不同路面條件下地震映像勘探效果的對(duì)比研究

鹿子林,王建學(xué),趙 培,葛孚剛

(1.山東省地震局,濟(jì)南 250021;

2.淄博方圓勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,山東淄博 255000;

3.臨沂市地震局,山東 臨沂 276000)

不同路面條件下地震映像勘探效果的對(duì)比研究

鹿子林1,王建學(xué)2,趙 培3,葛孚剛1

(1.山東省地震局,濟(jì)南 250021;

2.淄博方圓勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,山東淄博 255000;

3.臨沂市地震局,山東 臨沂 276000)

討論了地震映像勘探的主要特點(diǎn),用實(shí)例分析了土質(zhì)路面、瀝青路面等不同介質(zhì)條件下的勘探效果,明確了這一勘探方法的適用條件。

地震映像;適用條件;波阻抗

0 引言

地震映像勘探又稱高密度地震勘探,它是在最佳偏移距反射波法地震勘探技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的[1]。近年來(lái),這一勘探方法以其數(shù)據(jù)采集高效、便捷,資料便于解釋、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)在淺部地層構(gòu)造探測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用,然而每種物探手段對(duì)不同的地形、地質(zhì)條件都有各自的適用性和局限性,特別是在城市內(nèi)工程的地質(zhì)勘探中受場(chǎng)地和勘探條件的影響,探測(cè)效果有時(shí)并不理想,作者通過(guò)實(shí)例對(duì)這一勘探方法的適用性進(jìn)行初步探討。

1 地震映像勘探原理及特點(diǎn)

1.1 原理

震源激發(fā)后,地面的檢波器會(huì)接收到不同的地震波(折射波、反射波、面波等),根據(jù)探測(cè)目的的不同,可以選擇利用不同的地震波作為有效波,在地震映像勘探中常用反射波作為有效波?？碧綍r(shí)首先確定最佳偏移距,震源激發(fā)一次,檢波器接收并記錄一道。固定偏移距,按照設(shè)計(jì)的炮間距依次激發(fā)、接收、記錄,就得到一條勘探剖面。地震波經(jīng)過(guò)反射界面反射后到達(dá)檢波器的時(shí)間會(huì)有差異,引起同相軸的起伏變化,由于偏移距是固定的,可據(jù)同相軸推斷反射界面的起伏形態(tài)。

1.2 主要特點(diǎn)

只有充分了解了地震映像勘探這一方法的特點(diǎn),才能在具體的工程勘探中揚(yáng)長(zhǎng)避短,充分發(fā)揮它的應(yīng)用價(jià)值,現(xiàn)將這一方法的主要特點(diǎn)概述如下:

(1)方便靈活:該方法儀器輕便,震源簡(jiǎn)單,便于各種復(fù)雜情況的現(xiàn)場(chǎng)施工,且成本低廉。

(2)采集高效:震源激發(fā)一次,儀器就記錄一道,采集速度非?？?。

(3)資料便于解釋:由于采集過(guò)程都是單道接收,所以處理過(guò)程中不需要進(jìn)行動(dòng)校正,節(jié)省了資料處理的時(shí)間,在采集現(xiàn)場(chǎng)就可以根據(jù)勘探資料對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行初步的判斷,給下一步施工帶來(lái)極大的便利。

(4)多波勘探:可以根據(jù)不同的工程目的,選用不同的地震波作為有效波。

(5)勘探深度淺:目前該方法大多采用錘擊震源,激發(fā)能量小,勘探深度較淺,但分辨率較高。

(6)抗干擾能力差:特別是在嘈雜的市區(qū)內(nèi)施工,過(guò)往車輛、施工機(jī)械等干擾源特別多,在勘探時(shí)盡量選擇相對(duì)安靜的環(huán)境,做好干擾波的調(diào)查,通過(guò)試驗(yàn)選取最佳偏移距,必要的時(shí)候進(jìn)行單道多次疊加。

(7)目的層較單一:在只研究地層橫向變化和針對(duì)單一目的層探測(cè)的情況下,這一方法有很大的優(yōu)勢(shì),但對(duì)于多目的層的探測(cè),由于震源能量較小,經(jīng)過(guò)多次透射和反射之后,檢波器很難接收到穩(wěn)定有效的反射波,而且最佳偏移距也不易確定,所以勘探效果不甚理想。

(8)無(wú)速度參數(shù):地震映像勘探雖分辨率高,但不能獲得速度參數(shù)[2]?？梢愿鶕?jù)測(cè)線上測(cè)得的鉆孔波速來(lái)推算目標(biāo)體的大體深度。

(9)對(duì)地質(zhì)異常體的放大效應(yīng):由于這一勘探方法有別于自激自收,是最佳偏移距的單道接收,偏移距的存在起到了對(duì)地下異常體的放大作用,在資料解釋的時(shí)候要考慮偏移距的因素。

2 不同介質(zhì)條件下勘探結(jié)果的對(duì)比研究

反射波地震映像勘探一般是針對(duì)工程場(chǎng)地進(jìn)行的,受場(chǎng)地位置以及現(xiàn)場(chǎng)施工情況的限制,勘探的介質(zhì)會(huì)有很大差異,現(xiàn)分情況進(jìn)行初步探討。

2.1 土質(zhì)路面

圖1為某地區(qū)地震映像勘探實(shí)例,該場(chǎng)地所處地貌類型為山前沖洪積傾斜平原。場(chǎng)地原為耕地,場(chǎng)地地形平坦,起伏不大。工程鉆探揭露地層主要由第四系陸相沖洪積物及片麻狀花崗巖組成,場(chǎng)地地層可分為4大層:粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化片麻狀花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化片麻狀花崗巖、中風(fēng)化片麻狀花崗巖。地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,分布連續(xù),厚度穩(wěn)定,物理力學(xué)性質(zhì)均勻,在勘探深度內(nèi)地層在水平方向和垂直方向上,分布相對(duì)較均勻。

圖1 土質(zhì)路面探測(cè)剖面圖

采用錘擊震源(加金屬墊板),勘探工作是在小雨后土質(zhì)路面進(jìn)行,路面潮濕金屬墊板與地面耦合較好。接收到的反射波能量均衡、穩(wěn)定,干擾波較少,剖面比較清晰,同相軸比較豐富。經(jīng)勘探證實(shí),30～50ms左右傾斜的同相軸為強(qiáng)風(fēng)化片麻狀花崗巖頂面的反射波組。

2.2 水泥混凝土路面

水泥混凝土路面剛性較大,塑性較小,特別是上部介質(zhì)的波阻抗Z1大于其下部物質(zhì)的波阻抗Z2時(shí)(圖2),錘擊震源激發(fā)的入射波經(jīng)過(guò)透射后再次反射的波到達(dá)界面1時(shí)大部分能量被屏蔽,到達(dá)地面檢波器的能量很小,幾乎淹沒(méi)在能量較大的直達(dá)波、和道路硬化層底部的反射波之中。

圖2 硬化路面地震波傳播路線圖

圖3是與圖1同一起點(diǎn)、相互平行(相距10m)且采集參數(shù)相同,但在水泥混凝土路面上得到的勘探剖面,可以看出剖面上同相軸很平直,且較單調(diào)、不豐富,波的到時(shí)一般在10ms以內(nèi),檢波器接收到的是在水泥混凝土介質(zhì)中傳播的直達(dá)波和道路硬化層底部的反射波,硬化層下部地層的形態(tài)完全無(wú)法辨認(rèn)。對(duì)比2個(gè)剖面,可以看出土質(zhì)路面得到的勘探剖面同相軸總體為傾斜的,起伏較為明顯,波組豐富,反射波的到時(shí)較大(大于20ms),鉆探證實(shí)圖3所示的探測(cè)剖面不是地下反射界面形態(tài)的反映。

圖3 水泥混凝土路面探測(cè)剖面圖

震源激發(fā)后,產(chǎn)生各種頻率的波,低頻信號(hào)的穿透能力強(qiáng),低頻檢波器可以記錄到較深的地下反射信號(hào)[3]。對(duì)于探測(cè)水泥混凝土路面下埋深較淺的較大目標(biāo)體(直徑較大的空洞、管道)時(shí),選擇合適的檢波器、偏移距并采用小道距進(jìn)行采集也會(huì)得到較理想的勘探結(jié)果。

2.3 瀝青路面

瀝青路面塑性相對(duì)較大,特別是在基巖埋深很淺的地區(qū),路面介質(zhì)的波阻抗一般小于下覆基巖的波阻抗,透射波經(jīng)過(guò)波阻抗界面反射后能量大部分到達(dá)檢波器,圖4是在瀝青路面與水泥混凝土路面相接的路段得到的探測(cè)剖面。67m處為瀝青路面與水泥路面的接點(diǎn),可以看出瀝青路面與水泥混凝土路面地震波的到時(shí)有明顯的差異,前者到時(shí)一般大于20ms,同相軸稍有起伏,經(jīng)過(guò)鉆探驗(yàn)證是地下基巖面形態(tài)的反映;后者到時(shí)一般小于20ms,同相軸具有平直、單調(diào)、能量大、頻率高的特點(diǎn),是水泥混凝土路面介質(zhì)中傳播的直達(dá)波和道路硬化層底部的反射波。如果瀝青路面較破碎,激發(fā)的地震波在破碎的路基上能量大部分會(huì)被散射[4],也很難得到較理想的勘探剖面,如果必須要在瀝青路面施工,盡量選擇路面及路基平整、完好的地段。

圖4 瀝青路面與水泥混凝土路面過(guò)渡段的探測(cè)剖面圖

2.4 墊層路面

在工程場(chǎng)地周圍的路面往往都是后期填埋、鋪墊而成,如果遇到建筑垃圾或者石塊、石子墊層,在勘探剖面上常呈現(xiàn)出繞射、雜亂反射等不良地質(zhì)體的反映,如果不注意觀察和調(diào)查,往往會(huì)得出錯(cuò)誤的解釋。圖5為在建筑垃圾墊層上進(jìn)行的勘探,30～50m處同相軸雜亂,為不良地質(zhì)體的反映,但是經(jīng)過(guò)調(diào)查和開(kāi)挖,證明該處為建筑垃圾回填。建議在勘探之前盡量選擇具有良好勘探條件的路面進(jìn)行,如果必須在墊層路面進(jìn)行勘探,一定要事先調(diào)查墊層情況,以免得出錯(cuò)誤的解釋結(jié)果。

圖5 建筑垃圾墊層路面上的勘探剖面圖

2.5 沙灘地

許多橋梁、船廠等工程的場(chǎng)地勘探往往需要在沙灘地面進(jìn)行,由于沙灘相對(duì)松軟,地震波散射嚴(yán)重,很難穿透厚沙層,所以不易得到有效的反射波。如果基巖埋深很淺或者震源激發(fā)時(shí)耦合條件較好,也能得到較為理想的反射勘探剖面,圖6為某造船廠工程的勘探剖面,工程場(chǎng)地位于海邊灘涂,由于灘涂比較潮濕,勘探中又加了金屬耦合板,得到了比較理想的剖面,經(jīng)過(guò)勘探證明,雙程反射時(shí)間在50～70ms之間能量較大的同相軸為基巖面的反映。

圖6 海邊灘涂上的勘探剖面圖

3 結(jié)語(yǔ)

地震映像勘探雖然具有方便靈活等諸多優(yōu)點(diǎn),在工程中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛,但該方法也有一定的適用條件,不能濫用。前面的實(shí)例證明,在硬化道路上,上覆介質(zhì)的波阻抗大于其下部物質(zhì)的波阻抗時(shí),下覆介質(zhì)的反射波大部分能量被屏蔽,到達(dá)地面檢波器的能量很小,幾乎淹沒(méi)在能量較大的直達(dá)波和道路硬化層底部的反射波之中,得到的勘探結(jié)果不是下覆地層真實(shí)的反映。但對(duì)于探測(cè)硬化道路下很淺埋深的較大目標(biāo)體且目標(biāo)體的波阻抗明顯異于周圍介質(zhì)時(shí),可以選擇性適用。在具體的工程勘探中,首先要對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行初步調(diào)查,應(yīng)結(jié)合場(chǎng)地的勘探條件,選擇合適的勘探方法,或者根據(jù)場(chǎng)地勘探條件,合理設(shè)計(jì)勘探方案,揚(yáng)長(zhǎng)避短,有條件的情況下應(yīng)采用多種物探方法,相互比較,得到能真實(shí)反映工程地質(zhì)情況的勘探結(jié)果。

[1] 單娜琳,程志平.地震映像方法及其應(yīng)用[J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào),2003,23(1):36-40.

[2] 徐貴來(lái).地震映像勘探技術(shù)研究[J].世界核地質(zhì)科學(xué),2006,23(1):33-43.

[3] 姜賢斌.地震映像在工程探測(cè)中的野外工作方法試驗(yàn)及應(yīng)用[J].物化探計(jì)算技術(shù),2009,31(2):91-95.

[4] 林放.工程物探在城市活斷層勘查中壓制干擾方法探討[J].建筑與工程,2006,3:73-74.

Contrastive Study on the Effects of Seismic Imaging Exploration under Different Road Surface Conditions

LU Zi-lin1,WANGJian-xue2,ZHAO Pei3,GE Fu-gang1
(1.Earthquake Administration of Shandong Province,Jinan 250021,China;
2.Zibo Fangyuan Survey and Design Co,Ltd.Zibo 255000,China;
3.Earthquake Administration of Linyi,Linyi 276000,China)

This article discusses the main characteristics of seismic imaging exploration and gives some cases to show the effects of exploration on different road surface as rural roads,bituminous pavement etc.,defines applicable conditions of this exploration method.

seismic imaging;applicable conditions;wave impedance

P315.9

A

1003-1375(2011)01-0020-04

2010-05-12

山東省地震局合同制科研項(xiàng)目,項(xiàng)目編號(hào):09Q18

鹿子林(1980-),男(漢族),山東省淄博市人,山東省地震局工程師,主要從事地球物理勘探、地震安全性評(píng)價(jià)等工作.E-mail:lvlin3956@163.com.