高密度电法和浅层地震折射波勘探的综合分析

高密度电法和浅层地震折射波勘探的综合分析摘要本文分析了高密度电法与浅层地震折射波法在理论上与其实际工作中以及资料解释时的特点，并运用大量实例对同一测线上两种方法的解释成果作了系统的分析，由于地下情况的无法预知性，地下情况复杂的时候，高密度电法对一些勘探对象无法准确的了解，同样，浅层地震折射波勘探对复杂地质体不能准确的划分界面，而且，这两者存在一些相同点和不同点，通过综合比较得出高密度电法为主、浅层地震折射波法相辅助的勘探方法在对一些特殊地质体的勘探上有较好效果的结论。关键词:高密度电法浅层地震折射波法同一测线前言这里的高密度电法指的是直流高密度电阻率法,但由于从中发展出直流激发极化法,所以统称高密度电法。关于阵列电探的思想在20世纪70年代末期就有人开始考虑实施,英国学者所设计的电测深偏置系统实际上就是高密度电法的最初模式,80年代中期,日本地质计测株式会社曾借助电极转换板实现了野外高密度电阻率法的数据采集,只是由于整体设计的不完善性,这套设备没有充分发挥高密度电阻率法的优越性。80年代后期,我国原地质矿产部系统率先开展了高密度电阻率法及其应用技术研究,从理论与实际结合的角度,进一步探讨并完善了方法理论及有关技术问题,也研制成了几种类型的仪器。目前,研究高密度电法的方法技术和仪器的主要有中国地质大学等,生产仪器的还有原长春地质学院、重庆的有关仪器厂家。近年来该方法先后在重大场地的工程地质调查、坝基及桥墩选址、采空区及地裂缝探测等众多工程勘察领域取得了明显的地质效果和１显著的社会经济效益。浅层折射地震勘探是工程物探常规方法之一，早以得到广泛应用。它是利用人工激发的弹性波在地层中的传播规律，查明地下构造，划分地层和测定岩体物理力学参数的勘测方法。工程地震物探的特点一般是地形地质条件比较复杂，实测范围小，勘探范围小，勘探深度浅，要求精度高。因此，应加强解析研究和方法实验，总结经验，指导生产，并根据所观测的地震波运动学和动力学特征，作出正确的地质解释，并为勘探工作布置提供依据。浅层折射资料解析和数据处理，首先是在HP—97和PC—1500计算机上开发，现在全部移置到微机上应用。先后编制了水平与倾斜层状结构，隐伏断层与岩脉，裸露或隐伏“V”型、“U”型和弧型构造等正演程序及to法、延迟时法、共轭点发和时间场法等反演程序。从国外发展来情况看，日本浅层折射地震勘探具有较高的水平和较强的技术实力。不仅在理论研究、方法技术、数据处理和资料解释等方面，显示出一定的深度和广度，而且在铁路桥涵、土木工程的勘查领域中得到了广泛的应用。据有关资料所提供的应用实例，一般采用相遇和追逐多重观测系统进行折射分层，延迟时法解释，勘探精度和抵制效果较为理想。高密度电法和浅层地震波法勘探相结合的物探方法,在目前许多工程物探工作中常常被用到.高密度电法和浅层地震折射波法是用两种不同的物理参数对勘探对象进行全面的解释，高密度电法利用勘探对象的电阻率差异对其进行解释，而折射波法是利用地震波在勘探对象中传播的速度差异对其进行解释。这两种方法从两个物理性质对勘探对象进行研究，就必然存在很大的差异：导电性一致的地质体其弹性不一定相同，就是说折射波法可以体现的高密度电法不一定能体现；而弹性一致的地质体其导电性也不一定相同，就是说高密度电法可以体现的折射波法不一定能体现。但这两种方法也存在许多相同点，比如在对基岩地断定上，当基岩地致密性好，含水量少，电阻率高，地震波在其间的传播速度也快；相同的道理，当遇到含水较丰富的层时，地震波的波速在一定范围内，电阻率也恒定，在这些情况下，高密度电法与折射波法所反应的层面几乎一致。所以，用这两种方法作综合分析，以折射波法辅助高密度电法勘探，会得到更接近实际状况的勘探结果。２1勘探原理1.1高密度电阻率法的勘探原理高密度电阻率法是以地下介质导电性差异为基础，通过观测和研究与这些差异有关人工电场的分布规律，可达到查明地下地质构造和寻找地下电性不均匀体（岩溶、风化层、滑坡体等）的一种地球物理勘探方法。高密度电法的勘探原理，与一般电法勘探原理相同。设地表水平，地下充满均匀各向同性半无限介质，在地面上任意两点用供电电极A,B供电，另外两点用测量电M,N测量电位差。A,B电极在M点产生的电位为)11(2BMAMIUM−=πρ同理可得到他们在N点产生的电位)11(2BNANIUN−=πρ于是M,N两点间的电位差为)1111(2BNBMANAMIUUUNMMN+−−=−=Δπρ由此可得到均匀大地电阻率的计算公式IUKMNΔ=ρ(1－1)式中：BNBMANAMK11112+−−=π称为装置系数，它是一个与各电极间的距离有关的物理量。野外工作中，装置形式和极距一经确定，K值便可计算出来。获得岩石电阻率的方法之一，是用小极距的四极装置在岩石露头上进行测定。此外，通过电测井或标本测定也可以获得岩石的电阻率。根据地下地质体电性差异而划分界限的断面，称为地电断面。地电断面所划分的界线可能同地质体，地质层位的界面吻合，也可能不一致。这时向充满非均匀介质的地下通电并进行测量，也可按（1－1）式求出一“电阻率”值。不过它不是某一地层3或地质体的电阻率，而是与电流有效作用范围内所有地质体的电阻率都有关系的物理量，并称之为视电阻率，用符号sρ表示。即IUKMNsΔ=ρ(1－2)视电阻率实际上是电场有效作用范围内地形和各种地质体电阻率的综合影响值。虽然（1－1）式和（1－2）式变量右侧的形式完全一样，但左端的ρ和sρ却是两个完全不同的概念。只有在地面水平且地下介质均匀各向同性的情况下，ρ和sρ才是相同的。视电阻率的基本公式(1－2)可以换成一个便于对地电断面进行定性分析的公式，即视电阻率与地表电阻率，电流密度的关系式。设地面水平，当M,N电极间的距离MN很小时，其间的电场强度可认为是均匀的，因此有MNMNMNMNjMNUMNUUEρ=Δ=−=−所以MNjUMNMNMN••=Δρ(1－3)式中ｊMN，MNρ分别为M,N电极间任意点的电流密度和介质的电阻率。将（C）带入（B）式中得到MNMNsIMNjKρρ•=(1－4)设均匀各向同性半无限介质的电阻率为ρ，MN间的电流密度为，此时（D）式可写成0jρρIMNjKs•=0因讨论的是均匀介质，故sρ应等于ρ，于是便有01jIMNK=⋅（1－5）4将（E）代入（D）中，得到MNMNsjjρρ0=图1.1电法装置示意图式中0ρ只决定于装置的类型和大小，对于确定的装置，可以认为它是已知的。和一般电法一样，高密度电法常采用不同的装置去解决不同的地质问题，如图中所示：A,B—供电电极;M,N—测量电极;a—电极距;n—电极系数。高密度电法开始时,研究的排列方式主要有3种:α,β和γ[1～8]。现在排列方式已发展到十几种。不过仔细研究就可发现,所有排列都是从对称四极(施伦贝谢尔,Schlum2berger)、偶极偶极(dipole2dipole)、单极偶极(pole2dipole)、单极单极(pole2pole)演变而来(其中,γ排列方式无变种)。如:AM=MN=NB时,Schlum2berger排列就变成α排列;AB=BM=MN时,偶极偶极排列就变成β排列;对于单极偶极排列,就有AMN,MNB,AM=MN和AM≠MN等4种。至于所谓的滚动排列装置,在电极排列方式上基本不变,只不过是其排列方式有利剖面滚动衔接而已。而本次工区所用是α装置。1.2折射波法的勘探原理地震勘探是一种研究人工震源（如机械敲击、可控震源、爆炸以及电火花、空气枪等）激发所产生的地震波在地下介质中传播规律来解决地质问题的方法。其基本原理是当人工震源所激发的地震波在介质中传播时，由于不同类型的岩石往往具有不同的弹性特征（如速度、密度等），当地震波通过这些岩石的分界面时，将产生反射、折射等，地震勘探就是通过获取来自这些界面的信号并对其进行反演分析，了解地下5介质分布及构造情况，以达到勘探目的。1.2.1折射波的形成由二层介质构成的地震剖面，在下层介质的波速大于上层介质波速的情况下，随着入射角的增大，透射角也要随着增大，总有一条入射波的射线能使透射波的射线与界面重合，此时波沿界面滑行。为此，把这种沿界面滑行的波称之为滑行波，滑行波沿界面传播的速度称之为界面速度。把波入设至界面上所产生滑行波的入射角称为临界角，由斯奈尔定律可知0pi)(sin2101PPpVVi−=因波前与射线相垂直，所以滑行波的波前垂直与界面并沿界面向前传播。根据惠根斯原理，滑行波所经过的任何一点都可看出是该时刻产生子波的新的点震源，因界面两侧的质点之间存在弹性关系，这种滑行波的超前振动必然会在介质1中产生新波，并传播到地面，这种波在地震勘探中称之为折射波。1.2.2浅层地震地质条件地震勘探效果的好与坏，在很大程度上取决于工作地区是否具备应有地震勘探的前提，也就是工区的地震地质条件。浅层地震地质条件主要是指地表附近和浅部的地质条件及影响因素，大致有以下几个方面：1）地表疏松层的特征地表附近的岩石和土层等，由于长期受到风吹，日晒，雨淋等风化作用的结果，变得比较疏松，因此地震波在该层中的传播速度比其下部未风化的岩石的波速要小的多，对于这类疏松层又称之为“低速带”。由于这种“低速带”的存在，往往使得地表覆盖层和基岩之间行成一个明显得速度界面，下部基岩的波速大于覆盖层的波速，是一个良好的折射界面。浅层地震法震勘探就是利用这一特性来测定基岩面起伏的。这对浅层折射波法来说是有利的条件。另外，疏松层对地震波的吸收作用强，特别是对高频成分的吸收更强。因此在疏松层的地区难于激发出较强的有效波，并且在其界面易产生多次反射波。2）潜水面特性6浅部含水带的位置往往何地震勘探有很大的关系，因为疏松低速带的底部常常是潜水面的位置，当疏松的风化层包含水时其速度值会增大。因此地震勘探中所指的“低速带”并不是总是和地质上的风化层一致的，一般是指不含水的风化层。另外，实践证明如果在含水带中进行激发，所产生的地震波其频谱成分比较丰富，能量也较强易于获得较好效果。3）地表的不均匀性浅层地质剖面的均匀性对地震勘探的效果有直接影响。表层中不论是纵向还是横向的不均匀性都将影响到地震波的能量和到达时间，如溶洞、断层、尖灭带和人工堆积体等都会给地震工作以干扰，影响到资料解释的精确性。4）地震界面和地质界面的差异地震界面是指地震波传播时与波速变化有关的波阻抗差异界面，而地质界面是岩性不同或时代不同的界面。这两种，有时是一致的，有时却完全不一致，例如不同的地质岩层其波速很接近，或者有些很薄的地层，这时从地震波的信息很难识别出它们的存在，此外，有时一个地层中也可能出现不同的波速层，这些情况都将引起地震界面和地质界面的不一致。而地震勘探所能探测的是那些与地震界面一致的地质剖面。1.2.3折射波时距曲线1）二层结构tt0DiBRKAFEGVVS直S折hiiXXxC图1.2水平二层结构折射波时距曲线假设地面下深度为h处，有一个水平的速度分界面R，其上下两层的速度分别为V1和7V2，且V2V1。从爆炸点O到地面某一接受点D的距离为x，折射波旅行的路程为OK，KE，ED之和，它的旅行时t为：121VEDVKEVOKt++=（1－6）为了简便起见，先作如下证明：有O，D两点分别作界面R的垂线，则OA＝DC=h,再自A,G分别作OK,ED的垂线，几何上不难证明∠BAK=∠EGF=∠i，已知21sinVVi=,∴21VVEGEFAKBK==即21VAKVBK=,21VEGVEF=.上式清楚地说明，波以速度V1旅行BK（或EF）路程所需的时间是相符的。则式（1—6）可以等效置换为：121VDFVAGVOBt++=(1-7)∵OB=DF=xAGih=,cos∴12cos2VihVXt+=12212222VVVVhVX−+=（1－8）这就是二层结构的时距方程。可见它的时距曲线也是一条直线，如图1.2所示，这条直线的斜率为21V,（t）延长相交于，那么，这个截据时间为：0t0t122122102cos2VVVVhViht−==(1-9)则2122210102cosVVVVtiVth−