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工程物探

工程物探中關(guān)于地震勘察的研究?jī)?nèi)容

  在淺層地震勘探中主要研究人工激發(fā)的地震波在巖、土介質(zhì)中的傳播規(guī)律，來(lái)解決工程及環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題的一種地球物理方法。通常把巖土介質(zhì)看成各向同性介質(zhì)，把地震波看成彈性波。
 
  波傳播特征集中于兩方面：
 
  1、波傳播的時(shí)間與空間的關(guān)系（運(yùn)動(dòng)學(xué)特征）地震波對(duì)地下地質(zhì)體的構(gòu)造響應(yīng)
 
  2、波傳播中振幅、頻率、相位等的變化規(guī)律（動(dòng)力學(xué)特征）更多表現(xiàn)出地下地質(zhì)體的巖土特征研究地震波的波場(chǎng)特征來(lái)解決淺部地層和構(gòu)造的分布，確定巖土力學(xué)參數(shù)等地質(zhì)問(wèn)題  1.形變：由彈性力學(xué)的理論可知，任何一種固體，當(dāng)它受外力作用后，其質(zhì)點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生相互位置的變化，也就是說(shuō)會(huì)發(fā)生體積或形狀的變化，稱為形變。  2.彈性：當(dāng)外力取消后，該物體能迅速恢復(fù)到受力前的形態(tài)和大小，這就是所謂的彈性。
 
  3.彈性體、塑性體：外力取消后，能夠立即完全地恢復(fù)為原來(lái)狀態(tài)的物體，稱為完全彈性體，通常稱之為理想介質(zhì)。反之，若外力去掉后，仍保持其受外力時(shí)的形態(tài)，這種物體稱為塑性體，亦稱為粘彈性介質(zhì)。
 
  在外力作用下，自然界大部分物體，既可以顯示彈性也可以顯示粘彈性，這取決于物體本身的性質(zhì)和外力作用的大小及作用時(shí)間的長(zhǎng)短。在地震勘探中，采用人工震源激發(fā)地震波，人工震源的激發(fā)是脈沖式的，作用時(shí)間極短，且激發(fā)的能量對(duì)地下巖層和接收點(diǎn)處的介質(zhì)所產(chǎn)生的作用力較小，因此可以把它們近似地看作彈性介質(zhì)，并用彈性理論來(lái)研究地震波的傳播問(wèn)題。
 
  在彈性理論的研究中，根據(jù)介質(zhì)的不同特征可分為各向同性與各向異性兩類(lèi)介質(zhì)。凡是彈性性質(zhì)與空間方向無(wú)關(guān)的稱為各向同性介質(zhì)；反之則稱為各向異性介質(zhì)。
 
  研究表明：沉積巖大都由均勻分布的礦物質(zhì)點(diǎn)的集合體所組成，因此大多數(shù)的巖、土介質(zhì)在地震勘探中都可以看做是各向同性介質(zhì)，從而將一些基本的彈性理論引入到地震波的研究中來(lái)。
 
  拉梅模量與拉梅系數(shù)：對(duì)于各向同性的均勻介質(zhì)而言，各不同方向的彈性系數(shù)大都對(duì)應(yīng)相等，可以歸結(jié)為應(yīng)力與應(yīng)變方向一致和互相垂直時(shí)的兩個(gè)系數(shù)l（拉梅模量）和l（切變模量），合稱拉梅系數(shù)，  振動(dòng)與地震波  1.彈性振動(dòng)和彈性波：                                                                          彈性體在外力的作用下，其介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)會(huì)離開(kāi)平衡位置發(fā)生位移而產(chǎn)生形變，當(dāng)外力解除以后，產(chǎn)生位移的質(zhì)點(diǎn)在應(yīng)力的作用下都有一個(gè)恢復(fù)到原始平衡位置的過(guò)程，但是由于慣性力的作用，運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)不可能立刻停止在原來(lái)的位置上，而是向平衡位置另一方向移動(dòng)，于是又產(chǎn)生新的應(yīng)力，使質(zhì)點(diǎn)再向原始的平衡位置移動(dòng)，這樣應(yīng)力和慣性力不斷作用的結(jié)果，使質(zhì)點(diǎn)圍繞其原來(lái)的平衡位置發(fā)生振動(dòng)。這和彈簧及琴弦的振動(dòng)過(guò)程十分相似，稱之為彈性振動(dòng)。
 
  另外，在振動(dòng)過(guò)程式中，由于振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)和其相鄰質(zhì)點(diǎn)間的應(yīng)力作用，必然會(huì)引起相鄰質(zhì)點(diǎn)的相應(yīng)振動(dòng)，這種振動(dòng)在彈性介質(zhì)中不斷地傳播和擴(kuò)大，便形成了以激發(fā)點(diǎn)為中心，以一定速度傳播開(kāi)去的彈性波。因此，彈性波是振動(dòng)形式在介質(zhì)中的傳播，是能量傳播的一種形式。  地震波的形成：
 
  淺層地震勘探中所用震源一般包括錘擊、落重等機(jī)械震源，炸藥爆炸震源，及電火花等其它形式的震源。這些震源均以瞬時(shí)脈沖式激發(fā)。實(shí)踐表明，不論使用哪種震源，在激發(fā)時(shí)，激振點(diǎn)附近的一定區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)將大大地超過(guò)其介質(zhì)的彈性極限而發(fā)生巖土大破裂與擠壓形變等，形成一個(gè)塑性與非線性形變帶。再向外其壓強(qiáng)不斷地減小，直至其周?chē)橘|(zhì)能產(chǎn)生完全的彈性形變。上述震源點(diǎn)附近的非線性形變區(qū)稱之為等效空穴，等效空穴邊緣的質(zhì)點(diǎn)，在激發(fā)脈沖的擠壓下，質(zhì)點(diǎn)將產(chǎn)生圍繞其平衡位置的振動(dòng)，形成了初始的地震子波，這種振動(dòng)是一種阻尼振動(dòng)，在介質(zhì) 中沿射線方向向四面八方傳播，形成地震波。又因?yàn)榻邮蘸脱芯康卣鸩▊鞑サ目臻g一般都遠(yuǎn)離震源點(diǎn)，其介質(zhì)受到的力很小，介質(zhì)表現(xiàn)為完全彈性的性質(zhì)，故又稱為地震彈性波。  地震子波：由震源激發(fā)、經(jīng)地下傳播并被接收的一個(gè)短脈沖振動(dòng)，稱為該振動(dòng)的地震子波。
 
  非周期性：地震子波的一個(gè)基本屬性是振動(dòng)的非周期性。（地震子波基本屬性之一） 地震子波基本屬性之二：地震子波具有確定的起始時(shí)間和有限的能量。因此，振動(dòng)經(jīng)過(guò)很短的一段時(shí)間即衰減。  地震子波的延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度：地震子波衰減時(shí)間長(zhǎng)短稱為地震子波的延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度。它決定了地震勘探的分辨率。
 
  地震的分辨能力與地震子波有關(guān)，具體地說(shuō)，地震子波的頻帶寬度、延續(xù)時(shí)間和子波形狀是影響分辨率的主要因素。當(dāng)子波相位數(shù)一定時(shí)，頻率越高，子波的延續(xù)時(shí)間越短，分辨能力越高。
 
  視速度：沿任一方向測(cè)得的速度值，并不是地震波傳播的真實(shí)速度值，而是沿觀測(cè)方向，距離和波實(shí)際傳播時(shí)間的比值，這種速度稱為視速度。
 
  地震波振動(dòng)圖：這種用坐標(biāo)系統(tǒng)表示的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移隨時(shí)間變化的圖形稱為地震波的振動(dòng)圖。
 
  波剖面圖：在實(shí)際地震記錄中，每一道記錄就是一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的地震波振動(dòng)圖。這種描述某一時(shí)刻 t 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移 u 隨距離 x 變化的圖形稱之為波剖面圖。   視速度：地震波的傳播方向是沿波射線的方向進(jìn)行的。因此在觀測(cè)地震波時(shí)，只有當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)的連線與波射線的方向一致時(shí)，才能測(cè)得傳播速度的真值V。而沿任一觀測(cè)方向測(cè)得的速度值，并不是地震波傳播的真實(shí)速度值，而是沿觀測(cè)方向，觀測(cè)點(diǎn)之間的距離和波實(shí)際傳播時(shí)間的比值。這種速度稱之為視速度。
 
  式中l(wèi)為波射線與地面法線之間的夾角（入射角），e為波前與地面法線之間的夾角（出射角）。上式表示了視速度和真速度之間的關(guān)系，稱為視速度定理。 ①當(dāng)α=90時(shí),V*=V,波沿測(cè)線傳播，視速度等于真速度。②當(dāng)α=0時(shí),波垂直測(cè)線方向，V*→∞，此時(shí)波前同時(shí)到達(dá)地面各點(diǎn),無(wú)時(shí)間差。③當(dāng)α由0°→90°,視速度V*由無(wú)限大變至真速度V，正常情況，V*≥V。④均勻各向同性介質(zhì)中,由于V值不變,視速度V*的變化反映了地震波入射角的變化。
 
  地震波可分為體波和面波兩大類(lèi)。  體波在介質(zhì)的整個(gè)體積內(nèi)傳播，根據(jù)其傳播特征的不同，又可分為縱波（又稱P波）和橫波（又稱S波）。 面波則沿介質(zhì)的自由表面或兩種不同介質(zhì)的分界面?zhèn)鞑?，根?jù)其性質(zhì)的不同，又可分為瑞利(Rayleigh)波和勒夫(Love)波等。  1.縱波：彈性介質(zhì)發(fā)生體積形變（即拉伸或壓縮形變）所產(chǎn)生的波動(dòng)稱為縱波?？v波又稱壓縮波（或P波）。特點(diǎn)：縱波的傳播方向和質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向一致。 2. 橫波：彈性介質(zhì)發(fā)生切變時(shí)所產(chǎn)生的波動(dòng)稱為橫波，即剪切形變?cè)诮橘|(zhì)中的傳播，又稱為剪切波（S波）。特點(diǎn)：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相互垂直。
 
  質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)發(fā)生在垂直平面內(nèi)的橫波分量，稱為SV波；質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)發(fā)生在水平面內(nèi)的橫波分量，稱之為SH波。
 
  3、面波：是僅存在于彈性分界面附近波動(dòng)，分為瑞利波與勒夫波。瑞利波是沿介質(zhì)與大氣層接觸的自由表面?zhèn)鞑サ拿娌ā?/div>
 
  傳播特點(diǎn)：  ①質(zhì)點(diǎn)在通過(guò)傳播方向的垂直面內(nèi)沿橢圓軌跡作逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，其橢圓長(zhǎng)軸垂直于介質(zhì)表面，長(zhǎng)短軸之比大致為3:2  ②瑞利波頻率低、速度接近于橫波波速，強(qiáng)度隨深度呈指數(shù)衰減，但在水平方向衰減很慢。
 
  在一般地震勘探中它是一種干擾波。但在表層介質(zhì)的勘查中瑞利波具有特殊的作用。
 
  勒夫波是沿兩種彈性介質(zhì)分界面?zhèn)鞑サ拿娌?，這種波一般出現(xiàn)在覆蓋層和下伏介質(zhì)的分界面，可看做是SH波的一種特殊形式。
 
  1.地震波的頻譜及頻譜分析：任一地震波都可用波形函數(shù)A（t）來(lái)描述，根據(jù)頻譜分析理論， A（t）可以看著是由無(wú)限多個(gè)頻率連續(xù)變化的諧振動(dòng)疊加而成的。這些諧振動(dòng)的振幅和初相位則隨頻率的改變而變化；振幅隨頻率變化的關(guān)系稱為振幅譜，初相位隨頻率的變化關(guān)系稱為相位譜，統(tǒng)稱為地震波的頻譜。
 
  頻譜：就是頻率的分布曲線，復(fù)雜振蕩分解為振幅不同和頻率不同的諧振蕩，這些諧振蕩的幅值按頻率排列的的圖形叫做頻譜。
 
  3、采集到的地震波圖像是波的振動(dòng)圖像（振幅隨時(shí)間變化的函數(shù)），是地震波在時(shí)間域的變示形式，而不同波是用頻率來(lái)區(qū)別的，為了研究地震波的頻譜特征，必須把時(shí)間域轉(zhuǎn)換為頻率域。這種變換過(guò)程稱為頻譜分析方法。
 
  a(t) → A(f)
 
  地震波的頻譜分析方法是以傅立葉變換為基礎(chǔ)的。傅立葉變換的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
 
  如果所研究的對(duì)象不是地震波振幅隨時(shí)間變化的振動(dòng)圖形，而是振幅隨空間距離變 化的波剖面圖，這時(shí)用傅氏分析對(duì)波剖面函數(shù)變換得到的結(jié)果稱為波數(shù)譜，其方法稱之為波數(shù)分析。
 
  地震波的振幅及衰減規(guī)律
 
  地震波在地層介質(zhì)中傳播到被接收的過(guò)程中，影響其振幅和波形的因素主要包括三類(lèi)，第一類(lèi)是激發(fā)條件的影響，它包括激發(fā)方式、激發(fā)強(qiáng)度、振源與地面的偶合狀況等。
 
  第二類(lèi)是地震波在傳播過(guò)程中受到的影響，包括波前擴(kuò)散、地層吸收、反射、透射、入射角大小、以及產(chǎn)生波形轉(zhuǎn)換等造成的衰減。第三類(lèi)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(duì)波形的改造及檢波器的組合效應(yīng)、檢波器與地面的偶合狀況等。此外，地下巖層界面的形態(tài)和平滑程度也會(huì)對(duì)地震波振幅有所影響。
 
  其中第一類(lèi)激發(fā)條件和第三類(lèi)接收條件所包含的諸因素是可以由人工控制選擇的。第二類(lèi)因素與地下地層巖性等直接有關(guān)的。  地震波在傳播過(guò)程中隨著距離或深度的增加，高頻成分會(huì)被很快地?fù)p失掉，而且波的振幅按指數(shù)規(guī)律衰減。實(shí)際地層對(duì)波的這種改造，通常稱為大地低通濾波器效應(yīng)。
 
  （1）波前擴(kuò)散：在均勻介質(zhì)中，點(diǎn)振源的波前為球面，隨著傳播距離的增大，球面逐漸擴(kuò)展，但總能量仍保持不變，而單位面積上的能量逐漸減小，振動(dòng)的振幅也隨之減小，這稱為球面擴(kuò)散（或波前擴(kuò)散）。
 
  （2）吸收衰減：由于實(shí)際的巖層并非理想的彈性介質(zhì)，在地震波的傳播過(guò)程中介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間的相互摩擦消耗了質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的能量，造成介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的振幅（即地震波的振幅）的衰減，稱為介質(zhì)對(duì)地震波的吸收衰減。
 
  介質(zhì)的吸收系數(shù)：
 
  （1）與該介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，對(duì)于某一種介質(zhì) ，其吸收系數(shù)為一常數(shù)。一般疏松膠結(jié)差的巖層，吸收系數(shù)較大；致密巖石，吸收系數(shù)則較小。
 
  （2）與地震波的頻率密切相關(guān)，理論研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于同一種介質(zhì)，吸收系數(shù)的大小與波的頻率成正比，頻率越高，則吸收越大。      因此，地震波在傳播中高頻成份損失較快，而存留了較低的頻率成分，介質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器。  大地巖土介質(zhì)的這種濾波作用，往往使得淺層地震波的頻率較高，深層的地震波的頻率較低。
 
  通過(guò)大地濾波的作用，地震波高頻成分損失，改變了脈沖的頻譜成分，使頻譜變窄，因而使激發(fā)的短脈沖經(jīng)大地濾波作用后其延續(xù)時(shí)間加長(zhǎng)，分辨率降低。這種經(jīng)大地濾波作用后輸出的波稱為地震子波。  瑞利波的速度最低，橫波速度次之，縱波速度最高
 
  （1）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(qiáng)。
 
  （2）當(dāng)巖層富含水或油氣時(shí)，往往對(duì)縱波的速度影響較大，但對(duì)其剪切模量和橫波的速度幾乎沒(méi)有什么影響。因此可以利用縱、橫波速度的比值變化來(lái)判別巖土介質(zhì)的含水性等。
 
  （3）縱、橫波聯(lián)合的多波地震勘探是分辨巖性的重要方法之一，也是地震勘探的一個(gè)發(fā)展方向。
 
  1. 惠更斯原理： 惠更斯原理亦稱波前原理，假設(shè)在彈性介質(zhì)中，已知某時(shí)刻t1 波前面上各點(diǎn)，則可以把這些點(diǎn)看著是新的振動(dòng)源，從t1 時(shí)刻開(kāi)始產(chǎn)生子波向外傳播，經(jīng)過(guò)t時(shí)間后，這些子波的波前所構(gòu)成的包絡(luò)面就是t1 +t 時(shí)刻的新的波前面。
 
  2.費(fèi)馬原理： 費(fèi)馬原理又稱射線原理或最小時(shí)間原理，它給出地震波總是沿地震射線傳播，以保證波到達(dá)某點(diǎn)時(shí)所用的旅行時(shí)間最少。  在均勻各向同性介質(zhì)中，顯然，地震射線應(yīng)當(dāng)是從震源O出發(fā)的直射線 ，因?yàn)榈卣鸩ㄖ挥醒剡@樣的地震射線方向傳播到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)，旅行時(shí)間才是最少的。 在各向同性的均勻介質(zhì)中，從一個(gè)等時(shí)面到另一個(gè)等時(shí)面，只有垂直距離最短，因此波沿垂直于等時(shí)面方向傳播所用旅行時(shí)間最少，故地震射線和等時(shí)面總是互相垂直的。用波前和波射線的概念來(lái)描述波動(dòng)景觀是一種簡(jiǎn)便而清晰的方法。  在同一個(gè)界面上的入射波反射波以及透射波都具有相同的射線常數(shù)，并且入射角等于反射角；透射角的大小則決定于介質(zhì)W2的波速V2。 這一關(guān)系式稱為斯奈爾定律 ，也稱為
 
  反射和折射定律。
 
  2. 地震波的折射及其特征
 
  地震波在傳播過(guò)程中，當(dāng)遇到波速不同的介質(zhì)分界面，且其界面以下的速度 V2 大 于界面以上的速度V1  時(shí)，根據(jù)斯奈爾定律，則波的透射角必大于其入射角，且隨著入射角l的增加而加大，當(dāng)入射角l增大至某一角度 i 時(shí)，將會(huì)使透射角=90°，  滑行波相應(yīng)的入射點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)，入射角稱為 i 稱為臨界角 。
 
  當(dāng)滑行波沿著界面?zhèn)鞑r(shí)，必然引起界面上各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，根據(jù)惠更斯原理，滑行波所經(jīng)歷的界面上各點(diǎn)，都可看作是一個(gè)新的振動(dòng)源。由于界面兩側(cè)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)存在著彈性聯(lián)系，因此滑行波沿界面?zhèn)鞑r(shí)，在上覆介質(zhì)中將產(chǎn)生新波，返回到地面被儀器所接收，這種由滑行波引起的波在地震勘探中稱為折射波。
 
  折射波特點(diǎn)：
 
  （1）以臨界角i 從界面射出。
 
  （2）在臨界點(diǎn)折射波射線與反射波射線重合。在臨界點(diǎn)后以臨界角i 向地表射出。
 
  （3）臨界點(diǎn)以內(nèi)不產(chǎn)生折射波，因此折射波勘探中存在盲區(qū)，BB’即為盲區(qū)的范圍，當(dāng)?shù)孛媾c界面平行時(shí)，盲區(qū)應(yīng)該是一個(gè)圓 。
 
  折射波的形成條件：下覆層波速V2大于上覆層速度V1；入射角需達(dá)到臨界角。 直達(dá)波：由振源出發(fā)向外傳播，沒(méi)有遇到分界面直接到達(dá)接收點(diǎn)的波叫直達(dá)波。
 
  轉(zhuǎn)換波：一個(gè)縱波入射到反射面時(shí)，既產(chǎn)生反射縱波和反射橫波，也產(chǎn)生透射縱波和透射橫波。與入射波類(lèi)型相同的反射波或透射波稱為同類(lèi)波。改變了類(lèi)型的反射波或透射波稱為轉(zhuǎn)換波。入射角不大，轉(zhuǎn)換波很小，垂直入射不產(chǎn)生轉(zhuǎn)換波。
 
  初至波：由于各種地震波的傳播速度不同，傳播到觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)間也就有先后。地震發(fā)生后，地震觀測(cè)點(diǎn)最先接收到的波稱初至波。  地震界面是指地震波傳播時(shí)波速變化的界面或波阻抗不同的界面，而地質(zhì)界面是指巖性不同的界面（有時(shí)一致，有時(shí)不一致）