朱翔鵬 ，胡朝彬，聞秀明

(1.天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津 300191；2.天津華北地質(zhì)勘查局，天津 300170)

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軟土地區(qū)淺層橫波反射勘探技術的應用研究

朱翔鵬1，胡朝彬2，聞秀明1

(1.天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津 300191；2.天津華北地質(zhì)勘查局，天津 300170)

選取一種適用于城市環(huán)境工程地質(zhì)勘察和軟土地基的高技術含量、低成本的地球物理勘探方法是當今的趨勢。為此首先介紹了一種采用人工叩板法激發(fā)橫波，并用水平傳感器取代垂直傳感器接收橫波反射信號，使橫波取代縱波進行反射地震勘探的方法與原理。然后在塘沽進修學校和富力城南昌路進行橫波地震反射實驗，并對結(jié)果進行分析。通過所舉的試驗實例證明，淺層橫波反射地震勘探能提供100 m以淺真正意義上的淺層剖面，完全能符合工程上的要求。

淺層橫波地震反射；橫波波速；水平傳感器；觀測系統(tǒng)；波組

1　引　言

傳統(tǒng)的淺層反射地震勘探方法(縱波反射方法)其所謂的“淺層”概念遠遠超出一般城市建設工程地基的深度范圍?？v波波速與橫波波速存在較大的差異，尤其是在沿海軟土地區(qū)地下潛水面較淺的情況下，縱波波速通常可以達到橫波波速的5～10倍，這就使橫波反射勘探方法可以提供縱波方法無法比擬的分辨率和解釋精度，并且能提供真正意義上的“淺層剖面”，可完全達到工程上的要求[1]。本文主要介紹天津市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局科技創(chuàng)新基金項目《軟土地區(qū)工程地震勘探技術應用研究》中橫波發(fā)射勘探技術研究所取得的一些成果與經(jīng)驗。

2　淺層橫波反射法原理

與縱波相比，橫波具有波速低、波長短(軟土地區(qū)通常為縱波的1/10～1/5)，不受地下水影響的特點，因而使橫波地震勘探反射方法可以提供傳統(tǒng)縱波方法無法比擬的分辨率和解釋精度，它所提供的反射地震剖面是真正意義上的“淺層”，完全可以和工程地基的深度范圍相匹配[2,3]。橫波反射地震勘探技術在原理及工作方法上與傳統(tǒng)反射地震勘探技術完全相同，但是采用人工方法(即所謂的叩板法)激發(fā)水平偏振的橫波(SH波)，并用水平傳感器取代垂直傳感器接收橫波反射波信號。本次進行橫波發(fā)射試驗研究設備有：美國Geometrics公司生產(chǎn)的StrataVisor NZ型24道工程地震儀1臺，觸發(fā)開關1個，覆蓋開關1部，大線及延長線4根，震源枕木1塊，橫波檢波器48個，另附鐵錘、12 V電瓶、皮尺等。

2.1人工震源激發(fā)方式及施工方法

人工激發(fā)剪切橫波最簡單的辦法是所謂的叩板法，即將一根硬質(zhì)枕木，下置耙釘緊耙地面，其上配以一定載荷。用18磅鐵錘沿水平向叩擊枕木一端，給地表一個剪切沖擊力，從而激發(fā)出水平激震的橫波。這種激振方式成本低，機動靈活。激震時要求每次叩擊力度均勻，方向水平，錘擊干脆，如圖1所示。

圖1　橫木震源(照片)Fig.1　The seismic source of sleeper (photo)

測線布設是做好橫波反射工作的關鍵。在滿足任務要求的基礎上，測線布設應盡可能地避開硬車道、溝坎、高壓電線等不利于檢波器布設和強電以及機器、車輛和行人干擾的地區(qū)，盡量使檢波器的檢波方向與風向垂直，以減小風力干擾。插入土中的傳感器必須穩(wěn)定牢固。施工場地應保持安靜，盡量避免施工現(xiàn)場附近有車輛、鉆機等的干擾(在繁華區(qū)施工應選擇夜間安靜時作業(yè))。

2.2觀測系統(tǒng)設計

觀測系統(tǒng)既要滿足工作質(zhì)量的要求，又必須達到一定的效率[4]。在新場地進行反射地震勘探工作之前，必須進行觀測系統(tǒng)確定實驗。具體包括以下幾項內(nèi)容：最大炮檢距測試、錘擊能量(敲擊次數(shù)疊加)的測試、炮點偏移距的測試、道間距測試、覆蓋次數(shù)試驗。經(jīng)過上述五步試驗，最終確定的合理的觀測系統(tǒng)為：單邊放炮，最大炮檢距為24 m，標準疊加錘擊次數(shù)為4～6次，偏移距為2 m、道間距為1 m、炮間距為1 m，12次覆蓋觀測系統(tǒng)。

2.3數(shù)據(jù)處理

在本次研究中，數(shù)據(jù)處理所采用的軟件是中國地質(zhì)大學(武漢)地空學院張學強老師自主研制的反射波法軟件。該軟件最大的特點就是在數(shù)據(jù)管理方面，通過建立索引，用戶能自由地對數(shù)據(jù)進行抽取和合并，具有功能齊全、操作方便、工作效率高，能進行人機交互處理、解釋等優(yōu)點。主要數(shù)據(jù)處理步驟為：①地震數(shù)據(jù)預處理(廢道處理，反極性，道間均衡，道內(nèi)均衡，一維濾波，二維濾波，前端切除，頻譜分析、爆炸延遲校正，野外一次靜校正等)；②地震數(shù)據(jù)處理(抽道集、速度譜的制作和動校正、水平疊加等)；③時深轉(zhuǎn)換[5,6]。

2.4橫波反射波速分析

橫波反射地震勘探方法可以直接提供土的橫波(剪切波)波速——這是工程上非常關心的物性參數(shù)，在巖土工程勘察中，大量的波速測井資料是獲得區(qū)域性橫波反射波速資料的直接資料。橫波波速可以在場地上用反射地震資料(速度譜上獲得的疊加速度)分析計算橫波平均波速，也可以利用大量的巖土工程勘察中實際的波速測井資料[7]。經(jīng)過大量場地的橫波速度譜分析與收集的大量波速測井，總結(jié)出了天津地區(qū)橫波平均波速，見表1。

表1　天津地區(qū)橫波平均波速

通過上述橫波平均速度表可知，在100 m深度范圍以淺，橫波平均速度不超過300 m/s，遠比本地區(qū)淺層縱波平均速度(1 600 m/s左右)小得多。因此橫波反射的勘探比傳統(tǒng)縱波反射勘探的垂向分辨率要高很多。

3　橫波應用實例

地質(zhì)上可構成物性差異的界面如地層界面、不整合面、剝蝕面、斷層面、侵入體接觸面、流體分界面等均可構成地震反射面。一般情況下，反射面與地質(zhì)分界面是一一對應的。層序地層是指一定地質(zhì)時期內(nèi)所形成的時間上連續(xù)、成因上有聯(lián)系的一個地層單元。對反射波組的描述，實際上是時間剖面的地震層序的劃分。地震層序往往同土層沉積層序是一一對應的。地震反射剖面上的強反射波組往往和沉積間斷面、巖性分界面及地質(zhì)年代界面相聯(lián)系[7-13]。下面將列舉第四系沉積相劃分與工程地質(zhì)土層巖性劃分的兩個例子。

3.1橫波反射在港通(天津)置業(yè)有限公司貽港城項目中的應用

本次實驗選擇的場地是港通(天津)置業(yè)有限公司貽港城項目中的塘沽進修學校場地。在進行橫波發(fā)射試驗采集數(shù)據(jù)時選取的觀測系統(tǒng)為：12次覆蓋，偏移距為2 m，道間距為1 m，24道接收，炮間距為1 m，采樣間隔為0.25 ms，采樣點數(shù)為4000。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，獲得了如圖2所示的水平疊加時間剖面。

圖2　塘沽進修學校淺層橫波反射水平疊加時間剖面Fig.2　Folds time section of transverse wave reflection level in Tanggu training and education school

結(jié)合鉆孔與工程地質(zhì)土層分層表對圖1的淺層地震時間剖面上的地層層序進行細致劃分。根據(jù)該地震剖面上的地震反射波阻抗特征大致可以分為5個波組，按時間(埋深)順序簡述如下：

T5波組：把反射時間在600 ms之下的反射序列統(tǒng)稱為T5波組，在這段時間區(qū)域內(nèi)，只有一個振幅能量強，同相軸連續(xù)性好的反射波組，深度大概估計在130 m左右，反映中更新統(tǒng)上組以下的沉積地層。

結(jié)合區(qū)域橫波波速資料，繪制了上述地震反射波層序?qū)啽?，見?。

3.2橫波反射在富力城南昌路項目中的應用

這次橫波地震反射法實驗項目選擇的場地是富力城南昌路項目中的勘察場地。采用的觀測系統(tǒng)如下：偏移距1 m，道間距1 m，炮間距1 m，24道接收，采樣間隔為0.25 ms，采樣長度為1 s，12次覆蓋。由于場地中有3段水泥地面，造成每炮中有3道無法插檢波器，另外中間還空了3炮沒連續(xù)，所以造成地震水平疊加的同相軸的連續(xù)性不是很好，但是還是能清楚地看到地層的變化情況，處理好的橫波反射時間剖面見圖3。

根據(jù)橫波速度譜分析，經(jīng)過時深轉(zhuǎn)換，在地震時間剖面上標出深度。根據(jù)富力城南昌路項目勘察報告中的鉆孔資料，在地震時間剖面上用追蹤同相軸的方法追蹤反射層的層位。和該項目的工程地質(zhì)剖面圖進行對比，發(fā)現(xiàn)所追蹤出的反射同相軸的深度坐標和工程地質(zhì)剖面圖吻合得很好，特別是12～110 m之間的土層變化情況在地震反射水平疊加剖面都能很好地反映出來，土層巖性在粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂三者之間變化時，均能形成強反射，可通過追蹤反射波同相軸的方法在地震剖面中劃分出來。據(jù)了解，該項目中持力層的選取大約在60～80 m，從地震剖面中可以看到，在雙程反射時間550～600 ms之間(依據(jù)表1的橫波平均波速表估算深度在60～80 m之間)有3個反射波同相軸，分別代表著幾種不同巖性的土層之間的反射界面，并且這3個反射同相軸的連續(xù)性尚好。在地震剖面中可以看到，該組3個土層的起伏變化情況不大，可以認為60～80 m之間的土層在橫向上土質(zhì)均勻，符合持力層的標準。

表2　塘沽進修學校橫波反射剖面反射波層序

圖3　富力城南昌路橫波反射地震時間剖面Fig.3　Folds time section of transverse wave eflection level on Nanchang road

通過這個例子，可以看到橫波反射法能精確地反映出地層的土質(zhì)變化情況和提供連續(xù)的地質(zhì)剖面。實踐證明，橫波反射勘探技術能有效地應用在巖土勘察中，為巖土勘察帶來新的技術活力。

4　結(jié)　語

1)淺層橫波反射方法能提供真正意義上的“淺層剖面”，與巖體工程勘察的鉆探深度相符合。它提供的直觀、連續(xù)的剖面資料，可以精確地追蹤地層的分布、變化情況，且與工程鉆探相符合。另外，橫波反射地震勘探方法可以直接提供場地的橫波(剪切波)波速背景資料。

2)橫波反射地震勘探應用于圈定工程地質(zhì)上的不良地質(zhì)體(如古河道、溶洞、活動斷層等)，能直觀地對巖土勘察所確定的持力層進行評價，并且對第四系地質(zhì)進行細致的研究，應用前景十分的廣泛。

3)本文介紹的方法采用人工橫木震源的方式來激發(fā)橫波，震源的輕便、高效與所激發(fā)橫波的強度有所矛盾，采用小額量的炸藥或夯激震源將會取得更好的效果。另外，因本研究實驗均是在地勢平坦的平原地區(qū)進行，沒考慮地形改正以及靜校正等問題。

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The Application of Seismic Exploration Technology to Shallow Transverse Wave Reflection in Soft Soil Areas

Zhu Xiangpeng1，Hu Chaobin2， Wen Xiuming1

(1.TianjinInstituteofGeologicalSurvey,Tianjin300191,China；2.TianjinNorthChinaGeologicalExplorationBureuu,Tianjin300170,China)

It is a trend to select a high technical content and low cost geophysical prospecting method which is suitable for the urban environmental engineering geological survey and the soft soil foundation. At first, this paper introduced the principle and seismic exploration method of shallow transverse wave reflection, by knocking the plate to excite the transverse wave signal, the horizon sensors are replaced by the vertical sensors to receive the transverse wave reflection signal, developing the reflection seismic exploration using transverse wave instead of longitudinal wave. Then the transverse wave seismic reflection tests are carried out in Tanggu school of training and education and on Nanchang road. The results are analyzed. According to the experimental examples in this paper, it proved that the shallow transverse wave reflection using seismic exploration method can provide a shallow section of 100 meters in a true sense, which can fully meet the requirement of the engineering.

shallow transverse wave reflection; transverse wave velocity; horizon sensors; seismic observational system; wave group

1672—7940(2016)04—0528—05

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.04.021

朱翔鵬(1979-)，男，工程師，主要從事地球物理勘探方面的研究。E-mail:35904878@qq.com

胡朝彬(1981-)，男，工程師，主要從事于巖土工程檢測與淺層物探方面的研究。E-mail:xiaodong1332@163.com

P631.5

A

2016-04-07