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1、地震映像法,第一节 地震映像方法及其原理 第二节 地震映像的野外工作方法,第一节 地震映像方法及其原理,地震映像（又称高密度地震勘探和地震多波勘探），是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的一种常用浅地层勘探方法。这种方法可以利用多种波作为有效波来进行探测，也可以根据探测目的要求仅采用一种特定的波作为有效波。除常见的折射波、反射波、绕射波外，还可以利用有一定规律的面波、横波和转换波。在这种方法中，每一测点的波形记录都采用相同的偏移距激发和接收。在该偏移距处接收到的有效波具有较好的信噪比和分辨率，能够反映出地质体沿垂直方向和水平方向的变化。,地震映像可以用波形图或彩色振幅图显示结果，同时进行运
2、动学和动力学方面的解释分析，数据处理可以在空间、时间和频率域中进行，图示直观。目前一些地震仪器已采用了特殊的数据采集技术，可以方便、快速地获得地震映像记录。,一、地震映像方法的特点,地震映像法数据采集速度较快，但抗干扰能力弱，勘探深度有限。 ）地震映像法在资料解释中可以利用多种波的信息，即有效波不但是反射波，还可以是折射波、面波、绕射波。或同时有2种或3种波能够反映地下地质条件的变化。 在探测目的较单一、只需研究横向地质情况变化的情况下，地震映像法效果较好，而探测目的层较多时，不易确定最佳偏移距。 由于每个记录道都采用了相同的偏移距，地震记录上的时间变化主要为地下地质异常体的反映，这给资料解释
3、带来极大的方便，可直接对资料进行数字解释，如数字滤波、时频分析、相关分析等。,二、各种波在地震映像波形图上的反映,1、折射波,如果界面水平，不同激发点的折射波的传播路径长度相同，传播时间也相同。在地震映像波形图上，折射波的同相轴为水平直线。而当界面起伏时，同相轴的到达时间会发生增加或减小，据此探测折射界面的深度变化与形态。 在实际工作中，如选择折射波为有效波，则地震映像波形图上的第一个同相轴为折射波。折射波同相轴的变化，反映了折射界面深度和界面以上介质速度的变化。界面水平时，折射波到达时间反映激发点下界面深度，也是界面上各点的深度。而界面起伏时，折射波到达时间只能表示滑行波传播路径内界面的平均
4、深度。一般情况下，可根据折射波同相轴的变化情况定性推断界面的起伏情况，只有已知界面倾角、界面速度和上覆介质速度的情况下，才能作出准确的界面深度定量解释。采用折射波为有效波适用于快速探测基岩面较浅、覆盖层速度稳定的情况,二、各种波在地震映像波形图上的反映,2、反射波,当界面水平时，每次激发的反射波传播时间不变，反射点的位置正好在记录点上，当界面深度发生变化时，反射波的传播时间会发生变化，如在断层两侧表现为突变；如果是倾斜界面，反射点的位置会偏离记录点向界面的上倾方向移动。同样可以根据反射波同相轴的变化情况定性推断界面的起伏情况。,二、各种波在地震映像波形图上的反映,3、面波,二、各种波在地震映像
5、波形图上的反映,4、绕射波,在炮检距相同的条件下，随着激发点O到D 点距离的改变，绕射波的传播路径发生变化，绕射波传播时间会逐渐增大，在地震映像记录上出现双曲线型同相轴。这也成为异常体、断层、岩性分界面的特有标志。,第二节 地震映像的野外工作方法,地震映像方法的野外工作方法在震源选择、测线设计等方面与其他地震方法相同。特别需要指出的是： (1)测量方法。在测量过程中，每次激发，在接收点采用单个检波器接收。仪器记录后，激发点和接收点同时向前移动一定的距离（或称为点距），重复上述过程可获得测线上的一条或多条地震映像时间剖面。 (2)记录点的位置。这种装置的记录点位于激发和接收距离的中点，反映中点两
6、侧射线传播范围内地下的岩层、岩性的变化。 (3)最佳偏移距。在地震映像数据采集中，最佳偏移距已不仅局限于纵波反射，而是扩展为对全波列而言。为了获得具有高信噪比和分辨率的地震映像记录，需要做试验剖面，进行干扰波调查，分析各种波的传播规律，确定能够最好地反映探测目标的有效波，以及该有效波在时间域和空间域的最佳时空段。在最佳偏移距处有效波在空间距离和时间上与其他干扰波分离，信号清晰。,第三节 地震映像方法的应用,兰州某机场地基为致密黄土，场地下有人工开采的砂洞、砂巷，这是机场扩建中重要的地质隐患。土洞的边缘处介质密度是突然变化的，存在较大的波阻抗差异。在固定的偏移距上会接收到来自震源的直达波、面波和
7、来自土洞角点处的绕射波，洞顶和洞底的反射波。,一、人工洞穴的探测,有空洞存在时，地震记录上最明显的特征就是被洞边缘影响而改变传播路径的面波和绕射波。在机场基础勘查中，探测到大量的土洞。图 为其中一条测线的地震映像振幅灰度图，由图可看到明显的空洞异常。经验证土洞高3米，宽7米，长8米。,岩石中的岩溶通道或地下水的运移空间有时是破碎带，有时是较完整的石灰岩中的岩洞，在有溶洞存在的地质断面上探测时，所接收到的地震映像波形如图所示。其中当激发接收点距离岩洞较远时，仅接收到直达波，而靠近岩洞时则可能接收到反射波和绕射波，以及在洞中产生的多次反射波。 根据地质特征的分析，用地震映像法探测溶洞，可得到明显的
8、异常，但各种技术参数的选择会影响探测效果。,二、岩石中溶洞的探测,岩溶塌陷是岩溶地区地下水作用形成的。隐伏的岩溶塌陷（或土洞）或已经塌落的岩溶塌陷处土质松散，在岩溶天窗处特别明显，寻找隐伏的岩溶天窗是在岩溶地区房屋建筑基础和路基探测中较为重要的任务。在地震映像波形图上，岩溶天窗处的波形有特殊的特征：折射波或反射波能量减小，波形不容易识别。面波能量突然增加，振幅增大，波形变宽。在岩溶天窗处还可能出现岩溶天窗边缘产生的绕射波。,三、岩溶塌陷的探测,图为桂林市中心广场岩溶塌陷上的地震映像波形，面波同相轴较形象地反映了塌陷的位置。测量工作在开挖后深的基坑中进行，此时表层为砂卵石层，基岩为易溶灰岩。,岩
9、溶塌陷的地震映像异常主要特征为：塌陷处各种波速度降低，面波振幅突然增大，形成明显下凹的同相轴。,1、利用反射波探测基岩起伏 图为广西某大楼的地震映像波形图。总体看来，左侧基岩面浅，右侧深，在局部面波同相轴起伏较大。右侧为基岩凹陷。反射波（第二个波至）准确地反映出基岩深度的变化。在测线左侧边缘，基岩深度为10米，基岩凹陷处深度（面波同相轴下凹中心）约为16米。,四、基岩面起伏的探测,2、利用折射波法探测基岩起伏 图7-9 为云南废弃物堆积场选址工作地震试验剖面（道间距为1米，场地覆盖层为第四系冲积层，基岩为砂岩。基岩深度为310米，工作任务为寻找基岩破碎带。从试验剖面可知，折射波的临界距离约为2
10、8米，初至区内折射波为第一个波至，清晰并易于辨认。因此选取偏移距32米进行地震映像法测量。当基岩无破碎时，折射波波形相似，同相轴连续性好。图7-10为测区的一段地震映像波形，折射波的波至时间反映出基岩面稍有起伏，但无破碎带存在。,高层建筑地下室的地梁、桩承台等许多钢筋混凝土构件，在施工过程中如振动不足或其他原因，则会在构件中形成空洞或蜂窝，或在构件结合部位造成离析，使混凝土构件强度下降。 用地震映像方法进行混凝土构件质量检测的基本原理是：混凝土构件内部如有蜂窝或空洞存在，则介质的密度及弹性波的传播速度也随之变化，形成不均匀异常体，在异常处地震波的传播时间及地震波的波形会发生变化，据此推断混凝土
11、内部的不均匀体的空间位置。,五、大型混凝土构件的质量检测,图7-11为在混凝土预制板间裂缝上的试验剖面，偏移距0.6m，点距0.1m，在地震映像波形图上对应裂缝位置的6-10 记录道上直达波明显延迟。 地梁中有不均匀体存在的情况如图7-12所示，从图中可以看到不均匀体处波至时间、波形宽度和振幅的明显变化。,地震映像方法可用于水上探测。由于水为均匀介质，且不传播横波，水上地震映像往往可以取得较好的效果，可以快速、准确地探测水深及水底岩层的地质情况。水上地震映像需要采用特定的机械震源，约每秒激发一次，用悬挂在水面的压力检波器接收。 图7-13为福建平潭海峡大桥选址探测中一条测线的地震映像波形，从图
12、上不仅可以看到海底起伏，还可以看出海底的岩性变化。,六、水上探测,断层或岩性接触带存在时，在断层的棱角点或岩性突变点产生绕射波，由于在地震映像波形图上的反射波同相轴基本为直线，绕射波产生的双曲线型同相轴，在波形记录上非常明显，尤其是浅部的局部地质体，如防空洞、隐伏的旧房屋基础以及前面讨论的人工土洞的边缘，混凝土管道等等。,七、断层的探测,图7-14为南宁某工地断层上的地震映像记录。在图上可以看到双曲线型同相轴，双曲线的顶点为断层在剖面上的端点位置。在断层两侧，地震波的波形特征有明显的差异，左侧的波组较多，为地层中多个泥岩薄层和煤层的反映，右侧为较厚的砂岩地层的反映。图714的工作参数为偏移距1
13、6米，点距0.5m,采样间隔0.2ms。,图7-14 断层附近的地震映像彩色振幅记录,综上所述，在地震映像方法中有多种有效波可供使用，所以又称为多波列地震勘探。折射波探测深度较小，且需要下伏高速层的条件；反射波勘探可以达到较大的深度，适应大多数勘探目的的要求；面波群在介质的波阻抗变化时会发生波的分解、合并以及波形的变化，有利于探测浅部覆盖层中的横向介质变化。在地震映像剖面中绕射波有不同于其他波的双曲线特征，对局部地质体反应灵敏。 地震映像方法的关键是根据干扰波调查剖面确定最佳偏移距，必要时在一个工地上，需要在具有不同地质条件的地方做多个试验剖面。,第四节 地震映像资料的时频分析方法,时间域和频
14、率域信息结合的分析方法称为时频分析。 地震映像方法由于激发和接收的条件保持不变，如果地质条件不变，折射波、反射波和面波等的同相轴在地震时间记录剖面上均为直线，时间剖面波形直观，易于对比分析。但只利用了地震信号中的时间域信息，地震记录中还包含了各种地震波的频谱信息。如果能够同时利用时间域和频率域的信息，可以获得更多分析解释参数，使地震映像这种常用的浅层地震方法获得更好的地质效果。,地震映像资料的时频域解释分析方法能综合考虑时间分辨率和频率分辨率，改善了时间域和频率域分析方法的缺点和不足。时频域中的主频等值线图，浅显直观、异常区域的划分清晰，短时傅里叶变换处理简单易行。在实际工程资料处理中，可以结
15、合正演模拟计算，使时频分析的结果更为准确。,地震波的频谱中包含着关于地层、岩性或构造方面的信息，地质条件的改变同样对地震波的频谱产生影响。地震映像法采用相同的偏移距采集数据，如果岩性、介质密度、构造等地质条件不变，地震波的频谱特征不会改变，反之，频谱特征的变化，必然是有某种地质因素发生了改变。地震波在传播过程中，其频谱成分的变化与地震波的吸收衰减、介质的性质及地层结构等因素有关。,一、地震映像数据频率域解释的基本原理,时频分析方法将地震波的频谱与地震波的到达时间联系在一起，分析不同性质的地震波频率沿水平方向或垂直方向的变化规律。 时频分析是以一定的时窗和步长进行傅里叶变换，所以每一个时窗的时频
16、分析只是该时窗内的小段地层的总体反映，此时的傅里叶变换振幅谱的极值频率可近似看作该小段地层的主频率值，连同幅值大小共同反映这一小段地层的结构信息。若对一个地震道进行连续分析可以得到这一道记录中的各种波的主频信息，并得到对应的地层从浅到深的结构、构造、厚度变化规律；而把多个测点的地震映像资料的时频分析结果横向连接起来，对同一窗口（时、深相同）资料的分析则可以进行横向的资料解释。,二、时频分析方法和图示,时窗的长度，根据地震波的主频确定，一般大于地震波的一个周期。在时窗宽度的选择上，可以采用固定长度的时窗或变长度时窗。 对时间域的地震记录加上一个窗函数，提取一定长度的波形图进行短时傅里叶变换，并提
17、取主频，按一定的时间步长计算各时窗中心时间的主频。根据不同测点的计算结果，以地震道为横坐标，以时窗中心时间为纵坐标，绘制出时频域（时间主频）主频等值线图。图上可以直观的表现出异常频谱沿测线方向和沿时间（深度）的分布范围，而根据异常体的时间特征和频率特征推断出异常体的位置，并判断异常体的性质。,1、利用有效波频谱划分和薄层分布范围 薄层是指地层厚度小于地震波波长的岩层。在地震波的传播过程中，由于薄层的滤波作用，地震波的主频变高；在厚度大的岩层中，地震波由于吸收的作用自然衰减，地震波的主频会逐渐降低。利用这个特点，可以根据地震波频率的变化判断地下的岩性、推测地层结构并划分薄层分布范围。,三、地震映
18、像资料时频分析方法的应用,图7-15a是某地基勘察获得的地震映像记录，地下的地层依次为第四系人工填土、坡积粉质黏土、冲积圆砾、第三系砂岩、粉砂质泥岩、煤互层。各岩层厚度约35米，各岩层相变明显，层面基本呈水平分布。在地震映像记录的2060ms的范围内，为各岩层的反射波。时频分析的时窗中心时间从16ms开始，时窗的宽度为16ms，步长8ms. 分析结果如图7-15b所示，图中等值线表示了各时窗的主频分布情况。从图上可以看到各波组的主频基本在80Hz以上。对分析的频谱数据进行的统计表明，在16-64ms时间段内的各反射波主频平均值为101Hz,最小39Hz,最大166Hz，标准差为24Hz.,图7
19、-15 薄层上的波形记录及频谱 a-波形；b-频谱,在同一测区断层另一侧厚层砂岩地层上的地震记录如图7-16a 所示，在这个记录中砂岩层中的也有夹层存在，但层数明显较少。图7-16b是频谱分析结果。时窗的中心时间从22ms开始，时窗的宽度为22ms，步长11ms。从图上可以看到各波组的主频基本在50Hz以上。对分析的频谱数据进行的统计表明，在22-99ms 时间段内的各反射波主频平均值为67Hz，最小19Hz，最大151Hz，标准差为23Hz.,图7-16 厚层上的波形记录及频谱 a-波形；b-频谱,对比图7-15b和图7-16b的频谱分析结果，可知两种不同岩性的地层和地层结构的地震波频谱有显
20、著的区别。薄层泥岩夹煤层的反射波与厚层砂岩层反射波频谱有显著差异，薄层泥岩的反射波主频明显偏高约为75125Hz，厚层砂岩的主频约为44-90Hz。利用这一信息在地表覆盖层相同的情况下判断薄层泥岩夹煤层的分布范围。,2、利用地震波频谱特征判断介质密度的变化 隐伏岩溶塌陷处，由于地下水的作用土层逐渐疏松，严重时形成土洞。利用地震共偏移距法可以根据折射波、面波同相轴的变化圈定可能生成岩溶塌陷的位置。但是无法根据地震时间剖面的波形异常判断土层的疏松程度及是否已经形成了土洞。土洞形成受地下水位变化、岩溶通道的大小、土层的性质等因素的影响，在同一测区、地质条件相同的范围内，土洞的形成 也不可能是同步的。
21、土洞在形成的过程中，由于地下水的作用松散程度逐渐增加，介质密度逐渐减小。在数米范围内泊松比增大，松散土层的吸收作用增强，因此形成土洞后，土层泊松比和吸收系数大于正常的及刚开始疏松的土层。在相同的接收距离内，高频成分损失大于正常情况，地震波的主频降低。,图7-17a是岩溶塌陷调查的地震映像时间剖面，图7-17b 是时频分析等值线，其中测线的5m、12m、20m处主频低于35Hz，经验证为这些地方存在直径为1m以上的土洞。,图7-17 岩溶塌陷调查的地震映像时间剖面(a)和主频等值线图(b),根据岩溶塌陷调查的实例可知，地震映像法可以较好地反映浅部地下介质沿剖面方向的地质情况变化，时间域和频率域资
22、料的结合解释，可以得到更多的信息。在此例中，低频异常反映的地质信息为:(1)在断裂破碎带、岩溶通道处会出现低频异常；(2)由岩溶作用形成和即将形成的土洞处也会出现低频异常。(3)同时存在折射波和面波主频异常，且主频低至35Hz，近期可能产生岩溶塌陷。,3、利用地震波频谱特征划分混凝土构件的缺陷 地震映像法可以检测混凝土构件的质量，但缺陷的几何尺度较小，对地震波的传播时间影响很小，不能准确的判断缺陷是否存在。尤其是在混凝土构件表面不平或构件形状不规则时，在时间域波形图上会出现绕射波、侧面反射波等，干扰缺陷的判断。构件的缺陷（如空洞、蜂窝等）一般为混凝土局部波速降低、密度突变，导致地震波高频损失。
23、利用时频分析对缺陷处和完整构件频谱特征的对比，可以为确定缺陷是否存在提供依据。,图7-18a是在存在质量问题的混凝土梁上的检测到的地震波时间剖面，混凝土梁在保养期间模板没有完全固定，出现了质量问题。检测的混凝土梁长3.85m、宽0.3m、高1.1m 。检测工作在3.85m*1.1m的平面上进行，检测方法为小手锤做震源，100Hz检波器接收，偏移距0.6m，点距0.1m，采样间隔50微秒，同时在质量合格的构件上进行了对比检验。质量合格的混凝土构件检测的时间剖面整齐，时频分析的主频为640Hz以上。而在存在质量问题的检测时间剖面上，直达波的波至时间和振幅都出现明显的滞后和衰减，反射波波形出现明显的
24、异常。,图7-18b是时频分析结果，从图上可以清楚看到低频异常出现的空间和时间范围。500Hz以下的低频异常分布在测点10、15、17-20、23、26-30 的不同时间段上，局部测点的地震波主频甚至降低至100Hz，这说明混凝土已经严重松散。经检查这些部位的混凝土出现严重的疏松情况，需要返工重建。,从图7-18a和图7-18b可以看出，在时间域信号中，波形杂乱，仅能判断混凝土梁不均匀，但时间差异并不明显。在频率域上可以看到明显的与空间和时间有关的低频异常区，频率降低的程度说明了混凝土梁的质量的变化。与时间域推断的结果相比较，异常区域不仅直观，而且分辨率明显提高，从时频分析图上可以得到更多的与混凝土质量有关的信息。,当构件表面凸凹不平时，时间域数据的直达波到达时间参差不齐，无法利用直达波在时间域进行分析。而应用时频分析方法，完全可以消除这种因凸凹不平的表面而造成的影响。图7-19a为直达波波至时间差异较大的时间域记录，其时频分析的结果如图7-19b所示，从图上可以看出，混凝土构件表面不平整，无法根据直达波波至时间判断混凝土质量，而时频分析的结果表明，构件质量合格。,图7-19 表面不平整构件上的波形(a) 和频谱(b),