地震映像法在溶洞探测中的应用

2018-01-22杨放丹

西部探矿工程 2018年1期

杨放丹

（广东省核工业地质调查院，广东广州 510800）

某拟建住宅小区建筑物设计高度超过60m，在钻机施工过程中偶见溶洞发育，未知溶洞的存在严重影响建筑施工安全。因此，为了施工及建筑物的稳定安全，全面排查工区场地范围内存在的隐伏溶洞就显得尤为必要。地震映像法基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的一种浅层地层勘探方法[1]。地震波在地下介质传播时，遇到物性分界面或物性突变点时会产生反射或绕射现象，溶洞发育区或破碎区与周围介质存在明显的物性差异，这为应用地震映像法对溶洞进行勘探提供了很好的地球物理条件。通过对所接受的地震波的振幅、频率、相位的对比分析，可查明勘探区域内地层异常分布情况。

1 工区的地质概况

工区原是鱼塘及耕地，表层由人工填土而成，中间层为第四系残坡积层，基岩为石炭系灰岩。

表层人工填土层土质疏松，孔隙较多；中间层为第四系坡残积层由粉质粘土、含砾砂粉质粘土等组成，粉质粘土呈浅黄色、土黄色，可塑性良好；基岩石炭系灰岩，灰色、灰白色，泥晶质结构，中厚层状构造，岩石裂隙发育，呈网格状，裂隙面偶见溶蚀现象，岩芯较破碎。

2 地震映像法的基本原理

地震映像是基与反射波法中最佳偏移距发展起来的，是以相同的最佳偏移距逐步移动测点接收地震信号，在地面对地下地层或地下目标进行连续扫描，利用地震波信息来探测地下介质变化的浅层地震勘探方法，其前提是地下介质密度、速度、泊松比具有差异[2]。

反射波时距曲线。假设在地面下有一倾角为β的界面，界面上为均匀介质，其反射波可以看成有虚拟震源O′（震源对界面的对称点）出发经反射界面直接到达接收点M的波，如图1所示。反射波时距曲线的计算公式为：

式中：x—震源到观测点的距离，m；

h——震源至反射界面的垂直距离；

xm——震源至虚震源在地面上的投影点之间的距离，m，xm=2hsinβ。

图1 反射波时距曲线图

式中：H——激发点与接收点中间的反射界面深度，m；

ve——波的有效速度，m/s；

t——反射波从震源到达接收点的时间；

反射界面深度的计算公式如公式为：

x——接收点到震源的距离（偏移距），m。

3 探测施工的基本方法

勘察之前进行参数实验以确定探测施工的最佳偏移距。具体方法是：在工区选择一干扰较少地段，布设24道检波器，点距1m，偏移距从1m开始逐渐增大，记录各不同偏移距的反射波信号，通过对比分析选择反射波信号最清晰的偏移距作为整个工区偏移距。经试验最终选取的最佳偏移距为10m。实际勘测时用特制铁锤敲击特制铁板激发震源，然后用频率为100kHz的单个检波器接收反射波信号。地震仪器记录后，震源和检波器同时向前移动1m，重复敲击铁板激发震源，检波器接反射波信号，如此反复即可得到一条地震映像时间剖面。

4 数据处理及成果分析

4.1 数据处理

地震映像法数据的处理主要是根据地震波形的对比分析来解译地下地质情况，主要从以下3个方面进行分析处理：

（1）波形的同相性。相同界面的反射波到达相邻检波点的路径是相似的，反射波的相同相位达到相邻道的时间间隔很小，波形的同相轴平滑且有一定的长度，因每一个波型都有几个振动极值，所以每一个有效波可以有几个彼此近似于平行的同相轴[3]。

（2）波形的相似性。同一界面的有效波在相邻道上振动图形，一般是相似的[3]。

（3）振幅变化的规律性。当有效波的能量大于干扰波背景的能量时，它的到达使振幅显著地增强，有效波的能量强弱与界面上、下2种介质的波阻抗差异、界面的形状、介质的岩性以及波的传路径等因素有关，属于同一界面的有效波沿测线的振幅衰减是缓慢的，而来自不同界面的有效波，振幅常有一定的强度差异[4]。

由于岩性条件的差异、激发接收条件变化、干扰波的影响以及仪器等因素影响，会使有效波的上述标志发生畸变[4]。

地震映像数据处理软件VISTA通过对野外采集的数据经过预处理、能量均衡、一维滤波、二维滤波、信噪分离等一系列处理程序，生成地震映像时间剖面图，根据时间剖面图上同向轴的变化规律，结合地质资料即可做出地质解释。

4.2 成果分析

使用地震映像法勘察溶洞，要根据地震映像时间剖面上的相关异常信息识别溶洞，地震波在地下传播时遇到溶洞、基岩等异常地质体会显示出特有的动力学和运动学特征，具体如下：①地震波遇到不连续界面会发生反射现象，反射强度的大小与反射系数相关，而反射系数主要由不连续界面两侧的波阻抗差异决定；②反射界面的几何形态对地震反射波同向轴的连续性有明显的影响。一般情况下，地震波在地下传播时遇到溶洞、破碎带时反射强度较大，如果溶洞被水、岩屑或淤泥充填溶洞的反射系数一般0.5，如果溶洞内无介质填充则反射系数会更高。

溶洞在地震时间剖面上反映各异，主要表现特征为：①以典型绕射形式存在，反射波的同向轴成弧形，其顶点对应溶洞的顶部；②反射波信号微弱，甚至缺失，局部形成空白区域；③反射波的同向轴紊乱，连续性差，有时与旁边的同向轴完全错断。事实上，岩性的变化、场地地表条件、检波器的接地效果也会引起反射波频率、振幅和接收能量变化，这些情况都会加大对异常判断的难度。

根据以上解译原则，可以对各地震映像时间剖面进行了地质解译。如图2～图4所示，各剖面异常的同向轴变化较明显，异常的深度（H），可以根据时间剖面上的时间（t）、地震波在岩层中的传播速度（ve）、及偏移距（x）进行计算得出[如公式（2）]。由于地震波在岩层中的传播速度变化较大，因而地震映像法的垂直分辨率较低，横向分辨率较高。

1号测线在平距45.8～57.3m，深度3～6m处同向轴上部向上弯曲，下部向下弯曲，中部反向。推测溶洞或破碎。见图2。