工程物探总复习(一)

7.利用波的频散现象可以制作速度随波长变化的频散 曲线，进而用速度的变化对地基进行分层。
面波的相速度和群速度
振动图形：在波传播的某一特定距离上，该处质点位 移随时间变化规律的图形称振动图形。
波的振动图形
波剖面指在波动传播的某一确定的时刻t，质点 位移随传播距离变化关系的图形称波剖面。也可以看 成是波动传播时的扰动区的横截面
按所解决的地质问题划分
1.石油物探：主要勘察石油和天然气的储存位臵和储
存状态；
2.煤田物探：主要解决煤田地质构造和煤层分布问题；
3.金属与非金属物探：主要寻找各种固体矿产，如铁、
铜、铅、锌等；
4.环境与工程物探：主要解决各种岩土工程勘察及环
境、水文等调查问题，如地基勘察、桥梁、隧道、水 库等的选址，地下管线探测等；

例2：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﹐这两种情况分别会引起重力场局部增强或 减弱的异常现象。

地球物理勘探正是根据对正常场和异常场的分布特征进 行地质解释和推断的。
物探方法的分类(三种分类)：
（1）按工作原理划分 （2）按所解决的地质问题划分 （3）按工作场所划分
图2.1-0 多道拼接成的地震记录
时距曲线
直达波和反射波时距曲线
式（2.1.2）就是水平界面反射波的时距曲线方程式，可
化简为以下的标准双曲线方程
t2 x2 2 1 2 4h t0
综上所述：
(2.1.2)
1．反射波时距曲线在x-t坐标系是双曲线，其极小点在
炮点正上方；
2. 在x2-t2坐标系是直线，直线的斜率为1/v12, 利用直
工程物探总复习（一）
主讲：王伟 邮箱：wwwiem@163.com 勘查技术与工程教研室
一、绪论
环境工程物探是地球物理勘探的分类方法之一。 物探：全称地球物理勘探。以岩矿石间的地球物理
性质的差异(物性差异)为基础，通过专门仪器接收 和研究地质体（构造或矿体等）在地表及其周围空 间产生的地球物理场的变化和特征来推断地质体存 在状态的一种勘探方法。
斯奈尔定律
sin sin ' sin p v1 v1 v2
(1 4 1
2 v2 1v1 2 1v1 R ; 透射系数为 T 2 v2 1v1 1v1 2 v2

1．平面波垂直入射时不存在转换波； 2．存在波阻抗差异是形成反射波的必要条件；
g (t ) G ( f )e



ຫໍສະໝຸດ Baidu
2 ft
df
(1.3.4)
G( f )


g (t )e2 ft dt
(1.3.5)
A( f ) G ( f ) a ( f ) b ( f )
2 2


1
2
(1.3.7)
式中G(f)=a(f)+ib(f) ,a(f)表示G(f)的实部，b(f)表 示G(f)的虚部。复变谱的幅角就是相位谱：
r
波剖面图
波前面和等相位面
振动状态的传播形成地震波，波在介质中传 播将介质分为三个球形层，球层内的质点以各自的 状态振动，称扰动区，扰动区的横截面即波剖面。
球面波传播示意图
等时面和射线
(a)在均匀介质中;(b)在非均匀介质中;(c)复杂的等时面
根据傅立叶变换理论，任何一个非周期的脉冲震
振动g(t)是由无数多个不同频率不同振幅和初相 位的简谐振动之和构成。傅立叶变换表示如下：
横波的传播特点如下： 1. 横波传播速度vs比纵波速度vp小
E vs 2 (1 )
2. 纵波与横波的速度比为：
vp vs

2(1 ) 1 2
3.一般岩石的泊松比为0.25, 所以vp/vs 是1.73；液 体介质中，切变模量为零，所以在液体内没有横 波。 4. 横波是线性极化波 5. 横波质点位移主要决定于旋转激发力的强度、形 状及变化率； 6. 横波类型分为SH波(是质点振动在水平面内的横 波分量)和SV波(质点振动在垂直平面内的横波分量)， 见图1.2-6所示。 7. 横波传播方向与质点振动方向相垂直.
轨迹为椭圆的运动。
3.面波速度与横波速度相当;当泊松比=0.5时
vR 0.956vs
一般岩石的泊松比为0.25，而土的泊松比在0.45-0.49
之间，因此，对于岩土工程勘察而言，可用面波速度 代替横波速度。
4. 面波振幅 A 随距离 r 衰减比体波慢，因此面波能量 强于体波； 1 A r 5. 瑞雷波的频散 将速度随频率变化的特性叫频散现象； 6.群速度和相速度的概念；
按照工作原理划分
磁法勘探：磁性差异 电法勘探：应用前提是电性差异
地震勘探：弹性差异
重力勘探：密度差异 放射性勘探：放射性强度差异
地质模型
重力响应 反演计算
地球物理模型
地球物理模型
正演计算
重力响应 地质模型
正演和反演的关系
二、地震勘探法
地震勘探是根据人工激发（爆炸或撞击地面）的地
3．反射系数R为正，说明反射波与入射波
同相，R为负，表示它们反相；
4. 透射系数永远为正。 5. 若不考虑波前扩散和介质的吸收作用，
反射系数和透射系数之和等于1。
非法向入射时波的反射和透射 倾斜入射时要产生转换波，见图1-4-5；
折射波(首波）的形成
若界面下方介质的波速大于上方的波速，且达到临界 角i时（使透射角达到900 时的入射角），即此时透 射波将沿界面以v2 速度滑行，称为滑行波。当>i时， 全部入射能量以Rp 、Rs 波的形式反射回界面上方的 介质中。由于上下介质不存在相对运动，滑行波会引 起上面介质随下面介质做同相运动。
纵波（P波）的传播特点： 1. 纵波质点位移大小与震源强度1(t)和震源变化 率’1(t)有关； 2. 纵波属于体波； 3. 纵波质点位移的方向同波传播r的方向一致， 地 震勘探中将质点位移的振动方向称为极化方向， 4.由于纵波在波的传播方向振动，因此是线性极化 波，即纵波质点在一个周期内振动的轨迹是一条直 线；
震勘探中将地层叫做介质;因此需要研究地层介质 的弹性性质。
在弹性介质内传播的地震波称地震弹性波。
弹性模量之间的关系式：
9k E 3k
E ; K 3(1 2 ) ;
;
E 3K 2 ; 2(1 ) 6 K 2
其中任意一个都可以用其余两个来表示。
v1 sin i v2
(1.4.5)
断块产生的绕射波前
地震波的衰减
（一）几何扩散
（二）吸 收
（三）地震波的透射损失
An=A0(1-R12)(1-R22 )……(1-Rn-12 )式中 (1-Ri2) 称为透 射损失因子。连乘积 (1-Ri2）称为第n层反射波的透 射损失。
地震反射波记录道的形成
或坑道进行观测，如井中磁测、井中电法、槽波地震。
基本实质：利用岩矿石的六种主要物理性质或物性参
数，建立相应的六种应用地球物理方法。
六种物理性质：
①密度；
②磁性（磁导率、磁化率、剩余磁性）；
③弹性（弹性波速度）； ④电性（电导率、极化率、介电常数）； ⑤放射性（α、β、γ射线强度）； ⑥导热性和生热率

人工场源的优点是场源的参数为已知，便于控 制，分辨力较高，能够取得较好的地质效果﹐但费 用较大。
2）地球物理场还可分为正常场和异常场。


异常场：是由勘探对象所引起的局部地球物理场。
例1：赋存在地下的磁铁矿体或磁性岩体产生的磁场﹐
这部分磁场迭加在它的围岩和地球其它部分产生的磁场之中
﹐在研究观测得来的磁场时﹐就要区分或提取出磁异常场﹔
b( f ) ( f ) tg a( f )
1
(1.3.8)
对一个非周期振动g(t)进行付氏变换求频谱（振幅谱 和相位谱）的过程叫频谱分析； 傅氏正变换和付氏逆变换构成付氏变换对，它们具有单值 对应性；在任何一个域内讨论地震波都是等效的；
振幅谱和相位谱示意图
地震子波的延续时间长度同它的频带宽度成反比；
震波在地下传播过程中，遇到弹性性质不同的地震 界面后，在地层中产生反射和折射，部分地传回地
表，用专门的仪器记录返回地面的波的旅行时间，
研究振动的特征来确定产生反射或折射的界面的埋 深和产状，并根据所观测的地震波在介质中传播速 度及波的振幅与波形变化，探讨介质的物性与岩性。
弹性介质与地震波
地震勘探的地球物理前提是地层间的弹性差异,地
地球物理场，是指存在于地球内部及其周围的、具有
物理作用的物质空间。
例如：1）地球内部及其周围具有重力作用的物质空间， 称为重力场； 2）地球的磁场以及地壳内磁性体产生的磁场。 地球的重力场﹑地磁场都是天然存在的地球物理场。
• 1）地球物理场可分为天然存在的地球物理场和人工 激发的地球物理场。
•
天然场：地球的重力场﹑地磁场﹑地电场﹑地温

由检波器接收的质点的振动图形称为一个反射波 的记录道。地面检波器可以接收到不同深度界面的 反射波，若考虑波前扩散、介质吸收、透射损失及 反射系数等因素，则一个反射波的解可写为
A0 r 2 2 up e (1 R1 )(1 R2 )... r r r 2 (1 R n 1 )( Rn ) (t ) (1.6.1) v r N rn r ~ g (t ) An (t ) (1.6.3) vn rn n 1
1.3-9
理想波形函数及其频谱
弹性波的传播
点震源激发的弹性波在均匀介质中传播，等时面为 球面，称球面波；等时面为平面，称为平面波。
一、波动传播原理
（一）惠更斯原理（波前原理） （二）费马原理（最小时间原理）
（三）互换原理
（四）叠加原理
（五）视速度定理
反射波入射角的确定
根据图中的几何关系，得到视速度与真速度间的关系式 如下： v*=v/sin 式中为波射线与地面法线间的夹角（出射角）。 1．=900 时，v*=v； 2．=0度 时，视速度为无穷大； 3．视速度大于等于真速度，即当由00 变化到900 时， v*由无穷大变化到真速度。
5. 纵波的传播速度最快
2 E (1 ) vp (1 )(1 2 )
6. 由于爆炸主要产生纵波，其传播速度快，故地震 勘探几乎就是纵波勘探。 7. 质点位移的幅值与震源距有关，为球面扩散。 8. 在纵波经过的扰动带内，会间隔地出现膨胀(稀 疏)带和压缩(稠密)带,见下图:
5.放射性物探：寻找放射性铀、氡等与核工业有关的
材料。
按工作场所划分
1.航空物探：将地球物理勘探仪器搬到飞机上于空中
进行观测，如航空磁法、航空电法、航空放射性勘探、 航空重力等；
2.地面物探：在地面进行工作； 3.海洋物探：将仪器搬到船上进行勘探，如海洋地震、
海洋重力等；
4.地下物探：（钻孔地球物理勘探）将仪器放到井下
8.横波速度低，能量弱。以致来自同一界面的横波
总是比纵波到达的晚,以续至波形式出现，但它的 分辨率较高；

工程勘察中总是以横波速度划分地基类别，作 为纵波速度的补充,计算岩土弹性模量及物理力学 参数；
瑞雷面波的形成及传播特点
1. 波前面是高度为z=R的柱体； 2. 瑞雷面波是椭圆极化波,质点大致做反时针方向、
场﹑核物理场是天然存在的地球物理场﹔
•
人工场：由人工爆炸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场等，属于人工的激发的
地球物理场。

人工激发的地球物理场,如爆炸产生的弹性波场，
弹性波在岩层中传播遇到不同密度的分界面时会发
生反射、折射和能量衰减等现象，根据弹性波返回 到地面的时间来研究其传播速度、岩层厚度和产状 等问题。
g (t ) R1bt 1 R2bt 2 R3bt 3 Rnbt n Rn bt n Rt bt
n 1 N
(1.6.5)
制作一个道的理论反射波记录的示意图
地震波的时距曲线
在地震勘探工作中，每激发一次人工地震波，都 要在多个检波点接收地震信号。炮点和检波点都沿一 条直测线布臵，炮点到任意检波点的距离称炮检距x， 相邻检波点的距离叫道间距x，来自同一界面的地震 波沿不同路径先后到达各检波点，从而形成一张如图 2.1-0所示的地震记录。