CN104536049B - 一种漂浮缆式水听器的水上地震折射数据采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于人工夯锤震源和漂浮电缆的水上地震折射波勘探数据采集方法，属于水电工程勘察技术领域。本发明在保证目标勘探深度的条件下，采用夯锤敲击铝合金板激发地震波来代替炸药震源激发地震波，选用相遇时距曲线观测系统，在河面上布置跨河剖面，在河流两岸剖面端点分别进行敲击，创新地将海上物探使用的漂浮缆式水听器第一次应用到河流中接收地震信号，来进行外业数据采集，解决了炸药震源对生态环境破坏和污染问题，绿色环保。本发明方法已成功应用于国内、外水电工程，取得了良好的效果，实用性强，改变了传统水上地震折射勘探的数据采集与作业方式，满足一般浅层地震工程的勘测要求，在水电水上勘探中有广泛的市场前景和推广价值。

Description

一种漂浮缆式水听器的水上地震折射数据采集方法

技术领域

本发明属于水电工程勘察技术领域，具体说属于工程勘察技术领域中地球物理勘探的地震勘探领域，特别涉及一种基于漂浮缆式水听器的水上地震折射数据采集方法。

背景技术

水电前期各阶段的勘察主要是选择合适的坝址、调查库区地质条件等，在工程探测中查明各个区域的覆盖层厚度、风化层厚度和冲击层厚度，了解下伏基岩纵波速度以及低速带的分布范围。在水利水电地球物理勘探中，水上地震折射勘探是最为常见的一种物探方法。目前，在水电工程坝址河床勘探获取冲积层厚度和基层波速时，主要通过炸药震源布置地震折射剖面来进行勘察。但是，随着西部大开发的深入，国外项目的增多，水上地震折射勘探的作业环境也随之发生了根本性的改变。一方面，水上地震折射勘探趋向于在相对狭窄、水流湍急，且多数不具备通航条件的河段开展；另一方面火工材料的购买、运输、保管、使用和销毁等环节变得异常艰难，甚至有些工地根本无法获取火工材料。这给传统水上地震勘探工作带来巨大困难，甚至无法开展，因此，要结合海上物探工作方法，寻找以非爆炸震源替代炸药震源的一种绿色环保，高效率低成本，安全可靠的水上地震折射数据采集方式。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于人工夯锤震源和漂浮缆式水听器的水上地震折射数据采集方法，在保证目标勘探深度的条件下，采用绿色环保，高效率低成本，安全可靠夯锤敲击铝合金板激发地震波来代替炸药震源激发地震波，在河面上布置跨河剖面，在河流两岸剖面站点进行撞击，在河中采用海上漂浮缆式水听器来接收地震信号的方式来进行外业的数据采集。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于人工夯锤震源和漂浮缆式水听器的水上地震折射数据采集方法，包括如下步骤：

步骤（1），测线设计：根据工作任务、探测对象、地质构造和地形条件确定测线的布置，沿顺江剖面和跨江剖面做水上地震折射波测线布置。测线布置应该遵循以下基本原则：第一，测线力求为直线，尽量垂直岩层或构造的走向；第二，测线要尽可能与其他物探测线或钻探的勘探线重合；第三，测线要均匀地分布在全测区；第四，当地层倾角较大时，应改变测线方向以避免盲区过大或接收不到折射波。

步骤（2），确定激发点位置：折射波的接收地段必须在盲区范围之外，但盲区范围随折射界面的深度、倾斜情况以及临界角的大小而变化；地震折射波法在设计观测系统时根据据试验工作设计激发点位置，而水上地震折射波法激发点设在岸边；试验工作布置在拟定测区内河道相对较直、水流相对较平稳的河段；在无已知资料时，根据河流宽度，初步设计试验剖面长度为河流宽度的2~5倍；因左、右岸激发点是在剖面上的，所以布置剖面时要兼顾选取的激发点的位置，使其尽可能靠近岸边且便于敲击，左、右岸激发点选定后，该两点间的距离即为剖面长度，在剖面的测试过程中，激发点位置不得更改和移动；

步骤（3），架设跨江剖面：设计好跨江剖面后，以剖面左、右两端为端点架设钢丝绳，钢丝绳上挂上挂钩，数据电缆从挂钩中通过；挂钩上挂上固定漂浮缆式水听器的绳子，并将漂浮缆式水听器系在绳子上，保证漂浮缆式水听器呈直线，且不会被水流冲走；根据测试剖面实验结果，确定跨江剖面的长度范围，为使所测河段内的解释点均匀分布，跨江剖面为平行等间距布置；依据勘察精度的要求确定剖面间距大小，间距为20m~40m，挂钩的间距为5m或10m；原因有两点，其一：挂钩间距可用作接收点间距，便于计数；其二，相同的挂钩间距可以保证电缆的受力均匀，使电缆线不易落水，延长其使用寿命；

步骤（4），数据采集：采用相遇时距曲线观测系统，在步骤（2）确定的一侧岸边激发点位置，采用人工夯锤敲击激发地震波，对人工夯锤敲击其铝合金板激发地震波的能量的具体要求如下：夯锤底端锤击点离垫板面的距离一般为40cm~60cm；在40cm~60cm范围内选择时，当探测目的层相对较薄时，能量可以相对小，夯锤底端与垫板的距离可在40cm~50cm之间，采用自由落体的速度进行锤击；当探测目的层相对较厚时，所需能量也大，夯锤底端与垫板之间的距离要在60cm左右，并在夯锤下落的瞬间需要人工施加向下的动力，以确保夯锤下落的速度大于自由落体运动的速度，从而增大夯锤的冲击力度。

用漂浮缆式水听器接收地震波，完成一侧的数据采集后，改变激发点到步骤（2）确定的另一侧岸边激发点位置，重复以上采集过程，从而最终完成数据采集。漂浮缆式水听器为单道水听器，无间距要求，除最后一次端点的接收外，每次接收地震波后，水听器都要求按固定等间距移动，目的是使接收点相对激发点的距离等于整倍数，便于资料的处理、制表、绘图。

步骤（5），数据处理：在数据集采集后，经过数据处理、解释便可得到各类地质条件以及地层破裂带的调查和土建工程质量检测的目的。根据同一剖面相同激发点不同接收点的地震记录，读取折射波旅行时间，绘制综合时距曲线，在t₀法、延迟时法、共轭点法、时间场法等浅层地震折射波勘探解释方法中任选一种，求解折射界面上覆介质平均速度、基岩波速和界面深度。根据定量解释成果，绘制河床基岩波速等值线图和河床冲积层厚度等值线图，依据基岩波速大小，可初步评价测区河段内的河床基岩完整性。

其中，t₀法、延迟时法、共轭点法或时间场法可根据《水利水电工程物探规程》等相关文献所记载的内容来确定。

本发明技术方案中步骤（4）所述的人工夯锤包括锤头、顶板、杆和垫板；所述锤头为圆柱状，上端设置有多个螺纹孔，下端为能够增加激发能量的圆弧形；所述顶板为矩形板，上部设置有多个与锤头上螺纹孔对应的通孔，其通过多个螺栓固定连接于锤头上端；所述顶板的上端面上对称设置有供杆件穿过的挑环，两杆件穿过挑环对称位于顶板上；所述垫板为截头锥台形，直径较小的端面和锤头的下端通过多个螺栓固定连接；所述顶板和垫板上各设置一颗用于紧固触发线的紧固螺栓；所述垫板由铝合金制成。

进一步，优选的是所述锤头的侧壁上设置有吊环。

进一步，优选的是所述吊环通过螺纹结构与锤头固定连接。

进一步，优选的是所述垫板的侧壁上设置供绳索栓挂的孔。

进一步，优选的是所述垫板的厚度为40mm，两端的直径分别为198.76mm、172.19mm。

本发明采用一种便于运输、可以拆卸，施工起来安全、可靠，激发能量能达到勘探要求的夯锤震源在河岸激发地震波，水中采用海上漂浮缆式水听器接收地震波，并根据测线设计从剖面的一端开始进行激发和接收，按照一定的间距向剖面的另一端不断改变漂浮缆式水听器位置，每移动一次进行一次激发和接收；然后改变激发点位置到河的另一岸，重复以上采集过程，从而最终完成整个数据采集过程。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

（1）本发明的人工夯锤中使用铝合金板替代传统铁垫板，实验表明采用一定规格的铝合金板代替铁板敲击能激发出频率更高，能量更大、更集中的地震波，此种夯锤震源代替炸药震源的外业数据采集模式；

（2）本发明海上漂浮缆式水听器的使用，更改了传统炸药震源河中激发，检波器在河流两岸接收地震信号的采集方式，变为河流两岸剖面端点激发，河中漂浮缆式水听器接收，完成数据采集，更加安全可靠；

（3）本发明满足一般浅层地震工程的勘测要求，并将海上物探使用的漂浮缆式水听器应用到河流中也是第一次创新和改进。

（4）本发明设计出了一套基于夯锤震源和漂浮电缆系统的水上地震折射勘探的数据采集与作业方式，解决了使用炸药震源对生态环境破坏和污染的问题，施工安全性大大提高，已成功应用于国内、外水电工程，取得了良好的效果，在水电水上勘探中有广泛的市场前景和推广价值。

附图说明

图1为本发明的水上地震折射勘探野外数据采集施工示意图；

图2为本发明人工夯锤的锤头的立体图；

图3为本发明人工夯锤的顶板的立体图；

图4为本发明人工夯锤的垫板的立体图；

图5为本发明人工夯锤的装配立体图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

如图1所示，一种基于人工夯锤震源和漂浮缆式水听器的水上地震折射数据采集方法，包括如下步骤：

步骤（1），测线设计：根据工作任务、探测对象、地质构造和地形条件确定测线的布置；沿顺江剖面和跨江剖面做水上地震折射波测线布置，其中，第一，要求测线力求为直线，尽量垂直岩层或构造的走向，便于最大限度地控制构造形态，以利于资料的整理与分析；第二，测线要尽可能与其他物探测线或钻探的勘探线一致，便于结合地质资料进行分析解释；第三，测线要均匀地分布在全测区，以利于资料的对比与综合分析；第四，当地层倾角较大时，应改变测线方向以避免盲区过大或接收不到折射波。例如，在南盘江大桥水电站，水上地震折射勘探的任务主要是探测河床冲积层厚度、基岩波速和顺河断裂构造；测区两岸地形陡峻。根据以上设计原则，测线为直线，与顺河构造和河床斜交，过坝址钻孔布置，成网状均匀分布于测区。

步骤（2），确定激发点位置：折射波的接收地段必须在盲区范围之外，但盲区范围随折射界面的深度、倾斜情况以及临界角的大小而变化；地震折射波法在设计观测系统时根据据试验工作设计激发点位置，而水上地震折射波法激发点设在岸边；试验工作布置在拟定测区内河道相对较直、水流相对较平稳的河段；在无已知资料时，根据河流宽度，初步设计试验剖面长度为河流宽度的2~5倍；因左、右岸激发点是在剖面上的，所以布置剖面时要兼顾选取的激发点的位置，使其尽可能靠近岸边且便于敲击，左、右岸激发点选定后，该两点间的距离即为剖面长度，在剖面的测试过程中，激发点位置不得更改和移动。例如，南盘江大桥水电站水上地震折射勘探中，由于江面宽度为40~50m，则测线长度按100~180m布置，激发点间距为10m，保证检波器能有效接收到4个以上激发点的折射波；检波器布置在江水边、每条测线的两个端点上。

步骤（3），架设跨江剖面：设计好跨江剖面后，以剖面左、右两端为端点架设钢丝绳，钢丝绳上挂上挂钩，数据电缆从挂钩中通过；挂钩上挂上固定漂浮缆式水听器的绳子，并将漂浮缆式水听器系在绳子上，保证漂浮缆式水听器呈直线，且不会被水流冲走；根据测试剖面实验结果，确定跨江剖面的长度范围，为使所测河段内的解释点均匀分布，跨江剖面为平行等间距布置；依据勘察精度的要求确定剖面间距大小，间距为20m~40m，挂钩的间距为5m或10m；原因有两点，其一：挂钩间距可用作接收点间距，便于计数；其二，相同的挂钩间距可以保证电缆的受力均匀，使电缆线不易落水，延长其使用寿命；

步骤（4），数据采集：采用相遇时距曲线观测系统，在步骤（2）确定的一侧岸边激发点位置，采用人工夯锤敲击激发地震波，对人工夯锤敲击其铝合金板激发地震波的能量的具体要求如下：夯锤底端锤击点离垫板面的距离一般为40cm~60cm；在40cm~60cm范围内选择时，当探测目的层相对较薄时，能量可以相对小，夯锤底端与垫板的距离可在40cm~50cm之间，采用自由落体的速度进行锤击；当探测目的层相对较厚时，所需能量也大，夯锤底端与垫板之间的距离要在60cm左右，并在夯锤下落的瞬间需要人工施加向下的动力，以确保夯锤下落的速度大于自由落体运动的速度，从而增大夯锤的冲击力度。

用漂浮缆式水听器接收地震波，完成一侧的数据采集后，改变激发点到步骤（2）确定的另一侧岸边激发点位置，重复以上采集过程，从而最终完成数据采集。漂浮缆式水听器为单道水听器，无间距要求，除最后一次端点的接收外，每次接收地震波后，水听器都要求按固定等间距移动，目的是使接收点相对激发点的距离等于整倍数，便于资料的处理、制表、绘图。

步骤（5），数据处理：在数据集采集后，经过数据处理、解释便可得到各类地质条件以及地层破裂带的调查和土建工程质量检测的目的。根据同一剖面相同激发点不同接收点的地震记录，读取折射波旅行时间，绘制综合时距曲线，在t₀法、延迟时法、共轭点法、时间场法等浅层地震折射波勘探解释方法中任选一种，求解折射界面上覆介质平均速度、基岩波速和界面深度。根据定量解释成果，绘制河床基岩波速等值线图和河床冲积层厚度等值线图，依据基岩波速大小，可初步评价测区河段内的河床基岩完整程度。在南盘江大桥水电站水上地震折射勘探中，就是应用t0法进行处理解释，以求取折射界面上覆介质平均速度、基岩波速和界面深度的。

图2-图5所示用于激发震源的组装式夯锤，包括锤头1、顶板2、两杆件3和垫板4；

所述锤头1为圆柱状，上端设置有多个螺纹孔，下端为能够增加激发能量的圆弧形；

所述顶板2为矩形板，上部设置有多个与锤头1上螺纹孔对应的通孔，其通过多个螺栓固定连接于锤头1上端；

所述顶板2的上端面上对称设置有供杆件3穿过的挑环5，两杆件3穿过挑环5对称位于顶板2上；挑环5可通过螺纹结构连接于顶板上，杆件3可采用管径为38㎜～43㎜空心水管制成，长度为1.2m左右；

所述垫板4为截头锥台形，直径较小的端面和锤头1的下端通过多个螺栓固定连接；

所述顶板2和垫板4上各设置一颗用于紧固触发线的紧固螺栓6，在用锤头锤击时，通过这两根触发线将触发信号传至地震数据采集系统，目的是使组装式夯锤的震源激发时刻与数据采集同步。

其中，所述锤头1的侧壁上设置有吊环7，便于搬运时栓挂绳索。所述吊环7通过螺纹结构与锤头1固定连接，便于吊环7的拆卸和更换。所述垫板4的侧壁上设置供绳索栓挂的孔8，用于搬运、组装时栓挂绳索，方便搬运。作为优选的技术方案，所述垫板4的厚度为40mm，两端的直径分别为198.76mm、172.19mm。所述垫板4优选采用铝合金制成，使用铝合金材料替代传统铁制材料，实验表明采用一定规格的铝合金板代替铁板敲击能激发出频率更高，能量更大的地震波。

用于激发震源的组装式夯锤可以根据不同的目标勘察深度和勘探分辨率要求，按照设计图纸制作如50kg、70kg、90kg质量不等的夯锤，激发地震波完成反射、折射等地震浅层地震勘探。本发明采用组装式设计，可以拆卸，便于运输，施工起来安全、可靠、成本低廉、方便实用。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于人工夯锤震源和漂浮缆式水听器的水上地震折射数据采集方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤（1），测线设计：根据工作任务、探测对象、地质构造和地形条件确定测线的布置，沿顺江剖面和跨江剖面做水上地震折射波测线布置；测线布置应该遵循以下基本原则：第一，测线力求为直线，尽量垂直岩层或构造的走向；第二，测线要尽可能与其他物探测线或钻探的勘探线重合；第三，测线要均匀地分布在全测区；第四，当地层倾角较大时，应改变测线方向以避免盲区过大或接收不到折射波；

步骤（2），确定激发点位置：折射波的接收地段必须在盲区范围之外，但盲区范围随折射界面的深度、倾斜情况以及临界角的大小而变化；地震折射波法在设计观测系统时根据试验工作设计激发点位置，而水上地震折射波法激发点设在岸边；试验工作布置在拟定测区内河道相对较直、水流相对较平稳的河段；在无已知资料时，根据河流宽度，初步设计试验剖面长度为河流宽度的2~5倍；因左、右岸激发点是在剖面上的，所以布置剖面时要兼顾选取的激发点的位置，使其尽可能靠近岸边且便于敲击，左、右岸激发点选定后，该两点间的距离即为剖面长度，在剖面的测试过程中，激发点位置不得更改和移动；

步骤（3），架设跨江剖面：设计好跨江剖面后，以剖面左、右两端为端点架设钢丝绳，钢丝绳上挂上挂钩，数据电缆从挂钩中通过；挂钩上挂上固定漂浮缆式水听器的绳子，并将漂浮缆式水听器系在绳子上；根据测试剖面实验结果，确定跨江剖面的长度范围，跨江剖面为平行等间距布置；依据勘察精度的要求确定剖面间距大小，间距为20m~40m，挂钩的间距为5m或10m；

步骤（4），数据采集：采用相遇时距曲线观测系统，在步骤（2）确定的一侧岸边激发点位置，采用人工夯锤敲击激发地震波，对锤头敲击垫板激发地震波的能量的具体要求如下：夯锤锤头底端锤击点离垫板上顶面的距离为40cm~60cm；

用漂浮缆式水听器接收地震波，完成一侧的数据采集后，改变激发点到步骤（2）确定的另一侧岸边激发点位置，重复以上采集过程，从而最终完成数据采集；漂浮缆式水听器为单道水听器，无间距要求，除最后一次端点的接收外，每次接收地震波后，水听器都要求按固定等间距移动；

步骤（5），数据处理：在数据集采集后，经过数据处理、解释便可达到各类地质条件以及地层破裂带的调查和土建工程质量检测的目的；处理时，根据同一剖面相同激发点不同接收点的地震记录，读取折射波旅行时间，绘制综合时距曲线，用t₀法、延迟时法、共轭点法或时间场法浅层求解折射界面上覆介质平均速度、基岩波速和界面深度；根据定量解释成果，绘制河床基岩波速等值线图和河床冲积层厚度等值线图，依据基岩波速大小，初步评价测区河段内的河床基岩完整性。

2.根据权利要求1所述的基于人工夯锤震源和漂浮缆式水听器的水上地震折射数据采集方法，其特征在于步骤（4）所述的人工夯锤，它包括锤头、顶板、杆和垫板；所述锤头为圆柱状，上端设置有多个螺纹孔，用于与顶板连接，下端为圆弧形，用于增大激发能量；所述顶板为矩形板，上部设置有多个与锤头上螺纹孔对应的通孔，其通过多个螺栓固定连接与锤头上端；所述顶板的上端面上对称设置有供杆穿过的挑环，两杆件穿过挑环对称位于顶板上；所述垫板整体形状为实体圆台，上顶面、下底面为圆形，下底面为平面；顶板和锤头依靠7颗M20螺栓连接，此连接为固定连接；垫板由铝合金制成。

3.根据权利要求2所述的基于人工夯锤震源和漂浮缆式水听器的水上地震折射数据采集方法，其特征在于所述锤头的侧壁上设置有吊环。

4.根据权利要求3所述的基于人工夯锤震源和漂浮缆式水听器的水上地震折射数据采集方法，其特征在于所述吊环通过螺纹结构与锤头固定连接。

5.根据权利要求2所述的基于人工夯锤震源和漂浮缆式水听器的水上地震折射数据采集方法，其特征在于所述垫板的侧壁上设置供绳索栓挂的孔。

6.根据权利要求2所述的基于人工夯锤震源和漂浮缆式水听器的水上地震折射数据采集方法，其特征在于所述垫板的厚度为40mm，两端的直径分别为198.76mm、172.19mm。