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Verfahren zur seismischen Bodenforschung Es ist bekannt, daß man aus
der Eigenart der Ausbreitung insbesondere künstlich erzeugter elastischer Wellen
im Boden Schlüsse über den tektonischen Bau des Untergrundes ableiten kann.
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Zur Aufzeichnung der an einem Beobachtungsorte vorüberziehenden elastischen
Bodenwellen bedient man sich der Erschütterungsmesser, auch Seismographen genannt,
deren Bau verschiedenartige Prinzipien zugrunde liegen, welche man für den vorliegenden
Anwendungszweck systematisch in folgender Weise einteilen kann.
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i. Erschütterungsmesser, welche die Elongationen des Aufstellungsortes
des Instrumentes beim Vorüberziehen der seismischen Welle, also den zeitlichen Verlauf
der wahren Bodenbewegung, aufzeichnen (z. B. nach Wiechert, Bosch-Mainka). Ihre
Vergrößerung für gegen ihre Eigenperiode schnelle Störungsperioden ist von der Frequenz
unabhängig.
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2. Erschütterungsmesser, welche den zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeit
der Bodenbewegung aufzeichnen (z. B. nach Galitzin). Die Vergrößerung nimmt proportional
der Frequenz der Bodenbewegung zu.
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3. Erschütterungsmesser, welche den zeitlichen Verlauf der Beschleunigung
in der Bodenbewegung aufzeichnen, indem sie z. B. den Druck einer elastisch aufgehängten
Masse auf ein Widerlager in Richtung der aufzunehmenden Komponente der Bodenbeschleunigung
während des Vorüberganges der seismischen Welle in Abhängigkeit von der Zeit registrieren.
Ihre Vergrößerung ist proportional dem Quadrate der Frequenz der Bodenschwingungen.
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Während also bei gegebener Amplitude der Bodenschwingungen die Vergrößerung
der Apparate nach i von der Frequenz unabhängig ist, `nächst sie bei den Apparaten
nach 2 mit der Frequenz und bei den Apparaten nach 3 sogar mit dem Quadrate der
Frequenz der aufzunehmenden Üodenschwingungen im Verhältnis zu der Amplitude der
Bodenschwingungen.
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Daraus ergibt sich, daß die Apparate nach i insbesondere für die Registrierung
- natürlicher Erdbebenschwingungen brauchbar sind, bei denen die Periodenlänge vorzugsweise
größe als i Sekunde ist. Dagegen sind die Apparate. nach 3 vorzugsweise zur Aufnahme
künstlich, praktisch vorzugsweise durch Explosionen erregter Erderschütterungen
brauchbar, deren Frequenzen stets unterhalb '%5o Sekunde liegen dürften.
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Die Apparate nach 2 werden für ein mittleres, praktisch weniger bedeutungsvolles
Gebiet nützlich sein können.
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Das Wesen der vorliegenden Erfindung ist nun darin zu erblicken, daß
in jedem Fall - auch bei Verwendung der Erschütterungsmesser nach i und 2 - nicht
die Bewegungs-oder Geschwindigkeitskurve, sondern der zeitliche Verlauf der Beschleunigungswerte
oder einer noch höheren zeitlichen Ableitung der Bewegungskurve an einem oder mehreren
Empfangspunkten
möglichst auf einem gemeinsamen Registrierstreifen aufgezeichnet und ausgewertet
werden soll. Und zwar soll :die Z''ergrößerung der kurzperiodischen Glieder gegenüber
derjenigen der langperiodischen Glieder der (mit Hilfe der bekannten Erschütterungsmesser
in gleichartige elektrische Spannungs- oder Stromwellen umgewandelten Erschütterungswellen
erhöht werden durch Differentiationen nach der Zeit mit Hilfe automatisch wirkender,
beispielsweise elektrischer oder elektromagnetischer Zwischenglieder.
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Mit diesem Verfahren ist ein sehr wesentlicher Vorteil verbunden.
Nach dem ersten (longitudinalen) Einsatz in einem solchen Seismogramme folgen eine
große Anzahl weiterer, für die Drehung wichtiger Einsätze.
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Nun ist es bekannt, daß nur die ersten Einsätze die hohen Frequenzen
besonders. -rein-und kräftig enthalten, während sich den späteren, z. B. durch Reflexionen
oder auf Umwegen ankommenden hochfrequenten und für die Deutung wichtigsten Einsätzen
die relativ viel länger periodischen Oberflächenwellen und Schallwellen derart überlagern,
daß diese wichtigen späteren hochfrequenten Einsätze bisher bei der Aufnahme mittels
der Elongationen oder Geschwindigkeiten aufzeichnenden Apparate gar nicht verwertet
werden konnten.
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Abb. r zeigt diese Tatsache an einem Beispiel, indem die Kurve S die
Elon ationen, Tl die Geschwindigkeiten, B die Beschleunigungen darstellt.
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Also erst wenn man die Beschleunigungskurve bzw. eine noch höhere
Ableitung der Bewegung nach der Zeit registriert, erhält man auch diese späteren
hochfrequenten Einsätze mit voller Klarheit, da für'diese hochfrequenten Schwingungen
die Vergrößerung mindestens entsprechend dem Quadrat der Frequenz erhöht ist, während
die längsämeren Oberflächen- und Schallschwingungen trotz viel größerer Amplitude
der Bodenbewegung in dem Seismogramm der .Beschleunigung bzw. einer noch höheren
Ableitung infolge der mindestens im Ouadrat des Frequenzverhältnisses zu jenen verminderten
Vergrößerung verschwinden.
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Auf diese Weise ist es also möglich, auch nach Ankunft von Oberflächen-
und Schallwellen noch die hochfrequenten (longitudinalen bzw. transversalen) Tiefenwellen,
die für die seismische Bodenforschung meist allein von Wichtigkeit sind, mit Sicherheit
aufzuzeichnen und zur Analyse des tektonischen Baues des Untergrundes nach den aus
der allgemeinen Seismologie bekannten Verfahren zu verwerten.
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Die Umwandlung der Erschütterungswellen in =gleichartige - elektrische.._
Spannungs- oder Sfrömwelleri, die bei den meisten bekannten Erschütterungsmessern
bewirkt wird, gibt nun ohne weiteres die Möglichkeit, die Herstellung der höheren
zeitlichen =Differentialqüotienten tier-pririiäräüfgenommenen mecha-, nischeri `@`ewegüng,
` die -den Grundgedanken vorliegen-der Erfindung ausmacht, durch Anwendung an sich
bekannter elektrischer bzw.-elektromagnetischer Vorrichtungen zu verwirklichen.
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Zur Veranschaulichung dessen seien einige Beispiele angeführt.
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Als Aufnahmeapparat für die seismischen Bodenschwingungen diene z.
B. ein Erschütterungsmesser nach der Bauart 2, welcher die Geschwindigkeitskurve
der ankommenden mechanischen Wellen in gleichartige elektrische Stromwellen umwandelt.
Diese Vorrichtung g! ist in Abb. 2- schematisch durch GM darge-i stellt. er von
Glll kommende Strom wird einem Transformator Tri zugeführt und erregt in der Sekundärwicklung
dieses Transformators -Tr1 Ströme, welche dem ersten Differentialquotienten der
in der Primärwicke lung von Tri fließenden Ströme nach der Zeit proportional sind.
Diese Ströme fließen evtl noch über einen einstellbaren Widerstand .I in die Primärwicklung
des Transformator Trz und erregen in der Sekundärwicklung des Transformators Tr,
weiterhin Ströme; deren Momentanwert dem ersten Differential quotienten des in der
Primärwicklung von Tr2 fließenden Stromes nach der Zeit proportional ist. Die Stromkurve
in der Sekundärwick-: Jung von Tr, ist also der dritten zeitlichen Ableitung der
Bewegungskurve des Punktes, an dem der Erschütterungsmesser GM aufgestellt ist,
porportlonal. Die Bewegungen,. des Bodens werden demnach von einem an die Sekundärwicklung
von Tr., angeschlossenen registrierenden Galvanometer RI proportional. der dritten
Potenz ihrer Frequenz aufgezechnet.
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Würde man als Aufnahmegerät GM einen Beschleunigungsmesser nach Typ
3 benutzen, so erhielte man am Registrierinstrumente die Kurve der vierten zeitlichen
Ableitung der Bodenbewegung selbst und demnach eine Vergrößerung der Bodenbewegung,
welche der vierten Potenz proportional ist.
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Eine Gruppe der Beschleunigungsmesser nach Typ 3 beruht auf der Druckänderung
von Massen gegen einen Anschlag beim Vorüberziehen der Beschleunigungswelle im Untergrunde.
Wird dieser Druck -mittels piezoelektrischer Quarzplatten. bestimmt, so müssen die
in diesen entstehenden, den Druckänderungen proportionalen Elektrizitätsmengen bzw.
die dadurch hervorgebrachten statischen Aufladungen in einer solchen Weise in Stromschwankungen
umgewandelt
werden, daß man trotz des geringen Energieinhalts dieser mit dem Drucke wechselnden
Ladungen diesen gleichartige Stromkurven erhält, welche nach dem oben gekennzeichneten
Verfahren weiter zur Ableitung der Differentialkurven verwertet werden können.
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Eine dazu geeignete Schaltung zeigt Abb. 3. In @..@bedeutet QS die
dem wechselnden Druck in ihrer Längsrichtung unterworfene Säule von Piezoquarzplatten,
welche abwechselnd mit ihren gleichorientierten Flächen übereinandergeschichtet
sind unter Zwischenlage von Metallplatten, welche die entstehenden Ladungen sammeln
und mittels der Leitungen L, und L, an die Meßapparatur überführen. ILR ist eire
Kathodenröhre mit drei Elektroden, deren Gitter g mit L1 verbunden, deren Heizdraht
1a einseitig an L. unter Zwischenschaltung einer Gittervorspannungsbatterie VSp
gelegt ist und deren Anode a mit der positiven Seite der Anodenbatterie
AB
verbunden wird. Der hochohmige Widerstand r gleicht statische Ladungen
des Gitters langsam aus. HB ist die Kathodenheizbatterie. Die Stromschwankungen
im Anodenkreis sind bei richtiger Wahl der Gittervorspannung den Schwankungen der
Gitterspannung proportional. Die in den Anodenkreis eingeschalteten Meßinstrumente
zeichnen also eine Kurve auf, deren Form derjenigen der Schwankungen des Druckes
auf die Piezoquarzplatte QS gleich ist; dabei ist zu beachten, daß man die Vorspannung
VSp in bekannter Weise so wählen muß, daß kein Gitterstrom fließt und somit dem
O_uarzplattensystem keine elektrostatische Energie entzogen wird, außer dem geringen
Fluß über den (Dämpfungs-)Widerstand r, der bei schnelleren Schwingungen in der
Druckkurve praktisch verschwindend klein bleibt.
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Zu diesen Vorrichtungen nach Abb. 3 zur Umwandlung der Druckschwankungen
auf die Säule QS in gleichartige Stromschwankungen in dem Anodenkreis und dem Meß-und
Registrierinstrument RJ kann man natürlich noch weitere Vorrichtungen nach Abb.
2 zur Ableitung höherer zeitlicher Differentialquotienten schalten, um Schwingungen
(Druckschwankungen) hoher Frequenz vor solchen niedrigerer Frequenz bevorzugt abzubilden
und ausmessen zu können.
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Bei der Ausführung der verschiedenen möglichen, beispielsweise oben
ausführlich dargestellten Schaltungsmöglichkeiten ergibt sich der Übelstand, daß
die der Bodenbewegung oder einem ihrer zeitlichen Differentialquotienten proportionale
elektrische Schwingungskurve sich einer Gleichstromkomponente überlagert. Das ist
beispielsweise der Fall, wenn die Umwandlung der mechanischen Schwingungen über
einen von diesen beeinflußten variablen Widerstand, z. B. Kohlekontakt, erfolgt,
in dessen Schließungskreis eine Gleichspannung als Stromquelle in üblicher Weise
eingeschaltet ist. Bei einer derartigen Schaltung erhält man normalerweise einen
starken Grundausschlag, dem sich die der eigentlichen Messung zu unterwerfenden
Schwankungen überlagern, was meßtechnisch unbequem ist. Man kennt aber auch bereits
Schaltungen, welche diesen Gleichstrom unterdrücken. Dazu gehört z. B. die bekannte
Wheatstonesche Brückenschaltung mit zwei festen, einem einstellbaren und dem variablen
Widerstande als Zweigen, bei welcher die drei erstgenannten Widerstände so eingestellt
sind, daß bei einem Mittelwerte des variablen, zu messenden, die mechanischen Bewegungen
in elektrische Schwankungen überführenden Widerstandes das in . der Brücke eingeschaltete
Meßinstrument stromlos ist.
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Diese Brückenschaltung kann man nun. erfindungsgemäß zur Bevorzugung
der schnellen Schwingungen in der Aufzeichnung ausgestalten, derart, daß die höheren
zeitlichen Ableitungen der Bewegungskurve stärker hervortreten.
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Ab #.igt eine solche Brückenschaltung schematisch.
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In Abb. q. bedeuten GM die Vorrichtung zur Umwandlung der mechanischen
Schwingungen in gleichartige elektrische Schwingungen, Dr, und Dr2 Drosselspulen,
StQ eine Gleichstromquelle, C,. und C" Kondensatoren von hinreichend großer Kapazität,
RJ das Registrierinstrument, Wp einen Widerstand von mehrfachem Werte des inneren
Widerstandes des Instrumentes RJ, SpP eine zum Sprengpunkt führende Leitung mit
einem Widerstand wsp, die im Augenblicke der die seismischen Wellen erregenden Sprengung
durchschlagen wird, Wb endlich einen einstellbaren Widerstand.
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Stellt man das Brückenverhältnis, insbesondere mittels des variablen
Widerstandes Wb, so ein, daß das Meßinstrument RJ fast oder beinahe stromlos ist,
so wird es auf langsame Schwankungen des Widerstandes in GH bei hohem Werte des
Widerstandes W, kaum reagieren. Schnelle Variationen des Widerstandes von GM aber
rufen höherfrequente Spannungsschwankungen hervor, für welche die Kondensatoren
C, und C, nur geringe Widerstände bedeuten und welche sich daher von GM aus über
C, und C2 sowie durch das Meßinstrument RJ kurzschlußartig ausgleichen, während
die Drosselspulen Drl und Dr; diesen höherfrequenten Strömen einen sehr hohen Widerstand
entgegensetzen. Die mechanische Bodenbewegung wird also in RJ um so stärker zum
Ausdruck kommen, je
höher ihre Frequenz ist, entsprechend dem Wesen
der vorliegenden Erfindung.
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Diese Schaltung bringt noch einen wichtigen praktischen Vorteil bezüglich
der genauen und eindeutigen Festlegung des Momentes der Aussendung der elastischen
Wellen auf dem Registrierfilm mit sich: Überbrückt man nämlich den Kondensator C2
mittels eines geeignet gewählten Widerstandes W"p, dessen eine Zuleitung bei der
Sprengung durchschlagen wird, so ist, wie Abb. 5 beispielsweise zeigt, bei einer
kleinen Unsymmetrie der Brücke bezüglich des Gleichstromes von StO die Ruhestellung
des Meßinstrumentes vor der Sprengung eine andere als nach der Sprengung. Die Kurve
springt bei SZ im Augenblicke der Sprengung von einer mittleren Lage in die andere,
eine Bewegung, die von den Schwankungen bei Gelegenheit der Welleneinsätze
WE" WE" WE,. . . . besonders klar und eindeutig unterscheidbar ist,
was für die Auswertung der Aufnahme einen sehr großen Vorteil bedeutet.
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Schließlich sei noch beispielsweise schematisch gezeigt, wie man die
Bevorzugung der in den höheren - zeitlichen Ableitungen der Bewegungskurve stärker
hervortretenden schnellen Schwingungen gemäß vorliegender Erfindung bei Aufnahmeapparaten
durchführen kann, welche die mechanische Bewegungskurve oder eine ihrer zeitlichen
Ableitungen in gleichartige Schwankungen einer Spannung Sp umwandeln.
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In Abb. 6 bedeuten Sp die variable Spannung, Cg einen Kondensator,
Drg eine Drosselspule und RI das Registrierinstrument. Langsame Schwankungen gleichen
sich vorzugsweise über die Drosselspule Drg von kleinem Ohmschen Widerstande aus,
schnelle Schwingungen dagegen laufen vorzugsweise über den Kondensator Cg und das
Meßinstrurnent RI. Den Sprengmoment kann man ebenso aufzeichnen wie im vorigen Beispiel,
indem man Cg durch einen Widerstand überbrückt, dessen Zuleitung vom Sprengschuß
durchschlagen wird.
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Als zufällige Sonderheit ergibt sich bei dieser Schaltung der Fall,
daß .die Schwingungsfrequenz von Sp gleich der Eigenfrequenz des elektrischen Schwingungskreises
C,#-Drg wird, welcher Fall gelegentlich vorteilhaft zu verwerten ist.
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Falls bei den verschiedenen Schaltungsweisen die Intensität der Schwingungen
zu klein geworden ist, kann man diese in bekannter Weise durch verzerrungsfreie
Kathodenröhrenverstärker, z. B. solche mit Widerstandskopplung, wieder erhöhen.
Die Begünstigung der-höherfrequenten Schwingungskomponenten entsprechend dem Wesen
der Erfindung durch die oben beispielsweise beschriebenen Schaltungsverfahren wird
dadurch nicht berührt.