《工程物探》课程实验教学大纲--工程物探折射波法勘探实验指导书.doc

福州大学实验教学大纲编写参考格式工程物探课程实验教学大纲（非独立设课）一、课程基本概况：课程名称（中文）：工程物探（英文）：Engineering Geophysics Exploitation课程代码： 00600054课程类别： C：专业选修学时学分：课程总学时 40 其中实验（上机）4学时 2.5学分先修课程：大学信息技术基础、工程地质学基础、构造地质学。开课单位：环境与资源学院适用专业勘查技术与工程资源勘查与工程开课学期5二、课程简介工程物探是勘查技术与工程专业的主干课程，是普通工程物探部分。主要包括地震勘探的理论基础、浅层地震折射波法、浅层地震反射波法、电阻率法等勘探基本理论和方法。使学生重点掌握地震反射波和折射波勘探资料的数据采集、室内资料处理和解释方法，掌握电阻率法和重、磁电法的基本概念，了解其它地球物理勘探的过程和处理、解释方法及提交最终成果的方法。三、课程实验教学目的与基本要求目的：通过实验教学让学生进一步加强折射波法勘探理论的学习，强化学生运用各种勘测资料进行综合分析的能力，培养学生实际勘探的能力和计算机处理资料的技能。基本要求：1.设计折射波采集的相遇时距曲线观测系统。2.选定测量区，采集地震资料。3.编写实验报告。四、实验方式与注意事项实验方式:实验讲解、示范及学生自己动手实验注意事项:1.严格按仪器操作规程操作仪器、设备。2.注意安全。五、实验课程内容（项目）及学时分配序号实 验 名 称内 容 提 要实验学时每组人数实验类型实验要求1工程物探折射波资料采集实验课通过设计折射波采集的相遇时距曲线观测系统，熟练和掌握地震仪操作和地震资料软件采集系统，选定测线采集折射波地震数据。从而了解折射波资料采集的全过程。45设计必修注：实验类型指：演示、验证、综合、设计； 实验要求指：必修、选修。六、考试（考核）方式和成绩评定办法1、实验报告：本门课程对实验报告的要求（应包括对报告内容的要求）。内容：（1）掌握试验的基本原理和仪器设备的操作。（2）能够布设合理的观测系统和观测参数。（3）掌握现场资料采集方法。（4）能够初步分析地震记录上直达波和折射波。（5）绘制相遇法时距曲线观测系统图附加：（1） t0解释法的计算书（2） 采集的原始记录图2、考核方式实验部分给定成绩，占期末考试成绩的20%，以此考察学生的实验成效。 七、教材和主要参考资料教科书：1、陈仲候等编，工程与环境物探教程，地质出版社 2、黄真萍自编，工程物探折射波法勘探实验指导书， 2005，2009修订。3、王秀明.唐炼等编著，勘探地球物理方法和原理，石油部重点教材，石油工业出版社。执 笔 人：黄真萍 审 核 人： 编写时间：2009年11月25日工程物探折射波法勘探实验指导书黄真萍 编著福州大学环境与资源学院目录第一部分 折射波法基本原理和方法1一、 折射波法基本原理 1二、 折射波法观测系统2三、折射波分层解释的法2第二部分 折射波法实验说明.6一、 资料采集仪器设备和参数 6二、记录仪采集的主要参数指标 7第三部分 折射波法实验内容.9一、现场仪器布置 9二、实验仪器的调试-地震数据采集软件说明 9三、实验步骤 11四、实验数据的整理和编写实验报告 12第一部分 折射波法基本原理和方法一、 折射波法基本原理以水平界面的两层介质进行简要的说明，假设地下深度为h，有一个水平的速度分界面R，上、下两层的速度分别为V1和V2，且V2V1。如图11所示。从激发点O至地面某一接收点D的距离为X，折射波旅行的路程为OK、KE、ED之和，则它的旅行时t为： （11）图1-1 水平两层介质折射波时距曲线为了简便起见，先作如下证明：从O，D两点分别作界面R的垂线，则OADGh，再自A、G分别作OK，ED的垂线，几何上不难证明BAKEGFi，因已知，所以： （12）即 和 （13）上式说明，波以速度V1旅行BK（或EF）路程与以速度V2旅行AK（或EC）路程所需的时间是相等的。将式（13）的关系和式（11）作等效置换，并经变换后可得： （14）这就是水平两层介质的折射波时距曲线方程。它表示时距曲线是一条直线，若令x0，则可得时距曲线的截距时间t0（时距曲线延长与t轴相交处的时间值） （15）式（15）表示出界面深度h和截距时间t0之间的关系，当已知V1和V2时，可以求出界面的深度h。二、折射波法观测系统根据折射波场形成条件和特征，折射波观测系统必须避开盲区，且要把接收部分尽量放到待测地层折射波区范围。当水平层状介质满足折射条件的前提下，固定一个激发点，将排列沿测线由近及远进行时距观测，将得到由浅入深各层介质的地震波信息。在地震记录上可观察到各层介质折射波的动力学特点， 从而判别层间干涉、波形置换特征。在时距曲线上将反映出各层介质折射波运动学的空间分布规律及介质的物理力学性质。为了消除表层不均匀及界面起伏的影响，往往采用相遇时距曲线观测系统。相遇时距曲线观测系统如图2-2所示，同一观测地段分别在两端O1 和O2 点激发， 图2-2此观测系统采集的地震记录，可得两支方向相反的时距相遇曲线S1和S2。AE段折射， O1 O2接收， EA段折射，O1O2接收。其优点可弥补单一时距曲线的不足，可以从不同方向反映界面变化。三、折射波分层解释的法折射波解释法是常用的地震折射波解释方法，它是针相遇时距曲线观测系统采集发展起来的解释方法。t0法解释的主要原理与方法如下：t0法又称为t0差数时距曲线法，是解释折射波相遇时距曲线最常用的方法之一。当折射界面的曲率半径比其埋深大得很多的情况下，t0法通常能取得很好的效果，且具有简便快速的优点。如图13所示，设有折射波相遇的时距曲线S1和S2，两者的激发点分别是O1和O2， (a) (b)图1-3 t0法折射界面示意图若在剖面上任意取一点D，则在两条时距曲线中可以分别得到其对应的走时t1和t2，从图中可以得到： （16）且在O1和O2点，时距曲线S1和S2的走时是相等的，称之为互换时，用T表示，则有： （17）当界面的曲率半径远大于其埋深时，图中的BDC可以近似地看作为等腰三角形，若自D点作BC的垂直平分线DM（DM即为该点的界面深度h），于是有： 和 （18）将公式（16）中的t1和t2相加，并且减去（17）式，再将（18）式代入后可以得到： （19）式（19）便是任意点D的t0值公式，由此可得D点的折射界面法线深度h为： （110）令和则式（110）可以写为： （111）因此只要从相遇时距曲线中分别求出各个观测点的t0值和K值，就可以得出各个点的界面深度h。从上述的公式可以看出，只要从时距曲线上读取t1，t2和互换时T，就可以算出各个点的t0值，并可以在图上绘制相应的t0(x)曲线（13(b)中所示）。关于K值的求取：根据斯奈尔定律可将K值表达式写成： （112）由公式（112）可以看出，只要求得波速V1和V2则很容易得出K值。其中V1通常可以根据表层的直达波速度来确定，因此关键就是V2值的求取，为此引出参数时距曲线方程：令 （113）对式（113）两边对x求导，可得： （114）式中和分别为上倾方向时距曲线S1和下倾方向时距曲线S2的斜率（即视速度V*的倒数）。根据公式： 和 因为是同样O1O2内观测段，设上倾方向x为正，下倾方向x为负，则： 和 它们分别对x求导有如下形式： 和 （115）将（115）代入（114）式中，经一些变换后可得： （116）于是可以求得波速V2为： （117）当折射界面倾角小于15时，可以近似的写成 （118）因此只要根据（113）式在相遇时距曲线图上构置(x)曲线，并求取其斜率的倒数，则可以根据（113）式得出波速V2，进而代入（112）式中求得K值。知道了K值和各个观测点的t0值后，可以根据（111）式计算出各个点的界面深度h。然后，以各观测点为圆心，以其对应的h为半径画弧，可以得出一系列的圆弧，作这些圆弧的包络线即为折射界面的位置。或由、和计算h和i，再用公式计算得到真深度h0。第二部分 折射波法实验说明一、 资料采集仪器设备和参数1.仪器设备仪器设备主要包括: 振源、检波器、工程检测仪、触发开关、电源、大线等,具体布置见图2-1。SWS-1A型多功能检测仪就是陆地进行折射波勘察的主要仪器设备之一，见图2-2。 图2-1 仪器设备布置折射波法振源类型：炸药(或雷管)，重锤和垫板。 检波器：竖向检波器，其自振频率约为38HZ，所测地震波主频率的20-25。一般折射波法的自振频率较高。触发开关：分为外触发和内触发两种。折射波勘察使用外触发，用安置在震源附近触发传感器或检波器进行触发。图2-3 SWS多功能检测仪电源：可用12伏的直流电或12伏60安时的蓄电池。工程检测仪：不同型号的检测仪其功能不尽相同，但目前来看新型的检测仪都具有如下的基本性能和功能： 性能好坏主要取决于A/D变换器和储存器。AD 转换器性能要求是转换速率快，分辨率高（数字化输出的位数高）和可靠性高。存储器的主要要求是存储速度快、存储容量大。体积小和耗能小。 功能主要实现：（1）多通道；（2）AD转换；（3）记录和显示；（4）信号分析功能（软件系统）； （5）打印和数据输出系统。 二、记录仪采集的主要参数指标 1检波道数（N）：12道、24道或48 道或更多，主要由有效波传播范围和仪器通道数决定（采集软件参数设置时要小于等于通道数。）。2采样间隔（t）：由采样定理确定。3采样总数（n）：由有效波的传播时间和采样间隔决定。 4采样长度：（N-1）*t5.数字输出位数: 8bit、16bit或32bit。6.总存储容量 :道头字+n*N*数字输出位数/8第三部分 折射波法实验内容一、现场仪器布置1. 振源和一组检波器布置在一条直线上（纵测线），排列相对较长； 2.采用相遇法观测系统接收； 3.检波器用大线与仪器相接，检波器个数与通道数和大线类型有关，如SZ-24-10。 4.振源激振时通过触发开关控制检测仪开始记录。 二、实验仪器的调试-地震数据采集软件说明仪器打开后，进入DOS系统，键入SWS ，进入多功能检测仪采集系统主界面，在系统主界面下，通过 移动光标，选择“地震数据采集”回车，即进入“地震数据采集”界面（见下图）。地震数据采集采集文件名： d:zsa001.dat文件名序号步进 +1/-1记录道数 24每道采样数 1024采集时间间隔 0.500ms道步进距（+/-） 5.00m偏移距（+/-） 10.00m采集滤波 off采集击发、叠加、存盘 0显示当前记录当前记录存盘存盘记录回放操作方法：l 采集文件名输入光标在此项按enter键，光标停留在第一个字母，输入驱动器、路径和文件名，用键移动光标，更改、插入或重新键入文件名，写好后按enter键。l 文件名序号步进该条供用户在记录文件名采用自动登记方式时，确认记录文件名中的数字部分，选用+1是连续自动递增，选用-1是连续自动递减。文件名采用连序自动有利于后处理自动化。l 记录道数 该条供用户确定使用的仪器道数：SWS-1A型仪器的使用道数是可以改变的，一般有12道、24道等选择档，连续按enter键则可实现道选设置。l 每道采样数 该条供用户输入折射波采集时的采样点数。本仪器的采样点数最少为512样点，依次为：1024、2048、4096、8192样点，但必须选择2n个。l 采集时间间隔该条供用户输入地震采集时的采样间隔，即样点率SWS-1A型仪器的采样间隔是与采集的道数有关的参数，最小采样间隔为0.030ms/1道，最大间隔为8ms/24道。中间有：0.050、0.100、0.200、0.250、0.500、1.00、2.00、4.00、8.00ms，共11个档供用户选择。l 道步进距 该条供用户输入折射波采集时的道间距离，按enter键，输入道间距参数，折射波道间距参数一般为5m或10m,按enter键.l 偏移距 该条供用户输入地震采集时的偏移距离。偏移距离的定义为炮点（激发点）至第一道检波器的距离，炮点（激发点）在第一道检波器上，偏移距离为0m，“+/-”号的规定是炮点（激发点）在排列的小道号端以外，偏移距离为“+”，炮点（激发点）在排列内，或大道号端以外，偏移距离为“-”号。l 采集滤波 该条供用户采集地震记录时是否采用滤波设计。SWS-1A型仪器的滤波器档设计为全通（off）、低通（LP=20Hz）、高通1（HP1=70Hz）、高通2（HP2=150Hz）等四个档。l 采集击发、叠加、存盘该条供用户进行现场采集击发、叠加、存盘。l 显示当前记录该条供用户显示所采集的地震记录。l 当前记录存盘存盘时具有文件名保护措施，当用户确认可以覆盖时，键入“Y”，按enter键，存储完成；当用户需要保留该文件时，键入“N”，按enter键，重新键入文件名存储。该设计可以确保野外存盘操作的安全性。l 存盘记录回放 进入该功能后，将欲回放的地震记录文件名，按照存储路径。文件名及扩展名的格式键入，回放记录显示在屏幕上。该设计可以方便野外进行地震记录的对比。对及时发现异常帮助工作都是有益的。三、实验步骤1利用实测场地或邻区现有地质资料建立初始模型，估算折射波勘察场地的直达波和折射波在地面接收时激发点到接收点的距离和出现初至的时间范围，以及估算折射波盲区。2利用上述估算的结果并结合现有的一些勘测资料（如邻区进行了折射波勘测，也可参考。），设计折射波观测系统类型、观测参数及直达波和折射波接收范围内检波器的布置数量。（以相遇时距观测系统为例。参数包括：偏移距X1、道数N、道间距X，）3在勘察场地进行折射波测试。（1）布置地震测线。测量确定测线起点和终点位置，布设测线标志，确定激发点和接收点标志。（最好在各激发点打木桩，在木桩上写上测线号、激发点号，并且和观测系统图对应起来；如果是炸药震源，在激发位置首先钻好炮孔，炮孔深度按设计要求。）（2