第三講北戴河教學(xué)實(shí)習(xí)-初至折射波法2

北戴河教學(xué)實(shí)習(xí)第三講初至折射波法河北秦皇島:宋先海電話:139711588082013年7月一、初至折射波法基本原理1>折射波概念（形成機(jī)理）根據(jù)斯奈爾定律sinα/V1=sinβ/V2,當(dāng)V2>V1時(shí)，透射角β大于入射角α，隨著入射角α增大，透射角β也增大，當(dāng)α增大到某一個(gè)角度i時(shí)，可使透射角β=90°，這時(shí)透射波就以V2的速度沿界面向前滑行，形成滑行波。由于滑行波比入射波速度大，所以滑行波比入射波首先到達(dá)分界面上的各點(diǎn)，根據(jù)惠更斯原理，高速滑行波所經(jīng)過(guò)的界面II上的任何一點(diǎn)都可看作是一個(gè)新的點(diǎn)震源，由于界面兩側(cè)的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間存在著彈性聯(lián)系，下面介質(zhì)II中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)必然要引起上面介質(zhì)I中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，這樣就在上面介質(zhì)I中形成了一種新波，這種波在地震勘探中稱(chēng)為折射波，這時(shí)的入射角i稱(chēng)為臨界角(CriticalAngle)，i=arcsin(V1/V2)。2>

折射波形成的條件對(duì)于單層介質(zhì)和多層介質(zhì),形成折射波的條件：(1)下層介質(zhì)的波速要大于上面所有層介質(zhì)的波速。(2)入射角要以臨界角i入射。3>折射波的特點(diǎn)(1)折射波的波前是一平面，它與界面的夾角為臨界角i；(2)折射波的射線是以臨界角i出射的一束平行直線且垂直于波前面；(3)折射波存在著盲區(qū)(OM)，必須在盲區(qū)以外才可觀測(cè)到折射波。盲區(qū)大?。ㄅ跈z距）Xm=2htani=2h/[(V2/V1)2-1]0.5。盲區(qū)的大小隨界面的法向深度h的減小和V2/V1值的增加而減小。當(dāng)V2/V1=1.414時(shí)，盲區(qū)大小Xm=2h。作為經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則，折射波只有在炮檢距（炮點(diǎn)到檢波點(diǎn)的距離）大于兩倍折射界面的法向深度h時(shí)才能觀測(cè)到。當(dāng)?shù)叵麓嬖趦蓚€(gè)分界面時(shí)，盲區(qū)大小XM1=2OA，盲區(qū)大小XM2=2(x1+x2)。(4)AM是折射波的第一條射線，也是反射波的射線，稱(chēng)為臨界射線，A點(diǎn)稱(chēng)為臨界點(diǎn)，M點(diǎn)是折射波的始點(diǎn)。在M點(diǎn)處可同時(shí)觀測(cè)到折射波和反射波，在M點(diǎn)以外，總是先觀測(cè)到折射波。另外，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ娜肷浣谴笥谂R界角i時(shí)，入射波的全部能量都轉(zhuǎn)換為反射波，即在臨界點(diǎn)以外的分界面上沒(méi)有透射波產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱(chēng)為波的全反射。二、淺層地震初至折射波法野外工作方法折射波法的觀測(cè)系統(tǒng)主要有單邊觀測(cè)系統(tǒng)、相遇觀測(cè)系統(tǒng)、追逐觀測(cè)系統(tǒng)以及相遇追逐觀測(cè)系統(tǒng)，重復(fù)相遇追逐觀測(cè)系統(tǒng)等。相遇追逐觀測(cè)系統(tǒng)圖

此次地震勘探實(shí)習(xí)中，采用的是相遇追逐觀測(cè)系統(tǒng)。追逐炮的作用：（1）可以利用追逐時(shí)距曲線與相遇時(shí)距曲線的平行性延長(zhǎng)解釋區(qū)間；（2）確定直達(dá)波與折射波的交點(diǎn)；（3）判斷有無(wú)穿透現(xiàn)象（有穿透可能就不平行）。兩相遇炮合格：（1）在折射段有相遇點(diǎn)；（2）互換時(shí)間T1、T2之差小于3ms。相遇追逐觀測(cè)系統(tǒng)圖

如圖所示：O1是O2的追逐炮，O4是O3的追逐炮，S1和S2兩條時(shí)距曲線平行，S3和S4兩條時(shí)距曲線相互平行。用兩個(gè)直達(dá)波求出上覆風(fēng)化層波速，用追逐炮時(shí)距曲線延長(zhǎng)解釋區(qū)間，用延長(zhǎng)后的時(shí)距曲線求出折射波各個(gè)檢波點(diǎn)的t0和V2，最后求出折射波界面的法線深度。相遇追逐觀測(cè)系統(tǒng)圖

三、折射波法內(nèi)業(yè)解釋工作流程及要求初至折射波法內(nèi)業(yè)工作的發(fā)展趨勢(shì)是利用微機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化解釋?zhuān)忉寙T必須掌握解釋的方法與步聚，要求同學(xué)完成下述解釋工作：（1）根據(jù)《水工（淺層）地震勘探規(guī)范》對(duì)每炮（張）記錄進(jìn)行評(píng)價(jià)與驗(yàn)收。（2）進(jìn)行波的對(duì)比和初至走時(shí)的判讀。除遵循波對(duì)比的一般原則外，還應(yīng)注意零偏移距互換道上的走時(shí)，經(jīng)校正后其時(shí)差不超過(guò)3ms，對(duì)于綜合時(shí)距曲線，則時(shí)差不超過(guò)5ms。（3）各項(xiàng)校正處理包括相位校正、震源深度校正和地形校正。對(duì)于初至不清、無(wú)法進(jìn)行初至走時(shí)判讀的地震道，可利用相位進(jìn)行對(duì)比先讀取相應(yīng)走時(shí)，然后減去相位校正值△tφ，△tφ值可取初至明顯地震道的相位與初至走時(shí)之差的平均值，也可以取自與其相鄰地震道的△tφ值，應(yīng)根據(jù)該記錄初至波形的情況而定。對(duì)于追逐的記錄，允許對(duì)比和讀取第一個(gè)振幅的走時(shí)，所讀取的各道走時(shí)t值，要寫(xiě)在每道的左邊直線上。（4）時(shí)距曲線繪制。比例尺橫坐標(biāo)上lcm＝2.5m（1：250）；曲線的兩點(diǎn)之間用直線連接，對(duì)于可疑點(diǎn)，要在其上方標(biāo)注“？”，如發(fā)現(xiàn)波被置換，應(yīng)用符號(hào)“[“或”]”標(biāo)注在置換點(diǎn)旁，并要在每條曲線上升端的尾部標(biāo)注記錄的總編號(hào)。該炮記錄的震源深度值，要標(biāo)注在橫坐標(biāo)軸相應(yīng)樁號(hào)的下方?；Q時(shí)間要用直線表示。如互換道走時(shí)不等，應(yīng)取平均值畫(huà)直線，互換時(shí)間值T要標(biāo)在互換時(shí)間直線的中間或上方。（5）確定交點(diǎn)、計(jì)算有效速度Ve，并延長(zhǎng)時(shí)距曲線。利用接收段同側(cè)不同位置激發(fā)的折射波時(shí)距曲線的平行性，可以確定交點(diǎn)和延長(zhǎng)時(shí)距曲線。設(shè)交點(diǎn)A坐標(biāo)為（XA，tA），則V1=XA／tA，要求把Ve值標(biāo)在交點(diǎn)與震源連接的下方。因檢波點(diǎn)距△X≠0（即檢波器不是連續(xù)布設(shè)），所以交點(diǎn)A的位置允許在曲線的“合理區(qū)間”內(nèi)移動(dòng)。（6）定量解釋。方法有多種，可歸納成正三角形和反三角形兩類(lèi)，前者有t0差數(shù)時(shí)距曲線法（即ABC法）、延遲時(shí)間法等，它們適用于傾角不大的水平或彎曲折射面（傾角小于15度）；后者有橢園法（即共軛點(diǎn)法）、哈雷斯法、時(shí)間場(chǎng)法等，這類(lèi)方法解釋精度較高，但工作量大，繪制解釋輔助線比較麻煩。

本次解釋要求采用t0差數(shù)時(shí)距曲線法，求取折射面的法線深度h和折射層的波速V2，其基本原理和表達(dá)式為：（7）繪制折射面。把它畫(huà)在時(shí)距曲線的橫坐標(biāo)軸下方，垂直比例尺可根據(jù)覆蓋層厚度大小而定，以檢波點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)）為圓心，以(1)式計(jì)算出的h為半徑畫(huà)圓弧，其包絡(luò)線即為待求折射面。繪出折射面后，從圖中讀出各測(cè)點(diǎn)的覆蓋層厚度H(視深度)，并把每個(gè)測(cè)點(diǎn)的H值標(biāo)在地形的相應(yīng)測(cè)點(diǎn)正上方，并把(2)式求出的V2值寫(xiě)在折射層內(nèi)。（8）測(cè)線交點(diǎn)閉合差（△t0與△H）的檢查。要求：△t0＜3ms，△H＜10％（當(dāng)H＞10m時(shí)），或△H＜0.5m（當(dāng)H＜10m時(shí)），如果超出上述要求，應(yīng)檢查在波的對(duì)比時(shí)，是否有錯(cuò)。在此基礎(chǔ)上考慮在“合理區(qū)間”內(nèi)調(diào)整V1值，直至達(dá)到上述要求，然后取不同測(cè)線在交點(diǎn)上的H平均值。（9）平面圖的繪制。把全工區(qū)測(cè)點(diǎn)展在圖上，并標(biāo)上H值，就可以勾繪覆蓋層等厚度平面圖，如果是繪制折射面高程圖，則應(yīng)把測(cè)點(diǎn)的高程減去H值以后，再把高程數(shù)據(jù)標(biāo)在測(cè)點(diǎn)上，然后繪圖。

四初至折射靜校正

基準(zhǔn)面校正需要風(fēng)化層速度和厚度的信息，但是，野外測(cè)量工作有時(shí)不能準(zhǔn)確地提供這些信息。風(fēng)化層的速度低于下伏地層的速度，因此地震記錄上能夠記錄到來(lái)自風(fēng)化層底界的折射波，一般情況下，折射波先于地下反射到達(dá)地表，我們能夠比較容易地從地震記錄中識(shí)別折射波，進(jìn)而拾取到折射波的初至?xí)r間。初至?xí)r間中包含風(fēng)化層厚度和速度的信息，利用這些信息所進(jìn)行的靜校正，通常稱(chēng)為初至折射靜校正。一、水平風(fēng)化層的折射靜校正圖5-8是水平界面折射波傳播示意圖，圖中風(fēng)化層的厚度為，風(fēng)化層的速度為，下伏基巖的速度為，且，地震波在S點(diǎn)激發(fā)，當(dāng)?shù)卣鸩ㄈ肷浣沁_(dá)到臨界角時(shí)，產(chǎn)生折射波。直達(dá)波斜率為，折射波斜率為，折射波在時(shí)間軸上的截距為，下面推導(dǎo)如何由、和，計(jì)算風(fēng)化層厚度，進(jìn)而計(jì)算基準(zhǔn)面靜校正量。折射波初至?xí)r間表達(dá)為進(jìn)一步寫(xiě)成式中—臨界角（5-6)(5-7)(5-8)(5-9)(5-10)我們知道，折射波時(shí)距方程是下面的線性方程將(5-8)式代入(5-7)式，整理后因此，由風(fēng)化層速度，基巖速度和折射波的截距，可以計(jì)算風(fēng)化層厚度(5-11)(5-12)對(duì)比(5-9)式和(5-10)式，得到1、試推導(dǎo)折射波截距時(shí)間t0b的表達(dá)式在地表起伏的情況下，初至波不再是一條標(biāo)準(zhǔn)的直線，此時(shí)很難測(cè)量初至波的斜率和截距時(shí)間，另外，當(dāng)觀測(cè)系統(tǒng)的最小炮檢距大于折射波的第一接收點(diǎn)時(shí)，地震記錄初至中觀測(cè)不到直達(dá)波。這種情況下無(wú)法使用(5-12)式計(jì)算風(fēng)化層的厚度。二、加減法折射靜校正（t0差數(shù)法）(5-12)

加減法折射靜校正也需要拾取折射波初至?xí)r間，但是它不需要計(jì)算初至?xí)r間的斜率和截距，圖5-9是加減法折射靜校正示意圖，圖中有三個(gè)炮點(diǎn)檢波點(diǎn)對(duì)，分別是、和，現(xiàn)在定義兩個(gè)時(shí)間變量和。（5-14)（5-15)

(5-16)從圖5-9可以看出由于，所以

(5-17)

(5-18)與(5-11)式進(jìn)行比較，得到現(xiàn)在計(jì)算，從圖5-9看出將(5-16)式代入(5-20)式，有

(5-19)(5-20)式中—炮點(diǎn)A到檢波點(diǎn)D的距離當(dāng)風(fēng)化層地面水平時(shí)五、淺層地震初至折射波法實(shí)測(cè)資料解釋1、記錄質(zhì)量的評(píng)價(jià)及初至拾取(1)資料質(zhì)量評(píng)價(jià)的原則折射波野外資料采集的質(zhì)量評(píng)價(jià)，首先便是地震記錄道上觀察初至波的起跳是否明顯、清晰。其次是通過(guò)SeisImager軟件讀取初至?xí)r間，根據(jù)兩個(gè)零偏移距炮點(diǎn)的時(shí)間互換的原則，初至?xí)r間T越接近資料采集的質(zhì)量高。(2)初至的定義初至?xí)r間是指最先到達(dá)的有效波的時(shí)間，也稱(chēng)波的起跳時(shí)間。波的正負(fù)起跳取決于儀器，此時(shí)實(shí)習(xí)均為負(fù)起跳。初至?xí)r間的拾取是利用波的對(duì)比原則，確定初至波（包括直達(dá)波和折射波），讀取波的起跳時(shí)間。當(dāng)某道上的有效波初至不清楚時(shí)，可利用相位對(duì)比，讀取相位的時(shí)間，并對(duì)改道進(jìn)行相位校正。對(duì)于相遇炮的記錄一定要讀取初至?xí)r間，而對(duì)于追逐炮的記錄，當(dāng)大多數(shù)道上的初至不明顯時(shí)，可讀取所有道上的相位時(shí)間，而不做相位校正。(3)初至拾取的具體方法通過(guò)SeisImager軟件手動(dòng)和自動(dòng)結(jié)合讀取初至?xí)r間，將光標(biāo)點(diǎn)在地震記錄道上最早起跳的點(diǎn)上，通過(guò)軟件自動(dòng)和手動(dòng)讀取數(shù)據(jù)。正追逐炮

正相遇炮

反相遇炮

反追逐炮

2、相遇追逐時(shí)距曲線的繪制

3、確定交點(diǎn)、計(jì)算有效速度Ve

(1)利用追逐炮與相遇炮平行性確定交點(diǎn)位置利用接收段同側(cè)不同位置激發(fā)的折射波時(shí)距曲線的平行性，在相遇炮明顯發(fā)生轉(zhuǎn)折的點(diǎn)即為交點(diǎn)。因?yàn)闄z波點(diǎn)距不為零（即不是連續(xù)布設(shè)的），所以交點(diǎn)的位置在曲線的“合理區(qū)間”內(nèi)移動(dòng)。(2)計(jì)算上覆蓋層有效速度Ve4、延長(zhǎng)時(shí)距曲線，求取零偏移距互換時(shí)間T

互換時(shí)間T值的拾取。從圖中可以看到，在左右邊炮的時(shí)距曲線的最后一個(gè)值分別為T(mén)1=42.125ms和T2=42.403ms，為計(jì)算簡(jiǎn)單方便，T值可以取它們的平均值，即平均互換時(shí)間T=(T1+T2)/2=41.96ms。零偏移距的互換時(shí)間要小于3ms，綜合互換時(shí)間要小于5ms。5、求取t0和θ時(shí)距曲線圖

求取t0時(shí)，首先要求取△t1和△t2。△t1、△t2主要是通過(guò)追逐炮和相遇炮的差值求取，由于理論中追逐炮和相遇炮的初至波是相互平行的，所以其差值是