地震映像法在溶洞探測中的應用

楊放丹

（廣東省核工業地質調查院，廣東 廣州 510800）

某擬建住宅小區建筑物設計高度超過60m，在鉆機施工過程中偶見溶洞發育，未知溶洞的存在嚴重影響建筑施工安全。因此，為了施工及建筑物的穩定安全，全面排查工區場地范圍內存在的隱伏溶洞就顯得尤為必要。地震映像法基于反射波法中的最佳偏移距技術發展起來的一種淺層地層勘探方法[1]。 地震波在地下介質傳播時，遇到物性分界面或物性突變點時會產生反射或繞射現象，溶洞發育區或破碎區與周圍介質存在明顯的物性差異，這為應用地震映像法對溶洞進行勘探提供了很好的地球物理條件。通過對所接受的地震波的振幅、頻率、相位的對比分析，可查明勘探區域內地層異常分布情況。

1 工區的地質概況

工區原是魚塘及耕地，表層由人工填土而成，中間層為第四系殘坡積層，基巖為石炭系灰巖。

表層人工填土層土質疏松，孔隙較多；中間層為第四系坡殘積層由粉質粘土、含礫砂粉質粘土等組成，粉質粘土呈淺黃色、土黃色，可塑性良好；基巖石炭系灰巖，灰色、灰白色，泥晶質結構，中厚層狀構造，巖石裂隙發育，呈網格狀，裂隙面偶見溶蝕現象，巖芯較破碎。

2 地震映像法的基本原理

地震映像是基與反射波法中最佳偏移距發展起來的，是以相同的最佳偏移距逐步移動測點接收地震信號，在地面對地下地層或地下目標進行連續掃描，利用地震波信息來探測地下介質變化的淺層地震勘探方法，其前提是地下介質密度、速度、泊松比具有差異[2]。

反射波時距曲線。假設在地面下有一傾角為β的界面，界面上為均勻介質，其反射波可以看成有虛擬震源O′（震源對界面的對稱點）出發經反射界面直接到達接收點M的波，如圖1所示。反射波時距曲線的計算公式為：

式中：x—震源到觀測點的距離，m；

h——震源至反射界面的垂直距離；

xm——震源至虛震源在地面上的投影點之間的距離，m，xm=2hsinβ。

圖1 反射波時距曲線圖

式中：H——激發點與接收點中間的反射界面深度，m；

ve——波的有效速度，m/s；

t——反射波從震源到達接收點的時間；

反射界面深度的計算公式如公式為：

x——接收點到震源的距離（偏移距），m。

3 探測施工的基本方法

勘察之前進行參數實驗以確定探測施工的最佳偏移距。具體方法是：在工區選擇一干擾較少地段，布設24道檢波器，點距1m，偏移距從1m開始逐漸增大，記錄各不同偏移距的反射波信號，通過對比分析選擇反射波信號最清晰的偏移距作為整個工區偏移距。經試驗最終選取的最佳偏移距為10m。實際勘測時用特制鐵錘敲擊特制鐵板激發震源，然后用頻率為100kHz的單個檢波器接收反射波信號。地震儀器記錄后，震源和檢波器同時向前移動1m，重復敲擊鐵板激發震源，檢波器接反射波信號，如此反復即可得到一條地震映像時間剖面。

4 數據處理及成果分析

4.1 數據處理

地震映像法數據的處理主要是根據地震波形的對比分析來解譯地下地質情況，主要從以下3個方面進行分析處理：

（1）波形的同相性。相同界面的反射波到達相鄰檢波點的路徑是相似的，反射波的相同相位達到相鄰道的時間間隔很小，波形的同相軸平滑且有一定的長度，因每一個波型都有幾個振動極值，所以每一個有效波可以有幾個彼此近似于平行的同相軸[3]。

（2）波形的相似性。同一界面的有效波在相鄰道上振動圖形，一般是相似的[3]。

（3）振幅變化的規律性。當有效波的能量大于干擾波背景的能量時，它的到達使振幅顯著地增強，有效波的能量強弱與界面上、下2種介質的波阻抗差異、界面的形狀、介質的巖性以及波的傳路徑等因素有關，屬于同一界面的有效波沿測線的振幅衰減是緩慢的，而來自不同界面的有效波，振幅常有一定的強度差異[4]。

由于巖性條件的差異、激發接收條件變化、干擾波的影響以及儀器等因素影響，會使有效波的上述標志發生畸變[4]。

地震映像數據處理軟件VISTA通過對野外采集的數據經過預處理、能量均衡、一維濾波、二維濾波、信噪分離等一系列處理程序，生成地震映像時間剖面圖，根據時間剖面圖上同向軸的變化規律，結合地質資料即可做出地質解釋。

4.2 成果分析

使用地震映像法勘察溶洞，要根據地震映像時間剖面上的相關異常信息識別溶洞，地震波在地下傳播時遇到溶洞、基巖等異常地質體會顯示出特有的動力學和運動學特征，具體如下：①地震波遇到不連續界面會發生反射現象，反射強度的大小與反射系數相關，而反射系數主要由不連續界面兩側的波阻抗差異決定；②反射界面的幾何形態對地震反射波同向軸的連續性有明顯的影響。一般情況下，地震波在地下傳播時遇到溶洞、破碎帶時反射強度較大，如果溶洞被水、巖屑或淤泥充填溶洞的反射系數一般0.5，如果溶洞內無介質填充則反射系數會更高。

溶洞在地震時間剖面上反映各異，主要表現特征為：①以典型繞射形式存在，反射波的同向軸成弧形，其頂點對應溶洞的頂部；②反射波信號微弱，甚至缺失，局部形成空白區域；③反射波的同向軸紊亂，連續性差，有時與旁邊的同向軸完全錯斷。事實上，巖性的變化、場地地表條件、檢波器的接地效果也會引起反射波頻率、振幅和接收能量變化，這些情況都會加大對異常判斷的難度。

根據以上解譯原則，可以對各地震映像時間剖面進行了地質解譯。如圖2～圖4所示，各剖面異常的同向軸變化較明顯，異常的深度（H），可以根據時間剖面上的時間（t）、地震波在巖層中的傳播速度（ve）、及偏移距（x）進行計算得出[如公式（2）]。由于地震波在巖層中的傳播速度變化較大，因而地震映像法的垂直分辨率較低，橫向分辨率較高。

1號測線在平距45.8～57.3m，深度3～6m處同向軸上部向上彎曲，下部向下彎曲，中部反向。推測溶洞或破碎。見圖2。

圖2 1號測線地震映像時間剖面圖

2號測線在平距51.5～58.5m，深度10～16m處，同向軸向下錯斷。推測溶洞或破碎。見圖3。

3號測線在平距70～74m，深度9～18m處，同向軸錯斷。推測溶洞或破碎。見圖4。

5 結論

使用地震映像法勘察淺層溶洞已有眾多成功案例，此次對某住宅小區場地范圍內溶洞的探測也有著良好的效果。結合場地的地質情況我們對地震映像法勘探成果做出了解譯分析，基本查明了場地溶洞的分布情況，為某住宅小區的建設提供了可靠的物探資料。

圖3 2號測線地震映像時間剖面圖

圖4 3號測線地震映像時間剖面圖

[1] 王東，方玉滿.地震映像在采空區的勘探應用[J].礦產勘察，2012.

[2] 熊章強，張學強.高密度地震映象勘查方法及應用實例[J]．地震學報，2004.

[3] 譚金龍，陳耀蟬，劉基.綜合物探方法在高速公路勘察中的應用[J].土工基礎，2005.

[4] 黎志光，劉基.折射波法在高速公路勘察中的解釋方法及應用效果[J].西部探礦工程，2005.