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广义多波地震勘探在工程中的应用
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                   冯永革 1  马天朗 2  张玉聆 3  赵鸿儒 1

                   1) 中国北京100871 北京大学地球物理系

                   2) 中国湖南411100 湘潭市天鸿电子研究所

 

摘要  本文介绍了由广义多波地震勘探引深至工程多波地震勘探的简单情况和目前实施工程多波地震勘探已具备的基本条件,并列举了部分工程多波地震勘探应用实例,说明其在解决非均匀复杂工程地质问题的优越性。最后提出了对工程多波地震勘探发展的几点看法。

关键词 全波震相分析  广义多波地震勘探  工程多波地震勘探  多波  震相

1 引言

广义多波地震勘探源于《全波震相分析》,它不同于目前国内外进行的多波联合地震勘探,多波  联合地震勘探在同一炮点处多是采用不同类型的震源以激发不同方向的地震波动,用铅垂向检波器主要拾取纵波,用水平向检波器主要拾取横波或转换波,然后分别对纵波、横波和转换波记录进行分析,并加以对比,从而研究构造变化的细节和岩石物性。广义多波地震勘探把地震波的传播理解为随空间和时间变化的矢量传递,认为单炮地震记录中含有来自同一震源及同一地质体的不同类型、不同震相的地震波动,因而能够较好地利用这些波的运动学、动力学特征从多个角度来确定该地质体的分布状态和岩石物性。将广义多波地震勘探具体用于工程地震勘探便形成了一种新的工程多波地震勘探。

《全波震相分析》认为,地震波的传递可视为随空间和时间变化的质点振动矢量(从震源至观测点处)的传递。因而,既重视单分量地震记录所反映一个侧面的全波列各类震相的分析和应用,更重视三分量或多分量地震记录合成的全波列各类震相的分析和应用。这样有助于解决非均匀复杂工程地质体的问题。据此,广义多波地震勘探实施中需考虑以下主要特点:

1)其方法、技术的理论依据是《全波震相分析》,并且采纳常规地震勘探和多波联合地震勘探  的可用之处。

2)采用单炮大药量震源、大炮间距和大道间距、三分量或多分量拾取震波的"三大"观测系统,以便得到多震相的记录。定向、大药量单炮震源在边界条件、能量和方向性上保证了激发源的同一性,从而使各个震相之间的内在联系更为密切。炮间距要大到足以观测到所要研究的深部高速层的首波。由于采用三分量或多分量记录,各测点所能控制的范围较传统的垂直向单分量记录大,因此可采取较大的道间距。炮点和观测点的布设应视所要研究的勘探对象而具体确定。采集系统宜采用高灵敏度、高采样率、宽频带、大存贮量的多道数字化地震仪,最好具有瞬时浮点放大功能,以适应多震相动力学特征研究需要。

3)在数据处理及解释上,既重视单分量记录的分析和应用,更重视多分量记录合成的分析和应用,在震相识别、确认的基础上充分利用多类型、多震相的运动学、动力学特征。应用《全波震相分析》方法对地震记录进行处理分析,其结果包括采用新方法得到的震波矢量图、质点振动轨迹图、各类空间域和时间域瞬态等等。资料解释中采用层层剥离的新手段,从地表直至研究目的层,根据各层有关震相逐层进行分析、反演、剥离,结合地质资料和其它物探、化探、岩性资料综合分析给出最终的地质解释。这样,利用多波、多参数、多方面资料进行地质解释,有可能克服地球物理方法进行地质解释时通常遇到的多解性问题,使所得结果更接近地下真实情况。

4)充分利用超声地震模型实验手段。在研究处理勘探难题时,先在模型上取得理论和方法的验证,再进行现场试验和实际勘探工作,从而做到心中有数,避免不必要的浪费。工程多波地震勘探中同样也要考虑上述原则。

  目前工程多波地震勘探实施已具备的基本条件

理论方法方面,如赵鸿儒等的专著《工程多波地震勘探》,为工程多波地震勘探提供了一种基础  理论条件。

仪器设备方面,如由马天朗、赵鸿儒研制,湖南省湘潭市天鸿电子研究所生产的系列多波测试仪器,包括具有16通道声波测试与地震勘探功能的DB16型多功能声波仪,具有2通道、4通道及多通道声波测试功能的DB2DB4型等多功能声波仪(上述仪器主机频带为 1HZ-1MHZ,重量为1公斤左右,便于携带), 适用于压电晶体换能器及线圈型检波器,并配有频带为 1HZ-150KHZ、放大倍数为8 4通道前置放大器和利用稀土超大磁致伸缩新材料研制的大功率CFY-1型超磁伸缩发射源(1000V100A8KHZ);由张玉聆、赵鸿儒研制,湘潭市无线电厂生产的系列产品,包括实验室或野外用压电晶体三分量换能器和井中全方位换能器;此外还有重庆、徐水等地生产的三分量线圈型检波器。上述仪器设备为开展工程多波地震勘探提供了基本设备条件。

  工程多波地震勘探的应用

工程多波地震勘探应用方面,我国自1989年大庆石油学院研究生里宏亮在其导师赵鸿儒、吴顺和指导下首次将广义多波地震勘探的思想应用于超声物理模型实验以来,至今国内一些单位已作了许多工作,取得了较好的效果。《工程多波地震勘探》及吴小平、赵鸿儒的文章中已作过某些详细介绍,这里仅举一些重要实例,简单介绍如下:

·在矿井和隧道超前探测研究和应用方面。董其成、赵鸿儒等(199219931994)对太原西山煤矿的陷落柱超前探测问题采用了工程多波地震勘探的思想,研究和总结了超声地震模型实验、数学模型计算及矿井现场正演实验的结果,发现了衍射波、转换波和次生源及次声波对陷落柱探测是更具有实用价值的三类重要震相。在陷落柱的工程多波地震勘探中,除了反射波、回折波、首波、多次波外,在具有圆形或弯曲界面的陷落柱非均匀地质体的衍射波场中,会出现上述三类重要震相。从而在理论、方法和技术上突破了陷落柱探测这一难题。

·北京煤科院陈钢(1994)根据工程多波地震勘探思想,采用三分量检波器,单炮取得三分量地震记录,并首次把《全波震相分析》中三分量记录的质点振动轨迹图和震波矢量图合成方法应用于地下空巷探测研究,还成功地进行了等偏移三分量正演实验。

·北方交大陈立成等(1994)根据《全波震相分析》理论方法和技术,研究了隧道施工掌子面前方界面多波层析成像的问题,主要针对隧道前方断层的超前探测建立了隧道超声地震模型,用多波震相分析方法识别震相,进行走时反演,成功地获得了"超前预报超声层析成像"图像中的三个断层界面,在此基础上又对兰州铁一院云台山隧道超前探测的地震记录进行了多波震相分析,应用PPSSSPPS等多波层析成像手段反演的界面与工程开挖后的隧道壁上破碎带和断层界面基本一致。

·在工程抗震研究和应用方面。孙进忠、彭一民等(1992)对地下生命线工程地震反应作了超声模拟实验研究,应用《全波震相分析》理论,对直达纵、横波、反射纵、横波、转换波、多次波、面波等多种震相的动力学、运动学特征进行了分析,得到了不同场地条件下地震波场的分布规律。通过由三分量记录得到的质点振动轨迹图和震波矢量图,详细分析了震波沿地下管线延伸方向传播造成的地震地面运动的相位差异效应,为解决地下生命线工程通过不同非均匀场地时的抗震措施方案,提供了重要依据。

·在工程质量无损检测研究和应用方面。许昭永、段永康等(1992)提出了不同于振动学的一种新的桩基无损检测方法--波列振幅衰减法,此方法采用了《全波震相分析》理论和多波勘探思想,综合利用了直达波、反射波、尾波及其运动学和动力学特征,同时判断桩身成型质量和估算单桩承载力,还给出了相应的沉降量。经鉴定,该方法达到了国际先进水平。

·河南省公路研究所徐人忠等(19921993)应用《全波震相分析》原理及《工程多波地震勘探》方法,选择最佳测试位置,通过对已知试件和路面实测结果的大量对比,建立了超声特征参数与混凝土特征参数、路面板厚度及缺陷之间的一整套相关函数关系,提出了TVR 超声综合测强测厚及缺陷判别的道路质量无损检测方法。该方法现场测试一般采用环形测网,每个环形网的中心放置发射换能器,圆周上放置接收换能器,每一测点都记录直达波、横波、反射波、转换波、多次波等多个震相,运用预先建立的一整套函数关系,对检测数据进行计算机综合实时处理后,可同时得到强度和厚度,并能检测出孔洞、蜂窝、裂缝、不均匀等缺陷。经鉴定,TVR 超声综合检测方法具有国际先进水平。它使我国道路工程质量检测技术水平达到了一个新的高度。

·宁波甬江水底隧道管段基础注浆质量检测属于多种不同介质组成的小尺度不均匀构造的探测问题,由于隧道渡越工程采用的是水下开槽、抛石、由预制沉管内向下注浆固定沉管的先进施工工艺,在我国尚属首次实施,其水底基础注浆质量的检测也属首次,无现成方法和资料可循。针对这一复杂的工程难题,浙江省地震局与其协作单位采用了《工程多波地震勘探》的技术和方法,首先用现场实际材料建造了超声地震模型,进行了多项研究,在现场实测中,结合模型实验结果进行了多种方法的综合多波测试,它们包括:动态反射、首波测试、超声频面波勘探、对穿测试、地震测井和TVR 综合检测等,重点使用了直达纵、横波,首波,反射波,转换波,多次反射波,面波等多类震相。资料处理和工程地质资料解释时应用层层剥离方法,成功地获得了管底注浆和抛石层不均匀构造的具体形态和性质,以及注浆的震波速度和强度结构的满意结果,解决了这一国际难题。

·郭铁栓、孙进忠、赵鸿儒等(1997)为了节约时间减少工作量尽快完成检测任务,选用了瑞雷型面波勘探手段对漳州后石电厂工程地基强夯效果进行了面波检测,实际工作中由于被检测的填夯土体的复杂性和不均匀性等,故首先根据《全波震相分析》理论及《工程多波地震勘探》的方法在已知介质模型上进行了正确分析,准确识别了纵、横波及面波等,以便正确认识瑞雷型面波的频散特征,对各类介质模型的瑞雷型面波频散特征做到心中有数,之后按照探测要求合理布置测线,利用恰当的反演方法实现了正确提取实际工程岩土体中瑞雷型面波频散特征及对工程岩土体物理力学性质作出了正确解释和合理工程评价的目的,结果表明采用抽查点地基静力学试验与大面积(约36万平方米)主要以瑞雷型面波震相勘探及《工程多波地震勘探》相结合的检测方法,对于像后石电厂工程这样的大面积复杂回填地基强夯效果,即应用瑞雷型面波震相勘探时,准确确认瑞雷型面波震相是工件成败的关键问题。

·在岩石综合物性测定研究和应用方面。如:谢鸿森等(1993)在紧装式六面顶高压装置上建立了一套新的高温高压下弹性波速度测量方法。应用《全波震相分析》方法,对高温(室温--1600 ℃)  高压(0.1--5.5 GPa)条件下岩样的纵波、横波、反射波、转换波、多次反射波等进行了识别,从而能在一次实验中同时获得纵、横波的速度,还观测到样品在"软化点"上出现波速Vp下降、振幅增大的重要结果。此时在同类测量方法中居世界领先地位。

·王博文、赵鸿儒(1989)运用《全波震相分析》方法,利用多波的特征对28块南极异形岩石标本的密度、孔隙度以及在干燥和饱和条件下的纵波和横波速度进行了测定,观测了饱水低孔隙度岩样在+12℃ 到 -20℃的波速温度效应,探讨了对异形标本所需考虑的特殊问题,解决了异型岩石标本不允许损伤条件下测定物性的难题。

以上举例可以看出工程多波地震勘探在解决非均匀复杂工程地质问题时其优越性是明显的。

  展望

综上所述,近年来,随着我国经济建设的高速发展,单分量、单震相的勘探方法难以解决非均匀复杂工程地质问题,不易满足当前经济建设的需要,工程多波地震勘探发展是一种必然趋势,展望未来。其发展方向重点可归纳为以下几点:

1)进一步改进和完善新仪器设备的开发研制,以适应经济建设的需要。

2)研究、开发更多更好的有关软件,以适应未来信息时代的发展。

3)在工程实践中尽快推广应用并逐步提高完善工程多波地震勘探的理论、方法、技术、技能,为解决非均匀复杂工程地质问题提供更好、更有效的方法,取得更好的结果而努力。

4)在处理资料解释时既要考虑利用模型实验、岩石综合物性等方法,又要注意参考其它物探、化探、地质等手段的结果,综合各种资料进行解释,以使结果更加准确,可靠。

 

参考文献

赵鸿儒,孙进忠,唐文榜等,全波震相分析,北京:地震出版社,1991226

赵鸿儒,郭铁栓,徐子君等,工程多波地震勘探,北京:地震出版社,1996265

赵鸿儒,唐文榜,郭铁栓,超声地震模型试验技术及应用,北京:石油工业出版社,1986372

吴小平,赵鸿儒,1996,我国工程多波地震勘探研究与应用现状。地震学报,18(2)262-268

张玉聆,郭铁栓,赵鸿儒,多分量换能器,石油仪器,199610(1)27-29

里宏亮,赵德斌,赵鸿儒,地震勘探的新境界-多波勘探。地球物理学进展,19905(2)1-8

谢鸿森,张月明,徐惠刚等,高温高压下测量岩石矿物波速的新方法及其意义。中国科学(B)199323(8)861--864

 

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