工程与环境物探.

三、甚低频法甚低频(VIf)电磁法是一种被动源电探方法。它利用超长波通讯电台所发射的电磁波为源，通过在地表、空中或地下探测场的参数变化，从而达到找矿或解决有关工程及环境地质问题的目的。超长波通讯电台的功率一般比较强大，通常为－k，KW,工作频率约为15－25kHz。我国生产的甚低频电磁仪就是以设在日本(NDT)和澳大利亚(NWC)海军通讯电台发射的电磁波为场源，其工作频率分别为17.4kHz和22.3kHz。210×n310×n在无线电工程中，这种频率段称为甚低频。但就电探方法的频率而言，它已属于高频电磁法的频率范畴了。通常可以将甚低频台的发射天线当作位于地表的垂直电偶极子。其辐射场包括两部分：一部分是与地面垂直的电场分量，另一部分是与地面平行的磁场分量，两者都与波的传播方向垂直(a图)。在远离电台的地区，可将甚低频波视为平面波。当地下存在良导地质体(如地下水，岩溶或断裂带等)时，因受磁场分量的作用，在地质体中将感应出涡旋电流及相应的二次磁场。若良导地质体(如b图中的D1)的走向与电磁波的传播方向一致，由于一次场垂直作用于良导体，于是，D1内形成涡流，涡流感应产生的二次磁场最大；若良导地质体的走向与电磁波的传播方向垂直(如b图中的D2)，由于一次场平行于良导体，则感应的二次场最弱。因此，根据具体的地质情况，选择方向合适的甚低频电台作为场源，才有可能观测到较强的二次场信息。甚低频法的资料解释主要是定性地确定出低阻体(断裂带或岩溶发育带)的位置。从甚低频法的理论曲线分析可知，利用极化椭圆倾角曲线的零值点及磁场水平分量极值点的位置均可确定断裂带及低阻发育带的位置。图16展示了该区13线上甚低频法及联合剖面法的观测结果，由图可见，在该线上甚低频法有明显的极化椭圆倾角及磁场水平分量异常，而联合剖面法及甚低频视电阻率曲线却只反映出较宽的低阻异常带。经钻探验证，在100号点处见到岩溶发育带，95号点为黄土充填的岩溶塌陷。上述实例说明，甚低频电磁法在岩溶区寻找浅层充水裂隙带是有效的。图2广西浪桥堡13线综合勘探剖面图1－粘土；2－溶洞；3－石灰岩四、无线电波透视法1、基本原理及工作方法无线电波是一种频率很高且具有一定能量的电磁波，它可以在真空及各种介质中传播，由于介质的性质不同，它们对电磁波吸收的程度也不一样。真空中不吸收电磁波，空气或高阻岩石对电磁波的吸收作用很弱，低阻矿体和充水溶洞对电磁波的吸收作用较强。无线电波透视法就是通过研究钻孔或坑道间电磁波的传播规律(或者说被介质吸收的情况)来寻找矿体、充水溶洞等地质对象的一种电法勘探方法。无线电波透视法工作原理示意图1－发射机；2－发射机天线；3－接收机；4－接收机天线；5－发射机控制面板；6－记录仪7－绞车；8－滑轮；9－电缆；10－曲线井中无线电波透视法的工作原理如图所示。在一个井孔利用发射机发射一定频率(零点几兆赫～几十兆赫)的电磁波，在另一个井孔中利用接收机接收被介质吸收后的电磁波。当井孔间有良导矿体或充水溶洞存在时，由于电磁波被强烈吸收，使其能量大为降低，因而在测量井孔的相应井段便出现场强曲线的低值异常(或称为“阴影”)。根据收、发仪间的关系及异常出现部位便可推断地质体的存在。井中无线电波透视法的观测方式有:同步法定点法同步法是将发射机(或发射天线)和接收机(或接收天线)分别下到两个井孔中，然后，同步地上下移动进行观测。如果发射机和接收机保持同一高度，同步测量就称为水平同步法。如果发射机和接收机处于不同高度，同步测量就称为高差同步法，高差的大小一般视井间距、井深及岩层产状而定。定点法测量一般是将发射机(或接收机)固定于井孔中某预选位置，然后将接收机(或发射机)置于另一井孔进行连续测量。实际工作中，一般先用同步法了解井间地质体的大致位置，继而再利用定点法进一步确定异常体的边界和轮廓。在无线电波透视法中，频率的选择也是十分重要的，它直接影响透视的距离和对异常的分辨能力。一般来说，频率高、波长短、对异常体的分辨能力强，但随之而来的是吸收增强、透距变短。频率低、波长长、吸收弱、透距变大，更适合研究较大范围内地质体的变化，但对异常体的分辨能力也降低。二、异常解释及应用实例无线电波透视法接收机所获得的记录是以微伏数所表示的电场值，经整理可以绘制实测场强沿剖面的变化曲线，作图时纵坐标采用算术坐标表示井深，横坐标采用对数坐标表示场强或(实测场强与正常场场强之差)。井中无线电波透视法最简单也最常用的解释方法是交会法，首先根据经过井斜校正的井孔剖面，按一定比例尺绘制包括井孔在内的断面图，利用水平同步、高差同步或定点法的资料，在断面图上由各发射点分别向接收井孔的各异常边界引直线，这些直线交会的结果，可获得一个阴影区，见图3。这个公共的阴影区的空间位置、形状、规模等基本上反映了低阻异常体的范围和轮廓。图3交会法原理示意图1－发射点；2－阴影区；3－共同阴影区图4利用交会法探测充水溶洞1－水平同步；2－高30m同步；3－低10m同步；4－590定点发射；5－异常区图4是在某煤矿茅口灰岩中用无线电波透视法探测地下暗河的应用实例。在ZK10孔中发射，ZK4孔中接收，工作频率10MHz。采用水平同步、接收比发射高30m的高差同步、接收比发射低10m高差同步以及定点发射等四种测量方式。曲线均呈现出高吸收异常，场强从数千微伏降至数百乃至数十微伏。利用交汇法推断异常中心距ZK4孔为9.4m，标高为577m，经钻孔验证，在578.35－573.64m井段上打到四层充水溶洞。五、地质雷达是一种高科技的地球物理探测仪器，目前已经广泛的应用于高速公路，机场的路面质量检测；隧道，桥梁，水库大坝检测；地下管线，地下建筑的检测等诸多的工程领域。探地雷达利用一个天线发射高频宽频带电磁波中心工作频率在10~5000MHZ范围，另一个天线接受来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度与波形资料，可推断地下介质的分布情况。探地雷达具有以下技术特性，使其在许多领域尤其是工程地质领域的得到广泛应用。1.它是一种非破坏性探测技术，可以安全地用于城市和正在建设中的工程现场，工作场地条件宽松，适应性强；2.抗电磁干扰能力强，可在城市内各种噪声环境下工作，环境干扰影响小；3.具有工程上较满意的探测深度（30-50m）和分辨率（n厘米），现场直接提供实时剖面记录图，图像清晰直观；4.便携微机控制数据采集、记录、存储和处理使其具有极高的采样率和较高的精度；5.由于使用了高频率，电磁波能量在地下的衰减较强烈，若在高导厚覆盖条件下，探测范围将受到限制。1、基本原理地质雷达由发射部分和接收部分组成。发射部分由产生高频脉冲波的发射机和向外辐射电磁波的天线(Tx)组成。通过发射天线电磁波以60°～90°的波束角向地下发射电磁波，电磁波在传播途中遇到电性分界面产生反射。反射波被设置在某一固定位置的接收天线（Rx）接收，与此同时接收天线还接收到沿岩层表层传播的直达波，反射波和直达波同时被接收机记录或在终端将两种显示出来。发射天线接收天线直达波目标体反射波图5探地雷达工作原理示意图图6地质雷达探测原理示意图vxzt224+=rcvε≈c为光速；为地下介质的相对介电常数。反射波不仅可发生在不同介质的分界面上，也可发生在空气与岩石（空洞）或金属、非金属与埋土的界面上。分为单天线形式和双天线形式。计算方法将有差异。rε介质相对介电常数电磁波速度V（m/ns)水810.033空气10.3雪（湿）4—120.09—0.15石灰岩7(6)0.11(0.12)土壤(干)4(3—5)0.15(0.13—0.18)土壤（含水20%）10(4—40)0.095(0.05—0.15)冰3.20.17铜或铁1----'常见介质的和'V剖面法（反射观测方式）图7洞穴的图像模型剖面法是发射天线(T)和接收天线(R)以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式，当发射天线与接收天线间距为零，亦即发射天线与接收天线合二为一时称为单天线形式，反之称为双天线形式。剖面法的测量结果可以用探地雷达时间剖面图来表示。该图像的横坐标记录了天线在地表的位置；纵坐标为反射波双程定时，表示雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射回到接收天线所需的时间。这种记录能准确反映测线下方地下各反射界面的形态。5.3宽角法（共深点法，CDP）地面空气波地表直达波图8宽角法观测方式当一个天线固定在地面某一点上不动，而另一个天线沿测线移动，记录地下各个不同界面反射波的双程走时，这种测量方式称为宽角法。探地雷达探地雷达应用实例1、潜水面的反射2、古河道的波场特性地震勘探第一节弹性介质与地震波一、弹性介质以岩土介质的弹性差异为基础，通过观测研究人工激发的地震波场在岩土介质中的传播规律，探测地层和构造的分布，测定岩土介质力学参数的一种物探方法。岩土介质－－弹性介质地震波－－弹性波任何固体介质，当受到外力作用时都要发生变形，当外力撤消后，物体能恢复原来的形态和大小－－弹性介质；否则－－非弹性介质（塑性）。大部分物体既可表现出弹性，也可以显示出塑性。自然界中的物体即可是弹性介质也可是非弹性介质，取决于：1、外作用力的大小和时间长短；2、介质的性质。地震勘探－－脉冲震源－－时间短－－作用力小（有一定距离）－－弹性介质。将弹性理论直接用到地震勘探中。在弹性理论的研究中，根据介质的不同特征可分为各向同性和各向异性。大部分岩土介质在地震勘探中都可看作各向同性介质。二、应力、应变与弹性参数1、应力与应变应力－－单位横截面所产生的内聚力F/S。应变－－在应力作用下单位长度（单位体积）产生的变形∆。（a）（b）ll/2、杨氏模量和泊松比在图b中段近似为一段直线。这表明，当外力不大时，应力与应变成正比关系。该区间称为线性弹性形变区或完全弹性形变区。这时，应力与应变的比值称为杨氏模量或拉伸模量。以符号E表示。在拉伸形变中，样品的横截面会减小；反之，在压缩形变中，截面积将增大。换句话说，纵向增量与横向增量的方向总是相反的。介质的横向应变与纵向应变的比值称为泊松比，以符号表示。pp'LLESFΔ=LLSFEΔ=σLLDDΔΔ-σ=还有一个非线性区，这时，虽然形变已经不能用胡克定律来描述，但在外力消失后，样品仍能恢复到原来的形状。Q点事该介质的弹性极限点。Q点以后将会发生永久性形变。对于脆性材料，很快出现脆性破坏；对于延展性材料，先出现塑性形变，直到被拉断或压碎为止。3、体变模量和切变模量任何复杂的形变均可分为体积形变与形状形变（剪切形变）两种简单的形变类型。对于这两种简单形变，其应力与应变的比值分别称为体变模量（压缩模量）和切变模量（刚性模量），相应的符号是K和，并用下式表示：因∆=tg，当很小时，tg=，所以有μVVSFK/Δ/=llSF/Δ/μ=ll/θθθθθ/≈μSF4、拉梅系数弹性参数主要有这五个，理论上可以证明，只要知道其中两个，就可以求出其余三个参数。μ32-λK=μλμλμ++=)23(E)(2μλλσ+=μλ32+=Kб：0－－0.5；大多数岩石:0.25纯流体：0.5；软沉积岩：0.45纯刚性体：0；极坚硬的刚性岩石：0.05Ｅ、Ｋ、λ、μ－－反映介质发生弹性变形难易程度，大－－不易发生弹性变形。参数介质ＥＫμλσρPag/cm3钢铝玻璃花岗岩石灰岩砂岩页岩207775.54.53177.5533.53282.53221.51115.532.53.52.510.30.350.250.250.2—0.320.23—0.280.22—0.407.72.7--2.55--2.67--2.65--2.45--2.35三、振动与地震波１、弹性振动、弹性波介质在外力作用下产生变形－－质点偏离平衡位置，外力撤消后，质点在应力作用下恢复原来位置，在惯性力作用下，质点不会立即停留在平衡位置，而向相反方向移动－－偏离平衡位置－－应力－－恢复原来位置。在应力和惯性力的不断作用下，使质点绕平衡位置发生振动－－