摘要：地震映像方法作为一种高效快捷的工程物探方法，已经被广泛的应用于岩溶勘察中。本文简要的介绍了地震映像方法的基本原理和野外工作方法，并通过地震映像方法在铁路岩溶，公路岩溶，建筑场地地基岩溶勘察中的应用，举例说明了地震映像方法在解决地质问题中的有效性，证明地震映像方法是一种可用于岩溶勘察，具有广泛前景的物探工作方法。
关键字：岩溶 地震映像方法 勘察
Abstract：The seismic imaging method, as a fast and operative way in engineering geophysics filed, has already been used in the prospecting of karst cave. The paper introduced the principle of the seismic imaging method, and given several example of the appliance of the seismic imaging method in the prospecting of the karst caves in the railway, the superhighway and the foundation of buildings, proof that the seismic imaging method is a developing and promising way in engineering geophysics.
Key words: karst cave; the seismic imaging method; prospect
1 引言
1．1地震映像方法概述
地震映像法是近10年来用于探测浅部介质中纵、横向不均匀体(构造、洞穴、障碍物、非金属管道、岩溶、土坝中白蚁巢及空洞、地裂缝与疏松带、滑坡体等)的有效方法。它不同于常规地震勘探中的折射波法及反射波法有明确的勘查目的层(速度界面、波阻抗界面) 。实质上,它采集的是近震源处的弹性波场,在采集的炮记录上能识别的地震波形有直达波、瑞雷面波、绕(散)射波、转换波,在特殊情况下也能采集到反射波;但它和共偏移距反射波法虽在采集方法上是相同的,却有着本质的区别。共偏移距反射波法在进行正式数据采集前要进行干扰波调查,确定浅层反射波的最佳接收窗口,然后确定偏移距,以共偏移的采集方式采集某一目的层的反射波。共偏移反射波法有明确的勘查目的层及它必须严格遵循浅层反射波的最佳接收窗口技术,是它和地震映像法的根本区别。由于在地震映像图上直达波、面波、绕(散)射波、转换波的干涉现象十分常见,这给波的识别带来困难,目前对复杂波场中各种波的识别尚主要应用波的动力学特征(振幅、相位、频率) ,并应用这些特征解释勘探剖面下纵、横向的不均匀体。概括起来该方法有以下特点:数据采集方法简单,共偏移距单道(或2～3道)采集,施工人员需要2～3人即可,具有很高的工作效率;采用小偏移距、小道距采集,地形的影响很小,适用于各种复杂的工作环境;在近震源的面波区采集,锤击震源即可采集到能量较强的弹性波;和常规地震勘探中的反射波法和折射波不同,地震映像法对地下三度体也可探测,可解决常规地震勘查方法解决不了的问题;它主要应用弹性波的动力学特征对波场进行解释,没有繁杂的资料处理流程,是一种能适应各种工作环境、简便、快速的工程物探勘查手段[1]。
1．2 地震映像法在岩溶工程勘察中的应用基础
岩溶是一种潜在的地质灾害,会危及建筑物、水库、矿山等的安全,引起地面沉陷,破坏环境。因此,在可溶岩石(主要是碳酸盐岩)分布地区进行工程建设、国土整治、环境保护、水资源和矿产资源的开发与利用以及旅游资源的开发时,都需要对岩溶进行勘察,弄清其发育情况和分布规律。在进行岩溶勘察时,由于岩溶在空间上发育的不均一性和岩溶水文地质条件的复杂性,仅靠传统的地质学方法难以得到满意的结果。如果在用地质学方法进行岩溶勘察的同时,合理地应用物探方法,就能够得到比较满意的结果,甚至能解决一些地质学方法无法解决的问题。
岩溶体(指发生岩溶化的那部分岩体)与围岩间常常有一种或多种明显的物性差异,构成
了用地震映像方法勘察岩溶的物质基础。地震映像法勘察岩溶的物质基础是岩溶体和围岩传播地震波速度或吸收系数的差异。地震波在致密碳酸盐岩石中传播较快、吸收系数也较小。碳酸盐岩被溶蚀的空间不论充填的是空气、水,还是沉积物,岩溶体的地震波速相对围岩都要慢得多,其吸收系数也要大得多。岩溶常常沿断层、破碎带发育,用地震映像方法探测断层和破碎带以间接探测岩溶,可能比直接探测它们更容易。
1.3 地震映像的工作方法
地震映像法在野外数据采集中，根据地质任务和现场地质条件，一般应在施工现场进行干扰波调查,通过调查确定直达波、折射波、声波、面波等规则干扰波出现的范围及有效反射波所处的位置,选取最佳偏移距,达到最佳接收效果.
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(称为点距),重复上述过程可获得一条地震映像时间剖面。
地震映像测量的记录点设在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.
2 地震映像法的基本原理
由于地震映像可以利用多种地震波作为有效波来进行探测,也可以根据探测目的要求仅采用一种特定的地震波作为有效波. 在采集的炮记录上能识别的地震波形有直达波、瑞雷面波、绕(散)射波、转换波,在特殊情况下也能采集到反射波.各种波在地震映像波形图的反映如下。
2.1折射波
在地震映像方法中,如果在所使用的偏移距上可以接收到某一界面的折射波.由于偏移距相同,界面速度和上覆介质速度不变,折射波的传播路径及到达时间不变,在地震映像记录中,折射波的同相轴为直线.同相轴时间和波形的任何变化都与界面深度、速度和上覆介质速度的变化有关.这在只对基岩面或某一界面感兴趣的工作中,可只采用折射波为有效波.地质条件复杂或要求精度较高时,仅采用折射波难以达到目的.另外,资料解释时,需要界面上下的速度参数.
2.2 反射波
地震映像方法中,常用反射波作为主要的有效波.当界面水平时,反射点的位置正好在记录点上,每次激发的反射波传播时间不变,同相轴为直线.当界面深度发生变化时,反射波的传播时间会发生变化,如在断层两侧表现为突变;如果是倾斜界面,反射点的位置会偏离记录点向界面的上倾方向移动.一般根据反射波同相轴的变化情况定性推断界面的起伏情况,根据反射界面上的介质速度计算深度.
.png)
图1 面波在层状大地上不同偏移距的形态[2]
Fig。1 Conformation of surface wave with various offsets on layered earth
2.3 面波
地震映像方法中利用的面波是在地下一定深度内从震源传播至接收点的含有多种频率成分的、有多个相位的面波群(即由多个相位组成的面波).面波群的形态受偏移距范围内覆盖层介质密度、泊松比等因素的影响.面波群的相位数与覆盖层的厚度和偏移距有关,面波群振幅的大小与介质的松散情况有关,面波群的到达时间的变化与地层产状、地层中局部地质体的位置有关.因此,面波可利用的信息非常丰富.面波群的影响深度与面波的频谱成分有关.面波群的视速度、振幅、波形、到达时间都是判断地下介质变化的指示.图1为层状大地上的试验剖面,道间距1米,炮检距1至36 m,记录长度400 ms.从图1中可以看到,随偏移距的增大,面波群的相位数增多,形态逐渐改变,反映了传播过程中面波频谱成分的变化.如果固定某一偏移距采集面波,地质条件不变,面波群的形态也不会改变.如果地质条件改变,如岩性发生变化,则面波群的特征也发生相应的变化.图2a是在卵石层上采集的面波,面波的群速度约为75 m/s,面波群相位数随偏移距的增大逐渐增多.图2b为泥炭岩层上的面波,面波的群速度约为125 m/s,面波相位数基本不变.
.png)
图2 不同的地质条件下的面波记录[2]
Fig·2 Surface wave recording under various geological condition
a—卵石层上的面波; b—泥炭岩层上的面波
2.4 绕射波
在介质中存在局部异常体或断层的断点、岩性分界面时会产生绕射波.在地震映像法中,偏移距不变,随着激发点到绕射点距离的改变,绕射波的传播路径发生变化,绕射波传播时间逐渐增大或减小,在地震映像记录上出现双曲线型同相轴.这也成为异常体、断层、岩性分界面的特有标志.因此,绕射波成为判断横向地质条件变化最明显的标志.绕射波双曲线型同相轴的顶点为异常地质体的特征点[2]。
3 地震映像法在岩溶勘察中的应用实例
在碳酸盐岩层分布地区进行工程地质岩溶的勘察时，地震映像方法应用得相当广泛。现举例说明如下。
3.1 地震映像法在铁路岩溶勘察中的应用
宜万铁路沿线的大部分隧道位于岩溶强发育区,埋深大,地质条件复杂,施工难度大,地质灾害严重,为规避风险和确保营运安全,对岩溶隧道进行隐伏岩溶探测,查明隧底隐伏岩溶的位置、大小和空间形态,从而指导风险评估和岩溶处理具有非常重要的意义。杨祥森等(2007)用地震映像法对宜万铁路岩溶隧道的隧底15~20m深处进行了勘查,探明了多处溶洞和破碎带,取得了较好的效果[3]。
图3、4分别是宜万某隧道中线DK227+590~+690段地震映像法3m等偏移距时间剖面和DK227 +591.5~+691.5段6m等偏移距时间剖面,这两个剖面都有三个异常。它们分别是:①+604~+624的15ms(图3,Ⅰ)和25ms(图4,Ⅰ),该异常反射频率明显变低、振幅增强,有振荡现象和类似于短弧形的同相轴,初步解释为无填充型溶洞,埋深在2.5~8m之间,规模为20m×5m(长×高),厚跨比0.13,建议在DK227+615钻孔验证,孔深20m;②+627~+645的20ms(图3,Ⅱ)和30ms(图4,Ⅱ),该异常反射频率明显变低、振幅增强,振荡现象严重,有类似于短弧形同相轴,初步解释为无填充型溶洞,埋深在12~17.5m之间,规模为18m×5.5m,厚跨比0.67,建议在DK227+635钻孔验证,孔深20~25m;③+648~+663的17ms(图3,Ⅲ)和22ms(图4,Ⅲ),该异常同相轴反射零乱,波形振幅变化较大,初步解释为填充弃渣或岩体破碎,埋深在3~6m之间,规模为15m×3m,厚跨比0.20。在DK227+630右边1.2m处打钻,证实在埋深12.3~16.2m处有一个无填充型溶洞[3]。.png)
图3 3m偏移距时间剖面 图4 6m偏移距时间剖面[3]
Fig.3 The time profile with 6m offset Fig.4 The time profile with 6m offset
3.2地震映像法在高速公路岩溶勘察中的应用
图5为鄂西某高速公路某段地震映像深度剖面图，可以看出剖面上都存在两组振幅
较强、连续性较好的反射波同相轴,第一组反射波同相轴与该区第四系土层底板相对应,反射波同相轴基本由两个相位构成,相位数目变化不大;第二组反射波同相轴对应于该区基岩风化层底板,多数由2~3个相位构成,且相位数目存在明显横向变化。在地震深度剖面上可以清晰看到标注为Ft01和Ft02的两个断层,因为在该位置处有反射波同相轴存在错断,并发生抬升、扭曲等现象。
由于岩溶与围岩物性差异较大,因此在地震深度剖面上可以看到杂乱的反射现象或呈“眼球状”特征,根据反射波特征,判断洞穴及赋存情况有如图所示Tt03，Tt04两处异常。其中Tt03异常起始里程为K131+154.5—K131+156.5，最小埋深8.2米，最大埋深13米，可是为疏松物填充洞穴；Tt04异常起始里程为K131+160.0—K131+161.5，最小埋深6.8米，最大埋深9.7米，可是为已完全填充洞穴[4]。
图5 某高速公路浅层地震深度剖面[4]
Fig.5 Mini-Seismic depth profile of superhighway
.png)
3.3 地震映像法在过江隧道勘察中的应用
出于某过江隧道建设的需要,需查明隧道测线江底下不小于6.0m范围内的地层分层和不良体分布情况,为优化隧道设计方案以及编制工程设计文件提供必要的基础性地质资料和依据。本次地震映像探测在江面进行，采用锤击作为震源的地震映像法对该工区进行了勘察,获得了良好的应用效果。
如图6所示，第一条反射波同相轴与江底相对应,反射波同相轴基本由两个相位构成,相位数目基本不变,总体反射能量较均匀,说明江底物性总体横向变化不大;反射波同相轴存在较大的起伏,但较平稳,说明江底起伏较大,总体北浅南深,最小、最大埋深分别为9.8m和26.6m;在测区中段局部(异常体附近)江底反射同相轴存在波形起伏现象,且同相轴连续性相对稍差,表明该段江底物性存在横向变化。
第二条反射波同相轴对应于基岩顶板,多数由二至三个相位构成,同相轴连续性变化较大,断续出现,存在多处杂乱反射现象,说明基岩顶板附近存在较大的横向物性变化,尤其是在异常体两侧更为明显;反射波同相轴起伏较小,即基岩顶板起伏较小,最小、最大埋深分别为42.9m和46.9m,测区中部最深。
在测区中部,存在一最大厚度约6.0m(顶、底标高分别约为0m和-6m)的不均匀体,且纵、横剖面均有显示。江底标高具有北高南低(即江底埋深北浅南深)特点,测区中部存在局部低凹;基岩顶板标高变化不大,最大差值4m左右,测区中部最低;测区内第四系土层厚度,由北向南逐渐变薄,最大、最小厚度分别约为33m和16m[5]。
.png)
图6 水上浅层地震映像法深度剖面[5]
Fig.6 The seismic depth profile
3.4 地震映像法在建筑场地工程勘察中的应用
图7是桂林市贵港某大楼的地震映像波形图,图3a为整个测线的地震映像振幅图。在局部面波同相轴起伏较大.总体看来,左侧基岩面浅,右侧深,中间部分有一处基岩凹陷。基岩深度根据反射波的波至时间定量计算.图7b为图7a左侧部分的波形图,反射波(第2个波至)准确地反映出基岩深度的变化。在测线左侧边缘,基岩深度为10 m,基岩凹陷处深度(面波同相轴下凹中心)约为16 m[2]。
.png)
图7 反映基岩面起伏的地震映像波形图[2]
Fig·7 Seismic imaging profiling recording over bedrock terrain
a—地震映像振幅图; b—波形图
7 进展与展望
以上举例的地震映像方法在铁路岩溶，公路岩溶勘察，过江隧道勘察以及建筑场地岩基凹陷勘察中，都取得了较好的效果，说明地震映像方法作为一种高效快捷的物探方法，在勘察岩溶，解决相关地质问题时是卓有成效的。可以预料,随着物探方法理论与技术的发展以及在勘察岩溶方面的应用研究的深入,地震映像方法勘察岩溶的地质效果将会不断提高,其应用领域也会不断地得到拓展。
参考文献：
[1] 王治华 ,仇恒永 ,杨振涛,夏学礼. 地震映像法及其应用[J]. 物探与化探，2008，32（6）,696--700
[2] 单娜琳,程志平.地震映像方法及其应用[J].桂林工学院学报,2003，23（1）：36--40
[3] 杨祥森,林昀,崔德海.地震映像法在铁路隧道隐伏岩溶勘查中的应用[J].工程地球物理学报，2007，4（5）：470--474
[4] 王万合,王晓柳,刘江平,王延坤. 地震映像法在某高速公路岩溶探测中的应用[J].工程地球物理学报， 2007，4（2）：141—145
[5] 杨占东,刘江平,刘 作 地震映像法在长江某过江隧道勘察中的应用 工程地球物理学报 ，2007，4（6）：601--605
论文作者: 江 剑,
论文发表刊物:《城镇建设》2019年24期
论文发表时间:2020/1/16
标签：映像论文; 岩溶论文; 反射论文; 方法论文; 基岩论文; 剖面论文; 相位论文; 《城镇建设》2019年24期论文;