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廣義多波地震勘探在工程中的應用
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                   馮永革 1  馬天朗 2  張玉聆 3  趙鴻儒 1

                   1) 中國北京100871 北京大學地球物理系

                   2) 中國湖南411100 湘潭市天鴻電子研究所

 

摘要  本文介紹了由廣義多波地震勘探引深至工程多波地震勘探的簡單情況和目前實施工程多波地震勘探已具備的基本條件,并列舉了部分工程多波地震勘探應用實例,說明其在解決非均勻復雜工程地質問題的優越性。最后提出了對工程多波地震勘探發展的幾點看法。

關鍵詞 全波震相分析  廣義多波地震勘探  工程多波地震勘探  多波  震相

1 引言

廣義多波地震勘探源于《全波震相分析》,它不同于目前國內外進行的多波聯合地震勘探,多波  聯合地震勘探在同一炮點處多是采用不同類型的震源以激發不同方向的地震波動,用鉛垂向檢波器主要拾取縱波,用水平向檢波器主要拾取橫波或轉換波,然后分別對縱波、橫波和轉換波記錄進行分析,并加以對比,從而研究構造變化的細節和巖石物性。廣義多波地震勘探把地震波的傳播理解為隨空間和時間變化的矢量傳遞,認為單炮地震記錄中含有來自同一震源及同一地質體的不同類型、不同震相的地震波動,因而能夠較好地利用這些波的運動學、動力學特征從多個角度來確定該地質體的分布狀態和巖石物性。將廣義多波地震勘探具體用于工程地震勘探便形成了一種新的工程多波地震勘探。

《全波震相分析》認為,地震波的傳遞可視為隨空間和時間變化的質點振動矢量(從震源至觀測點處)的傳遞。因而,既重視單分量地震記錄所反映一個側面的全波列各類震相的分析和應用,更重視三分量或多分量地震記錄合成的全波列各類震相的分析和應用。這樣有助于解決非均勻復雜工程地質體的問題。據此,廣義多波地震勘探實施中需考慮以下主要特點:

1)其方法、技術的理論依據是《全波震相分析》,并且采納常規地震勘探和多波聯合地震勘探  的可用之處。

2)采用單炮大藥量震源、大炮間距和大道間距、三分量或多分量拾取震波的"三大"觀測系統,以便得到多震相的記錄。定向、大藥量單炮震源在邊界條件、能量和方向性上保證了激發源的同一性,從而使各個震相之間的內在聯系更為密切。炮間距要大到足以觀測到所要研究的深部高速層的首波。由于采用三分量或多分量記錄,各測點所能控制的范圍較傳統的垂直向單分量記錄大,因此可采取較大的道間距。炮點和觀測點的布設應視所要研究的勘探對象而具體確定。采集系統宜采用高靈敏度、高采樣率、寬頻帶、大存貯量的多道數字化地震儀,最好具有瞬時浮點放大功能,以適應多震相動力學特征研究需要。

3)在數據處理及解釋上,既重視單分量記錄的分析和應用,更重視多分量記錄合成的分析和應用,在震相識別、確認的基礎上充分利用多類型、多震相的運動學、動力學特征。應用《全波震相分析》方法對地震記錄進行處理分析,其結果包括采用新方法得到的震波矢量圖、質點振動軌跡圖、各類空間域和時間域瞬態等等。資料解釋中采用層層剝離的新手段,從地表直至研究目的層,根據各層有關震相逐層進行分析、反演、剝離,結合地質資料和其它物探、化探、巖性資料綜合分析給出最終的地質解釋。這樣,利用多波、多參數、多方面資料進行地質解釋,有可能克服地球物理方法進行地質解釋時通常遇到的多解性問題,使所得結果更接近地下真實情況。

4)充分利用超聲地震模型實驗手段。在研究處理勘探難題時,先在模型上取得理論和方法的驗證,再進行現場試驗和實際勘探工作,從而做到心中有數,避免不必要的浪費。工程多波地震勘探中同樣也要考慮上述原則。

  目前工程多波地震勘探實施已具備的基本條件

理論方法方面,如趙鴻儒等的專著《工程多波地震勘探》,為工程多波地震勘探提供了一種基礎  理論條件。

儀器設備方面,如由馬天朗、趙鴻儒研制,湖南省湘潭市天鴻電子研究所生產的系列多波測試儀器,包括具有16通道聲波測試與地震勘探功能的DB16型多功能聲波儀,具有2通道、4通道及多通道聲波測試功能的DB2、DB4型等多功能聲波儀(上述儀器主機頻帶為 1HZ-1MHZ,重量為1公斤左右,便于攜帶), 適用于壓電晶體換能器及線圈型檢波器,并配有頻帶為 1HZ-150KHZ、放大倍數為8 4通道前置放大器和利用稀土超大磁致伸縮新材料研制的大功率CFY-1型超磁伸縮發射源(1000V,100A,8KHZ);由張玉聆、趙鴻儒研制,湘潭市無線電廠生產的系列產品,包括實驗室或野外用壓電晶體三分量換能器和井中全方位換能器;此外還有重慶、徐水等地生產的三分量線圈型檢波器。上述儀器設備為開展工程多波地震勘探提供了基本設備條件。

  工程多波地震勘探的應用

工程多波地震勘探應用方面,我國自1989年大慶石油學院研究生里宏亮在其導師趙鴻儒、吳順和指導下首次將廣義多波地震勘探的思想應用于超聲物理模型實驗以來,至今國內一些單位已作了許多工作,取得了較好的效果?!豆こ潭嗖ǖ卣鸝碧健芳拔廡∑?、趙鴻儒的文章中已作過某些詳細介紹,這里僅舉一些重要實例,簡單介紹如下:

·在礦井和隧道超前探測研究和應用方面。董其成、趙鴻儒等(1992,1993,1994)對太原西山煤礦的陷落柱超前探測問題采用了工程多波地震勘探的思想,研究和總結了超聲地震模型實驗、數學模型計算及礦井現場正演實驗的結果,發現了衍射波、轉換波和次生源及次聲波對陷落柱探測是更具有實用價值的三類重要震相。在陷落柱的工程多波地震勘探中,除了反射波、回折波、首波、多次波外,在具有圓形或彎曲界面的陷落柱非均勻地質體的衍射波場中,會出現上述三類重要震相。從而在理論、方法和技術上突破了陷落柱探測這一難題。

·北京煤科院陳鋼(1994)根據工程多波地震勘探思想,采用三分量檢波器,單炮取得三分量地震記錄,并首次把《全波震相分析》中三分量記錄的質點振動軌跡圖和震波矢量圖合成方法應用于地下空巷探測研究,還成功地進行了等偏移三分量正演實驗。

·北方交大陳立成等(1994)根據《全波震相分析》理論方法和技術,研究了隧道施工掌子面前方界面多波層析成像的問題,主要針對隧道前方斷層的超前探測建立了隧道超聲地震模型,用多波震相分析方法識別震相,進行走時反演,成功地獲得了"超前預報超聲層析成像"圖像中的三個斷層界面,在此基礎上又對蘭州鐵一院云臺山隧道超前探測的地震記錄進行了多波震相分析,應用PP、SS、SP、PS等多波層析成像手段反演的界面與工程開挖后的隧道壁上破碎帶和斷層界面基本一致。

·在工程抗震研究和應用方面。孫進忠、彭一民等(1992)對地下生命線工程地震反應作了超聲模擬實驗研究,應用《全波震相分析》理論,對直達縱、橫波、反射縱、橫波、轉換波、多次波、面波等多種震相的動力學、運動學特征進行了分析,得到了不同場地條件下地震波場的分布規律。通過由三分量記錄得到的質點振動軌跡圖和震波矢量圖,詳細分析了震波沿地下管線延伸方向傳播造成的地震地面運動的相位差異效應,為解決地下生命線工程通過不同非均勻場地時的抗震措施方案,提供了重要依據。

·在工程質量無損檢測研究和應用方面。許昭永、段永康等(1992)提出了不同于振動學的一種新的樁基無損檢測方法--波列振幅衰減法,此方法采用了《全波震相分析》理論和多波勘探思想,綜合利用了直達波、反射波、尾波及其運動學和動力學特征,同時判斷樁身成型質量和估算單樁承載力,還給出了相應的沉降量。經鑒定,該方法達到了國際先進水平。

·河南省公路研究所徐人忠等(1992、1993)應用《全波震相分析》原理及《工程多波地震勘探》方法,選擇最佳測試位置,通過對已知試件和路面實測結果的大量對比,建立了超聲特征參數與混凝土特征參數、路面板厚度及缺陷之間的一整套相關函數關系,提出了TVR 超聲綜合測強測厚及缺陷判別的道路質量無損檢測方法。該方法現場測試一般采用環形測網,每個環形網的中心放置發射換能器,圓周上放置接收換能器,每一測點都記錄直達波、橫波、反射波、轉換波、多次波等多個震相,運用預先建立的一整套函數關系,對檢測數據進行計算機綜合實時處理后,可同時得到強度和厚度,并能檢測出孔洞、蜂窩、裂縫、不均勻等缺陷。經鑒定,TVR 超聲綜合檢測方法具有國際先進水平。它使我國道路工程質量檢測技術水平達到了一個新的高度。

·寧波甬江水底隧道管段基礎注漿質量檢測屬于多種不同介質組成的小尺度不均勻構造的探測問題,由于隧道渡越工程采用的是水下開槽、拋石、由預制沉管內向下注漿固定沉管的先進施工工藝,在我國尚屬首次實施,其水底基礎注漿質量的檢測也屬首次,無現成方法和資料可循。針對這一復雜的工程難題,浙江省地震局與其協作單位采用了《工程多波地震勘探》的技術和方法,首先用現場實際材料建造了超聲地震模型,進行了多項研究,在現場實測中,結合模型實驗結果進行了多種方法的綜合多波測試,它們包括:動態反射、首波測試、超聲頻面波勘探、對穿測試、地震測井和TVR 綜合檢測等,重點使用了直達縱、橫波,首波,反射波,轉換波,多次反射波,面波等多類震相。資料處理和工程地質資料解釋時應用層層剝離方法,成功地獲得了管底注漿和拋石層不均勻構造的具體形態和性質,以及注漿的震波速度和強度結構的滿意結果,解決了這一國際難題。

·郭鐵栓、孫進忠、趙鴻儒等(1997)為了節約時間減少工作量盡快完成檢測任務,選用了瑞雷型面波勘探手段對漳州后石電廠工程地基強夯效果進行了面波檢測,實際工作中由于被檢測的填夯土體的復雜性和不均勻性等,故首先根據《全波震相分析》理論及《工程多波地震勘探》的方法在已知介質模型上進行了正確分析,準確識別了縱、橫波及面波等,以便正確認識瑞雷型面波的頻散特征,對各類介質模型的瑞雷型面波頻散特征做到心中有數,之后按照探測要求合理布置測線,利用恰當的反演方法實現了正確提取實際工程巖土體中瑞雷型面波頻散特征及對工程巖土體物理力學性質作出了正確解釋和合理工程評價的目的,結果表明采用抽查點地基靜力學試驗與大面積(約36萬平方米)主要以瑞雷型面波震相勘探及《工程多波地震勘探》相結合的檢測方法,對于像后石電廠工程這樣的大面積復雜回填地基強夯效果,即應用瑞雷型面波震相勘探時,準確確認瑞雷型面波震相是工件成敗的關鍵問題。

·在巖石綜合物性測定研究和應用方面。如:謝鴻森等(1993)在緊裝式六面頂高壓裝置上建立了一套新的高溫高壓下彈性波速度測量方法。應用《全波震相分析》方法,對高溫(室溫--1600 ℃)  高壓(0.1--5.5 GPa)條件下巖樣的縱波、橫波、反射波、轉換波、多次反射波等進行了識別,從而能在一次實驗中同時獲得縱、橫波的速度,還觀測到樣品在"軟化點"上出現波速Vp下降、振幅增大的重要結果。此時在同類測量方法中居世界領先地位。

·王博文、趙鴻儒(1989)運用《全波震相分析》方法,利用多波的特征對28塊南極異形巖石標本的密度、孔隙度以及在干燥和飽和條件下的縱波和橫波速度進行了測定,觀測了飽水低孔隙度巖樣在+12℃ 到 -20℃的波速溫度效應,探討了對異形標本所需考慮的特殊問題,解決了異型巖石標本不允許損傷條件下測定物性的難題。

以上舉例可以看出工程多波地震勘探在解決非均勻復雜工程地質問題時其優越性是明顯的。

  展望

綜上所述,近年來,隨著我國經濟建設的高速發展,單分量、單震相的勘探方法難以解決非均勻復雜工程地質問題,不易滿足當前經濟建設的需要,工程多波地震勘探發展是一種必然趨勢,展望未來。其發展方向重點可歸納為以下幾點:

1)進一步改進和完善新儀器設備的開發研制,以適應經濟建設的需要。

2)研究、開發更多更好的有關軟件,以適應未來信息時代的發展。

3)在工程實踐中盡快推廣應用并逐步提高完善工程多波地震勘探的理論、方法、技術、技能,為解決非均勻復雜工程地質問題提供更好、更有效的方法,取得更好的結果而努力。

4)在處理資料解釋時既要考慮利用模型實驗、巖石綜合物性等方法,又要注意參考其它物探、化探、地質等手段的結果,綜合各種資料進行解釋,以使結果更加準確,可靠。

 

參考文獻

趙鴻儒,孫進忠,唐文榜等,全波震相分析,北京:地震出版社,1991,226

趙鴻儒,郭鐵栓,徐子君等,工程多波地震勘探,北京:地震出版社,1996,265

趙鴻儒,唐文榜,郭鐵栓,超聲地震模型試驗技術及應用,北京:石油工業出版社,1986,372

吳小平,趙鴻儒,1996,我國工程多波地震勘探研究與應用現狀。地震學報,18(2)262-268

張玉聆,郭鐵栓,趙鴻儒,多分量換能器,石油儀器,1996,10(1)27-29

里宏亮,趙德斌,趙鴻儒,地震勘探的新境界-多波勘探。地球物理學進展,1990,5(2)1-8

謝鴻森,張月明,徐惠剛等,高溫高壓下測量巖石礦物波速的新方法及其意義。中國科學(B),1993,23(8)861--864

 

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