利用彈性波頻率進行地質(zhì)勘探的思考

劉建兵

[摘要]彈性波頻率勘探是近年發(fā)展起來的一種新的淺層地球物理勘探方法,具有簡便、快速、經(jīng)濟、分辨率高、成果直觀、適用場地小等優(yōu)點,已在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用,并取得了良好的應(yīng)用效果。通過對彈性波頻率勘探技術(shù)的發(fā)展概況、探測原理、主要特點及其野外測試方法進行深入思考,能夠有效地了解其應(yīng)用范圍及目前存在的問題,使之更好地用于地質(zhì)勘探之中。

[關(guān)鍵詞]彈性波 彈性波頻率 勘探 地質(zhì)勘探

中圖分類號:TU19文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0910084-01

一、彈性波概述

彈性波是應(yīng)力波的一種,擾動或外力作用引起的應(yīng)力和應(yīng)變在彈性介質(zhì)中傳遞的形式。彈性介質(zhì)中質(zhì)點間存在著相互作用的彈性力。某一質(zhì)點因受到擾動或外力的作用而離開平衡位置后,彈性恢復(fù)力使該質(zhì)點發(fā)生振動,從而引起周圍質(zhì)點的位移和振動,于是振動就在彈性介質(zhì)中傳播,并伴隨有能量的傳遞。在振動所到之處應(yīng)力和應(yīng)變就會發(fā)生變化。彈性波理論已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地震、地質(zhì)勘探、采礦、材料的無損探傷、工程結(jié)構(gòu)的抗震抗爆、巖土動力學(xué)等方面。彈性波頻率分為瑞利波(R波)和拉夫波(L波),而R波在振動波組中能量最強、振幅最大、頻率最低,容易識別也易于測量,所以彈性波頻率勘探一般是指瑞利彈性波頻率勘探。R波在巖土工程勘察中的應(yīng)用大致分為以下幾個方面:查明工程區(qū)地下介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)并進行地層劃分;對巖土體的物理力學(xué)參數(shù)進行原位測試;工業(yè)與民用建筑的地基基礎(chǔ)勘察;地下管道及埋藏物的探測;地下空洞、巖溶、古墓及廢棄礦井的埋深、范圍等探測;軟土地基加固處理效果評價及飽和砂土層的液化判別;公路、機場跑道質(zhì)量的無損檢測;江河、水庫大壩(堤)中軟弱夾層的探測和加固效果評價等;場地土類別劃分及滑坡調(diào)查等;斷層及其它構(gòu)造帶的測定與追蹤等。

二、勘探原理

地震勘探,是用人工方法激發(fā)地震波(地殼的彈性振動),并且研究它們在地殼內(nèi)傳播的情況,來達到探查地殼地質(zhì)結(jié)構(gòu)的目的。地震波由震源激發(fā)后,向各方傳播,在存在密度差異的不同巖性地層的分界面上可能發(fā)生反射和折射,然后返回地面,引起地面的振動。我們將專門的儀器設(shè)備(地震儀、檢波器等)安置在地面上,記錄地震的振動(地震記錄),通過分析解釋地震記錄的特點(傳播時間、振動的振幅、相位及頻率等),就能確定地層的埋藏深度、巖石的組成成分和物理力學(xué)性質(zhì)。地震勘探依據(jù)的是彈性波傳播原理。彈性波理論分析表明,R波具有如下特點:在地震波形記錄中振幅和波組周期最大,頻率最小,能量最強;在不均勻介質(zhì)中R波相速度(VR)具有頻散特性,此點是彈性波頻率勘探的理論基礎(chǔ);由P波初直到R波初至之間的1/3處為S波組初至,且VR與VS具有很好的相關(guān)性,其相關(guān)式為:VR=VS·(0.87 1.12μ)/(1 μ);式中:μ為泊松比;此關(guān)系奠定了R波在測定巖土體物理力學(xué)參數(shù)中的應(yīng)用;R波在多道接受中具有很好的直線性,即一致的波震同相軸;質(zhì)點運動軌跡為逆轉(zhuǎn)橢圓,且在垂直平面內(nèi)運動;R波是沿地表傳播的,且其能量主要集中在距地表一個波長(λR)尺度范圍內(nèi)。依據(jù)上述特性,通過測定不同頻率的彈性波頻率速度VR,即可了解地下地質(zhì)構(gòu)造的有關(guān)性質(zhì)并計算相應(yīng)地層的動力學(xué)特征參數(shù),達到巖土工程勘察之目的。

三、工作方法

應(yīng)用彈性波頻率進行現(xiàn)場測試時一般采用多道檢波器接收,以利于彈性波的對比和分析。當(dāng)錘子或落重在地表產(chǎn)生一瞬態(tài)激振力時,就可以產(chǎn)生一個寬頻帶的R波,這些不同頻率的R波相互迭加,以脈沖信號的形式向外傳播。當(dāng)多道低頻檢波器接收到脈沖振動信號后,經(jīng)數(shù)據(jù)采集,頻譜分析后,把各個頻率的R波分離出來,并求得相應(yīng)的VR值,進而繪制面波頻散曲線。

當(dāng)選取兩道檢波數(shù)據(jù)進行反演處理時,應(yīng)使兩檢波器接收到的信號具有足夠的相位差,其間距△x應(yīng)滿足(λR/3)～λR,即在一個波長內(nèi)采樣點數(shù)要小于在間距△x內(nèi)的采樣點數(shù)的3倍,而大于在間距△x內(nèi)的采樣點數(shù)的1倍,該采集濾波原則對于不同的勘探深度及儀器分辨率和場地地層特性可作適當(dāng)調(diào)整。

當(dāng)采用多道檢波數(shù)據(jù)進行反演處理時,雖然不受道間距公式的約束,但野外數(shù)據(jù)采集時也應(yīng)考慮勘探深度和場地條件的影響。一般來說,當(dāng)探測較淺部的地層介質(zhì)特性時,易采用小的△x值并用小錘作震源以產(chǎn)生較強的高頻信號,即可獲得較好的結(jié)果;當(dāng)探測較深部的地層介質(zhì)特性時,易采用較大的△x值,并用重錘沖擊地面,以產(chǎn)生較低頻率的信號,使其能反映地下更深處的介質(zhì)信息,達到巖土工程勘察之目的。

震源點的偏移距從理論上講越大越好,且易采用兩端對稱激發(fā),有利于R波的對比、分辨和識別,但偏移距增大就要求震源能量加大和儀器性能的改善。一般來說,偏移距應(yīng)根據(jù)試驗結(jié)果選取。就目前的儀器設(shè)備條件和反演技術(shù)水平,選用偏移距20～40m即可獲得較好的測試結(jié)果。

由多道檢波數(shù)據(jù)反演處理后可得一條頻散曲線,一般把它作為接收段中點的解釋結(jié)果。實際上該曲線所反映的地層特性為接收段內(nèi)地層性質(zhì)的平均結(jié)果,故當(dāng)探測場地地下介質(zhì)水平方向變化較大時,只要能滿足勘探深度的要求,盡量使反演所用的接收段減小,以使解釋結(jié)果更具客觀實際。

四、存在問題

雖然彈性波頻率探測技術(shù)在工程中的應(yīng)用已很廣泛,但實際工作中還存在以下問題:關(guān)于實測彈性波頻率頻散曲線的“Z”字型現(xiàn)象,從理論模型的解析中還不能精確地解釋此現(xiàn)象。因為理論的頻散曲線,在介質(zhì)分界面處只出現(xiàn)折點,對此還需深入研究和數(shù)值模擬計算;對于彈性波頻率勘探深度的確定,目前國內(nèi)外大多采用半波長作為R波的勘探深度,此關(guān)系是一經(jīng)驗公式,但在實際工作中,應(yīng)根據(jù)場地地質(zhì)條件、探測對象以及孔旁測試對比結(jié)果等作適當(dāng)調(diào)整;測試深度相對較淺,一般情況下可靠的測量深度為20～30m,最深不過50～60m。當(dāng)測試深度加大時,震源信號就必須具有足夠的低頻信號,目前尚難滿足此要求。由于低頻時的R波值很少,使得下部頻散曲線的點相對稀少,所以對解釋精度影響較大。就該問題筆者建議由原來的算術(shù)坐標系改為波長為對數(shù)的單對數(shù)坐標系,可使低頻段頻散點稀少問題得以改觀。根據(jù)不同的勘測目的和要求,對產(chǎn)生R波的震源需作必要的改進和研究,以適應(yīng)勘察的需要。如用錘子作震源時其低頻值為10～20Hz左右,而用砂袋作震源時低頻值為3～10Hz左右。彈性波頻率勘探作為一種新的淺層地球物理勘探方法,具有簡便、快速、經(jīng)濟、分辨率高、適用場地小、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點,但對彈性波頻率勘探理論的研究以及實際應(yīng)用等有待進一步的深入和開拓,使之在生產(chǎn)實踐中不斷總結(jié)、完善和提高。

參考文獻:

[1]楊成林等,《瑞雷波勘探》,地質(zhì)出版社,1993年.

[2]胡鈞等,《巖土工程瑞利波勘探新進展》,《上海地質(zhì)》.

[3]劉康和,《彈性波頻率探測技術(shù)綜述》,《電力勘測》.