瞬态面波法数据采集处理及应用实例.doc

第20卷第1期 物探与化探 Vol.20.No.11996年2月 GEOPHYSICAL&GEOCHEMICAL EXPLORATION Feb., 1996 瞬态面波法的数据采集处理系统及其应用实例刘云祯 王振东(北京市水电物探研究所，北京 100024) (地矿部工勘办，北京 100812) 摘 要 本文介绍我国研制开发的SWS瞬态面波数据采集处理系统的主要技术指标、软件特点与运行环境及工程应用实例，指出多道面波采集系统在发展瞬态面波法方面的关键作用。关键词 瞬态面波法，多道面波采集处理系统。 前言 传统的地震勘探一直利用的是体波，利用天然地震中的面波推断地球内部构造的尝试约始于五十年代，利用人工激发的面波进行地质调查则是近二十几年的事。 面波有天然面波与人工面波之分，由于激振方式不同，致使面波法目前又进一步分为稳态面波法和瞬态面波法。 六十年代，美国人提出面波的半波长解释方法，并将稳态面波法首先用于地基勘察。据报道有四个测点的探测深度曾超过10m，揭开了面波勘探的序幕。在七十年代，我国工程界亦开展了稳态面波测试试验，主要是在基础块上进行，由于当时的技术条件尚不太成熟，还满足不了地基土分层的需要，因此，此类试验研究沉寂了一段时间。较早将稳态面波法形成探测系统用于工程实践的是日本VIC公司，他们经过八年努力，于八十年代初推出GR810佐藤式全自动地下勘查机，并数次来中国表演，由于设备昂贵，我国迄今仅购置二台。八十年代后期，稳态面波法试验研究在我国悄然兴起，地矿部、水利水电部、冶金部、中科院、浙江大学等均先后开展了应用开发研究。进入九十年代，稳态面波法，特别是瞬态面波法，在硬件研制和软件开发两个方面，都相继取得引人注目的进展。本文着重介绍我国自行开发研制的瞬态面波法的一种数据采集处理系统以及这一系统在机场、高速公路和浅层煤田上进行工程地质勘察的实例。 1 瞬态面波法概要 试验表明，瑞雷波某一波长的波速，主要与深度小于该波长一半的地层物性有关，这就是用一定波长的瑞雷波速度来表征一定深度地层物性的实验基础。 稳态面波法是通过改变震源的激振频率来得到不同波长的瑞雷波在地层表层的传播速度，其形式与电法的频率测深有某些类似，故初期，在浅层地震勘探应用技术一书中，稳态面波法曾被称之为弹性波频率测深。 瞬态面波法不同的是通过锤击、落重乃至炸药震源，产生一定频率范围的瑞雷波，再通过振幅谱分析和相位谱分析，把记录中不同频率的瑞雷波分离出来，从而得到一条Vr-f曲线或Vr-r曲线。解释方法多采用半波长法，但进一步研究发现，半波长解释方法有时不够精确，实际应用中需作修正或改进。现已研究出若干种解释方法。推断层厚度的方法目前有一次导数极值点法和拐点法；计算层速度的方法有渐近线法、H极值法和近似计算法以及层厚度、层速度的综合解释法等。在实际应用中，一般绘制- r (为波长深度转换系数)，为便于分析频散曲线的变化规律，还同时绘出-r和H-r曲线。通过正反演计算，进行人机联作速度分层，也是日趋常用的处理解释方法。2 SWS数据采集处理系统2.1 系统框图 ( 图1)2.2 SWS-1型多功能面波仪的主要技术指标道数：12道、24道，可扩展 为48道；测试时1道至多道可选 放大器：瞬时浮点放大器； 图1 模数转换：20bit；信号增强：32bit；采样率：30ms-8ms分若干档；采样点数：5128192个样点分若干档；动态范围：120dB；滤波器：高、低通模拟滤波；CPU：80386或80486；RAM：2Mb，可扩为4Mb、8Mb、16Mb；硬盘容量：80Mb，可扩为120或200Mb；软驱：1 3.5英寸，1.44Mb；显示屏：640 480点阵VGA液晶显示屏，可外配彩显显示彩色剖面；打印与绘图：输出各种纪录与处理结果；电源：DCl2V，24道额定功耗小于25W；体积：45 34 15cm3；重量：8.8Kg；使用环境：-5C+45C2.3 软件特点与运行环境 与SWS多功能面波仪相配套的面波处理系统 为SWS版本，地震勘探处理系统为CSP版本，这 图2 些处理系统功能强、直观、快捷、实用，适合于现场使用。运行环境为各种CPU，如386、486微机协处理器，DOS版本在3.0以上。上述软件在多种型号打印机上均可实现打印与绘图输出，如CanonBJ Loex、M1724、M2024、LQl500、LQl600、EXl0E、AR3240、M2724、M3070等。 面波处理系统的主要功能模块及处理流程见图2，处理流程大致分为四段，第一阶段为面波原始记录编辑，第二阶段为面波提取与频散分析处理，第三阶段速度分层，第四阶段速度分层再处理与地质解释。 2.4 多道面波采集系统的优势与关键作用SWS-1型多道面波采集系统与通常只有两道的面波采集系统相比，至少具有四个方面的优势。第一，可以在时间剖面上准确识别面波所在的时间空间位置 (图3)，从而为合理设计面波观测“窗口”提供依据。如同做浅层地震反射波法时需要采用“最佳窗口”技术一样，面波采集也需要做此项工作，这也是能否采集到有效面波信息的关键之一。第二，可以在多道采集的有效面波记录上，根据波形的时序关系分析波的来源。识别所 图3采集到的波是直接来自激发震源的波，还是间接来自震源的侧面波、绕射波以及其他环境干扰震源所产生的波，等等。为合理布设测线方向，选择震源位置和激发时机提供依据，这是又一能否采集到有效面波信息的关键所在。第三，可以在多道采集面波记录上容易区分开基本振型和高阶振型面波，从而为合理选用不同振型的面波，解决不同地质问题创造了条件。目前主要利用基本振型的面波来评价岩土工程地质的物性和构造问题。第四，可以在现场同一地点，使用不同窗口采集不同类型的波自身进行校核。例如利用反射波剖面计算出速度，与由面波的时深速度曲线计算的速度进行对比，彼此校核。3 应用实例3.1 工程勘察 图4 图5图4是在福建三明机场采用锤击震源和瞬态面波法取得的工作成果。其中左图为随深度变化的面波速度曲线，右图是钻孔验证和竖井验证的地质成果柱状图，二者对应良好。后来在机场工程勘察中全面采用瞬态面波法，节约了三分之一的钻探工作量。 图5是在上海佘山某建筑场地使用SWS多功能面波仪和锤击震源勘察地基的波速实测曲线和人机联作地层分层的解释成果。该测线地点基岩埋深为7.46m，实测曲线有明显拐点，其上土层分为六层，剪切波速由118ms变化至338ms，反映了由地表的松散残坡积土至深部碎石夹土的地层变化。3.2 浅层煤田勘探 图6是在山西安太堡露天煤矿的开挖平台上，采用落重震源和瞬态面波法取得的工作成果。左图为随深度变化的面波速度曲线，右图为钻孔柱状图，由于界面两侧介质的速度参数差异较大，与速度变化曲线的对应情况更好。3.3 探测地下老煤巷图7是采用落重震源和瞬态面波法探查露天煤矿开挖平台地下老窑的工作成果。图中a为测点下平均视速度曲线；b为测量排列中第一道检波点与第二道检波点之间地层的视速度曲线；c图为测量排列中第二道检波点与第三道检波点之间地层的视速度曲线；d是测量排列中第三道检波点与第四道检波点之间地层的视速度曲线； 图6e图为测量排列中第四道检波点与第五道检波点之间地层的视速度曲线。由以上曲线可以判定老窑位于排列中第二道检波点与第三道检波点之间的下方。矿方据此布置钻孔验证，在钻孔的27m29m 图7深度处探到老窑，与第三条速度曲线的A点和B点反映的顶底板深度相近。3.4 利用行驶的汽车作为振源一例 在北京站新建大厦场地进行瞬态面波测试时，利用行驶的汽车作为振源，采集到一张面波记录 (图8)。该记录波形单一，且频率较低，经SWS处理软件处理后得“深度速度平滑取点图”(图9)。 将此图与建新大厦场地波速测井Vs速度随深度分布图(图10)对比，发现二者的速度分布具有相似性。这种相似性是偶然巧合，还是有内在必然联系，值得进一步探讨。3.5 利用炸药震源二例在连云港至徐州高速公路的面波勘探试验时，采用了 图8 炸药震源，探测深度明显提高，图11反映出探测已大于70m，图12的速度曲线则在100多米深度有一拐点A，推断为地质界面，经钻孔验证为基岩界面，深度推断误差小于3m。4 结束语从上面七个有代表性的应用实例不难看出，这套SWS多道数据采集处理系统，可根据任务灵活选用锤击、落重乃至炸药震源，将探测深度从十几米一下子提高到一百多米，加之有较强的软件功能保证勘察工作质量，从而展示出瞬态面波法在工程勘察领域的广阔应用前景。当然，瞬态面波法的研究和用于工程实践的时间都还不长，无论是数据采集技术、数据采集处理本身以及解释方法等，都还不能说已经十分成熟，有待研究开发的课题不少，其中建立三分量数据采集处理解释系统，将是我们下一步要重点攻克的目标之一。(1) 王振东，浅层地震勘探应用技术，1988年初版，1994再版，地质出版社。(2) 杨成林等，瑞雷波勘探，1993年，地质出版社。DATA COLLECTION AND PROCESSING SYSTEMOFTRANSIENT SURFACE WAVE METHODAND EXAMPLES 0F ITS APPLlCATI0NLiu Yunzhen(Beijing Institute of Geophysical Exploration for WaterConservancy and Electric Power, Beijing 100024)Wang Zhendong(Office of Engineering Reconnaissance, Ministry of Geologyand Mineral Resources，Beijing 100812)Abstract The present paper gives an account of the main technical indices, software features and operation environment as well as engineering application examples of SWS transient surface wave data collection and processing system developed in China, and points out the key role played by multichannel surface wave collection and processing system in the development of transient surface wave method.Key words transient surface wave method, multichannel surface wave collection and processing system第一作者简介 刘云桢，男，山东