本公開涉及地球物理測量儀器的領(lǐng)域。更具體地，本公開涉及需要與地面的良好聲耦合的地球物理測量儀器，例如地震傳感器。

地震傳感器需要與地面的良好聲耦合，其特征可在于在振動(dòng)從地面被傳遞至感測元件時(shí)以微不足道的信號損失或者振動(dòng)特性的變化來檢測地面運(yùn)動(dòng)的感測元件。當(dāng)把感測元件（例如，地震檢波器或者其它質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)傳感器）設(shè)置在例如松散的表土中時(shí)，所檢測到的檢測信號的質(zhì)量相比于如果把該感測元件設(shè)置在壓實(shí)的土壤中的情況下所檢測到的信號品質(zhì)要來得低，這是由于增加的自由度所造成的能量質(zhì)點(diǎn)分布。此外，計(jì)算能力的快速擴(kuò)展提供以更高的精度記錄地震活動(dòng)的可能性。因此，在數(shù)月或數(shù)年的時(shí)間區(qū)間內(nèi)記錄地震信號內(nèi)容（“地震特征”）的變化的能力已變得可行。然而，不時(shí)地對地震傳感器進(jìn)行檢修的要求已導(dǎo)致難以將地震傳感器重新安裝入初始記錄的精確位置和/或安裝在相同的方位上。后者的限制會(huì)使定向敏感地震能量（例如剪切能）的時(shí)間推移記錄變得困難。

參照圖1和圖2，國際專利申請公開第WO 92/19991號描述了被設(shè)置在螺旋形狀殼體2中的自主地震感測與數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)1。殼體2的形狀是為了通過具有圖2中的外螺紋21而改善地面與殼體2之間的聲耦合，因而當(dāng)使殼體2旋轉(zhuǎn)并且通過螺紋21的作用而軸向地移動(dòng)進(jìn)入地面時(shí)地面被分開?？商峁┍辉O(shè)置在殼體2的上蓋3上的工具插孔5（圖1），從而能夠?qū)んw2旋入和旋出以便傳感器系統(tǒng)1的安裝和移除。圖1中示出了前述系統(tǒng)1的截面，圖中示出了內(nèi)部感測（垂直安裝的地震檢波器7、8和9及磁力儀10A、10B）及信號處理/記錄裝置11、12、14、14、15、16、17。圖2中示出了帶螺旋型螺紋21的殼體2的斜視圖。這些螺紋具有所選擇的螺距P、螺紋高度H和最大外直徑Ds。在此實(shí)例中，殼體2與傳感器部件（參見圖1）是不可分離的單元。因此，傳感器從地面中的移除需要將殼體2收回，因此必須嘗試將需要精確的隨后傳感器位置的某些類型勘測中的初始傳感器位置定位在它們的原來位置。雖然用標(biāo)記（例如旗標(biāo)）來標(biāo)示傳感器位置的能力是可能的，但這種標(biāo)記易于發(fā)生位移或丟失。

間隔達(dá)數(shù)月或數(shù)年的準(zhǔn)確時(shí)間推移或4D成像的一個(gè)方面已經(jīng)是移除傳感器裝置以便用于在不同位置的后繼使用直到在它們的初始位置用傳感器來記錄數(shù)據(jù)的慣例。在一些情況下，傳感器系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)部件會(huì)需要檢修（例如給電池再充電），或者會(huì)需要將傳感器系統(tǒng)從地面中移除以便對內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置進(jìn)行詢問。因此，必須將傳感器系統(tǒng)殼體從地面中移除。在一些情況下這種移除會(huì)是不合適的，因?yàn)殡S著時(shí)間推移在這種傳感器殼體與地面之間的聲耦合可確實(shí)地改善。另外，為了提供前后一致的圖像，至關(guān)重要的是傳感器占據(jù)在大地上的精確的相同位置以便實(shí)施每個(gè)成像過程。因此，期望具有一種傳感器安裝座，該傳感器安裝座提供與WO '991中所公開的為等效的與地面的聲耦合同時(shí)能夠?qū)鞲衅飨到y(tǒng)的有源部件移除和更換并且使聲耦合機(jī)構(gòu)留在所選擇的地面位置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本公開的一些方面，已開發(fā)出了一種新型的夾持套管，無論土壤類型如何，該夾持套管同時(shí)地形成與大地的固定耦合，同時(shí)也提供用于傳感器單元的殼體。利用所公開的耦合裝置，可改進(jìn)傳感器與地面的可重現(xiàn)的耦合。更重要地，該夾持套管允許傳感器單元的收回，同時(shí)使該夾持套管留在地面中。在一些示范性實(shí)施例中，可給夾持套管加蓋以防止當(dāng)傳感器未被設(shè)置在夾持套管中時(shí)沉積物和碎片的堆積。

附圖說明

圖1和圖2分別示出了在本領(lǐng)域中為已知的自主地震數(shù)據(jù)采集裝置的剖視圖和斜視圖。

圖3示出了根據(jù)本公開的示范性地面接觸殼體（套筒）。

圖4示出了根據(jù)圖3的被設(shè)置在地面接觸套筒中的節(jié)點(diǎn)式采集單元的一個(gè)實(shí)例。

圖5-圖7示出了用于將傳感器固定在地面接觸套筒中的一個(gè)示范性鎖定機(jī)構(gòu)。

圖8和圖9示出了包括傳感器和地面套筒定位裝置的一個(gè)示范性實(shí)施例的剖視圖和側(cè)視圖。

圖10示出了具有內(nèi)部突起的示范性地面接觸套筒，該內(nèi)部突起是用于改善套筒與傳感器之間的耦合同時(shí)能夠在隨后時(shí)間將傳感器加以更換。

圖11示出了圖10中所示的示范性實(shí)施例的俯視圖。

圖12示出了圖10中所示的實(shí)施例的斜剖視圖。

圖13示出了圖10中所示的實(shí)施例的斜視圖。

圖14示出了可被擠壓進(jìn)入或者被沖擊驅(qū)動(dòng)進(jìn)入在表層土壤中的預(yù)形成孔的另一個(gè)示范性實(shí)施例。

圖15示出了用于增強(qiáng)傳感器與地面接觸套筒之間的聲耦合的內(nèi)部突起的另一個(gè)實(shí)施例。

圖16示出了類似于圖14的另一個(gè)實(shí)施例。

圖17示出了將如圖15中所示的特征與在地面接觸套筒上的螺旋形狀外部表面加以組合的一個(gè)示范性實(shí)施例。

圖18和圖19分別示出了可適用于多部件地震傳感器的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖和斜視圖。

具體實(shí)施方式

根據(jù)本公開的具有改進(jìn)的地面接觸耦合的示范性地球物理傳感器可被設(shè)計(jì)成使得可通過各自尤其適合于不同地表?xiàng)l件的一些方法將地面接觸套筒安裝入大地中（例如，在地面或水底上）。部分的這里所定義的地面接觸套筒不是僅有的選擇，并且本描述并非將本公開局限于任何特定類型或數(shù)量的設(shè)計(jì)。通常，根據(jù)本公開的地面接觸套筒可具有在其外部表面上的至少一個(gè)特征，該特征使地面接觸套筒的外部表面積增加到超過大體上為平滑的滾圓表面的表面積。

參照圖3，圖中示出了示范性的地面接觸套筒100，該地面接觸套筒100可構(gòu)造成能夠通過使用液壓驅(qū)動(dòng)的尖的沖壓裝置而被“沖壓”或擠壓進(jìn)入大地（即，表層土壤）中，其中將地面接觸套筒100置于沖壓端上，因此當(dāng)把地面接觸套筒100驅(qū)動(dòng)進(jìn)入大地中并將沖壓裝置收回時(shí)，地面接觸套筒100停留在地面中。地面接觸套筒100可具有下面進(jìn)一步描述的在其外部表面上的特征，以便無論在其中布置地面接觸套筒100的位置的土壤類型（例如，砂、泥炭、沼澤、雪、冰、表土或粘土）如何均可提供高效的與大地的聲耦合。圖3示出了根據(jù)本公開的地面接觸套筒的若干構(gòu)思：用于容納傳感器單元的空腔、和用于增強(qiáng)地面接觸套筒100被周圍介質(zhì)機(jī)械夾緊的外邊緣。在一些實(shí)施例中，可將導(dǎo)向孔沖壓、擠壓或鉆孔到表層土壤中。地面接觸套筒100的示范性實(shí)施例可具有例如所選擇幾何形狀的邊緣、葉片、脊部、螺紋或螺齒（flight）的特征，從而可改善地面接觸套筒100與地面之間的機(jī)械耦合。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，這些特征可包括具有交替幾何形狀的脊部，這些脊部增大了地面接觸套筒100與土壤接觸部分的表面積。這種增大的表面積可通過將地面接觸套筒100插入具有小于地面接觸套筒100外直徑的初始內(nèi)直徑的導(dǎo)向孔中而提高所提供的機(jī)械強(qiáng)度?？商峁└倪M(jìn)的聲耦合的導(dǎo)向孔直徑的可能范圍可以是大約2英寸至2.75英寸，更優(yōu)選范圍為大約2.4英寸至2.6英寸。

孔沖壓（或擠壓）和地面接觸套筒安裝裝置可將地面接觸套筒100插入預(yù)形成的孔中，然后移動(dòng)到被設(shè)置在緊鄰預(yù)定傳感器位置的預(yù)形成孔。在地面接觸套筒100的安裝之后，可在布置地面接觸套筒100之后的任意時(shí)間將節(jié)點(diǎn)式傳感器單元安裝入地面接觸套筒100中。地面接觸套筒100可由為聲能的高效導(dǎo)體的任何合適的、固體的、大體上為剛性的材料所制成。優(yōu)選地，可使在表層土壤物質(zhì)與制造地面接觸套筒100的材料之間的密度差最小化，從而減小地面接觸套筒100與周圍地面物質(zhì)（圖4）之間的聲阻抗差。被選擇用于地面接觸套筒100的材料也應(yīng)當(dāng)足夠強(qiáng)到可經(jīng)受地震傳感器（例如，節(jié)點(diǎn)式傳感器單元）的多次插入和收回。

圖4示出了被安裝在預(yù)先插入地面104中的植入的地面接觸套筒100中的節(jié)點(diǎn)式傳感器單元102（傳感器節(jié)點(diǎn)）。該節(jié)點(diǎn)式傳感器單元102可物理聯(lián)接到地面接觸套筒100，例如通過下面更詳細(xì)說明的相應(yīng)的外部和內(nèi)部特征，其中傳感器殼體105構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)102的一部分。傳感器殼體105可與在傳感器節(jié)點(diǎn)102內(nèi)部的一個(gè)或多個(gè)地震傳感器（未圖示）聲耦合。傳感器殼體105被推到與在地面接觸套筒100內(nèi)部的內(nèi)表面特征（在下文描述）物理接觸，以改善傳感器殼體105與地面接觸套筒100之間的聲耦合。傳感器殼體105可以是常規(guī)的地震傳感器地面安裝尖狀物，或者可具有特殊的形狀，例如構(gòu)造成緊密地嵌入在地面接觸套筒100中的內(nèi)部空間的錐形桿或圓柱體。在一些實(shí)施例中，然后可利用專用的鎖定裝置將節(jié)點(diǎn)式傳感器單元102鎖定入地面接觸套筒100中，以防止未獲授權(quán)人的不受歡迎的移除。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，鎖定裝置可以是可用專用驅(qū)動(dòng)工具（未圖示）操作的螺旋型軟管夾具。

圖4示出了根據(jù)本公開的地面接觸套筒100的原理：具有相對較大的表面積以便獲得在周圍土壤中的機(jī)械強(qiáng)度的地面接觸套筒；聯(lián)接到地面接觸套筒的傳感器單元，其中可提供地面接觸套筒與傳感器之間的接觸點(diǎn)的優(yōu)化幾何布置從而使聲信號傳輸最大化。在地面接觸套筒100的外部上的至少一個(gè)特征（例如螺旋式螺齒（auger flight））在沿地面接觸套筒的軸線和垂直于該軸線的兩個(gè)方向上壓縮地面物質(zhì)以改進(jìn)聲耦合。

在下面進(jìn)一步描述的一些實(shí)施例中，可提供用于將傳感器固定到地面接觸套筒的鎖定機(jī)構(gòu)，因而僅通過使用構(gòu)造成釋放鎖定機(jī)構(gòu)的工具便可以將傳感器移除。

不同的示范性地面接觸套筒設(shè)計(jì)可具有不同的形狀（例如具有外螺紋、或者螺旋、螺齒（螺紋）），并且通過將螺旋式螺齒插入大地中（參見圖9）的旋入操作將獲得連續(xù)且高質(zhì)量的與大地的聲耦合。地面接觸套筒100的旋入插入可用手持式鉆具電機(jī)、或者手操作的驅(qū)動(dòng)手柄而實(shí)施，該驅(qū)動(dòng)手柄具有與地面接觸套筒100的內(nèi)部形狀或者在地面接觸套筒100外部上的工具表面相配合的相應(yīng)的工具端部形狀。非限制性例子可包括在這種工具外部的具有相應(yīng)幾何形狀的表面、和地面接觸套筒100的內(nèi)表面或外部表面。

在一個(gè)實(shí)例中，在地面接觸套筒外部表面上的脊部的幾何圖案可包括作為菱形、橢圓形、正方形和/或其它幾何形狀的這種特征，這些特征使地面接觸套筒與表層土壤之間的接觸表面積從100 mm²增加到1000 mm²，優(yōu)選范圍為500至750 mm²。就特定的土壤類型而言，可對任何示范性地面接觸套筒的外部特征的構(gòu)造和地面接觸表面積進(jìn)行優(yōu)化。例如，就砂質(zhì)土壤而言，增加表面積達(dá)750 mm²的正方形可提供地面接觸套筒與表土之間的優(yōu)化接觸。

在另一個(gè)示范性實(shí)施例中，地面接觸套筒的外部可包括在其上端的一個(gè)特征，該特征能夠附加蓋從而阻止地面接觸套筒的內(nèi)部被沉積物和碎片所污染。

在另一個(gè)示范性實(shí)施例中，地面接觸套筒的內(nèi)表面可包括下面進(jìn)一步說明的各種構(gòu)造的向內(nèi)突起，該向內(nèi)突起提供增大的與傳感器殼體（圖4中的105）的接觸表面積，同時(shí)提供用于當(dāng)把傳感器（圖4中的102）插入地面接觸套筒中時(shí)碎片排出的空間。

留在地面中用以提供用于4D地震成像的相同傳感器位置的地面接觸套筒可使沉積物或碎片隨時(shí)間的推移而堆積在內(nèi)部，甚至當(dāng)使用蓋時(shí)。通過使用向內(nèi)突起，這種實(shí)施例可使傳感器被插入地面接觸套筒成為可能，甚至當(dāng)?shù)孛娼佑|套筒的內(nèi)部被液體和碎片部分或全部地填充時(shí)。

在另一個(gè)實(shí)施例中，在地面接觸套筒100的內(nèi)壁或上表面上的特征（例如花鍵）可采用間隔達(dá)至少2 mm和高達(dá)10 mm的縱向直線的形式。這些縱向直線應(yīng)當(dāng)提供與傳感器的聲耦合，并且允許當(dāng)把傳感器插入地面接觸套筒中時(shí)碎片或沉積物的排出?？蓪@些花鍵的高度進(jìn)行選擇，從而提供花鍵與傳感器殼體（圖4中的105）之間的過盈配合，以便獲得良好的聲耦合。

如果地面接觸套筒100具有在其外部上的螺旋式螺齒（或螺紋），那么前述部件將抓緊表土，從而當(dāng)使其旋轉(zhuǎn)時(shí)將地面接觸套筒100拉動(dòng)進(jìn)入土壤物質(zhì)中。地面接觸套筒100和螺旋式螺齒將使土壤在向外和遠(yuǎn)離套筒的方向上移位，從而將被移位的土壤物質(zhì)壓緊到在接觸套筒周圍的土壤中。當(dāng)接觸套筒被拉動(dòng)入大地中時(shí)這些螺齒推動(dòng)大地物質(zhì)，因此豎直地壓緊大體物質(zhì)并且最終有一定量的應(yīng)力停留在螺齒與在其上方的大地物質(zhì)之間，從而確保地面與地面接觸套筒100之間的良好聲耦合。螺旋形狀可具有50度的錐角（圖9中的T）。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，螺距（圖9中的P）為1.4”并且螺紋深度為0.75”。

地面接觸套筒100的主體可被成形為包括螺旋式螺齒的任何已知構(gòu)造，包括但不限于具有脊部和“多線（multi-start）”螺齒的地面接觸套筒的圓錐形狀。多線螺齒的范圍可以是4至20螺紋/英寸，優(yōu)選范圍可以是8至16螺紋/英寸。該多線螺紋可具有2的下限但可高達(dá)8，優(yōu)選范圍為2至4。

將地面接觸套筒插入大地中的操作（無論沖壓、擠壓或者旋入）均導(dǎo)致在地面接觸套筒周圍的材料被向外推動(dòng)并且擠壓大地物質(zhì)并形成從在套筒外部表面的最密實(shí)的到遠(yuǎn)離套筒的現(xiàn)有地面物質(zhì)密度的連續(xù)密度變化區(qū)域。這種在套筒周圍的變化密度形成大體上為整體的大地/套筒耦合組件。因此，地面接觸套筒100可以是大體上為透聲的，因此減少或消除在地面接觸套筒100周圍的任何突然的聲波路徑變化。

可利用一個(gè)或多個(gè)裝置（例如磁體）、或者熒光或磷光染料來增強(qiáng)對預(yù)先放置的地面接觸套筒的檢測和引導(dǎo)?？墒褂镁哂?00至5000高斯的磁場強(qiáng)度的一個(gè)或多個(gè)永磁體，在一些實(shí)施例中1000至3000高斯的優(yōu)選范圍可用于這種磁體。例如，這種磁體允許容易地用金屬檢測器或磁力儀進(jìn)行檢測。就具有從土壤到在地面接觸套筒上表面的一些突起的實(shí)施例而言，地面接觸套筒可由含有混合于其中的熒光染料或磷光染料的塑料所制成。熒光染料可用400至700 nm（納米）波長的光進(jìn)行激發(fā)，這防止染料在普通手電筒的光照射下發(fā)出熒光。也可使用對可見光為敏感的磷光顏料，并且在不要求將傳感器或接觸套筒保持隱藏狀態(tài)的情況下會(huì)是優(yōu)選的。在一些情況下，防止節(jié)點(diǎn)或地面接觸套筒容易地被檢測到會(huì)是可取的，以降低傳感器節(jié)點(diǎn)被盜的可能性。

如上所述的地面接觸套筒材料可以是任何合適的材料，包括但不限于模制剛性硬塑料，該硬塑料具有50至120的硬度并且其特征是熱塑性或熱固性材料。這種材料應(yīng)當(dāng)具有0.75至1.4的比重和低摩擦系數(shù)，例如在0.01至0.5的范圍內(nèi)更優(yōu)選地在0.1至0.3的范圍內(nèi)。也可使用砂型鑄造金屬（例如鋁）、及機(jī)械加工的金屬和塑料。適合使用于一些實(shí)施例中的示范性塑料可以是超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯或者丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物（ABS）、尼龍人造絲、dalrin、縮醛、熱塑性聚氨酯、聚碳酸酯、聚酯、聚醚、丙烯酸類、或者本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的類似聚合物。

在另一個(gè)實(shí)施例中，可用固化成聲傳輸泡沫的聚合物系統(tǒng)使地面接觸套筒附著到大地。這種泡沫以化學(xué)方式結(jié)合到地面接觸套筒，同時(shí)也使松散的沉積物或土壤組分結(jié)合。前述的例子可包括聚氨酯、交聯(lián)多糖、硅基聚合物、或者丙烯酸類聚合物。

傳感器殼體可被制造成但不限于一個(gè)包括全部的部件，或者具有兩個(gè)部件，其中第二部件是外套筒主體，該主體是內(nèi)部空心的以便在將第一部件安裝入地面接觸套筒中之后牢固地接受傳感器節(jié)點(diǎn)主體的插入。

傳感器單元安裝過程可利用一些方法而實(shí)施，包括但不限于：使用一種類型的滑動(dòng)錘裝置而手動(dòng)地沖壓出導(dǎo)向孔或開孔，或者利用螺旋式單元（直徑小于地面接觸套筒主體）和手動(dòng)操作的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（例如“T形”手柄）、或者以電池或汽油為動(dòng)力的鉆孔單元；利用液壓驅(qū)動(dòng)的沖孔機(jī)而部分地自動(dòng)化，從而形成豎直控制的開孔或者沖壓并插入套筒；和使用穿孔機(jī)然后使用承載傳感器節(jié)點(diǎn)單元的自動(dòng)化機(jī)器的完全自動(dòng)化，該自動(dòng)化機(jī)器將地面接觸套筒沖壓并安裝入地面中然后將傳感器節(jié)點(diǎn)單元插入，或者將開孔沖壓入地面中然后將螺旋式地面接觸套筒單元旋入預(yù)沖壓的孔中。該機(jī)器也可包括用于記錄大地測量位置并且對所使用的節(jié)點(diǎn)式傳感器單元及其相關(guān)的電子器件進(jìn)行測試和評估的電子器件。

圖5-圖7示出了用于將傳感器或節(jié)點(diǎn)式記錄儀固定在地面接觸套筒中的一個(gè)示范性鎖定機(jī)構(gòu)。地面接觸套筒100可具有如上所述并且將在下面進(jìn)一步說明的特征，從而便于通過擠壓、旋轉(zhuǎn)或者通過沖擊而將地面接觸套筒100安裝入表層土壤中?？蓪鞲衅?02（例如，節(jié)點(diǎn)式記錄儀地震傳感器）設(shè)置在地面接觸套筒100的內(nèi)部。地面接觸套筒100可包括周向地設(shè)置在地面接觸套筒100的壁附近的可壓縮肋部110，從而能夠?qū)⒗卟?10壓縮抵靠傳感器102的外部。夾具108（例如螺紋夾具）可被緊固從而壓縮肋部110并且將傳感器102鎖定在地面接觸套筒100中。夾具108可構(gòu)造成可僅用特定的工具而操作，以降低夾具108的未授權(quán)的松動(dòng)和傳感器102的隨后未經(jīng)授權(quán)的從地面接觸套筒100中的移除的可能性。圖示的示范性實(shí)施例可包括工具表面112，該工具表面112是用于向地面接觸套筒100施加壓力或沖擊以便插入地面或土壤表面中。在一些實(shí)施例中，具有略微小于地面接觸套筒100外直徑的內(nèi)直徑的預(yù)形成孔可用于地面接觸套筒100的放置。工具表面112能夠用已被放置在套筒100中的傳感器102將地面接觸套筒100插入地表中。圖6中可看到圖5中所示的實(shí)施例的斜視圖。

圖7示出了圖5的實(shí)施例，其中夾具108被緊固從而壓縮肋部110，由此將傳感器102鎖定在地面接觸套筒100中。

圖8和圖9示出了包括傳感器和地面接觸套筒定位裝置的一個(gè)示范性實(shí)施例的剖視圖和側(cè)視圖。首先參照圖8，可將定位突出部114設(shè)置在地面接觸套筒100的內(nèi)表面積上，因而每當(dāng)把傳感器（圖4中的102）插入地面接觸套筒100的內(nèi)部120時(shí)，傳感器（圖4中的102）將被取向在相同方向上?？商峁┩獠慷ㄎ惶卣?16，以便使用戶能夠確定地面接觸套筒100的大地測量的方位。該示范性地面接觸套筒100可使用螺旋式螺齒100，使得可通過旋轉(zhuǎn)而將地面接觸套筒100插入表層土壤中?？商峁┕ぞ弑砻?12從而便于地面接觸套筒100的旋轉(zhuǎn)，以便通過使用配合工具（未圖示）而插入。本示范性實(shí)施例具有六邊形形狀的工具表面112，然而在任何其它實(shí)施例中該形狀可以是不同的?？墒褂糜谄渌鼘?shí)施例的其它已知形狀包括但不限于：正方形、三角形和12點(diǎn)接觸螺栓頭形狀。

圖9示出了圖8的實(shí)施例的側(cè)視圖，其中螺旋式螺齒101可清楚地看見。圖9中所示的實(shí)施例具有已被放置在套筒100中以便共同地插入表層土壤中的傳感器102。

可使用于一些實(shí)施例的地面接觸套筒100的其它方面在圖9中被圖示為由螺旋式螺齒101所包含的錐角T。該錐角T的范圍可以是在20至80度的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施例中，錐角T可以是50度。螺旋式螺齒的螺距P可以是在4至20螺紋/英寸的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施例中，螺距P可以是8至16螺紋/英寸。在一些實(shí)施例中，螺紋深度可以是0.75英寸。

圖10示出了具有內(nèi)部突起122的一個(gè)示范性地面接觸套筒100；內(nèi)部突起122從地面接觸套筒100的內(nèi)壁表面向內(nèi)延伸，以改善地面接觸套筒100與傳感器（例如，圖4中的102）之間的耦合同時(shí)使在隨后時(shí)間傳感器的移除和/或更換成為可能。在圖10中所示的實(shí)施例中，突起122可以是大體上為線性的，并且可限定略微小于傳感器（圖4中的102）的相應(yīng)部分的外直徑的內(nèi)直徑以便傳感器形成與突起122的過盈配合。可對突起122的高度進(jìn)行選擇，從而在把傳感器（圖4中的102）插入其中時(shí)能夠容易地將灰塵、碎片和液體從地面接觸套筒100的內(nèi)部排出。圖10中所示的實(shí)例可具有用于與土壤接觸的螺旋式螺齒101，然而圖10中所示實(shí)施例的外部構(gòu)造并不受如此限制。

圖11示出了圖10中所示示范性實(shí)施例的俯視圖，其中突起122和工具表面112可清楚地看到。

圖12示出了圖10中所示實(shí)施例的斜剖視圖。

圖13示出了圖10中所示實(shí)施例的斜視圖。這些突起（可被稱為在地面接觸套筒100內(nèi)壁或上表面上的“花鍵”）可以是縱向的肋部。在一些實(shí)施例中，可存在至少3和多達(dá)20個(gè)的這種肋部122，優(yōu)選范圍為6-12肋部122。肋部的厚度可以是大約0.02英寸至0.25英寸，優(yōu)選厚度范圍是在大約0.06和0.2英寸之間。用于與傳感器的耦合有效表面可以是大約350 mm²至27850 mm²，優(yōu)選范圍為2105 mm²至13,760 mm²。

圖14示出了可被擠壓進(jìn)入或者被沖擊驅(qū)動(dòng)進(jìn)入在表層土壤中的預(yù)形成孔中的地面接觸套筒100的另一個(gè)示范性實(shí)施例。地面接觸套筒100可包括用于將地面接觸套筒100擠壓或者沖擊驅(qū)動(dòng)進(jìn)入土壤中的工具表面112。地面接觸套筒100的外部表面可包括多個(gè)凹進(jìn)部，用以增大地面接觸套筒100與土壤接觸的表面積并且增加將地面接觸套筒100從土壤中移除的阻力，這是因?yàn)橥寥离S時(shí)間推移而變壓實(shí)。

圖15示出了地面接觸套筒的另一個(gè)實(shí)施例，該地面接觸套筒具有內(nèi)部突起126，用以增強(qiáng)傳感器與地面接觸套筒100之間的聲耦合。在本實(shí)施例中，內(nèi)部突起126可采用“按鈕”或者類似形狀的元件的形式。本實(shí)施例提供地面接觸套筒100與傳感器節(jié)點(diǎn)之間的增大的表面積接觸，同時(shí)提供用于當(dāng)把傳感器節(jié)點(diǎn)插入地面接觸套筒中時(shí)碎片排出的充分空間?？稍试S地面接觸套筒停留在地面中從而便于將傳感器放置在相同的大地測量位置以便進(jìn)行4D（時(shí)間推移3D）成像。當(dāng)停留在地面中時(shí)，地面接觸套筒可使沉積物或碎片隨時(shí)間推移而堆積在內(nèi)部，甚至是在使用蓋的情況下。凹進(jìn)部或內(nèi)部定向突起（如在上述實(shí)施例中所描述）的布置可使表面積從100 mm²增加到1000 mm²，優(yōu)選范圍為500 mm²至750 mm²；同時(shí)提供當(dāng)把傳感器插入地面接觸套筒中時(shí)容易地排出這種碎片的自由空間。

圖16示出了類似于圖14的另一個(gè)實(shí)施例，該實(shí)施例具有在外部表面上的凹進(jìn)部124，用以增大土壤與地面接觸套筒100外部之間的接觸表面積。

圖17示出了將內(nèi)部突起特征126（例如圖15中所示）與螺旋狀外部表面（被圖示為在地面接觸套筒100的外部上的螺齒101）加以組合的一個(gè)示范性實(shí)施例。正如在其它實(shí)施例中，可提供工具表面112，該工具表面112是用于地面接觸套筒100的擠壓、沖擊或旋轉(zhuǎn)從而將地面接觸套筒100安裝在地面或土壤表面中。

圖18和圖19分別示出了可適用于與多部件地震傳感器一起使用的實(shí)施例的側(cè)視圖和斜視圖。圖18和圖19中所示的實(shí)施例可包括大體上呈彈道形狀或尖的下端130，從而便于通過在工具表面112上的沖擊或擠壓而安裝地面接觸套筒100。地面接觸套筒100的外圓周可包括周向間隔的葉片132。本示范性實(shí)施例具有大體上沿地面接觸套筒100的縱向軸線所布置的四個(gè)等角間隔的葉片，然而在其它實(shí)施例中葉片132的數(shù)量及相鄰葉片之間的角間距可以是不同的。地面接觸套筒100可包括緊鄰下端130的、在大體上為環(huán)狀的覆蓋套筒的圓周的一個(gè)或多個(gè)接觸肋部128。在本實(shí)施例中，接觸肋部128可大體上垂直于地面接觸套筒100的縱向軸線，以增強(qiáng)地面的豎直運(yùn)動(dòng)與地面接觸套筒100的耦合。葉片132可增強(qiáng)地面沿任意方向的水平運(yùn)動(dòng)與地面接觸套筒的耦合。因此，圖18和圖19中所示的實(shí)施例可提供用于檢測除豎直方向以外的地面運(yùn)動(dòng)以及檢測不同模式的地面運(yùn)動(dòng)（例如壓縮運(yùn)動(dòng)和剪切運(yùn)動(dòng)）的增強(qiáng)的地面接觸特性。

如上所述，地面接觸套筒的一些實(shí)施例可構(gòu)造成能夠通過使用例如液壓驅(qū)動(dòng)的尖的沖壓或擠壓裝置而被“沖壓”或擠壓進(jìn)入土壤中，其中將地面接觸套筒置于沖壓端上，因此當(dāng)把地面接觸套筒驅(qū)動(dòng)進(jìn)入地面中并且將沖壓裝置收回時(shí)，套筒停留在地面中。在一些實(shí)施例中，可在地面接觸套筒的插入之前，將導(dǎo)向孔沖壓、鉆孔或擠壓在大地中。

由外部特征（如上面所說明）所提供的增大的表面積可通過將地面接觸套筒插入具有小于地面接觸套筒的直徑的直徑的導(dǎo)向孔中而提高所提供的機(jī)械強(qiáng)度。就這種用途而言，導(dǎo)向孔直徑的示范性范圍為1.75英寸至2.75英寸，優(yōu)選范圍為1.9英寸至2.4英寸。

如上所述，地面接觸套筒可由為聲能的良好導(dǎo)體的任何固體材料制成。優(yōu)選地，使地面物質(zhì)與制造套筒的材料之間的密度差最小化，從而降低地面接觸套筒與周圍的地面物質(zhì)之間的聲阻抗差（參見圖4）。所選擇的材料也可以是足夠強(qiáng)到可經(jīng)受傳感器相對于地面接觸套筒的多次插入和收回。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，所選擇的材料可具有最適合于具有確定的局部土壤組成的聲耦合的聲學(xué)性能。在其它實(shí)施例中，在將地面接觸套筒安裝進(jìn)入表土期間可使用土壤粘結(jié)材料。這種土壤粘結(jié)組合物可包含天然存在的生物高分子（例如瓜爾膠）和含有硼酸鹽（例如鈉硼解石）的礦物質(zhì)。

如果地面接觸套筒在其外部表面上具有螺旋形狀，那么螺齒（或螺紋）將抓牢大地從而當(dāng)使地面接觸套筒旋轉(zhuǎn)時(shí)將地面接觸套筒100拉動(dòng)進(jìn)入大地物質(zhì)中。這些螺紋將使土壤物質(zhì)向外和在遠(yuǎn)離套筒的方向上移位，從而將移位的大地物質(zhì)壓緊入在套筒周圍的大地物質(zhì)中。當(dāng)?shù)孛娼佑|套筒被拉動(dòng)進(jìn)入大地時(shí)，螺齒向上推動(dòng)大地物質(zhì)，從而豎直地壓緊大地物質(zhì)并且最終有一定量的應(yīng)力留在這些螺齒與在其上方的大地物質(zhì)之間，從而確保地面與地面接觸套筒之間的良好聲耦合。示范性的螺旋形狀可具有在20至80度范圍內(nèi)的螺紋錐角，優(yōu)選角度為50度。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，螺距為1.4英寸并且深度為0.75英寸。

地面接觸套筒的主體可被成形為包括螺旋式螺齒的任何已知構(gòu)造，包括但不限于具有脊部和“多線”螺齒的主體的圓錐形形狀。多線螺紋的范圍將會(huì)是4至20螺紋/英寸，優(yōu)選范圍將會(huì)是8至16螺紋/英寸。多線螺紋可具有2的下限但可高達(dá)8，優(yōu)選范圍為2至4。

可使用例如磁體或者熒光或磷光染料來增強(qiáng)對所放置的地面接觸套筒的檢測和引導(dǎo)。合適的熒光體包括含有銅的硫化鋅。合適的氟熒光體包括熒光素和尼羅藍(lán)，這些熒光體可以由手電筒激發(fā)用正確的激發(fā)波長來激發(fā)?？墒褂镁哂?00至5000高斯、優(yōu)選范圍為1000至3000高斯的磁場強(qiáng)度的磁體。例如，這種磁體允許使用金屬檢測器或磁力儀而容易地進(jìn)行檢測。就從大地的地面接觸套筒的上部的突起而言，蓋可用熒光或磷光染料模壓制成。熒光染料可用400至700 nm波長的光而激發(fā)，這防止染料被由普通可見光手電筒所發(fā)出的光而檢測。也可使用磷光顏料，并且當(dāng)不要求保持地面接觸套筒不被檢測時(shí)會(huì)是優(yōu)選的。在一些情況下，阻止傳感器和地面接觸套筒被容易地檢測是可取的，以降低傳感器被盜的危險(xiǎn)。在一些實(shí)施例中，并且再次參照圖9，可通過使用RFID詢問裝置使安裝的地面接觸套筒定位，以便激活被形成進(jìn)入或者被加到地面接觸套筒100的嵌入的RFID應(yīng)答器111。RFID應(yīng)答器111可包括關(guān)于特定地面接觸套筒100的大地測量位置和方位的數(shù)據(jù)，使得在時(shí)間推移地震勘探中由設(shè)置在任何特定套筒100中的傳感器所記錄的數(shù)據(jù)可與被編碼于特定RFID應(yīng)答器111中的大地測量信息相關(guān)聯(lián)。

如上所述的地面接觸套筒材料可以是任何合適的材料，包括但不限于：模制剛性硬塑料，該硬塑料具有50至120的硬度并且特征是熱塑性或熱固性材料。這種材料應(yīng)當(dāng)具有大約0.75至1.4的比重、以及在0.01至0.5范圍內(nèi)更優(yōu)選地在0.1至0.3范圍內(nèi)的低摩擦系數(shù)。

在另一個(gè)實(shí)施例中，可用固化成聲傳輸泡沫的聚合物系統(tǒng)使地面接觸套筒附著到大地。這種泡沫以化學(xué)方式結(jié)合到地面接觸套筒同時(shí)也使松散的沉積物結(jié)合。聚合物的例子包括聚氨酯、交聯(lián)多糖、硅基聚合物、或者丙烯酸類聚合物。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，可用礦物質(zhì)（例如鈉硼解石）使多糖類成為膠體以便結(jié)合到周圍的土壤。

傳感器（例如，圖4中的102）可被制造成但不限于：一個(gè)包括所有的部件，或者兩個(gè)部件，其中第二部件是外套筒主體，該外套筒主體是內(nèi)部空心的以便在將第一部件安裝入地面之后牢固地接受傳感器節(jié)點(diǎn)主體的插入。

傳感器節(jié)點(diǎn)安裝過程可利用一些方法而實(shí)施，包括但不限于：利用一種類型的滑動(dòng)錘手動(dòng)地沖壓出一個(gè)導(dǎo)向孔或開孔或者利用螺旋式套筒（孔直徑小于地面接觸套筒直徑）和手動(dòng)操作的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（例如“T形”手柄），或者以電池或汽油為動(dòng)力的鉆孔單元；使用液壓驅(qū)動(dòng)沖孔機(jī)的部分自動(dòng)化以便形成豎直控制的開孔，或者沖壓和插入套筒中；和使用孔沖壓機(jī)然后使用承載傳感器節(jié)點(diǎn)單元的自動(dòng)化機(jī)器的完全自動(dòng)化，該自動(dòng)化機(jī)器將地面接觸套筒沖壓并安裝入地面然后將傳感器節(jié)點(diǎn)單元插入，或者將開孔沖壓入地面中然后將螺旋式地面接觸套筒單元旋入預(yù)先沖壓的孔中。該機(jī)器也可包括對大地測量位置進(jìn)行記錄并且對所使用的節(jié)點(diǎn)式傳感器單元及其相關(guān)的電子器件進(jìn)行測試和評估的電子器件。

假設(shè)必須或期望移除傳感器節(jié)點(diǎn)102，在螺紋聯(lián)接到地面接觸套筒100的情況下，可通過僅僅將傳感器節(jié)點(diǎn)102從地面接觸套筒100中旋出而實(shí)施該操作。就過盈配合傳感器而言，只需將傳感器從地面接觸套筒中拉出。在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的維護(hù)和/或詢問之后，可將更換傳感器節(jié)點(diǎn)102插入現(xiàn)有的地面接觸套筒中，或者可更換相同的傳感器節(jié)點(diǎn)102。

可與本發(fā)明的示范性地面接觸套筒一起使用的一個(gè)示范性傳感器節(jié)點(diǎn)可以以商標(biāo)NUSEIS銷售，該商標(biāo)是德克薩斯州77401貝萊爾市的Geophysical Technology（地球物理技術(shù)）有限公司的商標(biāo)。

根據(jù)本公開各種方面的一個(gè)獨(dú)立的地面接觸套筒和傳感器節(jié)點(diǎn)的一個(gè)可能優(yōu)點(diǎn)可以是：可將傳感器節(jié)點(diǎn)從地面接觸中移除并且加以維修或更換同時(shí)維持在重新安裝之后在傳感器節(jié)點(diǎn)中的各傳感器之間的聲耦合的質(zhì)量。此外，用于維修或更換的傳感器節(jié)點(diǎn)的移除將不導(dǎo)致其后傳感器的大地測量位置中的任何變化。

在使用根據(jù)本公開的地球物理傳感器系統(tǒng)的一個(gè)方法中，可將根據(jù)任何前述實(shí)施例的地面接觸套筒設(shè)置在所選擇的幾何圖案中?？蓪鞲衅骰蛘邆鞲衅饔涗浌?jié)點(diǎn)插入每個(gè)地面接觸套筒中，大體上如參照圖4所說明?？蓪Φ厍蛭锢硇盘枺ɡ纾卣鹦盘枺┻M(jìn)行檢測達(dá)所選擇的時(shí)間段。如果將節(jié)點(diǎn)式記錄儀用于這些傳感器，那么可在各節(jié)點(diǎn)式記錄儀中對所檢測的信號進(jìn)行記錄。在對信號進(jìn)行檢測達(dá)所選擇的時(shí)間段之后，可將傳感器或節(jié)點(diǎn)式記錄儀移除，并且留下地面接觸套筒。之后，可將一個(gè)或多個(gè)傳感器或節(jié)點(diǎn)式記錄儀放置在任意一個(gè)或全部的所放置的地面接觸套筒中并且可重復(fù)進(jìn)行信號檢測和/或記錄。以這種方式，可對四維（4D）或者時(shí)間推移地震勘探進(jìn)行記錄。

雖然已通過有限數(shù)量的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但得益于本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解的是可以設(shè)想出不背離本文中所公開本發(fā)明的范圍的其它實(shí)施例。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)只受所附權(quán)利要求的限制。

權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)

1.一種節(jié)點(diǎn)式地球物理感測系統(tǒng)，包括：

地面接觸套筒，所述地面接觸套筒限定內(nèi)部空間并且具有在其外部上的至少一個(gè)特征，所述至少一個(gè)特征用于接觸并壓縮與所述外部相鄰的地面物質(zhì)，所述至少一個(gè)特征使外部表面的表面積增大到超過大體上為平滑的圓形表面的表面積；

被裝入獨(dú)立的殼體中的節(jié)點(diǎn)式地球物理傳感器，所述獨(dú)立的殼體與在所述內(nèi)部空間上的至少一個(gè)特征接合從而使所述地面接觸套筒與所述獨(dú)立的殼體之間的聲能傳輸成為可能。

2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，在所述地面接觸套筒的外部上的所述至少一個(gè)特征在沿所述地面接觸套筒的軸線和垂直于所述軸線的兩個(gè)方向上壓縮所述地面物質(zhì)。

3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，在所述地面接觸套筒上的所述至少一個(gè)特征包括具有20至80度錐角的螺旋式螺紋。

4.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，在所述地面接觸套筒上的所述至少一個(gè)特征包括具有4至20螺紋每英寸的螺距的螺旋式螺紋。

5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述地面接觸套筒的外部或者其內(nèi)部空間包括至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)特征，以便通過使工具配合到所述至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)特征而使所述地面接觸套筒的旋轉(zhuǎn)成為可能。

6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)特征包括花鍵、進(jìn)入所述內(nèi)部空間的向內(nèi)突起和在所述地面接觸套筒的上端上的成形工具表面中的至少一種。

7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，在所述地面套筒的外部表面上的所述至少一個(gè)特征的包括圓錐形形狀。

8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，在所述內(nèi)部空間中的所述至少一個(gè)特征包括花鍵。

9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述花鍵限定小于所述地球物理傳感器的殼體的外直徑的內(nèi)直徑。

10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器殼體包括與所述地面接觸套筒中的內(nèi)部空間的形狀相對應(yīng)的形狀。

11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述地面接觸套筒是由被選擇使地面物質(zhì)與所述地面接觸套筒之間的聲阻抗差最小化的材料而制成。

12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述材料包括模制剛性硬塑料、壓鑄塑料、砂型鑄造金屬、機(jī)械加工金屬和機(jī)械加工塑料中的至少一種。

13.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述模制塑料、所述壓鑄塑料或所述機(jī)械加工塑料包括超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物和尼龍6中的至少一種。

14.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述材料包括磷光材料和熒光材料中的至少一種。

15.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，在所述內(nèi)部空間上的所述至少一個(gè)特征包括定位特征，使得能夠僅在一個(gè)方向上將所述傳感器殼體插入所述地面接觸套筒中。

16.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述地面接觸套筒包括射頻識別應(yīng)答器，所述射頻識別應(yīng)答器具有被編碼在其中的與所述地面接觸套筒的大地測量位置相關(guān)的信息。

17.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，在所述內(nèi)部空間上的所述至少一個(gè)特征包括向內(nèi)延伸的突起，所述突起具有如下的形狀和尺寸，所述形狀和尺寸被選擇以形成與所述傳感器的過盈配合并且提供空間用于由所述傳感器移位的體積所造成的碎片和流體的排出。

18.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，在所述外部表面上的所述至少一個(gè)特征包括從所述地面接觸套筒的縱向軸線并且與之平行地大體上徑向地向外延伸的多個(gè)葉片。

19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，還包括大體上垂直于所述地面接觸套筒的縱向軸線的至少一個(gè)肋部。

20.一種用于地球物理勘探的方法，包括：

將至少一個(gè)地球物理的地面接觸套筒插入地表中；

將設(shè)置在獨(dú)立的傳感器殼體中的地球物理傳感器插入所述地面接觸套筒中；

檢測地球物理信號達(dá)所選擇長度的時(shí)間；

將獨(dú)立的殼體中的所述地球物理傳感器從所述地面接觸套筒中移除；和

在所選擇的時(shí)間段之后，重復(fù)所述傳感器的插入和地球物理信號的檢測。