不同路面条件下地震映像勘探效果的对比研究

鹿子林,王建学,赵 培,葛孚刚

(1.山东省地震局,济南 250021;

2.淄博方圆勘测设计有限公司,山东淄博 255000;

3.临沂市地震局,山东 临沂 276000)

不同路面条件下地震映像勘探效果的对比研究

鹿子林1,王建学2,赵 培3,葛孚刚1

(1.山东省地震局,济南 250021;

2.淄博方圆勘测设计有限公司,山东淄博 255000;

3.临沂市地震局,山东 临沂 276000)

讨论了地震映像勘探的主要特点,用实例分析了土质路面、沥青路面等不同介质条件下的勘探效果,明确了这一勘探方法的适用条件。

地震映像;适用条件;波阻抗

0 引言

地震映像勘探又称高密度地震勘探,它是在最佳偏移距反射波法地震勘探技术上发展起来的[1]。近年来,这一勘探方法以其数据采集高效、便捷,资料便于解释、成本低廉等优点在浅部地层构造探测中得到了广泛的应用,然而每种物探手段对不同的地形、地质条件都有各自的适用性和局限性,特别是在城市内工程的地质勘探中受场地和勘探条件的影响,探测效果有时并不理想,作者通过实例对这一勘探方法的适用性进行初步探讨。

1 地震映像勘探原理及特点

1.1 原理

震源激发后,地面的检波器会接收到不同的地震波(折射波、反射波、面波等),根据探测目的的不同,可以选择利用不同的地震波作为有效波,在地震映像勘探中常用反射波作为有效波。勘探时首先确定最佳偏移距,震源激发一次,检波器接收并记录一道。固定偏移距,按照设计的炮间距依次激发、接收、记录,就得到一条勘探剖面。地震波经过反射界面反射后到达检波器的时间会有差异,引起同相轴的起伏变化,由于偏移距是固定的,可据同相轴推断反射界面的起伏形态。

1.2 主要特点

只有充分了解了地震映像勘探这一方法的特点,才能在具体的工程勘探中扬长避短,充分发挥它的应用价值,现将这一方法的主要特点概述如下:

(1)方便灵活:该方法仪器轻便,震源简单,便于各种复杂情况的现场施工,且成本低廉。

(2)采集高效:震源激发一次,仪器就记录一道,采集速度非常快。

(3)资料便于解释:由于采集过程都是单道接收,所以处理过程中不需要进行动校正,节省了资料处理的时间,在采集现场就可以根据勘探资料对地质情况进行初步的判断,给下一步施工带来极大的便利。

(4)多波勘探:可以根据不同的工程目的,选用不同的地震波作为有效波。

(5)勘探深度浅:目前该方法大多采用锤击震源,激发能量小,勘探深度较浅,但分辨率较高。

(6)抗干扰能力差:特别是在嘈杂的市区内施工,过往车辆、施工机械等干扰源特别多,在勘探时尽量选择相对安静的环境,做好干扰波的调查,通过试验选取最佳偏移距,必要的时候进行单道多次叠加。

(7)目的层较单一:在只研究地层横向变化和针对单一目的层探测的情况下,这一方法有很大的优势,但对于多目的层的探测,由于震源能量较小,经过多次透射和反射之后,检波器很难接收到稳定有效的反射波,而且最佳偏移距也不易确定,所以勘探效果不甚理想。

(8)无速度参数:地震映像勘探虽分辨率高,但不能获得速度参数[2]。可以根据测线上测得的钻孔波速来推算目标体的大体深度。

(9)对地质异常体的放大效应:由于这一勘探方法有别于自激自收,是最佳偏移距的单道接收,偏移距的存在起到了对地下异常体的放大作用,在资料解释的时候要考虑偏移距的因素。

2 不同介质条件下勘探结果的对比研究

反射波地震映像勘探一般是针对工程场地进行的,受场地位置以及现场施工情况的限制,勘探的介质会有很大差异,现分情况进行初步探讨。

2.1 土质路面

图1为某地区地震映像勘探实例,该场地所处地貌类型为山前冲洪积倾斜平原。场地原为耕地,场地地形平坦,起伏不大。工程钻探揭露地层主要由第四系陆相冲洪积物及片麻状花岗岩组成,场地地层可分为4大层:粉质粘土、全风化片麻状花岗岩、强风化片麻状花岗岩、中风化片麻状花岗岩。地层结构简单,分布连续,厚度稳定,物理力学性质均匀,在勘探深度内地层在水平方向和垂直方向上,分布相对较均匀。

图1 土质路面探测剖面图

采用锤击震源(加金属垫板),勘探工作是在小雨后土质路面进行,路面潮湿金属垫板与地面耦合较好。接收到的反射波能量均衡、稳定,干扰波较少,剖面比较清晰,同相轴比较丰富。经勘探证实,30～50ms左右倾斜的同相轴为强风化片麻状花岗岩顶面的反射波组。

2.2 水泥混凝土路面

水泥混凝土路面刚性较大,塑性较小,特别是上部介质的波阻抗Z1大于其下部物质的波阻抗Z2时(图2),锤击震源激发的入射波经过透射后再次反射的波到达界面1时大部分能量被屏蔽,到达地面检波器的能量很小,几乎淹没在能量较大的直达波、和道路硬化层底部的反射波之中。

图2 硬化路面地震波传播路线图

图3是与图1同一起点、相互平行(相距10m)且采集参数相同,但在水泥混凝土路面上得到的勘探剖面,可以看出剖面上同相轴很平直,且较单调、不丰富,波的到时一般在10ms以内,检波器接收到的是在水泥混凝土介质中传播的直达波和道路硬化层底部的反射波,硬化层下部地层的形态完全无法辨认。对比2个剖面,可以看出土质路面得到的勘探剖面同相轴总体为倾斜的,起伏较为明显,波组丰富,反射波的到时较大(大于20ms),钻探证实图3所示的探测剖面不是地下反射界面形态的反映。

图3 水泥混凝土路面探测剖面图

震源激发后,产生各种频率的波,低频信号的穿透能力强,低频检波器可以记录到较深的地下反射信号[3]。对于探测水泥混凝土路面下埋深较浅的较大目标体(直径较大的空洞、管道)时,选择合适的检波器、偏移距并采用小道距进行采集也会得到较理想的勘探结果。

2.3 沥青路面

沥青路面塑性相对较大,特别是在基岩埋深很浅的地区,路面介质的波阻抗一般小于下覆基岩的波阻抗,透射波经过波阻抗界面反射后能量大部分到达检波器,图4是在沥青路面与水泥混凝土路面相接的路段得到的探测剖面。67m处为沥青路面与水泥路面的接点,可以看出沥青路面与水泥混凝土路面地震波的到时有明显的差异,前者到时一般大于20ms,同相轴稍有起伏,经过钻探验证是地下基岩面形态的反映;后者到时一般小于20ms,同相轴具有平直、单调、能量大、频率高的特点,是水泥混凝土路面介质中传播的直达波和道路硬化层底部的反射波。如果沥青路面较破碎,激发的地震波在破碎的路基上能量大部分会被散射[4],也很难得到较理想的勘探剖面,如果必须要在沥青路面施工,尽量选择路面及路基平整、完好的地段。

图4 沥青路面与水泥混凝土路面过渡段的探测剖面图

2.4 垫层路面

在工程场地周围的路面往往都是后期填埋、铺垫而成,如果遇到建筑垃圾或者石块、石子垫层,在勘探剖面上常呈现出绕射、杂乱反射等不良地质体的反映,如果不注意观察和调查,往往会得出错误的解释。图5为在建筑垃圾垫层上进行的勘探,30～50m处同相轴杂乱,为不良地质体的反映,但是经过调查和开挖,证明该处为建筑垃圾回填。建议在勘探之前尽量选择具有良好勘探条件的路面进行,如果必须在垫层路面进行勘探,一定要事先调查垫层情况,以免得出错误的解释结果。

图5 建筑垃圾垫层路面上的勘探剖面图

2.5 沙滩地

许多桥梁、船厂等工程的场地勘探往往需要在沙滩地面进行,由于沙滩相对松软,地震波散射严重,很难穿透厚沙层,所以不易得到有效的反射波。如果基岩埋深很浅或者震源激发时耦合条件较好,也能得到较为理想的反射勘探剖面,图6为某造船厂工程的勘探剖面,工程场地位于海边滩涂,由于滩涂比较潮湿,勘探中又加了金属耦合板,得到了比较理想的剖面,经过勘探证明,双程反射时间在50～70ms之间能量较大的同相轴为基岩面的反映。

图6 海边滩涂上的勘探剖面图

3 结语

地震映像勘探虽然具有方便灵活等诸多优点,在工程中的应用也越来越广泛,但该方法也有一定的适用条件,不能滥用。前面的实例证明,在硬化道路上,上覆介质的波阻抗大于其下部物质的波阻抗时,下覆介质的反射波大部分能量被屏蔽,到达地面检波器的能量很小,几乎淹没在能量较大的直达波和道路硬化层底部的反射波之中,得到的勘探结果不是下覆地层真实的反映。但对于探测硬化道路下很浅埋深的较大目标体且目标体的波阻抗明显异于周围介质时,可以选择性适用。在具体的工程勘探中,首先要对场地进行初步调查,应结合场地的勘探条件,选择合适的勘探方法,或者根据场地勘探条件,合理设计勘探方案,扬长避短,有条件的情况下应采用多种物探方法,相互比较,得到能真实反映工程地质情况的勘探结果。

[1] 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.

[2] 徐贵来.地震映像勘探技术研究[J].世界核地质科学,2006,23(1):33-43.

[3] 姜贤斌.地震映像在工程探测中的野外工作方法试验及应用[J].物化探计算技术,2009,31(2):91-95.

[4] 林放.工程物探在城市活断层勘查中压制干扰方法探讨[J].建筑与工程,2006,3:73-74.

Contrastive Study on the Effects of Seismic Imaging Exploration under Different Road Surface Conditions

LU Zi-lin1,WANGJian-xue2,ZHAO Pei3,GE Fu-gang1
(1.Earthquake Administration of Shandong Province,Jinan 250021,China;
2.Zibo Fangyuan Survey and Design Co,Ltd.Zibo 255000,China;
3.Earthquake Administration of Linyi,Linyi 276000,China)

This article discusses the main characteristics of seismic imaging exploration and gives some cases to show the effects of exploration on different road surface as rural roads,bituminous pavement etc.,defines applicable conditions of this exploration method.

seismic imaging;applicable conditions;wave impedance

P315.9

A

1003-1375(2011)01-0020-04

2010-05-12

山东省地震局合同制科研项目,项目编号:09Q18

鹿子林(1980-),男(汉族),山东省淄博市人,山东省地震局工程师,主要从事地球物理勘探、地震安全性评价等工作.E-mail:lvlin3956@163.com.