工程与物探学论文

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1、工程与环境物探学论文工程 与 环 境 物 探 学 论 文浅层折射波和反射波的原理及其应用实例浅层折射波和反射波的原理及其应用实例浅层折射波和反射波的原理通过研究人工激发的弹性波在地壳内的传播规律来勘探地质构造的方 法。由锤击或爆炸引起的弹性波，从激发点向外传播，遇到不同弹性介质的 分界面，将产生反射和折射，利用检波器将反射波和折射波到达地面所引起 的微弱振动变成电信号，送入地震仪经滤波、放大后，记录在像纸或磁带中。 经整理、分析、解释就能推算出不同地层分界面的埋藏深度、产状、构造等。 常用于探测覆盖层或风化壳的厚度，确定断层破碎带，在现场研究岩土的动 力学特性等，可分为折射波法和反射波法两种。

2、反射法主要利用其在不同界面 的反射判定地下构造发育情况；折射法主要利用其在界面滑行等特性了解覆盖层 厚度及进行速度分层；浅层地震面波法主要是在地表用脉冲竖向震源激发，沿波 的传播方向设置一定间距的检波器接收地震波，通过分析竖向不同频率面波的传 播特征来反映不同深度的地质结构情况。因此，地震勘探的基本原理就是利用地 震仪把反射和折射的地震波信号记录下来，测定其到达地面各接收点的时间和震 动特征，利用时距曲线进行计算，并分析地震波的形成和数据处理，来确定地下 地质界面的埋深和产状。浅层折射波以及反射波的数据采集系统（1）反射波的形成：当相邻上下两种岩层的 波阻抗（密度与波速的乘积） 不相等，即球K

3、时， 才能在岩层分界面上形成反 射波。上下两种岩层的波阻 抗差异越大，沿走向延伸越长，且比较平滑的界面是最良好的反射界面。接收点V2(2)折射波的形成：入射波到达 不同的岩层界面时不仅能形成 反射波，而且还能形成透射波在 第二介质中的传播，它们之间应sin ii _ 力i满足折射定：sin & 一功。当 下层波速大于上层波速吼 时，形成折射波的面，称为折射面，也称为速度界面。随着入射角人增大，而折 射角，2也随之增大，当门逐渐变化到祁(临界入射角)时，我增至到90。，即发生 全反射现象，则波成为沿界面滑行的滑行波。由反射波折射波的形成可得出采集数据所要求的有：震源，检波器，浅层地震仪以及 如何

4、布置导线和相应的观测系统。由于浅层地震探测深度不大、要求分辨率高，因此除要求震源有适当的能量、安全可 靠和便于使用外，往往还要求采用能产生较高频率成分的震源。常用的震源有：锤击震源、 雷管和炸药震源、地震枪震源、电火花震源，此外还有一种振动频率范围和震动持续时间可 以调节的可控震源，以及用于产生横波和面波的各种专用震源等。检波器是把地震波到达引 起的地面微弱振动转换成电信号的换能装置，也称拾震器。目前常用的检波器主要由线圈、 弹簧片和永久磁钢架以及外壳组成。当地震波传播到地面时，检波器随之发生震动，由于惯 性作用，其线圈和磁钢将发生相对运动而产生和震动周期相对应的感应电流信号，通过浅层 地震仪

5、将电信号进行放大、显示并记录下来，从而拾取地震波。这类检波器输出的信号电压 和其振动时的位移速度有关，因此又称速度检波器。此外还有利用晶体压电效应特性制成的 晶体检波器。为了确数据的准确性减少劳动强度，对震源、地震仪和检波器还有如下规范要求：地 震勘探可使用爆炸震源、锤击震源和落重震源等；震源应能激发所选工作方法需要的主频地 震脉冲，能量可控并符合探测深度要求;爆炸机性能应安全可靠，并具备记时回路触发功能; 锤击震源和落重震源应操作方便、重复性好;记时信号延迟时差不大于0.5ms;地震仪宜选用 12道或24道浅层数字地震仪，具有信号增强、延时、内外触发、前置放大、滤波、数字 采集等功能；采样率

6、可选、最小采样间隔不大于0.05ms;记录长度不小于1024样点/道， 且可选；A/D转换精度不小于12 bit;动态范围不小于96dB;通频带为22000Hz;放大器 内部噪声不大于川V;各道检波器之间固有频率相差应小于10%，灵敏度相差应小于10%， 相位差应小于1ms;绝缘电阻不小于10MQ ;井下和水下使用的检波器，应有良好的防水性 能；地震记录道各道之间的相位差应小于1.5ms;各道之间的振幅差应小于15%。在浅层折射法的现场数据采集中，为了压制干扰波和确保对有效波进行追 踪，激发点和接受点之间的排列和各排列的位置都应保持一定的相对关系，这种 激发点和接收点之间以及排列和排列之间的位

7、置关系称为观测系统。折射波和反 射波的形成和传播特征不同，所以观测系统的设计也有所不呆竺 同。折射波的测线类型分为纵测线和非纵测线，纵测线是工作中的主要测线，而包括横测线和弧测线的非纵测线一般只工*税 是辅助测线，用来弥补纵测线的不足。而纵测线中根据测线具 间不同的组合关系又可以分为单支时距曲线观测系统、相遇测浏线 时距曲线观测系统、多重相遇时距曲线观测系统以及追逐时圭 瓠形哽距曲线观测系等.在浅层反射波法现场数据采集中，为了压制干扰波和突出有效波，也可根据不同情况选择不同的观测系统，宽角 范围观测和多次覆盖观测是使用最多 的。宽角范围观测是将接受点布置在临 界点附近的范围进行观测，此范围内反

8、 射波的能量比较强，并且可以避开干扰 波的影响，对“弱”反射界面更有优越 性，如右上图为统一界面的反射波振幅 变化特征。多次覆盖观测系统就是把不 同激发点、不同接收点上接收到的来自 同一反射点的地震记录进行叠加，这样 就可以提高信噪比和地震剖面的质量， 也是目前地震反射波法中使用最广泛 的。如右下图则为共反射点的示意图。折射波和反射波的时距理论曲线时距曲线是以观测点到震源的距离(x)为横坐标，地震波到达的时间(t) 为纵坐标，所绘制的关系曲线。其目的是研究时距曲线的性质来了解被测试地基的地质构造。假设:地表为均匀介质，(1)直达波的时距曲线，如右图：直达波：从震源出发直接到达地面各接收点的地震

9、波。波速为V,X为炮检距， t为时间，则t=X/V。(2)反射波的时距曲线：入射波遇到不同界面时产生的反射波回到地面所需的时间，与界面的深度和 形状有关。根据所测得的反射波到达地面的时间，按下式作出反射波时距曲线。 在多层界面的情况下，反射波的时距曲线是对称于虚源地面投影的双曲线如图：由图得式中：x为震源至观测点的距离(m) ； h为震源至反射界面的垂直距离(法线深度)(m)；以为震源与虚源在地面上的投影点之间的距离(虚源即为震源对界面的对称点0)(m)。折射波的时距曲线：折射波是界面性状不同引起波的折射，其时距曲线在地面投影为折线，所需时间表达式:t _ 口十亦林3 + *）式中：x 为震源

10、至观测点的距离（m） ; h为震源至折射界面的垂直距离（法线深度）（m） ，甲 为平整界面的倾角；八为临界入射角。定性解释是物探成果地质解释的一部分。它是根据已知的地质情况和 时距曲线特征，从而判别地下折射界面的数量和其大致产状，是否有断层 或其它局部性质体的存在等，给定量解释提供依据。对折射波资料的处理和解释首先必须对地震记录进行波的对比分析，从中识 别并提取有效波的初至时间和绘制相应的时距曲线。绘制时距曲线的比例尺应根 据实际观测精度加以选择，人工绘制时水平比例尺可采用1:1000或1:2000， 垂直比例尺可采用1cm代表10ms或20ms。；时距曲线绘制后，可根据互换时间 的相等性、追

11、逐时距曲线的平行性、炮点两侧截距时间相等性的原则进行检查。 出现非正常现象时，应检查地震记录相关道的读数并进行修改；时距曲线中个别 道出现旅行时突变时，应对照相应地段的相遇或追逐时距曲线旅行时进行检查， 查明原因并进行必要的修正；绘制综合时距曲线时，应将经过爆炸深度校正和相 位校正的观测时距曲线一并绘出；应由相遇时距曲线解释求取界面速度和深度。 只有在近似水平层状介质、地面和界面起伏较小、速度横向无明显变化时，方可 采用单支时距曲线截距时间法或临界距离法求取界面深度；构制浅层折射界面的 方法应根据地球物理条件、解释方法的特点和精度要求选择单支时距曲线解释有 截距时间法和临界距离法、正演拟合计算

12、法；相遇时距曲线解释有t0法、延迟 时法、时间场法、共轭点法、正演拟合计算法。计算方法的选用要求：1）当界面起伏不大、无穿透现象、沿测线界面速 度无明显变化时，可采用t0法或延迟时法；2）当地面有一定起伏、折射界面起伏较大、无穿透现象、界面速度有明显变化 时，可采用时间场法；3）当地面较平坦、折射界面起伏较大、无穿透现象、界面速度有明显变化时， 可采用共轭点法；4）对于多层不均匀或具有特殊结构的地层，可采用多种方法构制界面或折射分 层综合求解。应用实例郑州市东侧为广袤的华北平原，西侧为山地隆起，位于河淮盆地西北缘。区内大片区 域由第四系覆盖，基岩仅出露在西北部和西南部隆起区。东西向构造体系是区

13、域内形成最 早的构造，主要由一些总体走向东西的压性，压扭性高角度断裂构造，与之伴生的轴向近东 西的褶皱构造组成。在第四纪地貌上，区内黄河呈东西向于郑州北侧通过，主要断裂乔楼- 白沙断层经须水、郑州市区东西向延伸。为完成郑州市的活断层勘探，进一步探测这些覆盖于第四系下的隐伏断层的 规模、产状、形成时间、是否活动等，在郑州市东、西区布置了若干条浅层地 震反射勘探测线进行探测工作。在郑州市东区，主要地震波组清晰，获得了较 丰富的地震波组信息，取得了较好的地震反射结果。但在郑州市西区，虽然仪器 和探测方法一致，也试验了不同的观测系统，由于地表速度、第四系基底埋深、 潜水面埋深等构造环境的影响，造成了强

14、烈的面波，始终没有接收到清晰的、可 连续追踪的反射界面，反射震相的到时区域被面波干扰压制。为此，提出利用地 震折射波法进行试验探测，以探索在目标层位埋深较浅、地下潜水面较深的黄土 覆盖 区利用折射波法进行活断层勘探的可行性与可靠性。我们对郑州市须水断 层西段进行浅层地震折射波法勘探，利用多种计算方法，进一步确定其不同地 质层位、断层性质及其构造特征，结果表明折射波法在浅层勘探中有其独特的优 越性。Sil_ -摧测断层针对郑州市须水断层西段浅层地震折射波法勘探记录，利用时间项、差异时 距曲线和有限差分成像等计算方法，获取剖面速度结构与界面构造；综合震相特 征、计算结果等资料确定主要地层的界面深度

15、和构造特征，3种方法都取得了相 近的结论。后又通过在测线上4个钻孔资料的验证，认为3种方法的计算结果与 钻孔资料相吻合，说明折射波法勘探在城市活断层探测中的应用是可行的。通过 对郑州西区浅层地震折射波法勘探资料的处理解释，显示了地震折射波法在浅层 勘探中的有效性。折射波法野外施工要求比反射法相对宽松，炮点密度、覆盖次 数都相对较低，勘探成本较低。另外该方法对介质速度的特殊敏感是其它方法不 可替代的。利用反射法对构造界面的敏感和折射法对速度的敏感，联合使用这? 种技术将会使城市活断层地震勘探更加可靠与有效。但对那些地震面波干扰大， 反射法难以开展的区域，地震折射波法不失为一种好的选择。由于工程物

16、探具有“透视性”、效率高、成本低以及可以在现场进行 原位岩土物理力学性质测试等优点，在工程勘察中日益得到重视和发展。工 程勘察的勘探深度较浅，折射波法比反射波法干扰少，容易识别，且能测定 界面速度，从而了解下层的岩性和探查断层等，因此应用比较普遍。但折射 波法要求震源强度大，又有盲区和下层波速必须高于上层的限制。各种物探 方法都具有条件性和局限性，多数方法还存在多解性，因此正确选择和运用 各种物探方法，进行综合物探，并与现有的地质、钻探资料作对比，才能获 得好的地质效果。参考文献王万顺等.高分辨率地下管线探测技术研究与信息系统.北京：中国大地出版社， 王庆海.浅层地震勘探.地质出版社.程地质手册（第三版）.中国建筑出版社.何沛田，肖本职等.地震勘探在渝黔高速公路中的应用.地下空间与工程学报， 段永红，张先康等.华北地区上地壳结构的三维有限差分层析成像.地球物理学报 王振东.浅层地震勘探应用技术.北京地质出版社熊章强，方根显.浅层地震勘探.北京地震出版社潘纪顺等.城市活断层的抗干扰高分辨率浅层地震勘探研究.中国地震 王辉，张青山.公路工程地质勘探实用技术.北京人民交通出版社.应用实例来自吴怡，嘉世旭等.地震折射波法在郑州市西区浅层探勘中的应用 地震地质2006年3月第28卷第1期