浅层折射波和浅层折射反射波

浅层折射波和反射波的原理及其应用实例资源与环境工程09工程地质勘查200920425175张准南浅层折射波和反射波的原理及其应用实例摘要：折射波和反射波是近十多年来随着电子技术的发展及微机数字处理系统的开发和普及才得以迅速发展。关键词：浅层折射波反射波实例应用检测浅层折射波法是一种使用相对较早且较成熟的方法；可用来探测覆盖层厚度、基岩面起伏、断层及古河道；弱点：分辨率较低、测线较长；浅层反射波法具有相对较高的分辨率，可以采用较小的炮检距进行观测，因而可以采用较短的勘探测线；对资料的数字处理技术要求较高。一，数据采集系统一数据采集所用仪器1.1地震仪：是将埋置于介质表面的检波器所接收到的地震波信号进行放大、显示并记录下来的专门仪器，一般皆具有滤波、放大、模数转换及数字记录和微机处理等功能。目前地震仪的要求主要有以下几点：（1）可选择、可扩展的仪器道数和激发方式；（2）较宽的通频带以及灵活多样的滤波方式；（3）前置放大倍数可选；（4）范围较广的采样率；（5）灵活多样的存储、记录和显示方式；（6）带微机或微处理器及实时处理系统；（7）具有一机多用的性能1.2用来释放地震能量的装置（1）雷管和炸药震源一般工程地震勘探常用的震源为圆柱状成型TNT或铵梯炸药震源，它具有能量强、所激发的地震波具有良好的脉冲性等优点。激发时，由瞬发电雷管引爆，延迟时间最多仅2ms，以雷管线断开作为起爆即时信号。一般可在浅坑、浅井或水中激发。2）锤击震源该震源是目前工程地震勘探常用的一种简便激发方式，它特别适合于在建筑物比较密集的地区开展工作。它主要用于浅层反射和折射波法以及瞬态瑞雷波法勘探和桩基检测等领域。震源设备主要为几磅至几十磅重的重锤。该震源的主要特点是能方便地进行垂直叠加，且信号的重复性较好，但其能量有限，勘探深度较浅。3）电火花震源：是电能震源的一种。它利用电容器将所储藏的电能加到预先放置于水中的电极上，由于放电效应产生火花，造成振动。通常在浅海地震勘探，特别是连续地层剖面仪中应用。4）落锤法震源该方法是把数十千克至数百千克重的物体从大约2~3m的高处落到地面，撞击地面激发地震波。重物一般是专用的重锤或者大铁块。该震源处产生纵波，还产生能量较强的沿水平方向传播的面波振动。可用于浅层反射波法和瑞雷波法勘探。1.3检波器检波器又称拾震器，是把地震波到达所引起地面微弱震动转换成电信号的换能装置。主要由线圈、弹簧片和磁钢将发生相对运动而产生和震动周期相对应的感应电流信号，通过专门仪器可将这信号放大并记录下来，从而拾取到地震波，这类检波器输出的信号电压和其震动时的速度有关，因此又称速度检波器二采集系统在地震勘探现场采集中，为了压制干扰波和确保对有效波进行追踪，激发点和接收点之间的排列及各排列的位置都应保持一定的相对关系，这种激发点和接收点之间以及排列和排列之间的位置关系，称之为观测系统。不同的方法采取不同的观测系统。几种常用的观测系统介绍1）测线类型通常的测线类型如图所示。根据激发点和接收点之间的相对位置关系及排列关系，测线类型可分为纵测线、横测线、侧测线及弧形测线2反射波法观测系统使用最多的是宽角范围观测系统与多次覆盖观测系统。宽角范围观测系统是将接收点布置在临界点附近的范围进行观测，因为在此范围内反射波的能量比较强，且可避开声波和面波的干扰，尤其对弱反射界面其优越性更加明显。水平叠加：又称共反射点叠加或共中心点叠加，就是把不同激发点、不同接收点上接收到的来自同一反射点的地震记录进行叠加，这样可以压制多波和各种随机干扰波，从而大大提高了信噪比和地震剖面的质量，并且可以提取速度等重要参数。宽角范围的观测系统与多次覆盖观测系统结合使用是目前地震反射波法中使用最广泛的观测系统。多次覆盖的具体作法介绍在该观测系统中可用下式计算炮点的移动道数v=S*N/2n=d/△xN为一个排列的接收道数；d是激发点间距；S是一个常数，单边激发S=1，双边激发S=2；x是检波距。二能够求出反射波、折射波的时距理论曲线定义震源到接收点的距离与地震波走时之间的关系曲线为时距曲线时距曲线是研究地震波运动学特征的一种基本方法。时距曲线观测系统则是根据地震波的时距曲线分布特征所设计的观测系统。采用纵测线观测时，根据激发点与接收点之间的组合关系，可分为单支时距曲线观测系统、相遇时距曲线观测系统、多重相遇时距曲线观测系统以及追逐时距曲线观测系统。在各种时距曲线观测系统中，以相遇时距曲线观测系统使用最为广泛。潜射波的时距方程和时距曲线如果表层是速度随深度增加的变速层，下部是水平均匀地层，这时在时距曲线图上可以见到变速层的潜射波时距曲线和反映地层界面的折射波时距曲线的组合曲线。隐伏层对折射波时距曲线的影响隐伏层是指初至折射波法不能探测到的地层，根据其产生的原因的不同可分为两类：一类是层状介质中的低速夹层，由于折射波形成的条件必须是下部介质的波速大于上覆介质的波速，因此在低速夹层的上界面不可能产生折射波而成为隐伏层。另一类是在层状介质中各层的波速虽然是逐层递增，符合折射波形成的条件，但下部介质中某层的厚度很小，所形成的折射波不可能出现在初至区，而是隐藏在续至区中难以识别，这种薄层也称为隐伏层。例：折射波时距曲线及时距曲线方程实例分析下面以平行二层构造为例来说明一下折射波时距曲线及时距曲线方程，如图1所示，上层速度为V1，下层速度为V2，检波器沿轴向布置，在地表接收A点激发的弹性波。这些弹性波有沿地表传播过来的直达波，有从地下速度办面反射回来的反射波和沿办面滑行的折射波。图1中，i12为临界角，sin12=V1／V2，T为交叉时间，是折射波时距曲线的延长线与时间轴的交点，实际观测不到，但在时距曲线图上可以求出，是一项重要参数，当检波器位于xX’区间时，接收不到折射波。在检波器位上X’XXc区间时，由于折射波迟于直达波到达，折射波的初至在记录上仍难以辨认。位于xc处的检波器，折射波与直达波同时到达。当检波器的位置距炮点的距离大于xc时，折射波先于直达波到达，其初至清晰可辨，是观测折射波的有利地段。图1折射波的形成图2相遇观测系统时距曲线设直达波的旅行时为T1，折射波的旅行时为T2，则设x=0，则有因为V1，V2可由时距曲线的斜率求出，τ为T2的延长线与时间轴的交点，亦可求出，所以，由上式可求出界面深度Z。因为在xc点，直达波与折射波同时到达，所以上式整理得上式表明，由折射波时距曲线的端点(或称拐点)的水平坐标亦可求出界面深度。d3=Z1+Z22t0法的实现通常说的t0法，实际包括两部分内容，即用t0法绘制出折射界面，用差数时距曲线求界面速度。运用这种方法同样必须采用相遇观测系统取相遇曲线。图2中的T1A和T1B是界面R的折射波时距曲线。互换时间T为：T=TAMN+TNQ十TQBP。对于观测点S，A点放炮的旅行时间为：T2A=TAMN；B点放炮的旅行时为：T1B=TBPQS。设折射界面的曲率半径比其埋深大得多，ΔTSNQ可以近似看作等腰三角形，高H(法线深度)可以用式表示：式中，t0=T2A+T2B–T=T2A–(T–T2B)=T2A–ΔT为解释方便起见，由上式作t0(x)曲线。具体作法是利用T2A和T2B在测点x处量出T–T2B(x)=Δt(x)，然后T2B减去Δt(x)，连接各x0点的t0(x)即成为t0(x)关系曲线，如图所示。V1可由直达波时距曲线T1A，T1B的斜率(1／V1)求取。为求取K值，还必须求出V2，为此可类似求t0(x)的方法，作出差数时距曲线：θ(x)=T2A–T2B+T=T2A+Δt利用T2B量出T–T2B=Δt(x)，将Δt(x)与T2A(x)相加即得θ(x)，连接这些点即为差数时距曲线θ(x)，当界面倾角不大时，V2=(Δx／Δθ)，由θ(x)曲线即可求出V”求出界面速度V2后，可根据公式求出K值，然后由t0(x)曲线和相应公式求出各点的法线深度h(x)。以各接收点为圆心，各深度h(x)为半径画弧，各弧的包络线即为所要求的折射界面。下面各层及倾斜界面的时距理论曲线算法1.1两层直达波是从震源出发不经过界面的反射、折射而直接到达各接收点的地震波。地震波从O点出发，沿测线X传播到任意点的旅行时间t为：T=X/V介质模型1221222122cos2VVVVhVxVihVxt截距时间t0为：212122102cos2VVVVhViht1.2三层介质V3V2V1，当入射波在R2界面上的B点产生折射时，则入射射线在界面处必须满足：)/(sin32123VVi)/(sin31113VVi可导出水平三层介质的时距曲线方程为：23222321321231322VVVVhVVVVhVxt1.3多层介质11222ikkikikniVVVVhVxt1.4倾斜界面的折射波时距曲线在界面的下倾方向观测，折射波到达地面接收点O2的走时为：12211VBOVABVAOt下从几何关系可知sin)(coscos/,cos/12212211xhhtgihhxABihBOihAOiVVsin/12将这些关系代入t下的表达式，可得如下时距曲线方程式：111cos2)sin(VihVixt下同理，若在O2激发，波到达测线上倾方向任意点的时距曲线方程为：121cos2)sin(VihVixt上上倾与下倾方向时距曲线斜率不同，其视速度不同，上倾方向视速度大于下倾方向的视速度。上倾与下倾方向观测到的初至区距离和盲区大小不同，在下倾方向接收时初至区距离和盲区较小，截距时间也要小些。在上倾方向接收时，初至区距离和盲区要大些，截距时间也要大些。据此可以判断界面的倾向。当i+&≥90º时若在下倾方向接收，折射波射线将无法返回地面，这时盲区无限大。而在上倾方向接收，则入射角总是小于临界角，无法形成折射波。上倾与下倾方向观测的视速度分别为：)sin(1*iVV上和)sin(1*iVV下联立上面两式可解)sin(sin21)sin(sin21*11*11*11*11上下下上VVVVVVVVi若已知V1，则可根据相遇时距曲线的视速度求得倾角和临界角以及V2（V2=V1/sini）。变速层的折射波时距曲线关于速度随深度的变化规律A、速度随深度增加而呈线性增加，即符合下列表达式：)1(0ZVVz，式中V0为表面一点的速度值，是一个和介质性质有关的系数。B、介质的波速呈现为随深度的非线性变化，而线性关系只是其中的一个特例。介质的速度随深度变化的更为一般的表达式为：nzZVV/10)1(式中的n等于1，可认为其变化是线性的。1.5反射波法能够精确地确定深部界面，早已成为石油勘探的重要手段。它有下列特点:(1).反射波法没有盲区，所以可以在很靠近激发点的位置激发。(2).反射波法不象折射波法对波速有严格的要求，一般说来，凡是波阻抗发生突变的地方，都能产生反射波，因此，只要它们有足够的厚度，就能够发现软弱夹层。(3)．反射波各层次可以在同一地段上沿时间轴依次出现，同样勘探到一定的深度，反射波法可以用比折射波法短得多的测线。三结语通过前缘折射波和反射波的技术结合，可以比较准确地查明各种地层的分布和大致概况及强风化层厚度以及是否存在隐伏断层、构造破碎带，，为工程施工设计提供了可靠的资料。实践表明，该法是一种分辨率高，应用范围广的工程物探手段。主要参考文献1周鸿秋．水工环地震勘探．武汉：中国地质大学出版社，2李大心．地球物理方法综合应用与解释．武汉：中国地质大学出版社，20033秦海军反射渡法桩基检测应注意的几个问题Ⅱ1甘肃科技4雄章强,浅层地震勘探［-］,北京：地质出版社,5陈同俊,浅层折射静校正方法［1］,物探化探计算技术6王振东F浅层地震勘探应用技术F北京地质出版社.7F迈斯内尔!aF施特格奈著!吴晖译F实用地震勘探技术8德力克F帕尔默著!袁明德!王建谋译F折射地震学9王俊茹．工程与环境地震勘探技术[M]．10周绪文.反射波地震勘探方法[M].