1.4地震反射波法4.2.5
地震波的反射投射和折射
§地震波的反射、透射和折射序：在§中讨论了无限均匀完全弹性介质中波的传播情况。
当地震波遇到岩层界面时，波的动力学特点会发生变化。
地震勘探利用界面上的反射、透射和折射波。
一、平面波的反射及透射同光线在非均匀介质中传播一样，地震波在遇到弹性分界面时，也要发生反射和透射。
首先讨论平面波的反射与透射。
（一）斯奈尔（snell）定律1.费马原理（最小时间原理）波从一点传播到另一点，以所需时间最小来取传播路径。
如图，波从匕点传到匕点。
速度均匀时，走路径①，直线，t最小,s也最小。
速度变化时，走路径②，曲线，t最小,S不最小。
注意:时间最小，不一定路程最小（取决于速度）。
例1:人要去火车站（见图）。
方法①从A步行到B,路程短，用时却多。
方法②从A步行到C,再坐车到B,路程长，用时却少。
C公汽站步行速度V：也>>£ 汽车速度V：例2：尽快地将信从A送到B①傻瓜路径②经验路径2.反射定律、透射定律、斯奈尔定律波遇到两种介质的分界面，就发生反射和透射（注：地震透射、物理折射）。
（1）反射定律：反射波位于法平面内，反射角二入射角。
注：法平面——入射线与界面法线构成的平面，也叫入射平面或射线平面。
入射角二反射角与下式等价:③最小时间路径，满足透射定律:sine? _ sin0（2） 透射定律透射线位于法平面内，入射角与透射角满足下列关系：sin a sina 7（3） 斯奈尔定律综合（1）和（2）式，有sin a _ sine/） _ sina 2 _ ------ = -------- = ------- —=r X 匕 V 2这就是斯奈尔定律，P 叫射线参数。
• • • •推广到水平层状介质有：sin er, _ sina 2 _ _ sin a n _V. V 2匕注：斯奈尔定律满足费马原理，上例2中把信曲A 送到B 路径③是最小时 间路径，它满足透射定律（用高等数学求极值可证明）。
地球物理勘探 1-4地震波的反射、透射和折射
r
r
▪ 式中正负号的确定方法为：r 的x分量沿x轴增大为正，反之为负；
▪
r 的z分量沿z轴增大为正，反之为负.
▪ 根据P波和s波的质点振动特性，可得5个位移矢量各自在x,z方向得 位移分量u和w为（见书图1-12 和（1.4-5)式)
▪ 将位移分量代入位移边界条件：（见书（1.4-6)式)
▪ 及应力边界条件： （见书（1.4-7)式)
Q
V2 T
e
T f
：入射角（入射线和界面法线的夹角）
：反射角（反射线和界面法线的夹角） 1
：透射角（透射线和界面法线的夹角）
2
4.1 平面波的反射和透射
▪ 从图中可看出： AS BQ V1 T，
▪
ABQ ASQ 90
▪
共边 AQ
▪ 可证明：
• 另一类是一定的密度比和速度比条件下，反射系数 与入射角的关系。（见书P24）
21
22
4.4 地震面波
一、面波的分类
在三维空间中,凡是能量向整个空间中传播的波,都称为 体波。例如在弹性分界面上形成的反射、折射、透射波，它 们随着时间的增加，在整个弹性空间的介质内传播。
能量只分配在弹性界面附近的波称为面波（ 在Z方向振 幅呈指数衰减）。常见的面波有三类：
12
4.2 在弹性分界面上波的转换，
能量分配，法向入射和倾斜入射
4.2.5 倾斜入射、折射波的形成
1、 非法向入射的情况（称为倾斜入射）。
设 有
Vp,i1，入Vp射,i 角和透射角分别为 和 ，根 据斯 奈尔定律，
sin VP,i sin
VP,i1
总能找到一个入射角 i，pp使
地震勘探原理和方法
地震勘探原理和方法地震勘探是一种地球物理勘探方法，通过研究地震波在地壳中的传播规律来推断地下岩层的性质和形态。
本文将介绍地震勘探的基本原理和方法，包括地震波传播原理、地震波探测方法、数据采集技术、数据处理技术、地质解释技术、地球物理测井技术和地震勘探仪器设备等方面。
1.地震波传播原理地震波是指地震发生时产生的波动，包括纵波和横波。
纵波是压缩波，在地壳中以波的形式传播，横波是剪切波，在地壳中以扭动的方式传播。
当地震波在地壳中传播时，遇到不同密度的岩层会发生反射、折射和透射等现象，这些现象是地震勘探的基础。
2.地震波探测方法地震波探测方法包括折射波法和反射波法。
折射波法是通过测量地震波在地壳中传播的速度和时间来推断地下岩层的性质和形态。
反射波法是通过测量地震波在地壳中反射回来的信号来推断地下岩层的性质和形态。
在实际应用中，通常采用折射波法和反射波法相结合的方式来提高地震勘探的精度和分辨率。
3.数据采集技术数据采集技术是地震勘探的关键之一，它包括野外数据采集和室内数据采集。
野外数据采集是在野外布置观测系统，通过激发地震波并记录地震信号来进行数据采集。
室内数据采集则是在室内通过计算机系统对野外采集的数据进行处理和分析。
4.数据处理技术数据处理技术是地震勘探的关键之一，它包括预处理、增益控制、滤波、叠加、偏移、反演等步骤。
预处理包括去除噪声、平滑处理等；增益控制包括调整信号的幅度和相位；滤波包括去除高频噪声和低频干扰；叠加是指将多个地震信号进行叠加，以提高信号的信噪比；偏移是指将反射回来的信号进行移动，以纠正地震信号的偏移；反演是指将地震信号转换为地下岩层的物理性质，如速度、密度等。
5.地质解释技术地质解释技术是地震勘探的关键之一，它包括构造解释、地层解释和储层解释等方面。
构造解释是指根据地震信号推断地下岩层的构造特征和形态；地层解释是指根据地震信号推断地下岩层的年代、沉积环境和地层组合；储层解释是指根据地震信号推断地下油气储层的性质和特征。
地震波反射法实施细则
地震波反射法（简称TSP）实施细则1 检测原理地震波反射法（TSP法）是利用地震波反射回波方法测量的原理。
地震波震源采用小药量炸药激发产生，炸药激发在隧道边墙的风钻孔中，通常24个炮孔布置成一条直线。
地震波的接收器也安置在孔中，一般左右洞壁各布置一个。
地震波在岩石中以球面波形式传播，当地震波遇到弹性波阻抗差异界面时，例如断层、岩体破碎带、岩性变化或岩溶发育带等，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质继续传播。
反射的地震信号被高灵敏度的地震检波器接收，反射信号的传播时间与传播距离成正比，与传播速度成反比，因此通过测量直达波速度、反射回波的时间、波形和强度，可以达到预报隧道掌子面前方地质条件的目的。
在一定间隔距离内连续采用上述方法，结合施工地质调查，可以得到隧道围岩的地质力学参数，如-动弹性模量、动剪切模量和动泊松比参数等。
工作中结合相关的地质资料和施工地质工作，总结预报经验可以提高预报的准确性。
2 检测仪器简介采用地震波反射法（TSP）技术进行预报中，使用的仪器为TGP206隧道地质超前预报系统，TGP206（Tunnel geology Prediction )由北京市水电物探研究所研制，已经经过国内著名隧道专家组评审，鉴定为具有国际先进技术水平。
TGP206隧道超前地质预报系统包括仪器主机、配件和处理软件三部分组成。
下图为TGP206隧道超前地质预报系统实物照片。
图TGP206隧道超前地质预报系统3 探测方法采用黄油耦合，定向安置孔中三分量检波器；记录接收器孔、距离接收器最近的炮孔和隧道掌子面的里程桩号，以及各炮孔间的距离，以上数据填写在《TGP 现场数据记录表》中；爆破孔药量一般控制在50～70克，采用计时线炸断的触发方式，在孔中灌满水的条件下激发，按序依次起爆和进行数据采集。
工作中对测线布置段至隧道掌子面间的隧道围岩进行地质描述，以利于资料解释。
4 测线布置在隧道左或右壁的同一水平线上从里向外布置24个炮孔，炮孔间距2.0m，炮孔高度1.1m；与接收孔的最近距离一般为20m。
隧道的地质超前预报方法与不良地质施工措施
我们在隧道的施工过程中会遇到各种不良地质,为避免盲目性,使施工方案和技术措施更科学合理，开展地质超前预报十分必要。
地质超前预报对不良地质能做到早发现，早预防，从而采取恰当的处理措施,减少和化解不良地质给施工带来的不利影响。
1 地质超前预报方法1.1 超前导坑法长隧道和特长隧道大都设有平行导坑。
平导普通与路线平行，距路线20m~30m 不等。
施工过程中利用平导先行的优势，认真采集和积累地质资料，并根据平导开挖过程中揭示的地质资料指导正洞施工，从而使正洞的施工方案和技术手段都建立在科学合理的基础上。
平导开挖断面小，即使浮现不良地质也容易处理，对施工影响不大。
因此,超前导坑法在长隧道和特长隧道施工中被广泛采用。
1 。
2 超前水平钻探法采用隧道专用钻机进行超前水平钻探，来探明开挖前方的地质情况。
超前水平钻探其实并非彻底“水平”,带有一定的角度.与地震波反射法、地质雷达探测法相比,超前水平钻探法具有更直观、更准确的特点。
超前水平钻探法虽是“一孔之见”，却能起到“管中窥豹”的作用。
超前水平钻探法主要用于探测煤层、瓦斯、断层、溶腔、突水、涌泥等不良地质。
超前水平钻探法探测的距离长，探明的不良地质距工作面较远，便于提前调整施工方案和技术措施。
1.3 超长炮孔钻探法超长炮孔钻探法指的是在掘进过程中，每次打眼都用5m 钻杆在隧道拱部和底部各钻两个探测孔，放炮则控制在3m 以内，使工作面始终保持距不良地质2m 以上的安全距离。
当钻孔浮现不良地质征兆时，可以及时采取应对措施。
采用超长炮孔钻探法，避免了钻机的频繁挪移，可以不中断隧道的正常掘进，简便易行、事半功倍。
超长探孔还可兼做炮眼,节约成本，提高功效。
1 。
4 地震波反射法-—TSP-203 系统TSP 超前地质预报系统是目前隧道及地下工程地质预报工作中，采用的较为先进的设备。
其工作原理是利用地震波的回波原理，人工创造一系列有规则罗列的轻微震源，形成一个地震源断面；同时，三维地震波接收器在计算机的监控下，采集这些震源所发出的震波沿隧道前方及四周区域传播而遭遇不良地质体(如地层层面、节理面、特殊是断层破碎带界面和溶洞、暗河等)被反射返回的地震波数据.这些回波信号的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向，是与相应不良地质体的性质和分布状况密切相关的.在一定间隔距离内连续采用上述方法，可以得到前方地层的地质力学参数，如杨氏模量和横向变形系数等，从而预报隧道前方及周围临近区域的地质状况，判断开挖面前方100m~200m 范围内的地质情况。
反射波法检测工程桩桩身完整性
2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理
2.1 锤击激振在桩身内引起振动与波动规律
◆ 高应变击振使用的是大吨位的重 锤，锤头是平面的，击振桩头后，在桩
身内激励的是平面波，如右图。
2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理
2.1 锤击激振在桩身内引起振动与波动规律
锤击击振桩头产生的是半球面波
一 概述
1. 1 桩式基础的优越性
▲ 有很好的抗震性能（一般动荷载比静荷载要大6－7倍）； ▲ 桩的承载力高(可加大桩径，扩大桩底面增加承载力)； ▲ 沉降量较小 ▲ 复杂地层如沙土地层、软弱地层、黄土地层等可用桩穿
过这些地层使荷载作用到承载力高的地层上。
1.概述
1.3 原地灌注桩桩身可能存在的缺陷
2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理
2.2.5 桩身中声波的折射与反射概念
◆ 斜入射时的反射与折射
◆ 垂入射时的反射与透射
◆ 射射定律（Snell）
sinl sin j sin l sin t
C1P
C1P
C2P
C2S
2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理
2.2.6 斜入射的波会在桩土界面产生“折射现象“
01-2004）
2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理
2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理
锤头击振桩头会产生什么现象？
2. 反射波检测桩身缺陷的基本原理
2.1 锤击激振在桩身内引起振动与波动规律
当锤击激励桩头，会引起什么物理 现象发生？
有两方面问题需考虑：一桩身内会 产生什么振动和波动；二地层中会引起 波动吗？
此外还有扩径缺陷、扩底桩
1.概述
1.4 反射波法可能检测到的桩身缺陷类型
1.4地震反射波法4.2.2
式中：m、n均为整数。m=0,1,…M-1；n=0,1,…N-1。 n△t=T 为频谱分析的时窗长度。
4.2.3 数字滤波处理
1. 滤波器的概念 滤波:一个原始信号通过某一装置后变为一个新信号的过程。 原始信号――输入; 新信号――输出;
装置――滤波器。
据滤波器定义：易理解大地就相当于一个滤波器，它吸收了信号中 的高频成分，只让低频成分通过，对波形进行了改造，这个过程就是 滤波。 就大地滤波过程来说：
用计算机处理地震资料时，对连续信号要离散取样，对连续信号滤波 处理也可以通过对离散信号的滤波来实现。
4.2.3.2 一维频率滤波
定义：利用有效波和干扰波在频率上的差异来压制干扰波、突出有效 波的方法。由于其信号以及滤波因子都是单变量的函数，因此频率滤波又 称一维滤波。 1.理想滤波器
(1) 理想低通滤波器 记录频谱中： 低频有效波， 高频干扰波。 数学模型：
X (t ) X (t ) * h(t )
^
ˆ ( f ) X ( f ) H( f ) X
在两个域中表示的滤波机理可归结为：
ˆ (t ) X (t ) h(t ) 时间域： X (t ) h(t ) X
ˆ ( f ) X ( f ) H( f ) 频率域： X ( f ) H ( f ) X
激发地震波――输入信号，用 X(t) 表示；
大地――滤波器，用H(t)表示； 地表的波动――输出信号，用 Y(t) 表示。
2. 滤波器的响应特性
定义：从输入、输出间关系定义出的滤波器特性。
H ( f ) 表示， H ( f )也叫做频率函数 (1)频率响应：滤波器对信号频率的影响。
或传递函数。
地震波反射法
浅析地震波反射法【摘要】以本人参与施工管理的新建渝怀铁路、宜万铁路个别典型、长大隧道为例，介绍目前在隧道施工中广泛采用的地震波反射法—tsp超前地质预报方法，希望对建设中长大隧道及地下工程施工中超前地质预报工作提供参考或有所借鉴和启发。
【关键词】地震波反射法地质超前预报隧道施工地震波反射法—tsp超前地质预报技术是物探法的一种，它具有快速、探测距离大、与施工干扰相对小。
但也存在一些较为明显缺点。
主要有：需要结合多种预测预报方法，且与与地质分析资料深入结合，有一定技术难度。
1 地震波反射法—tsp超前地质预报工作原理在隧道隧洞内，人工制造一系列有规则排列的轻微震源；震源发出的地震波遇到地层界面、节理面、特别是断层破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落柱、岩溶淤泥带等不良地质界面时，将产生反射波，它的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与相关界面的性质以及产状密切相关，并通过不同数据表现出来；通过设备设置的震源反射波的数据采集系统（传感器和记录仪），将这递增数据经微机处理后储存起来。
然后，将数据输入带有特制软件的电脑，经过电脑进行复杂数学计算后，最后形成反射波（纵波）波形图、反映相关界面或地质体反射能量的影像图和隧道平面、剖面图，供工程技术人员解译。
2 特点①适用范围广：适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况。
②预报距离长：能预报掌子面前方100～350 m范围内的地质状况，围岩越硬越完整预报长度就越大。
③对隧道施工干扰小：它可在隧道施工间隙进行，即使专门安排此项工作，也不过30 min左右（图1）。
④提交资料及时：在现场采集数据的第二天即可提交正式成果报告。
它设计了一套专用处理软件，将复杂多解的波形分析转换为直观的单一解的波形能量分析图。
将隧道顶部和底部的波形能量分析图分析确定之后，就可得出断层破碎带、软弱夹层或其它不良地质体相对于隧道的空问位置，计算机就会自动绘出弹性波速度有差异的地质界面相对于隧道轴线的地质平面图和纵断面图。
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向斜在时间剖面上的特征
对于曲率相同， 深度不同的凹 界面，随着深 度的加大将出 现不同的反射 特征：
浅层为平缓收 缩型；
中层为聚焦型；
深层为回转型； 如图2-8
4.3.3.2 断层的特征和解释 1．水平地层中的断层 图1.4.68（a）是水平地层出现的断面直立的断层，这时水平叠加剖面 的形态与实际模型基本一致，只是断棱处可能出现绕射波。当断面倾斜 时，断面反射要向其下倾方向偏移（图1.4.68(b)、(c)）。
4.2.5 速度分析
速度参数在反射法数据处理至关重要。
影响地震时间剖面的质量；
影响层速度及平均速度的计算精度。
最终影响到地质解释的精度
目的： 第一：为水平叠加、偏移等提供处理的速度参数； 第二：为时深转换提供平均速度。 获得地震波速度的途经通常有以下几种： （1）地震测井或声波测井； （2）折射法求取； （3）利用地震反射资料作速度分析。 速度分析常采用：速度谱分析，速度扫描。
4）均方根速度：在水平层状介质中，取各层层速度对垂直传播时 间的均方根值就是均方根速度与总时间之比就是射线速度
时深转换
由于通过水平叠加或偏移等处理得出的地震剖面，其纵坐标是以时 间来表示的，所以称之为时间剖面。可以定性地反映出反射界面的 轮廓，但界面的确切深度和产状还和速度参数密切相关。
地震时间剖面实例
2. 标准反射层地质属性的确定：
（1）利用连井地震剖面（2）利用层速度资料， （3）利用钻井和测井资 料，（4）利用邻区钻井资料或已知地震层位对比，（5）利用区域地质 资料和其它物探资料推断
测线闭合圈对比
层位的闭合
4.3.3 各种地质现象在地震剖面上的特征及解释
1 ．背斜在水平叠加剖面上的几何形 态特征。 ① 平缓背斜，深度剖面与水平叠加 时间剖面上相似，范围稍宽，背斜 顶部位置一致（图a）。 ② 曲率大的背斜，水平叠加时间剖 面比实际范围宽得多 (图b） 。 ③ 对宽度与曲率相同但深度不同的 平行背斜，水平叠加剖面上，随深 度加大，隆起范围加大（图c） 。
为此，必须输入相应的速度参数，并逐次计算出各反射界面的深度， 将时间剖面转换为深度剖面，以便更好地进行地质解释。
4.3
资料解释及应用
4.3.1 层位标定 1. 反射波的识别
（1）同相性：在地震记录上，相同相位的连线叫做同相轴，来自同一界 面的反射波相同波峰相位的连线与相应的反射界面段的形态相似 （2）强振幅特性：来自反射界面的反射波具有显著增强的特征 （3）波形相似性：同一界面的反射波在相邻地震道上波形相似（包括视 周期、相位个数、振幅等）
三维数据体可被垂直地或水平地切割出各种二维剖面。
a．任意方向的垂直切片剖面
LINE868地震剖面（解释后） 断点
LINE868
LINE868地震解释剖面
4.2.5.3 各种速度的概念及相互关系
1．各种速度的概念及计算
1）真速度：是无限小体积岩石所固有的性质，波以该速度走过无 限小体积的岩石。其定义可用微分式
2）层速度：地下介质由若干个平行的地震层所组成。此时，将每 一个地震层看作为一种均匀介质，取其中各分层真速度的平均
3）平均速度：在水平层状介质中，取垂直于层理的射线段长度与 该长度内波传播时间之比为平均速度
4.3.5 地层构造的剖面解释
三维地震资料解释
一.
三维显示
经过三维偏移的数据体，没有绕射波、侧面波等干扰，信噪 比、可信度及分辨率都很高；已基本上与地质体近于等价。 将三维数据体输入计算机内建立数据库，有多种显示方案。 显示可分为两大类：穿过数据体的二维切片显示和数据体本 身的立体显示。
（1）切片显示