淺層折射波和淺層折射反射波

淺層折射波和反射波的原理及其應(yīng)用實(shí)例資源與環(huán)境工程09工程地質(zhì)勘查200920425175張準(zhǔn)南淺層折射波和反射波的原理及其應(yīng)用實(shí)例摘要：折射波和反射波是近十多年來隨著電子技術(shù)的發(fā)展及微機(jī)數(shù)字處理系統(tǒng)的開發(fā)和普及才得以迅速發(fā)展。關(guān)鍵詞：淺層折射波反射波實(shí)例應(yīng)用檢測淺層折射波法是一種使用相對較早且較成熟的方法；可用來探測覆蓋層厚度、基巖面起伏、斷層及古河道；弱點(diǎn)：分辨率較低、測線較長；淺層反射波法具有相對較高的分辨率，可以采用較小的炮檢距進(jìn)行觀測，因而可以采用較短的勘探測線；對資料的數(shù)字處理技術(shù)要求較高。一，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)<一>數(shù)據(jù)采集所用儀器1.1地震儀：是將埋置于介質(zhì)表面的檢波器所接收到的地震波信號進(jìn)行放大、顯示并記錄下來的專門儀器，一般皆具有濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)字記錄和微機(jī)處理等功能。目前地震儀的要求主要有以下幾點(diǎn)：（1）可選擇、可擴(kuò)展的儀器道數(shù)和激發(fā)方式；（2）較寬的通頻帶以及靈活多樣的濾波方式；（3）前置放大倍數(shù)可選；（4）范圍較廣的采樣率；（5）靈活多樣的存儲(chǔ)、記錄和顯示方式；（6）帶微機(jī)或微處理器及實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)；（7）具有一機(jī)多用的性能1.2用來釋放地震能量的裝置（1）雷管和炸藥震源一般工程地震勘探常用的震源為圓柱狀成型TNT或銨梯炸藥震源，它具有能量強(qiáng)、所激發(fā)的地震波具有良好的脈沖性等優(yōu)點(diǎn)。激發(fā)時(shí)，由瞬發(fā)電雷管引爆，延遲時(shí)間最多僅2ms，以雷管線斷開作為起爆即時(shí)信號。一般可在淺坑、淺井或水中激發(fā)。2）錘擊震源該震源是目前工程地震勘探常用的一種簡便激發(fā)方式，它特別適合于在建筑物比較密集的地區(qū)開展工作。它主要用于淺層反射和折射波法以及瞬態(tài)瑞雷波法勘探和樁基檢測等領(lǐng)域。震源設(shè)備主要為幾磅至幾十磅重的重錘。該震源的主要特點(diǎn)是能方便地進(jìn)行垂直疊加，且信號的重復(fù)性較好，但其能量有限，勘探深度較淺。3）電火花震源：是電能震源的一種。它利用電容器將所儲(chǔ)藏的電能加到預(yù)先放置于水中的電極上，由于放電效應(yīng)產(chǎn)生火花，造成振動(dòng)。通常在淺海地震勘探，特別是連續(xù)地層剖面儀中應(yīng)用。4）落錘法震源該方法是把數(shù)十千克至數(shù)百千克重的物體從大約2~3m的高處落到地面，撞擊地面激發(fā)地震波。重物一般是專用的重錘或者大鐵塊。該震源處產(chǎn)生縱波，還產(chǎn)生能量較強(qiáng)的沿水平方向傳播的面波振動(dòng)?？捎糜跍\層反射波法和瑞雷波法勘探。1.3檢波器檢波器又稱拾震器，是把地震波到達(dá)所引起地面微弱震動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號的換能裝置。主要由線圈、彈簧片和磁鋼將發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生和震動(dòng)周期相對應(yīng)的感應(yīng)電流信號，通過專門儀器可將這信號放大并記錄下來，從而拾取到地震波，這類檢波器輸出的信號電壓和其震動(dòng)時(shí)的速度有關(guān)，因此又稱速度檢波器<二>采集系統(tǒng)在地震勘探現(xiàn)場采集中，為了壓制干擾波和確保對有效波進(jìn)行追蹤，激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)之間的排列及各排列的位置都應(yīng)保持一定的相對關(guān)系，這種激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)之間以及排列和排列之間的位置關(guān)系，稱之為觀測系統(tǒng)。不同的方法采取不同的觀測系統(tǒng)。幾種常用的觀測系統(tǒng)介紹1）測線類型通常的測線類型如圖所示。根據(jù)激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)之間的相對位置關(guān)系及排列關(guān)系，測線類型可分為縱測線、橫測線、側(cè)測線及弧形測線2反射波法觀測系統(tǒng)使用最多的是寬角范圍觀測系統(tǒng)與多次覆蓋觀測系統(tǒng)。寬角范圍觀測系統(tǒng)是將接收點(diǎn)布置在臨界點(diǎn)附近的范圍進(jìn)行觀測，因?yàn)樵诖朔秶鷥?nèi)反射波的能量比較強(qiáng)，且可避開聲波和面波的干擾，尤其對弱反射界面其優(yōu)越性更加明顯。水平疊加：又稱共反射點(diǎn)疊加或共中心點(diǎn)疊加，就是把不同激發(fā)點(diǎn)、不同接收點(diǎn)上接收到的來自同一反射點(diǎn)的地震記錄進(jìn)行疊加，這樣可以壓制多波和各種隨機(jī)干擾波，從而大大提高了信噪比和地震剖面的質(zhì)量，并且可以提取速度等重要參數(shù)。寬角范圍的觀測系統(tǒng)與多次覆蓋觀測系統(tǒng)結(jié)合使用是目前地震反射波法中使用最廣泛的觀測系統(tǒng)。多次覆蓋的具體作法介紹在該觀測系統(tǒng)中可用下式計(jì)算炮點(diǎn)的移動(dòng)道數(shù)nv=S*N/2n=d/△xN為一個(gè)排列的接收道數(shù)；d是激發(fā)點(diǎn)間距；S是一個(gè)常數(shù)，單邊激發(fā)S=1，雙邊激發(fā)S=2；x是檢波距。二能夠求出反射波、折射波的時(shí)距理論曲線定義震源到接收點(diǎn)的距離與地震波走時(shí)之間的關(guān)系曲線為時(shí)距曲線時(shí)距曲線是研究地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的一種基本方法。時(shí)距曲線觀測系統(tǒng)則是根據(jù)地震波的時(shí)距曲線分布特征所設(shè)計(jì)的觀測系統(tǒng)。采用縱測線觀測時(shí)，根據(jù)激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的組合關(guān)系，可分為單支時(shí)距曲線觀測系統(tǒng)、相遇時(shí)距曲線觀測系統(tǒng)、多重相遇時(shí)距曲線觀測系統(tǒng)以及追逐時(shí)距曲線觀測系統(tǒng)。在各種時(shí)距曲線觀測系統(tǒng)中，以相遇時(shí)距曲線觀測系統(tǒng)使用最為廣泛。潛射波的時(shí)距方程和時(shí)距曲線如果表層是速度隨深度增加的變速層，下部是水平均勻地層，這時(shí)在時(shí)距曲線圖上可以見到變速層的潛射波時(shí)距曲線和反映地層界面的折射波時(shí)距曲線的組合曲線。隱伏層對折射波時(shí)距曲線的影響隱伏層是指初至折射波法不能探測到的地層，根據(jù)其產(chǎn)生的原因的不同可分為兩類：一類是層狀介質(zhì)中的低速夾層，由于折射波形成的條件必須是下部介質(zhì)的波速大于上覆介質(zhì)的波速，因此在低速夾層的上界面不可能產(chǎn)生折射波而成為隱伏層。另一類是在層狀介質(zhì)中各層的波速雖然是逐層遞增，符合折射波形成的條件，但下部介質(zhì)中某層的厚度很小，所形成的折射波不可能出現(xiàn)在初至區(qū)，而是隱藏在續(xù)至區(qū)中難以識(shí)別，這種薄層也稱為隱伏層。

例：折射波時(shí)距曲線及時(shí)距曲線方程實(shí)例分析下面以平行二層構(gòu)造為例來說明一下折射波時(shí)距曲線及時(shí)距曲線方程，如圖1所示，上層速度為V1，下層速度為V2，檢波器沿軸向布置，在地表接收A點(diǎn)激發(fā)的彈性波。這些彈性波有沿地表傳播過來的直達(dá)波，有從地下速度辦面反射回來的反射波和沿辦面滑行的折射波。

圖1中，i12為臨界角，sin12=V1／V2，T為交叉時(shí)間，是折射波時(shí)距曲線的延長線與時(shí)間軸的交點(diǎn)，實(shí)際觀測不到，但在時(shí)距曲線圖上可以求出，是一項(xiàng)重要參數(shù)，當(dāng)檢波器位于x<X’區(qū)間時(shí)，接收不到折射波。在檢波器位上X’<X<Xc區(qū)間時(shí)，由于折射波遲于直達(dá)波到達(dá)，折射波的初至在記錄上仍難以辨認(rèn)。位于xc處的檢波器，折射波與直達(dá)波同時(shí)到達(dá)。當(dāng)檢波器的位置距炮點(diǎn)的距離大于xc時(shí)，折射波先于直達(dá)波到達(dá)，其初至清晰可辨，是觀測折射波的有利地段。圖1

折射波的形成

圖2

相遇觀測系統(tǒng)時(shí)距曲線

設(shè)直達(dá)波的旅行時(shí)為T1，折射波的旅行時(shí)為T2，則

設(shè)x=0，則有

因?yàn)閂1，V2可由時(shí)距曲線的斜率求出，τ為T2的延長線與時(shí)間軸的交點(diǎn)，亦可求出，所以，由上式可求出界面深度Z。

因?yàn)樵趚c點(diǎn)，直達(dá)波與折射波同時(shí)到達(dá)，所以

上式整理得

上式表明，由折射波時(shí)距曲線的端點(diǎn)(或稱拐點(diǎn))的水平坐標(biāo)亦可求出界面深度。d3=Z1+Z2

2t0法的實(shí)現(xiàn)

通常說的t0法，實(shí)際包括兩部分內(nèi)容，即用t0法繪制出折射界面，用差數(shù)時(shí)距曲線求界面速度。運(yùn)用這種方法同樣必須采用相遇觀測系統(tǒng)取相遇曲線。圖2中的T1A和T1B是界面R的折射波時(shí)距曲線?；Q時(shí)間T為：T=TAMN+TNQ十TQBP。對于觀測點(diǎn)S，A點(diǎn)放炮的旅行時(shí)間為：T2A=TAMN；B點(diǎn)放炮的旅行時(shí)為：T1B=TBPQS。

設(shè)折射界面的曲率半徑比其埋深大得多，ΔTSNQ可以近似看作等腰三角形，高H(法線深度)可以用式表示：

式中，t0=T2A+T2B–T=T2A–(T–T2B)=T2A–ΔT

為解釋方便起見，由上式作t0(x)曲線。具體作法是利用T2A和T2B在測點(diǎn)x處量出T–T2B(x)=Δt(x)，然后T2B減去Δt(x)，連接各x0點(diǎn)的t0(x)即成為t0(x)關(guān)系曲線，如圖所示。V1可由直達(dá)波時(shí)距曲線T1A，T1B的斜率(1／V1)求取。為求取K值，還必須求出V2，為此可類似求t0(x)的方法，作出差數(shù)時(shí)距曲線：θ(x)=T2A–T2B+T=T2A+Δt利用T2B量出T–T2B=Δt(x)，將Δt(x)與T2A(x)相加即得θ(x)，連接這些點(diǎn)即為差數(shù)時(shí)距曲線θ(x)，當(dāng)界面傾角不大時(shí)，V2=(Δx／Δθ)，由θ(x)曲線即可求出V”求出界面速度V2后，可根據(jù)公式求出K值，然后由t0(x)曲線和相應(yīng)公式求出各點(diǎn)的法線深度h(x)。以各接收點(diǎn)為圓心，各深度h(x)為半徑畫弧，各弧的包絡(luò)線即為所要求的折射界面。下面各層及傾斜界面的時(shí)距理論曲線算法1.1兩層直達(dá)波是從震源出發(fā)不經(jīng)過界面的反射、折射而直接到達(dá)各接收點(diǎn)的地震波。地震波從O點(diǎn)出發(fā)，沿測線X傳播到任意點(diǎn)的旅行時(shí)間t為：T=X/V介質(zhì)模型截距時(shí)間t0為：1.2三層介質(zhì)V3>V2>V1，當(dāng)入射波在R2界面上的B點(diǎn)產(chǎn)生折射時(shí)，則入射射線在界面處必須滿足：可導(dǎo)出水平三層介質(zhì)的時(shí)距曲線方程為：1.3多層介質(zhì)1.4傾斜界面的折射波時(shí)距曲線在界面的下傾方向觀測，折射波到達(dá)地面接收點(diǎn)O2的走時(shí)為：從幾何關(guān)系可知將這些關(guān)系代入t下的表達(dá)式，可得如下時(shí)距曲線方程式：同理，若在O2激發(fā)，波到達(dá)測線上傾方向任意點(diǎn)的時(shí)距曲線方程為：上傾與下傾方向時(shí)距曲線斜率不同，其視速度不同，上傾方向視速度大于下傾方向的視速度。上傾與下傾方向觀測到的初至區(qū)距離和盲區(qū)大小不同，在下傾方向接收時(shí)初至區(qū)距離和盲區(qū)較小，截距時(shí)間也要小些。在上傾方向接收時(shí)，初至區(qū)距離和盲區(qū)要大些，截距時(shí)間也要大些。據(jù)此可以判斷界面的傾向。當(dāng)i+&≥90o時(shí)若在下傾方向接收，折射波射線將無法返回地面，這時(shí)盲區(qū)無限大。而在上傾方向接收，則入射角總是小于臨界角，無法形成折射波。上傾與下傾方向觀測的視速度分別為：和聯(lián)立上面兩式可解若已知V1，則可根據(jù)相遇時(shí)距曲線的視速度求得傾角和臨界角以及V2（V2=V1/sini）。變速層的折射波時(shí)距曲線關(guān)于速度隨深度的變化規(guī)律A、速度隨深度增加而呈線性增加，即符合下列表達(dá)式：，式中V0為表面一點(diǎn)的速度值，是一個(gè)和介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。B、介質(zhì)的波速呈現(xiàn)為隨深度的非線性變化，而線性關(guān)系只是其中的一個(gè)特例。介質(zhì)的速度隨深度變化的更為一般的表達(dá)式為：式中的n等于1，可認(rèn)為其變化是線性的。1.5反射波法能夠精確地確定深部界面，早已成為石油勘探的重要手段。它有下列特點(diǎn):(1).反射波法沒有盲區(qū)，所以可以在很靠近激發(fā)點(diǎn)的位置激發(fā)。(2).反射波法不象折射波法對波速有嚴(yán)格的要求，一般說來，凡是波阻抗發(fā)生突變的地方，都能產(chǎn)生反射波，因此，只要它們有足夠的厚度，就能夠發(fā)現(xiàn)軟弱夾層。(3)．反射波各層次可以在同一地段上沿時(shí)間軸依次出現(xiàn)，同樣勘探到一定的深度，反射波法可以用比折射波法短得多的測線。三結(jié)語通過前緣折射波和反射波的技術(shù)結(jié)合，可以比較準(zhǔn)確地查明各種地層的分布和大致概況及強(qiáng)風(fēng)化層厚度以及是否存在隱伏斷層、構(gòu)造破碎帶，，為工程施工設(shè)計(jì)提供了可靠的資料。實(shí)踐表明，該法是一種分辨率高，應(yīng)用范圍廣的工程物探手段。主要參考文獻(xiàn)1周鴻秋．水工環(huán)地震勘探．武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2李大心