(6)-第2章 地震勘探折射波工程与环境物探

浅层地震勘探折射波SeismicWavesBodySurfacePSLoveRayleigh

纵波：质点振动方向与波传播方向相同；

横波：质点振动方向与波传播方向垂直;瑞利波：沿自由表面(介质与大气层的界面)传播的波；勒夫波：在低速岩层覆盖于高速岩层的情况下，沿两岩层界面传播的波。地震波的反射、透射和折射折射波法地震折射波法（Refractionsurvey）是利用折射波进行地质勘探的方法。折射波法常用来探测低速覆盖层的厚度、基岩起伏、断层和古河道的分布等地质问题。地震折射波：在界面以上为低速介质、界面以下为高速介质的情况下，当地震波以临界角方向入射到界面上时，透射波在下层高速介质中沿界面传播的滑行波，由于滑行波的存在，在上层介质中产生地震折射波，折射波的传播方向与临界入射的反射波方向一致。折射波传播的规律和特点OE’NA入射线折射线hV1V2>

V1N’波前ECBV2R1R1R2折射波射线到地面的出射角等于临界角，因而折射波的射线是平行的。第一条折射波射线与临界点处的反射波射线重合。折射波传播的规律和特点在入射角小于临界角时不存在折射波，即在OA范围内接收不到折射波，这个范围称为折射波的“盲区”，盲区半径为：通常意义下的反射仍存在，但当入射角大于临界角时，称为临界外反射，此时的反射系数较为复杂。当存在多组地层时，由于则有，因而该层速度大于其上所有各层速度的地层顶面才能形成折射波。“高速层的屏蔽效应”“折射层”数目少于“反射层”折射地震波时距曲线(A)水平两层介质利用直达波时距曲线，求出V1，利用折射波时距曲线求出V2和ti，就可以求出界面深度。(1)当x=0时，为折射波延长后与时间轴的交点，称为交叉时。(2)折射波起点坐标：(3)界面越深，盲区越大(4)在M1点，反射波与折射波到达时间相同，视速度相同，因而两条时距曲线相切。在盲区半径以外，折射波旅行时间小于反射波时间，折射波先到。(5)视速度为V2，斜率的倒数折射波时距曲线特点直达波TDC是反射波TDC的渐近线反射波TDC与折射波TDC相切直达波TDC与折射波TDC相交反射波、直达波和折射波的关系O1、O2激发，O1O2之间接收14倾斜界面的折射波时距曲线下倾（O1激发，O2接收）接收的折射波时距曲线：上倾接收（O2激发，O1接收）的折射波时距曲线：上倾方向：倾斜界面的折射波时距曲线视速度下倾方向：倾斜界面的折射波时距曲线（1）上、下倾方向的斜率(视速度)不同，分别为：（2）两种情况下交叉时相等，与水平界面交叉时相等，小于反射波t0时间（3）界面倾斜时，折射波视速度不等于界面速度；（4）界面倾斜时，上下倾方向的盲区大小不同，下倾接收盲区大（5）上倾方向接收，折射波射线与地面法线夹角为：，如果，折射波视速度为：如果，折射波视速度趋近于无限大；如果，视速度为负，时距曲线倒转，折射波先到达离激发点较远的接收点，而较近处折射波反而到达得较晚；如果，入射角总是小于临界角，无法形成折射波。（6）下倾方向接收，折射波射线与地面法线夹角为：如果，折射波可以返回到测线，但是由于射线与地面法线夹角增大，视速度偏低；如果，折射波将无法返回测线，此时盲区无限大。所以，当，不论上倾还是下倾均接受不到折射波。倾斜界面的折射波时距曲线折射界面倾斜的情况下，O1、O2两点分别激发，在中间接收，时距曲线方程分别为：v2=3000m/sv1=2000m/sO1O2h1h2txx1x2倾斜界面的折射波时距曲线两条时距曲/直线，上倾激发的斜率大，视速度较小；下倾激发的斜率小，视速度较大。交叉时不等，但两端点上时间相等，满足互换定理。如果两条时距曲/直线可以互相交叉，称为相遇时距曲线。v2=3000m/sv1=2000m/sO1O2h1h2txx1x2V1V2V3折射波1折射波2直达波三层水平介质时的折射波时距曲线M1M2三层介质的折射波时距曲线初至波与续至波在地震记录上，传播到检波点用时最少的波称为初至波；其后陆续到达的其他波被称为续至波。最接近震源的检波点，直达波为初至波，为直达波的初至区；随偏移距增大，初至波变为R1界面的折射波；再向外又变成R2界面的初至区，其他波的续至区。POM2txABM1隐伏层的情况折射波法理想的模型是速度递增的剖面。如果剖面存在低速夹层，即v1>v2<v3，且v1<v3，根据斯奈尔定律或折射波产生的条件可知，在v1/v2界面上不可能产生返回地面的折射波，从折射波的地震记录中不能发现v2低速层的存在，只相当于两层介质，这就是存在低速层的异常情况。这时如果没有钻孔或波速

测井等其他相应的资料来

检验及核对，就很容易将

三层介质当作两层介质来

处理。界面深度计算将出

现较大误差。低速夹层的情况因此在有低速层的地区进行折射波法地震勘探时，应该有钻孔资料、地震波速测井以及其他的地球物理资料相配合才能进行解释，否则无法得出正确的结论。另外，在有条件的地区，或者在低速层埋深不大的情况下，可将激发点移至低速层内进行激发，再结合钻井资料可以进行正确的解释。四层介质情况的排列组合关系有24种，只有满足各层的速度是递增的，并且各层有一定的厚度，这样才能在地震记录上得到反映四层介质的时距曲线，而其他的排列关系都不可能得到正常的四层剖面的时距曲线，均存在“异常”情况。若要得出正常的解释，必须要有钻孔资料和物探资料的配合，或者将激发点放在低速层内进行激发。层状介质中正常波速的薄层正常速度的薄层是指各层速度的分布满足速度递增的关系，但其中某层的厚度不大，其顶面所产生的折射波可能无法在初至区出现。对于这种情况，除了要充分与钻孔以及其他的物探资料相配合以外，还必须识别和利用续至波的记录。V1=500m/s,h1=5mV2=1000m/s,h2V3=2500m/s层状介质中的局部低速体在水平层状介质条件下进行折射波地震勘探时，如果发现时距曲线上有不正常的滞后段或突然“脱节”的现象，很可能就是存在局部低速体（或不连续带）的一种标志。根据“滞后”时间可以

估算透镜体的中心厚度：估计透镜体埋深的公式：存在低速透镜体的时距曲线层状介质中的局部低速体在水平层状介质条件下进行折射波地震勘探时，如果发现时距曲线上有不正常的滞后段或突然“脱节”的现象，很可能就是存在局部低速体（或不连续带）的一种标志。根据“滞后”时间可以

估算低速体的厚度：估计低速体埋深的公式：存在间断低速层的时距曲线直立界面情况下的折射波在下层高速介质中存在直立界面的情况下，滑行波在不同介质内以不同的速度传播，表现为两个不同视速度的折射波，在分界点会产生绕射波，但是能量比较微弱。垂直分界面上的正折射波垂直分界面上的反折射波弯曲界面的折射波如果折射界面是弯曲的，它的时距曲线也是弯曲的。对凹型界而，随着炮检距的增大，折射波在地面的出射角由大变小，使视速度从小变大，斜率由大变小，因此时距曲线是呈凸状的。同理，对于凸界面，时距曲线是凹状的。弯曲界面的折射波及其时距曲线弯曲界面的折射波折射界面为曲率很大的凸界面时，会发生波的穿透现象，其时距的线也是凹状的，与凸界面折射波的时距线相似，这干扰了折射波的辨认。为了识别穿透现象，可以采取追逐远观测的方式，即在激发点同侧的不同位置上再进行一次激发，在同一地段重复观测，这样可以得到二支时距曲线。如果没有穿透，追逐时距曲线应是互相平行的；存在穿透现象时追逐时距曲线不平行。变速层（连续介质）中的折射波潜射波（回折波）V(z)和V2有明显差异V(z)max

=V2无折射波、反射波V1(z)和V2(z)类似凹界面但是不平行折射波法的现场工作折射波法的现场工作大体上可分为现场踏勘、试验工作和现场作业三个阶段。现场踏勘：现场踏勘地球物理资料，初步了解工作区的地震地质条件，自然地理环境及社会环境等情况，估计和确定勘察的可行性及可能取得的地质效果。试验工作：在取得有关资料后，再进行试验工作。试验工作的目的是根据任务和工作区的具体环境，选择最佳的工作方法和技术参数，保障顺利完成作业任务。但若在生产过程中遇到问题，可再次安排试验工作，解决生产中的问题。现场作业：最后阶段是在踏勘和试验的基础上进行的。这个阶段包括野外作业和室内工作。用合适的方法取得资料进行解释，并得出最后成果。折射波折射波的激发、接收激发：与反射波类似爆炸源、冲击源、可控源施工中选择那种激发方式，要根据工程要求精度、地质条件、环境等方面综合考虑，选择既经济又安全，即便于组织施工又能达到勘察精度的振动源。接收：接收条件的选择就是在完成了剖面布置和激发方式选择等工作后，再选择最佳的接收技术，提高信噪比，以得到清晰可靠的记录。测线基本要求：直线、垂直于构造走向测线长度：盲区以外，24道，48道……道间距的选择：兼顾效率和探测精度（3m，5m，10m）观测系统激发点和接收点同在一条直线上时，称之为纵测线观测系统，不在一条直线而呈现其他方式的叫非纵测线观测系统。非纵测线观测系统中，按激发点和接收点的位置，可分为横测线、侧测线、弧形测线等观测系统。在工程勘察中，非纵测线观测系统仅作为辅助测线来布置。但在某些特定情况下，它可以解决一些特殊地质难题，以补充纵测线观测系统的不足,如断裂破碎带，古河床、低速砂岩透镜体，还有高速盐丘的探测可以利用非纵测线观测系统。单支时距曲线观测系统O1点激发，O1O2间接收；O2点激发两次，第一次在O1O2间接收，第二次在O2O3间接收；以此向前移动激发点和接收排列。在每个激发点处，可以利用两支时距曲线的截距时间分别计算深度，互相校核，在一定程度上提高了勘察精度。这种观测系统一般使用在地质情况较简单，勘察较平缓的地质界面，其优点是工作效率较高。但对于地层界面倾角较大或起伏的复杂界面，则误差较大，不宜使用。相遇时距曲线观测系统O1O2区间接收不动，O1和O2分别激发，得到两支相对应的时距曲线S1和S2，其中S1对应界面上的BE段，S2对应AC段。BC段是两支时距曲线的相遇公共段。可以说S1、S2两条时距曲线从不同的角度反映了同一段地质界面的情况，根据曲线斜率可以判断界面起伏情况，还可以计算公共段的界面深度。它得到的信息更全面，精度更高，可靠性也更高，对地质条件较复杂的地段有较好的适应能力，所以相遇时距曲线观测系统使用最为广泛。追逐时距曲线观测系统在h1、h2较大时，由于临界距离xc1、xc2也较大，会导致S1、S2两支时距曲线无相遇段。此时需要在距O1一定距离的O2再激发一次，得到一支时距曲线S2，以补充在O1激发时造成S1时距曲线的不足之处。也可用于了解弯曲折射界面是否产生了“穿透”现象。双重相遇时距曲线观测系统在相遇观测系统的激发点O1、O2两端，进行“追逐”观测，在距O1、O2两激发点相当的距离外的O3、O4点进行激发，再得到一组相遇时距曲线。实际上，双重相遇观测系统是相遇和追逐观测系统的组合。工作效率低，一般用于在表层

地质条件较复杂或对观测的某些

数据进行检查、校核。非纵测线观测系统扇形观测系统盐丘勘探凡是经过盐丘的折射波到达地面观测点的时间都要小于没有经过盐丘的时间，即超前根据重叠的扇形观测系统发现的超前可以圈出高波速的地质体。折射资料的整理与解释折射波资料的整理与解释主要有三方面的工作：资料的初步整理2.进行必要的校正和绘制时距曲线3.折射地震剖面的解释。资料的初步整理随着近年来地震仪的更新换代，野外作业工作方法也得到了不断发展，资料整理的要求和方法亦产生相应的变化。虽然解释工作中有很多可以用计算机来完成，但资料初步整理方法没有变化，仍须认真进行。先对野外作业工作获取的原始记录经过认真检查评价，然后才能对合格的资料进行必要的校正。原始资料的检查和评价波形的对比和分析原始资料的检查和评价在外业取得资料之后，要对所取得的资料质量按浅层地震勘察技术要求进行初步检查和评价。主要内容有：1、磁盘（带）记录粘贴标签，写明盘（带）号、测线号、文件号及日期，以上内容必须与班报相吻合。2、每张记录的点线号、激发点的位置、方式、观测系统类型应与班报吻合。3、仪器工作条件，如放大器的增益档及滤波器的选用，各道工作是否正常，干扰波出现是否影响了有效波的追踪等。在检查上述三项工作的基础上初步判断能否完成预期工作任务。并找出不足，指导下步工作。处理、解释波形对比在地震记录上，各个有效波是来自不同的分界面上，而来自同一分界面的地震波受这一界面的空间分布状态，包括埋深、岩性、产状、覆盖层的性质等因素的影响，在频率、振幅等方面应有一定的特点。但这些因素在较小一段界面上若没有突出的变化，一般认为介质的性质是相同的，因此，同一界面上的有效波组在相邻各道上其波形特点应是极相似的，这就是波对比的主要依据。利用有效波初至进行对比叫做初至对比，但有效波一般是在有波动背景上记录下来的(不是初至波)，因此，有效波的初至往往不易识别，甚至无法进行初至对比，这时需要通过比较各相邻道的极值相位来识别和追踪有效波，叫做相位对比，通常定义来自同一界面的有效波的相同极值相位的连线叫做同相轴。波形对比的主要标志1、每个记录道的波形、振幅及振动延续度的相似性特征。主要反映在视周期、相位数、振动强弱及振动延续时间长短等方面的变化。2、相位一致性和同相轴延伸长度特征。由于同一界面的有效波到达相邻二个接收点的路径是相近的，因而有效波的相同相位到达相邻道的时间差很小，所以在记录上，相同相位的连线应该是平滑的而且有一定的长度。相邻相位的同相轴应是平行的。3、追逐观测记录同相轴平行性特征。由于追逐观测系统中两张记录的排列位置不变而激发点不同，因此对于同一界面，地震波的同相轴只是在时间轴上平移了一段距离，否则，追踪的不是同一界面。地震记录特征的变化实际情况往往比较复杂。由于岩性、构造等条件的差异，激发和接收条件的不同，干扰的变化以及仪器等因素的影响，会使有效波的相位、波形、振幅等发生变化。因此在进行波形对比时，要全面地认真分析研究各种条件的影响，弄清记录变化的原因。一般来说若与仪器和地表起伏的因素有关，则会使各道的记录从开始到结束的波或同相轴都发生同样的畸变；若个别记录变化不相同，则往往是地下介质变化所引起的。地震记录特征的变化对于浅层折射波而言，目的层大多是风化层或是第四系的地层，折射界面较多，每层厚度很小，各层的速度差异不是很大，且表层的吸收系数很大，因此，第一个界面的折射波会急速衰减、消失，第二个或以下界面的折射波会成为初至波；来自各界面的折射波互相干涉，引起波形和视速度的畸变，这都会影响折射波的对比和追踪。校正地震资料的解释是假定震源与各接收点高程一致的条件下进行的。但在实际工作中，有时同一条测线上有若干个激发点往往高程都不相等，在同一排列上各检波点的高程由于地形的起伏也不尽相等。因此就产生了误差。为了减少这类误差，就要进行相应的校正，它包括检波点的地形校正、震源深度校正及相位校正。除非地形高差变化很大，一般很少作这类校正。因为高差变化较小，由震源深度和检波点不同所引起的时间差，由于时距曲线比例尺的关系，都人为的用手工将其抵消了。因此，如果不是地形起伏变化很大，一般地形校正都可以不作。绘制时距曲线图经过检查、校正、对比分析的地震记录上读出各道有效波到达的旅行时，然后以震源点为坐标原点，以纵坐标表示时间，以横坐标表示距离，在直角坐标系中绘制出相应的时距曲线图。一般比例尺为：纵坐标1cm相当

于5~20ms；横坐际1cm相当

于2.5~

20m。折射波时距曲线折射波时距曲线定性解释与定量解释定性解释：定性解释主要是根据已知的地质情况和时距曲线特征，判别地下折射界面的数量及其大致产状，是否有断层或其它局部地质体存在等，为选取定量解释方法提供依据。定量解释：定量解释则是根据定性解释的结果选用相应的数学方法或作图方法求取各折射面的埋深和形态参数。定性与定量解释是一个相互交替和重复的过程。根据最终的解释结果构制推断地质图等成果图件，并编写成果报告。（刘四新等，2018）

截距时间（t0）法求界面当界面为单层倾斜平界面时，所得的时距曲线为直线段，而且当界面埋深不大时所得的精度很高。但埋深较大或有夹层时，将会造成较大的误差。如图所示，在单层倾斜平界面作相遇时距平面观测。设O1和O2为两个激发点，得到两条相遇时距曲线S1和S2。由于S1和S2为直线，可延长之使其分别与t轴交于t01和t02。截距时间法求界面根据折射波的时距方程的截距公式：可以得出震源点O1和O2处折射界面的法线深度h1和h2分别为：

截距时间法求界面求出h1和h2之后，分别以O1和O2为圆心，以h1和h2为半径作圆，然后作这两个圆的公共切线，便可得到所求的折射界面。若是水平界面（h1=h2），则情况更加简单了。截距时间法求界面若为三层或更多层介质情况时，则需要用交点法求综合层速度，然后仍按两层介质的方法处理。设有三层水平层状介质，各层的速度值分别为v1、v2、v3，相对应的时距曲线为S1、S2、S3。如若求v2/v3界面的埋深，只要把v2/v3界面以上的介质看作一层综合层介质。其综合层速度v12的求取方法是：找出S2、S3时距曲线的交点，把交点和坐标原点连线，此直线斜率的倒数便是该综合层的速度，t0差数法（ABC）求界面当折射界面不是平面，时距曲线不是直线，不能采用截距时间法，这时可采用t0差数法求界面。t0差数时距曲线法又称t0法，其应用条件为：折射界面的曲率半径比埋藏深度大得多，波沿界面滑行时没有发生穿透现象。在相遇时距观测系统下，由激

发点O1、O2得到两条相遇折射

波时距曲线S1、S2。如图所示，

取排列上任一点D，在相遇时距

曲线可以得出t1、t2的旅行时间

分别为：t0差数时距曲线法求界面而激发点O1、O2的互换时间T为：t0时间定义为地面任一观测点上两条相遇时距曲线上对应的折射初至时间的和减去互换时间T：ΔDBC可近似认为是等腰三角

形，从D点作BC的垂直平分线

，得DM=h，于是有：t0差数时距曲线法求界面由以上的关系式可以得：t0差数时距曲线法求界面因此D点到折射界面的法线深度h为：

令则上式可以写为：只要分别求出每一点对应

的K和t0值，就能求得折射

界面的法线深度h。绘制t0曲线根据t0

的定义可知：具体作法：可以在时距曲线图上任一点处量得Δt，然后在时距曲线上减去而求得，对各观测点求得不同的值可以连成曲线。确定K值由于：所以，当v1已知的情况下，关键是求v2值。为求v2值，再引入时距曲线的另一个差数：求出每点的θ(x)可成曲线，

对θ(x)求微分可得：确定K值根据视速度的表达式可知：所以确定v2值最后可以求出计算折射界面以下介质波速的公式：

当折射界面倾角φ≤15度时，cosφ≈l，上式可简化为：因此，只要根据θ(x)=t1-t2+T，在相遇时距曲线上构制θ(x)曲线并求其斜率的倒数，就可求出V2。进而求出参数K

和界面法向深度h。绘制界面：以地面点为圆心，以法线深度为半径做圆弧，其包络面即为所求的弯曲折射界面。t0差数时距曲线法由相遇时距曲线S1和S2，求出t0(x)和θ(x)曲线

由θ(x)求V2,求K计算每一点法线深度绘制界面：以地面点为圆心，以法线深度为半径做圆弧，其包络面即为所求的弯曲折射界面。t0差数时距曲线法对于多层折射时距曲线可通过平均速度等效为两层介质探测基岩埋深：当波速稳定，且v2>>v1基岩面倾角不大时，，快捷简便，且无需绘制时距曲线在t0差数时距曲线法，只要v1准确，可不进行地形校正，且无论水平界面或曲率不大的弯曲界面，均适用。3.时间场法绘制折射界面波前法—绘制等时线适用于规则和不规则的各种界面的条件下，而且对均匀非均匀介质都适用，且比较准确由于该方法实际上是一种