利用弹性波频率进行地质勘探的思考

刘建兵

[摘要]弹性波频率勘探是近年发展起来的一种新的浅层地球物理勘探方法,具有简便、快速、经济、分辨率高、成果直观、适用场地小等优点,已在许多领域得到应用,并取得了良好的应用效果。通过对弹性波频率勘探技术的发展概况、探测原理、主要特点及其野外测试方法进行深入思考,能够有效地了解其应用范围及目前存在的问题,使之更好地用于地质勘探之中。

[关键词]弹性波 弹性波频率 勘探 地质勘探

中图分类号:TU19文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0910084-01

一、弹性波概述

弹性波是应力波的一种,扰动或外力作用引起的应力和应变在弹性介质中传递的形式。弹性介质中质点间存在着相互作用的弹性力。某一质点因受到扰动或外力的作用而离开平衡位置后,弹性恢复力使该质点发生振动,从而引起周围质点的位移和振动,于是振动就在弹性介质中传播,并伴随有能量的传递。在振动所到之处应力和应变就会发生变化。弹性波理论已经广泛应用于地震、地质勘探、采矿、材料的无损探伤、工程结构的抗震抗爆、岩土动力学等方面。弹性波频率分为瑞利波(R波)和拉夫波(L波),而R波在振动波组中能量最强、振幅最大、频率最低,容易识别也易于测量,所以弹性波频率勘探一般是指瑞利弹性波频率勘探。R波在岩土工程勘察中的应用大致分为以下几个方面:查明工程区地下介质速度结构并进行地层划分;对岩土体的物理力学参数进行原位测试;工业与民用建筑的地基基础勘察;地下管道及埋藏物的探测;地下空洞、岩溶、古墓及废弃矿井的埋深、范围等探测;软土地基加固处理效果评价及饱和砂土层的液化判别;公路、机场跑道质量的无损检测;江河、水库大坝(堤)中软弱夹层的探测和加固效果评价等;场地土类别划分及滑坡调查等;断层及其它构造带的测定与追踪等。

二、勘探原理

地震勘探,是用人工方法激发地震波(地壳的弹性振动),并且研究它们在地壳内传播的情况,来达到探查地壳地质结构的目的。地震波由震源激发后,向各方传播,在存在密度差异的不同岩性地层的分界面上可能发生反射和折射,然后返回地面,引起地面的振动。我们将专门的仪器设备(地震仪、检波器等)安置在地面上,记录地震的振动(地震记录),通过分析解释地震记录的特点(传播时间、振动的振幅、相位及频率等),就能确定地层的埋藏深度、岩石的组成成分和物理力学性质。地震勘探依据的是弹性波传播原理。弹性波理论分析表明,R波具有如下特点:在地震波形记录中振幅和波组周期最大,频率最小,能量最强;在不均匀介质中R波相速度(VR)具有频散特性,此点是弹性波频率勘探的理论基础;由P波初直到R波初至之间的1/3处为S波组初至,且VR与VS具有很好的相关性,其相关式为:VR=VS·(0.87 1.12μ)/(1 μ);式中:μ为泊松比;此关系奠定了R波在测定岩土体物理力学参数中的应用;R波在多道接受中具有很好的直线性,即一致的波震同相轴;质点运动轨迹为逆转椭圆,且在垂直平面内运动;R波是沿地表传播的,且其能量主要集中在距地表一个波长(λR)尺度范围内。依据上述特性,通过测定不同频率的弹性波频率速度VR,即可了解地下地质构造的有关性质并计算相应地层的动力学特征参数,达到岩土工程勘察之目的。

三、工作方法

应用弹性波频率进行现场测试时一般采用多道检波器接收,以利于弹性波的对比和分析。当锤子或落重在地表产生一瞬态激振力时,就可以产生一个宽频带的R波,这些不同频率的R波相互迭加,以脉冲信号的形式向外传播。当多道低频检波器接收到脉冲振动信号后,经数据采集,频谱分析后,把各个频率的R波分离出来,并求得相应的VR值,进而绘制面波频散曲线。

当选取两道检波数据进行反演处理时,应使两检波器接收到的信号具有足够的相位差,其间距△x应满足(λR/3)～λR,即在一个波长内采样点数要小于在间距△x内的采样点数的3倍,而大于在间距△x内的采样点数的1倍,该采集滤波原则对于不同的勘探深度及仪器分辨率和场地地层特性可作适当调整。

当采用多道检波数据进行反演处理时,虽然不受道间距公式的约束,但野外数据采集时也应考虑勘探深度和场地条件的影响。一般来说,当探测较浅部的地层介质特性时,易采用小的△x值并用小锤作震源以产生较强的高频信号,即可获得较好的结果;当探测较深部的地层介质特性时,易采用较大的△x值,并用重锤冲击地面,以产生较低频率的信号,使其能反映地下更深处的介质信息,达到岩土工程勘察之目的。

震源点的偏移距从理论上讲越大越好,且易采用两端对称激发,有利于R波的对比、分辨和识别,但偏移距增大就要求震源能量加大和仪器性能的改善。一般来说,偏移距应根据试验结果选取。就目前的仪器设备条件和反演技术水平,选用偏移距20～40m即可获得较好的测试结果。

由多道检波数据反演处理后可得一条频散曲线,一般把它作为接收段中点的解释结果。实际上该曲线所反映的地层特性为接收段内地层性质的平均结果,故当探测场地地下介质水平方向变化较大时,只要能满足勘探深度的要求,尽量使反演所用的接收段减小,以使解释结果更具客观实际。

四、存在问题

虽然弹性波频率探测技术在工程中的应用已很广泛,但实际工作中还存在以下问题:关于实测弹性波频率频散曲线的“Z”字型现象,从理论模型的解析中还不能精确地解释此现象。因为理论的频散曲线,在介质分界面处只出现折点,对此还需深入研究和数值模拟计算;对于弹性波频率勘探深度的确定,目前国内外大多采用半波长作为R波的勘探深度,此关系是一经验公式,但在实际工作中,应根据场地地质条件、探测对象以及孔旁测试对比结果等作适当调整;测试深度相对较浅,一般情况下可靠的测量深度为20～30m,最深不过50～60m。当测试深度加大时,震源信号就必须具有足够的低频信号,目前尚难满足此要求。由于低频时的R波值很少,使得下部频散曲线的点相对稀少,所以对解释精度影响较大。就该问题笔者建议由原来的算术坐标系改为波长为对数的单对数坐标系,可使低频段频散点稀少问题得以改观。根据不同的勘测目的和要求,对产生R波的震源需作必要的改进和研究,以适应勘察的需要。如用锤子作震源时其低频值为10～20Hz左右,而用砂袋作震源时低频值为3～10Hz左右。弹性波频率勘探作为一种新的浅层地球物理勘探方法,具有简便、快速、经济、分辨率高、适用场地小、应用范围广等优点,但对弹性波频率勘探理论的研究以及实际应用等有待进一步的深入和开拓,使之在生产实践中不断总结、完善和提高。

参考文献:

[1]杨成林等,《瑞雷波勘探》,地质出版社,1993年.

[2]胡钧等,《岩土工程瑞利波勘探新进展》,《上海地质》.

[3]刘康和,《弹性波频率探测技术综述》,《电力勘测》.