中地大矿产勘查技术方法概论课件03声波勘探-1声波探测

第一章声波探测声波探测：用声波仪测试声源激发的弹性波在岩体(岩石)中的传播情况，借以研究岩体(岩石)的物理性质和构造特征的方法与地震勘探对比：相同点：以弹性理论作为本方法的理论基础。不同点：（1）利用的是频率大大高于地震波的声波或超声波，其频率一般为一千赫兹至几兆赫兹。（2）由于声波的频率高、波长短、受岩石的吸收和散射比较严重，因此声波探测对岩体的了解较为细致而探测范围较小目前在工程地质勘探中解决下列地质问题：1．根据波速等声学参数的变化进行工程岩体的地质分类；2．圈定开挖造成的围岩松驰带，为确定合理的衬砌厚度和锚杆长度提供依据；3．测定岩石试件的力学参数如杨氏模量、剪切模量等；4．工程岩体边坡或地下硐室围岩稳定性的评价；5．探测断层、溶洞的位置及规模，张开裂隙的延伸方向及长度等；6．利用声速、声幅及超声电视测井的资料划分钻井剖面岩性，进行地层对比，查明裂隙、溶洞及套管的裂隙等；7．划分浅层地质剖面及确定地下水面深度；图3.1.1声波仪的主要部件1.2声波仪的基本原理1.2.1声波仪的主要部件及其功用声波仪是声波探测使用的仪器。声波仪有多种型号，主动测试的仪器一般都由发射系统和接收系统两大部分组成。如图3.1.1所示，发射系统包括发射机和发射换能器，接收系统包括接收机和接收换能器。根据发射和接收换能器之间的距离，及声波在岩体中的旅行时间t，即l可由下式计算被测岩体的波速V1.2.2电声换能器的工作原理换能器种类繁多，性能各异。声波探测使用的是电声换能器，它是声波仪的重要组成部分。发射换能器：可以将发射机送来的电能转换为弹性振动形式的机械能，从而产生声波和超声波；接收换能器：将接受到的岩体中的弹性波转换为电能，然后输送给接收机。图3.1.2喇叭式换能器结构示意图1.3声波探测的工作方法图3.1.3常用的几种现场工作方式示意图1.4声波探测在工程地质中的应用1.4.1岩体力学参数的测定岩体的弹性模量，泊松比，抗压强度等力学参数，对于工程围岩稳定性的评价以及进行工程设计和施工等都是极其重要的基本数据，需要予以测定。这项工作是声波探测的一项重要内容，无论在室内或现场均可进行。目前对动、静弹模之间的关系在理论研究方面还不够充分。进行动、静弹模对比换算时，一般是采用动和静两种测试的结果，通过对大量资料的对比统计，寻求二者之间的数字相关函数。图3.1.6静、弹模关系曲线图3.1.7是黄河某坝区花岗岩和F18断层面砾岩中的纵波速度Vp与动、静弹模及形变模量之间的关系曲线。这些曲线是根据实测资料通过对比统计而绘制的。1.4.3围岩应力松弛带的测定在硐室开挖前，岩体中应力处于平衡状态；开挖后，原始的应力平衡被破坏，引起了应力的重新分布，导致应力的释放与集中。这种变化随岩体性质、硐室形态、在岩体中的位置、硐径大小等不同而异。图3.1.8圆形隧道应力分布曲线图图3.1.9单孔现场测试示意图现场工作原理如图3.1.9所示。垂直于硐壁布置若干组测孔。每组1个(或2个)测孔，孔深为硐径的1—2倍。在硐壁应力下降区，岩体裂隙破碎，以致波速减小，振幅衰减较快。反之，在应力增高区，应力集中，波速增大，振幅衰减较慢。因此利用声波速度随孔深的变化曲线，可以确定松弛带的范围。图3.4.10展示了几种常见的Vp-L曲线类型。其中VP>V0的曲线(曲线1、2)，表明无松弛带；VP<V0的曲线(曲线3、4)和多峰值曲线(曲线5)，则表明存在应力松弛带。解释时，由Vp-L曲线图中A点的坐标L1值确定松弛带的厚度。图3.1.11某地下工程断面图图3.1.11是应用声波法探测某地下工程巷道应力松弛带的实例。声波探测时采用双孔直透法。据大量测试资料统计，岩体的正常波速值为5330m/s，圈定松弛带范围时取5120m/s。求得松弛带的平均厚度为0.6m。结论是岩体的松弛带较薄，强度高，硐体稳定。但该断面上发育有两组节理，在拱顶组合成屋脊状，影响拱顶的稳定，施工过程中曾发生过“冒顶”现象。因此结合地质条件，在拱顶部分应采取加固措施。第二章放射性探测核地球物理勘探（简称核物探）：根据岩石中天然放射性元素含量及种类的差异，以及在人工放射源激发下岩石核辐射特征的不同，用以寻找矿产资源及解决包括水文、工程环境地质在内的某些地质问题的地球物理方法放射性元素的衰变不受其自身化学状态、温度、压力和电磁场等的影响，因此放射性探测的成果比较直观，容易解释。与其它物探方法相比，放射性探测还有成本低、效率高、方法简便、不受环境干扰等突出的特点，因此在地质工作中已得到广泛的应用。2.1放射性探测的基本知识2.1.1放射性核素及其衰变规律某些核素的原子核不稳定，能自发地放出射线而变成另一种核素的原子核，这种现象称为放射性衰变。具有不稳定原子核的核素称为放射性核素。α衰变：α射线是高速的氦核流，某一放射性核素的原子核经衰变后，将转换为原子序数减少2、质量数减少4的新核素的原子核β衰变:β射线是高速运动的电子流。经β-衰变产生的新核素，其原子序数比原核素增加1，但质量数不变。γ衰变:从原子核内放出γ射线γ射线是一种波长极短的电磁辐射,由于γ衰变只是能量状态的变化，因此跃迁后原子核的质量数和原子序数都保持不变衰变常数:表示该核素中每个原子核单位时间内衰变的几率。衰变常数越大，衰变越快。半衰期T1/2

是指处于特定能态的某种放射性核素的原子核减少一半所需要的时间（单位为s）。若以N0和N表示某放射性核素在时间t=0和t时的原子核数，则其衰变规律可表示为2.2放射性测量方法及其应用核物探可分为两大类：一类是天然放射性方法。主要有γ测量法、α测量法等；另一类是人工放射性方法，主要有X射线荧光法、中子法、等。在水文、工程及环境物探中，目前使用的主要是天然放射性方法。2.2.1γ测量法γ测量法是利用仪器测量地表岩石或覆盖层中放射性核素发出的γ射线，根据射线强度（或能量）的变化，发现γ异常或γ射线强度（或能量）的增高地段，借以解决水文、工程及环境地质问题等。1.仪器及工作方法γ测量使用的仪器是闪烁辐射仪2.应用及实例（1）云南某变电所新建工程选址工作中，为查明地质情况，采用了电测深及γ测量。图3.2.3是其中一条剖面上的γ强度曲线和电测深断面图。由图可见，低阻带正好与低值γ异常位置对应，结合本区地质情况，推断有一条北东向断裂从该处通过。（2）岩层的断裂带、构造带中，裂隙众多、岩石破碎、通道发育，是地下水赋存或迁移的场所。四川某地位于背斜北端的山前盆地中，其中发育有含水层。为了寻找裂隙水，沿近南北方向布置了三