工程與環(huán)境物探

三、甚低頻法甚低頻(VIf)電磁法是一種被動源電探方法。它利用超長波通訊電臺所發(fā)射的電磁波為源，通過在地表、空中或地下探測場的參數(shù)變化，從而達到找礦或解決有關工程及環(huán)境地質問題的目的。超長波通訊電臺的功率一般比較強大，通常為－k，KW,工作頻率約為15－25kHz。我國生產的甚低頻電磁儀就是以設在日本(NDT)和澳大利亞(NWC)海軍通訊電臺發(fā)射的電磁波為場源，其工作頻率分別為17.4kHz和22.3kHz。在無線電工程中，這種頻率段稱為甚低頻。但就電探方法的頻率而言，它已屬于高頻電磁法的頻率范疇了。

通?？梢詫⑸醯皖l臺的發(fā)射天線當作位于地表的垂直電偶極子。其輻射場包括兩部分：一部分是與地面垂直的電場分量，另一部分是與地面平行的磁場分量，兩者都與波的傳播方向垂直(a圖)。在遠離電臺的地區(qū)，可將甚低頻波視為平面波。當?shù)叵麓嬖诹紝У刭|體(如地下水，巖溶或斷裂帶等)時，因受磁場分量的作用，在地質體中將感應出渦旋電流及相應的二次磁場。若良導地質體(如b圖中的D1)的走向與電磁波的傳播方向一致，由于一次場垂直作用于良導體，于是，D1內形成渦流，渦流感應產生的二次磁場最大；若良導地質體的走向與電磁波的傳播方向垂直(如b圖中的D2)，由于一次場平行于良導體，則感應的二次場最弱。因此，根據(jù)具體的地質情況，選擇方向合適的甚低頻電臺作為場源，才有可能觀測到較強的二次場信息。甚低頻法的資料解釋主要是定性地確定出低阻體(斷裂帶或巖溶發(fā)育帶)的位置。從甚低頻法的理論曲線分析可知，利用極化橢圓傾角曲線的零值點及磁場水平分量極值點的位置均可確定斷裂帶及低阻發(fā)育帶的位置。圖16展示了該區(qū)13線上甚低頻法及聯(lián)合剖面法的觀測結果，由圖可見，在該線上甚低頻法有明顯的極化橢圓傾角及磁場水平分量異常，而聯(lián)合剖面法及甚低頻視電阻率曲線卻只反映出較寬的低阻異常帶。經鉆探驗證，在100號點處見到巖溶發(fā)育帶，95號點為黃土充填的巖溶塌陷。上述實例說明，甚低頻電磁法在巖溶區(qū)尋找淺層充水裂隙帶是有效的。圖2廣西浪橋堡13線綜合勘探剖面圖1－粘土；2－溶洞；3－石灰?guī)r四、無線電波透視法1、基本原理及工作方法無線電波是一種頻率很高且具有一定能量的電磁波，它可以在真空及各種介質中傳播，由于介質的性質不同，它們對電磁波吸收的程度也不一樣。真空中不吸收電磁波，空氣或高阻巖石對電磁波的吸收作用很弱，低阻礦體和充水溶洞對電磁波的吸收作用較強。無線電波透視法就是通過研究鉆孔或坑道間電磁波的傳播規(guī)律(或者說被介質吸收的情況)來尋找礦體、充水溶洞等地質對象的一種電法勘探方法。無線電波透視法工作原理示意圖1－發(fā)射機；2－發(fā)射機天線；3－接收機；4－接收機天線；5－發(fā)射機控制面板；6－記錄儀7－絞車；8－滑輪；9－電纜；10－曲線井中無線電波透視法的工作原理如圖所示。在一個井孔利用發(fā)射機發(fā)射一定頻率(零點幾兆赫～幾十兆赫)的電磁波，在另一個井孔中利用接收機接收被介質吸收后的電磁波。當井孔間有良導礦體或充水溶洞存在時，由于電磁波被強烈吸收，使其能量大為降低，因而在測量井孔的相應井段便出現(xiàn)場強曲線的低值異常(或稱為“陰影”)。根據(jù)收、發(fā)儀間的關系及異常出現(xiàn)部位便可推斷地質體的存在。井中無線電波透視法的觀測方式有:同步法定點法同步法是將發(fā)射機(或發(fā)射天線)和接收機(或接收天線)分別下到兩個井孔中，然后，同步地上下移動進行觀測。如果發(fā)射機和接收機保持同一高度，同步測量就稱為水平同步法。如果發(fā)射機和接收機處于不同高度，同步測量就稱為高差同步法，高差的大小一般視井間距、井深及巖層產狀而定。定點法測量一般是將發(fā)射機(或接收機)固定于井孔中某預選位置，然后將接收機(或發(fā)射機)置于另一井孔進行連續(xù)測量。實際工作中，一般先用同步法了解井間地質體的大致位置，繼而再利用定點法進一步確定異常體的邊界和輪廓。在無線電波透視法中，頻率的選擇也是十分重要的，它直接影響透視的距離和對異常的分辨能力。一般來說，頻率高、波長短、對異常體的分辨能力強，但隨之而來的是吸收增強、透距變短。頻率低、波長長、吸收弱、透距變大，更適合研究較大范圍內地質體的變化，但對異常體的分辨能力也降低。二、異常解釋及應用實例無線電波透視法接收機所獲得的記錄是以微伏數(shù)所表示的電場值，經整理可以繪制實測場強沿剖面的變化曲線，作圖時縱坐標采用算術坐標表示井深，橫坐標采用對數(shù)坐標表示場強或(實測場強與正常場場強之差)。井中無線電波透視法最簡單也最常用的解釋方法是交會法，首先根據(jù)經過井斜校正的井孔剖面，按一定比例尺繪制包括井孔在內的斷面圖，利用水平同步、高差同步或定點法的資料，在斷面圖上由各發(fā)射點分別向接收井孔的各異常邊界引直線，這些直線交會的結果，可獲得一個陰影區(qū)，見圖3。這個公共的陰影區(qū)的空間位置、形狀、規(guī)模等基本上反映了低阻異常體的范圍和輪廓。圖3交會法原理示意圖1－發(fā)射點；2－陰影區(qū)；3－共同陰影區(qū)圖4利用交會法探測充水溶洞1－水平同步；2－高30m同步；3－低10m同步；4－590定點發(fā)射；5－異常區(qū)圖4是在某煤礦茅口灰?guī)r中用無線電波透視法探測地下暗河的應用實例。在ZK10孔中發(fā)射，ZK4孔中接收，工作頻率10MHz。采用水平同步、接收比發(fā)射高30m的高差同步、接收比發(fā)射低10m高差同步以及定點發(fā)射等四種測量方式。曲線均呈現(xiàn)出高吸收異常，場強從數(shù)千微伏降至數(shù)百乃至數(shù)十微伏。利用交匯法推斷異常中心距ZK4孔為9.4m，標高為577m，經鉆孔驗證，在578.35－573.64m井段上打到四層充水溶洞。五、地質雷達是一種高科技的地球物理探測儀器，目前已經廣泛的應用于高速公路，機場的路面質量檢測；隧道，橋梁，水庫大壩檢測；地下管線，地下建筑的檢測等諸多的工程領域。探地雷達利用一個天線發(fā)射高頻寬頻帶電磁波中心工作頻率在10~5000MHZ范圍，另一個天線接受來自地下介質界面的反射波。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性質及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時間（亦稱雙程走時）、幅度與波形資料，可推斷地下介質的分布情況。探地雷達具有以下技術特性，使其在許多領域尤其是工程地質領域的得到廣泛應用。

1.它是一種非破壞性探測技術，可以安全地用于城市和正在建設中的工程現(xiàn)場，工作場地條件寬松，適應性強；

2.抗電磁干擾能力強，可在城市內各種噪聲環(huán)境下工作，環(huán)境干擾影響??；

3.具有工程上較滿意的探測深度（30-50m）和分辨率（n厘米），現(xiàn)場直接提供實時剖面記錄圖，圖像清晰直觀；

4.便攜微機控制數(shù)據(jù)采集、記錄、存儲和處理使其具有極高的采樣率和較高的精度；

5.由于使用了高頻率，電磁波能量在地下的衰減較強烈，若在高導厚覆蓋條件下，探測范圍將受到限制。1、基本原理

地質雷達由發(fā)射部分和接收部分組成。發(fā)射部分由產生高頻脈沖波的發(fā)射機和向外輻射電磁波的天線(Tx)組成。通過發(fā)射天線電磁波以60°～90°的波束角向地下發(fā)射電磁波，電磁波在傳播途中遇到電性分界面產生反射。反射波被設置在某一固定位置的接收天線（Rx）接收，與此同時接收天線還接收到沿巖層表層傳播的直達波，反射波和直達波同時被接收機記錄或在終端將兩種顯示出來。圖5探地雷達工作原理示意圖圖6地質雷達探測原理示意圖c為光速；為地下介質的相對介電常數(shù)。反射波不僅可發(fā)生在不同介質的分界面上，也可發(fā)生在空氣與巖石（空洞）或金屬、非金屬與埋土的界面上。分為單天線形式和雙天線形式。計算方法將有差異。介質相對介電常數(shù)電磁波速度V（m/ns)水810.033空氣10.3雪（濕）4—120.09—0.15石灰?guī)r7(6)0.11(0.12)土壤(干)4(3—5)0.15(0.13—0.18)土壤（含水20%）10(4—40)0.095(0.05—0.15)冰3.20.17銅或鐵1----常見介質的和剖面法（反射觀測方式）

圖7洞穴的圖像模型

剖面法是發(fā)射天線(T)和接收天線(R)以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式，當發(fā)射天線與接收天線間距為零，亦即發(fā)射天線與接收天線合二為一時稱為單天線形式，反之稱為雙天線形式。剖面法的測量結果可以用探地雷達時間剖面圖來表示。該圖像的橫坐標記錄了天線在地表的位置；縱坐標為反射波雙程定時，表示雷達脈沖從發(fā)射天線出發(fā)經地下界面反射回到接收天線所需的時間。這種記錄能準確反映測線下方地下各反射界面的形態(tài)。

5.3寬角法（共深點法，CDP）地面空氣波地表直達波圖8寬角法觀測方式

當一個天線固定在地面某一點上不動，而另一個天線沿測線移動，記錄地下各個不同界面反射波的雙程走時，這種測量方式稱為寬角法。

探地雷達探地雷達應用實例

1、潛水面的反射2、古河道的波場特性地震勘探

第一節(jié)彈性介質與地震波一、彈性介質以巖土介質的彈性差異為基礎，通過觀測研究人工激發(fā)的地震波場在巖土介質中的傳播規(guī)律，探測地層和構造的分布，測定巖土介質力學參數(shù)的一種物探方法。巖土介質－－彈性介質地震波－－彈性波任何固體介質，當受到外力作用時都要發(fā)生變形，當外力撤消后，物體能恢復原來的形態(tài)和大?。瓘椥越橘|；否則－－非彈性介質（塑性）。大部分物體既可表現(xiàn)出彈性，也可以顯示出塑性。自然界中的物體即可是彈性介質也可是非彈性介質，取決于：

1、外作用力的大小和時間長短；

2、介質的性質。地震勘探－－脈沖震源－－時間短－－作用力?。ㄓ幸欢ň嚯x）－－彈性介質。將彈性理論直接用到地震勘探中。

在彈性理論的研究中，根據(jù)介質的不同特征可分為各向同性和各向異性。大部分巖土介質在地震勘探中都可看作各向同性介質。二、應力、應變與彈性參數(shù)

1、應力與應變應力－－單位橫截面所產生的內聚力F/S。應變－－在應力作用下單位長度（單位體積）產生的變形?

。（a）（b）2、楊氏模量和泊松比在圖b中段近似為一段直線。這表明，當外力不大時，應力與應變成正比關系。該區(qū)間稱為線性彈性形變區(qū)或完全彈性形變區(qū)。這時，應力與應變的比值稱為楊氏模量或拉伸模量。以符號E表示。

在拉伸形變中，樣品的橫截面會減??；反之，在壓縮形變中，截面積將增大。換句話說，縱向增量與橫向增量的方向總是相反的。介質的橫向應變與縱向應變的比值稱為泊松比，以符號表示。還有一個非線性區(qū)，這時，雖然形變已經不能用胡克定律來描述，但在外力消失后，樣品仍能恢復到原來的形狀。Q點事該介質的彈性極限點。Q點以后將會發(fā)生永久性形變。對于脆性材料，很快出現(xiàn)脆性破壞；對于延展性材料，先出現(xiàn)塑性形變，直到被拉斷或壓碎為止。3、體變模量和切變模量任何復雜的形變均可分為體積形變與形狀形變（剪切形變）兩種簡單的形變類型。對于這兩種簡單形變，其應力與應變的比值分別稱為體變模量（壓縮模量）和切變模量（剛性模量），相應的符號是K和，并用下式表示：

因?=tg，當很小時，tg=，所以有

4、拉梅系數(shù)彈性參數(shù)主要有這五個，理論上可以證明，只要知道其中兩個，就可以求出其余三個參數(shù)。б：0－－0.5；大多數(shù)巖石:0.25純流體：0.5；軟沉積巖：0.45

純剛性體：0；極堅硬的剛性巖石：0.05Ｅ、Ｋ、λ、μ－－反映介質發(fā)生彈性變形難易程度，大－－不易發(fā)生彈性變形。參數(shù)介質

Ｅ

Ｋμλσρ

Pag/cm3鋼鋁玻璃花崗巖石灰?guī)r砂巖頁巖207775.54.53177.5533.53282.53221.51115.532.53.52.510.30.350.250.250.2—0.320.23—0.280.22—0.407.72.7--2.55--2.67--2.65--2.45--2.35三、振動與地震波１、彈性振動、彈性波介質在外力作用下產生變形－－質點偏離平衡位置，外力撤消后，質點在應力作用下恢復原來位置，在慣性力作用下，質點不會立即停留在平衡位置，而向相反方向移動－－偏離平衡位置－－應力－－恢復原來位置。在應力和慣性力的不斷作用下，使質點繞平衡位置發(fā)生振動－－彈性振動。

介質中的質點在脈沖震動力的作用下要產生彈性振動。

在振動過程中，由于振動質點和相鄰質點間的應力作用，必然引起相鄰質點的振動，使振動不斷擴大和傳播－－形成以激發(fā)點（震源）為中心，以一定速度傳播的彈性波。２、地震波的形成

淺層地震波的震源一般為：錘擊、落重、炸藥爆炸震源和電火花震源。在激震點附近，壓強大巖石受到破裂和擠壓形變，此區(qū)域稱為等效空穴。向外壓強不斷減小，介質產生彈性形變。等效空穴邊緣的質點，在激發(fā)脈沖的擠壓下，質點將產生圍繞其平衡位置的振動，形成了初始的地震子波，這種振動是一種阻尼振動，在介質中沿射線方向向四面八方方向傳播，形成地震波。在遠離震源點，其介質受到的力很小，介質表現(xiàn)為完全彈性的性質。第二節(jié)地震波的描述一、振動圖和波剖面圖１、振動圖布置震源，在距震源Ｒ距離布置檢波器，觀測質點振動位移隨時間的變化－－振動圖。t0－－地震波的初至時?！鱰－－地震波的延續(xù)時；Ｔ－－視周期。２、波剖面圖Ｏ點激發(fā)，在剖面各測點同時觀測質點振動位移－－位移隨距離的變化圖－－波剖面圖。Up=u(x,t)

當t固定－－地震波波剖面圖；當x固定－－地震波振動圖；檢波器測得的地震記錄就是該測點的地震波振動圖。二、時間場和等時面

取以震源點為原點的三維直角坐標系，空間任意點的位置用x、y、z來表示，則波前面的傳播時間t可寫成如下函數(shù)形式

知道了該函數(shù)關系，即可算出波前面到達任意點的時間t，從而確定了t的空間分布。這種時空函數(shù)所確定的時間t的空間分布稱之為時間場。時間場中，如果將時間值相同的各點連接起來，在空間構成一個面，在面上的任意點地震波到達的時間相等，稱之為等時面。介質均勻－－規(guī)則同心球面介質不均勻－－不規(guī)則曲面

在均勻個向同性介質中，波的傳播速度是常數(shù)，如下式：三、視速度和視速度定理

地震波的轉播方向是沿波射線方向進行的，只有當測線方向和波射線方向一致時才能測得真波速，否則－－視波速。在地震勘探中，測線一般只能沿地表布置，很難保證與波射線方向一致，只能測得視速度。視速度有以下特征：１、當e=0°,即波射線方向和測線方向一致時，v*=v；２、當e=90°,即波射線方向和測線方向垂直時，波前同時到達地面上各點，各點間沒有時間差，好像波沿測線方向傳播速度無限大一樣，v*=∞；３、v*≧v（0°≦e≦90°）。

4、在均勻各向同性介質中，由于V值不變，視速度的變化反映了地震波入射角的變化。第三節(jié)地震波的類型及傳播特征一、地震波的類型

地震波：體波：在介質整個體積內傳播?？v波(Ｐ波)；橫波(Ｓ波)面波：沿介質的自由表面或兩種不同介質的分界面?zhèn)鞑ァＨ鹄?；勒夫波１、Ｐ波（壓縮波）：由介質的體積變形引起，波的傳播方向和質點震動方向一致。當Ｐ波在介質中傳播時，會形成間隔出現(xiàn)的壓縮帶和稀疏帶－－壓縮波。（彈簧的振動）2、Ｓ波（剪切波）：由介質的剪切變形引起，即剪切變形在介質中的傳播形成Ｓ波，波的傳播方向和質點震動方向垂直。質點振動在水平平面內的橫波分量稱為SH波、質點振動在垂直平面內的橫波分量稱為SV波。

縱波可在固體、液體、氣體中傳播，橫波只能在固體中傳播。３、面波：根據(jù)彈性理論，還有僅存在于彈性分界面附近的波動－－面波。

瑞利波：沿介質與大氣層接觸的自由表面?zhèn)鞑?。質點在通過傳播方向的垂直面內沿橢圓軌跡作逆時針運動，其橢圓長軸垂直于介質表面，長短軸之比大致為3:2，強度隨深度呈指數(shù)衰減，但在水平方向衰減很慢。其特點是：頻率低，速度接近于橫波且衰減慢等。在一般地震勘探中是一種干擾波，但在表層介質勘探中可利用這種波－－瑞利波法。

勒夫波：沿兩種彈性介質分界面?zhèn)鞑?。一般對地震勘探影響不大，不考慮。

二、地震波的頻率和振幅

１、地震波的頻譜地震波可用一個波形函數(shù)A(t)來描述。可以證明，任何波形的地震波可由無限多個頻率連續(xù)變化的正弦波疊加而成，這些正弦波的振幅和初相隨頻率的變化而變化。振幅隨頻率的變化圖－－振幅譜初相隨頻率的變化圖－－相位譜統(tǒng)稱為－－地震波的頻譜２、地震波的頻譜特征地震波是人工激發(fā)的振動，具有連續(xù)的頻譜：

振幅譜曲線

－－稱為主頻，地震波的能量集中在該頻率附近。

－－頻帶的寬度。各種不同類型地震波的能量主要分布頻帶范圍不同。當工作中使用的震源不同，或下伏巖層的深度和厚度不同時，也會引起地震波頻譜的變化，如用大炸藥量激發(fā)的地震波比小炸藥量的地震波或錘擊等機械震源激發(fā)的地震波頻段要低；下伏巖層深度越深，厚度越大，其反射信號的頻段也往往越低。大量觀測分析表明，各種類型的地震波其頻帶范圍是不同的，如面波的主頻較低，反射波的主頻相對較高，工業(yè)干擾集中在50HZ附近等。所以，對震波作頻譜分析，可了解各種類型地震波的頻譜特征，為各種類型地震波的識別和數(shù)字濾波提供依據(jù)。頻譜分析是地震勘探中重要的常用的數(shù)據(jù)處理方法之一。３、地震波的振幅及其衰減規(guī)律地震波的振幅和波形在傳播過程中要發(fā)生變化，其影響因素歸納起來主要有三類，第一類是激發(fā)條件的影響，它包括激發(fā)方式，激發(fā)強度，震源與地面的偶爾狀況等。第二類是地震波在傳播過程中受到的影響，包括波前擴散，地層吸收，反射，透射，入射角大小，以及產生波形轉換等造成的衰減。第三類是接收條件的影響，包括檢波器，放大器和記錄儀的頻率特性對波的改造及檢波器的組合效應，檢波器與地面耦合狀況等。第一類與第三類可人為控制，現(xiàn)在主要討論第二類因素。地震波在傳播過程中隨著距離（或深度）的增加，高頻成分會很快的損失，而且波的振幅按指數(shù)規(guī)律衰減。實際地層對波的這種改造，通常稱為大地低通濾波器效應。下面就產生這類效應的原因進行分析。（1）波前擴散（球面擴散）地震勘探中用的是點震源，在半空間均勻介質中其波前面是半球面。隨著傳播距離的增大，波前面逐漸擴大，但總能量不變，使單位面積上的能量減小，振動的振幅減小。－－波前擴散。

設某一時刻波前面的面積為Ｓ，總能量為E，單位面積上的能量為e，則有

能量e與成反比

式中，c為與E有關的常數(shù)。當?shù)叵陆橘|不均勻時，波前面不是半球面，但隨著R的增大，A仍然減小。（２）地層吸收由于地層并非理想的彈性介質，在波的傳播過程中，質點間的摩擦力消耗振動能量，使振幅減?。貙游铡５卣鸩ò簇撝笖?shù)規(guī)律變化

α(f)與兩個因素有關：1）與介質的性質有關。地層松軟其值大，地層致密堅硬其值小。２）地震波的頻率，頻率越高，α(f)越大。－－高頻地震波傳播的距離近，低頻地震波傳播的距離遠。地層相當于一個低通濾波器。A=A0e-α(f).r

r：地震波傳播的距離

f：地震波的頻率A0：地震波的初始振幅

α(f)：地層的吸收系數(shù)

α(f)單位是1/m，有時也可以用每一波長距離振幅衰減的分貝數(shù)（dB/）來表示。一般疏松膠結差的巖層，每單位波長可超過1dB，對于風化層，有時可在10dB以上，致密巖層，吸收系數(shù)較小，一般沉積巖的吸收系數(shù)為0.5dB左右。綜合上述結果，地震波在介質中傳播的振幅變化規(guī)律可用下式表示：說明隨著地震波傳播距離的增大，它的頻率會變低，振幅也變得越來越小。此外，地震波在遇到巖石界面時，將產生波的反射，透射，波的轉換，還有波的散射，都使其震幅減小。地震波的波速與介質的彈性參數(shù)和波的類型有關縱波和橫波在介質中的傳播分別表示為：兩者速度的比值為：三、地震波的波速

式中ρ表示介質的密度。若已知介質的泊松比，便可確定縱橫波的速度比值。反之亦然。對于巖土介質，在0----0.5范圍內，巖土介質越松軟其值越大，越堅硬致密其值越小，一般為0.2----0.3。當泊松比從0變化到0.5時，相應的縱橫波速度比可從變到，具體對應關系如下表。VP/VS

與σ的關系

σ00.10.20.250.30.40.5VP/VS1.411.51.631.731.872.45∞由于橫波的速度比縱波的速度低，因此橫波分辨薄層的能力比縱波強。另外，當巖層富含水或油氣時，往往對縱波的速度影響較大，對剪切模量和橫波的速度幾乎沒有影響。因此可用縱橫波的速度之比來判別巖土介質的含水性等。對于面波的傳播速度，有VR﹤VS﹤VP，瑞利面波的的速度是最低的但與橫波速度較為接近，當介質的泊松比=0.25和時，則有即這時面波的速度是橫波速度的92%，縱波速度的53%。

VR/VS與介質的泊松比的變化關系另外對VR、VS、VP與泊松比之間的變化關系還可以從下圖的曲線看出，當σ增大時，對VP的影響非常明顯，而對于VR、VS影響卻較小，而且隨著σ的增加，VR愈接近于VS。由于瑞利面波的這種特點，在對泊松比較大的松散覆蓋層勘探中，可以用面波配合橫波工作VR、VS、VP和σ的變化關系四、地震波的傳播

地震波是一種彈性波，具有和聲波、光波相似的波動性質，在其傳播過程中遵循聲、光波傳播的基本原理（惠更斯原理、費馬原理）?？芍苯右?。1、惠更斯原理：介質中波所傳到的各點，都可以看成新的振動源，可以認為每個振動源都向各方向發(fā)出微弱的波，叫子波。已知某時刻t1波前面上各點，這些點可以看做是新的振動源，從t1時刻開始產生子波向外傳播，經過一段時間后，這些子波的波前所構成的包絡面就是新的波前面。2、費馬原理費馬原理又稱射線原理或最小時間原理，它給出地震波總是沿地震射線傳播，以保證波到達某點時所用的旅行時間最少。在均勻各向同性介質中，地震射線應該是從震源發(fā)出的直射線。另外，從一個等時面到另一個等時面，只有垂直距離最短，因此波垂直于等時面旅行時最短，故地震射線和等時面總是垂直的。五、地震波的反射、透射和折射１、地震波的反射和透射在均勻介質中，地震波沿直線傳播，當遇到不同巖性的分界面時，在界面上產生反射和透射，形成反射波和透射波。

反射波和折射波遵循如下定律:

稱之為射線常數(shù)，在同一界面上，入射波、反射波及透射波具有相同的射線常數(shù)，并且反射角等于入射角，透射角的大小則決定于介質的波速V2，這一關系稱之為斯奈爾定律，也稱為反射折射定律。產生反射波的條件——波阻抗ρ：介質密度２、地震波的折射及其特征當V2﹥V1時，

β﹥α，隨α的增大，β也增大，當）β＝90度，α＝i,sini=V1/V2

，透射波沿界面滑行（類似全反射現(xiàn)象）－－滑行波－－界面質點振動，由惠更斯原理，界面質點看成新振源－－在上覆介質中產生新的波－－折射波。i稱為臨界角，相應的入射點稱為臨界點。說明界面埋深越大，介質速度相差越小，盲區(qū)的范圍就越大。當?shù)叵掠薪缑娲嬖跁r，在距震源一定距離的范圍內，可觀測到三種波：直達波（總能測到）反射波（ρ

1V1≠

ρ

2V2）折射波（ρ

1V1≠

ρ

2V2，V2﹥V1，觀測點在盲區(qū)之外

）為探測地下界面情況，可觀測反射波（折射波）－－反射波（折射波）法。不同折射層折射波前面的分布

順便指出，V折﹥V反，折射波比反射波先到達觀測點，出現(xiàn)在記錄的初至區(qū)，容易識別。OC段直達波先到達；CG段以V2傳播的折射波最早到達；G點以外，以V3傳播的深層折射波最早到達。3、地震波在水平層狀介質和連續(xù)變化介質中的傳播假設有一組水平層狀介質，由于波速不同，地震波將逐層產生反射、透射，直到第n層的底面。式中為射線參數(shù)。下圖給了不同入射角的兩條波射線，根據(jù)斯奈爾定律，入射角越小穿透深度越大，并且當入射角等于臨界角時，地震波將不再向下面介質傳播。當各層厚度無限小時，就成了連續(xù)介質。通常在沉積巖層中，深度每增加３－５米，其壓力會增加一個大氣壓，因此隨著巖層埋深的增加，巖石的空隙度減小而密度增大，波速亦隨之增大：

V（Z）=V0（1+βZ）Z為深度，V0是地震波初速度，β是和速度梯度有關的常數(shù)，稱為速度增長系數(shù)。

此種情況相當于上圖層數(shù)無窮多，各層厚度無窮小。除了垂直入射的波射線外，其他波射線都是曲線（回折波）而折返回地面。在研究淺層變速層時，用這種波。六、地震波的繞射和散射以上介紹的是理想情況下地震波的傳播規(guī)律，實際工作中，界面不可能是完整平滑的。在界面不平整地段和突變點將產生地震波的繞射散射。繞射波：在地層的突變（繞射點）產生，繞射點正上方信號最強，兩側逐漸減弱。

散射波：當界面不平時，反射波隨之發(fā)生無規(guī)律的反射（散射或漫射）－－散射波。

多次反射波也是一種干擾波。這些干擾波波地震勘探中應消除。第四節(jié)地震勘探的地質基礎地層巖性、地質構造及地表條件等因素對地震勘探的影響問題，稱為地震勘探的地質基礎問題。一、影響地震波速度的因素及巖石的波速特征1、影響地震波速度的主要因素１）巖石的密度ρ：ρ越大，Ｖ越大。２）空隙度φ：φ越大，Ｖ越小。巖石由兩部分組成，一部分是礦物顆粒，稱為巖石的骨架（基質），另一部分是由各種氣體或液體充填的空隙，因此巖石實際上是雙相介質。Ｖ與φ間的關系：1/V=(1-φ)/Vm+φ/Vtφ為巖石孔隙度，V為巖石中波的傳播速度，Vm為骨架的速度，Vt為空隙充填物的速度。根據(jù)統(tǒng)計研究表明，當孔隙度由3%增加到30%時，速度變化可達60%，說明孔隙度是影響速度的重要因素。３）壓力和溫度：

壓力又稱地壓，壓力大，密度大，Ｖ大；溫度影響巖石的狀態(tài)（晶化或熔化），影響巖石的彈性參數(shù)和Ｖ，在淺層中一般不考慮。地壓和溫度對波速的影響，主要對深部巖層作用較大。４）埋藏深度和地質年代

埋藏深度越大，Ｖ越大；地質年代老的巖層比新巖層Ｖ大。就某一地質年代的地層而言，速度隨深度增加而增大，對于同一深度巖層，則地質年代較老的巖層波速較大。5）其它因素

構造運動和風化侵蝕等作用對Ｖ也有影響：

強烈褶皺區(qū)－－Ｖ較大強烈風化區(qū)－－Ｖ較小2、地震波在沉積巖、變質巖和火成巖中傳播的速度特征沉積巖：主要取決于巖石的組份及膠結作用，而壓力和成巖地質年代等也有一定的影響。另外由于沉積巖有層狀結構，因此波速將出現(xiàn)各向異性現(xiàn)象。變質巖：它們的速度幾乎總是大于沉積巖，而與深度的關系不是那么密切?；鸪蓭r：也比沉積巖波速大，其中顆粒較大的侵入巖，呈現(xiàn)出比噴出巖更高的波速?？諝?340;水:1430--1590二、巖石介質對地震波的吸收由于巖土介質并非理想的彈性介質，地震波在其中傳播時振幅要發(fā)生衰減－－巖石介質對地震波的吸收。

A=A0e-α(f).r

α(f)－－吸收系數(shù)，衡量不同巖土介質吸收地震波的能力大小。一般來說，疏松破碎的巖石吸收系數(shù)大，固結致密的巖石吸收系數(shù)小。因此，可通過觀測地震波振幅的衰減變化，確定斷層和破碎帶的存在。地震波實際的衰減要比理論的衰減要大些。吸收衰減和地震波頻率的關系，較為復雜，按膠結摩擦理論，認為吸收系數(shù)和頻率的平方成正比，即，但根據(jù)彈性理論則認為吸收系數(shù)和頻率成正比關系，即。對于致密堅固的巖石適用于彈性理論的關系，疏松介質適合于摩擦理論關系。另外，Ｓ波的吸收系數(shù)一般大于Ｐ波的吸收系數(shù)，Ｓ波比Ｐ波衰減的要快。在干旱沙漠地區(qū)，或沼澤、草原等風化層較厚的地區(qū)，通常都有強烈的吸收作用，使地震記錄質量變壞，這時必須采取一定措施來改善記錄條件，以提高地震記錄質量。三、淺震的地質條件

地震勘探效果的好壞，很大程度上取決于工作區(qū)是否具有應用地震勘探的條件，影響淺震效果地質因素如下：

１、疏松覆蓋層疏松覆蓋層的波速比下部未風化基巖的波速低的多，基巖起伏面－－Ｖ界面－－產生（折）反射波－－研究基巖面的埋深和起伏。覆蓋層－－低速層。但是，當用地震反射波法探測下部較深處的地層時，由于低速帶的存在，使反射波的走時產生滯后現(xiàn)象，這時往往需要對低速帶的影響進行校正。低速帶下界面容易產生多次反射波而使地震記錄復雜化，也是一種不可忽視的干擾。當探測深部界面時，低速覆蓋層對結果是有影響的：

１）吸收作用使振幅減小

２）低速層厚度變化使地震記錄改變

此時，需要對低速帶的影響進行效正－－低速帶改正。

３）低速帶下界面易產生多次反射波－－干擾波２、潛水面和含水層當潛水面較淺，位于疏松低速帶內時，潛水面本身就是一個速度界面，產生反（折）射波。異常解釋時應注意。對于一般地層中的含水層，由于其裂隙和空隙中飽含地下水而波速有所增加，但影響不像疏松層那樣明顯。實踐表明當激振點位于潛水面以下激發(fā)時，所產生的地震波頻率成分比較豐富，能量也比較強，易于取得較好的效果。３、地質剖面的均勻性

當?shù)叵陆缑娼咏骄鶆驎r，地震勘探效果較好；界面起伏較大時，異常解釋難度加大。斷層、溶洞、尖滅層和人工堆積等的存在，都將增加地震勘探的難度。４、速度界面和地質界面的差異地震勘探可探測到的界面是速度界面，一般來說，速度界面和地質界面是一致的，但有時也不完全一致，異常解釋時應予注意。如薄層的存在，不同巖層速度差不多時，不好區(qū)分，再如潛水面是地震界面不是地質界面。5、地震標志層的確定如果在較大的范圍內進行地震工作，或作長地震剖面時，為了連接全區(qū)的地層和查明構造形態(tài)的變化，需要在區(qū)內確定一個易于追蹤的“地震標志層”，以此作為對比和連接全區(qū)地層的標志。對“地震標志層”的要求是：在較大范圍內分布，且具有較明顯的地震波動力學和運動學的特征。地震標志層和地層層位一致時，意義更大，可找多個“地震標志層”。對于淺層地震勘探，由于探測范圍較小和淺部介質的變化較大，往往給確定“地震標志層”帶來困難，但若基巖分布比較完整穩(wěn)定時，可將其視為“地震標志層”。第二章淺層折射波法和反射波法折射波法是一種使用較久且較成熟的方法。常用來探測覆蓋層的厚度、基巖面的起伏、圈定斷層、古河道位置等。目前仍是廣泛使用的方法之一，但其也有一定的缺點，如分辨率較低，測線較長等。今年來，由于技術的發(fā)展和各方面的要求，淺層反射波法得到了飛速的發(fā)展。觀測折射波－－折射波法觀測反射波－－反射波法“淺層”－－工程地質中，要求探測深度較小。一般50—100米，很少超過300米。石油物探---上千米---“深層”。第一節(jié)數(shù)據(jù)采集一、主要儀器設備１、震源1）錘擊震源2）炸藥震源3）地震槍震源4）電火化震源

2、檢波器將地震波到達觀測點引起的地面微弱振動轉換成電信號的裝置。檢波器又稱拾震器，由線圈、彈簧片和永久磁鋼架和外殼組成。當?shù)卣鸩▊鞯降孛鏁r，檢波器隨之發(fā)生震動，由于慣性作用，線圈和磁鋼將發(fā)生相對運動而產生和運動周期相對應的感應電流信號，通過儀器可將電流放大并記錄下來。這類檢波器輸出的信號電壓和振動時的位移速度有關，又稱速度檢波器。此外，還有用晶體壓電效應特性制成的晶體檢波器，可用來測量物體運動的加速度，又稱為加速度檢波器。3、地震儀---將檢波器輸出的電信號進行放大、顯示并記錄下來的專門儀器。濾波、放大、高精度計時、數(shù)字記錄和微機處理具有等功能。目前我國常用的淺層地震儀多為12道或24道。

4、專用導線。二、觀測系統(tǒng)地震勘探中是一點激發(fā)多點觀測，激發(fā)點和觀測點間的排列和各排列的位置關系－－觀測系統(tǒng)。觀測系統(tǒng)的確定原則是盡量壓制干擾波，突出對有效波的觀測和追蹤。反射波、折射波的的形成和傳播規(guī)律不同，為了突出對有效波的觀測和追蹤，反射波法和折射波法分別設計了不同的觀測系統(tǒng)。實際工作中，以縱測線為主，非縱測線為輔（如探測古河床，斷裂帶等)。

１、折射波法的觀測系統(tǒng)

１)測線類型

縱測線橫測線側測線弧型測線

用縱測線觀測中，根據(jù)不同的組合關系可分為單支時距曲線觀測系統(tǒng)，相遇時距曲線觀測系統(tǒng)，多重相遇時距曲線觀測系統(tǒng)和追逐時距曲線觀測系統(tǒng)。所謂時距曲線是一種表示接收點距離和地震波走時之間的關系曲線，通常以激發(fā)點到接收點的距離為橫坐標，以地震波到達該接收點的走時為縱坐標作圖，即可得到相應的時距曲線。在各種時距曲線觀測系統(tǒng)中，以相遇時距曲線觀測系統(tǒng)使用最為廣泛。２)相遇時距曲線觀測系統(tǒng)時距曲線－－地震波的走時與震源和測點間的距離關系曲線。相遇時距曲線觀測系統(tǒng)在同一觀測段分別在其兩端激發(fā)，可以得到兩支方向相反的時距曲線。多重相遇時距曲線觀測系統(tǒng)

當?shù)叵陆缑嫘螒B(tài)復雜（傾斜）時，用一般的相遇時距曲線觀測系統(tǒng)可能得不到相遇段。這時可以在兩端增加激發(fā)點并擴大觀測段。采用如圖所示的多重相遇時距曲線觀測系統(tǒng)，圖中S3、S2和S1、S4在不同接收段形成多重的相遇時距曲線；而S3、S4、S1、S2則構成了追逐時距曲線。2、反射波法的觀測系統(tǒng)反射波觀測系統(tǒng)中，用的最多的是寬角范圍觀測和多次覆蓋觀測系統(tǒng)。1）寬角觀測系統(tǒng)：觀測點布置在臨界點附近，此時反射波能量較強，且可回避聲波和面波的干擾，尤其對弱反射界面其優(yōu)勢更為明顯。寬角觀測的最佳范圍，通?？赏ㄟ^現(xiàn)場試驗來確定。

２）多次覆蓋觀測系統(tǒng)多次覆蓋觀測系統(tǒng)是根據(jù)水平疊加技術的要求而設計的，為此先介紹一下水平疊加的概念。水平疊加又稱為共反射點或共中心點疊加，如下圖所示。就是把不同激發(fā)點、不同接收點上接收到的來自同一反射點的地震記錄進行疊加，這樣就可以壓制多次波和各種隨機干擾波，從而大大提高了信噪比和地震剖面的質量，并且可以提取速度等重要參數(shù)。具體做法是，選定偏移距和檢波距之后，每激發(fā)一次，激發(fā)點和整個排列都同時向前移動一個距離，直至測完全部剖面。目前常用綜合平面法來表示多次覆蓋的觀測系統(tǒng)。如右下圖，可用下式計算炮點的移動道數(shù)v：

式中，N是一個排列的接收道數(shù)；n是覆蓋次數(shù)；d是激發(fā)點間距離；S是一個常數(shù)，單邊激發(fā)S=1，雙邊激發(fā)S=2；Δx是檢波距。三、影響采集質量的其他因素

為了突出有效波，壓制干擾波，除選擇合適的的儀器、觀測系統(tǒng)外還有其他的影響因素：測線的布置、覆蓋次數(shù)及道間距的選擇、通頻帶和掃描時間的選擇等。一般在開展工作前做一些實驗工作。--做“長展開”，對工作區(qū)的各種干擾波和有效波的分布特