（地质工程专业论文）公路岩溶洞穴探测的综合物探方法研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 随着公路建设的飞速发展，如果公路通过岩溶发育区，必须对岩 溶的分布范围、埋藏深度、发育情况等调查清楚，否则会成为大桥、 隧道、路基塌陷的地质隐患。本论文对公路岩溶洞穴模型的瑞雷波频 散曲线进行了反演研究，并对频散曲线特征进行了分析和解释；对岩 溶洞穴模型与周围介质间的地震映像时间剖面特征及高密度电法电 阻率特征进行了研究；对岩溶洞穴探测的地球物理方法及各种工作参 数的选择以及数据处理和解释方法进行了研究。 通过上述研究，完成了岩溶洞穴模型瑞雷波频散曲线综合基阶和 高阶面波的联合解释，大大提高了对频散曲线的解释精度和瑞雷波的 勘探精度；提出了特定地质条件下岩溶洞穴探测的地球物理方法理论 及最佳工作参数选择：对公路岩溶洞穴进行了现场物探勘察，并进行 了钻孔验证，总结出了在特定地质条件下物探原始数据采集方法技 术、工作参数选择及数据处理的解释方法。 经过综合物探解释与钻孔验证，得出采用综合物探方法进行公路 岩溶洞穴探测克服了采用单一物探方法带来的多解性，且勘探精度 高，误差小的结论。同时建议在进行公路岩溶洞穴探测时先采用勘察 效率较高的高密度电阻率法进行普查，对发现异常部位结合其它两种 方法进行勘察，必要时结合钻孔验证，以准确查清岩溶的发育情况。 关键词岩溶洞穴模型，瑞雷波频散曲线，地震映像时间剖面特征， 高密度电阻率剖面特征，最佳工作参数 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o n ，i tm u s tb e c l e a ro ft h ed i s t r i b u t i o nr a n g e ，b u r i e dd e p t h ，d e v e l o p m e n t a lc o n d i t i o na n d s oo no ft h ek a r s t c a v e s ，i ft h eh i g h w a yp a s st h r o u g ht h ek a r s t d e v e l o p m e n ta r e a e l s e ，t h e y 1 1b e c o m et h eg e o l o g i c a lh i d d e nc o l l a p s e t r o u b l eo ft h eb r i d g e ，t u n n e la n dr o a d b e d i n v e r s i o ns t u d yi sd o n et ot h e r a y l e i g hd i s p e r s i o nc u r v e so ft h eh i g h w a yk a r s tc a v em o d e li nt h i sp a p e r ， a n dt h e d i s p e r s i o n c u r v e s c h a r a c t e r i s t i c sa r ea l s o a n a l y z e d a n d i n t e r p r e t e d ；t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es e i s m i ci m a g i n gt i m ep r o f i l ea n dt h e h i g h d e n s i t yr e s i s t i v i t yi nt h ek a r s tc a v em o d e la n ds u r r o u n d i n gm e d i u m a r es t u d i e d ；t h ek a r s tc a v e se x p l o r a t i o n sg e o p h y s i c a lm e t h o d s ，v a r i o u s w o r k i n gp a r a m e t e r s s e l e c t i o na n dt h ed a t ap r o c e s s i n ga n di n t e r p r e t a t i o n m e t h o d sa r es t u d i e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h ea b o v e ，t h eb a s e o r d e ra n dh i g h o r d e rs u r f a c ew a v e ，s j o i n ti n t e r p r e t a t i o n so ft h e k a r s tc a v em o d e l r a y l e i g hd i s p e r s i o nc u r v e s a r ef i n i s h e d ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v et h er a y l e i g he x p l o r a t i o np r e c i s i o n a n dt h e d i s p e r s i o nc u r v e s i n t e r p r e t a t i o np r e c i s i o n ；t h ek a r s tc a v e e x p l o r a t i o ng e o p h y s i c a lm e t h o dt h e o r ya n dt h eb e s tp a r a m e t e rs e l e c t i o n a r ep u tf o r w a r du n d e rt h es p e c i f i cg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ；t h eg e o l o g i c a l e x p l o r a t i o n i sd o n et ot h e h i g h w a yk a r s tc a v e s ，a n dd r i l l i n g t o c o n f i r m a t i o n i ti ss u m m a r i z e do ft h eg e o p h y s i c a l o r i g i n a ld a t ac o l l e c t i o n ， w o r k i n gp a r a m e t e r s s e l e c t i o na n dd a t ap r o c e s s i n gi n t e r p r e t a t i o n a f t e r c o m p r e h e n s i v eg e o p h y s i c a li n t e r p r e t a t i o na n d d r i l l i n g c o n f i r m a t i o n ，i ti so b t a i n e dt h a t u s i n gc o m p r e h e n s i v eg e o p h y s i c a l m e t h o d st ot h eh i g h w a yk a r s tc a v ee x p l o r a t i o no v e r c o m e sm u l t i p l i c i t yo f s o l u t i o n sb ys i n g l eg e o p h y s i c a lm e t h o d ，a n dt h ee x p l o r a t i o np r e c i s i o ni s h i g h ，t h ee r r o rs m a l l i ti ss u g g e s t e dt h a tt h eh i g h d e n s i t yr e s i s t i v i t y m e t h o dw i t hh i g he x p l o r a t i o n e f f i c i e n c ys h o u l db ed o n eb e f o r et h e h i g h w a yk a r s tc a v ee x p l o r a t i o n t h ea b n o r m a lp a r ts h o u l db ee x p l o r e d t i 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t c o m b i n e dw i t ho t h e rt w om e t h o d s ，i ns o m ec a s e ，c o m b i n e dw i t hd r i l l i n g c o n f i r m a t i o nt om a k es u r et h ek a r s tc a v e sd e v e l o p m e n t a lc o n d i t i o n s k e yw o r dk a r s tc a v em o d e l ，r a y l e i g hd i s p e r s i o nc u r v e ，s e i s m i c i m a g i n gt i m ep r o f i l ec h a r a c t e r i s t i c s ，h i 曲- d e n s i t yr e s i s t i v i t yp r o f i l e c h a r a c t e r i s t i c s ，b e s tw o r k i n gp a r a m e t e r 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：酗 日期：丝! 年月日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：毕年上月堑日 中南大学硕士学位论文第一章前言 第一章前言 1 1 现状分析及问题的提出 1 1 1 现状分析及问题的提出 随着我国经济建设的飞速发展，公路建设项目不断增多，如果它们通过岩溶 发育地区，必须对岩溶洞穴的分布范围、埋藏深度、发育情况等调查清楚，否则 会成为大桥、隧道垮塌，道路塌陷的地质隐患。因此，对岩溶洞穴隐患的探测和 研究是公路建设中防止地质灾害的重要领域之一，具有很强的现实意义。 由于岩溶经常形成于厚块状可溶性的碳酸盐岩地层，多沿岩层层面或断层破 碎带发育成溶洞。岩溶洞穴一般与其围岩之间会存在较明显的密度、弹性、导电 性等物理性质的差异，因此可选用弹性波法、电阻率法等地球物理方法来探测岩 溶洞穴的分布情况。 用钻探和地球物理方法来探测岩溶洞穴，有不少专业技术人员做过一些研究 工作，但多数情况下是重完成勘察任务，轻研究总结，重勘查手段的有效性，轻 综合勘查和先进的处理技术对目标体精度的提高，研究工作无一定深度且比较零 散。这主要表现在以下两个方面：其一，由于弹性波和电磁波在有耗介质中传播 的复杂性，未能从它们的运动学和动力学特征上建立异常的数学、物理模型；其 二，资料解释问题的研究还很有限，如何克服单一物探方法解释的局限性以及各 种物探方法的综合地质解释对解释精度的提高等问题。 因此，利用综合地球物理和钻探相结合的手段科学、系统、定量地研究岩溶 洞穴的位置、埋深和空间展布等，找到对溶洞勘查的最佳地球物理方法组合，找 到对强干扰条件下有效波弱信号的提取和处理的最佳方法手段，以提高对目标体 的勘探精度，为高速公路的设计及防止地质灾害提供准确的地质依据。 1 1 2 地球物理方法的采用 岩溶洞穴对公路的影响深度一般都在数十米范围内，对岩溶洞穴的探测可以 只局限在近地表，因此可采用瑞雷波法、地震映像法、高密度电法等地球物理方 法。 高密度电法是上世纪九十年代日本地质株式会社提出并发展起来的一种新 型的电阻率方法，由于它可以实现电阻率的快速采集和现场数据的实时处理，从 而改变了电法的传统工作模式。它集电剖面和电测深于一体，采用高密度布点， 进行二维地电断面测量，提供的数据量大、信息多，并且观测精度高、速度快， 中南大学硕士学位论文 第一章前言 是灰岩地区寻找溶洞及构造破碎带等最有效的地球物理方法之一。 地震映像法是最近几年才发展起来的一种新型的浅层地震方法，其原理与传 统的地震反射波法勘探基本相同，但比传统的反射波法简单轻便。通常是通过现 场调查确定直达波、折射波、声波、面波等干扰波出现的范围及有效反射波所处 的位置，选取最佳偏移距，达到最佳接收效果，每激发一次用1 3 道接收。由 于是在最佳窗口内选择的公共偏移距，因此不受振幅和相位变化的影响，也不需 作动校正等复杂的数据处理，可在现场直接显示出t o 时间剖面图。通过对地震 波的时间、相位和振幅等信息进行分析和解释，可确定岩溶或其它地质异常体的 发育情况。 瑞雷波勘探是近年来发展非常迅速的一种地球物理方法。目前瑞雷波方法已 广泛用于进行第四系地层划分，地下洞穴( 土洞、溶洞等) 的探测，地基加固处 理效果评价，高速公路、堤坝等压实度的检测等工程勘察的各个领域。虽然瑞雷 波勘探在工程上已得到广泛应用，但许多理论问题至今还没得到很好的解决，以 至于目前瑞雷波勘探的精度和效果受到很大影响。目前对瑞雷波的反演主要是对 频散曲线中基阶面波的反演研究，其它高阶模式瑞雷波的频散曲线到底怎样进行 反演还没有统一的认识。 因此本论文研究的重点是瑞雷波的反演研究，高密度电法及地震映像的理论 与技术研究以及对各种方法的采集技术和数据处理及解释方法的研究。 1 2 主要研究内容及技术路线 1 2 1 论文的研究内容 本论文的研究内容主要为以下几个方面： l 、对岩溶洞穴模型的瑞雷波频散曲线进行反演研究，对频散曲线特征进行 分析和解释； 2 、对岩溶洞穴模型与周围介质间的地震映像时间剖面特征及高密度电法电 阻率特征进行研究； 3 、各种地层条件下岩溶洞穴探测的地球物理方法及各种工作参数的选择； 4 、复杂地质条件下数据采集、处理和解释方法的研究。 1 2 2 论文的研究方法 1 2 2 1 反演理论研究 以瑞雷波对均匀介质及层状介质的频散理论为基础，对岩溶洞穴的瑞雷波波 场进行模式分析，得到频散曲线，然后用面波谱分析法和遗传算法对频散曲线进 行反演，反演出岩溶洞穴介质的性质( 包括位置、埋深、大小和充填介质的情况) 。 2 中南大学硕士学位论文第一章前言 用高密度电法原理对岩溶洞穴的解析法正演模拟，对岩溶洞穴模型与周围介质间 的地震映像时间剖面特征及高密度电法电阻率特征进行反演研究。 1 2 2 2 数据采集方法研究 地震映像、瑞雷波和高密度电法原始数据采集的质量是研究的基础性工作， 拟在过去试验和工作的基础上对各种工作参数进行综合分析和比较，以选择合 适的野外工作参数和测量方式。对各种情况下的干扰波进行调查，找出有效波 和干扰波之间的波场特征差异，以便对有效波进行分析和解释。 1 2 2 3 数据处理方法研究 对采集的原始资料进行数据处理是研究的关键性工作，不同的解释软件在 进行反演时会有一定的差异，特别是对岩溶洞穴的形态和勘探深度方面反映更 为明显，所以在选用数据处理处件时应特别注意。 1 2 2 4 应用实例研究 在对岩溶洞穴模型的正、反演研究的基础上，进行工程实例研究，并与传 统的地质钻探结果对比，通过误差对比分析及规律性的研究，对实验模型参数 进行修改，直至达到本项方法理论正确、实验结果可信的目的。 1 2 3 技术路线 以地球物理勘探方法理论原理为基础，采用理论分析与模型实验相结合、野 外试验与工程实例研究相结合，来建立地球物理对地下溶洞探测的方法理论。 1 3 论文研究成果 本项研究中，无论是溶洞模型正反演理论研究还是野外的原始数据采集或 是室内的数据处理与解释，都为解决岩溶洞穴探测这一难题提供了很好的研究 积累，并取得了重要的研究成果。本论文的主要研究成果及创新点如下： 1 、对岩溶洞穴模型瑞雷波频散曲线进行了反演研究，从传统的只对基阶面 波解释到综合采用s a s w 法与f o u r i e r 变换法的瑞雷面波多模态分离后进行高低 阶面波联合解释，大大提高了对频散曲线的解释精度以及瑞雷波的勘探精度。 2 、完成了对岩溶洞穴模型地震映像时间剖面特征及高密度电法解析法模拟 及电阻率特征的研究，提出了特定地质条件下岩溶洞穴探测的地球物理方法理 论及最佳工作参数。 3 、总结出了在特定地质条件下物探原始数据采集方法技术、工作参数的选 择及数据处理解释方法。找到了对溶洞勘查的最佳地球物理方法组合，即瑞雷 波法地震映像法高密度电法组合。 中南大学硕士学位论文第二章瑞雷面波勘探的反演理论及方法技术 第二章瑞雷波勘探的反演理论及方法技术 2 1 瑞雷波勘探基本理论 2 1 1 均匀半空间介质中瑞雷波的形成 在均匀半空间中，自由界面上的边界条件是法向与切向的应力必须为零，这 是因为在界面的真空一侧，没有介质约束质点的振动，此时波动方程存在一个解， 由于是英国的科学家瑞雷( r a y l e i g h ) 首先发现的，称这种波为瑞雷波。它是 一种沿介质表面传播并由p 波和s v 波耦合而成的波动。 取自由界面为x y 平面，z 轴指向弹性介质内部垂直向下，z o 为真空区域， 在z = o 平面上波场满足自由边界条件，即应力为零。 由弹性理论n 儿2 钔可知，均匀、各向同性固体介质中的弹性波动方程为： ( 力+ 2 u ) v v ”一v v 甜：p 罢 ( 2 1 ) 由于z 轴为体系对称轴，而且，我们只考虑 5 矿波，对于平行于自由表面运 动的剪切波( s h 波) 将不作考虑，因此，在引入位移势后可得： v ( 2 , + 2 , u ) v 2 - p 铡+ v x v x 一p 辨 _ 0 协2 ， 若波动引起介质的形变只有体积上的变化而无旋转时，则有 ( 兄+ 2 ) v 2 伊一p 鲁= o ( 2 3 ) 若波动引起介质的形变只有剪切变形和转动而无体积变化时，则有 胛2 一p 警= o ( 2 4 ) 由( 2 3 ) 、( 2 4 ) 可得 吻2 专窘， v 2 = 专害 ( 2 5 ) 黼= 乎毋后删表示黼纵波传播蝴横速 度。那么，纵、横波速度之比为： 生：业：，l - o r _ ( 2 - 6 ) 以1 、| 0 5 一盯 4 中南大学硕士学位论文第二章瑞雷面波勘探的反演理论及方法技术 这里无为拉梅常数，盯为泊松比，且仃= 夏南，它表示物体的纵向拉 伸与横向压缩形变之比。从( 2 - g ) 式可见，两波速度之比可以确定泊松比的值。 反之，已知泊松比的值也可以确定速度比。圪比值与介质泊松比的关系如表 2 1 所示。 匕圪值与介质泊松比的关系 表2 - 1 盯 00 10 20 2 5o 30 40 5 0 r , 1 4 1 1 5 01 6 31 7 31 8 7 2 4 5 从上表可见，当仃值从0 变化到0 5 ，相应速度的比从芝到，由于一般岩 石的泊松比为0 2 5 左右，因此纵横波速度比圪圪= 以。极坚硬岩石的仃值仅 为0 0 5 ，流体的仃值为0 5 ，而软的、没有很好胶结土的盯值可达0 4 5 。对于 流体来说，其抵抗剪切应力的能力为零，因此= 0 ，仃= o 5 ，其横波速度为零， 即横波不能在流体中传播。 由( 2 5 ) 式可知，矢量波动方程( 2 - 1 ) 式被转换成了形如( 2 5 ) 式所示的两个 标量波动方程，在此基础上可进一步考虑平面波的传播，并引入波沿自由界面传 播的视速度矿：孚，则有 瞄4 b = ：= 4 2 ： 协7 ， l 沙= ( i p 讪z - i - b 2 船) e ”o 一) 上式中，a i 、a ：、b i 、b ，为待定系数，p 抛表示下行波，p 一眦表示上行波，由 于在半空间中没有向上传播的波，要求a ，、b i 为零，略去彳、b 中的下标，则 ( 2 5 ) 式为： ( 2 - 8 ) 上式表明，纵波和横波都是随z 增大而衰减的波。由于自由界面处应力分量 等于零，即乞= = 0 ) ) 矿 r “ “ 口 执 + 眦 肥 “ “ p p4 曰 = = 缈杪 ，l 岳等匆唧再争等 一z 2 缈一罗 + 竺 中南大学硕士学位论文第二章瑞雷面波勘探的反演理论及方法技术 确岸。 2 所2 一万 1k p 2 埘笋2 2 聊 譬w 陌 2 _ 4 = 0 = 0 ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 上式即为半空间中瑞雷面波的频散方程，y 为瑞雷面波的相速度，一般记为 ( 后面叙述中均把y 写成) 。 1 、瑞利波速度与横波速度和泊松比的关系n 幻 将式( 2 _ 6 ) 中咋= 脬代入式( 2 删恫碍和与泊松比盯之间 的关系： 捌6 一时+ 等阿一击= 。 使方程式( 2 1 3 ) 有解，, - - 令：圪= ，7 坎( 2 - 1 4 ) 式( 2 一1 4 ) 表示了瑞雷波速度咋与横波速度k 的关系，刁称之为校正系数，它依赖 于泊松比盯。当仃变化时，横波速度与面波速度之比见表2 2 。纵波速度、横波 速度和面波速度随泊松比盯的变化如图2 一l 。 表2 2 横波速度与瑞雷波速度之比竖与泊松比仃的关系表 k 盯 矿膏 盯 y 月盯 y r 盯 y j y 5矿5y 5矿s o 2 00 9 1 1 00 2 70 9 2 2 70 3 40 9 3 3 50 4 10 9 4 3 6 0 2 10 9 0 2 7o 2 80 9 2 4 30 3 50 9 3 5 0o 4 20 9 4 5 0 0 2 20 9 1 4 40 2 90 9 2 5 80 3 60 9 3 6 40 4 30 9 4 6 3 6 中南大学硕士学位论文第二章瑞雷面波勘探的反演理论及方法技术 o 2 30 9 1 6 10 3 00 9 2 7 4o 3 7 0 9 3 7 3 0 4 4 0 9 4 7 6 0 2 4 0 9 1 7 80 3 l0 9 2 9 0o 3 80 9 3 9 40 4 50 9 4 9 0 o 2 50 9 1 9 40 3 20 9 3 0 5 o 3 90 9 4 0 8o 4 60 9 5 5 0 0 2 6 o 9 2 1 00 3 30 9 3 2 00 4 00 9 4 2 20 4 70 9 5 1 5 i 溘 一 s 一浊 r 一渡 o 1 0 2 o 3 o0-5 口泊梧比 图2 - ip 泼、s 波和r 泼三种不同波速与泊松比仃的关系 从图中可看出瑞雷面波波速的三个特点： 在相同介质中，纵波波速最快，横波次之，瑞雷波最慢。 与珞呈近线性关系，并且当盯较大时，r s 。在一般情况下，岩石 的泊松比为0 2 5 左右，土的泊松比为0 4 5 o 4 9 之间。因此对于土质地基，可 以认为瑞雷波波速与横波波速近似相等，求横波波速k 可用求瑞雷波波速圪来 代替。 与频率无关，表明在均匀介质中面波无频散现象。 2 、瑞雷波的质点振动嘲 由于自由界面处正应力和切应力均等于零，即f 。= f 。= 0 ，由( 2 - 9 ) 可得介 质质点的水平位移”。与垂直位移“：分别为 铲4 r 一等p s i n 似圳一c s 眦舭m 驴4 ( 2 岛扩- s - - z 一万k tp - & 如z c 0 s c 卅咖胁s c 卅h ， 式中：s 、七为瑞雷波衰减系数， 。和缈分别为瑞雷波波长与习频率，扇为任意 常数。 7 中南大学硕士学位论文第二章瑞雷面波勘探的反演理论及方法技术 由( 2 1 5 ) 式可得：孚+ 苦= l ( 2 - 1 6 ) 上式表明，沿半空间表面传播的瑞雷波，其质点的振动轨迹在x ，z 平面内是一 个椭圆。 3 、瑞利波穿透深度与波长的关系嗍1 图2 2 为根据( 2 一1 5 ) 计算得出的面波质点水平位移和垂直位移振幅随深度的 变化曲线，从图中可知，当泊松比仃从0 1 增大至0 5 时，水平和垂直位移的振 幅也随之增大，转换为面波的能量越多。对于不同的介质，随着深度增大，面波 的水平和垂直位移振幅达到极大值后迅速降低，其主要能量均集中在a 0 且有is ，。l = o ，is 。+ i = o 称在m + l 至n - i 点上存在一宽度为l = n m 一1 的局部成分。据此公式判定宽度为 l 的局部成分是否是突变点或虚假点。 b 、在保证能够满足计算精度和计算速度的基础上，将上式中判定的突变点 或虚假点按滤波公式( 采用一元三点插值公式) 进行滤波。 5 、将优化后的数据传输到计算机进行格式转换后利用r e s 2 d i n v 软件将进行 二维反演，然后根据反演断面图进行地质成果解释。 3 2 高密度电法岩溶洞穴的解析法模拟 3 2 1 各种装置对溶洞的反映能力 1 、二极装置删期 将其中的一个供电电极和测量电极置于“无穷远”处时( 其中无穷远极需要 尽量在低阻和电性干扰弱的地方布设) ，然后依次对某一电极供电，同时利用其 他电极的一部分依次进行电位测量，然后根据视电阻率公式计算视电阻率，得到 断面图为平行四边型( 如图3 - 7 ) 。n 为隔离系数，a 为电极间距，u 为该点的电压： 如二极装置a mn 一b 一 a m = n ap 。= 2 n 兀a u ik = 2 n a 兀 根据视电阻率的计算公式，可以得到任一点的视电阻率表达式： p i + 2 r t ，牒寿一m 当n = l 时 ”小2 尺燃寿忡泞 中南_ 人学硕士学位论文 第三章高密度电法理论及技术 图3 7 二极装置( p 1 - 4 0 0 0 ；p2 - 2 0 0 ； h - 2 0 m ；r - 1o a ，5 m 图3 - 8 三极装置( p - 口f 2 0 ： h = 2 0 m ；r - i o m ；a - s mj 2 、三极装置m “”1 由于三极装置具有对异常体更强的分辨能力和便于进行测量剖面拼接的特 点，三极装置近年来得到广泛应用。三极装置在野外工作中，需要设置一个无穷 远的电流极( 其中无穷远极需要尽量在低阻和电性干扰弱的地方弗设) ，然后用 一组测量电极测量距供电体不同距离的电位差，以便实现对地下地电体的探查。 视电阻率计算公式如下( n 为隔离系数，a 为电极间距) ： 如三极装置a 删b o o ，a m = h a ，删= ak = 2 n ( n + 1 ) a p 。= 2 n ( n + 1 ) a u i 根据视电阻率的计算公式，我们可以计算出视电阻率： p ；2p 口 p 。2p 筹r 0 3 孺c o s8 j 一熬 一丽uz - - i ( 器器 ( 3 1 9 ) 测量时如果不进行反向测量，只进行单向连续测量，我们称之为单边滚动三 极，其中删b 排列方式叫b 三极，a 洲方式叫 三极：如果进行双向测量，称为 取边滚动三极。 3 、四极装置“”叫1 四极装置有很多种，如三电位电极系、施龙贝尔装置等。对称四极装置( 旋 伦贝尔装置) ：a 删ba m = b n = n a 州= ak - - n ( n + 1 ) a “；偶极装置：a b 哪a b = b m ：坩q = n a k ：4 n a “；温纳装置：a m n ba m = m n = n b = n ak = 2 n a “；微分装置：a m b n 删= 盼b n ：n a ， k = 3 n an 。 墅翼 中南大学硕士学位论文第三章高密度电法理论及技术 謦黧毯翻 图3 9 温蚋装置( p ，p ，= 20 ， h = 2 0 m ；r ，1o m ；a - 5 m ) 囝3 10 微分装置( o ，oz = 20 ： h - 2o m ；r - 1 0 ma - s m ) 受 图3 1 1 偶极裴王( pj p i 一2 0 ：h - 2 0 a ；1 0 r e ；t 5 m 对比图3 7 、图3 - 8 、图3 - 9 、图3 - 1 0 、图3 一1 1 我们可以从中得到：不同装 置对空洞的调查的异常形态各不相同；对空洞的反映能力各不相同。从异常形态 上来说二极装置相对于其他装置对空洞反映能力较强。地表接地条件影响异常的 分布形态，无论对于高阻还是低阻空洞，异常的反映形态都比较好；二极装置异 常有拉大的现象。三极装置对空洞左( 或右) 边界具有明显反映，但对顶底界面的 反映能力很弱。温纳装置、微分装置和偶极装置都是关于中心左右两边对称，便 于异常位置的确定。 从上述正演模拟结果可以推断利用高密度电阻率法对空洞进行探查，对于判 断是否有空洞存在，确定空洞的分布位置是有效的但对空洞分布形态和尺寸的 直接判定就比较困难，要利用其他资料进行综合分析，或用其它手段进一步验证。 低阻空洞的情况和高阻空洞的情况类似，只是视电阻率值的大小有差别。 3 22 各种影响因素的讨论 l 、目标体视电阻率。”“” 在p = 4 0 0 0 ，p2 pf k ，h = 2 0 m ，r = l o m ，a = s m 时的各种视电阻率图如下所示： 巾南人学硕士学位论文第二章高密度电法理论及技术 i 鬯翻 ；隧塑 i 匿鎏 ：睦、j r l 山。，刍* 七、j r l l 9 ，刍 氆一、l 。兮 1 ，一j 图312 温蚋蓑置( p l = 4 0 0 0 ，p l p ，- k ，h = 2 0 m ，r - lo m ，a = s m ( 从上往下d - p 20 4 ，21 ，13 ，1 0 1 ) 从图中u 以得出以下几点：高密度是以探测目标体和周围介质存在明显的电 性差异为探测前提的。如果在低阻背景中对空洞进行进行探测，空洞不能被水或 其他低阻物质充填；而在高阻背景中对空洞进行探测，必须要求空洞被永或其他 低阻物质充填，否则便不能对空洞进行有效的探测。在图3 1 2 中。只改变目标 体视电阻率的情况下，在( a ) 中我们可以较轻松的确定空洞的位置，而随着p p ， 的变小，空洞越来越难确定在( e ) 中，我们根本不能够确定空洞的位置和形态。 所以说如果目标体的视电阻率与围岩视电阻率小于一定比例时，目标体也不容易 笈现。 2 、目标的大小与埋深比。州研 在p 、p 。= 2 0 ，h = 2 0 m ，r = i - 。，a = 5 m 时的各种视电阻率图如下： 中南大学硕士学位论文第三章高密度电法理论及技术 圈3 - 13 温纳蓑置( p 【p ：= 20 ，h = 2 0 ，r = r 。a - 5 m ) ( 从上往下“= 2 m ，5 口10 m ，1 5 m ) 从探测目标的几何尺寸来说，目标的规模与埋深比，可以用为评定探测有效 性的指标。目标的大小与埋深比一直是人们评定是否对地下目标物进行有效探测 的指标。在图3 一1 3 ( d ) 第个中目标的大小1 5 m ，在图中可以确定的空洞的位置， 但是随着半径的减小我们越来越不容易技现空洞的位置，在图3 一】3 ( a ) 巾目标的 大小为2 m ，在图中不能反映空洞的位置以及形态。所以如果目标体的规模很小 时，不能够反映卒洞。 33 高密度电法的方法技术研究 331 数据采集技术 1 、极距的影响“ 在野外测量时，如果所选用的极距过大，有可能会跨过空洞异常，如圈3 一1 4 ( a ) 对比图3 1 4 ( b ) ，( a ) 的效果不如( b ) 明显，造成原因足由于在目标体e 方 布置的电极过少，而使断面图不能反映空洞异常。而极距过小时，如罔31 4 ( d ) ， 圈中不能反映空洞的形态。当极距小于空洞埋深的某一比值时，由于探测深度比 较小，致使不能全部探测到空洞而产生一种“假象”并不能反映空洞。所以在野 外测量，应该选用合适的极距。 在p 。d ，= 2 0 ，h = 2 0 m ，r = 1 0 m ，a = 踟m 时的各种视电阻率图如r ： 中南大学硕士学位论文第三章高密度电法理论及技术 图3 - 14 温纳装置( p - pz = 20 ：h e 2 0 m ；r 一1o m ；a = a 从上往下极距a - 2 0 m ，1o m ，2 m ，l m 2 、噪声的影响 高密度电阻法的噪声来源壬要有阻下几个方面：( 1 ) 仪器内部噪声。这部分 噪声主要是由于电子器件产生，其特征一般表现为不规则扰动变化。( 2 ) 电极问 的不均匀极化。高密度电阻法多采用余属电极，电极在含有不同的电解质( 包 括浓度变化) 引起不同的极化电位。表现为有定规律的假异常，尤其是在小电 流供电条件下影响尤为明显。( 3 ) 传输线路的影响。传输线路分布在时变的电磁 空间，由于电磁感应产生感应电位。一般量级不大。在野外实际情况下，地下 地质体形态、规模、数量复杂。对我们的探测目标构成一定的影响，使其难于 分辩。 对图31 5 分析可知，主异常周围存在许多小异常，显然，这些小异常均是 由目标体岗 矧的噪声所引起，但主要异常还足很清楚。 陋 图3 - 15 温纳装置( p p2 = 20 ；h = 2o m ；r = lo r e ；5 m ) 加噪处理 茹fe鞋 中南大学硕十学位论文第三章高密度电法理论及技术 型禽：v 圈3 1 了温纳装置反演蛄果( p t pz - 2 0 ： h = 2 0 m ；r = l o m ；a = s m ) 某反演软件 囤3 1 8 温纳装置反演结果( p - 口z = 2o ： h 一2o m ；r = l o m ；a = s m ) 瑞典反演软件 3 、不同装置的影响 图3 一1 9 及图3 2 0 分别为某高速公路同一个排列的不同装置( 施伦贝尔剖面和 温纳剖面法) 视电阻率反演剖面。由图可知，不同装置反演资料对异常的反应具有 一致性。说明不同的装置对反演结果没有影响。 ! j ”7 1 x 萄毽爹矽 弘2 曰篷主蓄蓄影 耋j 。：。纛了 1 圉3 一1 9 施伦贝丰剖面法图3 2 0 温纳剖面法 中南大学硕士学位论文 第三章高密度电法理论及技术 3 4 小结 通过以上分析计算，我们可以得出以下结论： 1 ) 高密度是以探测目标体和周围介质存在明显的电性差异为探测前提的。如果 目标体的视电阻率与围岩视电阻率相差越小，目标体越难发现。 2 ) 高密度电阻率法具有较强的抗干扰能力，可以达到较深的探测深度；采集数 据量较大，采集速度快，工作效率高。 3 ) 不同装置对空洞探测的异常反映形态各不相同，对空洞的反映能力也各不相 同。判定空洞空间分布、形态和尺寸不直观。 4 ) 在相同电极排列的情况下，二极装置对空洞形态的反应直观，由于两个无穷 远极的存在，在一定程度上加大了探测深度；三极装置对空洞左( 或右) 边界具有 明显反映，但其对洞穴顶底界面的反映能力较弱；四极装置异常具有对称性，便于 对异常位置的确定。 5 ) 解释过程中两种比值参数的使用不仅具有以更加醒目的方式再现原有异常 的特征，而且某些比值参数在一定程度上还具有抑制干扰和分解复合异常的能力， 可大大改善了视电阻率参数反映地下目标物赋存状况的能力 6 ) 从探测目标的几何尺寸来说，目标的规模与埋深比，可以用为评定探测有效 性的指标，当目标体的埋深较大，不宜使用高密度电法来开展工作； 7 ) 测线的布设，仪器工作参数以及工作点距的选取，要依目标体的大小规模、 埋深等因素而定； 8 ) 在进行高密度数据反演时，应该根据工作要求选择合理的反演软件。 中南大学硕士学位论文第四章地震映像法理论与技术 第四章地震映像法理论与技术 4 1 地震映像法概述 4 1 1 地震映像法原理 地震映像测量是近几年发展起来的一种新方法，其原理n 1 乜1 类似反射波地震勘 探，但与反射波地震勘探有明显区别。它是一种采用等偏移距进行激发和接收，记 录来自反射界面近法线反射信号的振幅和走时的浅层地震反射法。在地面布置的测 线上安置检波器，测量波的旅行时间与地面各接收点间的位置关系，通过计算机和 人工对接收到的地震波的时间、相位和振幅等信息进行分析和解释，确定岩溶或其 它地质异常体的发育情况，并通过纵波速度计算出地层的埋深。地震映象技术观测 系统如图4 - 1 所示。 d s品 。 图4 - 1 地震映象技术观测系统 o 一震源点；s 一检波点：a 一地下界面( r ) 的反射点 对水平和倾斜界面而言，波的传播旅行时可表示为： r = 吉厢丽 ( 4 1 ) 式中蜀为偏移距；肭真深度；v 为波在介质中的传播速度；口为倾斜界面的视 倾角。当偏移距x o f i t d , 时，即可视为自激自收时，有： 仁二 式中to 为法线回声时间。 3 5 ( 4 2 ) ( 4 3 ) 中南大学硕士学位论文第四章地震映像法理论与技术 有： 而对于垂直界面而言， 则 如图4 - 2 所示( n m 代表垂直界面或裂缝) ，由几何关系 t a n p ：生：盟 ( 4 4 ) x i x p 矿半 住5 ， 图4 - 2等偏移距地震映像原理示意图 伽口：兰：塑兰二生：! 兰! 兰塑二竺二丝姿 h f h h h f 则。 7 l j 熹 ( 4 6 ) ( 4 7 ) 显然，当偏移距= o 时，即自激自收，有h 。= 力。，此时，无垂直界面( 或裂缝) 反射，说明仅当偏移距不为零时，才能得到垂直界面( 或裂缝) 的反射。因此， 实际探测时必须采用偏移距j 。不为零的等偏移距映像法进行探测，否则不能对垂直 界面( 或裂缝) 进行有效检测。 将( 4 7 ) 式代入( 4 5 ) 式，得：x ：竺掣：皂 (48)p 。hf 2 可见，不管激发和接收点处于什么位置，裂隙( 或裂缝) 的反射在水平界面上 的反射点均与激发和接收点同侧，且距垂直界面( 或裂缝) 1 2 偏移距处。于是， 在实际探测中必须适当选择偏移距j 。，以便有效从事垂直界面( 或裂缝)的探测。 垂直界面( 或裂缝) 的反射时间可用双曲线函数形式表示为： ，：! ( 上+ 盟+ 上) ：2 h , l + m 勉：! 厄丽万( 4 9 ) vc o s 口c o s 口c o s 口 ， 从而垂直界面( 或裂缝) - g g 的反射同相轴构成似“八 字形，这是判别是否 存在垂直界面( 或裂缝) 的标志特征和依据。 则( 4 7 ) 式可写成 ( 4 1 0 ) 以丽j 抛 = t 弘 中南大学硕士学位论文第四章地震映像法理论与技术 当h j = h 一时，有 矗2 夏而x 0 n n ( 4 1 1 ) 当h - ：h 研时，有 x 肼；云而x 0 n m ( 4 1 2 ) 式中h 。和h ，分别为垂直界面( 或裂缝) 顶底端点的埋深。因此，仅在x 。= x 胂之 间可接收到垂直界面( 或裂缝) 的反射，否则只能接收到垂直界面( 或裂缝) 两端 点的绕射。 4 1 2 地震映像法的特点 地震映像法可以选择较小偏移距，且可以沿小路曲折布置剖面，这样能使地形 影响很小，仍能有好的效果。由于该方法施工简便，