Источники упругих волн

Источником упругих волн может являться любое устройство, позволяющее в за- данный момент времени осуществить механическое воздействие на незамкнутую или замкнутую поверхность упругой среды. Простейшим видом источника упругих волн является молот, которым ударяют по поверхности земли или стенке горной выработки. Источник упругих волн в общем случае состоит из трех элементов: накопителя энергии (механической, химической, электрической, тепловой); устройства, позволяющего в заданный момент времени преобразовать накопленную энергию в механическое воз- действие на упругое тело; рабочего органа, с помощью которого осуществляют это ме- ханическое воздействие. Реальные источники воздействуют на площадки упругого те-

ла, размеры которых не превышают в большинстве случаев 1—2 м2.

По характеру поверхности, на которую воздействуют механические силы, все ис- точники можно разделить на две группы: погружные источники, действующие на замкнутую поверхность внутри среды; поверхностные, действующие на разомкнутую поверхность (на свободную поверхность земли, стенку горной выработки, шурфа, скважины). Погружные источники генерируют преимущественно продольные волны, поверхностные источники — одновременно продольные и поперечные волны. По вели- чине накапливаемой энергии источники подразделяют на маломощные—энергия изме- няется от десятков до 104 Дж, средней мощности—от 104 до 106 Дж и мощные—от 106 до 109 Дж и более. По продолжительности воздействия на упругое тело все источники также разделяют на импульсные, время воздействия которых на среду изменяется от

0,1·10-3 до 0,1 с, и квазинепрерывные, время воздействия которых изменяется от 2—3

до 20 с и более.

Конструкция и технические параметры определяют только потенциальную эф- фективность того или иного источника. Интенсивность, форма импульса, состав возбу- ждаемых волн (доля продольных и поперечных) зависят от условий возбуждения. Ус- ловия возбуждения определяются качеством контакта рабочего органа с породой и уп- ругими свойствами среды вблизи источника. В зависимости от условий возбуждения интенсивность возбуждаемых источником волн может изменяться в тысячи раз. В на- земной сейсморазведке в настоящее время наиболее широко применяют три вида ис- точников: конденсированные взрывчатые вещества (ВВ); установки газовой детонации; вибросейсмические платформы. Меньшее применение имеют устройства, использую- щие свободно падающий груз.

Источники на основе ВВ используют в основном в погружном варианте. Заряд массой от 100 г до нескольких килограммов (цилиндрические или призматические за- ряды) помещают в скважину, наполненную водой. Заряд снабжают электродетонато- ром, подрыв которого по команде с сейсмостанции в заданный момент времени обес- печивает взрыв всего заряда. Образующийся при взрыве газ имеет высокую температу- ру и давление в сотни и тысячи мегапаскалей. Под действием этого давления стенки полости, образующейся при взрыве, смещаются, воздействуя на окружающую среду. Использование ВВ при взрыве на свободной поверхности резко снижает эффектив- ность возбуждения и применяется в исключительных случаях.

Установки газовой детонации (УГД) используют для возбуждения упругих волн газовзрывную смесь, заполняющую цилиндр с подвижной нижней стенкой — поршнем или диафрагмой. Такой цилиндр прижимают к поверхности автомашиной, на которой смонтирован источник. В заданный момент времени по команде с сейсмостанции газ поджигают и происходит его взрывообразное сгорание, при котором объем газа резко возрастает. Газ под большим давлением резко давит на поршень или мембрану и, по- скольку движение цилиндра вверх затруднено инертной массой автомобиля, давление передается на грунт в место его контакта с рабочим органом газовзрывного источника.

Источники типа «вибросейс» возбуждают квазинепрерывные колебания. Гене- рация волн обеспечивается за счет знакопеременных сил, действующих по нормали к поверхности контакта. Вибросейсмический источник представляет собой металличе- скую платформу, прижимающуюся к поверхности земли автомобилем, на котором смонтирована вся установка. Масса такой установки достигает 17 т, что обеспечивает хороший контакт платформы с грунтом. С помощью гидравлического привода в рабо- чий цилиндр платформы нагнетают масло так же, как это происходит в гидравлическом домкрате, и шток цилиндра заставляет смещаться прикрепленную к нему платформу. Объем масла в рабочем цилиндре то увеличивают, то уменьшают, при этом платформа либо давит на грунт, либо отжимается деформированным грунтом вверх, и нагрузка на грунт изменяется относительно статической, возникающей под действием массы авто- мобиля. При этом период сжатие — разрежение (движение вниз-вверх) плавно изме- няют—от высокой частоты к низкой или наоборот. Время действия источника типа

«вибросейс» (интервал времени от начала колебаний платформы до окончания) состав-

ляет 10—20 с, а частоту, с которой движется платформа, изменяют от нескольких до

100 Гц.

Источник типа падающего груза используют в основном при разведке, не тре- бующей большой глубинности, чаще всего при решении инженерно-геологических за- дач. Такой источник представляет собой подъемник, который поднимает груз массой несколько сотен килограммов на высоту в 6—8 м. По команде с сейсмостанции держа- тель груза раскрывается и груз начинает падать. Момент его касания земли отмечается специальным устройством и передается как отметка момента возбуждения на сейсмо- станцию.

При сейсмических работах на акваториях наиболее широко применяют пневмати-

ческие и электроискровые источники.

Пневматические источники представляют собой толстостенные камеры, в ко- торые под давлением в 10—15 МПа закачивают воздух. Накапливаемая таким образом энергия определяется давлением воздуха и объемом камеры (обычно 0.5 — 30 л). С по- мощью специальных клапанов по команде с сейсмостанции камера вскрывается, и воз- дух с большой скоростью выталкивается из нее в воду. Образуется воздушная полость, стенки которой движутся с большой скоростью, создавая избыточное (относительно гидростатического) давление в примыкающем к ней слое жидкости. Пневматические источники (пневмопушки) относятся к источникам средней мощности. Запасаемая в них энергия не превышает 200—300 кДж.

В электроискровых источниках используют электрическую энергию, запасае- мую на конденсаторах. Собственно источником служат два электрода, которые в за- данный момент времени подключают к высоковольтным (10-15 тыс. вольт) конденса- торам, и в воде происходит высоковольтный электрический разряд, такой же, как при грозе происходит в воздухе. Примыкающая к электродам жидкость превращается в пе- регретый пар, образуется парогазовая полость, давление внутри которой достигает со- тен и тысяч мегапаскалей при температуре в несколько тысяч градусов. Движение сте- нок этой полости далее происходит в общих чертах так же, как и в воздушной полости

при использовании пневмопушки. Электроискровые источники относятся к маломощ-

ным. Запасаемая в них энергия, как правило, не превосходит 100 кДж.

Для эффективного использования тех или других источников их необходимо по- гружать в водную толщу на глубину порядка ¼ длины волны центральной частоты в спектре возбуждаемого сигнала. В силу того, что при работе на акваториях источник погружают в водную толщу, являющуюся по сравнению с породами верхней части раз- реза практически идеально-упругой и идеально-однородной средой, идентичность воз- буждаемых колебаний оказывается значительно более высокой, чем у наземных источ- ников.

Погружные и поверхностные источники имеют свои преимущества и недостатки. Преимуществом погружных является то, что они практически не возбуждают поверх- ностные волны и обладают высоким коэффициентом полезного действия. Для таких источников можно обеспечить достаточно хорошие условия возбуждения, помещая их в скважинах на нужной глубине в консолидированных породах. Недостатком является то, что при использовании погружных источников необходимо вести бурение, что удо- рожает разведку, увеличивает время ее проведения и возможно далеко не всегда. Пре- имуществом поверхностных источников является то, что при их использовании отпада- ет надобность в бурении скважин, нагрузки на грунт при их действии относительно не- велики и поэтому их можно использовать при работах вблизи населенных пунктов и промышленных объектов, включая городские территории. Недостатком является более низкий, чем у погружных, коэффициент полезного действия, зависимость интенсивно- сти и формы возбуждаемых волн от условий возбуждения — строения и свойств грунта у поверхности земли, высокий уровень возбуждаемых такими источниками поверхно- стных волн.