地震映像在工程勘察中应用

地震映像在水域勘察中的运用作者：王兆景，刘轩雄，费建东（ 浙江有色应用地球物理研究院 312000） 摘要：地震映像法是以固定偏移距激宽频带弹性波，以共偏移距观测方法，近炮点、宽频带、 快速、高密度采集多波列弹性波映像，其中含有直达波和来自不同地质体的绕射波、反射波 等信息。通过对所接受的多波列地震波的振幅、频率、相位的对比分析，可查明地层的分层 情况。它既可以用于陆上，也适用于水域勘察。本文着重介绍地震映像在水域勘察中的实施， 并对实际操作中遇到问题进行讨论。关键词：地震映像 宽频 纵波引言：水域工程物探主要是由陆地工程物探发展而来，它和陆地工程物探的多种方法一样，为 了探查水下的第四系土层、基岩分布及地质构造，也可以采用电磁法（瞬态电磁法、地质雷 达等）、磁法、重力法、地震手段。但由于水域工程物探较陆地物探有其独特的地方，一是 水是低阻体，尤其是海水电阻更低；二是需探测水底地形以下深度，而水的深浅不同，浅的 3-5米，深的可达到百米；三是水底是很强的反射界面。这需要选择物探手段，陆地物探中 的电法，电磁法就不易在水中采用，尤其在海水中采用。有资料显示，100MHz天线的探地雷 达在淡水中的探测不超过10米，而在海水就更浅了。因此，地震物探就作为水域物探的首选 的方法。文章主要讨论了地震映像在水域勘察中遇到的问题及实际采用技术方法，并对地震 映像的特性及适用范围进行延伸。1.1方法及原理介绍：地震映像（又称高密度地震勘探和地震多波勘探），是基与反射波法中最佳偏移距发展起 来的。这种方法可以利用多种地震波作为有效波来进行勘探，也可以根据探测目的的要求仅 采用某一种特定的地震波作为有效波。地震映像法由于每个记录道都采用了相同的偏移距， 则地震记录上的时间变化主要为地下地质体的反映，这给资料解释带来极大的方便，可直接 对资料进行数字解释，如频谱分析、相关分析等。1.2 测区的地质情况与判断的基本原则 地震记录仪之所以能反映各地质体的区别，其原理是地层与地层之间存在着波阻抗差异。如 以下工程实例一，根据该工程的钻孔资料可知，测区浅部地层为淤泥、砂砾石混粘土、淤泥 与砂砾石混粘的土界面在高密度地震映像图上，均会出现较为连续一致的地震波同相轴，追 踪界面的同相轴，即可推断界面的起伏状况。1.3 方法技术选择根据工作任务及测区地形、地质特征工作条件和工区介质地球物理特征，以及考虑工作 开展效率，本次勘探选用走航式地震映像法，以查明弱风化基岩埋深和起伏形态，以及是否 存在不良地质作用。在地震映像测量过程中，激发后在接收点用单个检波器接收，仪器记录后，激发点和接 收点同时向前移动一定的距离（或称为点距），重复上述过程可获得一条剖面上的地震映像 时间剖面。记录点的位置是激发和接收距离的中点，实际上此记录反映了此偏移距范围内地 下的岩层、岩性的变化，采用不同的有效波时，地震记录上这种波反映的介质情况及位置应 有不同的意义。在水域采用的地震方法较陆地有优势也有困难，优点是：1、表层结构的不同: 陆地的表层声波速度差异较大，地下水面的松软土层声波一般在 300-600m/s，含水土层的声波大约在1000m/s左右，在往下的正常严密的土层的声波速度 大约在1600-2000 m/s左右，而在水域条件下，海水的声波一般在1500m/s，水的第四系 地层的声波大约在1600-1800m/s ，这对于地震波传播来说，与正常压实的地层几乎没有 什么差别。由于水及饱和土层的纵波衰减较小，高频波得以通过，反射波接收频率高，因此 勘探精度及薄层探测能力高。2、陆地表层横向差异较大: 陆地上的地表如河沟、土坡、坑洼等及各种土质变化，对激 发和接收条件有很大的影响，而水的一致性很好，激发和接收的一致性使得进行可靠的数据 处理。3、水中声波传播的单一性:水中只能传播纵波，因此，利用其波的传播的单一性，摆脱 了陆地地面波的干扰的麻烦。由于纵波能量集中，地震探测深度也较陆地要深。考虑的因素：1、水中定位困难，由于工作区域位于入海口，除了潮水波涛汹涌外，水流速也是很大影 响，计算流速，选择船要向上游倾斜，并采用的动态差分GPS定位。2、水上地震的噪音干扰，如水波的干扰、地震测量船体及螺旋桨、风浪等噪音干扰。字 串。作业时一定要做干扰波调查。3、海底鸣震强，其频率与地震波发射的频率几乎一致。水地的强烈的反射形成鬼波，对 地震反射资料的解释精度有很大的影响。4、作为一个工程项目：野外成本控制也是衡量项目成败的关键：本次在水域上做物探， 租船费用相当高。由于工作区域是在入海口：浪花很大，所谓踏浪而来，乘风归去，只是诗 人的浪漫情怀。一般内陆的平底船稳定性差，选择排水量 200吨的海船，并选择涨潮时的平 潮，退潮时的平潮这段较平稳间歇。平潮期只有2个小时，工作有效时间短。准备工作事先 一定要做好，才能提高工作效率。实践出真知。做过一种方法一定要总结，哪些地方可以改进，哪些地方效果不好，怎么 改进。这样工作才会有进步。2，实际野外工作2.1工作目的和要求本次地球物理勘探的目的任务主要是配合工程地质钻探：（1）查明桥位方案B下是否存 在地质构造、断层破碎带等不良地质作用；（2）查明桥轴线附近水下地形、覆盖层厚度、基 岩埋深、起伏形态及特征等。2.2测线布设根据勘探工作的目的、任务及甲方的工作要求，给定的工程物探勘察专题技术要求，在 桥位方案B区域内沿设计桥轴线平行布设测线3条，线距为50米，测线长均为1640米。另 外在桥位方案B的上游1000m处深坑补充物探短测线1条，测线长877米。依据物探勘察专题技术要求中的测线布设，并结合现场实际情况，首先在1：2000的地 形图上预布测线，计算出各测线延伸至陆域上的控制点坐标，用GPS定出可以控制各测线的 控制基点。水上勘探工作选择平潮时进行作业，岸上测量人员通过全站仪观察，用对讲机指挥作业 船缓行进行作业，同时作业船内利用手持式GPS (精度土 2m)进行校控。干扰波调查：选择宽频带的 100Hz 检波器，在水域内长时间采集信号，类似于常时微 振动测量和桥梁模态测量。将时间域图像转换到频率域，调查出干扰波主频。2.2仪器设备(1) 水上地震映像工作采用重庆奔腾仪器厂生产的WZG24数字式工程地震仪(24 道)和CDJlOOHz垂直水中检波器；(2) 测量工作采用苏州一光生产的RTS600型全站仪。(3) 锤击震源选择：水域工程物探的地震法震源的选择和布设较难。陆地的锤击和炸 药震源不适宜在水上应用，而作为资源勘察的水域震源又不适合在工程上用。由于水上勘察要求有较深的探测深度，同时要避开低频的干扰波信号。对比桩基检测中 往往采用尼龙锤。本次工作还是采取陆地上使用12磅的重锤，同时在锤击面下垫有一层较 厚的硬塑料板。为确保能量集中，尽量往下传播，锤击时垂直重击。激发能量大、频带宽。在震源位置布置上，曾经采取将震源固定在水上的浮子上，利用浮子浸水导电触发，对 比试验后决定将震源放置在船体最底下层板，拆掉底板的木质板，在铁壳船底垫上硬塑料板。接收选择，CDJlOOHz垂直水中检波器距离震源位置大于15米，从船头吊下船底下约 5米。基 岩图一野外工作布置图2.3工作参数观测方式：连续测量偏移距：1015m 采样间隔：0.20ms 记录长度：409.6ms测区岩土介质地球物理特征表1地球物理参数第四系淤泥强风化弱风化海水破碎带纵波波速(km/s)1.01.51.21.52.52.53.51.51.52.4成果分析根据宽频带地震检波器干扰波调查本次波浪及其他机械干扰主频为40Hz。对获得的地震 映像图进行预处理，滤掉低通带宽。检查剔除坏道。可以提取纵波的初至，计算速度对照测 区岩土介质地球物理特征。压制干扰波，本次地震映像工作触发时间较短，平均1秒钟完成 一个勘探点的探查功能，同样每小时3海里的走航速度，实现的勘探点间距为1.5米左右, 达到对地层的精细勘察。前文已经说过，地震映像又称高密度地震勘探和地震多波勘探，是基与反射波法中最佳 偏移距发展起来的。这种方法可以利用多种地震波作为有效波来进行勘探，也可以根据探测 目的的要求仅采用某一种特定的地震波作为有效波。反射波，折射波在地震映像中有不同的 同相轴。本次地震影像根据计算深度选择了反射波的最佳偏移距15米，同时大致算出各个 界面的初至时间： 初至时间=传播距离/平均速度水底界面初至时间=求根（偏移距的平方+ （水底深度*2）平方）/海水纵波速度=sqrt （ 225 + 400 ）/1.5 =16.7 ms淤泥和松散软土大致初至时间约为100 ms ，弱风化顶面初至时间为约180 ms由于水底地面线和基岩面影响，纵波在地震映像内很有可能多次反射成像，结果追踪到多 条同相轴。根据大致计算时间分析，对同相轴是水底面时间倍数的初步进行排除。地震映像波列成果图及工程地质推断解释图如下图一物探东线地震映像波列成果图物探东线工程地质推断解释图剖面方位为北偏东13度，全长1640.0m。泥面标高为-8.2-0.4m；卵石夹粘土顶面标高 为-62.7-50.3m ；弱风化基岩顶板标高为-128.0-65.1m。图二B方案轴线地震映像波列成果图B方案轴线工程地质推断解释图剖面方位为北偏东13度，全长1640.0m。泥面标高为-8.31.0m；卵石夹粘土顶面标高为 -56.9-4 8.2m ；弱风化基岩顶板标高为-122.3-44.0m。图三物探西线地震映像波列成果图物探西线工程地质推断解释图剖面方位为北偏东13度，全长1640.0m。泥面标高为8. 10.8m；卵石夹粘土顶面标高为 -50.9-36.1m ；弱风化基岩顶板标高为-105.8-46.2m。7 jT _ _ -.-T- .一一一基岩基岩图四附加物探线地震映像波列成果图|附加物探线工程地质推断解释图剖面方位为北偏东24度，全长877.0m。泥面标高为-12.5-6.2m；卵石夹粘土顶面标高 为-51.7-44.7m ；弱风化基岩顶板标高为-99.5-84.6m。所有测线的地震映像波列成果图，无反射同向轴明显缺失、杂乱等现象，且弱风化基岩 面无陡降、陡升段，表明本次地球物理勘探测线范围内不存在地质构造、断层破碎带等不良 地质作用。本次通过该法的勘察，了解了测区范围内的地层状况，为工程的正常施工创造了有利条 件，达到了预期目的。2.5实例讨论:地震映像原理即为高密度地震单道反射。利用了地震波在向地下传波过程中，遇到地下介 质存在物理力学的（如波阻抗）差异。便会产生反射波并反射回地面。当介质分布均匀，无地 下空洞、软弱地层等不良地质体存在时,则所得到的同相轴连续稳定，不会出现错断、拱起等 现象。若地下存在空洞、软弱地层等不良地质现象，则地震波在其分界面上产生波的绕射等 现象,使得同相轴出现错断、拱起、反相位及波周期变化、能量较快。如实例二（图六）， 基岩面突然丢失，推断为岩溶。由于这个特性，地震映像可以清晰勾勒出不同波阻抗对应的淤泥、砂砾石混粘土及基岩 界面。同样，由于这一特性，地震映像已实际应用于调查水域底抛石及沉渣厚度，测到淤泥 厚度以及其底部的地质构造。抛石层内由于排列不均，差异较大，反映在高密度地震映像图 上地震波波形杂乱，并会出现明显的绕射波，由此可测出抛石层的厚度。标咼（米）图六地震映像买测波列图地球物理勘探推断解释图0153045607590105120135150弱风化基岩顶面埋深在2138米之间；2740m段和105128m段，弱风化基岩面出现同 相轴不连续且局部段出现缺失，推测为溶蚀作用；24m处、埋深30.534.8m段，出现杂乱 的反射现象，推测为溶洞。26与其他方法对比：高密度地震映象技术作为一种简单实用的地震勘探方法，应该说有点“反朴归真“的 味道，相交其他物探方法手段，它不采用多道检波器接收，也没有那么多的时频分析及正反 演。地震映像与较普通折射波，反射波法对比。图象直观，野外使用方便，工作效率高。特 别是不用多次叠加，动校正。这在水上工作来说，尤为重要。常规水域走航式地震反射波的 采集，一般是35分钟采集一次，以船速每小时3海里计算，每测点的间隔为255425米， 如此大的测点间隔往往不能满足工程勘察要求；而地震映像工作触发时间较短，平均每秒采 集可以一次。对比地质雷达测试：虽然地质雷达可以保持精细测量，而且计算方法类似地震映像，但 由于天线发射的是电磁波，由于海水的电磁耦合及吸收，电磁波穿透深度浅，选择50MH z 的非屏蔽天线穿透深度大致在15米左右，对于浅层填土，塘渣有一定应用，这在以后工程 实例中可以尝试。工程地震勘察的发展，越来越走向多道地震波勘察。单次采集地震道数越来越多，采集 信号包括了，直达波，折射波，反射波，面波等多种波数据，采集和分析软件也走向智能化， 多用途，可以三维成像，切片，做各种时频分析，滤波分析，节省了大量劳动强度。而地震 映象技术，应该说是最简单的方法，直观，简便却有广泛用途。衡量一种方法好坏不在于有多少先进，仪器设备多少好坏。而在于他能解决实际问题。 成本小，效率高，才是创造最高的效益比。3，结论 多个实例证明高密度地震映像法是检测和勘察水域地层状况的有效手段，它具有准确、 快速、价廉等优点，并可与普通地质钻探相互补充。在工程中得到广泛应用,取得了很好的 效果。参考文献参考文献1 丁华，王兆景，刘轩雄，椒江二桥桥址及接线工程地球物理勘察报告。2单娜琳，程志平，地震映像方法及应用J.桂林工学院学报2003,23 (1)： 36-40. 3 吕家良 高密度地震映像技术在水下工程检测中的应用 三航科研所