折射震测法实验教材中央大学.docx

1、折射震测法实验教材中央大学教育部顾问室92-95基础科学教育改进计画九十二会计年度地球科学学门折射震测法实验教材学校：国立中央大学执行单位：地球科学系主 持 人：马国凤日 期：九十二 年 十 月 三十 日折射震测法实验目 次一. 目的. .2二. 仪器. .2三. 原理. . .23.1. 两层模式的解析. .23.2. 三层模式的解析. .4四. 仪器操作. .6五. 野外施测. .6六. 工程折射法的一些问题探讨6.1 记录品质.66.2. 测线的安排. .66.3. 炸点的设置. .66.4 断层的特征.76.5 覆盖层水平与垂直方向的速度变化.76.6 折射层的性质.76.7 含水的影

2、响. .76.8 隐层问题与速度逆转问题.76.9 其它.7七. 实例8折射震测法实验一. 目的 使学者从折射震测法之实测中了解 1. 震测仪之操测。 2. 初达波之判读。 3. 走时曲线之解释。二. 仪器 ES-3000 12波道震波记录仪 1台 受波器 12个 电缆线 1捆 触发器 1个 铁锤 1把 铁板 1块 磁盘 1片三. 原理 折射震测之原理是在地表以一人工震源产生震波信号进入地下后,在高速度层不连续面 (通常为基盘面) 产生折射,将信号折回地表经地表预先设置之受波器收录。设震源发震时间为零则震波在地下折回之历时即可记录下来这些记录经分析后可用来描绘基盘之形貌。 欲分析由折射震测而得

3、的走时资料之前，各层的速度必先知道才行。表层的速度能很容易地由炸点附近的直接波的走时求得。若第二层面的倾角相当一致的话，则其速度可由走时曲线的斜率求得：如果倾角变化很大，则第二层的速度几乎不能由走时曲线的斜率来求。折射震测应用在工程的情况,一般是不能很容易地由走时曲线的斜率来求得第二层的速度, 此可藉正值-负值 (Plus-minus) 方法解决，此方法的优点不仅可求得第二层的速度，同时并计算出各接收点下的深度，下述为此方法作两层与三层构造的分析的理论： 3.1. 两层模式的解析 在图1.1-1 中，A、B是炸点，P是接收点，其余各符号的意义如下： V1： 上层的速度 V2： 下层的速度 W：

4、 下层的倾角 i： 临界角 hA： 炸点A的深度 hB： 炸点B的深度 hP： 接收点P的深度 TAP： 由A到P的折射波走时 TBP： 由B到P的折射波走时 TAB： 由A到B的折射波走时 由A到P的折射波路径是： A A P P 由B到P的折射波路径是： B B P P 依 Snells 定律：Sin iV1/V2 (V1V2) 正值与深度的关系：我们考虑在P点的正值PV，其定义如下： PV ( TAPTBPTAB)2 (1) 由图1.1-1 的几何关系知，PV与P点下的深度关系为： PV hP cos iV1 (2) hP PV (V1cos i) (3) 在(3)式中，V1可以在走时曲

5、线接近炸点的直接波中找到，PV为直接 观察的已知量, 惟 cos i为未知, 如果V2能够找到, 则接收点P的深度hP 就可由(3)式求出。图 1.1-1 二维构造的折射波路径及其走时曲线和负值曲线其中A、B是炸点，P是接收点 负值与速度的关系：兹考虑在P点的负值MV，其定义如下： MV TAPPV (4a) 由图1.1-1 的几何关系知，MV与第二层速度的关系为： MV hAcosiV1APV2 在实际的应用上，倾角W不会很大 (Masuda, 1975)，因此APx， 其中x是以A为原点的测点P距离。所以 MV hAcosiV1xV2 (5a) 在(5a)式中，MV与X成线性关系，假如我们

6、以X作横坐标，MV作纵座 标来画(5a)式的对应点, 可得类似走时曲线的一条直线，如图1.1-1中黑点部份所示。MV可由(4a)式计算得到,因此,折射层的速度V2可由这条直线的斜率求得，即 d(MV)/dx = 1/v2 (6a)同理可得以B为原点的测点距离x的负值MV MV TBPPV (4b) MV hBcosiV1xV2 (5b) d (MV)/dx = 1/v2 (6b)经由上述的正负法，可计算出接收点下的深度以及第二层的速度。这里要特别注意的一点：在(3)式中用以计算深度的 TAP, TBP和 TAB 必须是由折层来的走时,如果是在靠近炸点的直接波走时的话(如图1.1-1中打的部份)

7、, 则(3)式就不能用, 在这情形下, 改写(4)式为： PV TAPMV TBPMV (7)由(3)和(7)式可得 hP (V1cosi) (TBPMV) (8)或 hP (V1cosi ) (TAPMV) (9)因而，hP值应由上二式来计算才对。 3.2. 三层模式的解析第三层的速度求法：在图1.1-2 中，A、B是炸点，P是接收接收点，且 W2 ： 第二层的倾角 W3： 第三层的倾角 3TAP： 由A到P的第三层折射波的走时 3TBP： 由B到P的第三层折射波的走时 3TAB： 由A到B的第三层折射波的走时 图 1.1-2 三层构造的折射波路径其余各符号意义同前所述。依前节定义，第三层的

8、正值PV3与负值MV3 分别如下： PV3 (3TAP3TBP3TAB)2 (10) MV3 3TAPPV3 (11a) MV3 3TBPPV3 (11b) 假如(W3W2)不很大的话，亦即 A2P2APx B2P2 BP xMV3(或MV3)与x亦如前节所述，成线性关系，且 d (MV3)/dx = 1/V3 (12a) d (MV3)/dx = 1/V3 (12b) 因此第三层的速度V3可由MV3(或MV3)对x作图所得值线的斜率来求。 第三层深度的决定：为简化三层问题，并考虑推广至更多层的情况下亦能适用起见, 我们将三层的构造用二层的情况来代替, 如图1.1-3所示，而其上层的速度V2可

9、用下式表之： H2/V2 = h1/V1 + (H2-H1)/V2 (14)于是正值PV3与深度H2之关系，可仿照二层构造的公式(2)写成： PV3 H2 cosI2 / V2 (15) 其中 sinI2 V2v3欲由(15)式来求H2尚须知道V2值才可以，由(14)式知：V2值中亦含有未知量h2。为解决这个困难，我们用重复逼进修整法 (Iterative method) 来克服，其步骤如下： (a) 在(14)中猜h2的值是h2，然后计算V2。 (b) 将算得的V2代入(15)式中，算出H2。 (c) 比较H2与h2： (i) 若H2h2，则H2就是所要的第三层深度。 (ii) 若H2h2，

10、将h2减小些；若H2h2,将h2增大些，再重复(a) 到(c)步骤，直到H2h2为止 上述重复逼进的过程, 可藉电子计算器的快速运算, 很容易地找到H2图 1.1-3 将三层的构造用二层的情况来替代 四. 仪器操作 本实验所用之折射震测记录仪为Geometric ES-3000系12波道 信号加强式震测仪其操作方法介绍于后。五. 野外施测 1. 将仪器放至测线之中心位置。 2. 拉开皮尺每隔 2-5 公尺插一支受波器共计24个并注意各受 波器和地面是否密合。 3. 将受波器接至电缆线上并将电缆线接至ES-2401 震波记录仪。 4. 选定炸点放好铁砧将触发器(trigger) 用胶带固结于铁锤

11、上并将触发器另一端接至震波记录仪上。 5. 将震波记录仪之开关打开用铁锤敲铁砧由记录结果查看触发 器及受波器是否连接良好。 6. 用铁锤敲击铁砧操作震波记录仪将震测结果记录下来。 7. 若初达波不易判读再重复敲击几次并选择良好的初达波结果 叠加起来，将其存盘。 8. 依据ABC炸测法移动炸点或受波器重复6与7步骤直到此测线 之剖面完成为止。六. 工程折射法的一些问题探讨6.1 记录品质： 欲对野外资料具有充份信心就必须得到一品质优良的可靠记录，其次的工作，就是读取初达波的精确时间。一般工程探测的深度范围约从几公尺至100公尺左右，而其全程走时约100毫秒(ms),因而1ms相对地变成很大的时间

12、单位。同样的走时变化在浅层所造成的误差要比深层来得大，因此初动的读取精度 最好是在 0.5ms以内，当然这还要看记录的品质，而其又受震源的大小，地质的条件以及仪器本身的放大倍率而定；假如由于特殊的因素(如测区的杂音很大)，放大率必须降低，则得到的是一个圆形的被动波，这种初动记录的读取将会引起高达 2 毫秒的误差，在做深度估计时，必须注意。6.2. 测线的安排： 测点的展开，除了应考虑上下层速度比和折射层深度外，测区的地形是一个很重要的因素。在起伏变化很大的测区，往往是高度的变化亦将引起垂直方向上的速度变化，如采用本文之解析法，会引入相当大的误差，所以常起伏变化很大时最好将测线沿地形等高线布置，

13、至少应避开坡度变化极大的地区，这样做，虽然增加了野外工作的困难，但却可提高解释的可靠性。 又折射法的基础是在分析震波走最短时间之路径的初达波，因此平行测线附近的低速带就无法探测到，反而平行测线附近的高速带会在走时上出现，为了避免上述情形发生导致错误的解释，测线安排以十字形为佳。6.3. 炸点的设置： 坝址、隧道等工程施测的重点是在基础破碎与否，是故线外炸测必须尽量拉远，以期获得基盘的折射波；反之，崩积层，垦殖区以及采石场之施测重点是在风化层之厚度，是故线内炸测必须密集，以便求得较精确的厚度。6.4 断层的特征： 走时曲线如有不连续的情形，很可能有断层发生；负值曲线斜率变大，很可能有破碎带存在，

14、在作走时分析时，应特别注意以上的特征。6.5 覆盖层水平与垂直方向的速度变化： 顶层水平方向的速度变化常常遇到。记录中曾有在30公尺的距离内就有20%的改变(760900m/S), 如由砂质粘土逐渐转变成粘土质砂层或粗质砂层到细质砂层，甚至由泥砾层转变成砂层等。 上述例中，覆盖层由非层状地层所构成。如果有不同的层次出现于覆盖层时将更复杂，因为不但单层的速度在变化，垂直方向的平均速度也依各层间相对厚度而改变。为了记录上层细微的厚度变化受波器及炸点间隔必须要缩短。6.6 折射层的性质： 由折射层所发生的问题可由其形状和物理性质来考虑。基岩表面不规则的形状其对浅层折射所产生的效应要比深层来得明显。折

15、射震测的剖面是地质构造平均的表现，局部的凹凸都被修整成平滑的形状。结果真实的表面和震测所决定的表面之间的差异，在浅层的深度下相对的提高。同时接近表层的层面其倾角大小与方向的突变就很难从震测资料中得到了。另一方面由于基盘不规则形状所引起的能量散射效应或当界面的曲率较入射波的波前曲率为大时所发生的绕射问题。就以散射而论，高频波将因距离的增加而衰减。在常态色散 (Normal Dispersion)下，波速将随波长而增加，若低频的成份大，则发生波速加快的现象。又常地质界面经由弹性系数来分时不够明显，例如硬粘土下是一层软页岩或砂岩，记录得的速度分别是 2,200m/s和2,230m/s, 结果折射层面

16、是向较深较硬的高速层而不是所要的基岩面，因而测获的速度层与地质界面并不吻合。6.7 含水的影响 由于震波速度随含水量之增加而降低，故单凭震测所获得之低速带,往往不易区别到底是由破碎岩层亦或饱和含水所造成。笔者之经验，可利用电阻法对地下水非常灵敏的特性来加以区分。6.8 隐层问题与速度逆转问题 折射法之基本假设是根据初达波的走时曲线来解释地层构造。理论上，每一个地层在走时曲线上都有其相对应的走时线段，但是由于 (1)地层太薄或速度对比太小使得某一层的走时线段在走时曲线上消失不见而不能解释出来，(即隐层问题)；(2) 高速层位于低速层之上使得低速层的走时线段无法显现在走时曲线上 (即速度逆转问题)

17、 这些现象运用本文的解释方法，会造成岩盘面深度计算上相当大的误差。目前较可靠的解决方法是速度井测，因而测勘前有井志资料的参考，可大大提高深度估计的精确性。6.9 其它 本分析折射资料的方式，是反复用正负法解二层的模式来解多层的问题。这种反复运用等价的过程，可节化多层模式处理的复杂性。当折射法震测的深度越浅时，实际的条件与理论上的假设（地层为Homogeneous and isotropic 弹性体)相差越大，再加上仪器及读取记录不可避免的误差，深度的估计会有偏差，使分析结果的可靠性受影响。然而地表浅层震测为快速及经济的工程基础调查方法，如能配合钻井及丰富的经验，则其可靠性可提高。造成实际与理论

18、上的折射差异因素包括有：炸孔的情况，地形的条件，覆盖层内的非均质性，非均向性，水平与垂直方向上的层间改变，岩石表面的不规则与风化程度，以及表层的薄层理等等。 折射方法应用于工程基础探查的先天限制在于速度逆转的地质状 况，除了参改其它的地质资料或地球物理资料(如电探方法)来辅助外， 反射震测法，可提供一个很好的解决途径。七. 实例现举例在中央大学垒球场所做之折射震测实验以说明折射震测法所表现的能力和限制。 1. 地点：中央大学垒球场如图1.1-4 所示。 2. 布线：东西向。 3. 施测参数：测站间距为 2公尺近支距为1 公尺 4. 震源：铁锤。 5. 震测记录：如图1.1-5 、图1.1-6 为处理后之最后剖面。 图 1.1-4 折射震测测线图图 1.1-5 震测记录图图 1.1-5 震测记录图 (续)1.1-5 震测记录图 (续)图 1.1-6 震测记录处理后之最后剖面