Патент 488

Способ и прибор для акустического исследования земных напластований

 

№ 488

ПАТЕНТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ

ОПИСАНИЕ способа и прибора акустического исследования земных напластований.

К патенту В. С. Воюцкого, заявленному 28 февраля 1923 года (заяв. свид. № 76385).

О выдаче патента опубликовано 31 июля 1925 года. Действие патента распространяется на 15 лет от 15 сентября 1924 года.

Автор исходит из следующих соображений:

Звук, при переходе из одной среды, с одной скоростью распространения звука в ней, в другую, с другой скоростью, отражается на границе обоих сред.

Известны опыты и наблюдения Дж.

Тиндаля относительно отражения звука на границах газообразных сред; автор же обратил внимание на отражения на границах твердых сред и производил соответствующие опыты.

Земная кора в своем строении на огромных протяжениях представляет, по мнению автора, превосходные условия для такого рода отражений. Осадочные горные породы залегают в земной коре слоями или пластами и целыми рядами пластов (свитами). Пласты в свите всегда более или менее параллельны друг другу и чередуются в самом различном порядке; петрографический состав их также различен; глины разных формаций перемежаются с песками, песчаниками, известняками, каменным углем и т. д., почти всегда между пластами залегают пропластки самого разного состава. С другой стороны, земная кора является, по мнению автора, превосходным llpOBOllHHKOM звука, лучшим нежели воздух; он убедился в этом, производя опыты и наблюдения. Скорость звука в горной породе зависит от ее плотности и упругости, а эти последние свойства различны для различных пород и зависят еще от их скважности, насыщенности водой и др. свойств. В различных породах скорость распространения звука будет различная. По Вертгейму скорость звука в горных породах колеблется от 1500 до 3000 метр. в сек. (см. Мушкетов, Физич. геология, т. 1).

В твердых песчаниках скорость звука будет наибольшей (автор берет только осадоч. горн. породы), затем пойдут плотные известняки, глины разных плотностей и пески. В одной и той же породе, но взятой из разных месторождений, плотность и упругость, а, следовательно, и скорость звука будет также различная. Это видно уже из того, что значение пределов на сжатие и раздробление в породах, взятых из различных месторождений, сильно отличаются друг от друга. Мало того, пласты из одного и того же месторождения, но взятые на разных горизонтах, всегда будут различаться по плотностям и упругостям, а, следовательно, и по скорости звука. Только один и тот же пласт будет иметь на больших протяжениях приблизительно одинаковую скорость звука, так как он сохраняет свой состав и физические свойства породы его составляющей постоянными, часто на всем своем протяжении, нередко на громадные расстояния. Звук, проходя ряды пластов осадочных горных пород, должен отражаться. В природе такие отражения наблюдаются при землетрясениях. Сейсмические волны, скорость распространения которых, также как и звука, зависит от плотности и упругости среды, в которой они распространяются, проходя по многочисленным пластам земной коры, многократно преломляются и отражаются.

При землетрясениях часто образуется и звук в виде шума и гула, который ясно слишится на поверхности земли. Звук этот, проходя по пластам, преломляется, отражается и ослабляется также, как и сейсмические волны (см. Мушкетов, „Физич. Геолог.", т. 1-й и Орлов „Сейсмические явления в Туркестане" ). Для образования интенсивных отражений на границах неоднородных сред вовсе не нужно, чтобы эти среды были сильно разнородны в акустическом смысле, т. е. сильно различались по скоростям распространения в них звука. Напротив, из опытов Тиндаля видно, что достаточно небольшой разницы скорости звука в них, чтобы получить ясное и легко обнаруживаемое отражение.

Предлагаемый способ и прибор имеет целью исследование земных напластований посредством звуковых отражений.

На фиг. 1 изображен вид прибора, посылающего звуковые волны в землю; на фиг. 2 — продольный вертикальный разрез; на фиг. 3 — вид чечевицы; на фиг. 4 — вид приемного прибора; на фиг. 5 — камера; на фиг. 6 — зеркало.

Способ исследования месторождений полезных ископаемых посредством звуковых отражений состоит в том, что звук, направленный с поверхности земли через неразведанные пласты осадочных горных пород, отражается от них, и отражения возвращаются обратно, к поверхности земли, где подвергаются анализу, дающему сведения о свойствах пластов, числе их и стратиграфическом положении.

Устройство прибора для осуществления способа следующее: металлический цилиндрический ящик М вЂ” 2 (фиг. 1) поставлен на основание, представляющее собою могущие растягиваться и сжиматься кожаные мехи 3 — 4. Верх цилиндра 1 — 2 открыт, нижнее основание мехов 3, 4 затянуто тонкой каучуковой перепонкой 5, б, легко пропускающей звук. Весь прибор ставится на очищенную от дерна и слегка утрамбованную поверхность земли, прямо на то место, под которым требуется исследовать пласты. В приборе, как видно из фиг. 2, помещена двояковыпуклая чечевица 7, 8 (изображ. отдельно на фиг. 3) из тонкого каучука диам. приблизительно 0,75 метр. В чечевицу, посредством трубки 9, наливают терпентинное или какое либо другое масло, скорость звука в котором около

1200 метр. в секунду. В цилиндрический ящик, сверху чечевицы и в мехи снизу чечевицы, посредством трубки 9, наливают крепкий раствор хлористого кальция, скорость звука в котором около

1900 метр. в секунду. Источником звука служит резкое и кратковременное соударение двух небольших стальных шариков, диам. по 15 — 16 м/м, погруженных, например, в раствор хлористого кальция в том месте, где находится фокус чечевицы 7, 8. Звук, не задерживаемый проницаемой для звука перепонкой 5, б, войдет в поверхностные пласты земли и распространится в них параллельным пучком лучей по направлению вертикальной оси черевицы 7, 8.

Так как акустический коэффициент преломления хлористого кальция и поверхностных пластов земли подходят друг к другу (скорость звука в хлор. кальции 1900, в мягк. горн. породах, из которых большею частью составлены поверхностные пласты, 1500 — 2000 метр. в сек.), то звук из прибора, по мнению автора, войдет в пласты с полной силой, неослаблен ной сильным отражением. Изменяя наклон чечевицы под углом к горизонту (это достигается соответственным движением мехов 3,4), изменяется направление, по которому распространяется в земле звук. Цилидр 1, 2, для предупреждения рассеивания звука своими стенками, внутри обит мягкой резиной, войлоком или другим веществом, неотражающим звуковые волны. Таким образом, посылается в землю звук по любому направлению; нужно стараться направить его перпендикулярно к исследуемому пласту, чтобы получить отражение, которое возвращается на поверхность земли, где попадет в приемный прибор. Приемный прибор устроен совершенно так же, как и посылающий прибор i, 2, 3, 4; он имеет такую же чечевицу и наполнен такими же жидкостями; только, вместо шариков, в фокусе его чечевицы, в растворе кальция, подвешен чувствительный микрофон 70 (фиг. 4) включенный в цепь небольшой батареи и электромагнита 77. Электромагнит 77 действует на колеблющееся упругое дно

72, 13 небольшой камеры 74 (фиг. 4 и 5). В камеру 74 через трубочку, не показанную на чертеже, входит светильный газ или ацетилен. С другой стороны камера 74 имеет небольшую трубочку 75, через которую газ выходит и где при выходе зажигается.

Когда микрофон не воспринимает звуковых отражений и, следовательно, упругая пластинка 72, 73 находится в покое, то во вращающемся зеркале 7б (фиг. 6) видна непрерывная огненная лента. Как только микрофон воспримет ряд отра- жений от пластов, то лента, по мнению автора, распадется на ряд огоньков, получающихся каждый от каждого отдельного отражения. Способ анализа при помощи вышеописанного газового манометра можно заменить другим каким либо способом, напр., анализом при помощи Гейслеровской трубки, трубки

Герке, телефонной пластинкой, отражающей световой луч на движущуюся светочувствительную ленту и др. Допустим теперь, что мы получили отражение от свиты пластов. Число всех огоньков укажет нам число всех пла- стов в свите. Высота каждого огонька, получившегося на границе двух соответствующих пластов, будет тем меньше, чем глубже под поверхностью земли залегают эти пласты, а также тем меньше, чем меньше разница скоростей звука в этих пластах, а потому укажет на степень их разнородности. Расстояние между двумя соответственными огоньками в зеркале, при равномерном его вращении, зависит от толщины или мощности соответствующего пласта, именно пропорциональна ей и обратно пропорциональна скорости распространения звука в этом пласте. Так как скорость звука, в одном и том же пласте, на больших протяжениях постоянная, то, производя исследование звуком различных участков одного и того же пласта, можно, по мнению автора, по изменениям расстояния в зеркале между соответственными огоньками, проследить все относительные изменения мощности этого пласта, именно его выклинивание или разбухание, заметить его исчезновение, появление вновь и т. д. и так с каждым пластом в свите, а вообще получить картину стратиграфического строения свиты. Несмотря на то, что соударение шариков дает звук сравнительно не интенсивный, все же силы звука, по мнению автора, хватит на то, чтобы распространиться до исследуемого пласта и, возвратившись обратно, подействовать на упругую пластинку газового манометра или другой приемник— анализатор. Произойдет это потому, что звук от соударения шариков собирается чечевицей и направляется через пласты пучком параллельных или слабо расходящихся лучей, затем, отразившись, опять собирается чечевицей, так что вся сила звука от удара действует на приемник, за исключением только той части, которая потрачена на поглощение в пластах, при чем эта часть, по мнению автора, очень мала, так как твердые тела хорошие проводники звука.

Изобретение не предназначается автором для исследования пластов, залегающих на большой глубине под поверхностью земли; он надеется добиться лучших результатов среди пластов верхних напластований, ненарушенных и лишенных разрывов сплошности. Особенно способ, по мнению автора, пригоден для изысканий нефти, воды и золота, так как эти ископаемые залегают сравнительно не глубоко. пРедмвт изоВРетения.

1. Способ акустического исследования земных напластований посредством звуковых отражений, характеризующийся тем, что звуковые волны направляют на исследуемые пласты и после их отражения от последних воспринимают и закрепляют их в видимой форме с целью последующего изучения расположения и свойств пластов.

2. При указанном в п. 1 способе применение служащего для испускания направленных звуковых волн прибора, отличающегося тем, что он состоит из цилиндрического сосуда 7, 2, соединенного с цилиндрическим же сосудом 3,4 со складчатыми боковыми стенками, затянутым снизу тонкой каучуковой перепонкой 5, 6, каковые сосуды заполнены средою, коэффициент преломления звука в которой мало отличается от коэффициента звукового преломления в поверхностных горных породах, с помещенною в ней каучуковою, заполненною терпентинным маслом, чечевицею 7, 8, в фокусе коей помещены два стальных шарика, соударение которых служит источником звуковых волн.

3. При указанном в п. 1 способе применение прибора, служащего приемником-анализатором звуковых колебаний, отличающегося тем, что в приборе по п. 2 соударяющиеся шарики, помещаемые в фокусе чечевицы 7, 8, заменены чувствительным микрофоном

70, включенным в цепь электромагнита

77, действующего на упругое дно 72, 73 газовой камеры 74, снабженной горелкой 75, для отражения и изучения пламени которой служит вращающееся зеркало 76.