淺層地震反射與散射聯(lián)合成像法在工程探測中的應(yīng)用

王 榮

(鐵一院陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西寶雞 721001)

淺層地震勘探在工程勘察中主要用于查明地層界面、基巖起伏形態(tài)，以及查明斷層位置、寬度、傾角、傾向等方面，與電法勘察手段比較，其優(yōu)勢在于資料處理上減少了人為解釋誤差。隨著中國高速鐵路的建設(shè)，橋梁基礎(chǔ)勘察在鐵路工程勘察中的比重越來越大，沉積巖地區(qū)地質(zhì)透鏡體、薄層的勘察，石灰?guī)r地區(qū)巖溶的發(fā)育情況、暗河位置、深度等等問題擺在設(shè)計人員的面前。

淺層地震反射是利用地層介質(zhì)彈性差異來探測地層的一種方法，常規(guī)的方法是通過人工地面激發(fā)地震波，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綇椥曰蛎芏炔煌牡貙咏缑鏁r，會產(chǎn)生波的反射，人們通過分析反射波的時域和頻域特征，來探明地層的構(gòu)造特征。當(dāng)?shù)貙虞^復(fù)雜時，地震波遇到不規(guī)則異常體或地層透鏡體邊緣時，在產(chǎn)生反射波的同時，會產(chǎn)生散射波。處理資料的時候，通常會把散射波當(dāng)作干擾信號進行壓制和消除處理，這樣在解釋資料時失去一部分有用的信息，同時會增加解釋誤差和誤判。淺層地震反射與散射聯(lián)合成像法在處理反射信號時，增加了處理散射信號的數(shù)學(xué)模型，可以更好地反映地層結(jié)構(gòu)。

1 淺層地震反射與散射聯(lián)合成像原理

地震波在傳播過程中遇到不同波阻抗地質(zhì)界面時，會產(chǎn)生反射波、折射波，當(dāng)遇到地質(zhì)體邊緣、透鏡體、不規(guī)則體(孔洞和裂隙等)時，就會像光學(xué)中的衍射一樣，產(chǎn)生波的散射。聯(lián)合成像法資料的處理是以反射波處理為基礎(chǔ)，把記錄上的反射信號和散射信號同時聚焦到空間位置上，計算聚焦信號的平均振幅，用振幅等參數(shù)反映地質(zhì)構(gòu)造。

當(dāng)縱波以α角入射到分界面上，將產(chǎn)生反射縱、橫波和透射縱、橫波4個二次波，波的反射系數(shù)和透射系數(shù)與縱波波速、地質(zhì)體密度和入射角α相關(guān)。由數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)可得:①地震波在垂直入射時不存在轉(zhuǎn)換波，只有同類的反射波和透射波，這是地震垂直反射法勘探法的理論基礎(chǔ)，并且波阻抗差越大反射波能量越強。②能量主要分布在透射波上，入射角的變化對透射系數(shù)影響不大，數(shù)學(xué)模型顯示曲線變化平穩(wěn)。反射系數(shù)隨入射角的增大而減小，在α＜20°的范圍內(nèi)反射系數(shù)變化較小，這是地震縱波反射工作最為有利的角度探測范圍。

2 工程實例

2.1 薄層互薄層探測工點

工區(qū)地質(zhì)概況:工區(qū)位于吉林省公主嶺市北側(cè)，橋址區(qū)地貌單元為微丘狀剝蝕平原區(qū)，東遼河二級階地，八里橋溝河谷一級階地和二級階地，雙龍河、現(xiàn)代河谷及其階地等地貌單元。

地質(zhì)概況:上覆第四系全新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土、砂層。粉質(zhì)黏土主要分布于地表，褐黃色、淺灰色，厚約1.3～7.40 m。以下黏土、粉土、細砂、中砂、粗砂、礫砂以及細圓礫土等呈透鏡體狀分布于粉質(zhì)黏土層以下，厚2.4～10.0 m。鉆孔揭示基巖為白堊系泥巖夾砂巖、泥巖夾礫巖。泥巖:紫紅色、棕紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，多見泥礫，層理和節(jié)理裂隙發(fā)育，全風(fēng)化－弱風(fēng)化。砂巖:灰白色、淺灰色，中細粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，偶見鈣質(zhì)膠結(jié)，層理和節(jié)理裂隙發(fā)育，局部含圓礫，全風(fēng)化－弱風(fēng)化。

任務(wù)要求:查明橋址范圍內(nèi)的覆蓋層厚度及泥巖、砂巖詳細分層。

測線布置及野外工作方法:根據(jù)規(guī)范結(jié)合現(xiàn)場實際情況，首先選擇代表性的區(qū)域進行觀測，對偏移距、排列方式、激發(fā)及接收方法等技術(shù)參數(shù)試驗，確定最優(yōu)的工作參數(shù)和工作方式。選擇炮點距為2 m，偏移距和檢波距均為1 m，即振源與兩個檢波器的距離依次為1 m和2 m，測試時錘子(振源)和兩個檢波器以2 m的等間距沿測線由小里程到大里程的方向移動。工作主要參數(shù)如下。

接收道數(shù):2道;

炮點距:2 m;

偏移距:1 m;

道間距:1 m;

采樣點數(shù):2 048;

采樣間隔:100μs;

測量方式:小偏移距方式(近似為垂直入射)。

資料處理:

首先讀取實測信號記錄，執(zhí)行時域編輯功能，此功能主要為檢查信號質(zhì)量，剔除明顯干擾信號，并對測量信號與實際勘測里程進行關(guān)聯(lián)。

在正確輸入信號測點坐標(biāo)之后，即可執(zhí)行頻域分析對信號作頻譜分析和濾波處理，對處理后的信號，執(zhí)行相關(guān)分析對信號進行速度掃描相關(guān)計算。對于得出來得各地層速度，對應(yīng)相關(guān)鉆孔剪切波測試結(jié)果進行相應(yīng)調(diào)整。

地震成像處理階段，根據(jù)鉆孔和實際地層實際情況，本工點選擇以下參數(shù)繪制時間、深度剖面圖。相關(guān)半徑:15;成像結(jié)果:振幅+;算法模型:聯(lián)合;傾斜:水平。得到地震成果如圖1。

由地震成像原理可知，成果圖中呈綠色的區(qū)域，表明基巖比較均勻，無反射面;而天藍色、黃色、紅色線條表明地震波在此深度有反射和散射產(chǎn)生，顏色的變化表明反射或散射能量的變化，即該深度地層界面反映的強度變化。本次探測較好地反映了地層情況，減少了大量的鉆孔，為設(shè)計方案提供了依據(jù)。

圖1 火炬特大橋成果圖

2.2 巖溶探測實例

工區(qū)位于廣西省賀州市賀街鎮(zhèn)三步梯境內(nèi)，設(shè)計為雙幅特大橋。地貌上屬山嶺重丘陵區(qū)低山谷地及河流堆積階地，地形起伏較大;低山海拔一般在204.71～134.26 m，山勢較陡峻，山體植被較茂密;谷內(nèi)發(fā)育一條常年流水河，河道寬約60.00 m，呈“S”形展布，水質(zhì)清澈，流向大致由南向北，匯入賀江。河流兩側(cè)為一級階地及低山丘陵，丘陵坡面較陡，局部基巖出露;階地地勢平緩、開闊。

橋址區(qū)地層結(jié)構(gòu)上部為第四系全新統(tǒng)沖積卵石土、第四系全新統(tǒng)坡積含碎石亞黏土，下伏基巖為泥盆系中統(tǒng)東崗嶺組灰?guī)r、泥灰?guī)r。

任務(wù)要求沿線路K53+950 m～K54+120 m左右兩側(cè)12 m布置兩條物探剖面，查明溶洞的位置及巖溶發(fā)育情況。

測線布置及野外工作方法:根據(jù)規(guī)范結(jié)合現(xiàn)場實際情況，本次工作采用炮點距為2 m，偏移距和檢波距均為1 m，采用100 Hz的檢波器進行接收。實驗發(fā)現(xiàn)，激發(fā)振源采用人工敲擊木樁的方法不但可以產(chǎn)生豐富頻率成份，而且聲波噪聲信號較低，特別適用于稻田以及積水地帶開展工作，是一種非常實用有效的激發(fā)方式。

工區(qū)地球物理條件:

測區(qū)內(nèi)第四系殘坡積層、基巖的不同風(fēng)化層之間速度變化差異相對較大，根據(jù)對鉆井巖層的縱波測試，得到該區(qū)的巖體波速統(tǒng)計數(shù)據(jù)表(表1)，由于不同介質(zhì)具有較大的波阻抗(Z=ρV)差異，這為應(yīng)用地震反射波法提供了較好的前提條件。對于地下充滿水的溶洞而言，由于水的波阻抗與圍巖波阻抗相比很小，對反射波的形成特別有利。如果溶洞被空氣所充填，由于空氣密度幾乎為零，地震信號將會發(fā)生全反射。另一方面，由于地震波在含水和潮濕介質(zhì)中衰減較慢，測區(qū)所具有的較淺的地下水位對應(yīng)用反射法十分有利。

表1 測區(qū)介質(zhì)及巖石波速參數(shù)統(tǒng)計分類

由地震成像原理可知，地震剖面圖像中高值異常表明地震波在該點有反射或者散射產(chǎn)生，異常值越大表明該處反射界面越明顯。根據(jù)工區(qū)地質(zhì)特點可知，當(dāng)異常分布比較連續(xù)，具有層狀形態(tài)時是地層界面反映。反之，當(dāng)異常表現(xiàn)為無規(guī)則離散分布時，一般所對應(yīng)的是巖溶洞穴等地質(zhì)異常體。由此對三步梯大橋K54+167左12 m ～K54+452左12 m、及 K54+167右12 m～K54+452右12 m兩條剖面進行分析，可以得出K54+167～K54+452右側(cè)12 m剖面范圍內(nèi)地層巖溶發(fā)育較左側(cè)剖面嚴重，同時也反映了兩剖面巖溶的位置及深度。

3 工作中體會及注意事項

在工作前，對偏移距、排列方式、激發(fā)及接收方法等技術(shù)參數(shù)進行試驗，確定最優(yōu)工作參數(shù)和工作方式。

根據(jù)工點實際地質(zhì)情況，選擇合適的數(shù)學(xué)模型及其共反射點和共散射點記錄提取方法，所選用的模型越接近真實地質(zhì)條件，成像精度就會越高。

對于單次覆蓋記錄剖面而言，對于不同的工點及任務(wù)，采用不同的相關(guān)半徑及算法模型，對真實反映地層、壓制噪聲和提高成像精度十分有效。

成像速度是聯(lián)合成像中的重要參數(shù)，在較理想條件下應(yīng)用速度譜分析方法即可準(zhǔn)確求取。實際工作中通過鉆孔的波速測試，取得該工點各地層的縱波波速，可以更精確劃分各地層及深度。

［1］ TB10102—2004 鐵路土工試驗規(guī)程［S］

［2］ TB10013—2004 鐵路工程物理勘探規(guī)程［S］