專利名稱:用于激發(fā)大地介質(zhì)中橢圓偏振剪切波的方法和裝置的制作方法
一般地說，本發(fā)明涉及地震剪切波發(fā)生裝置，具體而不是作為限制地說，本發(fā)明涉及用于在大地介質(zhì)中感應(yīng)橢圓偏振剪切波的特殊裝置及其組合。
申請(qǐng)人:了解到先有技術(shù)中還沒有直接關(guān)于本發(fā)明的論述。先有的論述已有涉及剪切波的應(yīng)用，但還未重視橢圓偏振剪切波及其在各種地震探測(cè)方法中的應(yīng)用，以增加信息回收和提高數(shù)據(jù)的可分析性。已經(jīng)知道，由于存在至少兩個(gè)主偏振面，即水平和垂直剪切波，地震剪切波多半比壓縮波載有更多的以它們的信號(hào)形式的信息，但是至今還沒有引起對(duì)于地震剪切能量的角度關(guān)系和規(guī)則的橢圓偏振剪切波可能性的注意，這些波可以帶有關(guān)于折射，反射和其它影響大地物質(zhì)的特性的更多的信息量。
本發(fā)明的目的主要是通過同時(shí)在90°剪切平面位移中的兩個(gè)平列位置上產(chǎn)生剪切波，而在大地介質(zhì)中的產(chǎn)生橢圓偏移剪切波的方法和裝置。因此，剪切水平和剪切垂直相對(duì)取向的剪切波振動(dòng)器是在并置的排列的位置上工作，并且進(jìn)一步調(diào)整控制信號(hào)相位關(guān)系，以形成一個(gè)在大地介質(zhì)中累加或合成的橢圓偏振剪切波。控制相位和振幅調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)各種各樣圓的、橢圓的或平面的關(guān)系，用以隨后的探測(cè)和處理，以提供特定的地下巖層的信息。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種容易獲得的橢圓偏振剪切波源。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種重型的橢圓偏振剪切波源，這種波源即經(jīng)濟(jì)而又能可靠地工作。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種方法，其中傳統(tǒng)的地震剪切波振動(dòng)器經(jīng)過簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度以提供一種橢圓偏振剪切波源。
本發(fā)明的最后一個(gè)目的是提供一種和正交探測(cè)器一起使用的地震源，以提供垂直地震剖面圖，三維或線性地震勘察之類中任一種的大量的數(shù)據(jù)回收。
當(dāng)聯(lián)系說明本發(fā)明的附圖閱讀以下的詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)中就成為顯而易見了。
圖1是水平和垂直剪切波關(guān)系的一個(gè)圖示的說明。
圖2是相對(duì)于波傳播方向觀察的橢圓偏振剪切波關(guān)系的一個(gè)圖示的說明;
圖3是說明相對(duì)排列的地震剪切波振動(dòng)器和控制電路的方框圖;
圖4是帶有鉆孔和地面上組合的雙重振動(dòng)器地震源的大地剖面的一個(gè)理想化視圖;以及圖5是帶有以水平-垂直剪切取向的兩臺(tái)中心安置的振動(dòng)器的載重汽車的以立視方式的一個(gè)側(cè)視圖。
按照彈性波射線理論，偏振的方向通常定義為傳聲媒質(zhì)粒子的振動(dòng)方向。在地震探測(cè)實(shí)踐中，及在大地介質(zhì)中粒子的運(yùn)動(dòng)中，壓縮波實(shí)現(xiàn)了與能量傳播的射線路徑共軸線的粒子振動(dòng)方向。對(duì)于水平剪切和垂直剪切波運(yùn)動(dòng)，粒子的振動(dòng)路徑與傳播方向成直角。因而，參照?qǐng)D1，包含振動(dòng)方向和傳播方向的平面稱之為偏振面。各自沿相對(duì)于傳播方向z觀察時(shí)，平面10就是一個(gè)垂直剪切面，以同樣的方式，平面12就被定義為一個(gè)水平剪切面。
水平偏振剪切波(SH)和垂直偏振剪切波(SH)被認(rèn)識(shí)并用于地震勘探已經(jīng)多年。關(guān)于速度和其它傳播常數(shù)的特殊性質(zhì)相對(duì)于較熟知的壓縮波已在文獻(xiàn)中充分地予以證明?，F(xiàn)今在野外作業(yè)中許多平面偏振剪切波探測(cè)技術(shù)已經(jīng)被用于任何鉆孔測(cè)井，垂直地震剖面，剖面及三維測(cè)量等等。
一直以來對(duì)一種比較特殊型式的剪切波偏振的重要性沒有先有的應(yīng)用或顯明的知識(shí)，這種可以稱之為橢圓偏振的剪切波偏振，其中一個(gè)垂直于傳播方向z的平面內(nèi)的粒子位移矢量在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)劃出一個(gè)橢圓。參照?qǐng)D2，相對(duì)于圓點(diǎn)14(z軸)觀察，由于每個(gè)周期粒子位移矢量16，位移矢量16在一個(gè)垂直于傳播方向z的連續(xù)橫移的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，劃出一個(gè)橢圓18。當(dāng)粒子位移矢量16沿傳播軸z轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，橢圓路徑18在其傳播過程中劃出一條螺線狀路徑。橢圓的長(zhǎng)軸和短軸可以變化，這還會(huì)作進(jìn)一步描述。
粒子位移可以被看成是由垂直于傳播方向的兩個(gè)分量構(gòu)成的。設(shè)想具有相同頻率的兩個(gè)平面偏振剪切波，它們的粒子位移由以下公式給出
(1)式中D1和D2分別是位移幅值，
x和
y分別是沿x和y方向的單位矢量，而k是一個(gè)傳播常數(shù)。兩個(gè)波都沿z方向傳播，但彼此垂直地偏振并有一相位差φ。z軸任何一點(diǎn)上總位移(假定零衰減)可由下式給出
(2)對(duì)于φ＝+π/2及z＝0的情況，將以上公式展開就會(huì)給出
(3)對(duì)于D1/D2＜1的情況，如圖2中所示，總位移矢量劃出一個(gè)橢圓，其長(zhǎng)軸和短軸分別與y軸和x軸相重合?？墒?，當(dāng)D1/D2＞1時(shí)，橢圓的長(zhǎng)軸和短軸就會(huì)換位而與相應(yīng)的x和y軸重合。向著射束或z軸觀察，矢量以角頻率w沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而被稱為右橢圓偏振波。如果調(diào)整φ＝-π/2，總矢量路徑會(huì)劃出相同的橢圓18，只是位移矢量16會(huì)沿反時(shí)針方向掃掠，并被稱為左橢圓偏振波。
橢圓關(guān)系的一種特殊情況是當(dāng)φ＝±π/2，并且D1＝D2，這就會(huì)使橢圓18成為圓。而且，隨著φ的值而定，可以右或左圓偏振波。通常，D1不必等于D2，以及φ可以呈現(xiàn)±π/2以外的值。當(dāng)φ不等于±π/2時(shí)，橢圓的長(zhǎng)軸和短軸就會(huì)旋轉(zhuǎn)地移動(dòng)，并且與傳播坐標(biāo)系的x軸和y軸不相重合。水平，垂直或橫向線性偏振同樣是橢圓偏振結(jié)構(gòu)的子集。
圖3說明一種裝置，其中一對(duì)現(xiàn)有的剪切波振動(dòng)器可以交叉偏振關(guān)系被取向，以實(shí)現(xiàn)將橢圓偏振剪切波輸入到大地。因此剪切波振動(dòng)器20和22盡可能接近地以并置的方式配置，各自的基板24，26適當(dāng)?shù)伛詈系酱蟮乇砻?，使得振?dòng)器機(jī)件28和30以交叉偏振的取向工作。方位上交叉偏振振動(dòng)器20和22彼此相位相差90°地動(dòng)作，從而在耦合點(diǎn)以下的大地介質(zhì)內(nèi)形成一個(gè)橢圓偏振剪切波的合成矢量。
一種標(biāo)準(zhǔn)型式的振動(dòng)控制電子設(shè)備32可以用來發(fā)出預(yù)定頻率，振幅和持續(xù)時(shí)間的所必需的控制掃描信號(hào)，并且這輸出控制信號(hào)經(jīng)由引線34被用來驅(qū)動(dòng)第一平面偏振剪切波振動(dòng)器20。引線34上的這個(gè)控制信號(hào)經(jīng)過相位控制電路36作進(jìn)一步處理，加到引線38以驅(qū)動(dòng)移相的交叉偏振振動(dòng)器22，當(dāng)剪切波的輸出功率從相移振動(dòng)器被引入大地介質(zhì)時(shí)，剪切波的輸出功率則被匯合起來，實(shí)際上被看作是一種橢圓偏振剪切波，這種能量于是可由三分量(正交)地震探測(cè)器檢測(cè)。
實(shí)際上，利用從(美國)俄克拉何馬龐卡城佩爾科電子公司(Pelco Electronics Corp.of Ponca City，Oklahoma)買到的標(biāo)準(zhǔn)前進(jìn)1，4型的地震振動(dòng)器電子設(shè)備(the Standard Advance 1，Model 4 Seismic Vibrator Electronics)，即振動(dòng)器控制電子設(shè)備32，已經(jīng)進(jìn)行過關(guān)于本發(fā)明的野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。然后稍做標(biāo)記為相位控制電路36的改進(jìn)以將引線34上的輸出的相位偏移90°，用來驅(qū)動(dòng)相移剪切波振動(dòng)器22。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過前進(jìn)1型控制電子設(shè)備的一種稍微改進(jìn)可以方便地實(shí)現(xiàn)相移驅(qū)動(dòng)控制。由于僅僅需要配置跨接控制系統(tǒng)中高/低頻率開關(guān)的一部分的單一跳線，因而這種改進(jìn)是簡(jiǎn)單并可在現(xiàn)場(chǎng)做得到的。因此，在前進(jìn)1系統(tǒng)的相位控制部分E中一條跳線短接跨過“低頻”開關(guān)，將連接器P72，PIN8與組件E7-4，PIN2連接起來實(shí)現(xiàn)任何輸出掃描信號(hào)的90°相移。通過變換開關(guān)的一側(cè)而不變換開關(guān)的另一側(cè)，這種改進(jìn)可以供僅有一個(gè)90°相移之用，與一臺(tái)未經(jīng)改進(jìn)的電子設(shè)備相比，這種改進(jìn)具有將振動(dòng)器的輸出信號(hào)變動(dòng)90°的效用。這只不過是單一的選擇，但對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說將必需的90°相移控制信號(hào)供給配對(duì)的交叉偏振振動(dòng)器它確實(shí)是一件簡(jiǎn)單的事情。
利用雙重振動(dòng)發(fā)生器的橢圓偏振剪切波原理的最初試驗(yàn)是使用通常類似圖4中的一種野外裝置進(jìn)行的。兩輛中心安置剪切波振動(dòng)器的載重汽車40和42放置在極靠近在一起的地方，而且成直角取向，以將剪切波振動(dòng)器44和46放置在交叉偏振的位置。振動(dòng)器44與46被移離一段距離d，距離d對(duì)于橢圓偏振粒子位移的建立和沿鉆孔48垂直剖面向下相對(duì)較長(zhǎng)的距離基本上是可忽略的。沿鉆孔48向下以相等的間距配置有多個(gè)正交探測(cè)器50-1至50-n。正交探測(cè)器50是以對(duì)沿三個(gè)正交方向之一的運(yùn)動(dòng)敏感的地震探測(cè)器的組合形式的一種三維探測(cè)器，而且探測(cè)器50沿鉆孔48向下以100英尺的間距被固定在12個(gè)位置上。每個(gè)三分量地震檢波器50接收到的數(shù)據(jù)沿鉆孔48向上獨(dú)立地導(dǎo)向信號(hào)處理器52，以提供水平(東-西)，垂直和橫向(南-北)平面內(nèi)獨(dú)立響應(yīng)數(shù)據(jù)的獨(dú)立記錄。
在多個(gè)主源發(fā)生點(diǎn)離開鉆孔入口54的距離即橫距X上，進(jìn)行一系列獨(dú)立的試驗(yàn)程序。因而，在40英尺、100英尺、175英尺和300英尺的橫距X進(jìn)行試驗(yàn)并利用12臺(tái)三分量地震檢波器50作記錄。試驗(yàn)程序是成功的，表現(xiàn)在這些程序有效而清楚地確認(rèn)兩個(gè)交叉偏振振動(dòng)器44，46可以勝任地模擬一個(gè)大面積的軌道源(為本申請(qǐng)的其它相互參照的申請(qǐng)的主題內(nèi)容)。因?yàn)閷?duì)于每個(gè)檢測(cè)平面獨(dú)立記錄和處理的地震數(shù)據(jù)證明了橢圓偏振剪切波的存在，沿鉆孔48向下的三維中每一維所檢測(cè)的和記錄的數(shù)據(jù)證實(shí)了這種模擬。每一個(gè)正交檢波器即時(shí)地檢查到一個(gè)壓縮的振動(dòng)分量，一個(gè)剪切水平分量和一個(gè)剪切垂直分量，并對(duì)關(guān)于各個(gè)獨(dú)立信號(hào)的速度和/或沿鉆孔48的位置的交互作用和比較進(jìn)一步處理證實(shí)了這種關(guān)系，從而證明了橢圓偏振剪切波的存在。
圖4的試驗(yàn)裝置表示寬范圍的機(jī)械結(jié)構(gòu)特性可以用于構(gòu)成野外使用的一種實(shí)用的橢圓偏振剪切波振動(dòng)器。如圖5中所示，也為中心安置振動(dòng)器而提供的一輛載重汽車56可以適合承載兩臺(tái)以90°正交偏振的振動(dòng)器。振動(dòng)器58和60可以或是縱列，或是橫向并置裝載在例如一共同的起重組件62上，使得可以組合的形式通過與大地耦合和隨后以交叉偏振取向的振動(dòng)的發(fā)生而使用振動(dòng)器。因而，振動(dòng)器58會(huì)感應(yīng)一個(gè)剪切水平分量，而電子控制振動(dòng)器60使之感應(yīng)一個(gè)有90°相移的剪切垂直分量，并且向大地介質(zhì)輸入能量以形成一個(gè)橢圓偏振剪切波。同樣要考慮到這種載重安置的結(jié)構(gòu)當(dāng)各振動(dòng)器的大地耦合表面為同心等時(shí)，也可使各振動(dòng)器的幾何中心重疊。
如圖4中所示，在最初的試驗(yàn)構(gòu)型中，兩個(gè)振動(dòng)器都被調(diào)整在相同的激勵(lì)程度而只產(chǎn)生圓偏振剪切波，然而，通過將激勵(lì)程度改變到不同的值能方便地產(chǎn)生橢圓偏振剪切波。此外，需要時(shí)，偏振的轉(zhuǎn)動(dòng)手性很容易變換，橢圓軸的方向通過調(diào)整掃描頻率可以任意地被選擇。特定的地面和井下地震探察方法，都可以被調(diào)定，這取決于橢圓偏振的特性如橢圓偏心率可隨著射線路徑相對(duì)于波源垂直方向的角度的變化而變化的事實(shí)。
上文公開了一種剪切波振動(dòng)器的新穎組合。這種振動(dòng)器組合可被取向及相控以感應(yīng)一種大地介質(zhì)內(nèi)的橢圓偏振剪切波。而雙重振動(dòng)器型式的波源不是唯一的振偏剪切波振動(dòng)器的型式，目前存在并能很好工作的單基板振動(dòng)器也可以是一種型式的波源，這種波源能夠產(chǎn)生輸入大地介質(zhì)內(nèi)的極高功率的橢圓偏振振動(dòng)器。
如在此之著說明書中所陳述的以及在附圖中所表示的機(jī)件的組合和布置可以作變更，但須認(rèn)為在不離開如下面權(quán)利要求
書中所限定的本發(fā)明的精神和范圍下可在公開的實(shí)施例中作變更。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生大地介質(zhì)中的橢圓偏振剪切波的方法，其特征在于該方法包括在大地介質(zhì)中以第一受控速度在第一點(diǎn)上感應(yīng)第一平面偏振剪切波。在大地介質(zhì)中以自所述第一受控速度相移的第二速度在鄰近上述第一點(diǎn)的第二點(diǎn)上感應(yīng)第二交叉偏振剪切波。因此所述第一和第二剪切波結(jié)合而其合成效果為產(chǎn)生所述大地介質(zhì)中的一種橢圓偏振剪切波。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于該方法還包括選擇相對(duì)于第一受控速度的第二速度的相移的方向，以控制橢圓偏振剪切波的轉(zhuǎn)動(dòng)手性。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于該方法還包括控制所述第一平面偏振剪切波和第二交叉偏振剪切波的相對(duì)激勵(lì)電平，以控制橢圓偏振剪切波的偏心率。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于該方法還包括控制所述第一平面偏振剪切波和第二交叉偏振剪切波的相移量，以控制第一和第二橢圓軸的方向。
5.用以產(chǎn)生大地介質(zhì)中橢圓偏振剪切波的裝置，其特征在于該裝置包括第一移動(dòng)式剪切波振動(dòng)器裝置被放置在一第一位置以與所述大地介質(zhì)相接合;第二移動(dòng)式剪切波振動(dòng)器裝置被放置在鄰近所述第一位置以與所述大地介質(zhì)相接合，并對(duì)所述第一移動(dòng)式剪切波振動(dòng)器成交叉偏振;以及用以按被相移一預(yù)定量的頻率驅(qū)動(dòng)所述第一和第二振動(dòng)器裝置的控制裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的裝置，其特征在于其中所述第一和第二移動(dòng)式剪切波振動(dòng)器各自安裝在一相應(yīng)的第一和第二載重汽車上。
7.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的裝置，其特征在于其中所述第一和第二移動(dòng)式剪切波振動(dòng)器各自以相移的取向安裝在同一輛載重汽車上。
8.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的裝置，其特征在于其中所述控制裝置還包括用于調(diào)整所述第一和第二剪切波振動(dòng)器裝置驅(qū)動(dòng)頻率的相移方向的裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的裝置，其特征在于其中所述控制裝置還包括用以控制所述第一和第二剪切波振動(dòng)器裝置相對(duì)激勵(lì)電平的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的裝置，其特征在于其中所述控制裝置還包括用于控制所述第一和第二剪切波振動(dòng)器裝置之間相移量的裝置。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生大地介質(zhì)中橢圓偏振剪切波的方法，該方法使用兩個(gè)處在交叉偏振位置與大地介質(zhì)相接合的剪切波振動(dòng)器，該振動(dòng)器是以具有可變相移的掃描頻率驅(qū)動(dòng)的。
文檔編號(hào)G01V1/02GK87103812SQ87103812
公開日1988年3月2日 申請(qǐng)日期1987年5月23日
發(fā)明者杰克·H·科爾, 羅伯特·J·鮑梅爾, 約翰·S·格治利, 約翰·E·斯特雷克 申請(qǐng)人:康諾科有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan