劉建兵

[摘要]彈性波頻率勘探是近年發(fā)展起來(lái)的一種新的淺層地球物理勘探方法,具有簡(jiǎn)便、快速、經(jīng)濟(jì)、分辨率高、成果直觀、適用場(chǎng)地小等優(yōu)點(diǎn),已在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用,并取得良好的應(yīng)用效果。通過(guò)對(duì)彈性波頻率勘探技術(shù)的發(fā)展概況、探測(cè)原理、主要特點(diǎn)及其野外測(cè)試方法進(jìn)行深入思考,能夠有效地了解其應(yīng)用范圍及目前存在的問(wèn)題,使之更好地用于地質(zhì)勘探之中。

[關(guān)鍵詞]彈性波 彈性波頻率 勘探 地質(zhì)勘探

中圖分類號(hào):TU19文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)0920111-01

一、彈性波概述

彈性波是應(yīng)力波的一種,擾動(dòng)或外力作用引起的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)趶椥越橘|(zhì)中傳遞的形式。彈性介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)間存在著相互作用的彈性力。某一質(zhì)點(diǎn)因受到擾動(dòng)或外力的作用而離開(kāi)平衡位置后,彈性恢復(fù)力使該質(zhì)點(diǎn)發(fā)生振動(dòng),從而引起周圍質(zhì)點(diǎn)的位移和振動(dòng),于是振動(dòng)就在彈性介質(zhì)中傳播,并伴隨有能量的傳遞。在振動(dòng)所到之處應(yīng)力和應(yīng)變就會(huì)發(fā)生變化。彈性波理論已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地震、地質(zhì)勘探、采礦、材料的無(wú)損探傷、工程結(jié)構(gòu)的抗震抗爆、巖土動(dòng)力學(xué)等方面。彈性波頻率分為瑞利波(R波)和拉夫波(L波),而R波在振動(dòng)波組中能量最強(qiáng)、振幅最大、頻率最低,容易識(shí)別也易于測(cè)量,所以彈性波頻率勘探一般是指瑞利彈性波頻率勘探。R波在巖土工程勘察中的應(yīng)用大致分為以下幾個(gè)方面:查明工程區(qū)地下介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)并進(jìn)行地層劃分;對(duì)巖土體的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行原位測(cè)試;工業(yè)與民用建筑的地基基礎(chǔ)勘察;地下管道及埋藏物的探測(cè);地下空洞、巖溶、古墓及廢棄礦井的埋深、范圍等探測(cè);軟土地基加固處理效果評(píng)價(jià)及飽和砂土層的液化判別;公路、機(jī)場(chǎng)跑道質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè);江河、水庫(kù)大壩(堤)中軟弱夾層的探測(cè)和加固效果評(píng)價(jià)等;場(chǎng)地土類別劃分及滑坡調(diào)查等;斷層及其它構(gòu)造帶的測(cè)定與追蹤等。

二、勘探原理

地震勘探,是用人工方法激發(fā)地震波(地殼的彈性振動(dòng)),并且研究它們?cè)诘貧?nèi)傳播的情況,來(lái)達(dá)到探查地殼地質(zhì)結(jié)構(gòu)的目的。地震波由震源激發(fā)后,向各方傳播,在存在密度差異的不同巖性地層的分界面上可能發(fā)生反射和折射,然后返回地面,引起地面的振動(dòng)。我們將專門的儀器設(shè)備(地震儀、檢波器等)安置在地面上,記錄地震的振動(dòng)(地震記錄),通過(guò)分析解釋地震記錄的特點(diǎn)(傳播時(shí)間、振動(dòng)的振幅、相位及頻率等),就能確定地層的埋藏深度、巖石的組成成分和物理力學(xué)性質(zhì)。地震勘探依據(jù)的是彈性波傳播原理。彈性波理論分析表明,R波具有如下特點(diǎn):在地震波形記錄中振幅和波組周期最大,頻率最小,能量最強(qiáng);在不均勻介質(zhì)中R波相速度(VR)具有頻散特性,此點(diǎn)是彈性波頻率勘探的理論基礎(chǔ);由P波初直到R波初至之間的1/3處為S波組初至,且VR與VS具有很好的相關(guān)性,其相關(guān)式為:VR=VS·(0.87 1.12μ)/(1 μ);式中:μ為泊松比;此關(guān)系奠定了R波在測(cè)定巖土體物理力學(xué)參數(shù)中的應(yīng)用;R波在多道接受中具有很好的直線性,即一致的波震同相軸;質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為逆轉(zhuǎn)橢圓,且在垂直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng);R波是沿地表傳播的,且其能量主要集中在距地表一個(gè)波長(zhǎng)(λR)尺度范圍內(nèi)。依據(jù)上述特性,通過(guò)測(cè)定不同頻率的彈性波頻率速度VR,即可了解地下地質(zhì)構(gòu)造的有關(guān)性質(zhì)并計(jì)算相應(yīng)地層的動(dòng)力學(xué)特征參數(shù),達(dá)到巖土工程勘察之目的。

三、工作方法

應(yīng)用彈性波頻率進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)一般采用多道檢波器接收,以利于彈性波的對(duì)比和分析。當(dāng)錘子或落重在地表產(chǎn)生一瞬態(tài)激振力時(shí),就可以產(chǎn)生一個(gè)寬頻帶的R波,這些不同頻率的R波相互迭加,以脈沖信號(hào)的形式向外傳播。當(dāng)多道低頻檢波器接收到脈沖振動(dòng)信號(hào)后,經(jīng)數(shù)據(jù)采集,頻譜分析后,把各個(gè)頻率的R波分離出來(lái),并求得相應(yīng)的VR值,進(jìn)而繪制面波頻散曲線。

當(dāng)選取兩道檢波數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理時(shí),應(yīng)使兩檢波器接收到的信號(hào)具有足夠的相位差,其間距△x應(yīng)滿足(λR/3)～λR,即在一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)要小于在間距△x內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的3倍,而大于在間距△x內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)的1倍,該采集濾波原則對(duì)于不同的勘探深度及儀器分辨率和場(chǎng)地地層特性可作適當(dāng)調(diào)整。

當(dāng)采用多道檢波數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理時(shí),雖然不受道間距公式的約束,但野外數(shù)據(jù)采集時(shí)也應(yīng)考慮勘探深度和場(chǎng)地條件的影響。一般來(lái)說(shuō),當(dāng)探測(cè)較淺部的地層介質(zhì)特性時(shí),易采用小的△x值并用小錘作震源以產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻信號(hào),即可獲得較好的結(jié)果;當(dāng)探測(cè)較深部的地層介質(zhì)特性時(shí),易采用較大的△x值,并用重錘沖擊地面,以產(chǎn)生較低頻率的信號(hào),使其能反映地下更深處的介質(zhì)信息,達(dá)到巖土工程勘察之目的。

震源點(diǎn)的偏移距從理論上講越大越好,且易采用兩端對(duì)稱激發(fā),有利于R波的對(duì)比、分辨和識(shí)別,但偏移距增大就要求震源能量加大和儀器性能的改善。一般來(lái)說(shuō),偏移距應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選取。就目前的儀器設(shè)備條件和反演技術(shù)水平,選用偏移距20～40m即可獲得較好的測(cè)試結(jié)果。

由多道檢波數(shù)據(jù)反演處理后可得一條頻散曲線,一般把它作為接收段中點(diǎn)的解釋結(jié)果。實(shí)際上該曲線所反映的地層特性為接收段內(nèi)地層性質(zhì)的平均結(jié)果,故當(dāng)探測(cè)場(chǎng)地地下介質(zhì)水平方向變化較大時(shí),只要能滿足勘探深度的要求,盡量使反演所用的接收段減小,以使解釋結(jié)果更具客觀實(shí)際。

四、存在問(wèn)題

雖然彈性波頻率探測(cè)技術(shù)在工程中的應(yīng)用已很廣泛,但實(shí)際工作中還存在以下問(wèn)題:關(guān)于實(shí)測(cè)彈性波頻率頻散曲線的“Z”字型現(xiàn)象,從理論模型的解析中還不能精確地解釋此現(xiàn)象。因?yàn)槔碚摰念l散曲線,在介質(zhì)分界面處只出現(xiàn)折點(diǎn),對(duì)此還需深入研究和數(shù)值模擬計(jì)算;對(duì)于彈性波頻率勘探深度的確定,目前國(guó)內(nèi)外大多采用半波長(zhǎng)作為R波的勘探深度,此關(guān)系是一經(jīng)驗(yàn)公式,但在實(shí)際工作中,應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)條件、探測(cè)對(duì)象以及孔旁測(cè)試對(duì)比結(jié)果等作適當(dāng)調(diào)整;測(cè)試深度相對(duì)較淺,一般情況下可靠的測(cè)量深度為20～30m,最深不過(guò)50～60m。當(dāng)測(cè)試深度加大時(shí),震源信號(hào)就必須具有足夠的低頻信號(hào),目前尚難滿足此要求。由于低頻時(shí)的R波值很少,使得下部頻散曲線的點(diǎn)相對(duì)稀少,所以對(duì)解釋精度影響較大。就該問(wèn)題筆者建議由原來(lái)的算術(shù)坐標(biāo)系改為波長(zhǎng)為對(duì)數(shù)的單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系,可使低頻段頻散點(diǎn)稀少問(wèn)題得以改觀。根據(jù)不同的勘測(cè)目的和要求,對(duì)產(chǎn)生R波的震源需作必要的改進(jìn)和研究,以適應(yīng)勘察的需要。如用錘子作震源時(shí)其低頻值為10～20Hz左右,而用砂袋作震源時(shí)低頻值為3～10Hz左右。彈性波頻率勘探作為一種新的淺層地球物理勘探方法,具有簡(jiǎn)便、快速、經(jīng)濟(jì)、分辨率高、適用場(chǎng)地小、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),但對(duì)彈性波頻率勘探理論的研究以及實(shí)際應(yīng)用等有待進(jìn)一步的深入和開(kāi)拓,使之在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷總結(jié)、完善和提高。

參考文獻(xiàn):

[1]楊成林等,《瑞雷波勘探》,地質(zhì)出版社,1993年.

[2]胡鈞等,《巖土工程瑞利波勘探新進(jìn)展》,《上海地質(zhì)》.

[3]劉康和,《彈性波頻率探測(cè)技術(shù)綜述》,《電力勘測(cè)》.