陆地声纳浅层地震勘探技术.doc

质调查工作中都取得良好的地质效果 。关键词陆地声纳零偏移距浅层地震勘探5252浅表层调查 、铁路隧道工作面的超前地质预报 、矿区小构造的探测 , 对勘测提出了越来越高的 要求 。常规浅层地震勘探手段一般难以满足其精度 要求 。需要进一步开展高精度探测方法的研究工 作 。要提高地震勘探精度 , 关键是提高其分辨率 。 影响纵向分辨率的因素主要有三个 : 检波器接收的 地震子波宽度 , 地震的主频和信噪比 。子波宽度越 窄 , 地震波的主频越高 , 则所能够达到的分辨率就 越高 。另外 , 地震波的入射角对反射能量的影响亦 很大 , 它不仅影响记录的信噪比 , 而且当入射角较 大时还会出现其他干扰波 , 如转换波等 。或广义的 说 , 入射角增大 , 信噪比将明显下降 。针对以上几 个问题 , 一种精度高 、工作方法又极为简单的新的 勘测方法 陆地声纳法逐渐发展成熟起来 。其主 要特点是 : 探测精度高 ; 现场施工简单 , 适合于浅 层工程勘探和地下特殊工作环境 ; 数据处理工作量 小 , 便于实现现场处理 。 5 R Q + ( R Q ) = ( R Q )5 R 25 T 25 T在无穷远点的边界条件很容易给出 , 即子波在无限远处必呈对称波形 , 可写出斯托克斯波动方程 级数形式的解 :( a ) ( n +3) / 2 0n ( u)Q =Rn = 0其 n 为子波函数00 0 ( u) = uexp ( - g2 ) co s gd g0T - R其中 , u =( R ) 1/ 2aR 、 T 数值距离和数值时间 ;n 自然数 , n = 0 , 1 , 2 , a 数值距离参数 。式中;然后据此计算不同数值距离的波形 , 计算结果见图 1 。图中 R = 1 为震源附近的子波 , 在实际记 录上 , 使用轻便小型震源时是能够接收到与此非常 接近的近炮点子波波形的 。由图可见 , 子波的宽度原理1是随数值距离的增大而增加的 。在文献 2中给111 震源附近的波场特点一般弹性波理论认为 , 在震源附近 , 由于震源 的强冲击而使介质出现破碎 , 或塑性变形 , 而在弹 性介质中建立起来的斯托克斯 ( Sto kes) 波动方程将不适用于近震源区域 。而且 , 震源上的初始条件 和边界条件都无法明确给出 。理论上一直没搞清楚 震源附近的波场特点 。强烈的剪切应力必然引起地 层质点的彼此滑动 , 会存在固体内摩擦 , 因此应按论上和实践上都没有给予足够的重视 。在浅表探和地下岩巷或工作面前方的高分辨率探测工中 , 探测深度减小了 , 使用了廉价高效的小型源 , 这时的工作效率已不是主要问题 , 而分辨能则成为主要矛盾 。这样 , 激发点附近的最佳观测收窗口就成为设计探测方法的最佳接收区段 。据而设计了陆地声纳浅层地震勘探技术 。方法特点2图 2 子波宽度对数对旅行时间的关系在以上原理基础上 , 设计了一套工作方法 。根据所接收到的信号特点对浅层地震仪进行全面112 震源附近干扰波少根据弹性波的 Snell 定律 , 震源附近为折射波 盲区 , 不存在极浅表层折射波对浅层反射波的干 扰 , 有利于浅层反射波的获取 。其它规则干扰波大 多为远区场的解 , 在震源附近无法满足其边界条 件 , 如面波等都不存在 。可见 , 震源附近是规则干 扰波最少的区域之一 。113 入射角与反射波振幅特征的关系由广义反射理论可知 , 当入射波的入射角加大 时 , 会出现波型转换现象 ; 当 P 波入射时 , 反射 波除了 P 波之外还会有 SV 波出现 。其关系见图 3 。 其中 A 1 为入射 P 波振幅 , A 2 为反射 P 波振幅 ,B 2 为反射 SV 波的振幅 。由图可见 , 当 P 波垂直介面入射时 , 反射 SV 波振幅为零 , 也就是说 SV 波不存在 。所以进行零偏移距接收可避免能量的波 形转换损失 , 有利于提高信噪比 , 并可相应地减小 震源能量 , 使介质的破碎和塑性变形尽量减小 , 所 接收到的子波就会更接近理论波形 。进而设计完成了 SZ - 1 陆地声纳地震仪 , 及其据处理软件 SZSEC TN512 陆地声纳数据处理软包 。该方法主要有以下 4 个特点 :(1) 仪器轻便 , 单人或两到三人使用陆地声方法的小偏移距采集方式即可高效地完成勘测 ,作方法简单有效 , 可适应狭小工作环境 , 如岩巷进工作面的超前探测等 。(2) 可动态形成陆地声纳剖面 , 边采集边解的工作方式便于提高工作效率 。将数据记录在磁上 。系统提供丰富的后处理手段 , 以改善信噪比(3) 高频宽带超短余振子波记录的特点使其辨率高于其它地震勘探仪器 。(4) 记录精确度高 , 灵敏度高 , 动态范围 抗干扰能力强 , 失真度小 。它可以应用到各种地震浅层勘探领域 , 包括程地震勘探 、隧道 、矿山坑道 、城市建设中的工地震勘探 、地下水文状况 、含水层追踪 、煤田及产资源勘测 、地基调查 、横波速度响应 、桩基试 、考古及地下管道探测 , 以及大型工程测试等工作方法3根据上面的理论分析 , 在原理上应进行单道激自收式的数据采集 , 然后直接拼接成 T 0 时间面 。在此时间剖面基础上进行处理和地质解释 。在实际工作中 , 由于震源的影响很难作到自激自采集 , 因此只能近似地做极小偏移距单道采集 ,般要求最浅目的层的反射角 30。用专用的拼图 3 反射波的振幅特征软件形成 T 0 时间剖面后 , 即可利用现有地震数图 4 为煤矿井下这一特殊环境下的工作结果 。在煤巷向下探测下伏煤层及本层煤残余厚度 , 从陆 地声纳剖面上可见煤层残厚约 014 m , 下伏煤层深613 m , 厚 113 m 。反射波主频 1 000 Hz 左右 。剖 面信噪比高分辨能力较好 。在剖面上明显可见多处 岩层节理裂隙 ; 已标出小断层的断距约 015 m 。据此资料 , 为煤矿提供了下方煤层的厚度变化情况 ,为下伏煤层的采区设计提供了依据 。图 6 浅层地基结构调查之陆地声纳剖面结语5通过以上 3 个实例可看出 , 这一方法的应用效果好 , 具有分辨率高 , 抗干扰能力强 , 施工操作简 单等特点 , 特别适用于井下等狭窄工作环境下进行 施工 。其数据处理工作亦相对简单 , 可实现数据的 现场处理和解释 。这种方法由于施工简单 , 且抗干扰能力强 , 在浅层勘查和井下小型构造的探测中具有极大的推广价值 。图 4 某煤矿煤巷向下探测结果图 5 是某掘进工作面前方的探测结果 ,反射波主频约为 8001 000 Hz , 图中明显可见两处有限物体的反射 , 根据当地的地质条件 , 将其解释为溶 洞或岩溶发育带引起的弧形反射 , 其位置在工作面 前方 12 m 和 21 m 处 。开挖后验证了这一解释结 果 。参 考 文 献1 ( 美) N1 H1 瑞克 1 粘弹性介质中的地震波 1 北京 : 地质出版社 , 19792 胡德绥 1 弹性波动力学 1 北京 : 地质出版社 , 19823 陆基孟 1 地震勘探原理 1 北京 : 石油工业出版社 , 19874 钟世航. 陆地声纳法的原理及其在铁路地质勘测和隧道施