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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,第8章 瑞雷波地震勘探,第8章 瑞雷波地震勘探,瑞雷波勘探方法是一種以瑞雷面波作為有效波，在幾十米深度范圍內(nèi)探查地質(zhì)體的一種物探方法。作為地震勘探中的一個分支，瑞雷波勘探是自20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新的淺層勘探手段。它是基于不同振動頻率的瑞雷波沿深度方向衰減的差異，通過測量不同頻率成分(反映不同深度)瑞雷波的傳播速度，來探測不同深度巖、礦層及其中的構(gòu)造、洞穴等地質(zhì)體(如不同深度煤層及圍巖內(nèi)的斷層、空洞、老窯、巖溶等)的。由于各種巖、礦層及地質(zhì)體的密度和彈性參數(shù)不同，致使瑞雷波的傳播速度有明顯差別，因而

2、可以利用瑞雷波的傳播速度作為區(qū)分地質(zhì)體的重要標(biāo)志。,第8章 瑞雷波地震勘探,1887年，Rayleigh首先發(fā)現(xiàn)了瑞雷波的存在并揭示了瑞雷波在彈性半空間介質(zhì)中的傳播特性。20世紀(jì)50年代初人們又發(fā)現(xiàn)了瑞雷波的頻散特性，隨之開始了利用天然地震記錄中的瑞雷波探測地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究。,我國瑞雷面波法工程勘探的研究始于20世紀(jì)80年代中期，1987年，鐵路系統(tǒng)首先引進(jìn)GR-810型面波勘探僅用以解決鐵路和公路路基的勘探問題。,礦井構(gòu)造探測方面，煤科總院西安分院于1988年引進(jìn)了GR-8l0型儀器，并于引進(jìn)前后在地面和煤礦井下開展了大量的探測試驗，取得了較好的地質(zhì)效果。,第8章 瑞雷波地震勘探,近年來，

3、瑞雷波勘探已在礦井和地面工程中被廣泛的應(yīng)用，取得了一些可喜的成果。對于礦井瑞雷波勘探技術(shù)，它具有一定的優(yōu)點：,1）這是一種真正從地面開始幾十米深范圍內(nèi)(煤礦井下從探測面往前幾十米深)的淺層彈性波無損探測方法，既可用于分層探測，又可用于構(gòu)造探測；,2）施工面積小，移動方便，適于在煤礦井下(包括獨頭巷道)的探明使用；,3）既可進(jìn)行垂直方向的探測，又可進(jìn)行水平方向的探測(加工作面前方的超前探測)；,第8章 瑞雷波地震勘探,4）抗干擾能力強(qiáng)，不受井下各種交流電場的干擾；,5）只要介質(zhì)有波速差異(不小于10%)就可以精確進(jìn)行分辨，探測精度比較高，勘探的深度誤差一般在5%以內(nèi)。,6）在高泊松比介質(zhì)中，面波

4、波速接近于橫波波速，并具有相關(guān)性，即面波波速與介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。,8.1.1 瑞雷波的傳播,8.1,瑞雷波的性質(zhì),瑞雷波傳播、衰減與質(zhì)點運動,(a)瑞雷波在半無限的固體介質(zhì)中，波動的垂直剖面，它隨深度的增加而逐漸消失；,(b)預(yù)測的地表質(zhì)點運動軌跡；,(c)實際記錄的運動軌跡；,(d)小藥量激發(fā)，用埋置的檢波器接收到的瑞雷波。運動軌跡在淺部是逆滾式，大約在4m左右，變?yōu)榍巴剖健?8.1,瑞雷波的性質(zhì),沿自由界面?zhèn)鞑サ倪@種瑞雷面波具有以下特征：,1）它具有一個沿表面?zhèn)鞑サ呐c頻率無關(guān)的速度，這一速度比介質(zhì)體波中的橫波速度略小。,2）表面上質(zhì)點的運動軌跡不是線性的而是橢圓形的(它是由縱波P

5、和橫波S波沿自由界面?zhèn)鞑ハ嗷クB加而形成)。,3）這種波的振幅隨距界面深度的加大而呈指數(shù)下降。,以上是指在均勻、各向同性介質(zhì)表面的情況。在實際觀測中，各種巖石都是成層的非均勻介質(zhì)。在這樣的介質(zhì)表面，所觀測到的瑞雷面波將是頻散的；也就是說，瑞雷波的速度將與頻率有關(guān)，是頻率的函數(shù)。這樣，在成層的非均勻介質(zhì)的自由表面，所觀測到的瑞雷波應(yīng)是頻散的，質(zhì)點運動呈橢圓形的，其振幅隨界面深度加大而呈指數(shù)下降的一種面波。,8.1.2,瑞雷波的特征,8.1.3,瑞雷波的轉(zhuǎn)播速度,8.1,瑞雷波的性質(zhì),瑞雷波的傳播與介質(zhì)的密度和彈性性質(zhì)密切相關(guān)。瑞雷波在介質(zhì)中的傳播速度V,R,和縱波、橫波速度Vp，Vs一樣，是由介質(zhì)

6、的彈性常數(shù)(楊氏模量、泊松比等)決定的。,瑞雷波的速度始終小于S波的進(jìn)度,，但隨著泊松比接近0.5，橫波和瑞雷波的速度將趨于同一數(shù)值。,我們知道，不同巖層的泊松比是不同的。比如，對于土層，為0.450.49左右，而對于巖石，則為0.25左右。也就是說，對于土層，瑞雷波的速度幾乎與橫波相等；對于巖石，瑞雷波的速度將為0.9l94Vs。,總之，瑞雷波在土和巖石中的傳播速度接近橫波的速度Vs，而Vs往往是工程地基勘察中重要的參數(shù)。,8.1.4,瑞雷波振幅隨深度的衰減,8.1,瑞雷波的性質(zhì),瑞雷波的振幅隨深度不是均勻分布的，而是呈指數(shù)衰減，其主要能量集中在一個波長的深度范圍。對于不同彈性常量的介質(zhì)，瑞

7、雷波的衰減具有相同的總體趨勢，而衰減的速率略有差異。,8.1.5,瑞雷波的頻散,8.1,瑞雷波的性質(zhì),在均勻半無限彈性介質(zhì)中，瑞雷波速度VR是一個只與介質(zhì)彈性常量有關(guān)而與頻率無關(guān)的參數(shù)。也就是說，在均勻半無限彈性介質(zhì)情況下瑞雷波不存在頻散。但是，自然界的巖層都是成層的非均勻介質(zhì)，在這樣的介質(zhì)中，瑞雷波的傳播速度將與頻率密切相關(guān)，不同頻率成分，具有不同的瑞雷波相速度，即,瑞雷波存在頻散,。,8.2,瑞雷波勘探的基本原理,瑞雷波勘探方法的實質(zhì),：,根據(jù)不同振動頻率的瑞雷波沿深度方向衰減的差異，通過測量不同頻率成分(反映不同深度)瑞雷波的傳播速度來探測不同深度煤、巖層及其中的斷層、空洞、老窯、巖溶等

8、地質(zhì)異常體。,它的物理前提是基于煤層和頂、底板巖層及其它地質(zhì)異常體的密度和彈性常量等物理參數(shù)的不同而導(dǎo)致瑞雷波傳播速度的差別。特別是巖溶、裂隙和空洞等，因它們不具備瑞雷波傳播的條件，當(dāng)瑞雷波傳播到這些位置時會突然消失，因而可以比較容易地識別這些地質(zhì)異常。,瑞雷波沿地面表層傳播，表層的厚度約為一個波長，因此，同一波長的瑞雷波的傳播特性反映了地質(zhì)條件在水平方向的變化情況，不同波長的瑞雷波的傳播特性反映著不同深度的地質(zhì)情況。,8.2.1 瞬態(tài)瑞雷波法,8.2,瑞雷波勘探的基本原理,瞬態(tài)瑞雷面波法布置示意圖,瑞利波探測儀,8.2,瑞雷波勘探的基本原理,8.2.2 頻散曲線,8.2,瑞雷波勘探的基本原理

9、,瑞雷波記錄V,R,H曲線,瑞雷波波速分層圖,8.3.1,地層界面異常特征,8.3,瑞雷波勘探的應(yīng)用,實測“之”字型,曲線,實測“之”字型,曲線,實測“之”字型,曲線,實測“之”字型,曲線,實測“之”字型V,R,H曲線,8.3.2,洞穴界面的異常特征,8.3,瑞雷波勘探的應(yīng)用,洞穴曲線的中斷,8.3.2,洞穴界面的異常特征,8.3,瑞雷波勘探的應(yīng)用,洞穴曲線的錯斷,8.3.2,洞穴界面的異常特征,8.3,瑞雷波勘探的應(yīng)用,洞穴周圍的曲線,8.3.3,礦井探測應(yīng)用,8.3,瑞雷波勘探的應(yīng)用,用途：,煤巷掘進(jìn)工作面前方小構(gòu)造超前探測。如斷層、裂隙帶、煤層變薄等。,揭石門安全厚度檢測,含水、含瓦斯構(gòu)

10、造安全厚度檢測,下組煤深度、厚度變化,巷道底板隔水層厚度,巷道側(cè)翼斷層跟蹤,巷道側(cè)翼隱伏構(gòu)造的超前探測,工作面內(nèi)隱伏構(gòu)造、煤層不連續(xù)地質(zhì)體的探測,8.3.3,礦井探測應(yīng)用,8.3,瑞雷波勘探的應(yīng)用,國投新集一礦某巷道B7點前方揭煤時瑞雷波探測的實測波形及解析結(jié)果圖,在距離H6m處有一拐點，因此判斷該點處前方6m左右揭煤并要求做好瓦斯探放工作。后經(jīng)停頭打鉆驗證揭煤距離為6.2m，與探測結(jié)果基本一致。,8.3.3,礦井探測應(yīng)用,8.3,瑞雷波勘探的應(yīng)用,淄博葛亭礦運輸巷掘進(jìn)前方異常體瑞雷波法超前探測結(jié)果圖,從測點X1處瑞雷波V,R,-H曲線可以看出在前方15m處速度有所降低，后經(jīng)鉆探證實該處為一斷層破碎帶。,