物探-浅层折射波法和反射波法

第二章浅层折射波法和浅层反射波法本章要求了解浅层地震勘探的主要仪器设备；掌握浅层折射波法和反射波法野外观测系统，了解数据采集质量的影响因素；掌握直达波、两层水平与倾斜界面反射波和折射波时距曲线的推导方法，了解多次波与绕射波时距曲线的特征与推导方法；掌握真倾角与视倾角的概念；了解倾斜界面反射波和折射波时距曲线，了解弯曲界面对反射波时距曲线的影响；了解浅层折射波法和反射波法的资料处理方法；掌握地震勘探资料的定性和定量解释。第一节数据采集一、主要仪器设备浅层地震仪又叫工程地震仪，具有探测深度浅、探测对象规模较小、体积小、重量轻、灵敏度高等特点。地震仪的发展：模拟光点记录地震仪→模拟磁带记录地震仪→数字磁带记录地震仪→数字电子记录地震仪工程地震仪的基本要求：1.应具有高放大倍数的性能；2.记录强、弱信号不失真；3.应具有较宽的通频带：fHi＞300Hz、fLo＜30Hz。工程地震仪的特殊要求：1.应具有较高的分辨率；2.应具有较高的信噪比；3.应具有信号增强功能；4.轻便、工作效率高。地震仪的四个组成部分检波器放大器震源同步系统记录显示装置一个地震道：一个检波器、一个放大器（包括滤波器等电路）和一个记录器组合在一起1.检波器(1)速度检波器其电压输出与地表质点运动速度成正比的检波器检波器：是把地震波到达引起的地面微弱振动转换成电讯号的装置。速度检波器：因为检波器输出信号电压与其振动时位移速度有关，一般为电磁式；加速度检波器：具有固有频率高的特点,可用来测量物体振动的加速度，一般为压电晶体。(2)加速度检波器其电压输出与地表质点运动的加速度成正比的检波器，也叫涡流检波器。速度检波器根据其固有频率可分为：低频检波器-----＜10Hz中频检波器-----10~33Hz高频检波器-----33~100Hz加速度检波器一般为高频，频率可达1000Hz2.震源•锤击•炸药•震源枪•电火花3.震源同步系统（触发系统）在激发地震波的同时产生使主机记录的同步信号。二、观测系统激发点和接收点之间以及排列和排列间的位置关系称之为观测系统测线布置原则：1.测线最好为直线，此时垂直切面为一平面，所反映的构造形态比较真实；2.主测线应尽量垂直岩层或构造的走向，目的是最大限度地控制构造形态；3.测线应尽可能与其它物探或钻探等勘探线一致；4.测线的密度应根据地质任务要求及探测对象的复杂程度等因素决定。1.观测系统有关的专业术语①道间距②排列长度浅折：5~10m；浅反：2~5m如接收道数为N，则：③偏移距偏移距为道间距的整数倍，一般不小于最浅的目的层深度指相邻两道检波器的间距，一般用△X表示。第一道到最后一道检波器的距离，用L表示。炮点距最近的检波器之间的距离，一般用X1表示。④最大炮检距△XX1LXmax炮点S1S2S3SN测线炮检距为炮点与检波点的间距，炮点离最远的检波点距离为最大炮检距，一般用Xmax表示。最大炮检距与探测深度密切相关，对于折射波法，Xmax大于5～7倍目的层深度；反射波法为0.7～1.5倍目的层深度。2.折射波法观测系统（1）测线类型纵测线非纵测线（2）观测系统单支时距曲线观测系统相遇时距曲线观测系统多重时距曲线观测系统追逐时距曲线观测系统时距曲线：指接收点距离和地震波走时之间的关系曲线Xt①单支时距曲线观测系统OS1S2S3·······················Sn排列关系：OS1S2S3·······················SntXiS直达S折射盲区t0Δt直ΔX直ΔX折Δt折V1V2各层速度：V1=ΔX直/Δt直V2=ΔX折/Δt折一端连续增加发射点即形成追逐时距曲线观测系统②相遇时距曲线观测系统OS1S2S3·······················SnO′排列关系：OO′ABCES折射S′折射S折射反映了BE段；S′折射反映了CA段；BC段则是两条曲线共同反映的地段两端同时增加发射点即形成多重相遇时距曲线观测系统3.反射波法观测系统①单次覆盖简单连续观测系统②宽角范围观测系统③多次覆盖观测系统在浅层反射波法现场数据采集中，根据仪器及地震地质条件的不同，选择不同的观测系统。一般可用的观测系统：多次覆盖观测系统多次覆盖观测系统，又称水平叠加、共反射点叠加、共中心点叠加，是指一条测线上不同点击发、不同点接收地下同一反射点的信号。Sn·········S2S1OD1D2········DnR共反射点右图为6次覆盖观测系统O1～O6激发6炮后得A、B、C、D、四个达到六次覆盖的共反射点。炮点移动道数计算：xdnNS2其中：N为每炮的接收道数；n为覆盖次数；d是激发点间距；S为常数，单边激发为1、双边激发为2。4.影响浅震采集质量的因素野外采集中，除正确选择震源、仪器和合理布置观测系统外，还要选择采集条件和工作条件：如测线位置、扫描时间、仪器增量、通频带等来突出有效波，压制干扰波以得到高质量地震记录。试验阶段:对区内各种干扰波和有效波的分布特点进行研究，分析各种波在时空域中相对关系，以及频率、视速度方面差异，以便更好设计采集系数。工作阶段：图2.1.7模型试验结果图中可确定出最佳接受窗口。图2.1.8浅层试验记录。图2.1.9中间放炮双边接受的浅震实验记录。理论时距曲线是指在理想状态下，典型界面的反射波和折射波理论上可出现的时距曲线形态和规律第二节理论时距曲线一、直达波时距曲线vxtxtmOS1S2S3·······················SntXΔtΔX曲线方程：曲线斜率：表层速度：txmV1二、折射波时距曲线1.水平二层界面的折射波时距曲线假设地下深度h处,有一水平速度分界面R,其上下两层速度分别为v1和v2,且v2v1,如图从激发点O到地面接收点S的距离为x,折射波旅行路程O→A→B→S。则旅行时t:121212VOAVABVBSVABVOAt所以：由于：V2=V1/sini所以：从图中简单的几何关系知：ihOAhtgiXABcos2iVhiVihVXiVhVhtgiXtcos2cossin2cos221221212122cos2cos)sin1(2VihVXiVihVXt21212221222122212cos2cossinVVVVhVxVihVxtVVViVVi此为水平二层介质的时距曲线方程，为直线，斜率：k=1/V2如果令X=0，则曲线的延长线相交t轴为t0，称为截距12212202VVVVht表示界面深度h与截距t0之间的关系21221202VVVVth此求深度法称t0法2.水平三层界面的折射波时距曲线23222321321231322VVVVhVVVVhVxt斜率：k=1/V3，盲区：OM2=2h1tgi13+2h2tgi23将上式推广到n层：knknnkknnVVVVhVxt22112由上可见，在多层水平介质情况下，折射波时距曲线仍为直线。3.倾斜界面折射波时距曲线下倾方向接收时折射波的旅行时间为：则：111221121cos2)sin()(coscosVihViXVtgihhXiVhht下同理，在O2点激发，在上倾方向O1点接收，波的旅行时间为：121cos2)sin(VihViXt上倾斜界面时距曲线的特点：①时距曲线的形状：1*1*)(1)(1VisinVVisinV上下倾斜界面的折射波时距曲线仍为直线，其斜率或视速度的倒数分别为：特点：上倾方向折射波时距曲线斜率小、视速度大、曲线缓；下倾方向折射波时距曲线斜率大、视速度小、曲线陡。②特征点的距离：下倾方向接收的折射波时距曲线盲区O1M1较小、截距时间t01也较小；上倾方向接收的折射波时距曲线盲区O2M2较大、截距时间t02也较大；此特点可帮助我们判别界面倾向。③倾角计算：上下VViVVi11arcsin)(arcsin)()*arcsin(arcsin21)*arcsin(arcsin211*11*1上下上下VVVVVVVVi1*1*)(1)(1VisinVVisinV上下解斜率公式：得：得到倾角公式：V1由直达波曲线上求得V*上和V*下由S上和S下求得④界面倾角的影响：实际工作时，可将测线布置的与地层倾角斜交，使视倾角变小，以满足i+φ＜90°的条件。当ί+φ≥90°时，下倾方向接收，折射波射线将无法返回地面，上倾方向入射角总小于临界角，无法形成折射波，见左图：φφφiiRXί+φ=90°时的示意图ί+φ＞90°时的示意图⑤V*与i、φ的关系：只讨论上倾方向接收时：当i＞φ时V*为正当i=φ时V*为∞折射波为垂直地面传播当i＜φ时V*为负时距曲线倒转，意味着折射波先到达离震源远的检波器⑥V2的计算：由V*上和V*下的公式得：)sin(cos2cossin2)sin()sin(*1*121211VViVViViiVV下上即可求出V2当φ＜15°时，COSφ≈1，则上式=2/V2当φ=0时，为水平界面，V*上=V*下=V2，视速=真速⑦h1、h2的计算：将S上、S下分别各自的时间轴延长，得截距t0上、t0下，用t0法求两个激发点的界面法向深度（t0=2hcosi/V1）。itVhitVhcos2cos2012011上下h2h1OO'4.其它特殊界面折射波时距曲线三、绕射波时距曲线xLsOhAXt波的旅行时间由二部分组成：1221212211)(VhLxVAStVhLVOAt2222121)(1hLxhLVttt为双曲线方程，最小点为绕射点在地面的投影位置四、反射波时距曲线1.水平界面反射波时距曲线根据光学的镜像关系，求出O点的镜像点O*，我们将O*点称为虚震源点。可认为反射波是O*激发的直达波。波的旅行时间：移项变换后：1)2()/2(22212hxVht为双曲线方程，对称于t轴，极小点位于震源点上方当x=0时：t0=2h/V10121tVh界面深度：（1）反射波和直达波时距曲线双曲线的渐近线斜率：水平界面反射波的几个问题这个斜率实质上是前面所讨论的直达波的斜率，也就是说，当接收点远离震源时，即X很大的情形，反射波时距曲线与直达波时距曲线重合，意味着直达波时距曲线是反射波时距曲线的渐近线。VhVhm122（2）时距曲线的弯曲情况由前面介绍可知：V*=V/sinα当X→∞时：α→90°，V*=V曲线趋于渐近线当X→0时：α→0°，V*→∞曲线变得平缓对于某一反射界面的时距曲线来说，随着炮检距X的增大，α角也增大（α2＞α1），从而使V*变小，斜率变大，曲线越来越弯曲：我们可用视速度定理来讨论时距曲线的弯曲情况：另外，也可根据反射波时距曲线方程求得双曲线斜率的倒数（视速度）：21)2(1*xhVdtdxV来讨论上述结论而对于埋藏深度不同的反射界面的二条时距曲线来说，因深层反射波返回地表的α角比浅层的要小，V*相对变大、斜率变小、曲线变缓。对于多层水平反射界面，地震波沿折线传播，此种条件下，若炮检距不大，可以将多层介质的反射波时距曲线近似为双曲线，即将多层介质等效为厚度为H，速度为平均速度的单一反射界面。（3）多层水平反射界面①等效平均速度法22111111111114,,averageniinniiiiinniiiitxHVHhVthVtt式中：等效平均速度数学模型将多层介质用具有均方根速度和厚度的均匀介质来代替，即：2201111211111114,,nrnniinniiiiiirnnniiiitxHVHhVtVhVtt式中：②均方根速度法2.倾斜界面反射波时距曲线对于倾斜界面我们仍然用虚震源O*来推导时距曲线曲线极小点坐标：1cos2sin2Vhthxmm曲线t坐标轴的截距：102Vht应用此式可求出反射界面的法向深度