综合项目工程地球物理勘探.doc

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1、工程地球物理勘探工程地球物理勘探（engineering geophysical exploration）解决土木工程勘察中工程地质、水文地质问题一种物理勘探办法，简称工程物探。它是以研究地下物理场（如重力场、电场等）为基本。不同地质体在物理性质上差别，直接影响地下物理场分布规律。通过观测、分析和研究这些物理场，并结合关于地质资料，可判断与工程勘察关于地质构造问题。简史早在17世纪人们便尝试用罗盘寻找磁铁矿，20世纪初，各种物探办法才广泛地用于找矿勘探与工程勘察。60年代以来，由于物理学、数学、特别是电子技术、计算机技术发展，大大增进了各种物探办法以及仪器设备发展与改革。例如，50年代工程物探

2、惯用光点地震仪已被信号增强型地震仪以及轻便数字磁带地震仪所代替。地球物理场观测空间已从地面发展到地下（如地下物探）、水域（如海洋物探）、低空（如航空物探）以至空间遥感技术等。 长处工程物探具备“透视性”、效率高、成本低以及可以在现场进行原位岩土物理力学性质测试等长处，在工程勘察中日益得到注重和发展。但是各种物探办法都具备条件性和局限性，多数办法还存在多解性，因而对的选取和运用各种物探办法，进行综合物探，并与既有地质、钻探资料作对比，才干获得好地质效果。 电法勘探通过对人工或天然电场（或电磁场）研究，获得岩石不同电学特性资料，以判断关于水文地质及工程地质问题。当前，最惯用是直流电法勘探，重要研究

3、岩石电阻率和电化学活动性，可分为电阻率法、自然电场法和激发极化法等。 电阻率法自然界中各种岩石导电性能不同。普通状况下，岩浆岩、变质岩和沉积岩中致密灰岩电阻率都很高，超过10欧姆米，只有当它受风化,构造破碎时，由于含泥量增多，水分增长时，其电阻率值才降到102)欧姆米级或更小。含泥质沉积物或含高矿化度地下水砂砾石层,其电阻率较低(10102)欧姆米级)。电阻率法惯用于探测风化壳厚度，覆盖层下新鲜基岩面起伏、盆地构造形态、储水构造，追索古河道，圈定岩溶发育带，拟定断层位置等。电阻率法工作原理如图1所示,通过A、B两个电极向地下供入电流(IAB),并通过M、N两个电极测量供电所形成电位差(UMN)

4、。代入KUMN/IAB式,便可计算出电阻率。式中K为装置系数，由各电极间互相距离拟定。普通地下并非单一均匀地层,由上式计算电阻率并不代表某一地层真电阻率，故称为视电阻率s。电极排列方式（装置）不同,其探测效果亦异。例如,固定装置，沿剖面测线逐点测量视电阻率值，可获得沿剖面线视电阻率曲线，它反映岩性沿剖面线变化状况，称为电剖面法（图2）。若固定测点，不断扩大供电电极A、B距离，使电流在地下分布空间不断扩大，相应勘探深度则越来越深。其相应于不断增长电极距(AB/2)视电阻率曲线（电测深曲线），反映了电阻率随深度变化状况，即为电测深法。用量板或计算机程序对曲线作解释，可划分出不同深度、具备不同电阻率

5、地层。 自然电场法本地下水在孔隙地层中流动时，毛细孔壁产生选取性吸附负离子作用，使正离子相对向水流下游移动，形成过滤电位。因而作面积性自然电位测量，可判断潜水流向。在水库漏水地段可浮现自然电位负异常，而在隐伏上升泉处则可获得自然电位正异常。 充电法在井孔含水层段注入盐水，并对其充电形成随处下水流动而运移带电盐水体。在地表观测到等电位线形状与带电盐水体分布形态关于。依照不同步间观测等电位线可以判断地下水流向并估算其实际流速。充电法还可以用作岩溶区地下暗河连通性实验或探查地下埋设金属管道等。 激发极化法实验室研究表白，含水砂层在充电后来，断电瞬间可以观测到由于充电所激发二次电位，该二次电位衰减速度

6、随含水量增长而变缓。在实践中运用这种办法圈定地下水富集带和拟定井位已有不少成功实例。但它在理论和观测技术方面尚有待改进。 地震勘探通过研究人工激发弹性波在地壳内传播规律来勘探地质构造办法。由锤击或爆炸引起弹性波，从激发点向外传播，遇到不同弹性介质分界面，将产生反射和折射，运用检波器将反射波和折射波到达地面所引起薄弱振动变成电信号，送入地震仪经滤波、放大后,记录在像纸或磁带中（图3）。经整顿、分析、解释就能推算出不同地层分界面埋藏深度、产状、构造等。惯用于探测覆盖层或风化壳厚度，拟定断层破碎带，在现场研究岩土动力学特性等。可分为折射波法和反射波法两种。 折射波法本地震波遇到上下速度v1、v2)不

7、同界面时，有一某些波将透过界面形成透射波,其透射角与入射角关系符合斯涅耳定律sin/sinv1/v2)。对于sinv1/v2)入射波可产生透射角90透射波，并以v速度沿界面滑行。这种滑行波又引起第一种介质中质点振动而产生可传到地面折射波(也称首波)。图4是折射波传播示意图，在B点此前不形成折射波，称为盲区。因v不不大于v1在C点以外，折射波可比直达波先到达检波器。依照折射波时距曲线，可算出v1及v,从而推算出界面深度、产状等。v变化反映了界面如下岩性变化，配合地震波振幅衰减资料，可拟定界面如下岩层软弱带或断层破碎带。但是折射波法在盲区得不到记录，因而需要加大检波距。当下层速度v2)不大于上层速

8、度v1时，不也许形成折射波。 反射波法反射波形成条件是界面两侧波阻抗(地层速度与密度乘积)有差别，差别越大反射波越强。图5是反射波传播示意图。由S点激发地震波遇到 RR界面时将产生反射波。依照反射波从激发点到检波器传播时间，以及地层速度，便可计算从激发点S到反射界面RR垂直距离以及界面倾向和倾角。当前由于采用信号叠加技术以及轻便可控振动器做振源，已经可以获得深度约50米，甚至更浅浅层反射记录。 以上所涉及激发方式重要产生纵波(压缩波)。在测定岩石动弹性模量时，惯用垂直于测线方向水平激发方式产生横波（剪切波）。水是不传递横波，故在水文地质、工程地质勘察中发展横波技术是有前景。 钻孔地震波测速法在

9、钻孔中运用直达波测定地层波速办法。有单孔法和跨孔法两种。单孔测速法是在孔口附近激振，在钻孔内不同深度上安顿探头测定直达波初至时间。探头是由两个互为正交水平检波器和一种垂直检波器构成。运用气压附壁装置，可使探头紧贴井壁。测定纵波速度(vp)时，须作垂直激振。测定横波速度(vs)时，须作水平激振，普通是在压有重物厚木板两端作水平振击以激发横波。依照直达波穿过某地层所需时间及该地层厚度可算出地层速度。跨孔法（图6）是在一种钻孔中激振，在相隔一定距离另一种钻孔中观测直达波到达时间。对于浅孔，可用木杆插入井底，在地面敲击木杆一端进行激振。在较深钻孔中可用“附壁式井下锤”激发横波。已知激振点到检波器距离以

10、及直达波行进时间便可算出地层波速。 声波探测运用声波（或超声波）对岩体进行探测办法。由于频率高、波长短，因而辨别率高。重要用于测定岩体物理力学参数、拟定洞室岩石应力松弛范畴、探测溶穴及检查水泥灌浆效果等。但是，由于岩石对高频波吸取、衰减和散射比较严重，因而探测距离不大。声波探测可分为积极和被动两种方式。 积极方式由声源信号发生器（发射机）向压电材料制成换能器发射一电脉冲勉励晶片振动，产生声波向岩石发射。声波在岩体中传播，经接受换能器接受并转换成电信号送至接受机，放大之后在示波管屏幕上显示波形图。从波形图上可直接读出声波初至时间，再依照已知探测距离，计算出声波速度。 被动方式观测岩体由于受力变形

11、过程中所释放出来应变能引起声波。可用以理解岩体内部应力状态等。 地球物理测井地球物理办法在钻井中应用。工程物探中惯用有视电阻率测井、自然电位测井、天然放射性测井、声波测井等。综合分析几条测井曲线可划分钻孔地层岩性剖面。用中子伽玛测井或声波测井办法可以测定地层孔隙度。自然电位测井办法还可以在泥浆钻孔中分层测定地下水矿化度。运用井液电阻率测井或井中流速仪可以研究钻井中地下水运动。井中照相和井中光学电视可以获得钻井剖面实际图像，而超声电视测井则可以在泥浆中获得清晰孔壁图像，可区别岩性、查明裂隙、溶穴、套管裂缝等，甚至可以拟定岩层产状。不同测井办法井下探测器各有其特点。但是所测量参数均将转换成电讯号，

12、通过电缆传播到地面测井仪中并记录在像纸、纸带或磁带上。 井中无线电波透视法无线电波是指频率在几十万赫至几十兆赫电磁波。当它在地下介质中传播遇到低阻地质体时常被强烈吸取而大大衰减。在岩溶地区，用它探测溶洞效果甚好。工作时，将发射机和接受机分别置于相隔一定距离两个钻孔内，若两孔之间都是均质高阻灰岩时，沿井轴各点接受到无线电波信号较强，如果在透视剖面上有低阻充水溶洞等存在时，则在低阻体背面形成一种无线电波信号被强烈衰减阴影。运用“交会法”即可圈定被测异常体位置和轮廓。 磁法勘探依照岩石磁性差别所形成局部磁性异常来判断地质构造办法。在工程勘察中，重要用于圈定岩浆岩体，特别是磁性较强基性岩浆岩体，寻找有

13、岩浆岩活动断裂接触带，追索第四纪沉积物覆盖下岩性界线等。大面积航空磁测资料可提供关于区域性断裂构造、结晶基底起伏等，为评价区域稳定性及寻找有利储水构造提供根据。 重力勘探依照岩体密度差别所形成局部重力异常来判断地质构造办法。惯用以探测盆地基底起伏和断层构造等。采用高精度重力探测仪有也许探测某些埋深不大并且具备一定体积地下空洞。 放射性勘探不同岩石所含放射性元素含量不同。因而通过探测由放射性元素在蜕变过程中产生 射线强度，可以区别岩性。近年来运用天然放射性测量探测基岩裂隙地下水（如用测量强度、能谱、径迹法等找水）获得成功。此外，放射性同位素惯用作研究地下水及其溶质运动示踪剂。 遥感技术依照电磁波

14、辐射(发射、吸取、反射)理论，应用各种光学、电子学探测器对远距离目的进行探测和辨认综合技术。航空照相地质是最早一种遥感地质办法，至今依然是遥感地质中一种重要构成某些。60年代以来，在运载工具、传感器及图像解决、解释办法上均有了迅速发展。除可见光波段照相黑白像片和彩色像片外，还发展了红外线，多波段、雷达、激光等技术。运用地物反射人工发射电磁波进行遥感称为积极遥感；运用地物反射太阳辐射或由地物自身发射电磁波进行遥感称为被动遥感。遥感技术可以提供关于地貌、岩性、地层、褶皱、断层、构造、岩浆岩以及隐伏构造和深部构造资料。红外遥感技术在水文地质勘察中具备特别重要意义。遥感技术不但能克服地面点、线调查局限

15、性及视野阻隔，使人们能从整体上宏观地进行地质研究，并且还能提供各种电磁波地质信息，其中微波能穿透植被和第四纪地层，提供一定深度范畴地质信息。此外，还可以对一种地区重复成像，以获得最新精准地质动态资料。 详细资料engineering geophysical exploration 应用地球物理学原理进行工程地质、水文地质调查勘探和测试办法。它是地球物理勘探一种分支，简称工程物探。各种岩石或地质体在密度、弹性、放射性、磁性等物理性质上存在着差别。人们用不同办法和不同仪器，测量其天然或人工地球物理场，并分析研究由于这些物理性质差别而引起物理场变异，再经推断解释，以理解地下地质状况；或运用仪器直接测

16、定岩体物理特性，提供工程设计需要参数。水利工程地质勘察中广泛而对的地运用工程物探，可加快勘测速度，减少成本，还可得到岩体原位物性参数，对工程地质条件定量评价起到增进作用。中华人民共和国水利工程地质勘察中应用工程物探始于20世纪50年代初。当前惯用办法重要有地震勘探、电法勘探、弹性波测试和测井，此外尚有放射性勘探、微重力勘探、磁法勘探等。 地震勘探 由人工激发地震波，在往地下传播时遇到密度、弹性不同两种介质分界面就要发生波反射、透射和折射。其中反射波直接返回地面,透射波即透过界面进入下部地层(图1)。唯有入射角1(射向界面时与界面法线夹角)等于临界角i(其值由上、下地层地震波传播速度1与2之比决

17、定)那某些地震波,在到达分界面后将沿入射角平面产生折射，以界面速度(即下部地层波速2)在界面上向前滑行,并在所到之处随后形成一种新波,此新波以与界面法线呈临界角i射向地面,称其为折射波(图2)。反射波和折射波返回地面被预置检波器接受，并由地震勘探仪记录从震源出发到达检波点传播时间和振动特性。震源周边有接受不到折射波区域称为盲区,图2中用盲区半径来表达它范畴。传播时间是由这些波行程和沿途介质地震波速度决定。在震源与检波点间距离选定后，波行程就取决于界面深度，故可借此进行地质勘探。运用反射波称为反射波法，运用折射波称为折射波法。 由于工程勘察勘探深度较浅，折射波法比反射波法干扰少，容易辨认，且能测

18、定界面速度，从而理解下层岩性和探查断层等，因而应用比较普遍。但折射波法规定震源强度大，又有盲区和下层波速必要高于上层限制。为了避免这些缺陷，近年来工程勘察部门对浅层反射波法也在加强研究和实验。地震勘探在水利工程勘察中重要用来测定地质界面深度和形态，如覆盖层、风化层、滑坡体厚度和地下水位，以及探查断层、破碎带等(见彩图)。反射波法还可探查岩溶洞穴。 电法勘探 办法种类繁多，水利工程勘察中惯用有下列各种。 电阻率法是运用地质体导电性差别，建立人工电场并进行观测，求得某个测点下面不同深度或剖面上不同测点视电阻率后，再进行推断和地质解释。前者称为电测深法，后者称为电剖面法。电测深法用以探测比较平缓岩层

19、和成层地质体垂向分布，如测定覆盖层、风化层厚度等。电剖面法则可探查水平向地质状况变化，如寻找断层破碎带、进行地质填图等。 充电法是对良导电体充电，在地面观测电场形态，用来测定地下水流向流速及追索岩溶暗河等。 自然电场法是测量地层过滤吸附作用导致渗入电场,用来进行地下水流向测定等水文地质调查工作,还可用于探查水库渗漏地段和岩溶。 激发极化法是运用离子导体激发极化效应，测定岩体视极化率等参数，可进行岩溶调查、寻找断层破碎带、测定含水层位置等关于地下水资源和水库渗漏方面探查工作。 甚低频法、无线电波透视法和地质雷达法是运用地质体对电磁波传播、吸取、反射特性，分别用以查找浅部、两个钻孔（或探洞）之间和

20、地下洞室周边存在岩溶、断层破碎带等。 弹性波测试 在岩体或土层中激发弹性波（地震波或声波）,用仪器测定岩土体传播这些弹性波(涉及纵波与横波) 速度以及传播过程中能量衰减等特性，从而求得岩土体动态弹性系数，评价岩土体力学特性。此法与地震勘探不同，它多数是运用直达波。弹性波测试可为岩体工程地质分类提供根据，测定地下洞室围岩松弛范畴,进行灌浆效果检查,坝基建基面和桩基质量无损检测，还可为工程建筑物抗震设计和砂层液化研究提供参数。 测井 各种地球物理探测技术在钻孔中应用。工程物探当前采用测井办法重要有：电测井，涉及电阻率与自然电位测井；声测井，涉及声速和声幅测井；放射性测井，涉及自然伽玛、伽玛-伽玛、

21、中子-伽玛测井和放射性同位素示踪等；温度测井；超声成象测井；电磁波测井。此外，尚有运用工业电视设备对孔壁直接观测钻孔电视以及对钻孔直径和井斜测量等。测井办法综合运用，可以详细划分钻孔地质剖面，探测软弱夹层，拟定断层及裂隙、破碎带位置与产状，测定地层电阻率、弹性波速度、孔隙度、密度、含泥量、含水量，拟定含水层位置，测定地下水矿化度和流速、流向等。 此外，水利工程勘察中应用还不很普遍几种物探办法有：放射性勘探是在地面测量放射线强度以探查断层或进行环境放射性污染检测；微重力勘探是运用微重力仪测量重力场异常以探测岩溶洞穴等地质现象；磁法勘探是测量地磁场异常以探查含磁性矿物地质体。 各种物探办法均有各自特长，也均有其办法原理所决定局限性，且在诸多状况下单一办法资料有多解性，为了获得比较抱负勘测效果，必要针对详细工作任务，因地制宜，选取几种有效办法进行综合物探。