地震映像在工程探测中的野外工作方法试验及应用.doc

地震映像在工程探测中的野外工作方法试验及应用姜贤斌(浙江省地球物理技术应用研究所 , 杭州310005 )摘要 : 用地震映像法探测地下目标体是近几年采用的方法 。为获得理想的应用效果 ,选择合适的野外工作方法至关重要 。这里通过几种主要的对地震映像探测的野外工作方法进行试验 ,并对记录到现场模型的地震映像时间剖面图进行对比分析 ,最后通过应用实例表明 ,针对地震映 像探测选择合适的野外工作方法及参数 ,是精确探测地下目标体的重要因素 。关键词 : 地震映像 ;工程探测 ;野外工作方法 ;试验 ;应用中图分类号 : P 63114文献标识码 : A向的变化 1 。在野外工作时 ,每次激发 ,在接收点采用单个 检波器接收 ,经仪器记录后 ,激发点和接收点同时 向前移动一定距离 。记录点位于激发和接收距离 的中点 ,可反映出中点的二侧射线传播范围内 ,地下岩土层及其性质的变化 1 (见图 1 ) ,重复上述过 程 ,可获得测线上的一条或多条地震映像时间剖面0 前言在工程建设中 ,经常需对一些不良地质现象及工程质量问题进行探测 (如 : 地下溶洞 ,采空区 ,地 下管道 ,地下障碍物等 ) , 以前多采用综合物 探方法进行探测 ,工作繁琐 ,效果往往不甚理想 。地震映像是近几年发展起来的一门工程物探新技术 ,野 外工作简单 ,它在探测地下较浅目标体上有其独特 的优点 。但由于地震映像方法本身的特点 ,如 : 数据采 集速度较快 ,抗干扰能力弱 ,探测深度有限等 ,在探 测不同的目标体 时 , 需要 采 用合 适的 野 外工 作方 法 ,才能获得较高“信噪比 ”的地震映像波形图 ,以 达到精确探测的目的 。1 方法原理地震映像是基于反射波法中的 ,最佳偏移距技术发展起来的一种浅地层勘探方法 。该方法可以 利用多种波作为有效波来进行探测 ,常用的是反射 波 。在这种方法中 ,每一测点的波形记录都采用相 同的偏移距激发和接收 ,沿测线方向记录的各测点 波形 ,能够反映出地下地质体沿垂直方向和水平方L 为偏移距 ;O 1 、O 2 为激发点 ;S 1 、S 2 为接收点 ;Z 为 1介质的厚度图 1 地震映像探测原理图F ig. 1 Schem a tic d iagram of se ism ic im aging te sting收稿日期 : 2008 - 07 - 14改回日期 : 2008 - 11 - 0792物探化探计算技术31卷不能通过或被压制 1 。因此 ,在地震映像探测中 ,需要根据探测目的要求的分辨率 ,所要探测的目标 体等因素来选择检波器 。图 3为不同检波器 ,探测图 4 (见下页 )中地下 水 管 的 地 震 映 像 时 间 剖 面 图 , 地 下 水 管 规 格 为1 200 mm ,埋深 018 m ,四种不同固有频率检波器 在地下水管上方 ,都能接受到反射波及绕射波 ,出 现异常 ,且随着检波器固有频率的降低 ,反射波及 绕射波能量逐渐增强 ,可获得更加丰富的信息 。但100 H z、38 H z、4 H z检波器探测的地震映像图 ,不 如 10 H z检波器探测的地震映像图的信噪比高 ,其原因在于前二种检波器压制了较低频率成份的有 效信号进入 ,而后一种检波器则进入了更多的较低 频率成份的干扰信号 ,使信噪比降低 。从图 3还可 以看出 ,使用高频检波器 ,探测深度较浅 ;而低频检 波器可以记录到较深的地下反射信号 。2. 2 偏移距偏移距是激发点到接收点的距离 。为了尽量 把反射波与直达波 、面波等干扰波分开 ,使接收到 的反射波 信号 清晰 、干 扰 少 2 。这就 需要 确 定能 够最好地反映探测目标体的有效波的偏移距 ,即最佳偏移距 。图 5 (见下页 )为 100 H z检波器和 10 H z 检波 器 ,分别采用不同偏移距探测图 4中地下水管的地 震映像时间剖面图 。从图 5中看出 ,在相同激震条 件下 ,当偏移距为 210 m 时 ,由于地震波的传播距离相对较远 ,能量衰减较快 ,接收到的反射波及绕 射波能量较弱 ,信噪比大大降低 ,且异常形态扩大 ,图 。通过分析该时间剖面图的波形 振幅 频率及几何形态 ,即可达到对地下目标体进行探测的目 的 。对于反射波地震映像 ,其反射波旅行时为2+ Lt2t =0 2V a式中t为反射波旅行时 ; t0 为法线反射时间 ;L为偏移距 ; Va 水平均匀介质为平均速度 ,水平层状介质为均方根速度 ,倾斜层状介质为等效速度 。2 野外工作方法试验为了获得具有高信噪比和分辨率的地震映像记录 ,针对不同的地下目标体 ,需进行干扰波的调 查 ,分析各种波形的传播规律 ,以确定能够最好的 反映探测目标体的有效波 。这就需要选择合适的野外工作方法 ,如 :检波器型号 、偏移距 、道间距 、采 样间隔等 。2. 1 检波器型号检波器是安置在以拾取大地振动的 ,地面上的 地震探测器或接收器中 。检波器有速度型和加速度型二种 ,地震勘探一般采用速度型检波器 ,而不 同的速度检波器对地震波有频率选择作用 。速度 检波器对频率的响应 ,主要取决于速度检波器的固 有频率 , 不同检波器的频率特性见图 2。由图 2可知 ,检波器的固有频率对应于最大输出响应的 01707 倍左右 ,如果地震波信号频率高于 固有频率 ,则全部通过 ; 而低于固有频率的信号将图 2 不同检波器的频率特性图F ig. 2 F requency cha rac te ristic d iagram of d iffe ren t de tec to rs图 3 不同检波器探测地下水管的地震映像时间剖面图F ig. 3 The tim e p rofile s of se ism ic im aging w ith d iffe ren t de tec to r te sting unde rgroungd wa te r p ip e s异常信号不明显 、不直观 ;而当偏移距为 110 m 时 ,反射波及绕射波能量较强 ,异常信号明显 。显然在探测图 4所示的地下水管情况下 , 210 m 偏移距过大 ,在避开激发干扰和接收信号不削波的前提下 ,应尽量减小偏移距 。2. 3 道间距在地震映像探测野外工作时 ,每次激发 ,在接收点采用单个检波器接收 ,经仪器记录后 ,激发点 和接收点同时向前移动的距离 ,称为道间距 (或称 道距 ) 。在确定道间距时 ,应根据探测目标体的具 体情况选取 ,首先要保证其水平方向的分辨率 。当 探测的地下目标体为有限物体时 ,要保证其边界的 有效精度 ,道间距应尽量减小 3 。图 6 (见下页 )为 10 H z检波器采用不同道距 , 在同一测线探测图 4 中地下水管的地震映像时间 剖面图 。从图 6中可以看出 ,尽管二种道距都能探图 4 地下水管模型The mode l of unde rground wa te r p ip e sF ig. 4图 5 不同偏移距探测地下水管的地震映像时间剖面图F ig. 5 The se ism ic im aging tim e p rofile s of unde rground wa te r p ip e s w ith d iffe ren t offse ts94物探化探计算技术31卷测到地下水管的位置 ,但采用小道距的时间剖面图上 ,异常特征更明显 ; 其第二组反射波同相轴在地 下水管上方出现不连续 ,绕射弧和侧反射明显强于 大道距的时间剖面图 。2. 4 采样间隔采样间隔 乘以 采样 点数 , 即 为 仪 器 的 记 录 长 度 。采样间隔是数据采集的重要参数 ,它与剖面的 垂直分辨率有关 。一般来说 ,采样间隔越小 ,地震 波形的记录精度就越高 ,相应的记录长度小 ;反之 , 采样间隔越大 ,对地震波形的记录精度降低 ,相应 的记录长度大 。采样间隔的选取 ,应根据探测深度和目的任务 ,对分辨率的要求等来决定 。图 7是 100 H z检波器采用 011 m s和 012 m s二种采样间隔 ,在同一测线探测基岩埋深的地震映像时间剖面图 。从图 7 中可以看出 ,采样间隔小 ,可获得的记录信息丰富 ; 而采样间隔加大 ,则会降 低垂向的分辨率 。为了保证探测的垂向分辨率 ,应 采用增加采样点数 ,减小采样间隔的方法 。3 应用实例杭州某桥梁工地在钻孔灌注桩施工过程中遇到抛石层 ,无法钻进 ,怀疑为钱塘江古河道丁字坝 。 为了解坝体抛石层的分布情况 ,建设单位委托我们 进行物探勘查 ,经现场踏勘后 ,决定采用地震映像法勘查 。工地位于围垦区 ,地层较为单一 ,在 20 m 深度 范围内 ,主要为砂质素填土 、砂质粉土 。通过现场图 6 不同道距探测地下水管的地震映像时间剖面图The se ism ic im aging tim e p rofile s of unde rground wa te r p ip e s w ith d iffe ren t trace in te rva lsF ig. 6图 7 不同采样间隔和采样点数的地震映像时间剖面图F ig. 7 The se ism ic im aging tim e p rofile s of d iffe ren t samp ling in te rva l and samp ling po in ts试验并根据任务要求 ,确定采用 38 H z检波器 ,偏移距 1 m ,道距 015 m ,采样间隔 200 s, 采样点数1 024点 ,单道采集 ,连续记录的地震映像野外工作 方法 。图 8 (见下页 )为其中一条测线的时间剖面图 , 从图 8 中可以看出 ,在 24 号点至 66 号点之间 ,反 射波同相轴不连续 ,发生错乱 ,局部有明显绕射弧 出现 。推测其间为坝体抛石层 ,其宽度 21 m 左右 , 垂向分布集 中 在 4 m 7 m 之 间 , 少 数 最 深 可 达10 m。建设单位 根 据我 方提 供的 抛 石分 布图 , 采 用大开挖的方式处理抛石 ,抛石的分布与我方提供 的空间位置基本一致 。大致情况 ,即是有限体还是无限体 ,以及有限体的尺寸 、材质组成 、埋深 、周围介质等 ; 然后确定检波 器型号 、道距 、采样间隔等野外工作方法和工作参 数 。( 3 )由于地震映像方法本身的特点 ,在实际使 用中 ,要注意它的应用条件 ,不可盲目使用 。如探 测尺寸较小 、埋深较大 、与周围介质波阻抗差别小 的目标体时 ,不宜使用地震映像方法 。( 4 )在干扰较大的地区做地震映像时 ,为提高 信噪比 ,除采用合适的野外工作方法外 ,尚应结合 室内相关软件处理 ,剔除干扰 ,突出有效信号 。( 5 )地震映像探测除与以上提到的因素有关外 ,还与激震方式 ,测量系统的灵敏度等因素有关 。随着物探工作者经验的积累 ,这种方法会更趋完善 ,相信地震映像法会成为工程探测中的重要物 探手段 。参考文献 : 1 单娜琳 , 程志平 , 刘云祯 . 工程地震勘探 M . 北京 :冶金工业出版社 , 2006.杨祥森 ,林昀 ,崔德海 . 地震映像法在铁路隧道 隐伏 岩溶勘查中的应用 J . 工程地球物理学报 , 2007, 4( 5 ) : 470.徐贵来 . 地震映像勘探技术研究 J . 世界核地质科 学 , 2006, 23 ( 1) : 33.张胜业 ,潘玉玲 . 应用地球物理学原理 M . 武汉 : 中 国地质大学出版社 , 2004.单娜琳 ,程志平 . 地震映像方法及其应用 J . 桂林工 学院学报 , 2003 , 23 ( 1 ) : 36.李录明 ,李正文 . 地震勘探原理 、方法和解释 M . 北 京 :地质出版社 , 2007.孙红亮 ,雷宛 ,钟韬 ,等 . 岩溶地区地震映像法的资料 处理 J . 勘察科学技术 , 2006, ( 2 ) : 60.李琳 ,孙宝喜 . 刍议地震映像勘探 J . 黑龙江水利科 技 , 2007, 35 ( 5) : 80. 2 3 图 8 杭州某桥梁工地抛石调查地震映像时间剖面图F ig. 8 The se ism ic im aging tim e p rofile s of a rubb lesu rvey a t a b ridge con struc tion site in H angzhou 4 5 6 4 结语 7 ( 1 )由于地震映像法可以用折射波 、反射波 、面波等多种波作为有效波进行探测 ,因此 ,在实际 野外工作中 ,针对要探测的地下目标体 ,在现场要 做干扰波调查 ,确定一种波作为有效波 ,并由此确 定偏移距 。( 2 )根据要探测的目标体 ,首先要弄清楚它的 8 作者简介 : 姜贤斌 ( 1965 - ) ,男 ,高级工程师 ,主要从事工程物探勘查工作 。Vo l. 31 No. 2COM PU T IN G TECHN IQU ES FO R GEO PH YS ICAL AND GEO CHEM ICAL EXPLO RA T IO NM a r. 2009A BSTRAC TSTEST A ND A PPL ICA T IO N O N F IELD W O RKM ETHOD O F SE ISM IC IM A G ING IN ENG I2NEER ING SURVEY INGJ IAN G X ian2b in ( Geop hysis Techno logy App lica tion In stitu te of Zhe jiang, H angzhou 310005 , Ch ina ) . COM PU T IN G TECHN IQU ES FO R GEO PH YS ICALse ism ic in te rp re ta tion of the new a rea wh ich lack sd rilling and logging da ta.Key word s: fie ld sec tion s; syn the tic se ismogram s; i2den tifying se ism ic ho rizonA UTOM A T ICF IRST-BREA KP IC K INGFRAC TAL D IM EN2EX PLO RA T ION ,2009 ,31TEC HN IQUE BA SED O NAND( 2 ) :GEO CH EM ICAL91S IO N A ND CO RREL A T IO N A ND ITS A PPL I2CA T IO NCH EN A i2p ing, ZOU W en, H E Guang2m ing, e t a l.( Sichuan Pe tro leum Geop hysica l P ro sp ec ting Comp a2ny, Chengdu 610213 , Ch ina ) . COM PU T IN G TECH 2N IQU ES FO R GEO PH YS ICAL AND GEO CH EM ICAL EX PLO RA T ION , 2009 , 31 ( 2 ) : 100The first - b reak of se ism ic wave is the ba sic da2ta of nea r su rface inve rsion. The size of o rigina l da ta ha s exponen tia l grow th, and the ra tio of signa l and no ise ( S /N ) is low in the common sho t po in t ( CSP) ga the r da ta of the comp lex moun ta inou s region. The refo re, the h igh p rec ision au tom a tic first - b reak p ick ing techn ique is mo re needed to comp le te a grea t dea l of the wo rk. W e com b ined frac ta l d im en sion w ith co rre la tion m e thod to rea lize the au tom a tic first -b reak p ick ing by u sing the sp ace - va riance tim e w in2dow in CSP ga the r and c ro ss CSP ga the rs. F irstly, the first - b reak tim e of se ism ic da ta is d istingu ished on the ba sis of va ria tion of frac ta l d im en sion, then, the sub tle ad ju stm en t is op e ra ted acco rd ing to p eak, th rough, o r c ro ssing ze ro po in t, bu t fo r low S /N CSP da ta, the ad ju stm en t is no t enough, so the co rre la tion m e thod is app lied to loca l op tim iza tion of first - b reak tim e. The p icked re su lts of rea l da ta demon stra te tha t the techn ique can effec tive ly imp rove p rec ision of first- b reak p ick ing. Tomograp hy inve rsion is comp le ted on first - b reak tim e, and sta tic co rrec t va lue is ca l2 cu la ted fo r la te r p roce ssing.Key word s: A u tom a tic first - b reak p ick ing; frac ta ld im en sion; co rre la tion; low S /Nex2O b jec tive bod ie sunde rground have beenp lo red w ith se ism ic im aging m e thod in recen t yea rsand choo sing su itab le fie ld wo rk m e thod s is of grea t impo rtance fo r the idea l app lica tion effec t. Th is p ap e r te sted the m a in fie ld wo rk m e thod s in se ism ic im aging exp lo ra tion a s we ll a s con tra sting and ana lysing the reco rded tim e p rofile s of scene mode l. The app lica2 tion examp le s of se ism ic im aging show to choo se su it2 ab le fie ld a rrays and p a ram e te rs a re the impo rtan t fac2 to r in exp lo ring ob jec tive bod ie s unde rground accu2 ra te ly.Key word s: se ism ic im aging; enginee ring su rveying;fie ld wo rk m e thod; te sting; app lyingS IM UL A T INGSY NTHET ICSE ISM O GRAM SA NDID ENT IFY INGSE ISM ICHO R IZO NBA SED O N THE O UTC RO P D A TA- - A N EXAM PL E FROM THE KUH - E - GU2G IRD A NT ICL INE O F GA RM SA RGUO Q iu2xia, L I X iao2gang, CH EN J ing2tan, e t a l.( Ene rgy R