工程物探總復(fù)習(xí)（一）主講：王偉郵箱：wwwiem@163.com勘查技術(shù)與工程教研室一、緒論環(huán)境工程物探是地球物理勘探的分類(lèi)方法之一。物探：全稱(chēng)地球物理勘探。以巖礦石間的地球物理性質(zhì)的差異(物性差異)為基礎(chǔ)，通過(guò)專(zhuān)門(mén)儀器接收和研究地質(zhì)體（構(gòu)造或礦體等）在地表及其周?chē)臻g產(chǎn)生的地球物理場(chǎng)的變化和特征來(lái)推斷地質(zhì)體存在狀態(tài)的一種勘探方法。

地球物理場(chǎng)，是指存在于地球內(nèi)部及其周?chē)?、具有物理作用的物質(zhì)空間。例如：1）地球內(nèi)部及其周?chē)哂兄亓ψ饔玫奈镔|(zhì)空間，稱(chēng)為重力場(chǎng)；

2）地球的磁場(chǎng)以及地殼內(nèi)磁性體產(chǎn)生的磁場(chǎng)。地球的重力場(chǎng)﹑地磁場(chǎng)都是天然存在的地球物理場(chǎng)。1）地球物理場(chǎng)可分為天然存在的地球物理場(chǎng)和人工激發(fā)的地球物理場(chǎng)。

天然場(chǎng)：地球的重力場(chǎng)﹑地磁場(chǎng)﹑地電場(chǎng)﹑地溫場(chǎng)﹑核物理場(chǎng)是天然存在的地球物理場(chǎng)﹔

人工場(chǎng)：由人工爆炸產(chǎn)生彈性波在地下傳播的彈性波場(chǎng)﹑向地下供電在地下產(chǎn)生的局部電場(chǎng)﹑向地下發(fā)射電磁波激發(fā)出的電磁場(chǎng)等，屬于人工的激發(fā)的地球物理場(chǎng)。

人工激發(fā)的地球物理場(chǎng),如爆炸產(chǎn)生的彈性波場(chǎng)，彈性波在巖層中傳播遇到不同密度的分界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射、折射和能量衰減等現(xiàn)象，根據(jù)彈性波返回到地面的時(shí)間來(lái)研究其傳播速度、巖層厚度和產(chǎn)狀等問(wèn)題。人工場(chǎng)源的優(yōu)點(diǎn)是場(chǎng)源的參數(shù)為已知，便于控制，分辨力較高，能夠取得較好的地質(zhì)效果﹐但費(fèi)用較大。2）地球物理場(chǎng)還可分為正常場(chǎng)和異常場(chǎng)。

異常場(chǎng)：是由勘探對(duì)象所引起的局部地球物理場(chǎng)。例1：賦存在地下的磁鐵礦體或磁性巖體產(chǎn)生的磁場(chǎng)﹐這部分磁場(chǎng)迭加在它的圍巖和地球其它部分產(chǎn)生的磁場(chǎng)之中﹐在研究觀測(cè)得來(lái)的磁場(chǎng)時(shí)﹐就要區(qū)分或提取出磁異常場(chǎng)﹔

例2：鉻鐵礦的密度比圍巖的密度大﹐鹽丘巖體的密度比圍巖的密度小﹐這兩種情況分別會(huì)引起重力場(chǎng)局部增強(qiáng)或減弱的異常現(xiàn)象。

地球物理勘探正是根據(jù)對(duì)正常場(chǎng)和異常場(chǎng)的分布特征進(jìn)行地質(zhì)解釋和推斷的。

物探方法的分類(lèi)(三種分類(lèi))：（1）按工作原理劃分（2）按所解決的地質(zhì)問(wèn)題劃分（3）按工作場(chǎng)所劃分按所解決的地質(zhì)問(wèn)題劃分1.石油物探：主要勘察石油和天然氣的儲(chǔ)存位置和儲(chǔ)存狀態(tài)；2.煤田物探：主要解決煤田地質(zhì)構(gòu)造和煤層分布問(wèn)題；3.金屬與非金屬物探：主要尋找各種固體礦產(chǎn)，如鐵、銅、鉛、鋅等；4.環(huán)境與工程物探：主要解決各種巖土工程勘察及環(huán)境、水文等調(diào)查問(wèn)題，如地基勘察、橋梁、隧道、水庫(kù)等的選址，地下管線(xiàn)探測(cè)等；5.放射性物探：尋找放射性鈾、氡等與核工業(yè)有關(guān)的材料。按工作場(chǎng)所劃分1.航空物探：將地球物理勘探儀器搬到飛機(jī)上于空中進(jìn)行觀測(cè)，如航空磁法、航空電法、航空放射性勘探、航空重力等；2.地面物探：在地面進(jìn)行工作；3.海洋物探：將儀器搬到船上進(jìn)行勘探，如海洋地震、海洋重力等；4.地下物探：（鉆孔地球物理勘探）將儀器放到井下或坑道進(jìn)行觀測(cè)，如井中磁測(cè)、井中電法、槽波地震。基本實(shí)質(zhì)：利用巖礦石的六種主要物理性質(zhì)或物性參數(shù)，建立相應(yīng)的六種應(yīng)用地球物理方法。六種物理性質(zhì)：①密度；②磁性（磁導(dǎo)率、磁化率、剩余磁性）；③彈性（彈性波速度）；④電性（電導(dǎo)率、極化率、介電常數(shù)）；⑤放射性（α、β、γ射線(xiàn)強(qiáng)度）；⑥導(dǎo)熱性和生熱率磁法勘探：磁性差異電法勘探：應(yīng)用前提是電性差異地震勘探：彈性差異重力勘探：密度差異放射性勘探：放射性強(qiáng)度差異按照工作原理劃分地質(zhì)模型地球物理模型重力響應(yīng)重力響應(yīng)地球物理模型地質(zhì)模型正演計(jì)算反演計(jì)算正演和反演的關(guān)系二、地震勘探法地震勘探是根據(jù)人工激發(fā)（爆炸或撞擊地面）的地震波在地下傳播過(guò)程中，遇到彈性性質(zhì)不同的地震界面后，在地層中產(chǎn)生反射和折射，部分地傳回地表，用專(zhuān)門(mén)的儀器記錄返回地面的波的旅行時(shí)間，研究振動(dòng)的特征來(lái)確定產(chǎn)生反射或折射的界面的埋深和產(chǎn)狀，并根據(jù)所觀測(cè)的地震波在介質(zhì)中傳播速度及波的振幅與波形變化，探討介質(zhì)的物性與巖性。彈性介質(zhì)與地震波地震勘探的地球物理前提是地層間的彈性差異,地震勘探中將地層叫做介質(zhì);因此需要研究地層介質(zhì)的彈性性質(zhì)。在彈性介質(zhì)內(nèi)傳播的地震波稱(chēng)地震彈性波。彈性模量之間的關(guān)系式：其中任意一個(gè)都可以用其余兩個(gè)來(lái)表示?？v波（P波）的傳播特點(diǎn)：1.縱波質(zhì)點(diǎn)位移大小與震源強(qiáng)度1(t)和震源變化率’1(t)有關(guān)；2.縱波屬于體波；3.縱波質(zhì)點(diǎn)位移的方向同波傳播r的方向一致，

地震勘探中將質(zhì)點(diǎn)位移的振動(dòng)方向稱(chēng)為極化方向，4.由于縱波在波的傳播方向振動(dòng)，因此是線(xiàn)性極化波，即縱波質(zhì)點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)振動(dòng)的軌跡是一條直線(xiàn)；5.縱波的傳播速度最快6.由于爆炸主要產(chǎn)生縱波，其傳播速度快，故地震勘探幾乎就是縱波勘探。7.質(zhì)點(diǎn)位移的幅值與震源距有關(guān)，為球面擴(kuò)散。8.在縱波經(jīng)過(guò)的擾動(dòng)帶內(nèi)，會(huì)間隔地出現(xiàn)膨脹(稀疏)帶和壓縮(稠密)帶,見(jiàn)下圖:橫波的傳播特點(diǎn)如下：1.橫波傳播速度vs比縱波速度vp小2.縱波與橫波的速度比為：3.一般巖石的泊松比為0.25,所以vp/vs

是1.73；液體介質(zhì)中，切變模量為零，所以在液體內(nèi)沒(méi)有橫波。4.橫波是線(xiàn)性極化波5.橫波質(zhì)點(diǎn)位移主要決定于旋轉(zhuǎn)激發(fā)力的強(qiáng)度、形狀及變化率；6.橫波類(lèi)型分為SH波(是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)在水平面內(nèi)的橫波分量)和SV波(質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)在垂直平面內(nèi)的橫波分量)，見(jiàn)圖1.2-6所示。7.橫波傳播方向與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向相垂直.8.橫波速度低，能量弱。以致來(lái)自同一界面的橫波總是比縱波到達(dá)的晚,以續(xù)至波形式出現(xiàn)，但它的分辨率較高；

工程勘察中總是以橫波速度劃分地基類(lèi)別，作為縱波速度的補(bǔ)充,計(jì)算巖土彈性模量及物理力學(xué)參數(shù)；瑞雷面波的形成及傳播特點(diǎn)1.波前面是高度為z=R的柱體；2.瑞雷面波是橢圓極化波,質(zhì)點(diǎn)大致做反時(shí)針?lè)较?、軌跡為橢圓的運(yùn)動(dòng)。3.面波速度與橫波速度相當(dāng);當(dāng)泊松比=0.5時(shí)一般巖石的泊松比為0.25，而土的泊松比在0.45-0.49之間，因此，對(duì)于巖土工程勘察而言，可用面波速度代替橫波速度。

4.面波振幅A隨距離r衰減比體波慢，因此面波能量強(qiáng)于體波；

5.瑞雷波的頻散將速度隨頻率變化的特性叫頻散現(xiàn)象；6.群速度和相速度的概念；7.利用波的頻散現(xiàn)象可以制作速度隨波長(zhǎng)變化的頻散曲線(xiàn)，進(jìn)而用速度的變化對(duì)地基進(jìn)行分層。面波的相速度和群速度振動(dòng)圖形：在波傳播的某一特定距離上，該處質(zhì)點(diǎn)位移隨時(shí)間變化規(guī)律的圖形稱(chēng)振動(dòng)圖形。

波的振動(dòng)圖形波剖面指在波動(dòng)傳播的某一確定的時(shí)刻t，質(zhì)點(diǎn)位移隨傳播距離變化關(guān)系的圖形稱(chēng)波剖面。也可以看成是波動(dòng)傳播時(shí)的擾動(dòng)區(qū)的橫截面波剖面圖r

振動(dòng)狀態(tài)的傳播形成地震波，波在介質(zhì)中傳播將介質(zhì)分為三個(gè)球形層，球?qū)觾?nèi)的質(zhì)點(diǎn)以各自的狀態(tài)振動(dòng)，稱(chēng)擾動(dòng)區(qū)，擾動(dòng)區(qū)的橫截面即波剖面。波前面和等相位面

球面波傳播示意圖(a)在均勻介質(zhì)中;(b)在非均勻介質(zhì)中;(c)復(fù)雜的等時(shí)面

等時(shí)面和射線(xiàn)根據(jù)傅立葉變換理論，任何一個(gè)非周期的脈沖震振動(dòng)g(t)是由無(wú)數(shù)多個(gè)不同頻率不同振幅和初相位的簡(jiǎn)諧振動(dòng)之和構(gòu)成。傅立葉變換表示如下：式中G(f)=a(f)+ib(f),a(f)表示G(f)的實(shí)部，b(f)表示G(f)的虛部。復(fù)變譜的幅角就是相位譜：

對(duì)一個(gè)非周期振動(dòng)g(t)進(jìn)行付氏變換求頻譜（振幅譜和相位譜）的過(guò)程叫頻譜分析；傅氏正變換和付氏逆變換構(gòu)成付氏變換對(duì)，它們具有單值對(duì)應(yīng)性；在任何一個(gè)域內(nèi)討論地震波都是等效的；振幅譜和相位譜示意圖地震子波的延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度同它的頻帶寬度成反比；1.3-9理想波形函數(shù)及其頻譜彈性波的傳播

點(diǎn)震源激發(fā)的彈性波在均勻介質(zhì)中傳播，等時(shí)面為球面，稱(chēng)球面波；等時(shí)面為平面，稱(chēng)為平面波。

一、波動(dòng)傳播原理（一）惠更斯原理（波前原理）（二）費(fèi)馬原理（最小時(shí)間原理）（三）互換原理（四）疊加原理（五）視速度定理

反射波入射角的確定根據(jù)圖中的幾何關(guān)系，得到視速度與真速度間的關(guān)系式如下：

v*=v/sin

式中為波射線(xiàn)與地面法線(xiàn)間的夾角（出射角）。1．=900

時(shí)，v*=v；2．=0度時(shí)，視速度為無(wú)窮大；3．視速度大于等于真速度，即當(dāng)由00

變化到900

時(shí)，v*由無(wú)窮大變化到真速度。斯奈爾定律1．平面波垂直入射時(shí)不存在轉(zhuǎn)換波；2．存在波阻抗差異是形成反射波的必要條件；3．反射系數(shù)R為正，說(shuō)明反射波與入射波同相，R為負(fù)，表示它們反相；4.透射系數(shù)永遠(yuǎn)為正。5.若不考慮波前擴(kuò)散和介質(zhì)的吸收作用，反射系數(shù)和透射系數(shù)之和等于1。非法向入射時(shí)波的反射和透射傾斜入射時(shí)要產(chǎn)生轉(zhuǎn)換波，見(jiàn)圖1-4-5；

若界面下方介質(zhì)的波速大于上方的波速，且達(dá)到臨界角i時(shí)（使透射角達(dá)到900

時(shí)的入射角），即此時(shí)透射波將沿界面以v2

速度滑行，稱(chēng)為滑行波。當(dāng)>i時(shí)，全部入射能量以Rp、Rs波的形式反射回界面上方的介質(zhì)中。由于上下介質(zhì)不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，滑行波會(huì)引起上面介質(zhì)隨下面介質(zhì)做同相運(yùn)動(dòng)。折射波(首波）的形成斷塊產(chǎn)生的繞射波前

（一）幾何擴(kuò)散（二）吸收

地震波的衰減（三）地震波的透射損失An=A0(1-R12)(1-R22)……(1-Rn-12)式中(1-Ri2)稱(chēng)為透射損失因子。連乘積(1-Ri2）稱(chēng)為第n層反射波的透射損失。地震反射波記錄道的形成

由檢波器接收的質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)圖形稱(chēng)為一個(gè)反射波的記錄道。地面檢波器可以接收到不同深度界面的反射波，若考慮波前擴(kuò)散、介質(zhì)吸收、透射損失及反射系數(shù)等因素，則一個(gè)反射波的解可寫(xiě)為

制作一個(gè)道的理論反射波記錄的示意圖

在地震勘探工作中，每激發(fā)一次人工地震波，都要在多個(gè)檢波點(diǎn)接收地震信號(hào)。炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)都沿一條直測(cè)線(xiàn)布置，炮點(diǎn)到任意檢波點(diǎn)的距離稱(chēng)炮檢距x，相鄰檢波點(diǎn)的距離叫道間距x，來(lái)自同一界面的地震波沿不同路徑先后到達(dá)各檢波點(diǎn)，從而形成一張如圖2.1-0所示的地震記錄。地震波的時(shí)距曲線(xiàn)圖2.1-0多道拼接成的地震記錄

時(shí)距曲線(xiàn)直達(dá)波和反射波時(shí)距曲線(xiàn)式（2.1.2）就是水平界面反射波的時(shí)距曲線(xiàn)方程式，可化簡(jiǎn)為以下的標(biāo)準(zhǔn)雙曲線(xiàn)方程綜上所述：1．反射波時(shí)距曲線(xiàn)在x-t坐標(biāo)系是雙曲線(xiàn)，其極小點(diǎn)在炮點(diǎn)正上方；2.在x2-t2坐標(biāo)系是直線(xiàn)，直線(xiàn)的斜率為1/v12,利用直線(xiàn)的斜率可求界面上方介質(zhì)的速度v1；3.反射波時(shí)距曲線(xiàn)以直達(dá)波時(shí)距曲線(xiàn)為其漸近線(xiàn)。4.根據(jù)時(shí)距曲線(xiàn)斜率與視速度的倒數(shù)關(guān)系，在炮點(diǎn)處的視速度為無(wú)窮大，在x時(shí)，視速度v*=v15．當(dāng)2h>>x時(shí)，對(duì)（(2.1.2)式用二項(xiàng)式定理展開(kāi)，只取前兩項(xiàng)，可得將任一觀測(cè)點(diǎn)p的旅行時(shí)間t和同一界面的雙程垂直時(shí)間t0的差稱(chēng)為正常時(shí)差，用t表示。即正常時(shí)差近似表達(dá)式是

6．利用正常時(shí)差可以幫助判斷地震記錄上的同相軸是否為反射波。

(三）傾斜界面反射波時(shí)距曲線(xiàn)和傾角時(shí)差（2.1.6）標(biāo)準(zhǔn)形式為1.傾斜界面的反射波時(shí)距是雙曲線(xiàn)

2.雙曲線(xiàn)以其極小點(diǎn)M為對(duì)稱(chēng)，M向反射界面上傾方向偏移距離xm=2hsin;時(shí)距曲線(xiàn)極小點(diǎn)的縱坐標(biāo)為tm3.傾角時(shí)差（界面傾斜引起的單位距離的時(shí)間差）為td/x，求的最簡(jiǎn)單方法是根據(jù)震源兩邊等距的兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的傳播時(shí)間差(2-1-8)

設(shè)△x表示觀測(cè)點(diǎn)到炮點(diǎn)的間隔，由(2-1-8)式(2-1-27)

水平多層介質(zhì)的反射波時(shí)距曲線(xiàn)

圖2.1.-3水平多層介質(zhì)反射波時(shí)距曲線(xiàn)在震源附近接收時(shí)，i角較小，可以略去pvi的高次項(xiàng)得到結(jié)果，所以?xún)H在震源附近滿(mǎn)足假設(shè)，遠(yuǎn)離震源時(shí)有誤差，時(shí)距曲線(xiàn)是高次曲線(xiàn)。這意味著在水平多層介質(zhì)情況下，當(dāng)入射角較小(亦即炮檢距較小)時(shí)，可以用均方根速度代替反射界面以上多層介質(zhì)的速度值，把介質(zhì)假想成具有均方根速度的均勻介質(zhì)。界面彎曲時(shí)的反射波時(shí)距曲線(xiàn)向斜部位的回轉(zhuǎn)波時(shí)距曲線(xiàn)繞射波時(shí)距曲線(xiàn)圖2.1.-8界面傾斜時(shí)全程二次反射波時(shí)距曲線(xiàn)識(shí)別多次波的t0標(biāo)志：

在激發(fā)點(diǎn)處的t0時(shí)間，可令(2-1-17）式中的x=0得到:當(dāng)角很小時(shí)，，即全程2次多次反射波的t0時(shí)間是一次反射波的2倍。同樣，全程n次多次反射波的t0時(shí)間是一次反射波的n倍。這是用來(lái)判別全程多次波的t0標(biāo)志。例如全程二次反射波的t0時(shí)間為這就是所謂的二次反射波的t0標(biāo)志。標(biāo)志2：全程多次反射波時(shí)距曲線(xiàn)的極小點(diǎn)偏移激發(fā)點(diǎn)的距離標(biāo)志,由圖2-1-8可得:而一次反射波極小點(diǎn)的坐標(biāo)x=2hsin

，故當(dāng)角很小時(shí)，，所以。說(shuō)明二次全程多次反射波極小點(diǎn)偏離激發(fā)點(diǎn)的距離近似地是一次反射波的四倍。同樣，n次全程多次反射波極小點(diǎn)偏離激發(fā)點(diǎn)的距離近似地是一次反射波的2n倍。這是判別多次波的另一標(biāo)志。

反射波法總結(jié)1.介質(zhì)的波阻抗差別是形成反射波的條件,當(dāng)垂直入射時(shí)，反射系數(shù)公式的最簡(jiǎn)單,形式為1v1,2v2分別為上、下層介質(zhì)的波阻抗。2.反射波法能夠精確地確定深部界面，目前在石油、煤炭、工程，水文等領(lǐng)域廣泛使用。3.反射波法沒(méi)有盲區(qū):所以可以在很靠近激發(fā)點(diǎn)的位置激發(fā)。4.反射波法不象折射波法對(duì)波速有嚴(yán)格的要求，一般說(shuō)來(lái)，凡是波阻抗發(fā)生突變的地方，都能產(chǎn)生反射波，因此，只要它們有足夠的厚度，就能夠發(fā)現(xiàn)軟弱夾層。5.反射波各層次可以在同一地段上沿時(shí)間軸依次出現(xiàn)，反射波法可以用較短的測(cè)線(xiàn)勘測(cè)很深的地層。最大炮檢距的經(jīng)驗(yàn)公式：Xmax=(0.71.5)h,h是最深目的層深度6.用一般分析手段，從反射波法很難獲得詳細(xì)的地層速度資料，而只能求得反射層位以上比較籠統(tǒng)的所謂有效速度。有效速度有時(shí)也近似看作平均速度7.反射波法要求界面比較"光滑"，否則會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象，使記錄不易辨認(rèn)。8.在震源附近，淺層反射波幾乎和面波、聲波等干擾波同時(shí)到達(dá)地面。這些波形成強(qiáng)烈的干擾，使追索反射波十分困難。因此，克服和避開(kāi)干擾仍然是當(dāng)前淺層反射波法一大課題。一、水平二層結(jié)構(gòu)的折射波時(shí)距曲線(xiàn)折射波的時(shí)距曲線(xiàn)

水平二層結(jié)構(gòu)折射波的時(shí)距曲線(xiàn)二、水平多層結(jié)構(gòu)的折射波時(shí)距曲線(xiàn)多層介質(zhì)折射波時(shí)距曲線(xiàn)三、傾斜界面的折射波時(shí)距曲線(xiàn)圖2.2-3傾斜界面折射波時(shí)距曲線(xiàn)

分別表示上傾和下傾接收時(shí)的折射波的視速度,由時(shí)距曲線(xiàn)斜率的倒數(shù)求得.

顯然界面傾斜時(shí),兩支時(shí)距曲線(xiàn)斜率不同,下傾接收時(shí)視速度小,時(shí)距曲線(xiàn)陡;上傾接收時(shí)視速度大,時(shí)距曲線(xiàn)緩.利用(2.2.10)式可得折射界面的傾角和臨界角i,進(jìn)而求得v2,如下式.(2.2.11)(2.2.11)上兩式相加得出以上就是由相遇時(shí)距曲線(xiàn)估算折射界面的速度、傾角，并進(jìn)而求深度的關(guān)系式。彎曲界面的追逐時(shí)距曲線(xiàn)

典型地質(zhì)構(gòu)造的折射波時(shí)距曲線(xiàn)

圖2.2-5階梯狀構(gòu)造垂直構(gòu)造

(v1<v2<v2’)圖2.2-7存在低速透鏡體的時(shí)距曲線(xiàn)圖2.2-8存在間斷低速層的時(shí)距曲線(xiàn)圖2.2-9為負(fù)值時(shí)的時(shí)距離曲線(xiàn)(a)i=,視速度為無(wú)窮大;(b)i<,視速度為負(fù)值

折射波法總結(jié):