一種采用彈性波反射法探查地下巖體中流體和氣體的方法
【專利摘要】一種采用彈性波反射法探查地下巖體中流體和氣體的方法，用于發(fā)現(xiàn)被探查物體的彈性波要能夠繞過所述被探查物體，并在所述被探查物體周邊的包含巖體在內(nèi)的介質(zhì)中傳播，并達(dá)到所述被探查物體相對測線的遠(yuǎn)方一側(cè)界面進(jìn)行反射；并且，使用的彈性波還要能夠穿過所述被探查物體中的空間或者充滿的物質(zhì)并達(dá)到所述被探查物體遠(yuǎn)方側(cè)界面反射。本發(fā)明解決了能夠分離縱、橫波的方法和激發(fā)和接收高寬頻的彈性波的方法，解決了業(yè)內(nèi)一直無法突破的用彈性波法直接勘查地下水及其它流體、氣體物質(zhì)問題，尤其是可以探測影響工程安全和質(zhì)量的直徑1米以上的溶洞及暗河內(nèi)的物質(zhì)。
【專利說明】
一種采用彈性波反射法探查地下巖體中流體和氣體的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及地球物理勘查技術(shù)，尤其是利用彈性波反射法來直接探查地下水等液 體和氣體的方法和技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 彈性波反射法勘探自1920年代提出以來，得到廣泛的應(yīng)用，在能源探查、工程及淺 層探查中得到大量的應(yīng)用，是在國內(nèi)外地球物理探查技術(shù)中應(yīng)用工作量最大的方法。近幾 十年來，業(yè)內(nèi)一直不斷研究直接用彈性波法直接勘查地下水及其它流體、氣體物質(zhì)。特別是 縱波能穿過含液體、氣體的介質(zhì)，而橫波則穿不過液體、氣體這一特性，使業(yè)內(nèi)許多人想利 用這些特性實現(xiàn)彈性波反射法直接找水。但是一直未能突破。同時，在隧道施工預(yù)報中，需 要將探查設(shè)備安裝在全斷面掘進(jìn)機(jī)上自動探查時，盾構(gòu)機(jī)和TBM這樣的運(yùn)動著的龐大金屬 機(jī)械對電磁類的物探方法是個強(qiáng)大的干擾。如果彈性波反射法可以直接探水，將是一個好 的進(jìn)展。同時隧道施工時對預(yù)報可能會涌水還是涌泥有很大的期望。
[0003] 本發(fā)明提出一套思路和技術(shù)，克服了幾重困難。達(dá)到了這一理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種新型的采用彈性波反射法探查地下巖體中流體和氣 體的方法，解決上述問題。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0006] -種采用彈性波反射法探查地下巖體中流體和氣體的方法，用于發(fā)現(xiàn)被探查物體 的彈性波要能夠繞過所述被探查物體，并在所述被探查物體周邊的包含巖體在內(nèi)的介質(zhì)中 傳播，并達(dá)到所述被探查物體相對測線的遠(yuǎn)方一側(cè)界面進(jìn)行反射;并且，使用的彈性波還要 能夠穿過所述被探查物體中的空間或者充滿的物質(zhì)并達(dá)到所述被探查物體遠(yuǎn)方側(cè)界面反 射;為此需要滿足如下條件：
[0007] A.所述用于發(fā)現(xiàn)被探查物體的彈性波的頻段要使波長要小于所述被探查物體的 大小尺寸之4倍，其中波長的計算公式為
[0008] 波長人= v/f
[0009] 其中f為頻率
[0010] V為波速；
[0011] 從而得到所述被探查物體相對測線的近方一側(cè)界面以及遠(yuǎn)方側(cè)界面反射波的同 相軸;所述用于發(fā)現(xiàn)被探查物體的彈性波的縱波穿過所述被探查物體中充填的氣體和/或 液體和/或泥砂石，并繞過所述被探查物體，由此計算出所述被探查物體的大小，并進(jìn)而計 算出所述被探查物體中充填物的波速;所述用于發(fā)現(xiàn)被探查物體的彈性波的橫波不能穿過 空氣和液體而被反射；
[0012] B.為了所述橫波能夠穿過泥砂石+液體的混合介質(zhì)，所述橫波的頻率要低于 3000Hz;為了所述橫波穿不過泥砂石+液體的混合介質(zhì)而反射，所述橫波的頻率要超過 3500Hz；
[0013] C.為了所述橫波被2cm寬以上的含水裂隙阻擋而反射，并在時間剖面上能夠分辨 和發(fā)現(xiàn)，所述橫波的頻率需達(dá)到7000Hz以上；
[0014] D.波穿不過而反射在時間剖面圖上反映為反射強(qiáng)度增大，并且反映為所述被探查 物體相對測線的近方一側(cè)界面以及遠(yuǎn)方側(cè)界面反射波的同相軸中間的散射雜波少的特征； 通過對比不同頻段的所述縱波和所述橫波的時間剖面圖，而分辨出這些特征。
[0015] 優(yōu)選的，要將采集到的縱波與橫波分離并避開轉(zhuǎn)換波的干擾，而采用如下方法將 縱波和橫波分離并避開轉(zhuǎn)換波的干擾：
[0016] A、采用5-200cm的極小震-檢距的激震和接收方法，并且所述極小震-檢距的選擇 使得入射波對反射面的入射角〈3° ;
[0017] B、采用對垂直于檢波器的縱軸方向的質(zhì)點位移的靈敏度小于2%的檢波器構(gòu)成的 三分量檢波器，分別測量橫波和縱波，并構(gòu)建成縱波時間剖面和橫波時間剖面，并在不受到 轉(zhuǎn)換波干擾的狀態(tài)下直接測出各層的縱波和橫波波速。
[0018] 優(yōu)選的，所述三分量檢波器采用能夠接受高寬頻的檢波器。
[0019] 優(yōu)選的，探查lm以上大小的溶洞采用頻率高于900Hz的縱波來得到可分辨的溶洞 近端和遠(yuǎn)端面的反射同相軸;探查0.5m以上大小的溶洞采用頻率高于1700Hz的縱波來得到 可分辨的溶洞近端和遠(yuǎn)端面的反射同相軸。
[0020] 優(yōu)選的，采用能激發(fā)高寬頻波的激震方式激發(fā)所述用于發(fā)現(xiàn)被探查物體的彈性 波。
[0021 ]優(yōu)選的，所述高寬頻波是指頻率大于1000Hz的波。
[0022] 本發(fā)明所謂的流體包括但不限于地下水等液體及其泥沙、石塊等混合物。
[0023] 本發(fā)明中為克服用彈性波反射法直接探查地下水等含液態(tài)和氣態(tài)的物質(zhì)，本發(fā)明 提出下列的思路和技術(shù)方法：
[0024] 1.縱橫波的分離及避開轉(zhuǎn)換波的干擾
[0025] 傳統(tǒng)的地震反射法是一點激震，多點接收，因此在反射面上入射波和射波都有一 定的入射角，入射的縱波，在反射面上會產(chǎn)生轉(zhuǎn)換橫波，而透過反射面時又會產(chǎn)生透過的轉(zhuǎn) 換橫波，從一個反射面反射的縱波又會產(chǎn)生轉(zhuǎn)換橫波;而入射的橫波，也同樣在反射面上產(chǎn) 生轉(zhuǎn)換反射縱波和透過的轉(zhuǎn)換縱波在下一個反射面上反射面的橫波又會產(chǎn)生轉(zhuǎn)換縱波。因 此，無法區(qū)分出轉(zhuǎn)換波和直接的反射波。同時在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時，如何從各種波中直接分離 出縱波和橫波，目前也是個為解決的難題。本發(fā)明提出了如下方法：
[0026] (1)采用接近零震一檢距的激震和接收方法，極小震-檢距選擇5~200cm，并且入 射波對反射面的入射角〈3° (參見圖1)。在這種情況下透過波的轉(zhuǎn)換波能量均非常微弱。入 射角的控制方式可以參見申請?zhí)枮?01010266601.9,名稱為"一種用彈性波反射法作隧道 施工隊長預(yù)報確定地質(zhì)體反射面產(chǎn)狀和空間位置的方法"的中國發(fā)明專利。
[0027] (2)采用定向性很強(qiáng)的檢波器構(gòu)建三分量檢波器，單個檢波器的縱軸方向的質(zhì)點 位移的靈敏度小于2% (參見圖2)，分別測量橫波和縱波，由此可以分離各層反射面反射的 縱波和橫波；
[0028] 由此實現(xiàn)了反射波的縱橫波分離，圖3和圖4是采用極小震-檢距超寬頻帶彈性波 反射連續(xù)剖面法的某次隧道施工地質(zhì)預(yù)報時1條測線上得到的縱波時間剖面和橫波時間剖 面(一次激震，三分量檢波器同時接收，分別制成時間剖面）。
[0029] 2.穿過和繞過被探地質(zhì)體的波
[0030]含水體往往是二相物質(zhì)（充水和空氣、充水和泥）或三相物質(zhì)（充水和泥沙和空 氣），縱波在入射到被探的充水、充泥、充滿空氣的物體(例如溶洞、暗河、含水裂隙水等)時 是直接穿過去還是從旁邊波速高的介質(zhì)繞過去?橫波在入射到被探的充水、充泥、充滿空氣 的物體是是完全反射回來還是從旁邊速度高的巖體繞過去?則一直是業(yè)內(nèi)人員的疑問。
[0031] 這個問題目前只能由試驗得知：當(dāng)波長與被測物大小可以擬時，例如當(dāng)測量一個 lm大小的溶洞，波長在4m大小，波就可能出現(xiàn)兩種情況；
[0032] A.波從溶洞外巖體繞過，到達(dá)溶洞底部反射被接收。
[0033] B.縱波從溶洞中穿過，到達(dá)溶洞底反射被接收；
[0034] 由于巖體波速遠(yuǎn)高于溶洞中充填的空氣、水、泥砂等介質(zhì)，因此從巖體中繞過的波 比從洞中空過的波先被接收到，可稱為快波，直接穿過溶洞的波需較多時間才能被接收到， 可以稱為慢波;而橫波則穿不過水及空氣。
[0035]典型實驗之一:在某辦公樓4樓樓板上布置測線。采用極小震-檢距超寬頻帶彈性 波反射連續(xù)剖面法用縱波探查3樓、2樓、1樓樓板的反射波。其中2樓為了一樓大廳作為挑高 層僅鋪了一半樓板，建成帶欄桿的挑臺，圖5為樓層剖面圖。垂直2樓挑臺臺邊緣方向布置的 直線測線測得的陸地聲納法的時間剖面（圖6)，中可以清晰地得到各層的反射波的反射同 相軸，其中2樓樓板的反射波同相軸反映了只有3樓、1樓一半寬度的挑臺結(jié)構(gòu)，圖中還可見 到比樓板反射波時間更短的波，這是從樓的固體建筑物部分繞過的波。各樓的層高以空氣 的波速計算和實際層高相符。
[0036]典型實驗之二:在大型物理模型試驗場的1:1試驗
[0037] 模型1為距探查面8.6m的一個0.6m寬、0.7m高、厚0.4m的方形塑料桶
[0038] 模型2為距測量面14.6m的一個1.4m寬、2m高的圓柱形塑料桶
[0039] 模型3為距測量面19.3m的一個1.4m寬、2m高的圓柱形塑料桶
[0040]模型中分別充填了空氣、水、水和泥沙混合物。采用極小震-檢距超寬頻帶彈性波 反射連續(xù)剖面法試驗結(jié)果表明（見圖7)，縱波可以穿過內(nèi)充的空氣和水和泥沙加水，也可繞 過通過周圍的"巖體"到達(dá)洞底反射回來，通過周圍的"巖體"的波速可以計算模型的近測線 的端面到遠(yuǎn)端面的距離;而橫波則是通不過水和空氣，只能繞過空洞從周圍的"巖體"到達(dá) 洞底反射回來。這樣，通過穿過被測物體的縱波反算波速，可以確定其中充填的介質(zhì)。
[0041 ]對于混合了砂、水、泥的充填物，縱波可以通過，而橫波則由頻率決定。從試驗可以 見到(見圖8)，當(dāng)頻率在3000Hz以下時，看不出橫波強(qiáng)烈反射的情況，說明是穿過了充填物， 而當(dāng)頻率高達(dá)3500-4000HZ時，出現(xiàn)了明顯的橫波從充填物反射而穿不過去的現(xiàn)象，在 4000Hz時，在模型試驗的介質(zhì)中橫波波長約為30-40cm。
[0042]由此可見對于混合了砂、水、泥的充填物的三相介質(zhì)，橫波的頻率是穿透還是反射 是由頻率決定的。只有頻率達(dá)到4000Hz左右才可能反射。至于裂隙水，由于裂隙的寬度僅為 厘米級，因此，使用的頻率需達(dá)7000Hz~10000Hz才產(chǎn)生反射。
[0043]要激發(fā)和接收足夠高的頻率，使得能發(fā)現(xiàn)被探查的物體，并且波除了能繞過物體 在其周邊巖體等介質(zhì)中傳播并達(dá)到其相對測線的遠(yuǎn)方一側(cè)界面反射，還能穿過被測物體中 充滿的物質(zhì)達(dá)到其遠(yuǎn)方側(cè)界面反射，以便通過波速得知充填的物質(zhì)。為此：
[0044] A.所用的頻段要使波長與被探物體大小相比擬，一般說來，波長要小于被探查物 體大小尺寸的4倍；
[0045] 波長 X = v/f
[0046] 其中f為頻率 [0047] V為波速
[0048]這樣才能得到被探物體相對測線的近方一側(cè)界面以及遠(yuǎn)方側(cè)界面反射波的同相 軸;縱波穿過被探查物體中充填的空氣、液體、泥砂石+液體，并繞過被探物體，由此可通過 近測線的一側(cè)界面反射時間和遠(yuǎn)方側(cè)界面反射時間計算出物體的大小，并進(jìn)而計算出物體 中充填物的波速而得知充填物為何;橫波不能穿過空氣和液體而被反射;縱橫波的行為可 互相校核。
[0049] B.頻率低于3000Hz的橫波將穿過泥砂石+液體的混合介質(zhì)，超過3500Hz的橫波將 穿不過泥砂石+液體的混合介質(zhì)而反射；
[0050] C.對于裂隙水、橫波的頻率需達(dá)到7000Hz以上才被2cm寬的含水裂隙阻擋而反射， 并在時間剖面上可以分辨和發(fā)現(xiàn)；
[0051] D.波穿不過而反射在時間剖面圖上反映為反射強(qiáng)度增大和被探查體相對測線的 近方一側(cè)界面以及遠(yuǎn)方側(cè)界面的反射波同相軸中間散射雜波少的特征，對比不同頻段的縱 波和橫波時間剖面圖可發(fā)現(xiàn)這些特征。
[0052] 3.激發(fā)和接收高、寬頻帶的波
[0053]采用新型的激震方式激發(fā)高、寬頻帶的波，并用極小震-檢距超寬頻帶彈性波反射 連續(xù)剖面法。傳統(tǒng)的激震方式是通過炸藥、錘擊等方式，使爆炸或重錘打擊墊板與土、巖的 接觸面產(chǎn)生振動，因此頻率低而頻段窄。本發(fā)明可以通過錘擊一個鋼桿或小金屬塊產(chǎn)生高 寬頻振動而成為震源，振動傳到土、巖中傳播，因此可產(chǎn)生高寬頻的振波，其頻率從幾十Hz 到20000Hz;同時采用了陸地聲納法專用的超寬頻帶的檢波器。高頻振波的產(chǎn)生方法具體可 以參見申請?zhí)枮?01310473313.4,名稱為"一種彈性波勘探的子波分析裝置及其激震方法" 的中國發(fā)明專利。圖9為實測的激震頻譜，圖10為下嘎來奧伊河約300m深花崗巖面反射波頻 譜。可以看到頻率可高達(dá)10000Hz以上。
[0054]在采用如此高的頻率段工作時，高頻成分能都被吸收嗎？除了實踐結(jié)果和模擬試 驗外，還應(yīng)在理論上有更充分的說服力，在理論推導(dǎo)方面得到下結(jié)論。
[0055]從波動方程可以推導(dǎo)出
[0058]傳統(tǒng)方法，例如地震勘探方法，使用的頻率為40Hz左右(如石油地震)到200Hz左右 (如淺層探查），因此人們研究的是滿足 [0059] 的情況
[0060]分析上面2式，可以看出當(dāng)粘滯介質(zhì)中n是常數(shù)時，如果波的頻率很低則上式中V ?可忽略不計，于是經(jīng)化簡后得到
[0062]說明當(dāng)頻率較低時（如地震波的頻譜范圍），地震波在粘滯介質(zhì)中以恒速VP傳播， 振幅隨w2增加而衰減(因為a同《2成正比，圓頻率《 =2iif，f為頻率）。
[0063] 而本發(fā)明研究的是針對很高頻率的情況，例如2000Hz~8000Hz.
[0064]這時q' co>>A+2]i
[0067]吸收系數(shù)與圓頻率的平方根成正比
[0068] 說明當(dāng)頻率較高時，彈性波在粘滯介質(zhì)中以恒速￥1)傳播，振幅隨《 1/2增加而衰減 (因為<!同《1/2成正比）。
[0069] 本發(fā)明的有益效果可以總結(jié)如下：
[0070] 1、本發(fā)明解決了業(yè)內(nèi)一直無法突破的用彈性波法直接勘查地下水及其它流體、氣 體物質(zhì)問題，尤其是可以探測影響工程安全和質(zhì)量的直徑1米以上的溶洞及暗河內(nèi)的物質(zhì)。
[0071] 2、本發(fā)明解決了在隧道施工預(yù)報中，需要將探查設(shè)備安裝在全斷面掘進(jìn)機(jī)上自動 探查地下水及其它流體、氣體物質(zhì)時，盾構(gòu)機(jī)和TBM這樣的運(yùn)動著的龐大金屬機(jī)械對電磁類 物探方法的強(qiáng)大干擾問題。
[0072] 3、本發(fā)明使得彈性波反射法可以直接探測到寬度2cm以上的裂隙的裂隙水，特別 是解決了隧道施工時預(yù)報可能會涌水的裂隙水、斷層水的問題。
【附圖說明】
[0073] 圖1為入射波與反射波及入射角反射角示意圖
[0074] 其中A為測量面
[0075] B為反射面 [0076] A為入射角和反射角
[0077]圖2為檢波器、檢波器縱軸、及質(zhì)點運(yùn)動方向示意圖 [0078]其中A為檢波器縱軸線
[0079] a為質(zhì)點垂直檢波器縱軸運(yùn)動方向
[0080] b為質(zhì)點順檢波器縱軸運(yùn)動方向
[0081] 圖3為某次隧道施工地質(zhì)預(yù)報條測線上用極小震-檢距超寬頻帶彈性波反射連續(xù) 剖面法得到的縱波時間剖面；
[0082]其中&1、&2、&3、&4、 &5分別為第1、第2、第3、第4和第5個反射面的反射波同相軸;文件 名：testZ-1000-1500Hz，道數(shù):50，時間單位:ms。
[0083]圖4為某次隧道施工地質(zhì)預(yù)報條測線上用極小震-檢距超寬頻帶彈性波反射連續(xù) 剖面法得到的橫波時間剖面；
[0084]其中，匕、132、13344、135分別為第1、第2、第3、第4和第5個反射面的反射波同相軸；文 件名：testZ-1000-1500Hz，道數(shù):50，時間單位:ms。
[0085] 圖5為典型實驗之一的實驗樓房剖面圖，其中51為一樓地板，52為二樓地板，53為 三樓地板，54為四樓地板，55為電梯間，56為窗戶，57為大廳，58為測線方向。
[0086] 圖6為典型實驗之一用極小震-檢距超寬頻帶彈性波反射連續(xù)剖面法的時間剖面 圖，濾波頻帶為1000~1500Hz
[0087]其中（1)為一樓地板的反射波同相軸；
[0088] (2)為二樓地板的反射波同相軸，可以見到同相軸只有樓寬的近一半，僅到挑臺邊 緣；
[0089] (3)為三樓地板的反射波同相軸；
[0090]圖7為典型實驗之二的縱波的時間剖面圖，濾波檔為3000~3500Hz
[0091] 其中
[0092] 1為模型1近探查面的面的反射波同相軸；
[0093] 2為波繞過模型1從其"圍巖"到達(dá)模型1在探查面遠(yuǎn)側(cè)面的反射波同相軸；
[0094] 3為波穿過模型1中的空氣到達(dá)模型1在探查面遠(yuǎn)側(cè)面的反射波同相軸；
[0095] 4為模型2近探查面的面的反射波同相軸
[0096] 5為波繞過模型2從其"圍巖"到達(dá)模型2在探查面遠(yuǎn)側(cè)面的反射波同相軸；
[0097] 6為波穿過模型2中的水到達(dá)模型1在探查面遠(yuǎn)側(cè)面的反射波同相軸；
[0098] 7為模型3近探查面的面的反射波同相軸；
[0099]圖8為典型實驗之二橫波的時間剖面圖，濾波檔為3000~3500Hz
[0100] 其中
[0101] 1為模型1近探查面的面的反射波同相軸；
[0102] 2為波繞過模型1從其"圍巖"到達(dá)模型1在探查面遠(yuǎn)側(cè)面的反射波同相軸；
[0103] 4為模型2近探查面的面的反射波同相軸；
[0104] 5為波繞過模型2從其"圍巖"到達(dá)模型2在探查面遠(yuǎn)側(cè)面的反射波同相軸；
[0105] 7為模型3近探查面的面的反射波同相軸；
[0106] 8為波繞過模型3從其"圍巖"到達(dá)模型2在探查面遠(yuǎn)側(cè)面的反射波同相軸；
[0107]圖9為激震頻譜圖，其中縱軸為幅度，橫軸為頻率。
[0108] 圖10為下嘎來奧伊河礦區(qū)約300m深花崗巖面反射波頻譜圖，其中縱軸為幅度，橫 軸為頻率。.
【具體實施方式】
[0109] 為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合 附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以 解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0110] -種采用彈性波反射法探查地下巖體中流體和氣體的方法，用于發(fā)現(xiàn)被探查物體 的彈性波要能夠繞過所述被探查物體，并在所述被探查物體周邊的包含巖體在內(nèi)的介質(zhì)中 傳播，并達(dá)到所述被探查物體相對測線的遠(yuǎn)方一側(cè)界面進(jìn)行反射;并且，使用的彈性波還要 能夠穿過所述被探查物體中的空間或者充滿的物質(zhì)并達(dá)到所述被探查物體遠(yuǎn)方側(cè)界面反 射;為此需要滿足如下條件：
[0111] A.所述用于發(fā)現(xiàn)被探查物體的彈性波的頻段要使波長要小于所述被探查物體的 大小尺寸之4倍，其中波長的計算公式為
[0112] 波長入= v/f
[0113] 其中f為頻率
[0114] V為波速；
[0115] 從而得到所述被探查物體相對測線的近方一側(cè)界面以及遠(yuǎn)方側(cè)界面反射波的同 相軸;所述用于發(fā)現(xiàn)被探查物體的彈性波的縱波穿過所述被探查物體中充填的氣體和/或 液體和/或泥砂石，并繞過所述被探查物體，由此計算出所述被探查物體的大小，并進(jìn)而計 算出所述被探查物體中充填物的波速;所述用于發(fā)現(xiàn)被探查物體的彈性波的橫波不能穿過 空氣和液體而被反射；
[0116] B.為了所述橫波能夠穿過泥砂石+液體的混合介質(zhì)，所述橫波的頻率要低于 3000Hz;為了所述橫波穿不過泥砂石+液體的混合介質(zhì)而反射，所述橫波的頻率要超過 3500Hz；
[0117] C.為了所述橫波被2cm寬以上的含水裂隙阻擋而反射，并在時間剖面上能夠分辨 和發(fā)現(xiàn)，所述橫波的頻率需達(dá)到7000Hz以上；
[0118] D.波穿不過而反射在時間剖面圖上反映為反射強(qiáng)度增大，并且反映為所述被探查 物體相對測線的近方一側(cè)界面以及遠(yuǎn)方側(cè)界面反射波的同相軸中間的散射雜波少的特征； 通過對比不同頻段的所述縱波和所述橫波的時間剖面圖，而分辨出這些特征。
[0119] 在更加優(yōu)選的實施例中，要將采集到的縱波與橫波分離并避開轉(zhuǎn)換波的干擾，而 采用如下方法將縱波和橫波分離并避開轉(zhuǎn)換波的干擾：
[0120] A、采用5-200cm的極小震-檢距的激震和接收方法，并且所述極小震-檢距的選擇 使得入射波對反射面的入射角〈3° ;
[0121] B、采用對垂直于檢波器的縱軸方向的質(zhì)點位移的靈敏度小于2%的檢波器構(gòu)成的 三分量檢波器，分別測量橫波和縱波，并構(gòu)建成縱波時間剖面和橫波時間剖面，并在不受到 轉(zhuǎn)換波干擾的狀態(tài)下直接測出各層的縱波和橫波波速。
[0122] 在更加優(yōu)選的實施例中，所述三分量檢波器采用能夠接受高寬頻的檢波器。
[0123] 在更加優(yōu)選的實施例中，探查lm以上大小的溶洞采用頻率高于900Hz的縱波來得 到可分辨的溶洞近端和遠(yuǎn)端面的反射同相軸；探查〇.5m以上大小的溶洞采用頻率高于 1700Hz的縱波來得到可分辨的溶洞近端和遠(yuǎn)端面的反射同相軸。
[0124] 在更加優(yōu)選的實施例中，采用能激發(fā)高寬頻波的激震方式激發(fā)所述用于發(fā)現(xiàn)被探 查物體的彈性波。
[0125] 在更加優(yōu)選的實施例中，所述高寬頻波是指頻率大于1000Hz的波。
[0126] 本發(fā)明中：
[0127] (1)采用接近零震一檢距的激震和接收方法，
[0128] (2)采用定向性很強(qiáng)的檢波器構(gòu)建三分量檢波器，直接分別接受縱波和橫波，
[0129] (3)采用高寬頻帶的激震和接收。
[0130]采用定向性很強(qiáng)的三分量檢波器，分別測量橫波和縱波，由此可以分離各層反射 面反射的縱波和橫波，不受到轉(zhuǎn)換波的干擾；由此實現(xiàn)了反射波的縱橫波分離，圖3和圖4是 采用極小震-檢距超寬頻帶彈性波反射連續(xù)剖面法的某次隧道施工地質(zhì)預(yù)報時1條測線上 得到的縱波時間剖面和橫波時間剖面(一次激震，三分量檢波器同時接收，分別制成時間剖 面)。
[0131] 典型實驗之一:在某辦公樓4樓樓板上布置測線。采用極小震-檢距超寬頻帶彈性 波反射連續(xù)剖面法探查3樓、2樓、1樓樓板的反射波。其中2樓為了一樓大廳作為挑高層僅鋪 了一半樓板，建成帶欄桿的挑臺，圖5為樓層剖面圖。垂直2樓挑臺臺邊緣方向布置的直線測 線測得的陸地聲納法的時間剖面，圖6中可以清晰地得到各層的反射波的反射同相軸，其中 2樓樓板的反射波同相軸反映了只有3樓、1樓一半寬度的挑臺結(jié)構(gòu)，圖中還可見到比樓板反 射波時間更短的波，這是從樓的固體建筑物部分繞過的波。各樓的層高以空氣的波速計算 和實際層高相符。
[0132] 典型實驗之二:在大型物理模型試驗場的1:1試驗
[0133] 模型1為距探查面8.6m的一個0.6m寬、0.7m高、厚0.4m的方形塑料桶
[0134] 模型2為距測量面14.6m的一個1.4m寬、2m高的圓柱形塑料桶
[0135] 模型3為距測量面19.3m的一個1.4m寬、2m高的圓柱形塑料桶
[0136] 模型中分別充填了空氣、水、水和泥沙混合物。采用極小震-檢距超寬頻帶彈性波 反射連續(xù)剖面法試驗結(jié)果表明（見圖7、8)，縱波可以穿過內(nèi)充的空氣和水和泥沙加水，也可 繞過通過周圍的"巖體"到達(dá)洞底反射回來（圖7);而橫波則是通不過水和空氣，只能繞過空 洞從周圍的"巖體"到達(dá)洞底反射回來（圖8)。這樣，通過穿過被測物體的波，可以確定其中 充填的介質(zhì)。
[0137] 而對于混合了砂、水、泥的充填物，縱波可以通過，而橫波則由頻率決定，從試驗可 以見到，當(dāng)頻率在3000Hz以下時，看不出橫波強(qiáng)烈反射的情況，而是穿過了充填物，而當(dāng)頻 率高達(dá)3500-4000HZ時，出現(xiàn)了明顯的橫波從充填物反射而穿不過去的現(xiàn)象，在4000Hz時， 在模型試驗的介質(zhì)中橫波波長約為30-40cm。由此可見對于混合了砂、水、泥的充填物的三 相介質(zhì)，橫波的頻率是穿透還是反射是由頻率決定的。只有頻率達(dá)到4000Hz左右才可能反 射。至于裂隙水，由于裂隙的寬度僅為厘米級，因此，使用的頻率需達(dá)8000Hz~10000Hz才產(chǎn) 生反射。
[0138] 通過錘擊一個鋼桿或小金屬塊產(chǎn)生高寬頻振動而成為震源，振動傳到土、巖中傳 播，因此可產(chǎn)生高寬頻的振波，其頻率從幾十Hz到20000Hz;同時采用了陸地聲納法專用的 超寬頻帶的檢波器。圖9為實測的激震頻譜，圖10為下嘎來奧伊河約300m深花崗巖面反射波 頻譜?？梢钥吹筋l率可高達(dá)10000Hz以上。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實 施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。
[0139] 以上通過具體的和優(yōu)選的實施例詳細(xì)的描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明 白，本發(fā)明并不局限于以上所述實施例，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、 等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種采用彈性波反射法探查地下巖體中流體和氣體的方法，其特征在于，用于發(fā)現(xiàn) 被探查物體的彈性波要能夠繞過所述被探查物體，并在所述被探查物體周邊的包含巖體在 內(nèi)的介質(zhì)中傳播，并達(dá)到所述被探查物體相對測線的遠(yuǎn)方一側(cè)界面進(jìn)行反射;并且，使用的 彈性波還要能夠穿過所述被探查物體中的空間或者充滿的物質(zhì)并達(dá)到所述被探查物體遠(yuǎn) 方側(cè)界面反射;為此需要滿足如下條件： A. 所述用于發(fā)現(xiàn)被探查物體的彈性波的頻段要使波長要小于所述被探查物體的大小 尺寸之4倍，其中波長的計算公式為 波長X = v/f 其中f為頻率 V為波速； 從而得到所述被探查物體相對測線的近方一側(cè)界面以及遠(yuǎn)方側(cè)界面反射波的同相軸； 所述用于發(fā)現(xiàn)被探查物體的彈性波的縱波穿過所述被探查物體中充填的氣體和/或液體 和/或泥砂石，并繞過所述被探查物體，由此計算出所述被探查物體的大小，并進(jìn)而計算出 所述被探查物體中充填物的波速;所述用于發(fā)現(xiàn)被探查物體的彈性波的橫波不能穿過空氣 和液體而被反射； B. 為了所述橫波能夠穿過泥砂石+液體的混合介質(zhì)，所述橫波的頻率要低于3000Hz;為 了所述橫波穿不過泥砂石+液體的混合介質(zhì)而反射，所述橫波的頻率要超過3500Hz; C. 為了所述橫波被2cm寬以上的含水裂隙阻擋而反射，并在時間剖面上能夠分辨和發(fā) 現(xiàn)，所述橫波的頻率需達(dá)到7000Hz以上； D. 波穿不過而反射在時間剖面圖上反映為反射強(qiáng)度增大，并且反映為所述被探查物體 相對測線的近方一側(cè)界面以及遠(yuǎn)方側(cè)界面反射波的同相軸中間的散射雜波少的特征;通過 對比不同頻段的所述縱波和所述橫波的時間剖面圖，而分辨出這些特征。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用彈性波反射法探查地下巖體中流體和氣體的方法，其特 征在于，要將采集到的縱波與橫波分離并避開轉(zhuǎn)換波的干擾，采用如下方法將縱波和橫波 分離并避開轉(zhuǎn)換波的干擾： A、 采用5-200cm的極小震-檢距的激震和接收方法，并且所述極小震-檢距的選擇使得 入射波對反射面的入射角〈3° ; B、 采用對垂直于檢波器的縱軸方向的質(zhì)點位移的靈敏度小于2%的檢波器構(gòu)成的三分 量檢波器，分別測量橫波和縱波，并構(gòu)建成縱波時間剖面和橫波時間剖面，并在不受到轉(zhuǎn)換 波干擾的狀態(tài)下直接測出各層的縱波和橫波波速。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用彈性波反射法探查地下巖體中流體和氣體的方法，其特 征在于，所述三分量檢波器采用能夠接受高寬頻的檢波器。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用彈性波反射法探查地下巖體中流體和氣體的方法，其特 征在于，探查Im以上大小的溶洞采用頻率高于900Hz的縱波來得到可分辨的溶洞近端和遠(yuǎn) 端面的反射同相軸;探查0.5m以上大小的溶洞采用頻率高于1700Hz的縱波來得到可分辨的 溶洞近端和遠(yuǎn)端面的反射同相軸。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用彈性波反射法探查地下巖體中流體和氣體的方法，其特 征在于，采用能激發(fā)高寬頻波的激震方式激發(fā)所述用于發(fā)現(xiàn)被探查物體的彈性波。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的采用彈性波反射法探查地下巖體中流體和氣體的方法，其特 征在于，所述高寬頻波是指頻率大于1000Hz的波。
【文檔編號】G01V1/00GK105891873SQ201610436213
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月17日
【發(fā)明人】鐘世航, 孫宏志, 王澤峰, 王榮, 鐘百同
【申請人】鐘世航, 王榮