möglich und sorgt für gute Wiedergabetreue der Aufzeichnungen. Die Möglichkeit, eine gleichmaßige Amplitude des aufgenommenen Signals über das benutzte Frequenzspektrum zu erzeugen und aufrechtzuerhalten (durch selektives multiples Auslösen bei jeder Frequenz) gestattet die Herstellung von Heflektionszeichen hoher Wiedergabetreue und erlaubt leichtes Erkennen und Identifizieren der reflektierenden Schichtgrenze. Die grundlegenden Merkmale der Ausrichtung des Strahls und .icr Selektivität für den reflektierenden Horizont, die eine Folge des Laufzeitverstellung oder Phaseneinstellung der verschiedenen Geber ist, ermöglichen eine weitere einstellbare Vergrößerung der Reflektionszeichen.

Die genannten Merkmale gestatten die Herstellung seismischer Aufzeichnungen, die sich zur Analyse unterirdischer Einzelheiten mit guter Auflösung und hoher Genauigkeit eignen.

In diesen seismischen Aufzeichnungen findet sich jedoch noch •eine weitere Größe, verglichen mit den üblichen Aufzeichnungen. Mit jedem eingestimmten ReflektIonszeichen ist seine Zeitverschiebung oder sein Laufzeltwert verknüpft, das mit dem Abstand Geber - Empfänger, der Zeitverschiebung an den Empfängern und der Laufzeit des Signals die unmittelbare Bestimmung der mittleren Wellengeschwindigkeit möglich macht sowie der Tiefe und der auf die Oberfläche projizierten Position des Reflektors und des Neigungswinkels der reflektierenden Fläche.

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tfenn das Reflektionszeichen mit der oben beschriebenen Technik des Zusammenfassens von Impulsen gewonnen, wird, η lernt man das Einstimmen der Laufzeit vorzugsweise durch Hin- und Herverstellen der Laufzeit einst ellung vor, üb die Einstellung zu treffen, bei der das Zeichen für des speziellen hervorzuhebenden Reflektor seinen Maximalwert erreicht. Unter gewissen Umstünden kann es vorzuziehen sein, das auf-ScnoEEiene Signal für einen einzelnen Impuls oder Wellenzug einsr einzelnen Frequenz auf den Maximalwert zu bringen. Auf jeden Fall kann eine Anzahl unterschiedlicher Laufzeiten eingeführt werden, usi die Ermittlung und Anwendung derjenigen Laufzeit zu ermöglichen, die den Maximalwert des aufgenommenen Sijnals für den speziellen Reflektor herbeiführt.

Wenn das Einstellen der Laufzeit nicht vorgenommen wird, kann d:.s entstehende Seismogramm wie ein gewöhnliches Seismogramm verwendet v/erden. Die ^eschwini igkeit kann durch anderweitige Messungen ermittelt werden, etwa durch das Geschwindigkeits-Log oder durch Laufzeiteinstellen in angrenzenden Gebieten·

'Für übersichtliche geologische Gebiete, das heißt bei ungefähr parallelen Schichtungen, kann der gesamte Aufzeichnungsbereich auf einer Darstellung untergebracht werden durch Anordnung richtig eingestimmter aufeinanderfolgender Abschnitte, wobei die verstimmten Abschnitte verworfen werden. Die Schriebe können dann, falls gewünscht, dargestellt werden durch die Gegenüberstellung einer Variablen und der Dichte oder auf andere Welse.

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In schwierigeren Gegenden, in denen stark veränderliche I.'oi^ungswinkel auftreten und besonders beim Erscheinen positiver und negativer 17 ei^ungs winkel, können die Reflektoren am besten durch eine Ssris von Folgen mit Laufzeiteinstimsung dargestellt werden, die nach Möglichkeit positive und negative .Yerte der Verstimmung in getrennten FoI- £2-i umfassen. Beispielsweise könnten beim Hessen in der lütte einer Kulde getrennte einzelne Aufzeichnungen ge-Eiaclit v/erden von den einander gegenüber liegenden geneigten Eliten der L'ulde, eine Aufzeichnung für eine Folge positiver Lnu-Tzeiten und eine andere Folge für negative Laufzeiten.

Vorstehend sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben worden; es sind jedoch im Rahmen der Erfindung noch Abweichungen möglich. Zum Beispiel können die Wollenzüge bei der verschiedenen Frequenzen in bestimmten _; Folgen mit nur kurzen Intervallen zwischen den Impulsen ausgesandt werden, wenn die Aufeinanderfolge der Frequenzen so gewählt 1st, daß gegenseitige Beeinflussung (cross-channel fe-ci-through) möglichst klein gehalten wird. Es ist weiter erv/c^cn, den gesamten Ablauf im voraus zu programmieren, wobei die Anweisungen der HauptSteueranlage durch Lochstreifen zugeführt würden. Wie oben erwähnt,ermöglicht die Kultifrequenzarbeitsweise das Identifizieren von Interferenzmustern, die den relativen Abstand zwischen Reflektoren angeben. Weitere Abänderungen der oben beschriebenen Anordnungen sind möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. . ₍

Patentansprüche!

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Claims (13)

Patentansprüche

1. Verfahren zum seismischen Prospektieren, bei dem in den Boden von einer Anzahl voneinander entfernter Punkte aus seismische Wellen ausgesandt werden und bei dem alle von reflektierenden Schichten im Boden zurückgeworfenen seismischen Wellen kombiniert und an der Empfangsstation aufgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussendung seismischer Wellen von bestimmten Punkten (1o) aus verzögert wird, um einen Uaximalwert der kombinierten . seismischen V/eilen, die von einer ausgewählten Schicht (16) zurückgeworfen werden, zu erhalten.

2. Verfahren zum seismischen Prospektieren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Phasenlage der seismischen Wellen variiert wird, die von bestimmten Punkten (1o) aus abgestrahlt werden, um einen Maximalwert der kombinierten, von der ausgewählten Schicht (16) zurückgeworfenen seismischen bellen zu erhalten.

. 3. Verfahren zum seismischen Prospektieren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dafl dem Boden seismische V/ellen bestimmter Frequenz und während einer bestimmten begrenzten Zeit zugeführt werden.

4. Verfahren zum seismischen Prospektieren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dafl seismische Wellen dem Boden an jedem einer ungeraden Zahl von voneinander entfernten Punkten (1o) zugeführt werden.

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5. Verfahren zum seismischen Prospektieren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Boden seismische Wellen an jedem von mehr als fünf voneinander entfernten Punkten (1o) zugeführt werden.

6. Verfahren zum seismischen Prospektieren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Boden seismische Wallen an jedem von etwa elf voneinander entfernten Punkten (1o) zugeführt werden.

7. Verfahren zum seismischen Prospektieren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Boden seismische Wellen an jedem einer Anzahl auf einer Geraden (11) (collinear) mit gegenseitigem Abstand angeordneter Punkte (1o) zOöeführt werden, und daß die Kombination aller seismischen V/ellen an einer in der geradlinigen Verlängerung der Punktreihe (collinear) angeordneten Empfangsstation (12) aufgenommen wird.

8. Verfahren zum seismischen Prospektieren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Boden seismische Wellen an jedem einer Anzahl von Punkten (1ο¹) zugeführt werden, die in einer zweidiaensionalen Ordnung angeordnet sind, und daß die relative Phasenlage der seismjs chen Wellen variiert wird, die von bestimmten Punkten (1o^f) aus abgestrahlt werden, um einen Maximalwert der kombinierten, von einer ausgewählten Schicht (16) zurückgeworfenen seismischen Wellen zu erhalten«

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9. Verfahren zum selsmjs chen Prospektieren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Boden seismische Wellen an federn einer Anzahl Punkte (10') zugeführt werden, die In Rhoabenform (S^ bis SA) angeordnet sind.

1,o. Verfahren zun seismischen Prospektieren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Phasenlage der zugefUhrten seismischen Wellen für den Fall der» erhaltenen Llaxiinalv/erts der zusammengefaßten aufgefangenen seismischen 7,'ellen gemessen wird.

11. Verfahren zun seismischen Prospektieren nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß seismische Wellen dem Boden*von . Punkten aus zugeführt werden, deren gegenseitiger Abstand gegenüber der Tiefe der ausgewählten Schicht (16) vernachlässigt werden kann.

12. Verfahren zum seismischen Prospektieren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig an mindestens zwei Smpfangsstationen (12) die Kombination aller von reflektierenden Schichten im Boden zu den Stationen zurückgeworfenen seismischen Wellen aufgefangen wird, daß die Differenz der Ankunftszelt der auf Maximalwert gebrachten, kombinierten aufgefangenen seismischen Wellen' an Jeder der genannten Stationen gemessen wird, und daß die Durchgangs«eit der genannten, auf Maximalwert gebrachten, kombinierten aufgefangenen seismischen Wellen für die Strecke von den Punkten (1o)

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bis zu den Stationen (12) gemessen wird, wodurch aus der relativen Phasenlage für die auf Maximalwert gebrachten, kombinierten aufgefangenen Wellen, aus dem Unterschied der Ankunftszeit der auf L'aximalwert gebrachten, kombinierten aufgefangenen V/ellen und aus der Durchgangs ze It die Neigung und die Tiefe der ausgewählten Schicht (16) bestimmt werden kann.

13. Verfahren zum seismischen Prospektleren nach Anspruch 12, wobei die seismischen V/ellen dem Boden an jedem einer Anzahl auf einer Geraden (11) (collinear) mit gegenseitigem Abstand angeordneter erster Punkte (1o) zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß weitere seismische Wellen dem Boden an jedem einer Anzahl auf einer zweiten, die Anordnung der ersten Punkte seimeidenden Geradon mit gegenseitigem Abstand angeordneter Punkte zugeführt werden, dafl an mindestens einer Empfangsstation (12) die Konbination aller weiteren seismischen Wellen, ■ die von reflektierenden Schichten im Boden an die Station zurückgeworfen sind, aufgefangen wird, daß die relative Phasen-

lage der weiteren seismischen Wellen, die an den Jeweiligen weiteren Punkten ausgesandt sind, verändert wird, um einen . .: Maximalwert der kombinierten aufgefangenen seismischen Wellen zu erhalten, die von der ausgewählten Schicht (16) »urück- "i geworfen sind, und daß die relative Phasenlage gemessen wird, ' die zum Erreichen des Maximalwertes der kombinierten, aufgefangenen weiteren seismischen Wellen erforderlich 1st. . ■,]

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