軟土地區(qū)淺層橫波反射勘探技術(shù)的應(yīng)用研究

朱翔鵬 ，胡朝彬，聞秀明

(1.天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津 300191；2.天津華北地質(zhì)勘查局，天津 300170)

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軟土地區(qū)淺層橫波反射勘探技術(shù)的應(yīng)用研究

朱翔鵬1，胡朝彬2，聞秀明1

(1.天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津 300191；2.天津華北地質(zhì)勘查局，天津 300170)

選取一種適用于城市環(huán)境工程地質(zhì)勘察和軟土地基的高技術(shù)含量、低成本的地球物理勘探方法是當(dāng)今的趨勢(shì)。為此首先介紹了一種采用人工叩板法激發(fā)橫波，并用水平傳感器取代垂直傳感器接收橫波反射信號(hào)，使橫波取代縱波進(jìn)行反射地震勘探的方法與原理。然后在塘沽進(jìn)修學(xué)校和富力城南昌路進(jìn)行橫波地震反射實(shí)驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。通過(guò)所舉的試驗(yàn)實(shí)例證明，淺層橫波反射地震勘探能提供100 m以淺真正意義上的淺層剖面，完全能符合工程上的要求。

淺層橫波地震反射；橫波波速；水平傳感器；觀測(cè)系統(tǒng)；波組

1　引　言

傳統(tǒng)的淺層反射地震勘探方法(縱波反射方法)其所謂的“淺層”概念遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般城市建設(shè)工程地基的深度范圍。縱波波速與橫波波速存在較大的差異，尤其是在沿海軟土地區(qū)地下潛水面較淺的情況下，縱波波速通?？梢赃_(dá)到橫波波速的5～10倍，這就使橫波反射勘探方法可以提供縱波方法無(wú)法比擬的分辨率和解釋精度，并且能提供真正意義上的“淺層剖面”，可完全達(dá)到工程上的要求[1]。本文主要介紹天津市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目《軟土地區(qū)工程地震勘探技術(shù)應(yīng)用研究》中橫波發(fā)射勘探技術(shù)研究所取得的一些成果與經(jīng)驗(yàn)。

2　淺層橫波反射法原理

與縱波相比，橫波具有波速低、波長(zhǎng)短(軟土地區(qū)通常為縱波的1/10～1/5)，不受地下水影響的特點(diǎn)，因而使橫波地震勘探反射方法可以提供傳統(tǒng)縱波方法無(wú)法比擬的分辨率和解釋精度，它所提供的反射地震剖面是真正意義上的“淺層”，完全可以和工程地基的深度范圍相匹配[2,3]。橫波反射地震勘探技術(shù)在原理及工作方法上與傳統(tǒng)反射地震勘探技術(shù)完全相同，但是采用人工方法(即所謂的叩板法)激發(fā)水平偏振的橫波(SH波)，并用水平傳感器取代垂直傳感器接收橫波反射波信號(hào)。本次進(jìn)行橫波發(fā)射試驗(yàn)研究設(shè)備有：美國(guó)Geometrics公司生產(chǎn)的StrataVisor NZ型24道工程地震儀1臺(tái)，觸發(fā)開(kāi)關(guān)1個(gè)，覆蓋開(kāi)關(guān)1部，大線及延長(zhǎng)線4根，震源枕木1塊，橫波檢波器48個(gè)，另附鐵錘、12 V電瓶、皮尺等。

2.1人工震源激發(fā)方式及施工方法

人工激發(fā)剪切橫波最簡(jiǎn)單的辦法是所謂的叩板法，即將一根硬質(zhì)枕木，下置耙釘緊耙地面，其上配以一定載荷。用18磅鐵錘沿水平向叩擊枕木一端，給地表一個(gè)剪切沖擊力，從而激發(fā)出水平激震的橫波。這種激振方式成本低，機(jī)動(dòng)靈活。激震時(shí)要求每次叩擊力度均勻，方向水平，錘擊干脆，如圖1所示。

圖1　橫木震源(照片)Fig.1　The seismic source of sleeper (photo)

測(cè)線布設(shè)是做好橫波反射工作的關(guān)鍵。在滿(mǎn)足任務(wù)要求的基礎(chǔ)上，測(cè)線布設(shè)應(yīng)盡可能地避開(kāi)硬車(chē)道、溝坎、高壓電線等不利于檢波器布設(shè)和強(qiáng)電以及機(jī)器、車(chē)輛和行人干擾的地區(qū)，盡量使檢波器的檢波方向與風(fēng)向垂直，以減小風(fēng)力干擾。插入土中的傳感器必須穩(wěn)定牢固。施工場(chǎng)地應(yīng)保持安靜，盡量避免施工現(xiàn)場(chǎng)附近有車(chē)輛、鉆機(jī)等的干擾(在繁華區(qū)施工應(yīng)選擇夜間安靜時(shí)作業(yè))。

2.2觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

觀測(cè)系統(tǒng)既要滿(mǎn)足工作質(zhì)量的要求，又必須達(dá)到一定的效率[4]。在新場(chǎng)地進(jìn)行反射地震勘探工作之前，必須進(jìn)行觀測(cè)系統(tǒng)確定實(shí)驗(yàn)。具體包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：最大炮檢距測(cè)試、錘擊能量(敲擊次數(shù)疊加)的測(cè)試、炮點(diǎn)偏移距的測(cè)試、道間距測(cè)試、覆蓋次數(shù)試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)上述五步試驗(yàn)，最終確定的合理的觀測(cè)系統(tǒng)為：?jiǎn)芜叿排?，最大炮檢距為24 m，標(biāo)準(zhǔn)疊加錘擊次數(shù)為4～6次，偏移距為2 m、道間距為1 m、炮間距為1 m，12次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)。

2.3數(shù)據(jù)處理

在本次研究中，數(shù)據(jù)處理所采用的軟件是中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地空學(xué)院張學(xué)強(qiáng)老師自主研制的反射波法軟件。該軟件最大的特點(diǎn)就是在數(shù)據(jù)管理方面，通過(guò)建立索引，用戶(hù)能自由地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取和合并，具有功能齊全、操作方便、工作效率高，能進(jìn)行人機(jī)交互處理、解釋等優(yōu)點(diǎn)。主要數(shù)據(jù)處理步驟為：①地震數(shù)據(jù)預(yù)處理(廢道處理，反極性，道間均衡，道內(nèi)均衡，一維濾波，二維濾波，前端切除，頻譜分析、爆炸延遲校正，野外一次靜校正等)；②地震數(shù)據(jù)處理(抽道集、速度譜的制作和動(dòng)校正、水平疊加等)；③時(shí)深轉(zhuǎn)換[5,6]。

2.4橫波反射波速分析

橫波反射地震勘探方法可以直接提供土的橫波(剪切波)波速——這是工程上非常關(guān)心的物性參數(shù)，在巖土工程勘察中，大量的波速測(cè)井資料是獲得區(qū)域性橫波反射波速資料的直接資料。橫波波速可以在場(chǎng)地上用反射地震資料(速度譜上獲得的疊加速度)分析計(jì)算橫波平均波速，也可以利用大量的巖土工程勘察中實(shí)際的波速測(cè)井資料[7]。經(jīng)過(guò)大量場(chǎng)地的橫波速度譜分析與收集的大量波速測(cè)井，總結(jié)出了天津地區(qū)橫波平均波速，見(jiàn)表1。

表1　天津地區(qū)橫波平均波速

通過(guò)上述橫波平均速度表可知，在100 m深度范圍以淺，橫波平均速度不超過(guò)300 m/s，遠(yuǎn)比本地區(qū)淺層縱波平均速度(1 600 m/s左右)小得多。因此橫波反射的勘探比傳統(tǒng)縱波反射勘探的垂向分辨率要高很多。

3　橫波應(yīng)用實(shí)例

地質(zhì)上可構(gòu)成物性差異的界面如地層界面、不整合面、剝蝕面、斷層面、侵入體接觸面、流體分界面等均可構(gòu)成地震反射面。一般情況下，反射面與地質(zhì)分界面是一一對(duì)應(yīng)的。層序地層是指一定地質(zhì)時(shí)期內(nèi)所形成的時(shí)間上連續(xù)、成因上有聯(lián)系的一個(gè)地層單元。對(duì)反射波組的描述，實(shí)際上是時(shí)間剖面的地震層序的劃分。地震層序往往同土層沉積層序是一一對(duì)應(yīng)的。地震反射剖面上的強(qiáng)反射波組往往和沉積間斷面、巖性分界面及地質(zhì)年代界面相聯(lián)系[7-13]。下面將列舉第四系沉積相劃分與工程地質(zhì)土層巖性劃分的兩個(gè)例子。

3.1橫波反射在港通(天津)置業(yè)有限公司貽港城項(xiàng)目中的應(yīng)用

本次實(shí)驗(yàn)選擇的場(chǎng)地是港通(天津)置業(yè)有限公司貽港城項(xiàng)目中的塘沽進(jìn)修學(xué)校場(chǎng)地。在進(jìn)行橫波發(fā)射試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)時(shí)選取的觀測(cè)系統(tǒng)為：12次覆蓋，偏移距為2 m，道間距為1 m，24道接收，炮間距為1 m，采樣間隔為0.25 ms，采樣點(diǎn)數(shù)為4000。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，獲得了如圖2所示的水平疊加時(shí)間剖面。

圖2　塘沽進(jìn)修學(xué)校淺層橫波反射水平疊加時(shí)間剖面Fig.2　Folds time section of transverse wave reflection level in Tanggu training and education school

結(jié)合鉆孔與工程地質(zhì)土層分層表對(duì)圖1的淺層地震時(shí)間剖面上的地層層序進(jìn)行細(xì)致劃分。根據(jù)該地震剖面上的地震反射波阻抗特征大致可以分為5個(gè)波組，按時(shí)間(埋深)順序簡(jiǎn)述如下：

T5波組：把反射時(shí)間在600 ms之下的反射序列統(tǒng)稱(chēng)為T(mén)5波組，在這段時(shí)間區(qū)域內(nèi)，只有一個(gè)振幅能量強(qiáng)，同相軸連續(xù)性好的反射波組，深度大概估計(jì)在130 m左右，反映中更新統(tǒng)上組以下的沉積地層。

結(jié)合區(qū)域橫波波速資料，繪制了上述地震反射波層序?qū)?yīng)簡(jiǎn)表，見(jiàn)表2。

3.2橫波反射在富力城南昌路項(xiàng)目中的應(yīng)用

這次橫波地震反射法實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇的場(chǎng)地是富力城南昌路項(xiàng)目中的勘察場(chǎng)地。采用的觀測(cè)系統(tǒng)如下：偏移距1 m，道間距1 m，炮間距1 m，24道接收，采樣間隔為0.25 ms，采樣長(zhǎng)度為1 s，12次覆蓋。由于場(chǎng)地中有3段水泥地面，造成每炮中有3道無(wú)法插檢波器，另外中間還空了3炮沒(méi)連續(xù)，所以造成地震水平疊加的同相軸的連續(xù)性不是很好，但是還是能清楚地看到地層的變化情況，處理好的橫波反射時(shí)間剖面見(jiàn)圖3。

根據(jù)橫波速度譜分析，經(jīng)過(guò)時(shí)深轉(zhuǎn)換，在地震時(shí)間剖面上標(biāo)出深度。根據(jù)富力城南昌路項(xiàng)目勘察報(bào)告中的鉆孔資料，在地震時(shí)間剖面上用追蹤同相軸的方法追蹤反射層的層位。和該項(xiàng)目的工程地質(zhì)剖面圖進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)所追蹤出的反射同相軸的深度坐標(biāo)和工程地質(zhì)剖面圖吻合得很好，特別是12～110 m之間的土層變化情況在地震反射水平疊加剖面都能很好地反映出來(lái)，土層巖性在粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂三者之間變化時(shí)，均能形成強(qiáng)反射，可通過(guò)追蹤反射波同相軸的方法在地震剖面中劃分出來(lái)。據(jù)了解，該項(xiàng)目中持力層的選取大約在60～80 m，從地震剖面中可以看到，在雙程反射時(shí)間550～600 ms之間(依據(jù)表1的橫波平均波速表估算深度在60～80 m之間)有3個(gè)反射波同相軸，分別代表著幾種不同巖性的土層之間的反射界面，并且這3個(gè)反射同相軸的連續(xù)性尚好。在地震剖面中可以看到，該組3個(gè)土層的起伏變化情況不大，可以認(rèn)為60～80 m之間的土層在橫向上土質(zhì)均勻，符合持力層的標(biāo)準(zhǔn)。

表2　塘沽進(jìn)修學(xué)校橫波反射剖面反射波層序

圖3　富力城南昌路橫波反射地震時(shí)間剖面Fig.3　Folds time section of transverse wave eflection level on Nanchang road

通過(guò)這個(gè)例子，可以看到橫波反射法能精確地反映出地層的土質(zhì)變化情況和提供連續(xù)的地質(zhì)剖面。實(shí)踐證明，橫波反射勘探技術(shù)能有效地應(yīng)用在巖土勘察中，為巖土勘察帶來(lái)新的技術(shù)活力。

4　結(jié)　語(yǔ)

1)淺層橫波反射方法能提供真正意義上的“淺層剖面”，與巖體工程勘察的鉆探深度相符合。它提供的直觀、連續(xù)的剖面資料，可以精確地追蹤地層的分布、變化情況，且與工程鉆探相符合。另外，橫波反射地震勘探方法可以直接提供場(chǎng)地的橫波(剪切波)波速背景資料。

2)橫波反射地震勘探應(yīng)用于圈定工程地質(zhì)上的不良地質(zhì)體(如古河道、溶洞、活動(dòng)斷層等)，能直觀地對(duì)巖土勘察所確定的持力層進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且對(duì)第四系地質(zhì)進(jìn)行細(xì)致的研究，應(yīng)用前景十分的廣泛。

3)本文介紹的方法采用人工橫木震源的方式來(lái)激發(fā)橫波，震源的輕便、高效與所激發(fā)橫波的強(qiáng)度有所矛盾，采用小額量的炸藥或夯激震源將會(huì)取得更好的效果。另外，因本研究實(shí)驗(yàn)均是在地勢(shì)平坦的平原地區(qū)進(jìn)行，沒(méi)考慮地形改正以及靜校正等問(wèn)題。

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The Application of Seismic Exploration Technology to Shallow Transverse Wave Reflection in Soft Soil Areas

Zhu Xiangpeng1，Hu Chaobin2， Wen Xiuming1

(1.TianjinInstituteofGeologicalSurvey,Tianjin300191,China；2.TianjinNorthChinaGeologicalExplorationBureuu,Tianjin300170,China)

It is a trend to select a high technical content and low cost geophysical prospecting method which is suitable for the urban environmental engineering geological survey and the soft soil foundation. At first, this paper introduced the principle and seismic exploration method of shallow transverse wave reflection, by knocking the plate to excite the transverse wave signal, the horizon sensors are replaced by the vertical sensors to receive the transverse wave reflection signal, developing the reflection seismic exploration using transverse wave instead of longitudinal wave. Then the transverse wave seismic reflection tests are carried out in Tanggu school of training and education and on Nanchang road. The results are analyzed. According to the experimental examples in this paper, it proved that the shallow transverse wave reflection using seismic exploration method can provide a shallow section of 100 meters in a true sense, which can fully meet the requirement of the engineering.

shallow transverse wave reflection; transverse wave velocity; horizon sensors; seismic observational system; wave group

1672—7940(2016)04—0528—05

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.04.021

朱翔鵬(1979-)，男，工程師，主要從事地球物理勘探方面的研究。E-mail:35904878@qq.com

胡朝彬(1981-)，男，工程師，主要從事于巖土工程檢測(cè)與淺層物探方面的研究。E-mail:xiaodong1332@163.com

P631.5

A

2016-04-07