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Die Erfindung betrifft eine seismische Anordnung zum Kartographieren der im Oberbegriff des Patentanspruchs beschriebenen Art. Eine solche seismische Anordnung ist aus der US-PS 27 32 906 bekannt.
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Eine genaue Kenntnis der Lage von Salzhängen, von Verwerfungsebenen und der Oberfläche von Riffmassiven benötigt man sowohl für die unmittelbare Auffindung von Erdöl- und Gaslagerstätten, die mit Riffen und Strukturen des Anschlusses von oberhalb der Salzschicht befindlichen Ablagerungen an die Salzoberfläche und die Verwerfungsebene zusammenhängen, als auch für die Erhöhung der Sicherheit der Erkundung von unterhalb der Salzschicht vorhandenen Ablagerungen durch Anwendung von seismischen Untersuchungsmethoden.
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Es ist bereits ein seismisches Bohrloch-Erkundungsverfahren zum Kartographieren von steilen Salz- und Riffmassivhängen bekannt (Junussow N.K. "Primenenije metoda skwashinnoj sejsmorswedki pri poiskach rifowykh massiwow w Preduralskom progibe" [Anwendung der seismischen Bohrloch-Erkundungsmethode beim Aufsuchen von Riffmassiven in der Vorural-Einwölbung]; Angewandte Geophysik, Verlag "Nedra", Moskau, 1968, H. 53, S. 87). Bei der Durchführung dieser Arbeiten bedient man sich Such- und Erkundungsbohrungen, die sich in der Nähe von den vermutlichen Erforschungsobjekten befinden (Salzkuppeln, Riffmassive). Die Wellenregistrierung erfolgt durch seismische Sonden während der einfachen Profilierung längs eines Schachtrohres.
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Für dieses Verfahren ist jedoch ein tiefes Bohrloch erforderlich, das in der Nähe des Steilhangs des Erforschungsobjektes niederzubringen ist, was die Arbeiten beachtlich verteuert und die Erforschungstiefe verkürzt.
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Es sind weitere seismische Erkundungsverfahren bekannt (Nachschlagebuch für den Geophysiker, Verlag "Nedra", Moskau, 1966, Bd. IV, S. 149), bei denen eine Erregung und Aufzeichnung von gebrochenen sowie von Beugungswellen erfolgt. Dabei sorgen sämtliche Systeme für die Aufzeichnung von verlängerten Wellen-Hodographen (mit langer Meßdauer) von mehreren über Tage angeordneten Schußpunkten.
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Bei großen Neigungswinkeln der zu erforschenden Oberfläche erreichen die Wellen nach einmaliger Reflexion bzw. Brechung durch die steile Fläche jedoch die Erdoberfläche entweder gar nicht oder erst in großen Entfernungen. Dies beeinträchtigt die Kartierungsgenauigkeit, und störende Wellen werden entweder nahezu gar nicht geschwächt oder nur ungenügend (wegen der Gruppierung der Quellen bzw. Empfänger).
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Es ist des weiteren ein seismisches Erkundungsverfahren zur Erkundung von Steilhängen (Salzdomen) unter Zuhilfenahme von verlängerten Hodographen für die reflektierte Welle aus mehreren, über Tage befindlichen Schießpunkten bekannt (W.T. Trojanskij, "Ispolsownije udlinennykh godografow woln, otrashonnykh ot podsolewykh graniz, s zelju isutschenija formy jadra soljanykh kupolow" [Anwendung von verlängerten Wellen zur Untersuchung des Salzdomkernes], Erkundungsgeophysik, Verlag "Nedra", Moskau, 1968, Nr. 1, S. 13). Bei diesem Verfahren verwendet man ein System von Gegen- und Nachholehodographen zur Konstruktion von Tiefenprofilen. Die reflektierten Wellen werden in einer Entfernung von 10 bis 25 km aufgezeichnet.
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Nachteile dieses Verfahrens sind eine geringe Untersuchungstiefe und Kartierungsgenauigkeit bei der Kartierung von Steilhängen, weil die nutzbare reflektierte Welle lediglich in großer Entfernung (10 bis 25 km) aufgezeichnet wird, während bei kleineren Entfernungen vom Schußpunkt die Welle wegen der intensiven langsam wandernden Störungswellen nicht verfolgbar ist.
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Aus der US-PS 27 32 906 ist eine seismische Anordnung zum Kartographieren unterirdischer stark geneigter, hinsichtlich ihrer Lage ungefähr bekannter geologischer Strukturen bekannt, bei der auf der Eroberfläche auf der Seite einer der Erdoberfläche zugekehrten geneigten Strukturgrenzfläche Schuß- und Empfangsvorrichtungen zum Aufnehmen von Reflexionswellen-Laufzeitkurven auf einer Beobachtungslinie derart angeordnet sind, daß Reflexionen von jeweils einem gemeinsamen Reflexionspunkt bei verschiedenen Schußpunktsentfernungen aufgezeichnet werden.
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Die Ausbreitungswege reflektierter Wellen unter der Erdoberfläche werden um so länger, je stärker die zu untersuchende Grenzschicht geneigt ist. Damit wächst auch die Störungsempfindlichkeit der seismischen Messungen, wodurch auch die Untersuchungstiefe begrenzt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine seismische Anordnung der gattungsgemäßen Art so weiterzuentwickeln, daß die Genauigkeit der Kartierung von steil geneigten Grenzflächen von Gesteinen verbessert und die Untersuchungstiefe und die Störungsunempfindlichkeit vergrößert werden.
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Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.
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Dabei ist es aus dem Buch "Explosion Seismology in Central Europe", Hersg. P. Giese, C. Prodehl und A. Stein, Springer Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1976, Seiten 168 bis 177 bekannt, die Anordnung von Schußpunkten so vorzunehmen, daß auch Schußpunktsentfernungen vorliegen, die größer oder gleich dem doppelten Abstand der jeweiligen Schußvorrichtung vom Schnittpunkt der Verlängerung der stark geneigten Strukturgrenzfläche bis zur Erdoberfläche mit der Beobachtungslinie sind. Auf eine Verbindung dieses Vorgehens mit der Mehrfacherfassung von Reflexionspunkten gibt diese Druckschrift jedoch keinen Hinweis.
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Für die Erläuterung der Ziele und Vorurteile der Erfindung wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht ist; es zeigt
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Fig. 1 ein Schema für die Bildung eines gemeinsamen Reflexionspunktes für eine Duplex-Welle an einer steil geneigten Oberfläche;
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Fig. 2 ein Schema für die Bildung einer seismischen Welle mit Zweifachreflexion, d. h. durch den Steilhang eines Salzdomes und durch eine der oberhalb der Salzschicht liegenden Grenzen;
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Fig. 3 einen zeitbezogenen Riß für die Erforschung eines Salzkörpers mit einem überkippten Flügel.
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Das mit der erfindungsgemäßen Anordnung durchgeführte seismische Verfahren wird in bestimmter Reihenfolge, und zwar folgendermaßen durchgeführt: Es werden Schwingungen erregt und aufgezeichnet, dann verlängerte Hodographen, d. h. Hodographen mit langer Aufzeichnungsdauer, für die reflektierten Wellen aus mehreren Schußpunkten 1&sub1;, 2&sub1;, 3&sub1; (Fig. 1) durch aufeinanderfolgende Verschiebungen der Schußpunkte 1&sub1;, 2&sub1;, 3&sub1; und der Empfangspunkte 1&sub2;, 2&sub2;, 3&sub2; in Richtung auf die zu untersuchende Oberfläche konstruiert, während der Abstand zwischen den Empfangspunkten 1&sub2;, 2&sub2;, 3&sub2; und den Schußpunkten 1&sub1;, 2&sub1;, 3&sub1; an der Erdoberfläche gleich oder zu mehr als dem doppelten Abstand zwischen dem Schießpunkt und der Projektion des Randbereiches der zu untersuchenden Oberfläche auf die Beobachtungslinie gewählt wird. Eine solche Anordnung der Empfangspunkte 1&sub1; bis 3&sub2; und der Schußpunkte 1&sub1; bis 3&sub1; gewährleistet die Aufzeichnung von doppelt reflektierten Wellen (Duplex-Wellen), d. h. von Wellen, die an einem gemeinsamen Reflexionspunkt auf der stark geneigten Strukturgrenzfläche (5) und einer söhligen Struktur reflektiert werden.
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Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß sowohl bei der Bildung eines gemeinsamen Doppelreflexionspunktes 4 unter Teilnahme einer unterhalb der Salzschicht verlaufenden Grenze R&sub3; als auch bei der Bildung des gemeinsamen Doppelreflexionspunktes 4 unter Teilnahme einer oberhalb der Salzschicht liegenden Grenze R&sub1; die Schuß- und Empfangspunkte 1 bis 3 an der Erdoberfläche auf der Seite der geneigten Struktur angeordnet sein müssen, die der Erdoberfläche zugeneigt ist.
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Die Duplex-Welle pflanzt sich von dem gemeinsamen Reflexionspunkt 4 für die Duplex-Welle, die an den Schußpunkten 1&sub1;, 2&sub1;, 3&sub1; erregt und durch die zusätzliche oberhalb der Salzschicht liegende Grenze R&sub1; reflektiert wurde, fort und wird jeweils in den Empfangspunkten 1&sub2;, 2&sub2;, 3&sub2; registriert. Die Darstellung in Fig. 1 zeigt weiter in punktierten Linien die Ausbreitung der Wellen von dem gemeinsamen Reflexionspunkt 4 für die Duplex-Welle, die in den Schußpunkten 1&sub1;, 2&sub1;, 3&sub1; erregt, durch die zusätzliche unterhalb der Salzschicht befindliche Grenze R&sub3; reflektiert und jeweils an den Empfangspunkten 1&sub3;, 2&sub3;, 3&sub3; aufgezeichnet wurde.
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Anschließend erfolgt eine Aufzeichnung von verzögerten Wellen, durch die eine synphase Summierung der Duplex-Wellen aus den gemeinsamen Doppelreflexionspunkten 4, die an der zu erforschenden Oberfläche angeordnet sind, gewährleistet wird. Dank dieser Aufzeichnung der Duplex-Wellen erreicht man deren minimale Verzerrung sowie eine größtmögliche Abschwächung der Störungswellen.
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Unter einer Duplex-Welle versteht man eine Welle, die eine Doppelreflexion, also eine Reflexion an der zu untersuchenden steil geneigten Oberfläche 5 und eine Reflexion an einer beliebigen, z. B. in oberhalb der Salzschicht oder unterhalb der Salzschicht befindlichen Ablagerungen flach verlaufenden söhligen Schicht R&sub1;, R&sub3;, erfahren hat.
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Unter dem gemeinsamen Doppelreflexionspunkt 4 versteht man einen an der steil geneigten Oberfläche 5 befindlichen Reflexionspunkt, der für die Schar der sich von verschiedenen Schußpunkten 1&sub1; bis 3&sub1; ausbreitenden Strahlen eine einheitliche Reflexionsordinate der Duplex-Welle aufweist.
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Die Wirksamkeit der beschriebenen seismischen Anordung wird nunmehr am Beispiel der Bildung einer seismischen Welle mit einer Zweifachreflexion durch den Steilhang der Oberfläche 5 des Salzdomes und durch eine der oberhalb der Salzschicht verlaufenden Grenze (R&sub1;) veranschaulicht. Diese Wellenart wird mit O H O R bezeichnet.
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Fig. 2 zeigt ausführlicher ein Schema für die Ausbreitung der Strahlen der Wellen, die am Schußpunkt 1 erregt, durch die steil geneigte Oberfläche H reflektiert, dann durch die Oberfläche R&sub1; am Punkt M i wieder reflektiert und am Punkt x i aufgezeichnet wurden. Der Empfangspunkt X i befindet sich im Bereich der Existenz des Hodographen der Duplex-Welle mit X o und X k sowie t o und t k . Die zu erforschende Grenze H ist unter einem Winkel φ zur Profillinie -X+X geneigt. Die zusätzliche Grenze R&sub1; ist zur Profillinie unter einem Winkel γ geneigt.
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Dann lautet die Gleichung für den Hodographen der Duplex-Welle dieser Art wie folgt: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;wobei v&sub1; die Geschwindigkeit der Fortpflanzung der Welle in der Deckschicht der zu untersuchenden Oberfläche, h die Tiefe der oberhalb der Salzschicht verlaufenden Grenze R&sub1;, γ der Neigungswinkel der Grenze R&sub1; gegenüber der Profillinie, φ der Neigungswinkel der zu erforschenden Genze H gegenüber der Profillinie, h&sub1; der Abstand entsprechend der Normalen vom Schußpunkt 1&sub1; bis zur Fortsetzung der geneigten Grenze 5 und x i der Punkt für die Wellenaufzeichnung über Tage ist.
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Die Gleichung für den Hodographen stellt eine Hyperbel dar, deren Minimalkoordinate x min sich von einem beliebigen Schußpunkt 1 bis 3 in einem Abstand von
x min = -[2h sin γ+2h&sub1; sin (2γ+φ)] (2)
befindet.
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Bei senkrechter Lage des Hanges der zu untersuchenden Oberfläche (φ = 90°) und söhliger Lagerung des Randbereiches (γ = 0°) beträgt der Abstand x min = 2h&sub1;, d. h. das Minimum der Hyperbel liegt vom Schußpunkt 1&sub1; bis 3&sub1; in Richtung zur steil geneigten Oberfläche um einen Doppelabstand "Schußpunkt-Projektion des Randbereiches der zu untersuchenden Oberfläche H auf die Beobachtungslinie" entfernt.
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Die Signale mehrerer Trassen werden zu einer Trasse vereint in der Weise, daß sich als Resultat die Summe von synphasen Wellen ergibt.
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Nunmehr sei auf einen Sonderfall eingegangen, bei dem das Medium homogen ist und die Grenzen R und H eine rechtwinklige Stufe, d.h. φ = 90° und γ = 0°, bilden. Bei dieser Annahme ergibt sich entsprechend der beschriebenen Anordnung folgende Gleichung für den Hodographen der Duplex- Welle: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;bei der Auswertung der Zeitabhängigkeit (3) ergibt sich eine Anzahl von praktischen Folgerungen.
- 1. Der Hodograph t (x, x i ) weist nur einen Parameter, nämlich den Wert x i auf; falls dieser konstant bleibt, stellt der Hodograph eine Hyperbnel dar, deren Minimum im Punkt °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;bleibt, wobei T die doppelte Fortpflanzungszeit für Wellen auf der Strecke vom Schußpunkt 1&sub1; bis 3&sub1; bis zur Fortsetzung der geneigten Grenze H ist.
- 2. Bei Entwicklung nach einer Taylorreihe ergibt sich für den Punkt x = 0: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;wobei °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;Aufzeichnung der Duplex-Welle am Anfang O des Koordinatensystems XO ist.
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Das bedeutet, daß nach der Einführung der kinematischen Korrekturen
Δ t k (x&sub1;x i ) = t (x&sub1;x i )-t&sub0;(x i )
in jede Trasse des Seismogramms x i = const die Achsen der Phasenübereinstimmung der Duplex-Wellen zu einer Linie t 0 (x) = const umgestaltet werden. Es ist ganz offensichtlich, daß die Zeit t 0 (x i ) völlig mit der Zeit t(x i ) des Hodographen für die Welle mit einer Zweifachreflexion bei einer Entfernung des Empfängers 1&sub2;, 2&sub2;, 3&sub2; vom Schußpunkt 1&sub1;, 2&sub1;, 3&sub1; gleich dem Abstand x i übereinstimmt. Bei Summation von n begradigten Achsen und Verlegung der resultierenden Trasse zum Punkt 0 nimmt somit die Signalstärke von Duplex-Wellen, welche auf dem Hodographen verteilt sind, proportional zur Anzahl von gewählten Trassen oder Empfangspunkten um das √&udf53;lu,4,,100,5,1&udf54;°Kn°k&udf53;lu&udf54;-fache zu.
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Aus Fig. 3 ist erkennbar, daß sich der zu untersuchende überkippte Flügel eines Salzdomes nach den anfänglichen Reflexionspunkten der Duplex-Wellen O H O R (6) deutlich verfolgen läßt. Die Duplex-Wellen 6 weisen auf dem zeitbezogenen Riß einen auffallend krummlinigen Verlauf auf.
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Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, gestattet es die beschriebene Anordnung, die Störungsempfindlichkeit der seismischen Erkundung zu verbessern, was sich an einer Verminderung des Rauschuntergrundes um etwa eine Größenordnung und einer besseren Verfolgung von reflektierenden Wellen und Duplex-Wellen zeigt. So ermöglicht es die beschriebene Anordnung, in der Zeitspanne von 2,0 bis 3,0 s an den Pflöcken 86-98 (Fig. 3) deutliche Duplex-Wellen aus den gemeinsamen Reflexionspunkten, die an die steil geneigte Oberfläche H des Salzdomes gebunden sind, abzutrennen und diese Oberfläche zu kartieren.
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Mit der beschriebenen Anordnung konnte die Erforschungstiefe der Salzschicht von 1,0 s auf 3,0 s (Fig. 3) vergrößert und die Kartierungsgenauigkeit für deren Oberfläche verbessert werden.
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Die beschriebene seismische Anordnung, bei der die Schuß- und Empfangspunkte in bestimmter Weise angeordnet sind und die reflektierten Wellen ausgehend von dem gemeinsamen Punkt der Doppelreflexion durch die steil geneigte Oberfläche aufgezeichnet werden, zeichnet sich im Vergleich zu bekannten Verfahren durch eine bessere Störungsstabilität gegenüber den Störwellen, die in der Nähe von Schußpunkten registrierbar sind, eine größere Untersuchungstiefe und eine höhere Genauigkeit aus.
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Demzufolge ermöglicht es die erfindungsgemäße Anordnung, die Wirksamkeit von seismischen Erkundungsarbeiten wesentlich zu erhöhen.