地震横波在哈尔滨岗阜状平原区地层勘察中的应用

地震横波在哈尔滨岗阜状平原区地层勘察中的应用

贾乃康

中国铁路设计集团有限公司天津

摘要：哈尔滨地区岗阜状平原地层主要由上部粉质粘土及下部砂土组成，土与砂物性差异明显，地震横波在不同介质内传播波速具有明显差异，在土砂分界面会产生明显的反射信号，利用连续的同相轴可以准确的划分出不同岩性的分界线，该地貌单元地质条件特别适合于使用横波反射法进行岩土分层。经过现场测量横波信号，室内整理数据，现场进行钻探，与地震时间剖面进行对比标定，确定地震时间剖面反射波同相轴对应的层位和深度，得到目的层的地下形态，连续性，完整性。证明了地震横波勘探在哈尔滨地区岗阜状平原划分地层的可行性和适用性。

关键词：地震横波；岗阜状平原；浅层地层划分；

Abstract：Thestrata-likeplaininHarbinismainlycomposedofuppersiltyclayandlowersand.Thedifferencebetweensoilandsandisobvious.Theseismicwavehasdifferentwavevelocityindifferentmedia，anditwillproduceobviousreflectionsignalattheinterfaceofsoilandsand.Thecontinuousin-phaseaxiscanaccuratelypidetheboundarylineofdifferentlithologies.Thegeologicalconditionsofthegeomorphicunitareparticularlysuitableforstratificationofrockandsoilusingthetransversewavereflectionmethod.Aftertheon-sitemeasurementofthetransversewavesignal，theindoordataiscollated，thesiteisdrilled，andtheseismictimeprofileiscomparedandcalibratedtodeterminethehorizonanddepthcorrespondingtothephaseofthereflectedwaveoftheseismictimeprofile，andthesubsurfacemorphology，continuityandintegrityofthetargetlayerareobtained.ThefeasibilityandapplicabilityofseismictransversewaveexplorationinthestratumoftheGangzi-likeplaininHarbinareproved.

Keywords：seismicshearwave；Gangfuzhuangplain；shallowstratumpision；

1前言

根据指点位移方向与波的传播方向的不同，地震波（弹性波）分为纵波与横波。地震勘探法是以均匀介质为地质模型建立起来的一种勘探手段，它要求每一层必须是均质连续体，且不同的介质之间必须存在明显的物性差异，只有物性差异明显存在时，才可以通过地下介质的波阻抗差异来解决勘察地段的地质问题是，而哈尔滨岗阜状平原地层主要为上部厚层粉质粘土，下部厚层砂层，岩土物性差异明显，为横波反射法的可行性提供了天然保障。

目前地震横波法在实际工作中应用的较多，但是关于地震横波法的科研却较少，张淑梅等人利用地质横波勘探解决伊敏露天矿区的浅层地质问题，从理论和实验的角度分析横波的分辨率和适宜勘探深度问题；牛向东等人应用地震SH横波方法对黄河大堤根石进行探测，取得了较好的探测效果，为黄河大堤根石全面探测及其它类似工程地质难题的解决提供了一种有价值的科学方法；张达敏、石瑞平以大量的横波地震工程地质勘察实践和严格的成果验证指出了地震横波勘探的一些理论误区。陈相府在广州市地质调查项目中使用地震横波法作为浅层岩土分层方法。

2横波勘探原理

在激震的作用下，弹性介质中激发的波是以复合波形式存在，同时产生体波扰动（纵波、横波和转换波）及瑞雷面波.纵波的质点振动方向与波的传播方向一致，其波速数学表达式为：

3场地的地层结构

哈尔滨地区岗阜状平原地层从新到老主要由以下组成：

（1）人工堆积层（Q4ml）：杂填土、素填土：松散，稍湿，分布于城市道路表层，层厚不均主要由黏性土、碎石组成。层厚2~2.5m。

（2）上更新统哈尔滨组冲洪积层（Q32hral+pl）粉质粘土，软塑-可塑，含少量铁锰质结核。

（3）中更新统上荒山组湖积层（Q22hl）粉质粘土、细砂、中砂，本层主要为粉质粘土，细砂、中砂呈透镜体出露。

（4）中更新统下荒山组冲积层（Q21ha1）中砂、粉质粘土，本层主要为中砂，粉质粘土呈透镜体夹层出露。

（5）下更新统东深井组冲洪积层（Q12dal+pl），粉质粘土、中砂。本层主要为厚层中砂，粉质粘土不连续出露，粉质粘土层为与下荒山组分层界面。下更新统东深井组层底深度平均55~60m。

从哈尔滨地区岗阜状平原地层结构可以看出，基本全部由粉质粘土和砂类土组成，上部主要为粉质粘土，层厚16~25m之间，下部为厚层细砂、中砂层，砂类土厚度25~35m，地层结构相对简单，物理性质差异明显，利于横波反射法的应用。

4应用实例

4.1横波激发、采集系统

为了查明地下地质和构造情况，横波反射工作必须在地面上布置观测线，并沿测线连续地进行单次或多次重复观测。因此，在测线上就要布置许多炮点和接收点，在炮点上激发地震波，在接收点上接收。本次采用叩板法激发地震波，将枕木放置在地面，方向与测线走向垂直，汽车压在枕木上面，使枕木与地面紧密接触，后用大锤敲击枕木，正、反向各一次，完成激发。采用观测系统为单边放炮6次覆盖观测系统，频率14HZ、24道横波检波器接收，仪器为美国NZ-72工程地震仪及配套电缆，道间距2m，偏移距4m，炮距4m。

从大量的实践观测资料得知，反射波、折射波的能量振幅主要分布在一频率范围内面波的能量分布在一频率内交流电干扰的能量分布在左右的狭窄频率域内微震干扰的能量分布的频率域较宽声波的能量则分布在以上的较高频率部分。这样就可以利用有效波与干扰波的频率谱特性的差异，使地震仪具有相应的频率滤波特性，主要去接受频率在一范围内的反射波，而把此频率以外的干扰波滤掉，从而在地震记录上突出有效波能量，压制了许多干扰波能量，从而有利于识别有效波提高地震勘探资料解释的质量。

图1横波反射成果

4.2横波反射成果

1.物探方法划分地层

从图1中可以看出，土、砂属于不同岩性地层，两种岩土物性差异十分明显。横波在地下传播过程中，纵向上在同种岩性中传播，地震波振幅基本保持不变，自一种岩性进入另一种岩性时，由于两种岩性密度、剪切模量、泊松比等物理参数突然变化，在岩土分界面会产生振幅突增现象，进入下一层地层后振幅又变稳定。确定地震时间剖面反射波同相轴对应的层位和深度，通过追踪目的层的连续性，分析目的层反射波同相轴能量的变化特征，得到目的层的地下形态，连续性，完整性。在地震波垂直时间图中纵向来看，相同岩土分界面附近会形成与岩土分界面走向一致的振幅突变区域，这种现象称为“同轴反射现象”。将地震剖面上相邻地震道地震波相同相位连接起来即为岩土分层界线。

通过资料整理得到哈尔滨地区岗阜状平原土层与砂层具有以下特征：

（1）强振幅：经过反射信息采集及处理一系列提高信噪比的措施后，地震剖面上反射波的振幅大多强于干扰波。

（2）波形相似性：同一界面（土或砂）的反射波在相邻道的地震记录上波形相似（包括相位个数、各极值间振幅比等）。

（3）同相性：由于同一界面（土或砂）的反射波到达相邻检波点的射线路径是相近的，因而地震波相同相位所记录的时间十分接近，反射波同相轴是一条圆滑的曲（直）线，同一反射波不同相位的同相轴应彼此平行。

2.控制孔校正地层

通过在测试段落钻探进行地层验证，图2中分层界线为使用横波反射法划分地层分层界限。通过钻孔对比发现，使用横波反射法可以准确划分岗阜状平原第四系哈尔滨组、上荒山组粉质粘土与下荒山组砂层分界线。对于下部的粉质粘土透镜体夹层，由于夹层厚度不均，局部非常薄，与厚层的砂层厚度相比没有明显差异，横波在地下传播过程中很难在薄层接触面附近产生强反射信号，并且无法形成连续的同相轴用于层位追索，但对于明显粉质粘土夹层仍较准确的划分出来。

图2钻探物探分层对比

5结论

1．使用地震横波勘探需要结合测试场地地层特点选取适用于测试段落的激震、接受方法，通过降噪，夜间测试等手段降低周边环境影响。通过现场横波测试实验，制定最适用于测试场地环境的测试方案。

2.通过地震横波勘探，地质钻探验证、校正的手段，提高了划分地层的准确性，并验证了地震横波勘探手段在哈尔滨地区岗阜状平原是非常适用的，且取得了很好的效果。

3.地震横波勘探手段有效解决了无法钻探场地的地层划分问题，同时节省了勘察费用，缩短了勘察周期，值得在其它类似地区大面积推广。

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