kaiyun一、绪论环境工程物探是地球物理勘探的分类方法之一。物探：全称地球物理勘探。以岩矿石间的地球物理性质的差异(物性差异)为基础，通过专门仪器接收和研究地质体（构造或矿体等）在地表及其周围空间产生的地球物理场的变化和特征来推断地质体存在状态的一种勘探方法。.地球物理场，是指存在于地球内部及其周围的、具有物理作用的物质空间。例如：1）地球内部及其周围具有重力作用的物质空间，称为重力场；2）地球的磁场以及地壳内磁性体产生的磁场。地球的重力场﹑地磁场都是天然存在的地球物理场。.•1）地球物理场可分为天然存在的地球物理场和人工激发的地球物理场。•天然场：地球的重力场﹑地磁场﹑地电场﹑地温场﹑核物理场是天然存在的地球物理场﹔•人工场：由人工爆炸产生弹性波在地下传播的弹性波场﹑向地下供电在地下产生的局部电场﹑向地下发射电磁波激发出的电磁场等，属于人工的激发的地球物理场。.人工激发的地球物理场,如爆炸产生的弹性波场，弹性波在岩层中传播遇到不同密度的分界面时会发生反射、折射和能量衰减等现象，根据弹性波返回到地面的时间来研究其传播速度、岩层厚度和产状等问题。人工场源的优点是场源的参数为已知，便于控制，分辨力较高，能够取得较好的地质效果﹐但费用较大。.2）地球物理场还可分为正常场和异常场。异常场：是由勘探对象所引起的局部地球物理场。例1：赋存在地下的磁铁矿体或磁性岩体产生的磁场﹐这部分磁场迭加在它的围岩和地球其它部分产生的磁场之中﹐在研究观测得来的磁场时﹐就要区分或提取出磁异常场﹔例2：铬铁矿的密度比围岩的密度大﹐盐丘岩体的密度比围岩的密度小﹐这两种情况分别会引起重力场局部增强或减弱的异常现象。地球物理勘探正是根据对正常场和异常场的分布特征进行地质解释和推断的。.物探方法的分类(三种分类)：（1）按工作原理划分（2）按所解决的地质问题划分（3）按工作场所划分.按所解决的地质问题划分1.石油物探：主要勘察石油和天然气的储存位置和储存状态；2.煤田物探：主要解决煤田地质构造和煤层分布问题；3.金属与非金属物探：主要寻找各种固体矿产，如铁、铜、铅、锌等；4.环境与工程物探：主要解决各种岩土工程勘察及环境、水文等调查问题，如地基勘察、桥梁、隧道、水库等的选址，地下管线.放射性物探：寻找放射性铀、氡等与核工业有关的材料。.按工作场所划分1.航空物探：将地球物理勘探仪器搬到飞机上于空中进行观测，如航空磁法、航空电法、航空放射性勘探、航空重力等；2.地面物探：在地面进行工作；3.海洋物探：将仪器搬到船上进行勘探，如海洋地震、海洋重力等；4.地下物探：（钻孔地球物理勘探）将仪器放到井下或坑道进行观测，如井中磁测、井中电法、槽波地震。.基本实质：利用岩矿石的六种主要物理性质或物性参数，建立相应的六种应用地球物理方法。六种物理性质：①密度；②磁性（磁导率、磁化率、剩余磁性）；③弹性（弹性波速度）；④电性（电导率、极化率、介电常数）；⑤放射性（α、β、γ射线强度）；⑥导热性和生热率.磁法勘探：磁性差异电法勘探：应用前提是电性差异地震勘探：弹性差异重力勘探：密度差异放射性勘探：放射性强度差异按照工作原理划分.地质模型地球物理模型重力响应重力响应地球物理模型地质模型正演计算反演计算正演和反演的关系.二、地震勘探法地震勘探是根据人工激发（爆炸或撞击地面）的地震波在地下传播过程中，遇到弹性性质不同的地震界面后，在地层中产生反射和折射，部分地传回地表，用专门的仪器记录返回地面的波的旅行时间，研究振动的特征来确定产生反射或折射的界面的埋深和产状，并根据所观测的地震波在介质中传播速度及波的振幅与波形变化，探讨介质的物性与岩性。.弹性介质与地震波地震勘探的地球物理前提是地层间的弹性差异,地震勘探中将地层叫做介质;因此需要研究地层介质的弹性性质。在弹性介质内传播的地震波称地震弹性波。.弹性模量之间的关系式：其中任意一个都可以用其余两个来表示。;2623;)1(2;)21(3;39KKEEKkkE.纵波（P波）的传播特点：1.纵波质点位移大小与震源强度1(t)和震源变化率’1(t)有关；2.纵波属于体波；3.纵波质点位移的方向同波传播r的方向一致，地震勘探中将质点位移的振动方向称为极化方向，4.由于纵波在波的传播方向振动，因此是线性极化波，即纵波质点在一个周期内振动的轨迹是一条直线.由于爆炸主要产生纵波，其传播速度快，故地震勘探几乎就是纵波勘探。7.质点位移的幅值与震源距有关，为球面扩散。8.在纵波经过的扰动带内，会间隔地出现膨胀(稀疏)带和压缩(稠密)带,见下图:)21)(1()1(2Evp.横波的传播特点如下：1.横波传播速度vs比纵波速度vp小2.纵波与横波的速度比为：)1(2Evs21)1(2spvv.3.一般岩石的泊松比为0.25,所以vp/vs是1.73；液体介质中，切变模量为零，所以在液体内没有横波。4.横波是线.横波质点位移主要决定于旋转激发力的强度、形状及变化率；6.横波类型分为SH波(是质点振动在水平面内的横波分量)和SV波(质点振动在垂直平面内的横波分量)，见图1.2-6所示。7.横波传播方向与质点振动方向相垂直..8.横波速度低，能量弱。以致来自同一界面的横波总是比纵波到达的晚, 以续至波形式出现，但它 的分辨率较高；  工程勘察中总是以横波速度划分地基类别，作为 纵波速度的补充, 计算岩土弹性模量及物理力学参 数； . 瑞雷面波的形成及传播特点  1. 波前面是高度为z= R 的柱体；  2. 瑞雷面波是椭圆极化波, 质点大致做反时针方向、 轨迹为椭圆的运动。  3. 面波速度与横波速度相当; 当泊松比 =0.5 时  一般岩石的泊松比为0.25 ，而土的泊松比在0.45- 0.49 之间，因此，对于岩土工程勘察而言，可用面波 速度代替横波速度。 s R v v 956 . 0  . 4. 面波振幅A 随距离r 衰减比体波慢，因此面波能 量强于体波； 5. 瑞雷波的频散 将速度随频率变化的特性叫频散现象； 6. 群速度和相速度的概念； 7. 利用波的频散现象可以制作速度随波长变化的频 散曲线，进而用速度的变化对地基进行分层。 r A 1  . 面波的相速度和群速度 . 振动图形：在波传播的某一特定距离上，该处质点位 移随时间变化规律的图形称振动图形。 波的振动图形 . . 波剖面指在波动传播的某一确定的时刻t ，质点位 移随传播距离变化关系的图形称波剖面。也可以看成 是波动传播时的扰动区的横截面 波剖面图 r . 振动状态的传播形成地震波，波在介质中传播 将介质分为三个球形层，球层内的质点以各自的状 态振动，称扰动区，扰动区的横截面即波剖面。 波前面和等相位面 球面波传播示意图 . (a) 在均匀介质中;(b) 在非均匀介质中;(c) 复杂的等时面 等时面和射线 .  根据傅立叶变换理论，任何一个非周期的脉冲震 振动g(t) 是由无数多个不同频率不同振幅和初相 位的简谐振动之和构成。傅立叶变换表示如下： 2 ( ) ( ) (1.3.5) ft G f g t e dt       2 ( ) ( ) (1.3.4) ft g t G f e df      . 式中G(f)=a(f)+ib(f) ,a(f) 表示G(f) 的实部， b(f) 表示G(f) 的虚部。复变谱的幅角就是相位谱： 对一个非周期振动g(t) 进行付氏变换求频谱（振幅 谱和相位谱）的过程叫频谱分析； 傅氏正变换和付氏逆变换构成付氏变换对，它们具有单值 对应性；在任何一个域内讨论地震波都是等效的； 1 ( ) ( ) (1.3.8) ( ) b f f tg a f      ) 7 . 3 . 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( 2 1 2 2 f b f a f G f A    . 振幅谱和相位谱示意图 . 地震子波的延续时间长度同它的频带宽度成反比； 1.3-9 理想波形函数及其频 谱 . 弹性波的传播 点震源激发的弹性波在均匀介质中传播，等时面为 球面，称球面波；等时面为平面，称为平面波。 一、波动传播原理 （一）惠更斯原理（波前原理） （二）费马原理（最小时间原理） （三）互换原理 （四）叠加原理 （五）视速度定理 . 反射波入射角的确定 . 根据图中的几何关系，得到视速度与真速度间的关系式 如下： v*=v/sin 式中为波射线与地面法线间的夹角（出射角）。 1 ． =90 0 时，v*=v ； 2 ． =0 度 时，视速度为无穷大； 3 ．视速度大于等于线 时， v* 由无穷大变化到真速度。 . 斯奈尔定律 1 1 2 sin sin sin (1 4 1) p v v v         .  1 ．平面波垂直入射时不存在转换波；  2 ．存在波阻抗差异是形成反射波的必要条 件；  3 ．反射系数R 为正，说明反射波与入射 波同相，R 为负，表示它们反相；  4. 透射系数永远为正。  5. 若不考虑波前扩散和介质的吸收作用， 反射系数和透射系数之和等于1 。 2 2 1 1 1 1 1 1 2 2 1 1 2 2 2 ; v v v T v v v v R             透射系数为 . 非法向入射时波的反射和透射 倾斜入射时要产生转换波，见图1-4-5 ； . 若界面下方介质的波速大于上方的波速，且达到临 界角i 时（使透射角达到90 0 时的入射角），即此 时透射波将沿界面以v 2 速度滑行，称为滑行波。当 

　　i 时，全部入射能量以Rp 、Rs 波的形式反射 回界面上方的介质中。由于上下介质不存在相对运动， 滑行波会引起上面介质随下面介质做同相运动。 折射波( 首波）的形成 ) 5 . 4 . 1 ( sin 2 1 v v i  . 断块产生的绕射波前 . （一）几何扩散 （二）吸 收 地震波的衰减 . （三）地震波的透射损失 A n =A 0 (1-R 1 2 )(1-R 2 2 )……(1-R n-1 2 ) 式中 (1-R i 2 )