CN104570057A - 一种基于人工夯锤震源的水上地震折射数据采集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明设计出了一套绿色环保的人工夯锤震源采集系统替代炸药震源采集系统,属于工程勘察领域,解决了炸药震源对生态环境破坏和污染问题。发明中的采用自主设计的人工夯锤,其激发能量经过一系列试验验证,满足一般浅层地震工程的勘测要求。对于跨江剖面的水上地震折射数据采集,发明选用相遇时距曲线观测系统,在岸边使用人工夯锤敲击铝合金板激发地震波,用船沿事先布置的测线将水听器运到接收点位置,然后按一定间距逐点接收地震波来完成数据的采集。该方法单位已成功应用于国内、外水电工程,取得了良好的效果,实用性强。发明改变了传统水上地震折射勘探的数据采集与作业方式,在水电水上勘探中有广泛的市场前景和推广价值。

Description

一种基于人工夯锤震源的水上地震折射数据采集方法
技术领域
本发明属工程勘察技术领域,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,特别涉及一种基于人工夯锤震源的水上地震折射数据采集方法。
背景技术
在工程勘察中常需查明各个区域的覆盖层厚度、风化层厚度,了解下伏基岩纵波速度以及低速带的分布范围。折射波法是水电工程地震勘探中应用最为广泛的,也是较为成熟的方法之一。地层中当下层介质的速度大于上层介质时,以临界角入射的地震波在沿下层介质的界面滑行的同时,在上层介质中产生折射波。用仪器记录出折射波的传播时间、分析解释地震记录,可以推断出岩石性质、结构和几何参数,从而达到各类地质条件以及地层破裂带的调查和工程质量检测的目的。
传统的水上地震折射波法勘探是运用激发接收互换原理,采用相遇时距曲线观测系统,在所布测线河中激发点位置用炸药震源激发地震波,河两岸测线端点布设检波器接收地震波来进行外业的数据采集。传统采集方式由于使用到炸药震源,对生态环境具有巨大的破坏性,而且有着较大的施工危险性。因此需要寻找一套绿色环保,高效率、低成本,安全可靠的替代炸药震源系统的数据采集方式。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足,提供一种基于人工夯锤震源的水上地震折射数据采集方法,该方法具有绿色环保,高效率低成本,安全可靠的特点。
本发明采用的技术方案如下:
一种基于人工夯锤震源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;第二,测线要尽可能与其他物探测线或钻探的勘探线一致;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),确定激发点位置及水听器间距:所述的水上地震折射波法激发点选择在岸边,水听器间距为5m~10m;激发点没有具体规定的固定位置,原则是选择尽可能靠近江边,便于锤击的地方;当左右两岸的激发点确定后,即认为探测剖面长度也确定,在此剖面的工作过程中,激发点位置不得更改和移位;
步骤(3),架设跨江剖面,布设数据传输电缆:设计好跨江剖面后,在河岸两端架设钢丝绳,钢丝绳上挂上挂钩,数据电缆从挂钩中通过;跨江剖面是依据试验工作的结果来设计的,主要考虑以下几个方面:勘察河段江面宽度、水深、水流速、折射波盲区大小、待探测目的层厚度、江水和冲积层综合波速、河床基岩地震波速,跨江剖面是斜交水流或河床布置,这样有利于提高解释点数量,剖面长度通常规控制在2~5倍河流宽度;在2~5倍河流宽度范围中中选择时,当探测目的层较薄时,设计剖面可适当缩短;探测目的层较厚时,要加长设计剖面长度,否则会导致盲区段长,有用解释段短,探测成果少。
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,采用人工夯锤敲击其铝合金板,夯锤的底端(锤头)离垫板的距离要控制在50cm~80cm之间,向下敲击的同时,要施加猛烈的下压力,使夯锤的下落速度大于自由落体速度,这样施加在垫板上的压力就更大,激发的地震波能量也大,采集的数据质量相对会好些。用船沿步骤(1)布置的测线按固定间距逐点用单道水听器接收地震波,水听器接收到的地震波通过与之相连的电缆传输至地震仪内显示、保存和处理,完成一边数据采集后,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,从而最终完成整个数据采集过程。
步骤(5),数据处理:经过处理、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数据;根据原始记录,读取折射波初至时间,并依据时间与距离的关系,绘制地震折射波时距曲线,采用《水利水电工程物探规程》上的解释方法,计算出个测点的河床冲积层厚度、河床基岩波速;当实测基岩波速较高时,说明河床基岩较完整;当基岩波速有突变时,说明有断裂构造;当某段河床基岩波速较低,偏离正常值较大时,说明此段较破碎,属波速异常。
其中波速高低以及突变是根据《水利水电工程物探规程》等相关文献所记载的被测量基岩波速的范围来确定的。当低于范围值为波速较低;反之亦然。
本发明技术方案中步骤(4)所述的人工夯锤包括锤头、顶板、两杆件和垫板;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。
整个采集系统的构成主要分为三个部分:⑴地震仪主机采集系统;⑵传输电缆与水听器系统;⑶激发地震波的夯锤系统。三部分的连接方式为现有技术。
工作流程如下:采集系统的地震仪与水听器系统、触发地震波的夯锤系统连接正常,地震仪处于接收状态,等待激发系统的开门接收指令,从设计剖面的端点至终点开始进行相同水听器间距的接收,当夯锤底端接触垫板面的瞬间,触发开关打开并发出计时信号,地震仪接收到计时信号时,开始记录并保存波形文件;直至完成此方向的激发接收;同理,继续完成反方向的接收与采集,即为完成该剖面的激发与接收工作。
本发明与现有技术相比,其有益效果为:
(1)本发明提供的于人工夯锤震源的水上地震折射数据采集方法,改变了河中放炮两端检波器接收的传统炸药震源采集方式,在保证目标勘探深度的条件下布置跨江剖面,采用安全可靠的人工夯锤敲击铝合金板来代替炸药震源激发地震波,在河中采用单道水听器来接收地震信号完成外业数据采集。该创新方法绿色环保,效率高、成本低,安全可靠,本单位经过一系列的试验和内部推广,已成功应用于国内、外水电工程,取得了良好的效果,实用性较强;
(2)本发明采用人工夯锤克服了现有技术中一般大锤激发能量不足,机械夯锤笨重,拆卸不便,实用性不强等缺点,提供了一种拆卸方便、地震波能量和频率匹配度可调的组装式夯锤,该人工夯锤便于运输,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;
(3)本发明基于夯锤震源系统的水上地震折射勘探的数据采集与作业方式,避免了使用炸药震源对生态环境破坏和污染问题,施工安全性大大提高,实用性强目前已成功应用于国内、外水电工程,取得了良好的效果。在水电工程水上地震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,在保山龙江水电站,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),确定激发点位置及水听器间距: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,一般做折射波法应该据试验工作设计激发点位置及水听器距离;所述的水上地震折射波法激发点选择在岸边,水听器间距为5m~10m;激发点没有具体规定的固定位置,原则是选择尽可能靠近江边,便于锤击的地方;当左右两岸的激发点确定后,即认为探测剖面长度也确定,在此剖面的工作过程中,激发点位置不得更改和移位。例如,保山龙江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,布设数据传输电缆:设计好跨江剖面后,在河岸两端架设钢丝绳,钢丝绳上挂上挂钩,数据电缆从挂钩中通过,以保证施工时岸边主机能和河中间位置的水听器连接,且数据电缆不会落入水中;跨江剖面是斜交水流或河床布置,剖面长度为2~5倍河流宽度;在2~5倍河流宽度范围中中选择时,当探测目的层较薄时,设计剖面可适当缩短;探测目的层较厚时,要加长设计剖面长度,否则会导致盲区段长,有用解释段短,探测成果少。
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,采用人工夯锤敲击其铝合金板,夯锤的底端(锤头)离垫板的距离要控制在50cm~80cm之间,向下敲击的同时,要施加猛烈的下压力,使夯锤的下落速度大于自由落体速度,这样施加在垫板上的压力就更大,激发的地震波能量也大,采集的数据质量相对会好些。用船沿步骤(1)布置的测线按固定间距逐点用单道水听器接收地震波,水听器接收到的地震波通过与之相连的电缆传输至地震仪内显示、保存和处理,完成一边数据采集后,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,从而最终完成整个数据采集过程。
步骤(5),数据处理:经过处理、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数据;根据原始记录,读取折射波初至时间,并依据时间与距离的关系,绘制地震折射波时距曲线,采用《水利水电工程物探规程》上的解释方法,计算出个测点的河床冲积层厚度、河床基岩波速;当实测基岩波速较高时,说明河床基岩较完整;当基岩波速有突变时,说明有断裂构造;当某段河床基岩波速较低,偏离正常值较大时,说明此段较破碎,属波速异常。在保山龙江水电站水上地震折射勘探中,就是应用延迟时法进行处理解释,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2-5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,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;第二,测线要尽可能与其他物探测线或钻探的勘探线一致;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),确定激发点位置及水听器间距:所述的水上地震折射波法激发点选择在岸边,水听器间距为5m~10m;激发点没有具体规定的固定位置,原则是选择尽可能靠近江边,便于锤击的地方;当左右两岸的激发点确定后,即认为探测剖面长度也确定,在此剖面的工作过程中,激发点位置不得更改和移位;
步骤(3),架设跨江剖面,布设数据传输电缆:设计好跨江剖面后,在河岸两端架设钢丝绳,钢丝绳上挂上挂钩,数据电缆从挂钩中通过;跨江剖面是斜交水流或河床布置,剖面长度为2~5倍河流宽度;
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,采用人工夯锤敲击其铝合金板,夯锤的底端离垫板的距离要控制在50cm~80cm之间,向下敲击的同时,要施加猛烈的下压力,使夯锤的下落速度大于自由落体速度,用船沿步骤(1)布置的测线按固定间距逐点用单道水听器接收地震波,水听器接收到的地震波通过与之相连的电缆传输至地震仪内显示、保存和处理,完成一边数据采集后,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,从而最终完成整个数据采集过程;
步骤(5),数据处理:经过处理、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数据;在处理时,根据原始记录,读取折射波初至时间,并依据时间与距离的关系,绘制地震折射波时距曲线,并计算出个测点的河床冲积层厚度、河床基岩波速;当实测基岩波速较高时,说明河床基岩较完整;当基岩波速有突变时,说明有断裂构造;当某段河床基岩波速较低,偏离正常值较大时,说明此段较破碎,属波速异常。
2.根据权利要求1所述的基于人工夯锤震源的水上地震折射数据采集方法,其特征在于步骤(4)所述的人工夯锤包括锤头、顶板、两杆件和垫板;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。
3.根据权利要求2所述的基于人工夯锤震源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。
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