地震映像-PPT課件

1、地震映像法第一節(jié) 地震映像方法及其原理第二節(jié) 地震映像的野外工作方法第一節(jié) 地震映像方法及其原理 地震映像（又稱高密度地震勘探和地震多波勘探），是基于反射波法中的最佳偏移距技術(shù)發(fā)展起來的一種常用淺地層勘探方法。這種方法可以利用多種波作為有效波來進(jìn)行探測，也可以根據(jù)探測目的要求僅采用一種特定的波作為有效波。除常見的折射波、反射波、繞射波外，還可以利用有一定規(guī)律的面波、橫波和轉(zhuǎn)換波。在這種方法中，每一測點的波形記錄都采用相同的偏移距激發(fā)和接收。在該偏移距處接收到的有效波具有較好的信噪比和分辨率，能夠反映出地質(zhì)體沿垂直方向和水平方向的變化。地震映像可以用波形圖或彩色振幅圖顯示結(jié)果，同時進(jìn)行運動學(xué)和動

2、力學(xué)方面的解釋分析，數(shù)據(jù)處理可以在空間、時間和頻率域中進(jìn)行，圖示直觀。目前一些地震儀器已采用了特殊的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，可以方便、快速地獲得地震映像記錄。一、地震映像方法的特點地震映像法數(shù)據(jù)采集速度較快，但抗干擾能力弱，勘探深度有限。）地震映像法在資料解釋中可以利用多種波的信息，即有效波不但是反射波，還可以是折射波、面波、繞射波?；蛲瑫r有2種或3種波能夠反映地下地質(zhì)條件的變化。在探測目的較單一、只需研究橫向地質(zhì)情況變化的情況下，地震映像法效果較好，而探測目的層較多時，不易確定最佳偏移距。由于每個記錄道都采用了相同的偏移距，地震記錄上的時間變化主要為地下地質(zhì)異常體的反映，這給資料解釋帶來極大的方便，可

3、直接對資料進(jìn)行數(shù)字解釋，如數(shù)字濾波、時頻分析、相關(guān)分析等。二、各種波在地震映像波形圖上的反映1、折射波 如果界面水平，不同激發(fā)點的折射波的傳播路徑長度相同，傳播時間也相同。在地震映像波形圖上，折射波的同相軸為水平直線。而當(dāng)界面起伏時，同相軸的到達(dá)時間會發(fā)生增加或減小，據(jù)此探測折射界面的深度變化與形態(tài)。 在實際工作中，如選擇折射波為有效波，則地震映像波形圖上的第一個同相軸為折射波。折射波同相軸的變化，反映了折射界面深度和界面以上介質(zhì)速度的變化。界面水平時，折射波到達(dá)時間反映激發(fā)點下界面深度，也是界面上各點的深度。而界面起伏時，折射波到達(dá)時間只能表示滑行波傳播路徑內(nèi)界面的平均深度。一般情況下，可根

4、據(jù)折射波同相軸的變化情況定性推斷界面的起伏情況，只有已知界面傾角、界面速度和上覆介質(zhì)速度的情況下，才能作出準(zhǔn)確的界面深度定量解釋。采用折射波為有效波適用于快速探測基巖面較淺、覆蓋層速度穩(wěn)定的情況二、各種波在地震映像波形圖上的反映2、反射波當(dāng)界面水平時，每次激發(fā)的反射波傳播時間不變，反射點的位置正好在記錄點上，當(dāng)界面深度發(fā)生變化時，反射波的傳播時間會發(fā)生變化，如在斷層兩側(cè)表現(xiàn)為突變；如果是傾斜界面，反射點的位置會偏離記錄點向界面的上傾方向移動。同樣可以根據(jù)反射波同相軸的變化情況定性推斷界面的起伏情況。二、各種波在地震映像波形圖上的反映3、面波二、各種波在地震映像波形圖上的反映4、繞射波在炮檢距相

5、同的條件下，隨著激發(fā)點O到D 點距離的改變，繞射波的傳播路徑發(fā)生變化，繞射波傳播時間會逐漸增大，在地震映像記錄上出現(xiàn)雙曲線型同相軸。這也成為異常體、斷層、巖性分界面的特有標(biāo)志。第二節(jié) 地震映像的野外工作方法 地震映像方法的野外工作方法在震源選擇、測線設(shè)計等方面與其他地震方法相同。特別需要指出的是：(1)測量方法。在測量過程中，每次激發(fā)，在接收點采用單個檢波器接收。儀器記錄后，激發(fā)點和接收點同時向前移動一定的距離（或稱為點距），重復(fù)上述過程可獲得測線上的一條或多條地震映像時間剖面。(2)記錄點的位置。這種裝置的記錄點位于激發(fā)和接收距離的中點，反映中點兩側(cè)射線傳播范圍內(nèi)地下的巖層、巖性的變化。(3

6、)最佳偏移距。在地震映像數(shù)據(jù)采集中，最佳偏移距已不僅局限于縱波反射，而是擴(kuò)展為對全波列而言。為了獲得具有高信噪比和分辨率的地震映像記錄，需要做試驗剖面，進(jìn)行干擾波調(diào)查，分析各種波的傳播規(guī)律，確定能夠最好地反映探測目標(biāo)的有效波，以及該有效波在時間域和空間域的最佳時空段。在最佳偏移距處有效波在空間距離和時間上與其他干擾波分離，信號清晰。第三節(jié) 地震映像方法的應(yīng)用蘭州某機(jī)場地基為致密黃土，場地下有人工開采的砂洞、砂巷，這是機(jī)場擴(kuò)建中重要的地質(zhì)隱患。土洞的邊緣處介質(zhì)密度是突然變化的，存在較大的波阻抗差異。在固定的偏移距上會接收到來自震源的直達(dá)波、面波和來自土洞角點處的繞射波，洞頂和洞底的反射波。一、人

7、工洞穴的探測有空洞存在時，地震記錄上最明顯的特征就是被洞邊緣影響而改變傳播路徑的面波和繞射波。在機(jī)場基礎(chǔ)勘查中，探測到大量的土洞。圖 為其中一條測線的地震映像振幅灰度圖，由圖可看到明顯的空洞異常。經(jīng)驗證土洞高3米，寬7米，長8米。巖石中的巖溶通道或地下水的運移空間有時是破碎帶，有時是較完整的石灰?guī)r中的巖洞，在有溶洞存在的地質(zhì)斷面上探測時，所接收到的地震映像波形如圖所示。其中當(dāng)激發(fā)接收點距離巖洞較遠(yuǎn)時，僅接收到直達(dá)波，而靠近巖洞時則可能接收到反射波和繞射波，以及在洞中產(chǎn)生的多次反射波。根據(jù)地質(zhì)特征的分析，用地震映像法探測溶洞，可得到明顯的異常，但各種技術(shù)參數(shù)的選擇會影響探測效果。二、巖石中溶洞的

8、探測 巖溶塌陷是巖溶地區(qū)地下水作用形成的。隱伏的巖溶塌陷（或土洞）或已經(jīng)塌落的巖溶塌陷處土質(zhì)松散，在巖溶天窗處特別明顯，尋找隱伏的巖溶天窗是在巖溶地區(qū)房屋建筑基礎(chǔ)和路基探測中較為重要的任務(wù)。在地震映像波形圖上，巖溶天窗處的波形有特殊的特征：折射波或反射波能量減小，波形不容易識別。面波能量突然增加，振幅增大，波形變寬。在巖溶天窗處還可能出現(xiàn)巖溶天窗邊緣產(chǎn)生的繞射波。三、巖溶塌陷的探測圖為桂林市中心廣場巖溶塌陷上的地震映像波形，面波同相軸較形象地反映了塌陷的位置。測量工作在開挖后深的基坑中進(jìn)行，此時表層為砂卵石層，基巖為易溶灰?guī)r。巖溶塌陷的地震映像異常主要特征為：塌陷處各種波速度降低，面波振幅突然

9、增大，形成明顯下凹的同相軸。1、利用反射波探測基巖起伏 圖為廣西某大樓的地震映像波形圖。總體看來，左側(cè)基巖面淺，右側(cè)深，在局部面波同相軸起伏較大。右側(cè)為基巖凹陷。反射波（第二個波至）準(zhǔn)確地反映出基巖深度的變化。在測線左側(cè)邊緣，基巖深度為10米，基巖凹陷處深度（面波同相軸下凹中心）約為16米。四、基巖面起伏的探測2、利用折射波法探測基巖起伏圖7-9 為云南廢棄物堆積場選址工作地震試驗剖面（道間距為1米，場地覆蓋層為第四系沖積層，基巖為砂巖?；鶐r深度為310米，工作任務(wù)為尋找基巖破碎帶。從試驗剖面可知，折射波的臨界距離約為28米，初至區(qū)內(nèi)折射波為第一個波至，清晰并易于辨認(rèn)。因此選取偏移距32米進(jìn)行

10、地震映像法測量。當(dāng)基巖無破碎時，折射波波形相似，同相軸連續(xù)性好。圖7-10為測區(qū)的一段地震映像波形，折射波的波至?xí)r間反映出基巖面稍有起伏，但無破碎帶存在。 高層建筑地下室的地梁、樁承臺等許多鋼筋混凝土構(gòu)件，在施工過程中如振動不足或其他原因，則會在構(gòu)件中形成空洞或蜂窩，或在構(gòu)件結(jié)合部位造成離析，使混凝土構(gòu)件強(qiáng)度下降。 用地震映像方法進(jìn)行混凝土構(gòu)件質(zhì)量檢測的基本原理是：混凝土構(gòu)件內(nèi)部如有蜂窩或空洞存在，則介質(zhì)的密度及彈性波的傳播速度也隨之變化，形成不均勻異常體，在異常處地震波的傳播時間及地震波的波形會發(fā)生變化，據(jù)此推斷混凝土內(nèi)部的不均勻體的空間位置。五、大型混凝土構(gòu)件的質(zhì)量檢測 圖7-11為在混凝

11、土預(yù)制板間裂縫上的試驗剖面，偏移距0.6m，點距0.1m，在地震映像波形圖上對應(yīng)裂縫位置的6-10 記錄道上直達(dá)波明顯延遲。 地梁中有不均勻體存在的情況如圖7-12所示，從圖中可以看到不均勻體處波至?xí)r間、波形寬度和振幅的明顯變化。地震映像方法可用于水上探測。由于水為均勻介質(zhì)，且不傳播橫波，水上地震映像往往可以取得較好的效果，可以快速、準(zhǔn)確地探測水深及水底巖層的地質(zhì)情況。水上地震映像需要采用特定的機(jī)械震源，約每秒激發(fā)一次，用懸掛在水面的壓力檢波器接收。圖7-13為福建平潭海峽大橋選址探測中一條測線的地震映像波形，從圖上不僅可以看到海底起伏，還可以看出海底的巖性變化。六、水上探測 斷層或巖性接觸帶

12、存在時，在斷層的棱角點或巖性突變點產(chǎn)生繞射波，由于在地震映像波形圖上的反射波同相軸基本為直線，繞射波產(chǎn)生的雙曲線型同相軸，在波形記錄上非常明顯，尤其是淺部的局部地質(zhì)體，如防空洞、隱伏的舊房屋基礎(chǔ)以及前面討論的人工土洞的邊緣，混凝土管道等等。七、斷層的探測圖7-14為南寧某工地斷層上的地震映像記錄。在圖上可以看到雙曲線型同相軸，雙曲線的頂點為斷層在剖面上的端點位置。在斷層兩側(cè)，地震波的波形特征有明顯的差異，左側(cè)的波組較多，為地層中多個泥巖薄層和煤層的反映，右側(cè)為較厚的砂巖地層的反映。圖714的工作參數(shù)為偏移距16米，點距0.5m,采樣間隔0.2ms。圖7-14 斷層附近的地震映像彩色振幅記錄 綜

13、上所述，在地震映像方法中有多種有效波可供使用，所以又稱為多波列地震勘探。折射波探測深度較小，且需要下伏高速層的條件；反射波勘探可以達(dá)到較大的深度，適應(yīng)大多數(shù)勘探目的的要求；面波群在介質(zhì)的波阻抗變化時會發(fā)生波的分解、合并以及波形的變化，有利于探測淺部覆蓋層中的橫向介質(zhì)變化。在地震映像剖面中繞射波有不同于其他波的雙曲線特征，對局部地質(zhì)體反應(yīng)靈敏。 地震映像方法的關(guān)鍵是根據(jù)干擾波調(diào)查剖面確定最佳偏移距，必要時在一個工地上，需要在具有不同地質(zhì)條件的地方做多個試驗剖面。第四節(jié) 地震映像資料的時頻分析方法 時間域和頻率域信息結(jié)合的分析方法稱為時頻分析。 地震映像方法由于激發(fā)和接收的條件保持不變，如果地質(zhì)條

14、件不變，折射波、反射波和面波等的同相軸在地震時間記錄剖面上均為直線，時間剖面波形直觀，易于對比分析。但只利用了地震信號中的時間域信息，地震記錄中還包含了各種地震波的頻譜信息。如果能夠同時利用時間域和頻率域的信息，可以獲得更多分析解釋參數(shù)，使地震映像這種常用的淺層地震方法獲得更好的地質(zhì)效果。 地震映像資料的時頻域解釋分析方法能綜合考慮時間分辨率和頻率分辨率，改善了時間域和頻率域分析方法的缺點和不足。時頻域中的主頻等值線圖，淺顯直觀、異常區(qū)域的劃分清晰，短時傅里葉變換處理簡單易行。在實際工程資料處理中，可以結(jié)合正演模擬計算，使時頻分析的結(jié)果更為準(zhǔn)確。地震波的頻譜中包含著關(guān)于地層、巖性或構(gòu)造方面的信

15、息，地質(zhì)條件的改變同樣對地震波的頻譜產(chǎn)生影響。地震映像法采用相同的偏移距采集數(shù)據(jù)，如果巖性、介質(zhì)密度、構(gòu)造等地質(zhì)條件不變，地震波的頻譜特征不會改變，反之，頻譜特征的變化，必然是有某種地質(zhì)因素發(fā)生了改變。地震波在傳播過程中，其頻譜成分的變化與地震波的吸收衰減、介質(zhì)的性質(zhì)及地層結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。一、地震映像數(shù)據(jù)頻率域解釋的基本原理 時頻分析方法將地震波的頻譜與地震波的到達(dá)時間聯(lián)系在一起，分析不同性質(zhì)的地震波頻率沿水平方向或垂直方向的變化規(guī)律。 時頻分析是以一定的時窗和步長進(jìn)行傅里葉變換，所以每一個時窗的時頻分析只是該時窗內(nèi)的小段地層的總體反映，此時的傅里葉變換振幅譜的極值頻率可近似看作該小段地層的主

16、頻率值，連同幅值大小共同反映這一小段地層的結(jié)構(gòu)信息。若對一個地震道進(jìn)行連續(xù)分析可以得到這一道記錄中的各種波的主頻信息，并得到對應(yīng)的地層從淺到深的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、厚度變化規(guī)律；而把多個測點的地震映像資料的時頻分析結(jié)果橫向連接起來，對同一窗口（時、深相同）資料的分析則可以進(jìn)行橫向的資料解釋。二、時頻分析方法和圖示時窗的長度，根據(jù)地震波的主頻確定，一般大于地震波的一個周期。在時窗寬度的選擇上，可以采用固定長度的時窗或變長度時窗。對時間域的地震記錄加上一個窗函數(shù)，提取一定長度的波形圖進(jìn)行短時傅里葉變換，并提取主頻，按一定的時間步長計算各時窗中心時間的主頻。根據(jù)不同測點的計算結(jié)果，以地震道為橫坐標(biāo)，以時窗中

17、心時間為縱坐標(biāo)，繪制出時頻域（時間主頻）主頻等值線圖。圖上可以直觀的表現(xiàn)出異常頻譜沿測線方向和沿時間（深度）的分布范圍，而根據(jù)異常體的時間特征和頻率特征推斷出異常體的位置，并判斷異常體的性質(zhì)。1、利用有效波頻譜劃分和薄層分布范圍 薄層是指地層厚度小于地震波波長的巖層。在地震波的傳播過程中，由于薄層的濾波作用，地震波的主頻變高；在厚度大的巖層中，地震波由于吸收的作用自然衰減，地震波的主頻會逐漸降低。利用這個特點，可以根據(jù)地震波頻率的變化判斷地下的巖性、推測地層結(jié)構(gòu)并劃分薄層分布范圍。三、地震映像資料時頻分析方法的應(yīng)用圖7-15a是某地基勘察獲得的地震映像記錄，地下的地層依次為第四系人工填土、坡積

18、粉質(zhì)黏土、沖積圓礫、第三系砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、煤互層。各巖層厚度約35米，各巖層相變明顯，層面基本呈水平分布。在地震映像記錄的2060ms的范圍內(nèi)，為各巖層的反射波。時頻分析的時窗中心時間從16ms開始，時窗的寬度為16ms，步長8ms. 分析結(jié)果如圖7-15b所示，圖中等值線表示了各時窗的主頻分布情況。從圖上可以看到各波組的主頻基本在80Hz以上。對分析的頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行的統(tǒng)計表明，在16-64ms時間段內(nèi)的各反射波主頻平均值為101Hz,最小39Hz,最大166Hz，標(biāo)準(zhǔn)差為24Hz.圖7-15 薄層上的波形記錄及頻譜 a-波形；b-頻譜在同一測區(qū)斷層另一側(cè)厚層砂巖地層上的地震記錄如圖7-16a

19、 所示，在這個記錄中砂巖層中的也有夾層存在，但層數(shù)明顯較少。圖7-16b是頻譜分析結(jié)果。時窗的中心時間從22ms開始，時窗的寬度為22ms，步長11ms。從圖上可以看到各波組的主頻基本在50Hz以上。對分析的頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行的統(tǒng)計表明，在22-99ms 時間段內(nèi)的各反射波主頻平均值為67Hz，最小19Hz，最大151Hz，標(biāo)準(zhǔn)差為23Hz.圖7-16 厚層上的波形記錄及頻譜 a-波形；b-頻譜對比圖7-15b和圖7-16b的頻譜分析結(jié)果，可知兩種不同巖性的地層和地層結(jié)構(gòu)的地震波頻譜有顯著的區(qū)別。薄層泥巖夾煤層的反射波與厚層砂巖層反射波頻譜有顯著差異，薄層泥巖的反射波主頻明顯偏高約為75125Hz，

20、厚層砂巖的主頻約為44-90Hz。利用這一信息在地表覆蓋層相同的情況下判斷薄層泥巖夾煤層的分布范圍。2、利用地震波頻譜特征判斷介質(zhì)密度的變化 隱伏巖溶塌陷處，由于地下水的作用土層逐漸疏松，嚴(yán)重時形成土洞。利用地震共偏移距法可以根據(jù)折射波、面波同相軸的變化圈定可能生成巖溶塌陷的位置。但是無法根據(jù)地震時間剖面的波形異常判斷土層的疏松程度及是否已經(jīng)形成了土洞。土洞形成受地下水位變化、巖溶通道的大小、土層的性質(zhì)等因素的影響，在同一測區(qū)、地質(zhì)條件相同的范圍內(nèi)，土洞的形成 也不可能是同步的。土洞在形成的過程中，由于地下水的作用松散程度逐漸增加，介質(zhì)密度逐漸減小。在數(shù)米范圍內(nèi)泊松比增大，松散土層的吸收作用增

21、強(qiáng)，因此形成土洞后，土層泊松比和吸收系數(shù)大于正常的及剛開始疏松的土層。在相同的接收距離內(nèi)，高頻成分損失大于正常情況，地震波的主頻降低。 圖7-17a是巖溶塌陷調(diào)查的地震映像時間剖面，圖7-17b 是時頻分析等值線，其中測線的5m、12m、20m處主頻低于35Hz，經(jīng)驗證為這些地方存在直徑為1m以上的土洞。 圖7-17 巖溶塌陷調(diào)查的地震映像時間剖面(a)和主頻等值線圖(b) 根據(jù)巖溶塌陷調(diào)查的實例可知，地震映像法可以較好地反映淺部地下介質(zhì)沿剖面方向的地質(zhì)情況變化，時間域和頻率域資料的結(jié)合解釋，可以得到更多的信息。在此例中，低頻異常反映的地質(zhì)信息為:(1)在斷裂破碎帶、巖溶通道處會出現(xiàn)低頻異常；

22、(2)由巖溶作用形成和即將形成的土洞處也會出現(xiàn)低頻異常。(3)同時存在折射波和面波主頻異常，且主頻低至35Hz，近期可能產(chǎn)生巖溶塌陷。3、利用地震波頻譜特征劃分混凝土構(gòu)件的缺陷 地震映像法可以檢測混凝土構(gòu)件的質(zhì)量，但缺陷的幾何尺度較小，對地震波的傳播時間影響很小，不能準(zhǔn)確的判斷缺陷是否存在。尤其是在混凝土構(gòu)件表面不平或構(gòu)件形狀不規(guī)則時，在時間域波形圖上會出現(xiàn)繞射波、側(cè)面反射波等，干擾缺陷的判斷。構(gòu)件的缺陷（如空洞、蜂窩等）一般為混凝土局部波速降低、密度突變，導(dǎo)致地震波高頻損失。利用時頻分析對缺陷處和完整構(gòu)件頻譜特征的對比，可以為確定缺陷是否存在提供依據(jù)。圖7-18a是在存在質(zhì)量問題的混凝土梁上的檢測到的地震波時間剖面，混凝土梁在保