工程物探总复习(一)

1、工程物探总复习（一）工程物探总复习（一）主讲：王伟主讲：王伟邮箱：邮箱：勘查技术与工程教研室勘查技术与工程教研室一、绪论一、绪论环境工程物探环境工程物探是地球物理勘探的分类方法之一。是地球物理勘探的分类方法之一。物探：全称地球物理勘探。以岩矿石间的地球物理物探：全称地球物理勘探。以岩矿石间的地球物理性质的差异性质的差异( (物性差异物性差异) )为基础，通过为基础，通过专门仪器专门仪器接收接收和研究地质体（构造或矿体等）在地表及其周围空和研究地质体（构造或矿体等）在地表及其周围空间产生的间产生的地球物理场的变化和特征地球物理场的变化和特征来推断地质体存来推断地质体存在状态的一种勘探方法在状态的

2、一种勘探方法。 地球物理场，是指存在于地球内部及其周围的、具有地球物理场，是指存在于地球内部及其周围的、具有物理作用的物质空间。物理作用的物质空间。例如：例如：1 1）地球内部及其周围具有重力作用的物质空间，）地球内部及其周围具有重力作用的物质空间，称为称为重力场重力场； 2 2）地球的磁场以及地壳内磁性体产生的磁场。）地球的磁场以及地壳内磁性体产生的磁场。 地球的地球的重力场重力场地磁场地磁场都是天然存在的地球物理场。都是天然存在的地球物理场。 1 1）地球物理场可分为天然存在的地球物理场和人工）地球物理场可分为天然存在的地球物理场和人工激发的地球物理场。激发的地球物理场。 天然场：天然场：

3、地球的重力场地球的重力场地磁场地磁场地电场地电场地温地温场场核物理场是天然存在的地球物理场核物理场是天然存在的地球物理场 人工场：人工场：由人工爆炸产生弹性波在地下传播的弹由人工爆炸产生弹性波在地下传播的弹性波场性波场向地下供电在地下产生的局部电场向地下供电在地下产生的局部电场 向地向地下发射电磁波激发出的电磁场等，属于人工的激发的下发射电磁波激发出的电磁场等，属于人工的激发的地球物理场。地球物理场。 人工激发的地球物理场人工激发的地球物理场, ,如爆炸产生的弹性如爆炸产生的弹性波场，弹性波在岩层中传播遇到不同密度的分界面波场，弹性波在岩层中传播遇到不同密度的分界面时会发生反射、折射和能量衰减

4、等现象，根据弹性时会发生反射、折射和能量衰减等现象，根据弹性波返回到地面的时间来研究其传播速度、岩层厚度波返回到地面的时间来研究其传播速度、岩层厚度和产状等问题。和产状等问题。 人工场源的优点是场源的参数为已知，便于控人工场源的优点是场源的参数为已知，便于控制，分辨力较高，能够取得较好的地质效果制，分辨力较高，能够取得较好的地质效果但费但费用较大。用较大。 2 2）地球物理场还可分为正常场和异常场。）地球物理场还可分为正常场和异常场。 异常场：是由勘探对象所引起的局部地球物理场。异常场：是由勘探对象所引起的局部地球物理场。 例例1 1：赋存在地下的磁铁矿体或磁性岩体产生的磁场：赋存在地下的磁铁

5、矿体或磁性岩体产生的磁场这部分磁场迭加在它的围岩和地球其它部分产生的磁场之中这部分磁场迭加在它的围岩和地球其它部分产生的磁场之中在研究观测得来的磁场时在研究观测得来的磁场时就要区分或提取出磁异常场就要区分或提取出磁异常场 例例2 2：铬铁矿的密度比围岩的密度大：铬铁矿的密度比围岩的密度大盐丘岩体的密度盐丘岩体的密度比围岩的密度小比围岩的密度小这两种情况分别会引起重力场局部增强或这两种情况分别会引起重力场局部增强或减弱的异常现象。减弱的异常现象。 地球物理勘探正是根据对正常场和异常场的分布特征进地球物理勘探正是根据对正常场和异常场的分布特征进行地质解释和推断的。行地质解释和推断的。 物探方法的分

6、类物探方法的分类( (三种分类三种分类) )：（1 1）按工作原理划分）按工作原理划分（2 2）按所解决的地质问题划分）按所解决的地质问题划分（3 3）按工作场所划分）按工作场所划分按所解决的地质问题划分按所解决的地质问题划分1.1.石油物探石油物探：主要勘察石油和天然气的储存位置和储：主要勘察石油和天然气的储存位置和储存状态；存状态；2.2.煤田物探煤田物探：主要解决煤田地质构造和煤层分布问题；：主要解决煤田地质构造和煤层分布问题；3.3.金属与非金属物探金属与非金属物探：主要寻找各种固体矿产，如铁、：主要寻找各种固体矿产，如铁、铜、铅、锌等铜、铅、锌等；4.4.环境与工程物探环境与工程物探

7、：主要解决各种岩土工程勘察及环：主要解决各种岩土工程勘察及环境、水文等调查问题，如地基勘察、桥梁、隧道、水境、水文等调查问题，如地基勘察、桥梁、隧道、水库等的选址，地下管线探测等；库等的选址，地下管线探测等；5.5.放射性物探放射性物探：寻找放射性铀、氡等与核工业有关的：寻找放射性铀、氡等与核工业有关的材料。材料。按工作场所划分按工作场所划分1.1.航空物探航空物探：将地球物理勘探仪器搬到飞机上于空中：将地球物理勘探仪器搬到飞机上于空中进行观测，如航空磁法、航空电法、航空放射性勘探、进行观测，如航空磁法、航空电法、航空放射性勘探、航空重力等；航空重力等；2.2.地面物探地面物探：在地面进行工作

8、；：在地面进行工作；3.3.海洋物探海洋物探：将仪器搬到船上进行勘探，如海洋地震、：将仪器搬到船上进行勘探，如海洋地震、海洋重力等；海洋重力等；4.4.地下物探地下物探：（钻孔地球物理勘探）将仪器放到井下：（钻孔地球物理勘探）将仪器放到井下或坑道进行观测，如井中磁测、井中电法、槽波地震。或坑道进行观测，如井中磁测、井中电法、槽波地震。 基本实质：利用岩矿石的六种主要物理性质或物性参基本实质：利用岩矿石的六种主要物理性质或物性参数，建立相应的六种应用地球物理方法。数，建立相应的六种应用地球物理方法。六种物理性质：六种物理性质：密度；密度；磁性（磁导率、磁化率、剩余磁性）；磁性（磁导率、磁化率、剩

9、余磁性）；弹性（弹性波速度）；弹性（弹性波速度）；电性（电导率、极化率、介电常数）；电性（电导率、极化率、介电常数）；放射性（放射性（、射线强度）；射线强度）；导热性和生热率导热性和生热率磁法勘探：磁性差异磁法勘探：磁性差异电法勘探：应用前提是电性差异电法勘探：应用前提是电性差异地震勘探：弹性差异地震勘探：弹性差异重力勘探：密度差异重力勘探：密度差异放射性勘探：放射性强度差异放射性勘探：放射性强度差异按照工作原理划分按照工作原理划分地质模型地质模型地球物理模型地球物理模型重力响应重力响应重力响应重力响应地球物理模型地球物理模型地质模型地质模型正演计算正演计算反演计算反演计算正演和反演的关系正演

10、和反演的关系二、地震勘探法二、地震勘探法地震勘探是根据地震勘探是根据人工激发人工激发（爆炸或撞击地面）的地（爆炸或撞击地面）的地震波在地下传播过程中，遇到弹性性质不同的地震震波在地下传播过程中，遇到弹性性质不同的地震界面后，在地层中产生界面后，在地层中产生反射和折射反射和折射，部分地传回地，部分地传回地表，用专门的仪器记录返回地面的波的旅行时间，表，用专门的仪器记录返回地面的波的旅行时间，研究振动的特征来确定产生反射或折射的研究振动的特征来确定产生反射或折射的界面的埋界面的埋深和产状深和产状，并根据所观测的地震波在介质中传播速，并根据所观测的地震波在介质中传播速度及波的振幅与波形变化，探讨介质

11、的物性与岩性。度及波的振幅与波形变化，探讨介质的物性与岩性。弹性介质与地震波弹性介质与地震波地震勘探的地球物理前提是地层间的弹性差异,地震勘探中将地层叫做介质;因此需要研究地层介质的弹性性质。在弹性介质内传播的地震波称地震弹性波地震弹性波。;2623;)1 (2;)21 (3;39KKEEKkkE弹性模量之间的关系式：弹性模量之间的关系式：其中任意一个都可以用其余两个来表示。纵波（纵波（P P波）的波）的传播特点：传播特点：1. 纵波质点位移大小与震源强度1(t)和震源变化率1(t)有关；2. 纵波属于体波；3. 纵波质点位移的方向同波传播r的方向一致， 地震勘探中将质点位移的振动方向称为极化

12、方向，4.由于纵波在波的传播方向振动，因此是线性极化波，即纵波质点在一个周期内振动的轨迹是一条直线；5. 纵波的传播速度最快)21)(1 ()1 (2Evp6. 由于爆炸主要产生纵波，其传播速度快，故地震勘探几乎就是纵波勘探。7. 质点位移的幅值与震源距有关，为球面扩散。8. 在纵波经过的扰动带内，会间隔地出现膨胀(稀疏)带和压缩(稠密)带,见下图:横波的传播特点如下：1. 横波传播速度vs比纵波速度vp小)1 (2Evs 2. 纵波与横波的速度比为：21)1 (2spvv3.一般岩石的泊松比为0.25, 所以vp/vs 是1.73；液体介质中，切变模量为零，所以在液体内没有横波。4. 横波是

13、线性极化波5. 横波质点位移主要决定于旋转激发力的强度、形状及变化率；6. 横波类型分为SH波(是质点振动在水平面内的横波分量)和SV波(质点振动在垂直平面内的横波分量)，见图1.2-6所示。7. 横波传播方向与质点振动方向相垂直.8.横波速度低，能量弱。以致来自同一界面的横波总是比纵波到达的晚,以续至波形式出现，但它的分辨率较高； 工程勘察中总是以横波速度划分地基类别，作为纵波速度的补充,计算岩土弹性模量及物理力学参数；瑞瑞雷面波的雷面波的形成及形成及传播特点传播特点1. 波前面是高度为z=R的柱体；2. 瑞雷面波是椭圆极化波,质点大致做反时针方向、轨迹为椭圆的运动。3.面波速度与横波速度相

14、当;当泊松比=0.5时一般岩石的泊松比为0.25，而土的泊松比在0.45-0.49之间，因此，对于岩土工程勘察而言，可用面波速度代替横波速度。sRvv956. 0 4. 面波振幅A随距离r衰减比体波慢，因此面波能量强于体波； 5. 瑞雷波的频散 将速度随频率变化的特性叫频散现象；6.群速度和相速度的概念；7.利用波的频散现象可以制作速度随波长变化的频散曲线，进而用速度的变化对地基进行分层。rA1面波面波的相速度和群速度的相速度和群速度振动图形：在波传播的某一特定距离上，该处质点位移随时间变化规律的图形称振动图形。 波波的振动图形的振动图形 波剖面指在波动传播的某一确定的时刻t，质点位移随传播距

15、离变化关系的图形称波剖面。也可以看成是波动传播时的扰动区的横截面横截面波剖面波剖面图图r 振动状态的传播形成地震波，波在介质中传播将介质分为三个球形层，球层内的质点以各自的状态振动，称扰动区，扰动区的横截面即波剖面。波前波前面和等相位面面和等相位面 球面球面波传播示意图波传播示意图 (a) (a)在均匀介质中在均匀介质中;(b);(b)在在非均匀介质非均匀介质中中;(c);(c)复杂的等时面复杂的等时面 等时面和射线等时面和射线根据傅立叶变换理论，任何一个非周期的脉冲震振动g(t)是由无数多个不同频率不同振幅和初相位的简谐振动之和构成。傅立叶变换表示如下：2( )( )(1.3.5)ftG f

16、g t edt2( )( )(1.3.4)ftg tG f edf式中G(f)=a(f)+ib(f) ,a(f)表示G(f)的实部，b(f)表示G(f)的虚部。复变谱的幅角就是相位谱：1( )( )(1.3.8)( )b fftga f 对一个非周期振动g(t)进行付氏变换求频谱（振幅谱和相位谱）的过程叫频谱分析频谱分析；傅氏正变换和付氏逆变换构成付氏变换对，它们具有单值傅氏正变换和付氏逆变换构成付氏变换对，它们具有单值对应性；在任何一个域内讨论地震波都是等效的；对应性；在任何一个域内讨论地震波都是等效的；)7 . 3 . 1 ()()()()(2122fbfafGfA振幅谱振幅谱和相位谱示意

17、图和相位谱示意图地震子波的延续时间长度同它的频带宽度成反比地震子波的延续时间长度同它的频带宽度成反比；1.3-9 1.3-9 理想波形函数及其频谱理想波形函数及其频谱弹性波弹性波的传播的传播 点震源激发的弹性波在均匀介质中传播，等时面为球面，称球面波；等时面为平面，称为平面波。 一、波动传播、波动传播原理原理（一）惠更斯原理（波前原理（一）惠更斯原理（波前原理）（二）费马原理（最小时间原理）（二）费马原理（最小时间原理）（三）互换原理（三）互换原理（四）叠加原理（四）叠加原理（五）视速度定理（五）视速度定理 反射波入射角的确定根据图中的几何关系，得到视速度与真速度间的关系式如下： v*=v/s

18、in 式中为波射线与地面法线间的夹角（出射角）。1=900 时，v*=v；2=0度 时，视速度为无穷大；3视速度大于等于真速度，即当由00 变化到900 时，v*由无穷大变化到真速度。斯奈尔定律斯奈尔定律112sinsinsin(141)pvvv 1平面波垂直入射时不存在转换波； 2存在波阻抗差异是形成反射波的必要条件；3反射系数R为正，说明反射波与入射波同相，R为负，表示它们反相；4. 透射系数永远为正。5. 若不考虑波前扩散和介质的吸收作用，反射系数和透射系数之和等于1。221111112211222;vvvTvvvvR透射系数为非非法向入射时波的反射和透射法向入射时波的反射和透射倾斜入射

19、时要产生转换波，见图1-4-5； 若界面下方介质的波速大于上方的波速，且达到临界角i时（使透射角达到900 时的入射角），即此时透射波将沿界面以v2 速度滑行，称为滑行波。当i时，全部入射能量以Rp 、Rs 波的形式反射回界面上方的介质中。由于上下介质不存在相对运动，滑行波会引起上面介质随下面介质做同相运动。)5 . 4 . 1 (sin21vvi 折射折射波波( (首波）的形成首波）的形成断块产生的绕射波前 （一）（一）几何扩散几何扩散（二）（二）吸吸 收收 地震波地震波的衰减的衰减（三）地震波（三）地震波的透射的透射损失损失An=A0(1-R12)(1-R22 )(1-Rn-12 )式中

20、(1-Ri2) 称为透射损失因子。连乘积 (1-Ri2）称为第n层反射波的透射损失。地震地震反射波记录道的形成反射波记录道的形成 由检波器接收的质点的振动图形称为一个反射波的记录道。地面检波器可以接收到不同深度界面的反射波，若考虑波前扩散、介质吸收、透射损失及反射系数等因素，则一个反射波的解可写为)1.6.1()()(1().1)(1(1222210rrvrtRRRRerAunnrp)3 . 6 . 1 ()()(1NnnnnnrrvrtAtg 制作制作一个道的理论反射波记录的一个道的理论反射波记录的示意图示意图)5 . 6 . 1 ()(1332211ttNnntnntntttbRbRbRb

21、RbRbRtg 在地震勘探工作中，每激发一次人工地震波，都要在多个检波点接收地震信号。炮点和检波点都沿一条直测线布置，炮点到任意检波点的距离称炮检距炮检距x x，相邻检波点的距离叫道间距道间距x，来自同一界面的地震波沿不同路径先后到达各检波点，从而形成一张如图2.1-0所示的地震记录。地震波的时距曲线地震波的时距曲线图2.1-0 多道拼接成的地震记录 时距曲线时距曲线直达波直达波和反射波时距曲线和反射波时距曲线式（2.1.2）就是水平界面反射波的时距曲线方程式，可化简为以下的标准双曲线方程综上所述：1反射波时距曲线在x-t坐标系是双曲线，其极小点在炮点正上方；2. 在x2-t2坐标系是直线，直

22、线的斜率为1/v12, 利用直线的斜率可求界面上方介质的速度v1；3. 反射波时距曲线以直达波时距曲线为其渐近线。)2 . 1 . 2(1422202 hxtt4. 根据时距曲线斜率与视速度的倒数关系，在炮点处的视速度为无穷大，在x时，视速度v*=v15当2hx时，对（(2.1.2)式用二项式定理展开，只取前两项，可得将任一观测点p的旅行时间t和同一界面的双程垂直时间t0的差称为正常时差正常时差，用t表示。即正常时差近似表达式是 6利用正常时差可以帮助判断地震记录上的同相轴是否为反射波。)4 . 1 . 2(2202vtxt 20202 vtxtt102vht (三）倾斜界面反射波时距曲线和倾

23、角时差2 22122(2 sin )1(2.1.6 )(2 cos )(2 cos )v txhhh（2.1.6）标准形式为 1. 倾斜界面的反射波时距是双曲线 2. 双曲线以其极小点M为对称，M向反射界面上倾方向偏移距离xm= 2hsin;时距曲线极小点的纵坐标为tm 3.倾角时差（界面倾斜引起的单位距离的时间差）为td /x，vhtxmcos2求 的最简单方法是根据震源两边等距的两个观测点的传播时间差vxhxttttdsin2sin021(2-1-8) 设x表示观测点到炮点的间隔，由(2-1-8)式xtvd21sin(2-1-27) 水平水平多层介质的反射波时距曲线多层介质的反射波时距曲线

24、 图图2.1.-3 2.1.-3 水平多层介质反射波水平多层介质反射波时距曲线时距曲线在震源附近接收时，i角较小，可以略去pvi的高次项得到结果，所以仅在震源附近满足假设仅在震源附近满足假设，远离震源时有误差，时距曲线是高次曲线。这意味着在水平多层介质情况下，当入射角较小(亦即炮检距较小)时，可以用均方根速度代替反射界面以上多层介质的速度值，把介质假想成具有均方根速度的均匀介质。界面界面弯曲时的反射波弯曲时的反射波时距曲线时距曲线向斜向斜部位的回转波时距曲线部位的回转波时距曲线绕射波时距曲线图图2.1.-8 2.1.-8 界面倾斜时全程二次反射波时距曲线界面倾斜时全程二次反射波时距曲线识别识别

25、多次波的多次波的t t0 0标志标志： 在激发点处的t0时间，可令(2-1-17）式中的x=0得到: )19. 1 . 2(sin2sin2sin2sin020tvht sin2sin020tt当 角很小时， ，即全程2次多次反射波的t0时间是一次反射波的2倍。同样，全程n次多次反射波的t0时间是一次反射波的n倍。这是用来判别全程多次波的t0标志。2sin2sin例如全程二次反射波的t0时间为这就是所谓的二次反射波的t0标志。)19. 1 . 2(200tt 标志2：全程多次反射波时距曲线的极小点偏移激发点的距离标志,由图2-1-8可得: 2sinsin2sin22sin22hhxm而一次反射

26、波极小点的坐标x=2hsin ，故 222sin2sinsin2sin2sin2hhxxmm当角很小时， ， 所以 。说明二次全程多次反射波极小点偏离激发点的距离近似地是一次反射波的四倍。同样，n次全程多次反射波极小点偏离激发点的距离近似地是一次反射波的2n倍。这是判别多次波的另一标志。2sin2sin 42mmxx 反射波法总结反射波法总结1. 介质的波阻抗差别是形成反射波的条件,当垂直入射时，反射系数公式的最简单,形式为1v1 , 2v2分别为上、下层介质的波阻抗。2.反射波法能够精确地确定深部界面，目前在石油、煤炭、工程，水文等领域广泛使用。3.反射波法没有盲区:所以可以在很靠近激发点的

27、位置激发。22111122vvvvR4.反射波法不象折射波法对波速有严格的要求，一般说来，凡是波阻抗发生突变的地方，都能产生反射波，因此，只要它们有足够的厚度，就能够发现软弱夹层。5.反射波各层次可以在同一地段上沿时间轴依次出现，反射波法可以用较短的测线勘测很深的地层。最大炮检距的经验公式：Xmax=(0.71.5)h, h是最深目的层深度6.用一般分析手段，从反射波法很难获得详细的地层速度资料，而只能求得反射层位以上比较笼统的所谓有效速度。有效速度有时也近似看作平均速度7.反射波法要求界面比较光滑，否则会发生散射现象，使记录不易辨认。8.在震源附近，浅层反射波几乎和面波、声波等干扰波同时到达

28、地面。这些波形成强烈的干扰，使追索反射波十分困难。因此，克服和避开干扰仍然是当前浅层反射波法一大课题。 一、 水平二层结构的折射波时距曲线折射波的时距曲线 水平二层结构折射波的时距曲线二 、水平多层结构的折射波时距曲线多多层介质折射波时距曲线层介质折射波时距曲线三、倾斜界面的折射波时距曲线三、倾斜界面的折射波时距曲线图图2.2-3 2.2-3 倾斜界面折射波时距曲线倾斜界面折射波时距曲线 分别表示上倾和下倾接收时的折射波的视速度,由时距曲线斜率的倒数求得. 显然界面倾斜时,两支时距曲线斜率不同,下倾接收时视速度小, 时距曲线陡; 上倾接收时视速度大, 时距曲线缓.利用(2.2.10)式可得折射界面的倾角和临界角i,进而求得v2,如下式.vv下上和11111sinsin2vvivv下上11111sinsin2vvvv下上(2.2.11)(2.2.11)上两式相加得出以上就是由相遇时距曲线估算折射界面