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1、摘 要 : 以武汉长江隧道水上物探勘察为实例 , 介绍浅层地震反射波法在水上工程地质勘察中的野外工作方法 、水上测量工作 、资料处理 、解释方法技术及地质解释依据 , 并在数据采集工作 、改善震源频率等方 面进行了有益的探讨 。关键词 : 浅层地震反射法 ; 长江隧道 ; 水域勘察中图分类号 : P631. 5 + 21;文献标识码 :文章编号 : 1671 - 1211 ( 2008) S4 - 0085 - 04P631A质粘土、粘土、粉土组成 , 一般厚度大于 50 m , 其下基0 引言浅层地震反射波法是利用仪器接收人工激发的 地震波在地下不同地层界面产生的反射信号 , 进行 地层划分
2、和解释地下地质构造特征的 。 20 世纪 80 年代后期进入工程勘察应用阶段 , 其应用范围较广 , 应用于勘测水深 、第四系厚度 、风化带和基岩面的起 伏形态及断裂构造发育特征等 。其效果好坏主要取 决于工作参数的选择 、信噪比的提高 , 最终达到正确 地质解释目的 ,为工程设计提供准确 、完整的岩土工 程勘察资料 。本文以武汉长江隧道水上勘察为例 , 介绍了地震反射波法在水上勘察中的应用 , 并在试 验工作 、水上测量工作 、震源激发频率和数据采集等 方面进行了有益的探讨 , 通过对物探成果进行了地 质解释 ,取得了较好的勘察效果 , 并获得了有价值的 结论 。岩为志留系中统坟头组 ( S
3、 f )砂岩、泥岩、页岩。22 方法原理及地球物理特征2. 1 地震工作原理当点源激发的地震波入射到地下介质的分界面 时 ,由于不同介质间存在波阻抗差异 ,地震波会在地下 不同介质界面处产生反射 ,接收到的地震波场将发生 明显变化 (如当地震波遇到破碎带时 ,纵波速度明显减 小 ,振幅大为降低 ) ,通过对仪器接受的地震波形资料 进行全面分析、处理、计算 ,利用处理所得的地震时间 剖面 ,结合已有的地质资料 ,对反射波场特征进行研究 和对比 ,确定各标准反射层位 ,如水底波组、基岩波组 等 ;追踪比较基岩顶面下的其它波组 ,分析对比其它波组的相位 、频率 、能量的变化 ; 划分出地下不同介质的
4、 界面和解释地下地质构造特征 ,进而了解岩土和构造 在空间上的分布规律 。2. 2 地球物理特征1 工程及地质概况武汉长江隧道处江面宽约 1 100 m ,设计长江隧道 为双孔四车道 ,采用盾构施工方案 ,单车道宽 3. 75 m , 车道净高 4. 5 m ,长度 2 200 m 2孔。测区地处扬子准地台上扬子台坪大冶台褶带之武 汉台褶束东北角。拟建隧道穿过锅顶山 王家店倒转 背斜核部志留系地层 。测区处断裂主要受武汉 洪湖断裂 (亦称长江断裂 ) 控制 , 其北起谌家矶以北 , 大致 沿长江西岸线展布 ,长江走向也明显受其控制。拟建 的长江隧道处地层主要由第四系全新统松散 密实的粉细砂、中
5、粗砂和第四系全新统冲积软 可塑状的粉拟建隧道区域涉及的介质有水、砂卵石层、砂岩、泥页岩等 ,上述介质中地震纵波速度均在明显差异 ,根据测区钻孔波速测试和岩土样试验资料 ,其物性参数 如下表所示 :表 1 物性参数一览表V / ( km s - 1 )岩 性密度 / ( gcm - 3 )p水砂、卵石 砂岩、泥页岩1. 45 1. 51. 6 2. 13. 0 3. 81. 01. 5 1. 82. 1 2. 4收稿日期 : 2008 - 11 - 11作者简介 : 廖全涛 ( 1967 - ) , 男 , 高级工程师 , 在读博士 , 物探专业 , 从事工程物探、岩土工程勘察与试验检测工作。上
6、述各介质间存在明显的波阻抗差异 ,估算各界面反射系数在 0. 4 以上 ,各项工作从而形成了明显的 物性分界面 ,这些为地震勘探提供了良好的地球物理 前提。3 野外工作方法技术3. 1 地震分辨率利用浅层地震解决工程地质问题的第一关键 ,是 取得高信噪比和高分辨率的原始资料。我们知道 ,地 震仪接收的反射波并不是来自地下第一个点的反射 ,v而是第一菲涅尔带 ,其半径可近似为 : r =t / f ,式中2v为介质速度 、t为双程走时、f 为地震波主频 。因此要提高横向分辨率需减小第一菲涅尔带半径 ,这就需提 高地震信号的主频率 。在提高主频部分的能量同时还 需采用宽频带记录 ,以使采集的地震反
7、射信息丰富 ,分 辨率得到提高。工作中使用美国 R24型工程地震仪进 行数据采集 ,动态范围 132 dB ,全数字化 ; 水听器固有 频率为 100 H z,特制震源船主频 400 600 H z (如图 1 所示 ) 。3. 2 试验工作地震勘探的应用效果 ,取决于野外工作参数 (道间 距、偏移距等 )的选择 ,震源能量 ,震源频率等 ,这需要 根据地质条件和野外试验工作确定 (包括水域激发条 件试验、接收条件试验 ) ,通过试验选定各项工作参数。( 1 ) 激发条件试验隧道处江水湍急 、水流量大 且江水深 , 特别是砂层对地震波能 量有较强的吸收作用 , 故特制震源船进行震源激发 (见图
8、 1 ) ,其原理为 用重锤击船底 ,速度为 1 锤 / ( 2 s) , 震源船入水深度约 1 m ,特制震源船 虽然能量大 , 但其频率较高 (主频400600 H z) ,砂层对高频地震波能 量有强烈吸收效应 , 致使探测信噪 比降低 , 在必须有足够的纵向分辨 率和保证震源能量足够大的前提下 提高信噪比 。经反复试验比较 ,用 2 根弹簧以加大锤击能量 , 在锤击底 板增加橡皮垫厚度 ,降低震源频率 , 最终选择主频 200400 H z的震源 。 图 2 为不同震源条件下地震记录的图 1 震源船结构图者主频降低 , 且低频信号丰富 。证明通过改善激振条件 (加大锤击能量 , 在锤击底
9、板增加橡皮垫厚度 )能够 提高地震波穿透能力和数据信噪比 , 从而达到勘察 目的。( 2 ) 接收条件试验接收条件除设备 (水听器及电缆 )接触条件外 ,包括以下各个工作参数 :观测系统、偏移距、记录长度、采样间隔、前置滤波等。通过接触条件准备工作 ,使外界干扰达到最小 ;通过各项参数的 选取 ,以取得最佳观测窗口。通过试验选定了水上工 作参数最佳观测窗口 :偏移距 5 m ,记录长度 256 (图 3 中记录时间经过处理仅 200 m s) ,采样间隔 250 s,前置滤波140 1 000 H z。自制折叠铁架支撑水听器伸左右 ,以降低测量船干扰并保证有勘察线路沿预设勘探线路前进 。图 3
10、 为选定工作参数后原始数据 , 由该 图可看出 ,水中直达波 、水底面反射波、基岩面反射波 均清晰可辨 ,干扰信号小 ,记录质量良好 ,由此可知工 作中选择前述观测窗口是合适的 。初步预处理 ,观察资料整体面貌 ; 重复 、步骤 ,直到资料信噪比较高为止。4. 2 资料处理室内采用美国 Eave sd ropp e r地震反射软件进行资 料处理 ,处理流程如下 :预处理 文件解编 速度分析频谱分析 滤波 时间剖面输出。4. 3 资料解释浅层地震反射波法的资料解释是以波形特征和同 相轴的连续性和完整性为依据的 。从场地地质及地球 物理特征 ,分析该区地震地质条件 ,得出解释依据。本 文以隧道轴线
11、 ( 线 )为例 ,对资料的处理和解释进行 详细阐述 。4. 3. 1 各种波组特征水底反射波组 : 隧址处江底反射明显 , 同相轴连 续 ;水与江底界面之间的反射系数大 ,形成能量较强的 反射波组 。基岩面反射波组 : 完整基岩 ,无反射同相轴 ,仅在 基岩面处有连续的同相轴 。地震反射时间剖面图上4060 m s处为基岩面反射信息 ,该反射波组在测线上 大部分测线段同相轴连续、稳定、清晰可辨 。构造波组特征 : 分析对比地震时间剖面图中各个 波组情况 ,在基岩波组中均发现较为明显的绕射波 ,且 波组同相轴有分叉 、合并、扭曲及强相位转换等现象 , 说明了基岩内构造的存在。4. 3. 2 异
12、常 CD P点与里程桩号的对应关系施工前 ,将 GPS 与地震仪的时间设置为同步 , 当 水底、基岩界面及基岩内部存在异常特征时 ,检查其地 震记录点号与 GPS对应时间 ,根据 GPS测量坐标换算图 3 水域地震勘察原始波形图3. 3 测量工作根据两岸隧道测线控制点成果 ,在 GPS坐标系统 中绘出其位置图。外业工作时 , GPS岸台架于测线点 上 , GPS天线固定在测量中心 ,采用动态 GPS系统导航 实时定位 ,每 2 s定点。外业工作时 ,地震数据采集仪器 、GPS测量及导航 仪器置于测量船上 ,并由该船牵引水上电缆及震源船。 地震记录与 GPS以时间相联系 。工作之前 ,将地震仪
13、与 GPS测量时间校核一致 ,工作系统在 GPS导航指引 下 ,沿测线缓行 。工作船沿隧道测线连续缓慢从江边 驶向对岸 ,即可完成工程物探勘察及测量。当工作船 在 GPS指导下行驶时 ,同时进行定位测量和地震勘探 工作即可保证勘探点位落在测线上 。出对应的地震记录点号 , 并标于地震时间剖面图上。数据处理时 , 计算 GPS定位点和实际测线的误差 , 删除偏离测线较远的点及与之相关的地震数据 。图 4 为处理后时间剖面图 (图 4 中记录时间经过 处理仅 105 m s) 。4. 4 物探成果根据地震时间剖面图中反射时间计算 ,河床标高 在 13. 9 - 7. 5 之间 ,江底地形呈北浅南深
14、的特点 ,最 深处深约 21. 5 m ,结合钻孔资料 ,测得江水纵波速度4 资料处理及解释4. 1 原始资料选取外业所采取的数据量比较大 ,其中不乏由于各种 因素造成的各种记录 ,因此需对原始资料进行必要的图 4 地震反射波时间剖面图为 1 460 m / s。隧址处各种地层厚度为 : 第四系粉细砂、中粗砂层厚 22. 0 34. 0 m , 反射波能量呈现强弱 变化特征 ,说明隧道处砂层具横向不均一性 ; 卵石 、强 风化岩层厚 2. 5 8. 0 m。中 微风化基岩反射波组 连续稳定 , 信号清晰可辨 , 时差不大 , 反映基岩层位 稳定。据地震反射时间剖面图 ,推测隧道处存在三条断 层
15、 ,分析地震反射时间剖面图中断层处各波组关系 ,三 条断层均表现为向北倾 ,倾角约 60 70 ,均为顺江走 向的正断层。结合区域地质资料分析 , 推测断层 F1 、 F2 、F3 均为受长江断裂影响而形成的小规模的断层 , 宽度不大 ,影响范围约 1030 m。形态、规模、产状等 。通过异常体的形态 、规模、产状 ,结合地质调查结果 ,我们可以较为准确地推测出地质 体空间形态情况、地层岩性 、断裂等情况。本次武汉长江隧道水上物探勘察 ,我们对地震勘 探中影响勘探效果、勘探精度的问题进行了有益探讨 : 通过对震源船的改进改善了震源频率 、通过 GPS与地 震同步记录控制地震异常部位以及地震异常
16、解释中各 种波组特征分析等。本次勘察再次证明浅层地震勘探的有效性 。地 震勘探效果的优劣取决于地震勘察的全过程 , 从地 震震源 (包括能量 、频率等 ) 开始 , 至数据采集 (时窗 选择 、地震波拾振器的选择 、采集时间间隔等 ) , 直 到最后的数据处理与资料解释等 。本文仅从特制 震源船在数据采集工作 、改善激震频率等方面进行 了有益探讨 。5 应用效果及质量验证从地震震源经数据采集到数据处理各环节的改 进 ,于地震反射时间剖面图可见较为清晰的地层界 线 (见图 4 ) ,同时三处断层亦较明显 (参 4. 4 物探成 果 ) 。物探成果提交后 ,在 F1断层附近布置了一钻孔进 行验证。
17、根据钻孔资料 ,水底和地层分界面误差分别 为 : 0. 3 m、0. 6 m、0. 4 m;且在深 58. 662. 2 m 段岩芯 为灰黑色碎石土 ,极松散呈砂土状 ,证明该处确实存在 一岩层破碎地段。与物探成果基本吻合 ,表明物探成 果基本准确 ,说明本次应用地震勘察效果明显。参考文献 : 1 何樵登 ,熊维纲. 应用地球物理教程 : 地震勘探 M . 北京 : 地质出版社 , 1991.王振东. 浅层地震勘探应用技术 M . 北京 :地质出版社 , 1988. 吕继东 ,王俊茹. 浅层地震在高架桥地基勘察中的应用 J , 工程 勘察 , 2002 ( 5 ) : 66 - 68.李军峰 ,肖都 ,孔广胜 ,等. 单道海上反射地震在海上物探工程中 的应用 J . 物探与化探 , 2003 , 28 ( 4 ) : 365 - 368. 2 3 4 6 结语浅层地震反射法能较直观 、形象地反映异常体的
