利用彈性波頻率進行地質勘探的思考

劉建兵

[摘要]彈性波頻率勘探是近年發展起來的一種新的淺層地球物理勘探方法,具有簡便、快速、經濟、分辨率高、成果直觀、適用場地小等優點,已在許多領域得到應用,并取得良好的應用效果。通過對彈性波頻率勘探技術的發展概況、探測原理、主要特點及其野外測試方法進行深入思考,能夠有效地了解其應用范圍及目前存在的問題,使之更好地用于地質勘探之中。

[關鍵詞]彈性波 彈性波頻率 勘探 地質勘探

中圖分類號:TU19文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0920111-01

一、彈性波概述

彈性波是應力波的一種,擾動或外力作用引起的應力和應變在彈性介質中傳遞的形式。彈性介質中質點間存在著相互作用的彈性力。某一質點因受到擾動或外力的作用而離開平衡位置后,彈性恢復力使該質點發生振動,從而引起周圍質點的位移和振動,于是振動就在彈性介質中傳播,并伴隨有能量的傳遞。在振動所到之處應力和應變就會發生變化。彈性波理論已經廣泛應用于地震、地質勘探、采礦、材料的無損探傷、工程結構的抗震抗爆、巖土動力學等方面。彈性波頻率分為瑞利波(R波)和拉夫波(L波),而R波在振動波組中能量最強、振幅最大、頻率最低,容易識別也易于測量,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用大致分為以下幾個方面:查明工程區地下介質速度結構并進行地層劃分;對巖土體的物理力學參數進行原位測試;工業與民用建筑的地基基礎勘察;地下管道及埋藏物的探測;地下空洞、巖溶、古墓及廢棄礦井的埋深、范圍等探測;軟土地基加固處理效果評價及飽和砂土層的液化判別;公路、機場跑道質量的無損檢測;江河、水庫大壩(堤)中軟弱夾層的探測和加固效果評價等;場地土類別劃分及滑坡調查等;斷層及其它構造帶的測定與追蹤等。

二、勘探原理

地震勘探,是用人工方法激發地震波(地殼的彈性振動),并且研究它們在地殼內傳播的情況,來達到探查地殼地質結構的目的。地震波由震源激發后,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生反射和折射,然后返回地面,引起地面的振動。我們將專門的儀器設備(地震儀、檢波器等)安置在地面上,記錄地震的振動(地震記錄),通過分析解釋地震記錄的特點(傳播時間、振動的振幅、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性質。地震勘探依據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: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;在不均勻介質中R波相速度(VR)具有頻散特性,此點是彈性波頻率勘探的理論基礎;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具有很好的相關性,其相關式為:VR=VS·(0.87 1.12μ)/(1 μ);式中:μ為泊松比;此關系奠定了R波在測定巖土體物理力學參數中的應用;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;質點運動軌跡為逆轉橢圓,且在垂直平面內運動;R波是沿地表傳播的,且其能量主要集中在距地表一個波長(λR)尺度范圍內。依據上述特性,通過測定不同頻率的彈性波頻率速度VR,即可了解地下地質構造的有關性質并計算相應地層的動力學特征參數,達到巖土工程勘察之目的。

三、工作方法

應用彈性波頻率進行現場測試時一般采用多道檢波器接收,以利于彈性波的對比和分析。當錘子或落重在地表產生一瞬態激振力時,就可以產生一個寬頻帶的R波,這些不同頻率的R波相互迭加,以脈沖信號的形式向外傳播。當多道低頻檢波器接收到脈沖振動信號后,經數據采集,頻譜分析后,把各個頻率的R波分離出來,并求得相應的VR值,進而繪制面波頻散曲線。

當選取兩道檢波數據進行反演處理時,應使兩檢波器接收到的信號具有足夠的相位差,其間距△x應滿足(λR/3)～λR,即在一個波長內采樣點數要小于在間距△x內的采樣點數的3倍,而大于在間距△x內的采樣點數的1倍,該采集濾波原則對于不同的勘探深度及儀器分辨率和場地地層特性可作適當調整。

當采用多道檢波數據進行反演處理時,雖然不受道間距公式的約束,但野外數據采集時也應考慮勘探深度和場地條件的影響。一般來說,當探測較淺部的地層介質特性時,易采用小的△x值并用小錘作震源以產生較強的高頻信號,即可獲得較好的結果;當探測較深部的地層介質特性時,易采用較大的△x值,并用重錘沖擊地面,以產生較低頻率的信號,使其能反映地下更深處的介質信息,達到巖土工程勘察之目的。

震源點的偏移距從理論上講越大越好,且易采用兩端對稱激發,有利于R波的對比、分辨和識別,但偏移距增大就要求震源能量加大和儀器性能的改善。一般來說,偏移距應根據試驗結果選取。就目前的儀器設備條件和反演技術水平,選用偏移距20～40m即可獲得較好的測試結果。

由多道檢波數據反演處理后可得一條頻散曲線,一般把它作為接收段中點的解釋結果。實際上該曲線所反映的地層特性為接收段內地層性質的平均結果,故當探測場地地下介質水平方向變化較大時,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,以使解釋結果更具客觀實際。

四、存在問題

雖然彈性波頻率探測技術在工程中的應用已很廣泛,但實際工作中還存在以下問題:關于實測彈性波頻率頻散曲線的“Z”字型現象,從理論模型的解析中還不能精確地解釋此現象。因為理論的頻散曲線,在介質分界面處只出現折點,對此還需深入研究和數值模擬計算;對于彈性波頻率勘探深度的確定,目前國內外大多采用半波長作為R波的勘探深度,此關系是一經驗公式,但在實際工作中,應根據場地地質條件、探測對象以及孔旁測試對比結果等作適當調整;測試深度相對較淺,一般情況下可靠的測量深度為20～30m,最深不過50～60m。當測試深度加大時,震源信號就必須具有足夠的低頻信號,目前尚難滿足此要求。由于低頻時的R波值很少,使得下部頻散曲線的點相對稀少,所以對解釋精度影響較大。就該問題筆者建議由原來的算術坐標系改為波長為對數的單對數坐標系,可使低頻段頻散點稀少問題得以改觀。根據不同的勘測目的和要求,對產生R波的震源需作必要的改進和研究,以適應勘察的需要。如用錘子作震源時其低頻值為10～20Hz左右,而用砂袋作震源時低頻值為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,具有簡便、快速、經濟、分辨率高、適用場地小、應用范圍廣等優點,但對彈性波頻率勘探理論的研究以及實際應用等有待進一步的深入和開拓,使之在生產實踐中不斷總結、完善和提高。

參考文獻:

[1]楊成林等,《瑞雷波勘探》,地質出版社,1993年.

[2]胡鈞等,《巖土工程瑞利波勘探新進展》,《上海地質》.

[3]劉康和,《彈性波頻率探測技術綜述》,《電力勘測》.