物探技术在工程勘察中的研究与应用

何盼情

西安交通工程学院 陕西西安 710300

1 物探技术概述

在很多大型工程中，工程物探是至关重要的一部分。实践证明，工程物探已经在工程建设的各个时期起到了十分关键的作用，5 种常见的物探技术如下：

（1）电法勘探技术，包括电测深法、电剖面法、高密度电法、自然电场法、充电法、激发极化法、音频大地电磁测深法(包括可控源)、瞬变电磁法等；

（2）探地雷达勘探技术，包括剖面法、宽角法、环形法、透射法、单孔法、多剖面法等；

（3）地震波类勘探技术，包括浅层折射波法、浅层反射波法和瑞雷波法；

（4）弹性波测试勘探技术，包括声波法和地震波法；

目前最常用、典型的方法为地震波类勘探技术，着重介绍该方法的技术原理、使用步骤及现场应用。

2 地震波类勘探技术研究与应用

2.1 浅层地震波勘探技术原理

浅层地震勘探作为工程勘探的一种物探方法，主要通过研究人工激发的地震波在岩、土介质中的传播规律，以探测浅部地层和构造的分布，进而完成覆盖层界面形态勘查，基岩风化带及起伏情况探查，场地内构造的发育状况及展布方向，场地不良地质情况调查等。该方法具有测试精度高，施工较为简便，资料解释自动化程度高等特点。特别是近年来发展起来的地震勘探仪器，其动态范围可达120dB 以上，这满足了浅层地震仪器信号的动态范围，同时由于施工场地限制，采用增强地震仪这一功能，使地震振源问题大大简化，只采用一般的大锤即可完成勘探，拓宽了该方法的使用条件。浅层地震波勘探的工作示意图如图1 所示。

图1 浅层地震波勘探的工作示意图

2.2 浅层反射波法勘探分析

浅层反射波法的物理前提是两层介质的波阻抗不同，即密度与速度的乘积(ρV)不同。地震波浅层反射法可用以解决下列问题：测定覆盖层的厚度，确定基岩的埋深和起伏变化；追索断层破碎带、裂隙密集带，以及不整合面；研究岩石的弹性性质，即测定岩石的动力弹性模量和动泊松比；划分岩体的风化带，测定风化壳厚度和新鲜基岩的起伏变化。浅层反射波叠后地震时间剖面如图2 所示，浅层反射波法时间剖面断层特征如图3 所示。

图3 浅层反射波法时间剖面断层特征

2.3 浅层反射波法勘探现场应用

浅层地震反射波法勘探是地震勘探方法中较为常用的一种方法，主要用于地质构造的探测等方面。常采用水平叠加观测系统，并配合有相对比较完善的数据处理软件。如山东龙口地区某煤田地震反射波法勘探，使用的仪器设备型号为SE2404A，检波器频率为100Hz，接收道数为12 道，震源为18 磅大锤，道间距为3m，偏移距36m，水平叠加次数6 次，采集方式12 道滚动采集。从单张地震记录中可以清晰地看到各个目的层的反射波信号，而且有效反射波没有和面波产生干涉区域，从CDP剖面可以清楚地看到3 个同相轴，其分别对应第四系砂层、基岩以及煤层，同时在剖面的后部可看出一条发育规模较大的断层。

3 浅层折射波法勘探技术

3.1 浅层折射波法勘探的原理

折射波法地震勘探是利用人工震源激发的地震波在地下介质中传播，当地下介质的波速大于上部介质的波速时，波就会改变原来的传播方向而产生折射，在入射角等于临界角时，折射波就会沿界面传播，即产生所谓的滑行波，这种滑行波引起界面上各质点的振动，并以新的形式传播到地面，在地面上观测其到达的旅行时间和接收点到震源的距离，就可以求出折射界面的埋藏深度及界面速度。浅层折射波法勘探工作示意图如图4 所示。

图4 浅层折射波法勘探工作示意图

3.2 浅层折射波法勘探可解决的问题

浅层折射波法应用的物理前提是目的层介质的平均波速一定要大于上层介质的平均波速。地震波浅层折射法，可用以解决下列问题：

（1）测定覆盖层的厚度，确定基岩的埋深和起伏变化；

（2）追索断层破碎带和裂隙密集带以及不整合面；

（3）研究岩石的弹性性质，即测定岩石的动力弹性模量和动泊松比；

免耕秸秆还田共调查7块田，水旱轮作，其中撒播田块占57.14%，条播田块占42.86%。苗期杂草种类有猪殃殃、看麦娘、繁缕、通泉草、荠菜、窄叶野豌豆、硬草等7种，拔节前期有猪殃殃、硬草、 繁缕、看麦娘、通泉草、荠菜、窄叶野豌豆、婆婆纳等8种，分属6科8属，其中禾本科2种、玄参科2种，其他科均为1种。在苗期和拔节前期形成以硬草+猪殃殃+看麦娘+荠菜+繁缕为优势的杂草群落。表5列出了株数发生量最大的6种主要杂草在同一类型田块中的平均株数、平均密度、平均盖度、平均频度及总频度。调查发现条播和撒播2种不同的播种方式对杂草的发生没有影响。

（4）划分岩体的风化带，测定风化壳厚度和新鲜基岩的起伏变化。

3.3 浅层折射波法数据处理步骤

以差数时距曲线法求速度和t0法求界面为例介绍折射数据处理步骤：

（1）读取折射波初至时间；

（2）绘制折射波时距曲线；

（3）绘制t0- θ 曲线；

（4）计算、绘制速度界面进行地形校正，结合地质资料做地质解译，所有的运算过程均由软件程序完成，方便快捷。

3.4 浅层地震折射波法勘探应用实例

（1）岩土工程中的应用。浅层地震折射波法主要应用于工程勘探中，以确定工程场地的岩土层分层厚度、构造带等。折射波法能够从原始的采集资料中直接获得岩土层的埋藏深度以及折射界面上下岩土体的速度等参数，是工程勘察中较为重要的物探方法。本次应用在某化学工业公司乙烯工程项目中，采用的仪器设备为SE2404型综合工程探测仪，工作通道数量24 道，震源形式为炸药。利用该方法所解释的地质界面的埋藏深度以及破碎带的位置得到了钻探和槽探的验证，所提供的成果符合工程地质的要求。

（2）石油地震低速带校正应用。在石油地震勘探中，为了进行低速度带校正和寻找地下水的埋深度，指导地震生产中的放炮井的生产，常常利用小折射的方法进行工作。由于低速带测试工作是在地震工作区域内，根据不同的地貌单元进行的点测试，这就要求仪器设备除了满足测试要求之外，还应该小巧轻便、易操作性等。根据所采集到的记录，可确定低速带的速度和埋藏深度，从而用于地震资料的校正计算。

4 地震映像法勘探

地震映像法勘探方法是以固定的偏移距，以一定的点距逐点采集，最终将所有采集的记录拼接为一张地震时间剖面。由于同一地层的地震波特性相同，因此通过分析地震波同相轴特性即可得到丰富的地质信息，进而达到勘探的目的。与陆地相比较，水域中激发条件和接收条件比较好而且波的分布特征比较单一，因此为地震映像法提供比较理想的地球物理条件。水域映像法实质上与浅剖仪相类似，只是在震源的选择方面比较灵活而且具有较深的勘探深度。

5 结论

综上所述，随着时代的进步科技的发展，勘测技术拥有广泛的发展前景，在地质勘探领域中，占据着越来越重要的地位。随着各种先进勘测技术的不断涌现，人们对于物探技术的实际运用，还有一定的局限性，需要进一步的研究和掌握物探技术更深领域的性能，以便最大限度地服务于地质勘探事业。因此，必须高度重视，进一步加强研究，提升从业人员的专业水平和全面能力，才能有效地推动物探技术以及带动其他相关技术的顺利发展，使我国的地质勘探工作平稳进行，为物探技术乃至地质基本技术的发展提供源源不竭的动力源泉。