工程地球物理勘探

工程地球物理勘探 工程地球物理勘探 engineering geophysical exploration 解决土木工程勘察中工 程地质 水文地质问题的一种物理勘探方法 简称工程物探 它是以研究地下 物理场 如重力场 电场等 为基础的 不同的地质体在物理性质上的差异 直接影响地下物理场的分布规律 通过观测 分析和研究这些物理场 并结合 有关地质资料 可判断与工程勘察有关的地质构造问题 简简史史 早在 17 世纪人们便尝试用罗盘寻找磁铁矿 20 世纪初 各种物探方法 才广泛地用于找矿勘探与工程勘察 60 年代以来 由于物理学 数学 特 别是电子技术 计算机技术的发展 大大促进了各种物探方法以及仪器设备 的发展与改革 例如 50 年代工程物探常用的光点地震仪已被信号增强型 地震仪以及轻便的数字磁带地震仪所替代 地球物理场的观测空间已从地面 发展到地下 如地下物探 水域 如海洋物探 低空 如航空物探 以 至空间的遥感技术等 优优点点 工程物探具有 透视性 效率高 成本低以及可以在现场进行原位岩土 物理力学性质测试等优点 在工程勘察中日益得到重视和发展 但是各种物 探方法都具有条件性和局限性 多数方法还存在多解性 因此正确选择和运 用各种物探方法 进行综合物探 并与现有的地质 钻探资料作对比 才能 获得好的地质效果 电电法法勘勘探探 通过对人工或天然电场 或电磁场 的研究 获得岩石不同电学特性的 资料 以判断有关水文地质及工程地质问题 目前 最常用的是直流电法勘 探 主要研究岩石的电阻率和电化学活动性 可分为电阻率法 自然电场法 和激发极化法等 电电阻阻率率法法 自然界中各种岩石的导电性能不同 一般情况下 岩浆岩 变质岩和沉 积岩中的致密灰岩的电阻率都很高 超过10 欧姆 米 只有当它受风化 构造破碎时 由于含泥量增多 水分增加时 其电阻率值才降到102 欧 姆 米级或更小 含泥质沉积物或含高矿化度地下水的砂砾石层 其电阻率 较低 10 102 欧姆 米级 电阻率法常用于探测风化壳的厚度 覆盖层下新 鲜基岩面的起伏 盆地结构形态 储水构造 追索古河道 圈定岩溶发育带 确定断层位置等 电阻率法的工作原理如图1 所示 通过 A B 两个电极向 地下供入电流 IAB 并通过 M N 两个电极测量供电所形成的电位差 UMN 代入 K UMN IAB 式 便可计算出电阻率 式中 K 为装置 系数 由各电极间的相互距离确定 一般地下并非单一均匀地层 由上式计 算的电阻率并不代表某一地层的真电阻率 故称为视电阻率 s 电极排列 方式 装置 不同 其探测效果亦异 例如 固定装置 沿剖面测线逐点测量 视电阻率值 可获得沿剖面线的视电阻率曲线 它反映岩性沿剖面线变化的 情况 称为电剖面法 图 2 若固定测点 不断扩大供电电极A B 的 距离 使电流在地下分布空间不断扩大 相应的勘探深度则越来越深 其相 应于不断增加的电极距 AB 2 的视电阻率曲线 电测深曲线 反映了电阻 率随深度变化的情况 即为电测深法 用量板或计算机程序对曲线作解释 可划分出不同深度 具有不同电阻率的地层 自自然然电电场场法法 当地下水在孔隙地层中流动时 毛细孔壁产生选择性吸附负离子的作用 使正离子相对向水流下游移动 形成过滤电位 因此作面积性的自然电位测 量 可判断潜水的流向 在水库的漏水地段可出现自然电位的负异常 而在 隐伏上升泉处则可获得自然电位的正异常 充充电电法法 在井孔的含水层段注入盐水 并对其充电形成随地下水流动而运移的带 电盐水体 在地表观测到的等电位线形状与带电盐水体的分布形态有关 根 据不同时间观测的等电位线可以判断地下水的流向并估算其实际流速 充电 法还可以用作岩溶区地下暗河的连通性试验或探查地下埋设的金属管道等 激激发发极极化化法法 实验室研究表明 含水砂层在充电以后 断电的瞬间可以观测到由于充 电所激发的二次电位 该二次电位衰减的速度随含水量的增加而变缓 在实 践中利用这种方法圈定地下水富集带和确定井位已有不少成功的实例 但它 在理论和观测技术方面还有待改进 地地震震勘勘探探 通过研究人工激发的弹性波在地壳内的传播规律来勘探地质构造的方法 由锤击或爆炸引起的弹性波 从激发点向外传播 遇到不同弹性介质的分界 面 将产生反射和折射 利用检波器将反射波和折射波到达地面所引起的微 弱振动变成电信号 送入地震仪经滤波 放大后 记录在像纸或磁带中 图 3 经整理 分析 解释就能推算出不同地层分界面的埋藏深度 产状 构造等 常用于探测覆盖层或风化壳的厚度 确定断层破碎带 在现场研究 岩土的动力学特性等 可分为折射波法和反射波法两种 折折射射波波法法 当地震波遇到上下速度 v1 v2 不同的界面时 有一部分波将透过界面 形成透射波 其透射角 与入射角 的关系符合斯涅耳定律 sin sin v1 v2 对于 sin v1 v2 的入射波可产生透射角 90 的透射 波 并以 v 的速度沿界面滑行 这种滑行波又引起第一个介质中质点的振动 而产生可传到地面的折射波 也称首波 图 4 是折射波的传播示意图 在 B 点以前不形成折射波 称为盲区 因v 大于 v1 在 C 点以外 折射波可比 直达波先到达检波器 根据折射波时距曲线 可算出v1 及 v 从而推算出界 面的深度 产状等 v 的变化反映了界面以下岩性的变化 配合地震波振幅 衰减的资料 可确定界面以下岩层软弱带或断层破碎带 但是折射波法在盲 区得不到记录 因此需要加大检波距 当下层速度v2 小于上层速度 v1 时 不可能形成折射波 反反射射波波法法 反射波形成的条件是界面两侧的波阻抗 地层速度与密度的乘积 有差 异 差异越大反射波越强 图 5 是反射波传播示意图 由 S 点激发的地震 波遇到 RR 界面时将产生反射波 根据反射波从激发点到检波器的传播时间 以及地层的速度 便可计算从激发点S 到反射界面 RR 的垂直距离以及界 面的倾向和倾角 目前由于采用信号叠加技术以及轻便的可控振动器做振源 已经可以获得深度约 50 米 甚至更浅的浅层反射记录 以上所涉及的激发方式主要产生纵波 压缩波 在测定岩石动弹性模量 时 常用垂直于测线方向水平激发的方式产生横波 剪切波 水是不传递 横波的 故在水文地质 工程地质勘察中发展横波技术是有前景的 钻钻孔孔地地震震波波测测速速法法 在钻孔中利用直达波测定地层波速的方法 有单孔法和跨孔法两种 单 孔测速法是在孔口附近激振 在钻孔内的不同深度上安置探头测定直达波的 初至时间 探头是由两个互为正交的水平检波器和一个垂直检波器组成 利 用气压附壁装置 可使探头紧贴井壁 测定纵波速度 vp 时 须作垂直激振 测定横波速度 vs 时 须作水平激振 通常是在压有重物的厚木板两端作水 平振击以激发横波 根据直达波穿过某地层所需的时间及该地层的厚度可算 出地层速度 跨孔法 图 6 是在一个钻孔中激振 在相隔一定距离的另一 个钻孔中观测直达波的到达时间 对于浅孔 可用木杆插入井底 在地面敲 击木杆的一端进行激振 在较深的钻孔中可用 附壁式井下锤 激发横波 已知激振点到检波器的距离以及直达波的行进时间便可算出地层波速 声声波波探探测测 利用声波 或超声波 对岩体进行探测的方法 由于频率高 波长短 因此分辨率高 主要用于测定岩体的物理力学参数 确定洞室岩石应力松弛 范围 探测溶穴及检查水泥灌浆效果等 但是 由于岩石对高频波的吸收 衰减和散射比较严重 因而探测的距离不大 声波探测可分为主动和被动两 种方式 主主动动方方式式 由声源信号发生器 发射机 向压电材料制成的换能器发射一电脉冲激 励晶片振动 产生声波向岩石发射 声波在岩体中传播 经接收换能器接收 并转换成电信号送至接收机 放大之后在示波管屏幕上显示波形图 从波形 图上可直接读出声波的初至时间 再根据已知的探测距离 计算出声波速度 被被动动方方式式 观测岩体由于受力变形过程中所释放出来的应变能引起的声波 可用以 了解岩体内部应力状态等 地地球球物物理理测测井井 地球物理方法在钻井中的应用 工程物探中常用的有视电阻率测井 自 然电位测井 天然放射性测井 声波测井等 综合分析几条测井曲线可划分 钻孔地层岩性剖面 用中子 伽玛测井或声波测井方法可以测定地层的孔隙 度 自然电位测井方法还可以在泥浆钻孔中分层测定地下水的矿化度 利用 井液电阻率测井或井中流速仪可以研究钻井中地下水的运动 井中摄影和井 中光学电视可以获得钻井剖面的实际图像 而超声电视测井则可以在泥浆中 获得清晰的孔壁图像 可区分岩性 查明裂隙 溶穴 套管的裂缝等 甚至 可以确定岩层的产状 不同测井方法的井下探测器各有其特点 但是所测量 的参数均将转换成电讯号 通过电缆传输到地面测井仪中并记录在像纸 纸 带或磁带上 井井中中无无线线电电波波透透视视法法 无线电波是指频率在几十万赫至几十兆赫电磁波 当它在地下介质中传 播遇到低阻的地质体时常被强烈吸收而大大衰减 在岩溶地区 用它探测溶 洞效果甚好 工作时 将发射机和接收机分别置于相隔一定距离的两个钻孔 内 若两孔之间都是均质的高阻灰岩时 沿井轴各点接收到的无线电波信号 较强 如果在透视剖面上有低阻的充水溶洞等存在时 则在低阻体的背面形 成一个无线电波信号被强烈衰减的阴影 运用 交会法 即可圈定被测异常 体的位置和轮廓 磁磁法法勘勘探探 根据岩石的磁性差异所形成的局部磁性异常来判断地质构造的方法 在 工程勘察中 主要用于圈定岩浆岩体 特别是磁性较强的基性岩浆岩体 寻 找有岩浆岩活动的断裂接触带 追索第四纪沉积物覆盖下的岩性界线等 大 面积航空磁测资料可提供有关区域性的断裂构造 结晶基底的起伏等 为评 价区域稳定性及寻找有利的储水构造提供依据 重重力力勘勘探探 根据岩体密度差异所形成的局部重力异常来判断地质构造的方法 常用 以探测盆地基底的起伏和断层构造等 采用高精度重力探测仪有可能探测一 些埋深不大并且具有一定体积的地下空洞 放放射射性性勘勘探探 不同岩石所含放射性元素的含量不同 因此通过探测由放射性元素在蜕 变过程中产生的 射线强度 可以区分岩性 近年来利用天然放射性测量 探测基岩裂隙地下水 如用测量 强度 能谱 径迹法等找水 获得成功 此外 放射性同位素常用作研究地下水及其溶质运动的示踪剂 遥遥感感技技术术 根据电磁波辐射 发射 吸收 反射 的理论 应用各种光学 电子学探 测器对远距离目标进行探测和识别的综合技术 航空摄影地质是最早的一种 遥感地质方法 至今仍然是遥感地质中一个重要的组成部分 60 年代以来 在运载工具 传感器及图像处理 解释方法上都有了迅速发展 除可见光波 段摄影黑白像片和彩色像片外 还发展了红外线 多波段 雷达 激光等技 术 利用地物反射人工发射的电磁波进行遥感的称为主动遥感 利用地物反 射太阳辐射的或由地物自身发射的电磁波进行遥感的称为被动遥感 遥感技 术可以提供有关地貌 岩性 地层 褶皱 断层 构造 岩浆岩以及隐伏构 造和深部构造的资料 红外遥感技术在水文地质勘察中具有特别重要的意义 遥感技术不仅能克服地面点 线调查的局限性及视野的阻隔 使人们能从整 体上宏观地进行地质研究 而且还能提供各种电磁波的地质信息 其中微波 能穿透植被和第四纪地层 提供一定深度范围的地质信息 此外 还可以对 一个地区反复成像 以取得最新的精确的地质动态资料 详详细细资资料料 engineering geophysical exploration 应用地球物理学的原理进行工程地质 水文地质调查的勘探和测试方法 它是地球物理勘探的一个分支 简称工程物探 各种岩石或地质体在密度 弹性 放射性 磁性等物理性质上存在着差异 人们用不同方法和不同仪器 测量其天然或人工的地球物理场 并分析研究由于这些物理性质差异而引起 物理场的变异 再经推断解释 以了解地下地质情况 或利用仪器直接测定 岩体的物理特性 提供工程设计需要的参数 水利工程地质勘察 中广泛而 正确地运用工程物探 可加快勘测速度 降低成本 还可得到岩体原位的物 性参数 对工程地质条件的定量评价起到促进作用 中国水利工程地质勘察 中应用工程物探始于 20 世纪 50 年代初 目前常用的方法主要有地震勘探 电法勘探 弹性波测试和测井 此外还有放射性勘探 微重力勘探 磁法勘 探等 地震勘探 由人工激发的地震波 在往地下传播时碰到密度 弹性不同 的两种介质的分界面就要发生波的反射 透射和折射 其中反射波直接返回 地面 透射波即透过界面进入下部地层 图 1 唯有入射角 1 射向界面时与 界面法线的夹角 等于临界角 i 其值由上 下地层的地震波传播速度 1 与 2 之比决定 的那部分地震波 在抵达分界面后将沿入射角平面产生折射 以 界面速度 即下部地层的波速 2 在界面上向前滑行 并在所到之处随即形成 一种新波 此新波以与界面法线呈临界角 i 射向地面 称其为折射波 图 2 反射波和折射波返回地面被预置的检波器接收 并由地震勘探仪记录从震源 出发到达检波点的传播时间和振动特性 震源周围有接收不到折射波的区域 称为盲区 图 2 中用盲区半径来表示它的范围 传播时间是由这些波的行程和 沿途介质的地震波速度决定的 在震源与检波点间的距离选定后 波的行程 就取决于界面深度 故可借此进行地质勘探 利用反射波的称为反射波法 利用折射波的称为折射波法 由于工程勘察的勘探深度较浅 折射波法比反射波法干扰少 容易识别 且能测定界面速度 从而了解下层的岩性和探查断层等 因此应用比较普遍 但折射波法要求震源强度大 又有盲区和下层波速必须高于上层的限制 为 了避免这些缺点 近年来工程勘察部门对浅层反射波法也在加强研究和实验 地震勘探在水利工程勘察中主要用来测定地质界面的深度和形态 如覆盖层 风化层 滑坡体的厚度和地下水位 以及探查断层 破碎带等 见彩图 反射波法还可探查岩溶洞穴 电法勘探 方法种类繁多 水利工程勘察中常用的有下列各种 电阻率法是利用地质体导电性的差异 建立人工电场并进行观测 求 得某个测点下面不同深度或剖面上不同测点的视电阻率后 再进行推断和地 质解释 前者称为电测深法 后者称为电剖面法 电测深法用以探测比较平 缓的岩层和成层地质体的垂向分布 如测定覆盖层 风化层厚度等 电剖面 法则可探查水平向地质情况的变化 如寻找断层破碎带 进行地质填图等 充电法是对良导电体充电 在地面观测电场的形态 用来测定地下水 的流向流速及追索岩溶暗河等 自然电场法是测量地层过滤吸附作用造成的渗透电场 用来进行地下 水流向测定等水文地质调查工作 还可用于探查水库的渗漏地段和岩溶 激发极化法是利用离子导体的激发极化效应 测定岩体的视极化率等 参数 可进行岩溶调查 寻找断层破碎带 测定含水层位置等有关地下水资 源和水库渗漏方面的探查工作 甚低频法 无线电波透视法和地质雷达法是利用地质体对电磁波的传 播 吸收 反射特性 分别用以查找浅部的 两个钻孔 或探洞 之间和地 下洞室周围存在的岩溶 断层破碎带等 弹性波测试 在岩