地震映像在工程勘察中應用

1、地震映像在水域勘察中的運用作者：王兆景，劉軒雄，費建東（浙江有色應用地球物理研究院312000）摘要：地震映像法是以固定偏移距激寬頻帶彈性波，以共偏移距觀測方法，近炮點、寬頻帶、 快速、高密度采集多波列彈性波映像，其中含有直達波和來自不同地質體的繞射波、反射波 等信息。通過對所接受的多波列地震波的振幅、頻率、相位的對比分析，可查明地層的分層 情況。它既可以用于陸上，也適用于水域勘察。本文著重介紹地震映像在水域勘察中的實施， 并對實際操作中遇到問題進行討論。關鍵詞：地震映像寬頻縱波引言：水域工程物探主要是由陸地工程物探發(fā)展而來，它和陸地工程物探的多種方法一樣，為 了探查水下的第四系土層、基巖分布

2、及地質構造，也可以采用電磁法（瞬態(tài)電磁法、地質雷 達等）、磁法、重力法、地震手段。但由于水域工程物探較陸地物探有其獨特的地方，一是 水是低阻體，尤其是海水電阻更低；二是需探測水底地形以下深度，而水的深淺不同，淺的 3-5米，深的可達到百米；三是水底是很強的反射界面。這需要選擇物探手段，陸地物探中 的電法，電磁法就不易在水中采用，尤其在海水中采用。有資料顯示，100MHz天線的探地雷 達在淡水中的探測不超過10米，而在海水就更淺了。因此，地震物探就作為水域物探的首選 的方法。文章主要討論了地震映像在水域勘察中遇到的問題及實際采用技術方法，并對地震 映像的特性及適用范圍進行延伸。1.1方法及原理介

3、紹：地震映像（又稱高密度地震勘探和地震多波勘探），是基與反射波法中最佳偏移距發(fā)展起 來的。這種方法可以利用多種地震波作為有效波來進行勘探，也可以根據(jù)探測目的的要求僅 采用某一種特定的地震波作為有效波。地震映像法由于每個記錄道都采用了相同的偏移距， 則地震記錄上的時間變化主要為地下地質體的反映，這給資料解釋帶來極大的方便，可直接 對資料進行數(shù)字解釋，如頻譜分析、相關分析等。1.2測區(qū)的地質情況與判斷的基本原則地震記錄儀之所以能反映各地質體的區(qū)別，其原理是地層與地層之間存在著波阻抗差異。如 以下工程實例一，根據(jù)該工程的鉆孔資料可知，測區(qū)淺部地層為淤泥、砂礫石混粘土、淤泥 與砂礫石混粘的土界面在高密

4、度地震映像圖上，均會出現(xiàn)較為連續(xù)一致的地震波同相軸，追 蹤界面的同相軸，即可推斷界面的起伏狀況。1.3方法技術選擇根據(jù)工作任務及測區(qū)地形、地質特征工作條件和工區(qū)介質地球物理特征，以及考慮工作 開展效率，本次勘探選用走航式地震映像法，以查明弱風化基巖埋深和起伏形態(tài)，以及是否 存在不良地質作用。在地震映像測量過程中，激發(fā)后在接收點用單個檢波器接收，儀器記錄后，激發(fā)點和接 收點同時向前移動一定的距離（或稱為點距），重復上述過程可獲得一條剖面上的地震映像 時間剖面。記錄點的位置是激發(fā)和接收距離的中點，實際上此記錄反映了此偏移距范圍內地 下的巖層、巖性的變化，采用不同的有效波時，地震記錄上這種波反映的介

5、質情況及位置應 有不同的意義。在水域采用的地震方法較陸地有優(yōu)勢也有困難，優(yōu)點是：1、表層結構的不同：陸地的表層聲波速度差異較大，地下水面的松軟土層聲波一般在 300-600m/s，含水土層的聲波大約在1000m/s左右，在往下的正常嚴密的土層的聲波速度 大約在1600-2000 m/s左右，而在水域條件下，海水的聲波一般在1500m/s，水的第四系 地層的聲波大約在1600-1800m/s ，這對于地震波傳播來說，與正常壓實的地層幾乎沒有 什么差別。由于水及飽和土層的縱波衰減較小，高頻波得以通過，反射波接收頻率高，因此 勘探精度及薄層探測能力高。2、陸地表層橫向差異較大：陸地上的地表如河溝、土

6、坡、坑洼等及各種土質變化，對激 發(fā)和接收條件有很大的影響，而水的一致性很好，激發(fā)和接收的一致性使得進行可靠的數(shù)據(jù) 處理。3、水中聲波傳播的單一性:水中只能傳播縱波，因此，利用其波的傳播的單一性，擺脫 了陸地地面波的干擾的麻煩。由于縱波能量集中，地震探測深度也較陸地要深。考慮的因素：1、水中定位困難，由于工作區(qū)域位于入?？?，除了潮水波濤洶涌外，水流速也是很大影 響，計算流速，選擇船要向上游傾斜，并采用的動態(tài)差分GPS定位。2、水上地震的噪音干擾，如水波的干擾、地震測量船體及螺旋槳、風浪等噪音干擾。字 串。作業(yè)時一定要做干擾波調查。3、海底鳴震強，其頻率與地震波發(fā)射的頻率幾乎一致。水地的強烈的反射

7、形成鬼波，對 地震反射資料的解釋精度有很大的影響。4、作為一個工程項目：野外成本控制也是衡量項目成敗的關鍵：本次在水域上做物探， 租船費用相當高。由于工作區(qū)域是在入?？冢豪嘶ê艽?，所謂踏浪而來，乘風歸去，只是詩 人的浪漫情懷。一般內陸的平底船穩(wěn)定性差，選擇排水量200噸的海船，并選擇漲潮時的平 潮，退潮時的平潮這段較平穩(wěn)間歇。平潮期只有2個小時，工作有效時間短。準備工作事先 一定要做好，才能提高工作效率。實踐出真知。做過一種方法一定要總結，哪些地方可以改進，哪些地方效果不好，怎么 改進。這樣工作才會有進步。2,實際野外工作2.1工作目的和要求本次地球物理勘探的目的任務主要是配合工程地質鉆探：（

8、1）查明橋位方案B下是否存 在地質構造、斷層破碎帶等不良地質作用；（2）查明橋軸線附近水下地形、覆蓋層厚度、基 巖埋深、起伏形態(tài)及特征等。2.2測線布設根據(jù)勘探工作的目的、任務及甲方的工作要求，給定的工程物探勘察專題技術要求，在 橋位方案B區(qū)域內沿設計橋軸線平行布設測線3條，線距為50米，測線長均為1640米。另 外在橋位方案B的上游1000m處深坑補充物探短測線1條，測線長877米。依據(jù)物探勘察專題技術要求中的測線布設，并結合現(xiàn)場實際情況，首先在1：2000的地 形圖上預布測線，計算出各測線延伸至陸域上的控制點坐標，用GPS定出可以控制各測線的 控制基點。水上勘探工作選擇平潮時進行作業(yè)，岸上

9、測量人員通過全站儀觀察，用對講機指揮作業(yè) 船緩行進行作業(yè)，同時作業(yè)船內利用手持式GPS (精度土 2m)進行校控。干擾波調查：選擇寬頻帶的100Hz檢波器，在水域內長時間采集信號，類似于常時微 振動測量和橋梁模態(tài)測量。將時間域圖像轉換到頻率域，調查出干擾波主頻。2.2儀器設備水上地震映像工作采用重慶奔騰儀器廠生產(chǎn)的WZG24數(shù)字式工程地震儀(24 道)和CDJ100Hz垂直水中檢波器；測量工作采用蘇州一光生產(chǎn)的RTS600型全站儀。錘擊震源選擇：水域工程物探的地震法震源的選擇和布設較難。陸地的錘擊和炸 藥震源不適宜在水上應用，而作為資源勘察的水域震源又不適合在工程上用。由于水上勘察要求有較深的

10、探測深度，同時要避開低頻的干擾波信號。對比樁基檢測中 往往采用尼龍錘。本次工作還是采取陸地上使用12磅的重錘，同時在錘擊面下墊有一層較 厚的硬塑料板。為確保能量集中，盡量往下傳播，錘擊時垂直重擊。激發(fā)能量大、頻帶寬。在震源位置布置上，曾經(jīng)采取將震源固定在水上的浮子上，利用浮子浸水導電觸發(fā)，對 比試驗后決定將震源放置在船體最底下層板，拆掉底板的木質板，在鐵殼船底墊上硬塑料板。接收選擇，CDJ100Hz垂直水中檢波器距離震源位置大于15米，從船頭吊下船底下約 5米?；鶐r圖一野外工作布置圖2.3工作參數(shù)觀測方式：連續(xù)測量偏移距：1015m采樣間隔：0.20ms記錄長度：409.6ms測區(qū)巖土介質地球

11、物理特征表1地球物理參數(shù)第四系淤 泥強風化弱風化海 水破碎帶縱波波速 (km/s)1.01.51.21.52.52.53.51.51.5根據(jù)寬頻帶地震檢波器干擾波調查本次波浪及其他機械干擾主頻為40Hz。對獲得的地震 映像圖進行預處理，濾掉低通帶寬。檢查剔除壞道?？梢蕴崛】v波的初至，計算速度對照測 區(qū)巖土介質地球物理特征。壓制干擾波，本次地震映像工作觸發(fā)時間較短，平均1秒鐘完成 一個勘探點的探查功能，同樣每小時3海里的走航速度，實現(xiàn)的勘探點間距為1.5米左右， 達到對地層的精細勘察。前文已經(jīng)說過，地震映像又稱高密度地震勘探和地震多波勘探，是基與反射波法中最佳 偏移距發(fā)展起來的。這種方法可以利用

12、多種地震波作為有效波來進行勘探，也可以根據(jù)探測 目的的要求僅采用某一種特定的地震波作為有效波。反射波，折射波在地震映像中有不同的 同相軸。本次地震影像根據(jù)計算深度選擇了反射波的最佳偏移距15米，同時大致算出各個 界面的初至時間： 初至時間=傳播距離/平均速度水底界面初至時間=求根（偏移距的平方+ （水底深度*2）平方）/海水縱波速度=sqrt （ 225 + 400 ） / 1.5 = 16.7 ms淤泥和松散軟土大致初至時間約為100 ms，弱風化頂面初至時間為約180 ms由于水底地面線和基巖面影響，縱波在地震映像內很有可能多次反射成像，結果追蹤到多 條同相軸。根據(jù)大致計算時間分析，對同相

13、軸是水底面時間倍數(shù)的初步進行排除。地震映像波列成果圖及工程地質推斷解釋圖如下圖一物探東線地震映像波列成果圖物探東線工程地質推斷解釋圖剖面方位為北偏東13度，全長1640.0m。泥面標高為-8.2-0.4m；卵石夾粘土頂面標高 為-62.7-50.3m ；弱風化基巖頂板標高為-128.0-65.1m。圖二B方案軸線地震映像波列成果圖|B方案軸線工程地質推斷解釋圖剖面方位為北偏東13度，全長1640.0m。泥面標高為-8.31.0m；卵石夾粘土頂面標高為 -56.9-48.2m ；弱風化基巖頂板標高為-122.3-44.0m。剖面方位為北偏東13度，全長1640.0m。泥面標高為-8.廣0.8m；

14、卵石夾粘土頂面標高為 -50.9-36.1m ；弱風化基巖頂板標高為-105.8-46.2m。剖面方位為北偏東24度，全長877.0m。泥面標高為-12.5-6.2m；卵石夾粘土頂面標高 為-51.7-44.7m ；弱風化基巖頂板標高為-99.5-84.6m。圖五B方案軸線、東線和西線弱風化基巖面等值圖所有測線的地震映像波列成果圖，無反射同向軸明顯缺失、雜亂等現(xiàn)象，且弱風化基巖 面無陡降、陡升段，表明本次地球物理勘探測線范圍內不存在地質構造、斷層破碎帶等不良 地質作用。本次通過該法的勘察，了解了測區(qū)范圍內的地層狀況，為工程的正常施工創(chuàng)造了有利條 件，達到了預期目的。2.5實例討論:地震映像原理

15、即為高密度地震單道反射。利用了地震波在向地下傳波過程中，遇到地下介 質存在物理力學的（如波阻抗）差異。便會產(chǎn)生反射波并反射回地面。當介質分布均勻，無地 下空洞、軟弱地層等不良地質體存在時,則所得到的同相軸連續(xù)穩(wěn)定，不會出現(xiàn)錯斷、拱起等 現(xiàn)象。若地下存在空洞、軟弱地層等不良地質現(xiàn)象，則地震波在其分界面上產(chǎn)生波的繞射等 現(xiàn)象,使得同相軸出現(xiàn)錯斷、拱起、反相位及波周期變化、能量較快。如實例二（圖六）， 基巖面突然丟失，推斷為巖溶。由于這個特性，地震映像可以清晰勾勒出不同波阻抗對應的淤泥、砂礫石混粘土及基巖 界面。同樣，由于這一特性，地震映像已實際應用于調查水域底拋石及沉渣厚度，測到淤泥 厚度以及其底

16、部的地質構造。拋石層內由于排列不均，差異較大，反映在高密度地震映像圖 上地震波波形雜亂，并會出現(xiàn)明顯的繞射波，由此可測出拋石層的厚度。圖六地震映像實測波列圖地球物理勘探推斷解釋圖弱風化基巖頂面埋深在2138米之間；2740m段和105128m段，弱風化基巖面出現(xiàn)同 相軸不連續(xù)且局部段出現(xiàn)缺失，推測為溶蝕作用；24m處、埋深30.534.8m段，出現(xiàn)雜亂 的反射現(xiàn)象，推測為溶洞。2.6與其他方法對比：高密度地震映象技術作為一種簡單實用的地震勘探方法，應該說有點“反樸歸真“的 味道，相交其他物探方法手段，它不采用多道檢波器接收，也沒有那么多的時頻分析及正反 演。地震映像與較普通折射波，反射波法對比

17、。圖象直觀，野外使用方便，工作效率高。特 別是不用多次疊加，動校正。這在水上工作來說，尤為重要。常規(guī)水域走航式地震反射波的 采集，一般是35分鐘采集一次，以船速每小時3海里計算，每測點的間隔為255425米， 如此大的測點間隔往往不能滿足工程勘察要求；而地震映像工作觸發(fā)時間較短，平均每秒采 集可以一次。對比地質雷達測試：雖然地質雷達可以保持精細測量，而且計算方法類似地震映像，但 由于天線發(fā)射的是電磁波，由于海水的電磁耦合及吸收，電磁波穿透深度淺，選擇50MH z 的非屏蔽天線穿透深度大致在15米左右，對于淺層填土，塘渣有一定應用，這在以后工程 實例中可以嘗試。工程地震勘察的發(fā)展，越來越走向多道地震波勘察。單次采集地震道數(shù)越來越多，采集 信號包括了，直達波，折射波，反射波，面波等多種波數(shù)據(jù)，采集和分析軟件也走向智能化， 多用途，可以三維成像，切片，做各種時頻分析，濾波分析，節(jié)省了大量勞動強度。而地震 映象技術，應該說是最簡單的方