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地球物理勘查
地球物理勘查
来源:地调总院 日期:2016-6-12 点击率:10554

  一、物探及其分类

  二、物探方法简介

  三、物探方法的特点:

  四、物探方法的应用范围与应用条件

  五、物探在工程勘探中的应用

  一、物探及其分类

  1、地球物理勘探

  地球物理勘探,简称物探,是以地下岩体的物理性质的差异为基础,通过探测地表或地下地球物理场,分析其变化规律,来确定被探测地质体在地下赋存的空间范围(大小、形状、埋深等)和物理性质,达到寻找矿产资源或解决水文、工程、环境问题为目的的一类探测方法。

  物理性质:岩体的物理性质主要有密度、磁性、电性、弹性、放射性等。主要物性参数密度、磁场强度、磁化率、电阻率、极化率、介电常数、弹性波速、放射性伽马强度等。

  地球物理场:物理场可理解为某种可以感知或被仪器测量的物理量的分布。地球物理场是指由地球、太空、人类活动等因素形成的、分布于地球内部和外部近地表的各种物理场。可分为天然地球物理场和人工激发地球物理场两大类。

  天然场;天然存在和形成的地球物理场主要有地球的重力场、地磁场、电磁场、大地电流场、大地热流场、核物理场(放射性射线场)等

  人工场:由人工激振产生弹性波在地下传播的弹性波场、向地下供电在地下产生的局部电场、向地下发射电磁波激发出的电磁等,发球人工激发的地球物理场。人工场源的优点是场源参数书籍、便于控制、分辨率高、探测效果好,但成本较大。

  地球物理场还可分为正常场和异常场。

  正常场:是指场的强度、方向等量符合全球或区域范围总体趋势、正常水平的场的分布。

  异常场:是由探测对象所引起的局部地球物理场,往往叠加于正常场之上,以正常场为背景的场的局部差异和变化。例如富存在地下的磁铁矿体或磁性岩体产生的异常磁场,叠加在正常磁场之中;铬铁矿的密度比围岩的密度大,盐丘岩体的密度比围岩的密度小,分别引起重力场局部增强或减弱的异常现象。

  2、地球物理勘探分类

  地球物理勘探分类简表

  分类方法

  分类

  分类方法

  分类

  按探测方法或探测物理性质

  重力勘探

  按探测对象应用领域

  资源类物探

  石油物探

  煤田物探

  金属非金属物探

  放射性物探

  磁法勘探

  电法勘探

  (直流)电法勘探

  电磁法勘探

  地震勘探

  折射波法

水工环物探

  水文物探

  反射波法

  工程物探

  透射波法(直达波法)

  环境物探

  瑞雷波法

  深部物探

  放射性勘探

  地球物理测井

  按工作环境

  地面物探

  航空物探

  弹性波测试

  地震波法

  海洋物探

  声波法

  地下物探

  二、物探方法简介

  1、重力勘探

  重力勘探是研究地下岩层与其相邻层之间、各类地质体与围岩之间的密度差而引起的重力场的变化(即“重力异常”)来勘探矿产、划分地层、研究地质构造的一种物探方法。重力异常是由密度不均匀引起的重力场的变化,并叠加在地球的正常重力场上。

  2、磁法勘探

  磁法勘探是研究由地下岩层与其相邻层之间、各类地质体与围岩之间的磁性差异而引起的地磁场强度的变化(即“磁异常”)来勘探矿产、划分地层、研究地质构造的一种物探方法。磁异常是由磁性矿石或岩石在地磁场作用下产生的磁性叠加在正常场上形成的,与地质构造及某些矿产的分布有着密切的关系。

  磁法勘探按观测磁场的方式可以分为地面磁测和航空磁测两类基本方法。

  3、电法勘探

  电法勘探是以岩石、矿物等介质的电学性质为基础,研究天然的或人工形成的电场、电磁场的分布规律,勘探矿产、划分地层、研究地质构造、解决水文工程地质问题的一类物探方法,也是物探方法中分类最多的一大类探测方法。按照电场性质不同,可分为直流电法和交流电法两类

  直流电法勘探主要包括电剖面法、电测深法、充电法、激发极化法及自然电场法等。

  交流电法勘探,即电磁法勘探,按场源的形式可分为人工场源(或称主动场源)和天然场源两大类。人工场源类电磁法主要有无线电波透射法、甚低频法、瞬变电磁法、可控源间频大地测深法、地质雷达法等。天然场源类电磁法包括天然音频大地电磁法、大地电磁法等。

  4、地震勘探

  地震勘探是一种使用人工方法激发地震波,观测其在岩体内的传播情况,以研究、探测岩体地质结构和分布的物探方法。确定分界面的埋藏深度、岩石的组成成分和物理力学性质。

  根据所利用弹性波的类型不同,地震勘探的工作方法可分为:反射波法、折射波法、透射波法和瑞雷波法。

  5、放射性勘探

  地壳内的天然放射元素蜕变时会放射出α、β、γ射线,这些射线穿过介质便会产生游离、荧光等特殊的物理现象。放射性勘探,就是借助研究这些现象来寻找放射性元素矿床和解决有关地质问题、环境问题的一种物探方法。

  6、地球物理测井

  地球物理测井,简称为测井,就是通过研究钻孔中岩石的物理性质,诸如电性、电化学活动性、放射性、磁性、密度、弹性以及隙度、渗透性等来解决钻孔中有关地质问题的一类物方法。

  测井方法包括电测井、磁测井及电磁测井、声波测井、地震测井、放射性测井、钻孔全孔壁数字成像、钻孔电视,以及井径测量、井斜测量、井温测量以及井中流体测量。

  三、物探方法的特点:

  1、探测地质体与围岩之间的具有较为明显的物性差异;

  2、采用相应的仪器设备观测和测量地球物理场的信息,并用数据处理技术进行处理,对异常进行识别和解释;

  3、成本低,效率高;

  4、多解性

  物探解释结果是根据物探仪器观测到的地球物理数据求解场源体的反演过程,反演具有多解性;同时物探理论是建立在一定的数学模型基础之上,具有确定的条件(物性,地质、地形等),但实际上难以完全满足,也影响了物探解释的精度。

  为了获得更加准确的物探成果,应注意以下几点:

  1、选择适合的方法。应根据探测目的层与相邻地层的物性特征、地质条件、地形条件等因素综合分析,有针对性的选择物探方法。

  2、尽可能采用多种物探方法配合,相互对比、相互补充、相互验证、去伪存真。

  3、物探剖面尽可能通过钻孔、探井等已知点,对物探解释提供参数和验证。

  4、注重与地质调查和地质理论相结合,进行综合分析判断。

  四、物探方法的应用范围与应用条件

  1、应用范围

  (1)区域地质调查及矿产勘查

  划分地层、探测地质构造,寻找矿体及与成矿有关的地层或构造

  主要方法:重力、磁法、电法,地震(石油、煤田)、放射性(铀矿)、测井

  (2)水文地质勘察及找水

  划分地层、探测地质构造,寻找储水地层或构造,确定含水层的埋深、厚度、含水量,划分咸淡水界面等

  主要方法:电法(电阻率、激电、电磁法),测井、地震、放射性、

  (3)工程地质勘察、环境地质勘察

  探测覆盖层、基岩风化带厚度及其分布;隐伏构造、岩溶裂隙发育带等。

  主要方法:电法(电阻率、激电、电磁法),测井、地震、放射性

  (4)工程测试与检测

  土壤电阻率测试、岩体质量检测、岩土力学参数测试、混泥土质量检测、放射性检测、桩基检测、地下管线探测等。

  主要方法:电法(电阻率、探地雷达),地震波及声波测试(测井)、放射性测试

  2、应用条件

  (1)探测目的层与相邻地层或目的体与围岩之间的具有明显的物性差异;

  (2)探测目的层或目的体相对于埋深具有一定的规模;

  (3)探测目的层与相邻地层的岩性、物性及产状较为稳定;

  (4)满足各方法的地形条件要求;

  (5)不能有较强的干扰源存在。

  3、常用工程物探方法的应用范围与应用条件

  常用工程物探方法的应用范围及适用条件

方法名称

物性参数

应用范围

适用条件

电法勘探

电阻率法

电剖面法

电阻率

探测地层在水平方向的电性变化,解决与平面位置有关的地质问题,如探测隐伏构造破碎带、断层、岩层接触界面位置及岩溶等

目标地质体具有一定的规模,倾角大于30°,与周围介质电性差异显着;地形平缓

电测深法

电阻率

探测地层在垂直方向的电性变化,适宜于层状和似层状介质,解决与深度有关的地质问题,如覆盖层厚度、基岩面起伏形态、地下水位,以及测定岩(土)体电阻率

目标地层有足够厚度,地层倾角小于20°;相邻地层电性差异显着,水平方向电性稳定;地形平缓

高密度电法

电阻率

电测深法自动测量的特殊形式,适用于详细探测浅部不均匀地质体的空间颁布,如洞穴、裂隙、墓穴、堤坝隐患等

目标地质体与周围介质电性差异显着,其上方无极高阻或极低阻的屏蔽层;地形平缓

充电法

电位

用于钻孔或井中测定地下水流向、流速,以及了解低阻地质体的颁布范围和形态

含水层埋深小于50m,地下水流速大于1m/d;地下水矿化度小,覆盖层电阻率均匀

自然电场法

电位

用于探测地下水的活动情况,也可用于探查地下金属管道、桥梁、;输电线路铁塔的腐蚀情况

地下水埋藏较浅,流速足够大,矿化度较高

激发极化法

极化率

探测地下水,测定含水层的埋深和分布范围,评价含水层的富水程度

测区地层存在激电效应差异,无游散电流干扰

电磁法勘探

频率测深法

电阻率

探测断层、破碎带、岩溶及地层界面

目标地质体与周围介质电性差异显着,覆盖层电阻率不能太低

瞬变电磁法

电阻率

探测断层、破碎带、岩溶及地层界面,调查地下水和地热水源,圈定和监测地下水污染,探查堤坝隐患和水库渗漏

目标地质体具有一定的规模,且相对呈低阻,无极低阻屏蔽层;测区电磁干扰小

可控音频大地电磁测深入法

电阻率和阻抗相位

探测中浅部断层、破碎带、岩溶等隐伏构造和地层界面

目标地质体具有一定的规模,与周围介质电性差异显着;测区地形平缓,测区电磁干扰小

探地雷达

介电常数和电导率

适用于探测浅部断层、构造破碎带、岩溶、地质灾害(滑坡、塌陷等)、堤坝隐患和覆盖层分层,以及隧道施工地质超前预报等

目标地质体与周围介质的介电常数差异显着

电磁波CT

吸收系数

适用于探测由钻孔、平洞、地面等包围的断层、破碎带、岩溶等不良地质体

目标地质体具有一定的规模,与周围介质的电性差异显着

地震勘探

直达波法

波速

测定岩土体的纵、横波速度,计算岩土层的动力学参数

适用于表层或钻孔、平洞、探坑、探槽等岩土体

反射波法

波速

探测覆盖层厚度及不同深度的地层界面

地层之间具有一定的波阻抗差异

折射波法

波速

探测覆盖层厚度及下伏基岩波速

下伏地层波速大于上覆地层波速

瑞雷波法

波速

探测覆盖层厚度与不良地质体,覆盖层分层

目标地层或地质体与围岩之间存在显着的波速差异

地震CT

波速

划分风化和破碎岩体、探测断层、破碎带、风化带、岩溶等不良地质体的位置与规模

目标地层或地质体与围岩之间存在显着的波速差异

声波探测

声波测试

声速

测定岩体或混凝土的声波波速,计算动力学参数,测定岩体松弛厚度,评价岩体的完整性和岩体灌浆效果

适用于表层或钻孔、平洞、探坑、探槽等裸露的岩体或混凝土

声波CT

声速

划分风化和破碎岩体,检查建基岩体质量和灌浆效果,检测混凝土件及坝体部的缺陷

目标体与围岩之间存在显着的声速差异

放射性探测

α射线测量

α射线

探测隐伏构造破碎带和地下水

适用于探测具有较好透气性和渗水性的构造破碎带

自然γ测量

γ射线

探测隐伏构造破碎带和地下水

适用于探测具有较好透气性和渗水性的构造破碎带

γ-γ测量

γ射线

测试岩(土)层的原状密度和孔隙度

适用于钻孔内测量

综合测井

电测井

电阻率或电位

划分地层,区分岩性,确定软弱夹层、裂隙破碎带的位置及厚度;确定含水层的位置、厚度,划分咸、淡水分界面;测定地层电阻率

无套管,有井液孔段

声波测井

声速

区分岩,判断岩体完整性,确定软弱夹层、裂隙破碎带的位置及厚度;测定地层的声波速度,估算岩体动弹性参数

无套管孔段

钻孔电视

图像

区分岩性,确定层软弱夹层、裂隙破碎带的位置及厚度;了解岩溶发育情况;测定结构面产状

无套管,干孔或清水孔段

放射线测井

γ射线

划分地层,区分岩性,鉴别软弱夹层、裂隙破碎带;测定岩层密实度和孔隙度

全孔段

井上雷达

介电常数和电导率

探测钻孔周边断层、岩溶洞、破碎带及岩层界面的位置及规模,判断含水带位置

无金属套管

井径测量

直径

测理钻孔直径,辅助划分地层

全孔段

井斜测量

方位与倾角

测量钻孔的方位角和倾角

无磁性套管

  1)直流电阻率法

  将直流电通过电极接地供入地下,建立稳定的人工电场,在地表观测某点垂直方向(电测深法)或沿某一测线的水平方向(电剖面法)的电阻率变化,从而了解岩土介质的分布或地质构造特点的方法,称电阻率法。

  为解决不同的地质问题,常采用不同的电极排列形式和移动方式(称为装置),根据装置的不同,可将电阻率法分为电测深法、电剖面法和高密度电阻率法。

  ·电阻率法的应用范围与条件

  ·应用范围

  1)电测深法主要用于解决与深度有关的地质问题,包括分层探测如基岩面、地层层面、地下水位、风化层面等的埋藏深度以及电性异常体探测如构造破碎带、喀斯特、洞穴等。

  2)电剖面法主要用于探测地层、岩性在水平方向的电性变化,解决与平面位置有关的地质问题,如断层、破碎带、岩层接触界面、喀斯特洞穴位置等。

  3)高密度电法具有电测深和电剖面的双重特点,探测密度高、信息量大、工作效率高。

  ·应用条件

  1)被探测目的层的分布相对而言于装置长度和埋深近水平无限,被探测目的相对于装置长度和埋深有一定的规模。被探测目的层与相邻地层或目的体与周边介质有电性差异。电性界面与地质界面对应。

  2)地形起伏不大。采用电极接地测量方式时要求被探测目的层或目的体上方没有极高电阻屏蔽层。采用线框或天线测量方式时要求被探测目的层或目的体上方没有极低电阻屏蔽层。

  3)各地层及目的体电性稳定,异常范围和幅值等特征可以被测量和追踪。

  4)测区内没有较强的工业游散电流、大地电流或电磁干扰。

  5)水上工作时,水流速度较缓。

  6)电测深法要求地下电性层次不多,被探测各层与供电极距相比水平无限,且具有一定厚度,电性标志层稳定;适用于层状和似层状介质的勘探,下伏基岩面或被探测目的层层面与地面交角应小于20°;有一定数量的中间层电阻率资料;在各种测量装置中,四极对称装置能更准确并经济地解决问题,应用罗为广泛,其他装置的应用条件则相对较为严格。

  7)电剖面法探测的地质界面或构造线与地面交角应大于30°。

  2)音频大地电磁测深入法(AMT

  音频大地电磁法(AMT)的频率范围约为0.1~10kHz,甚至100 kHz,勘探深度为几米至几公里,在矿产勘查和工程勘探中应用广泛。

  ·应用范围

  1)探测第四纪覆盖层厚度。

  2)探测地层分层。

  3)探测隐伏岩溶及构造(断层、裂隙层、破碎带)。

  4)探测塌滑体厚度。

  5)探测地下水,确定含水层厚度。

  ·应用条件

  1)被探测目的体或目的层与围岩之间存在明显的电性差异电性界面与地质界面对应。

  2)被探测目的层或目的体位于探测盲区以下。

  3)各地层及目的体电性稳定。

  4)测区内没有较强的工业游散电流、大地电流或电磁干扰。

  5)被追踪地层应具有一定的厚度,被追踪地质体具有一定规模。

  6)天然电磁场信号强度微弱,极化不稳定,受各种噪声影响强烈,通常需要多周期的叠加才能获得有交的功率谱,因此野外记录时间应足够长。

  ·优点和局限性

  (1)主要优点。

  1)使用电磁波频率丰富,探测深度范围较大,可从几十米至上千米。

  2)不高阻屏蔽,对低阻分辨率高,对勘测场地范围要求低。

  3)受地形影响小。

  (2)主要局限性。

  1)抗电磁干扰能力差。

  2)虽然探测深度较深,但深部是低频信号的反映,因此在加大探测深度的同时,也降低了异常分辨率,在使用该方法进行深部探测时,应充分考虑到深度与分辨率的关系。

  3)对于硬质出露地区,裸露岩石致密坚硬,会大大限制电偶极子场源送入地下的电流强度,并导致测量电极接地电阻过高,干扰信号过强,有效信号太弱等不利影响,因此在硬件质基岩裸露地区不宜使用此类方法。

  3)浅层折射波法

  浅层折射波法,是利用人工激发的地震波在岩土界面上产生的折射现象,对浅部具有速度差异的地层或构造进行探测的一种地震方法,是目前工程地震勘探中技术最成熟、应用最广泛的方法。

  ·应用范围

  1)探测第四纪覆盖层厚度及其分层,或探测基岩面埋藏深度、埋藏深槽、古河床及其起伏形态。

  2)探测风化卸荷带厚度。

  3)探测隐伏构造(断层、裂隙带、破碎带)。

  4)探测塌滑体厚度。

  5)探测松散层中的地下水位,确定含水层厚度。

  6)测试岩土体纵波速度,用速度对岩体进行完整性分类。

  7)检测岩体质量。

  ·应用条件

  1)适用于层状和似层状介质的探测。

  2)被追踪地层的速度应大于上覆各层的速度,且各层之间存在明显的波速差异。

  3)被追踪地层应具有一定的厚度,中间层厚度宜大于其上覆层厚度。

  4)沿测线被追踪地层的视倾角与折射波临近角之和应小于90°。

  5)被追踪地层界面起伏不大,折射波沿界面滑行时无穿透现象。

  6)被探测的目的体(断层、洞穴等)与周边介质之间存在明显的波速差异,并具有一定的规模。

  ·优点和局限性

  (1)折射波法的优点。

  1)初至折射波比较容易识别。

  2)探测深度范围广,从几米至几十米乃至一二百米皆可。

  3)不仅可得到折射波的旅行时,遥相呼应得到能反映岩性及岩体完整性的界面速度。

  4)解决的地质问题面较广,从探测覆盖层厚度及其分层到解决构造问题,地质效果一般较好。

  (2)折射波法的局限性。

  1)受速度逆转限制,不能探测高速层下部的地质情况。

  2)分层能力弱,一般限于3~4层。

  3)因为存在折射波盲区以及旁侧影响,要求勘探场地较开阔。

  4)所需激发能量大。当松散层厚度超过10m时,一般使用炸药震源;当探测深度大于40m时,需使用较大的炸药包,在居民区、农、林、渔区难于开展工作。

  4)浅层反射波法

  浅层反射波法是利用人工激发的地震波在岩土界面上产生反射的原理,对浅层具有波阻抗差异的地层或构造进行探测的一种地震勘探方法。在工程勘察中,浅层反射波法主要用于探测覆盖, 层厚度和进行地层分层,确定几十米内的较小的地质构造以及寻找局部地质体等。

  ·应用范围

  浅层反射波法适用于层状和似层状介质勘探,,不受地层速度逆转限制,可以探测高速地层下部的地质情况。其应用范围与折射波法相近,主要有:

  1)探测第四纪覆盖层厚度及其分层或探测基岩面的埋藏深度及其起伏形态。

  2)划分沉积地层层次。

  3)探测风化带厚度(全风化、强风化)。

  4)探测有明显断距的隐伏断层构造。

  5)探测滑坡体厚度。

  6)探测喀斯特溶洞。

  7)探测松散层中的地下水位和确定含水层厚度。

  8)岩土体纵横波速测试。

  通常多选用效率较高、探测深度较大的纵波反射法解决上述工程地质问题,仅在探测浅部(<30m)松散含水地层时,宜采用具有较强分层能力的横波反射法。

  ·应用条件

  1)被追踪地层应是层状和似层状介质。

  2)被追踪地层与其相邻层之间应存在明显的波阻抗差异。

  3)被追踪地层应具有一定的厚度,且应大于有效波长的1/4。

  4)地层界面较平坦,入射波能在界面上产生较规则的反射波。

  5)被探测的断层应有明显的断距。

  ·方法优点及局限性

  (1)反射波法的优点

  1)不受地层速度逆转限制,可探测高速地层下部的地质情况。在软基勘探中横波反射法有较强的分层能力。

  2)水平叠加时间部面图、等偏移时间部面图、地震映象波形图、地震深度剖面图能较直观反映地层的起伏形态和地层的尖灭点及断层的位置、断距。

  3)所需震源能量较小,在勘探深度小于四五十米时,一般可使用锤击震源(与垂直叠加信号增强配合使用)从而免除使用爆炸震源时购买、运输、保管、使用雷管炸药的诸多麻烦,确保生产安全,并可在居民区、农田、果园等不允许进行爆破作业的测区开展反射波法勘探。

  4)所需勘探场地较小,可在较狭窄的河谷、山谷开展工作。

  (2)反射波法的局限性(缺点)

  1)反射波法所受干扰波多(包括面波、声波、直达波、浅层折射波、多次反射波、背景噪音以及各反射波组间的相互干扰),野外数据采集、资料处理比折射波法复杂,工作效率低,尤其探测深度小于20m时,浅层反射法的工作效率较低(因为要求检波点距较小)。

  2)探测基岩面埋藏深度时,因为不能较准确求得基岩波速,有时识别基岩顶板反射波同相轴较困难(尤其基岩面较平坦时),需借助折射波法资料或钻孔资料确定。

  3)横波(SH波)反射法激发工作效率较低,勘探深度较小(一般小于四五十米)。

  5)瑞雷波法(面波法)

  面波是人工激发的弹性波沿界面附近传播的波,水平偏振的面波为勒夫波,垂直偏振的面波为瑞雷波,目前的面波勘探方法主要是瞬态激发、多道接收、利用基阶瑞雷波进行探测。

  ·应用范围

  1)工程地质勘察:探测覆盖层厚度、划分松散地层沉积层序、确定地层中低速带或软弱夹层、探查基岩埋深和基岩界面起伏形态,探测滑坡体的滑动带和滑动面起伏形态,岩体风化分带,探测构造破碎带。

  2)岩土的物理力学参数原位测试:饱和砂土层的液化差别。

  3)地下隐埋体探测,包括地下空洞、古墓遗址、非金属地下管道、矿区废弃矿井和采空区以及各种地下掩埋物的空间位置的探测。

  ·应用条件

  1)探测场地地表不宜起伏太大,并避开沟、坎等复杂地形的影响,相邻检波器之间的高差应控制在1/2道距长度范围之内,且被探测地层应是层状和似层状介质。

  2)被探测地层与其相邻层之间应存在大于10%的瑞雷波速度差异。

  3)被探测异常体(透镜体、洞穴、岩溶、垃圾坑等)在水平方向的分布范围应不小于瑞雷波排列长度的1/4。

  4)单点瑞雷波勘探时地层界面应较平坦,否则将增大探测误差工。

  5)被探测的断层应有明显的断距。

  ·优点与局限性

  (1)瑞雷波法的优点。

  1)不受地层速度逆转限制,可探测高速地层下部的地质情况。

  2)具有较高的地质薄层分辨率(分辨能力可以达到0.1~0.5m),在进行连续瑞雷波勘探(点距小于30m)时,能较直观反映地层的起伏形态、异常体颁布情况及滑动面分布特征。

  3)所需震源能量较小,勘探深度小于50m时一般可使用锤击震源或落重。

  4)所需勘探场地较小,探测深度与测点排列长度基本相当,可在较狭窄的河谷、山谷开展工作。

  5)测点瑞雷波资料经过反演处理可以得到岩土介质的剪切波速度、纵波速度和泊松比,以及介质的其他动参数。

  (2)瑞雷波法的局限性(缺点)。

  1)因瑞雷波勘探是对整个瑞雷波排列长度范围内地层的综合反映,对于地表或地层界面起伏较大或水平方向地层变化较大容易加大单点瑞雷波探测误差,这种情况下需要减小点距、加大连续剖面探测工作量。

  2)在进行瑞雷波速度反演计算时,需借助测区钻孔资料或孔内波速检层(横波速度)资料才能进行定量分析。

  五、物探在工程勘探中的应用

  1、覆盖层探测

  ·探测内容

  (1)覆盖层厚度探测。

  (2)覆盖层分层。

  (3)覆盖层物性参数测试。

  ·探测方法的选择

  覆盖层厚度探测与分层常采用的物探方法主要有浅层地震勘探(折射波法、反射波法、瑞雷波法)、电法勘探(电测深法、高密度电法)、电磁法勘探(大地电磁测深入、瞬变电磁测深、探地雷达)、水声勘探、综合测井、弹性波CT等。覆盖层岩(土)体物性参数测试常采用的物探方法主要有地球物理测井、地震波CT、速度检层等。

  覆盖层厚度探测与分层应结合测区物性条件,地质条件和地形特征等综合因素,合理选用一种或几种物探方法,所选择的物探方法应能满足其基本应用条件,以达到较好的地质效果。

  (1)覆盖层厚度探测物探方法的选择。

  1)根据覆盖层厚度选择物探方法。覆盖层厚度较薄时(小于50m),一般可选择地震勘探(折射波法、瑞雷波法)、电法勘探(电测深法、高密度电法)和探地雷达等物探方法;覆盖层厚度时(50~100m),一般可选择电测深法、地震反射波法、电磁测深等方法;当覆盖层厚度深厚时(一般大于100m),一般可选择地震反射法、电磁测深等物探方法。

  2)根据测区地形条件选择物探方法。当场地相对平坦、开阔、无明显障碍物时,一般可选择地震勘探(折射波法、反射波法、瑞雷波法)、电法勘探(电测深法、高密度电法)等物探方法;当场地相对狭窄或测区内有居民区、农田、果林、建筑物等障碍物时,一般可选择以点测为主的电测深法、瑞雷波法和电磁测深等物探方法。

  3)在水域进行覆盖层厚度探测时,可根据工作条件选择物探方法。在河谷地形、河水面宽度不大于200m、水流较急的江河流域,一般选择地震折射波法和电测深法等物探方法;在库区、湖泊、河水面宽度大于200m、水流平缓的水域,一般选择水声勘探、地震折射波法等物探方法。

  4)根据物性条件选择物探方法。当覆盖层介质与基岩有的波速、波阻抗差异时,可选择地震勘探,但当覆盖层介质中存在调整层(大于基岩波速)或速度倒转层(小于相邻波速)时,则不适宜采用地震折射波法;当覆盖层介质与基岩有明显的电性差异是,可选择电法勘探或电磁法;当布极条件或接地条件较差时,如在沙漠、戈壁、冻土等地区可选电磁法勘探。

  (2)覆盖层分层物探方法的选择。

  1)根据覆盖层介质的物性特征选择物探方法。当覆盖层介质呈层状或似层状分布、结构简单、有一定的厚度、各层介质存在明显的波速或波阻抗差异时一般可选择地震折射波法、地震反射波法、瑞雷波法等,其中瑞雷波法具有较好的分层效果;当覆盖层各层介质存在明显的电性差异时,可选择电测深法;当覆盖层各层介质较薄、存在较明显的电磁差异、且探测深度较浅时,可选择探地雷达法。

  2)根据覆盖层介质饱水程度选择物探方法。地下水位往往会构成良好的波速、波阻抗议和电性界面,当需要对覆盖层饱水介质与不饱水介质分层或探测地下水位时,一般可选择地震折射波法、地震反射波法和电测深法,但地震折射波法不对地下水位以下的覆盖层介质进行分层;瑞雷波法基本不受覆盖层介质饱水程度的影响,当把地下水位视察为覆盖层介质分层的影响因素时,可采用瑞雷波法。

  3)利用钻孔进行覆盖层分层。一般选择综合测井、地震波CT、速度检层等。

  4)探测覆盖层中软夹层和砂夹层时,在有条件的情况下可借助钻孔进行跨孔测试或速度检层测试;在无钻孔条件下,对分布范围较大、且有一定厚度的软夹层和砂夹层,可采用瑞雷波法。

  (3)覆盖层物性参数的测试。

  1)在地面进行覆盖层物性参数的测试。一般采用地震折射波法、反射法、瑞雷波法进行覆盖层各层介质的纵波速度和剪切波速度测试;采用电测深法进行覆盖层各层介质的电阻率测试。

  2)在地表、断面或人工坑槽处进行覆盖层物性参数的测试。一般可采用地震波法和电测深法对所出露地层进行纵波速度、剪切波速度、电阻率等参数的测试。

  3)在钻孔内进行覆盖层物性参数的测试。一般采用地球物理测井、速度检层等方法测定钻孔中覆盖层的密度、电阻率、波速等参数,确定各层厚度及深度,配合地面物探了解物性层与地质层的对应关系,提供地面物探定性及定量解释所需的有关资料。

  2、隐伏断层探测

  ·探测内容

  (1)断层位置、产状

  (2)破碎带宽度。

  (3)断层物性参数(电阻率、波速、密度、孔隙度)测试。

  ·探测方法选择

  探测陷伏构造的物探方法较多,应根据探测任务(内容)层的埋深、规模、覆盖层性质、断岩与围岩物性差异、地形条件、干扰因素等选择一种或两种地质效果比较确切的物探方法。以一种方法为主,另一种方法为辅。解决唯一地质问题一般不必同时并列使用几种方法。

  (1)隐伏构造(断层破碎带)位置、规模和延伸情况探测。

  可选用折射波法、反射波法、电剖面法、高密度电法、电测深、瞬变电磁法、大地电磁测深和孔间CT、瑞雷波法、放射性测量等。其中:

  1)当覆盖层厚度小于30m,尤其是探测火成岩和变质岩中的断层时,选用浅层折射波法,一般都可取得较好的地质效果。

  2)探测沉积岩层中具有明显垂直断距的断层时,且选用浅层反射法。

  3)当覆盖层厚度小于30m、沿测线地形比较平缓时,宜选择联合剖面法作普查、高密度电法作详查、电测深作辅助方法。

  4)当覆盖层厚度大于50m时,宜采用可控源音频大地电磁测深法。

  5)探测两钻孔间的断层位置、规模和延伸情况可采用孔间CT或电磁波CT。

  6)当断层破碎带具有较好的透气性和渗水性,有放射性气体沿断裂带上升到地面时,可采用放射性测量。

  (2)断层物性参数测试。

  当钻孔打穿了断层时,可选用地球物理测井方法测试断层的物性参数。

  1)测试断层的电阻率可采用电阻率测井。

  2)测试断层的波速可采用声速测井,此外折射波法变亦可依据界面速度提供较大断层的波速。

  3)测试断层的密度可采用γ-γ测井。

  4)测试断层的孔隙度可采用声速井和γ-γ测井。

  ·工作布置

  (1)测线方向宜垂直断层的走向,或者根据勘探的需要与地质勘探线一致。

  (2)在山区布置测线时,宜沿地形等高线或顺山坡布置;河谷区测线宜顺河流方向或垂直河流方向布置。测线应避开干扰源。

  (3)在断层走向不明的测区,试验阶段且布置十字形测线。

  3、岩溶探测

  ·探测内容

  1)地表喀斯特中溶沟、溶槽、溶蚀洼地的岩面起伏、形态和覆盖层厚度以及漏斗、落水洞等的发育位置、规模和形态。

  2)地下喀斯特的发育位置、规模、形态与延伸以及岩溶水的赋存情况。

  ·探测方法的选择

  根据喀斯特的各项物理特性,结合此类地区性的特殊地质条件可进行以下选择。

  1)当基岩裸露时,主要使用探地雷达,可选用瞬变电磁法、浅层反射波法探测中、浅部地下喀斯特。

  2)当覆盖层较薄时:

  ①地表喀斯特探测主要使用高密度电法,可选用瞬变电磁法、浅层折射波法。

  ②中、浅部地下喀斯特探测主要使用高密度电法、浅层反射波法,可选用电剖面法、探地雷达、瞬变电磁法。

  ③中、深部地下喀斯特探测主要使用音频大地电磁测深和可控源音频大地电磁测深。

  3)当地表覆盖层较厚时,主要使用音频大地电磁测深和可控源音频大地电磁测深法探测地下喀斯特及规模较大的地表喀斯特。

  4)探测隧洞及钻孔周围0~20m范围的喀斯特使用探地雷达,探测钻孔0~2m范围内的喀斯特使用声波法。

  5)详细探测喀斯特的位置、规模、延伸、充填情况CT探测。

  6)探测孔壁地层溶蚀情况、暗河或泉水在钻孔中的位置、喀斯特地下水位等使用综合测井。

  喀斯特与围绕岩之间存在着明显的物性差异,但其体态不具备层状特征,存在空间上的不均一性和水文地质条件的复杂性,尤其常常伴随复杂的地形地质条件,实际工作中应根据其发育特点,合理选择相适应能力的方法,当地球物理条件较理想时,可有针对性地选择效果较好的单一方法,当地球物理条件不理想时,尽可能使用多种方法进行综合探测,以取得较好的地质效果。

  受工作条件、探测精度及其他方法特点的限制,地面探测一般用于工程前期勘测阶段,以普查和了解喀斯特发育规律为主,为整体方案的可行性提供依据;孔内方法和探地雷达等精度较高、探测范围相对较小的方法则主要用于工程在建期间,有针对性性地查明重点部位喀斯特发育情况,为施工处理方案的制定提供依据。

  ·工作布置

  (1)测线、测点按先面后点、先疏后密、先地面后地下、先控制后一般的原则布置。

  (2)测线一般垂直于喀斯特发育带,如需追踪其延伸,可平平行布置垂直于延伸方向的多条测线,。

  (3)测线应与其他勘探线或有已知资料的地段重合,便于解释计算过程中获取参数,减少误差。当使用综合方法进行探测时,各种方法的测线应重合,以获得综合分析解释推断。

  (4)测线间距主要根据任务要求和溶洞大小与埋深等因素决定。

  (5)当发现或预计有可能存在危害工程的洞隙时,应加密测点。

  4、地下水勘察中的应用

  1)确定覆盖层厚度及基岩起伏形态,确定含水层(砂卵石)的分布、厚度、埋深,选用高密度电法、电测深法、电磁法。

  2)探测地层富水性能,用激发极化法。

  3)古河道、山前洪积扇地下水的调查,选用高密度电法、电阻率测深、电阻率剖面、瞬变电磁法与可控源音频大地电磁测深法。

  4)在砂泥岩地层分布中探测砂岩孔隙、裂隙水,选用电阻率法和激发极化法。

  5)探测基岩构造裂隙水,寻找构造位置,选用电磁法、电法、放射性法、地震法。

  6)探测基岩风化壳厚度及富水性,选用高密度电法、电测深法与激发极化法。

  7)岩溶地下水的探测,选用电阻率测深法、激发极化法、电磁法、探测断裂构造,可选择电法、地震及放射性综合物探方法。

  ·工作布置原则

  1)在平原区和河谷地区,剖面方向应垂直于河流方向布置

  2)山前洪积扇地区,剖面方向应垂直于地下水径流方向布置

  3)探测储水构造剖面应垂直于构造走向布置,剖面长度应大于构造宽度

  4)一般应有3条平行剖面来探查古河道、构造的走向及含水层的分布特征。

  5)点距一般为10—20m,岩溶5—10m

  5、工程测试应用

  ·岩土体物理力学参数测试

  测试参数:纵波速度VP、横波速度VS、瑞雷波速度VR

  测试方法:波速测试:单孔法、跨孔法、面波法

  声波测井:单孔法、跨孔法

  相关参数:

  土层等效波速

  场地卓越周期:

  动泊松比μd

  动剪切模量

  动弹模量VSe

  风化速度比Kw=VP/VPr

  完整系数

  应用

  场地土类型和场地类别划分

  场地土类型划分

  场地土类型

  坚硬场地土

  中硬场地土

  中软场地土

  软弱场地土

土层剪切波速

  VS>500

  500≥VSe>250

250≥VSe>140

VSe≤140

  场地类别划分

  场地土类型

覆盖层厚度d0v

0

0<d0v≤3

3<d0v≤9

9<d0v≤80

d0v>80

坚硬场地土

中硬场地土

中软场地土

软弱场地土

  场地卓越周期

场地类别

土的名称

卓越周期

稳定岩石

0.1~0.2

Ⅱ、Ⅲ

一般土层

0.15~0.4

松软土层

0.3~0.7

  洞室围岩类别

  围岩类别

  Ⅰ

  Ⅱ

  Ⅲ

  Ⅳ

  Ⅴ

  Ⅵ

纵波速度(km/s)

  >4.50

  3.5~4.5

  2.5~4.0

  1.5~3.0

  1.0~2.0

  <1.0

  岩石的风化程度

  风化带

  未风化

  微风化

  中风化

  强风化

  全分化

波速比Kw

  0.9~1.0

  0.8~0.9

  0.6~0.8

  0.4~0.6

  0.2~0.4

  岩石完整性

  完整程度

  完整

  较完整

  较破碎

  破碎

  极破碎

完整性指数Kv

  >0.75

  0.75~0.55

  0.55~0.35

  0.35~0.15

<0.15

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