地震映像法在溶洞探測(cè)中的應(yīng)用

楊放丹

（廣東省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510800）

某擬建住宅小區(qū)建筑物設(shè)計(jì)高度超過60m，在鉆機(jī)施工過程中偶見溶洞發(fā)育，未知溶洞的存在嚴(yán)重影響建筑施工安全。因此，為了施工及建筑物的穩(wěn)定安全，全面排查工區(qū)場(chǎng)地范圍內(nèi)存在的隱伏溶洞就顯得尤為必要。地震映像法基于反射波法中的最佳偏移距技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種淺層地層勘探方法[1]。 地震波在地下介質(zhì)傳播時(shí)，遇到物性分界面或物性突變點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射或繞射現(xiàn)象，溶洞發(fā)育區(qū)或破碎區(qū)與周圍介質(zhì)存在明顯的物性差異，這為應(yīng)用地震映像法對(duì)溶洞進(jìn)行勘探提供了很好的地球物理?xiàng)l件。通過對(duì)所接受的地震波的振幅、頻率、相位的對(duì)比分析，可查明勘探區(qū)域內(nèi)地層異常分布情況。

1 工區(qū)的地質(zhì)概況

工區(qū)原是魚塘及耕地，表層由人工填土而成，中間層為第四系殘坡積層，基巖為石炭系灰?guī)r。

表層人工填土層土質(zhì)疏松，孔隙較多；中間層為第四系坡殘積層由粉質(zhì)粘土、含礫砂粉質(zhì)粘土等組成，粉質(zhì)粘土呈淺黃色、土黃色，可塑性良好；基巖石炭系灰?guī)r，灰色、灰白色，泥晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，巖石裂隙發(fā)育，呈網(wǎng)格狀，裂隙面偶見溶蝕現(xiàn)象，巖芯較破碎。

2 地震映像法的基本原理

地震映像是基與反射波法中最佳偏移距發(fā)展起來(lái)的，是以相同的最佳偏移距逐步移動(dòng)測(cè)點(diǎn)接收地震信號(hào)，在地面對(duì)地下地層或地下目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)掃描，利用地震波信息來(lái)探測(cè)地下介質(zhì)變化的淺層地震勘探方法，其前提是地下介質(zhì)密度、速度、泊松比具有差異[2]。

反射波時(shí)距曲線。假設(shè)在地面下有一傾角為β的界面，界面上為均勻介質(zhì)，其反射波可以看成有虛擬震源O′（震源對(duì)界面的對(duì)稱點(diǎn)）出發(fā)經(jīng)反射界面直接到達(dá)接收點(diǎn)M的波，如圖1所示。反射波時(shí)距曲線的計(jì)算公式為：

式中：x—震源到觀測(cè)點(diǎn)的距離，m；

h——震源至反射界面的垂直距離；

xm——震源至虛震源在地面上的投影點(diǎn)之間的距離，m，xm=2hsinβ。

圖1 反射波時(shí)距曲線圖

式中：H——激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)中間的反射界面深度，m；

ve——波的有效速度，m/s；

t——反射波從震源到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間；

反射界面深度的計(jì)算公式如公式為：

x——接收點(diǎn)到震源的距離（偏移距），m。

3 探測(cè)施工的基本方法

勘察之前進(jìn)行參數(shù)實(shí)驗(yàn)以確定探測(cè)施工的最佳偏移距。具體方法是：在工區(qū)選擇一干擾較少地段，布設(shè)24道檢波器，點(diǎn)距1m，偏移距從1m開始逐漸增大，記錄各不同偏移距的反射波信號(hào)，通過對(duì)比分析選擇反射波信號(hào)最清晰的偏移距作為整個(gè)工區(qū)偏移距。經(jīng)試驗(yàn)最終選取的最佳偏移距為10m。實(shí)際勘測(cè)時(shí)用特制鐵錘敲擊特制鐵板激發(fā)震源，然后用頻率為100kHz的單個(gè)檢波器接收反射波信號(hào)。地震儀器記錄后，震源和檢波器同時(shí)向前移動(dòng)1m，重復(fù)敲擊鐵板激發(fā)震源，檢波器接反射波信號(hào)，如此反復(fù)即可得到一條地震映像時(shí)間剖面。

4 數(shù)據(jù)處理及成果分析

4.1 數(shù)據(jù)處理

地震映像法數(shù)據(jù)的處理主要是根據(jù)地震波形的對(duì)比分析來(lái)解譯地下地質(zhì)情況，主要從以下3個(gè)方面進(jìn)行分析處理：

（1）波形的同相性。相同界面的反射波到達(dá)相鄰檢波點(diǎn)的路徑是相似的，反射波的相同相位達(dá)到相鄰道的時(shí)間間隔很小，波形的同相軸平滑且有一定的長(zhǎng)度，因每一個(gè)波型都有幾個(gè)振動(dòng)極值，所以每一個(gè)有效波可以有幾個(gè)彼此近似于平行的同相軸[3]。

（2）波形的相似性。同一界面的有效波在相鄰道上振動(dòng)圖形，一般是相似的[3]。

（3）振幅變化的規(guī)律性。當(dāng)有效波的能量大于干擾波背景的能量時(shí)，它的到達(dá)使振幅顯著地增強(qiáng)，有效波的能量強(qiáng)弱與界面上、下2種介質(zhì)的波阻抗差異、界面的形狀、介質(zhì)的巖性以及波的傳路徑等因素有關(guān)，屬于同一界面的有效波沿測(cè)線的振幅衰減是緩慢的，而來(lái)自不同界面的有效波，振幅常有一定的強(qiáng)度差異[4]。

由于巖性條件的差異、激發(fā)接收條件變化、干擾波的影響以及儀器等因素影響，會(huì)使有效波的上述標(biāo)志發(fā)生畸變[4]。

地震映像數(shù)據(jù)處理軟件VISTA通過對(duì)野外采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理、能量均衡、一維濾波、二維濾波、信噪分離等一系列處理程序，生成地震映像時(shí)間剖面圖，根據(jù)時(shí)間剖面圖上同向軸的變化規(guī)律，結(jié)合地質(zhì)資料即可做出地質(zhì)解釋。

4.2 成果分析

使用地震映像法勘察溶洞，要根據(jù)地震映像時(shí)間剖面上的相關(guān)異常信息識(shí)別溶洞，地震波在地下傳播時(shí)遇到溶洞、基巖等異常地質(zhì)體會(huì)顯示出特有的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，具體如下：①地震波遇到不連續(xù)界面會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，反射強(qiáng)度的大小與反射系數(shù)相關(guān)，而反射系數(shù)主要由不連續(xù)界面兩側(cè)的波阻抗差異決定；②反射界面的幾何形態(tài)對(duì)地震反射波同向軸的連續(xù)性有明顯的影響。一般情況下，地震波在地下傳播時(shí)遇到溶洞、破碎帶時(shí)反射強(qiáng)度較大，如果溶洞被水、巖屑或淤泥充填溶洞的反射系數(shù)一般0.5，如果溶洞內(nèi)無(wú)介質(zhì)填充則反射系數(shù)會(huì)更高。

溶洞在地震時(shí)間剖面上反映各異，主要表現(xiàn)特征為：①以典型繞射形式存在，反射波的同向軸成弧形，其頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)溶洞的頂部；②反射波信號(hào)微弱，甚至缺失，局部形成空白區(qū)域；③反射波的同向軸紊亂，連續(xù)性差，有時(shí)與旁邊的同向軸完全錯(cuò)斷。事實(shí)上，巖性的變化、場(chǎng)地地表?xiàng)l件、檢波器的接地效果也會(huì)引起反射波頻率、振幅和接收能量變化，這些情況都會(huì)加大對(duì)異常判斷的難度。

根據(jù)以上解譯原則，可以對(duì)各地震映像時(shí)間剖面進(jìn)行了地質(zhì)解譯。如圖2～圖4所示，各剖面異常的同向軸變化較明顯，異常的深度（H），可以根據(jù)時(shí)間剖面上的時(shí)間（t）、地震波在巖層中的傳播速度（ve）、及偏移距（x）進(jìn)行計(jì)算得出[如公式（2）]。由于地震波在巖層中的傳播速度變化較大，因而地震映像法的垂直分辨率較低，橫向分辨率較高。

1號(hào)測(cè)線在平距45.8～57.3m，深度3～6m處同向軸上部向上彎曲，下部向下彎曲，中部反向。推測(cè)溶洞或破碎。見圖2。

圖2 1號(hào)測(cè)線地震映像時(shí)間剖面圖

2號(hào)測(cè)線在平距51.5～58.5m，深度10～16m處，同向軸向下錯(cuò)斷。推測(cè)溶洞或破碎。見圖3。

3號(hào)測(cè)線在平距70～74m，深度9～18m處，同向軸錯(cuò)斷。推測(cè)溶洞或破碎。見圖4。

5 結(jié)論

使用地震映像法勘察淺層溶洞已有眾多成功案例，此次對(duì)某住宅小區(qū)場(chǎng)地范圍內(nèi)溶洞的探測(cè)也有著良好的效果。結(jié)合場(chǎng)地的地質(zhì)情況我們對(duì)地震映像法勘探成果做出了解譯分析，基本查明了場(chǎng)地溶洞的分布情況，為某住宅小區(qū)的建設(shè)提供了可靠的物探資料。

圖3 2號(hào)測(cè)線地震映像時(shí)間剖面圖

圖4 3號(hào)測(cè)線地震映像時(shí)間剖面圖

[1] 王東，方玉滿.地震映像在采空區(qū)的勘探應(yīng)用[J].礦產(chǎn)勘察，2012.

[2] 熊章強(qiáng)，張學(xué)強(qiáng).高密度地震映象勘查方法及應(yīng)用實(shí)例[J]．地震學(xué)報(bào)，2004.

[3] 譚金龍，陳耀蟬，劉基.綜合物探方法在高速公路勘察中的應(yīng)用[J].土工基礎(chǔ)，2005.

[4] 黎志光，劉基.折射波法在高速公路勘察中的解釋方法及應(yīng)用效果[J].西部探礦工程，2005.