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1、第二章反射波法和其它物探方法一样 工程地震勘探的方法 也是按照检波器接收的有效地震波的种类来命名 反射波法就是利用检波器接收的从地下岩层介质和分界面反射回来的地震波 使用计算机对地震波带来的各种信息的分析处理 得到被勘察场地的地层分布和构造变化的地震勘察方法 如果接收和处理的是折射波 面波就是折射波法 面波法 其实折射波法是最早进入工程地震勘察的方法 这个时间大概是上个世纪四十年代末第二次世界大战结束以后的城市重建浪潮开始的 但这种方法本身的局限性 限制了它的发展和应用 近些年 特别是上世纪八 九十年代末开始 随着我国国民经济的持续高速发展 防震减灾法的公布与实施 我国城市化进程的发展不断加速
2、 城市规模不断扩展 也给城市工程勘察行业的扩展兴旺发达带来了机遇 由于工程抗震的要求不断的提高 在城市建设项目前期的地基勘查中 选择使用工程地震勘察的方法进行勘察不断增加 目前浅层反射波的方法在工程地震勘探和基础建设各个领域已经得到广泛的应用 这还是上个世纪七十年代计算技术的发展和计算机的普及 以及新一代的工程地震仪的不断问世 才开始的 到九十年代中期 浅层反射法在工程勘察中已取得了可喜的发展和普遍推广使用 各种勘察新技术也得到了迅速的发展 工程勘察的浅层反射法与石油找矿勘探的中深层的反射波法在原理都是基本相同的 由于工作探测的目的层深度不同 使用的仪器设备差别也较大 工程勘察面积一般较小 一
3、台地震仪几个人十天半个月或者一两个月就可以完成 而地震勘探寻找地下资源则需要成 百人组成地震队 工作时间可能几年或十几年 在所研究的具体对象上也具有明显不同 寻找石油和煤炭的中深层反射波法勘探 是研究地面以下数百米至数千米的大区域的地质构造 但是对于近地面1 2百米的地层和较小的构造就难以精确的定位 达不到工程勘察要求地精度 在找矿勘探中 由于勘探目标较深 处理地震数据资料时 对于地表面1 2百米的地层的数据 为了消除干扰和提高地震波信噪比 克服地表低速层的影响 往往都被切除掉 而浅层反射研究和应用的区域正是被深层找矿勘探资料处理时切除的部分 浅层反射这种工作方法 研究地表浅层的构造和地层 要
4、求勘察的精度高 除了环境的干扰外 排除表层不均匀和中深层各种各样地震信号的干扰也是很重要的环节 因此浅层反射波资料采集处理 难度就较大 这就构成了工程地震浅层反射法本身的特点 2 1在两层均匀介质中传播的直达波和反射波本节主要内容 一 时距曲线和时距方程及同相轴二 直达波的时距方程和理论时距曲线图三 均匀两层介质的条件下反射波时距方程与理论时距曲线1 建立反射波的时距方程式 2 反射波时距曲线的特征 四 正常时差概念 tn的1 定义 2 正常时差公式 3 正常时差的一些特点 2 1两层均匀介质中传播的直达波和反射波我们从反射波法最简单两层地层模型开始讲起 由于直达波总是伴随反射波同时出现 我们
5、就先从从直达波讲起 在讲课前 先介绍一些与本章知识有关的一些基本概念 一 时距曲线和时距方程及同相轴我们首先介绍一下反射波法勘察地基的简单原理方法 在地表面 用GPS定位一条测线 在测线的O点进行激发 并在一定距离上等距安放n个地震检波器 接收来自地下传播的地震波信号 每个检波器叫一个道 每条测线上都标有刻度 一般地说检波器和震源都在一条水平线上 我们就把由安放检波器的观测点和产生地震波的震源点与测线一起就构成了观测系统 并把震源O到每个检波点的距离叫炮检距用Xi来表示 每个检波器的安放是等距的 它们之间的距离叫道间距用 X来表示 每道检波器把接受到的地震信号由电缆传送到工程地震仪 工程地震仪
6、把地震信号记录并储存下来 就完成了地震的一次观测记录 我们把激发地震波的一瞬间作为产生地震波计时的起点 零点 从这一时刻起 由震源产生的地震波经过各种方式和路径传播到各道接收点 工程地震仪把各地震道接收的信号经过加工按照一定格式保存下来 形成了 成了一张地震记录图 完成了一次地震观测 我们把激发地震波的一瞬间作为产生地震波计时的起点 零点 从这一时刻起 由震源产生的地震波就会以各种方式和路径传播到各道接收点 工程地震仪把各地震道接收的信号保存下来 这个时刻就是地震图上的了零时刻 地震波产生的时刻 直角坐标系时间轴的圆点 地震记录图的纵坐标t轴代表时间轴 坐标的单位是毫秒 1ms 10 3秒 坐
7、标的源点为零毫秒 表示震源开始激发产生地震波的瞬间时刻 叫激发时间 横坐标是炮检距 单位是米 接收地震波信号的每个地震道 按照Xi炮检距的大小排列在横轴上 每一道相距 X N个道记录的地震波形就显示在以零毫秒及零米为原点 以时间为纵坐标轴以各道炮检距为横坐标轴的图象上 每一道记录的地震波 反映了距离震源Xi距离处接收到来自震源经过地下介质不同路径传播后 到达检波点的各种不同类型的地震波 这种地震信号带来了地下地层岩性和构造的信息 这张图就是地震记录图 把地震图上的各种信息和参数都标在一张以时间t为纵坐标 以炮检距X为横坐标直角坐标系的一张图中 在工程地震勘察中就叫时距曲线图 X X X 这张时
8、距曲线图 反映了来自同一界面和不同界面的各种波 直达波 反射波 折射波 声波 面波及各种干扰波 以一定的视速度按一定规律依次先后到达各个检波点它们之间的位置变化关系 在图中显示出波振动峰值的规律排列 也反映了波的旅行时间t与炮检距Xi之间的函线关系 把某一种波到达每个地震道的时间 或者特征点 连成一条线 这条线叫时距曲线 把这种X t的曲线关系用数学函数的形式表达出来 就叫时距方程 时距曲线和时距方程是解释和判断地层变化和构造的根据 我们学习工程地震勘察方法 先从各种不同类型波的时距方程和时距曲线开始学习 这种学习的方法在地球物理中叫正演 既在课堂中 学习各种不同类型地层和构造在地震勘察中记录
9、到的地震记录图和对时距曲线的形态 掌握各种不同类型地层和构造的特征 以便在勘察工作中对各种不同类型的进行判断 二 直达波的时距方程和理论时距曲线图从震源O点出发 没有经过界面的反射和透射直接传播到达 各道检波点的地震波叫直达波 直达波从震源发出沿地面方向在W1介质中以V1速度传播 未经过分界面R的反 透波与反射界面R和W2介质无关 因此它带来的地下信息是很有限的 当震源在地表面 此时h 0 直达波的入射角 90 按视速度定理V V1 直达波以V1速度先后到达各到检波点 把直达波到达各个道的时间用直线连结起来 则就是一条通过坐标原点的直线 这条直线就是直达波的时距曲线 我们可以从这条时距曲线中找
10、到波传播距离X和所用时间t的函数关系 直达波到达各道检波点的时间ti Xi V1 这个公式是一个直线方程 它表达了直达波在介质中传播时间t和距离之间的函数关系 把这个表达式就叫直达波的时距方程式 在时距方程中 还有一个速度参数V1 我们应该注意 在时距曲线图中它代表了W1介质的速度V1 数值等于那条直达波时距曲线斜率的倒数 既V1 1 m 公式中m为直达波时距曲线的斜率 它如何求 我们只需在时距图中的X轴上任意道检波点D上 作一条平行于纵轴t的直线 与直达波时距曲线的交 就是个道记录的直达波的到时 该点的炮检距等于Xi 则m t X t X V1 1 m可求 由于直达波仅仅在W1介质中传播与V
11、2和反射界面R无关 一般来说 只能求得W1介质的直达波传播的速度 在一块场地 介质无特殊变化各处的V1应当是相等的 它代表了第一层介质的速度V1 t X 三 均匀两层介质条件下反射波的时距方程与理论时距曲线这是一个比较理想化的最简单的地质模型 它表示分界面两侧的介质都是均匀的 分界面是水平 平界面 1 建立反射波的时距方程式 设两层介质的分界面为R 两侧介质为W1 W2 波阻抗Z1和Z2不相等 在O点激发地震波 使用地震检波器 在测线上的D1 D2 D3 Dn处接收来自地下分界面R上的A1 A2 A3 An点的反射波 X1 X2 X3 Xn分别为各道接收点的炮检距 反射波到达各道的时间 从地震
12、波的记录图上可以测量出来 为寻找到X和t的函数关系 从图中直接可以看出 OA1 A1D1 OA2 A2D2 都是随入射交 的增加而加大 因此比较难以直观 简单的寻找出时间t和炮检距X的函数关系 为了找到X和t的关系 我们需用引入一个新的概念 既物理光学中使用的镜象法的虚震源 过震源O点作垂直分界面的直线 交于分界线上A点OA h h为第一层W1介质的厚度 也等于界面的埋藏深度 延长OA到O 使O A OA h 在用线联结O 和分界面上的各个反点A1 A2 A3 An 则O 是震源O以界面R为镜像的虚震源 由震源O发出的波射线 OA1 OA2 OA3 OAn 经过在分界面上各点 A1 A2 A3
13、 An 的反射 到达了地面测线上的各接收点 D1 D2 D3 Dn 此时 就把虚震源以上的介质都当成是波阻抗为Z1 1 1的W1介质 由O 发出的射O A1D1代替OA1D1 但这两条射线路径长度是相等的 在接收点D1上 反射波的到达时间t可以用简单方法求取 1 2 3 3 式中O D1是直角 OO D1的斜边则反射波到达D1的时间t可求 这个方程表达了反射波的传播时间和传播距离之间特定函数关系 关系中也包括h和V1的因子 可以变化成下式 或经过变形 上式可以变成为反射波的标准方程式 双曲线方程标准式 相比 也可以认定反射波的时距方程式是标准双曲线方程 三 三维空间的时距方程与曲线 如图所示
14、设地面为平面Q 平界面的反射界面R与地面的夹角 界面倾角 波速为 为 测线沿X轴方向 X轴与地层界面的倾向夹角为 又叫测线方位角 取震源O为坐标原点 Z轴的方向垂直向下 在测线上任意一点S进行观测时 所观测到的反射波的射线路径为OBS 根据斯奈尔定律 OBS一定在包含测线X且垂直于反射界面R的平面内 这个平面称为射线平面 为了便于计算OBS的路程 可以从震源O点向反射界面做垂线OA h并向下延长至O 使O A h O xm ym zm 为虚震源 在O点激发的地震波在界面B点反射回地表面S 就好像地震波从O 直接发出经过B达到地面S 从图中可以看出 直角 OAB与 O AB是全等的 所以就有 O
15、 O O 既由震源 点发出的地震波经 点反射后 好像是由O 点直接发出达到 点的波一样 对于地面点 来说 沿OBS路径传播的反射波使用的时间为 在解析几何中 这是一个旋转双曲面的方程式 双曲面的轴通过O 在地面上的投影点 xm ym 并于时间轴平行 当 时 反射波的旅行时有最小值 既旋转双曲面在 上有极小值 按照 则上式就变成 则 式就变成了反射波的时距方程式 这就是三维空间的反射波时距方程 一般来说 通过震源的测线统称纵测线 如果以平行XOY的平面切割反射波的时距曲线 并且把它们投影在地面上的就是一系列以O1为圆心的同心圆 与地面上各种方向布置的测线与与这些等时线相交时 将对应的时间距离关系
16、绘在直角坐标系中 既可以得到相应的时距曲线 比如在地表纵测线上 Y 0 Z 0则方程变成了 从图中可以看出OO1 2hsin OO2 xm 2hsin x在 O1O2O中 COS OO2 O1O sin x sin 此式可以写成 这个式子反映了真倾角 视倾角和测线方位角之间的关系 从关系式可以看出 1 当 0 时 真 视倾角相等 x 2 当 90 时 表示测线与地层走向相同 x 03 由于O1 O2 O三点并不重合因此包含射线平面在内的法线深度h并不等于激发点O铅锤方向下 界面的真深H与h 之间的关系式为 当 0时H h 也就是说 只有在水平界面的条件下真深度才能同法线深度相等 2 反射波时距曲线的特征从图中可以看出 反射波的时距曲线有以下特点 1 时距曲线不是直线 而是一条对称过激发点的时间t轴的一条双曲线 这点与直达波是不一样 曲线上各点的斜率都是在变化的 它代表了第一层介质的视速度V 随着入射角的变化而改变 2 视速度公式也是这样表达的 V V1 sin 当炮检距X比较大时 直达波的时距曲线就成为反射波的渐进线 一般地说 当炮检距超过200米左右的距离时 两者就基本重合在一起 t
