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适于山区浅层勘查的一种方法——陆地声纳法

作者:水工资环 日期:2011年06月14日 来源:水工资环 浏览:

钟世航(铁道部科学研究院,北京,100081

 Landsonar---a shallow high resolution survey method suiting on mountain area

ZHONG Shinghang

(China Academy of Railway Sciences  Beijing   100081)

摘要  作为一种地震反射法的变种陆地声纳法的新方法出现以来,由于它具有极小的震--检距、的超宽接收频带和无余震的接收系统,使之在地形复杂的山区不需作常规的静校正,同时分辨率高, 在山区探查岩体各风化层及圈定破碎带、为地震勘探提供静校浅层参数、中小溶洞的探查等方面具有好的探查能力。

Abstract  Since Landsonar as a variety of seismic reflection  survey was Born, its well ability has been displayed on exploring weathering layers and fracture zones in rock mass, obtaining near-surface parameters means for seismic survey, exploring karst caves with small-middle size, owing to its very short detector distance, super wideband frequency receiving 

  关键词  陆地声纳  地震反射  高频  宽频带  高分辨率  岩溶

     Key words  land sonar  seismic reflection survey  high frequency  wideband frequency bale  high resolution  karst    

 

1         前言   

 

陆地声纳法——“陆上极小偏移距超宽频带弹性波反射单道连续剖面法”——是地震反射法的一个变种,它的一些特点,使它在山区和城市中作浅层高分辨率勘查有突出的优点:

1)接近于0的震--检距,使它的地形影响甚微,因而在山区工作没有常规地震法的静校的麻烦。而且反射效率高,用12锤激震可得到120200m的反射波。


2)可无频率畸变的接收10Hz4000Hz的反射波(图1),这样丰富的信息使得不仅可利用反射波的振幅、相位,还可充分利用其频谱特性来提高勘查能力,通常除了采用频谱分析外,还用不同的带通滤波,提取不同频段的信息,突出探查目标的频谱特点。

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1  检波器的特性曲线

Fig.1  The geophone's  feature curve of landsonar

 

2 勘查实例

2.1 [例1]在山区探查岩体各风化层及圈定破碎带

测区为山地,地表层为全风化岩、腐植土(厚2-5m),局部为岩石露头。在测区的几个岛上布置了几十条陆地声纳剖面,作跨海大桥的桥基勘察,岛上为流纹斑岩,地形崎岖。岩体中除风化层外,还有许多区段是破碎带,需要将它们定出来。图2为其中一条剖面的陆地声纳似t0时间剖面,从图中可清晰地划分出基岩的强风化带、中风化带、弱风化带和基岩的分界的反射同相轴(每个反射面的反射波仅延续1个周期,这是陆地声纳接收系统无余震带来的效果);地下水只存在在岩体的裂隙中,形不成连续的反射同相轴,但也可以追踪出断续的反射面。较完整的岩体中的层面和延续较长的裂隙对高频的波有清晰的反射,而破碎的岩体在地下水位以下因地下水浸满裂隙而形不成明显的反射,因而在似t0时间剖面的图象形态上可以容易地分。这业经与钻孔的岩芯对比得到证实。图3是上图剖面的定量解释结果,有2个钻孔资料给于了验证。图3是以实测的地形剖面线为基线,在时深转换后经偏移绘成,不必作常规的地震法的静校正。图2所反映的反射波主频为500Hz左右。

 

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2  金塘测区XIII测线陆地声纳似t0时间剖面(可看见破碎带与完好岩体的不同反射)

 图中P表示岩体中的破碎带

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3  XIII测线各层定量解释界线

图中  w地下水面   a为强风化层   b为中风化层    c为弱风化层

陆地声纳法为近于0--检距的工作方式,不能作水平叠加。因此常与微分电测深法相配合。采用微分电测深法来测定层深,再与陆地声纳法的时间剖面作对比,由后者给出反射走时,反算出层速度。微分电测深法是电阻率法的一种。它采用固定AB,垂直AB布置并移动MN的装置形式,测出的电阻率曲线极似电测井曲线,曲线上的每个转折点均反映层面,根据电阻率的高低可辨别岩性。这种方法已在第四系层高分辨率探查、北京故宫紫禁城地基分层探查、胜利油田、贵州册亨地区浅层探查等大量应用,有近40个钻孔的验证,还作了正演理论研究。图4是在该测区的一条实测曲线,已经钻孔验证,误差为0.4m

 

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4  一条微分电测深曲线及定性、定量解释结果

图中  a为强风化带   b为中风化带   c为弱风化带  w为地下水面

 

根据陆地声纳和微分电测深的资料,制出了3个岛测区破碎岩体分布图。

 

2.2 [例2]为地震勘探提供静校浅层参数

1已包含了给出地震折射法和反射法静校浅层参数的内容,给出了低速带1(浮土层或强风化层)、低速带2(中风化层)、降速带(弱风化层)的厚度及波速。

在贵州册亨秧坝石油地震测区也进行了此项工作。测区为山区,测线长3040m。大部山势崎岖,高差近240m,大部穿过山岭,少数段在稻田、耕地、梯田穿过。沿测线每40m设一测点(与地震勘探大线检波点一致),局部加密。目标是:测取低速带、降速带厚度及波速,测线上提供一个微测井孔资料。用陆地声纳作剖面,每隔100320 m设一微分电测深点。从似t0时间剖面图上可以分出不同波阻抗的层,电测深测点处通过视电阻率曲线可得这些层的准确埋深,相当于每隔若干米得到一个钻孔资料;从陆地声纳剖面上可得到该点处各层的反射波走时。根据埋深和反射层的反射时,就可得到平均波速和层速度,然后计算各测点处的层深、层厚。图513km长陆地声纳似t0时间剖面,可以清晰地分出各层,提取的反射波主频约200Hz,探深约150200m

 

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5  黔南册亨YBD99-5 试验段陆地声纳似t0 时间剖面图

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6   YBD99-5剖面中一段的低速带、降速带深度及Vp成果图

2.3 [例3]中小溶洞的探查

单个中小溶洞和溶管的探查是一个难题,用陆地声纳法在多个工区探查溶洞得到了好效果。所探的溶洞径深比达110115。图7是在鄂西南高速公路恩施白杨十里排探查路基下溶洞、溶管的1条陆地声纳似t0时间剖面图中的一段。图8是测线6中一段的定性、定量解释成果图。数据处理时发现,选取高频段的信号时溶洞的反映远比低频成分明显。图7是采用1500Hz-2000Hz的通频带带通滤波的结果。究其原因一是所探的溶洞等在水平面上的投影直径仅12m, 高度小者亦仅12m,只有波长短于34m的波才有足够的水平及垂直分辨率;其二原因可能是溶洞顶、底面均是凹凸不平的,弹性波的低频成分形不成反射,而高频成分则形成散射,使地面上得以接收到。图9是溶洞部位反射波的频谱分析,可见到1500Hz左右的成分是很明显的。图105个验证钻孔与物探解释结果的对比图,二者相当吻合。

 

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7   沪荣西高速公路十里排路基测线6上一段陆地声纳似t0 时间剖面图

(白色标示者为溶洞顶、底反射的双曲线同相轴)

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8  测线6上一段探查溶洞、溶管定性、定量解释成果图

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9   溶洞上方测点反射波频谱

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10  十里排测区物探结果与钻探结果对比

 

3  小结

陆地声纳法是为适应我国复杂的地形、地质条件和高分辨率的勘探需求和隧道施工地质预报等需求而出现的,它是我国少数自创并有自主知识产权的物探方法之一。它以极小震-检距、超宽频带的接收和接收系统无余震等特点,而具有很大的发展空间。它在山区使用可以无须作常规的静校正,极宽的接收频带使得用锤击震源的情况下可接受到2000Hz 以上的反射波和宽达4kHz的频宽,这样可实现利用频谱特性的要求,结合振幅、相位的分析能更好地利用反射波的运动学特征,故能发挥出令人惊喜的勘探效果。作为一种新出现的方法,它处于发展和不断完善的时期,需要更多人的使用,充分发挥其效能。为弥补它不能作水平叠加的弱点,作者经常用微分电测深与之配合,此方法作者将有另文介绍。

 

本文内容曾为国家自然科学基金资助项目(49274215陆地声纳法的方法理论和实际应用的研究)

 

参考文献

 

1钟世航,陆地声纳法及其应用效果,物探与化探,1997.Vol.21 No.3172-179

2钟世航,陆地声纳法在浅层高分辨率探查中应用二例,中国地球物理学会编:中国地球物理学会年刊1997,上海,同济大学出版社,1997          

3钟世航,用陆地声纳法与微分电测深结合探查岩溶、洞穴,物探与化探,2003.vol.27.No.3:240-403        

4ZHONG Shihang, Obtaining Near-surface Parameters for Seismic Statics by Using Differential Electric Sounding and Land Sonar, APPLIED GEOPHYSICS,2003,Vol.6,January:27-31

5钟世航,浅层高分辨率勘查中的陆地声纳法,工程物探学报,2004.Vol.1.No.1:31-37

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