《地球物理勘探》課程實驗指導書

《地球物理勘探》課堂實驗/實踐指導書課程中文名稱：地球物理勘探課程英文名稱：GeophysicalExploration課程編號：021060170適用專業(yè)：新能源科學與工程學時數(shù)：32學分數(shù)：2課程類別：專業(yè)課程應開課學期：第四學期實驗/實踐一：高密度電阻率法數(shù)據(jù)采集實驗實驗/實踐類型：演示實驗/實踐學時：2實驗/實踐要求：必做一、實驗/實踐目的1．熟悉WDJD-2多功能數(shù)字直流激電儀使用及操作；2．掌握高密度電法野外勘探方法；3．用surfer繪制視電阻率等值線斷面圖。二、實驗/實踐內容1．學會操作WDJD-2多功能數(shù)字直流激電儀；2．觀測1個排列的電阻率斷面；三、儀器設備WDDS-2多功能數(shù)字直流激電儀一臺（帶8節(jié)2號電池），WDZJ-1多路電極轉換器一臺，高密度電極60個，高密度專用電纜2根，接地電極一根，鱷魚夾短導線5根，萬用表一臺，電池箱一個（帶60節(jié)1號電池），記錄紙一張。四、實驗/實踐原理、方法、手段和步驟1．選擇一片開闊的空地，按照圖1所示形式布置實驗裝置。圖1高密度電阻率法采集布線圖注意：1.電極箱和儀器內也要裝電池2．圖中虛線是用來測量電極接地情況的，開始數(shù)據(jù)采集時要斷開2．進入高密度測量菜單步驟：開機，按功能鍵顯示功能菜單，按3選中高密度電阻率功能，按退出進入所選模式主菜單，按2進入測量菜單（圖2）。3.接地電阻檢測：把圖1中的虛線連接好，在測量菜單中按5鍵顯示：0-N,1-M,2-B,3-A這里是A與R地相連，所以按3鍵再按確認鍵，屏幕顯示：“請打開電極箱電源”，打開電極箱電源，當電源指示燈不再閃爍，按主機確認鍵，檢測電極接地電阻，屏幕顯示：R=XXX.XKA=1R表示接地電阻，A后面數(shù)字為電極編號。圖2進入高密度=1\*ROMANI測量菜單步驟注意：功能菜單中1、2模式之間轉換及3、4模式之間轉換會清除內存！4.設置工作參數(shù)：工作參數(shù)包括：裝置、滾動數(shù)、剖面數(shù)、電極數(shù)等。裝置：電極排列方式，共有13種。滾動數(shù)：滾動線的條數(shù)。此參數(shù)只在滾動裝置時有效。剖面數(shù)：剖面線的條數(shù)。實接電極數(shù)：實際接入的電極個數(shù)。下面介紹常用的2種裝置：（1）α排列電極及數(shù)據(jù)點排列如下：圖3α排列示意圖視電阻率斷面為倒梯形。測量時，AM=MN=NB為一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到第一條剖面線（圖中方框內數(shù)據(jù)點）；接著AM、MN、NB增大一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形斷面。本裝置滾動數(shù)沒有意義。（2）A-MN-B四極測深排列電極及數(shù)據(jù)點排列如下：圖4A-MN-B四極測深排列示意圖視電阻率斷面為矩形。測量時，M、N不動，A逐點向左移動，同時B逐點向右移動，得到一條滾動線；接著A、M、N、B同時向右移動一個電極，M、N不動，電極A逐點向左移動，同時B逐點向右移動，得到另一條滾動線；這樣不斷滾動測量下去，得到矩形斷面。在主菜單下，按1鍵，屏幕提示輸入新建斷面號，（如100號），輸入100并按確認。接著輸入起始剖面號（如1），輸入1并按確認屏幕顯示裝置類型，供選擇修改：圖5設置工作參數(shù)步驟當閃爍得光標停在第一行是，可按＋鍵選擇13種排列方式。按確認光標移至下一行。輸完數(shù)據(jù)后按確認，參數(shù)全部輸入完后按確認顯示測點總數(shù)。按退出顯示主菜單。圖5中，如果選擇α排列則滾動總數(shù)無意義，可不輸入。點數(shù)根據(jù)輸入的電極數(shù)、剖面數(shù)自動算出。5.參數(shù)的設計計算：（1）α排列假設實接電極數(shù)為M，則:第1個剖面點數(shù)為M-3第2個剖面點數(shù)為M-3×2第N個剖面點數(shù)為M-3×N要保證最后一個剖面至少有一個測點，有：所以，最后一個剖面號（剖面總數(shù)）為：,表示取整。N個剖面的總點數(shù)為：假設實接電極數(shù)M為60，則可能的最大剖面總數(shù)為：。假設剖面總數(shù)為16（1號剖面到16號剖面），則斷面測點總數(shù)為552。（2）A-MN-B四極測深排列假設實接電極數(shù)為M，電極間距為m米，M、N電極點距為n個電極間距。如果一條滾動線有N個測量數(shù)據(jù)。則滾動線的總數(shù)為：極距6.測量在測量之前按圖1連接好所有電纜，并測量把接地電阻的線（虛線）斷開。在主菜單下按2鍵，進入測量菜單，要從指定剖面開始，測量整個斷面，在測量菜單下按2鍵，此時顯示當前斷面號，提示輸入起始剖面號，輸入剖面號后按確認鍵，顯示該斷面下得各項參數(shù)，按確認后，提示“打開電極箱電源！打開電源并按確認鍵后，進入測量。在測量過程中可以按退出鍵中斷測量。圖6進入斷面測量步驟當測量裝置是滾動裝置時，如A-MN-B四極測深排列，在測量開始前，屏幕將提示輸入起測滾動號與電極最小編號。7.數(shù)據(jù)輸出（1）計算機上安裝BTRC2000軟件。（2）在計算機與儀器關機情況下用儀器配備的專用通訊電纜，將7芯插頭與儀器面板上的RS-232端口相連接，將9芯梯形插頭與計算機的串行口1（COM1）或串行口2（COM2）相連接。（3）打開計算機電源，啟動了通訊軟件BTRC2000。點擊接收菜單、輸入機型、測線號等參數(shù)。（4）點擊[開始接收]按鈕，屏幕會提示“打開儀器電源并執(zhí)行通訊功能！”，操作員按要求做好后，再點擊[確定]按鈕，屏幕顯示數(shù)據(jù)接收過程。（5）如果測線是高密度斷面，則屏幕將提示“輸入該斷面1號電極坐標：”，有了1號電極水平坐標，其它測點水平坐標便可自動算出。（6）點擊[轉換][surfer]，將當前表格中的數(shù)據(jù)轉換成surfer格式。（7）利用surfer畫電測深斷面圖。五、實驗/實踐結果處理1.打開surfer軟件，點擊Grid---Data，彈出?個OpenData的窗?，選擇?個包含有成圖所需數(shù)據(jù)的excel表格。點擊所選excel?件，會出現(xiàn)?個GridData（?格化數(shù)據(jù)）的窗?，選擇所要成圖的三列數(shù)據(jù)X、Y、Z（對應于excel表格中數(shù)據(jù)，可點擊viewdata查看），網(wǎng)格化方法（GriddingMethod），儲存路徑等，最后點擊OK，就會輸出?個grd?件；2.選擇菜單欄Map—New--ContourMap，找到上面生成的grd文件所在位置，點擊打開，就得到所要的平面等值線圖。如果等值線不夠平滑，可以點擊Contours...，在左下屬性管理（PropertyManager）選擇General--Smoothing，進行None、Low、Medium、High四種不同程度地平滑。3.然后就是為等值線圖上色，添加坐標軸名，圖名，比例尺等。上色：點擊Contours...，在左下屬性管理（PropertyManager）選擇Levels--FilledContours--FillColors，勾選FillContours和ColorScale。添加比例尺：點擊圖像呈選中狀態(tài)---點擊map—add—scalebar添加圖名：點擊軟件左側objectmanager—map—topAxis—propertymanager—title—titletext—輸入圖像名稱。4.完成以上步驟后，便可以點擊圖像—點擊file--Export導出圖?。六、實驗/實踐注意事項1．每人需要按既定步驟和順序至少操作一次儀器，并觀測1個排列的電阻率斷面；2．每人必須提交一份實驗報告，說明實驗的目的，內容、步驟，畫出所用排列的實驗裝置示意圖，并用surfer軟件繪制視電阻率斷面圖；3．電法勘探實驗設備實驗條件較為嚴格，需要輕拿輕放，避免暴力操作現(xiàn)象的發(fā)生。七、預習與思考題1．若電極總數(shù)為60，在α裝置下，從4號剖面測到15號剖面，測點數(shù)為多少？2．若電極總數(shù)為60，點距5米，MN極距為5米，采用A-MN-B四極測深排列，最大AB為175米，求滾動線數(shù)、數(shù)據(jù)點數(shù)、斷面長度？實驗/實踐二：地震勘探實驗（折射波法）實驗/實踐類型：演示實驗/實踐學時：2實驗/實踐要求：必做一、實驗/實踐目的1．了解地震勘探的原理；2．了解地震勘探工作布置及觀測方法；3．掌握地震勘探數(shù)據(jù)采集、處理和解釋，熟練操作相關軟件。二、實驗/實踐內容1．學習地震勘探的基本流程和測量原理；2．學會地震勘探過程數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)解釋的全套流程；三、儀器設備StrataVisorNZⅡ數(shù)字地震勘探儀。StrataVisorNZⅡ地震勘探系統(tǒng)一般由主機、多芯電纜、檢波器、觸發(fā)器、震源（大錘或炸藥）、鐵板、直流電源、直流電源線以及數(shù)據(jù)采集、處理和解釋軟件等。四、實驗/實踐原理、方法、手段和步驟地震勘探是根據(jù)人工激發(fā)（爆炸或撞擊地面）的地震波在地下傳播過程中，遇到彈性性質不同的地震界面后，在地層中產(chǎn)生反射和折射，部分地傳回地表，用專門的儀器記錄返回地面的波的旅行時間，研究振動的特征，來確定產(chǎn)生反射或折射的界面的埋深和產(chǎn)狀，并根據(jù)所觀測的地震波在介質中傳播速度及波的振幅與波形變化，探討介質的物性與巖性。就波的傳播特點而言，地震勘探一般可分為反射波勘探和折射波勘探。1．在工區(qū)布設測線在工區(qū)布設測線，原則：由南向北、由西向東測線號與測點號依次增大。使用皮尺標注檢波器位置與激發(fā)點位置。2．連接儀器的各個部分將主機、電源、多芯電纜、檢波器、大錘、觸發(fā)器按正確的方式一一連接起來。注意：各接口均使用“防呆”設計，電纜插頭與對應的插槽才能連接，電纜插頭與非對應的插槽不能連接。禁止暴力插拔各插頭、插槽，以防儀器損壞。3．數(shù)據(jù)采集開機后，直接進入SCS軟件。（1）survey--newsurvey菜單：設置測區(qū)名稱和測線號；（2）system--setdate/time菜單：設置時間、日期；（3）geom--surveymode菜單：設置地震勘探類型，本次實驗為折射波勘探，即refraction；geom--geophoneinterval菜單：設置檢波器距離，即道間距，本次實驗設為2m；geom--group/shotlocation菜單：設置shotcoordinate炮點坐標、geophonecoordinate檢波器坐標（自動或手動設置）、gain增益（本次實驗設為HIGH36）、use道設置（可選DATA、INACTIVE等，本次實驗設為DATA）、freeze道凍結（疊加凍結，本次實驗設為NO）等；（4）acquisition--sampleinterval/recordlength菜單：設置時間采樣間隔、記錄長度（時窗）和delay延遲，本次實驗sampleinterval設為0.25ms，recordlength設為0.25m，delay設為0；acquisition--filter菜單：濾波器設置，本次實驗屏蔽采集濾波器，設為FILTEROUT；acquisition--correlation菜單：相關設置，本次實驗屏蔽相關，設為OFF；acquisition--stackoption菜單：疊加設置，本次實驗設為autostack，即自動疊加；acquisition--specifychannels菜單：選定某些道，屏蔽某些道。本次實驗不屏蔽任何道；acquisition--preampgain菜單：前置增益設置，可選alllowgain全部低增益、allhighgain高增益或individual各道單獨設置，本次實驗設為allhighgain；acquisition--stackpolarity菜單：疊加極性設置，本次實驗設為positive同相疊加；（5）dosurvey--arm/disarm菜單：激發(fā)地震波；dosurvey--clearmemory菜單：清除內存菜單，每次采集新地震記錄前，須清除內存；dosurvey--save菜單：保存地震記錄為SEG-2文件；dosurvey--autosacletraces菜單：自動道間均衡；（6）display--shotparameters--displayboundary菜單：設置時窗顯示范圍，由startchannel起始道、endchannel終止道、starttime記錄開始時間和endtime記錄終止時間來約束；display--shotparameters--gainstyle菜單：增益模式，可選fixedgain固定增益和AGC自動增益控制。其中AGC一般用于地震反射波勘探，本次實驗設為fixedgain；display--shotparameters--tracestyle菜單：道顯示模式，可選variablearea變面積、wiggletrace波形線或shadedarea灰度圖，本次實驗設為灰度圖；另有clipped切除可選；display--shotparameters--displaygain菜單：視圖增益設置，可選autosacletraces自動道間均衡或individual各道視圖增益調整，本次實驗視具體情況而定；display--shotparameters--displayfilter菜單：視圖濾波設置，可選highcut高截濾波或lowcut低截濾波，一般用于反射波勘探，本次實驗不使用視圖濾波，設為OFF；（7）file--storageparameters菜單：存儲參數(shù)設置，可選autosave自動存儲、datatype存儲格式（SEG-2、SEG-D、SEG-Y，本次實驗設為SEG-2）、savetodisk存儲目錄（可設置驅動器drive和目錄path）；file--read菜單：把已存儲的文件讀入；4．處理解釋數(shù)據(jù)處理解釋包括：初至拾取和數(shù)據(jù)處理兩部分，即pickbreaks程序和SIPQC程序。原始SEG-2文件經(jīng)過pickbreaks程序處理后，生成初至文件*.bpk；將多個相遇追逐觀測系統(tǒng)的初至文件讀入SIPQC程序，然后對各初至時間根據(jù)折射波時距曲線斜率進行層分配，最后形成測點-深度圖，計算得到各層波速和各檢波器點處地下基巖深度。五、實驗/實踐結果處理1.折射波法基本原理以水平界面的兩層介質進行簡要的說明，假設地下深度為h，有一個水平的速度分界面R，上、下兩層的速度分別為V1和V2，且V2>V1。如圖1所示。從激發(fā)點O至地面某一接收點D的距離為X，折射波旅行的路程為OK、KE、ED之和，則它的旅行時t為：(1)為了簡便起見，先作如下證明：從O，D兩點分別作界面R的垂線，則OA＝DG＝h，再自A、G分別作OK，ED的垂線，幾何上不難證明∠BAK＝∠EGF＝i，因已知，所以：(2)圖1圖1水平兩層介質折射波時距曲線即和(3)上式說明，波以速度V1旅行BK（或EF）路程與以速度V2旅行AK（或EC）路程所需的時間是相等的。將式3的關系和式1作等效置換，并經(jīng)變換后可得：(4)這就是水平兩層介質的折射波時距曲線方程。它表示時距曲線是一條直線，若令x＝0，則可得時距曲線的截距時間t0（時距曲線延長與t軸相交處的時間值）(5)式5表示出界面深度h和截距時間t0之間的關系，當已知V1和V2時，可以求出界面的深度h。2、折射波分層解釋的t0法折射波t0解釋法是常用的地震折射波解釋方法，它是針相遇時距曲線觀測系統(tǒng)采集發(fā)展起來的解釋方法。t0法解釋的主要原理與方法如下：t0法又稱為t0差數(shù)時距曲線法，是解釋折射波相遇時距曲線最常用的方法之一。當折射界面的曲率半徑比其埋深大得很多的情況下，t0法通常能取得很好的效果，且具有簡便快速的優(yōu)點。如圖2所示，設有折射波相遇的時距曲線S1和S2，兩者的激發(fā)點分別是O1和O2，圖2t0法折射界面示意圖若在剖面上任意取一點D，則在兩條時距曲線中可以分別得到其對應的走時t1和t2，從圖中可以得到：(6)且在O1和O2點，時距曲線S1和S2的走時是相等的，稱之為互換時，用T表示，則有：(7)當界面的曲率半徑遠大于其埋深時，圖中的△BDC可以近似地看作為等腰三角形，若自D點作BC的垂直平分線DM（DM即為該點的界面深度h），于是有：和(8)將式6中的t1和t2相加，并且減去式7，再將式8代入后可以得到：(9)式9便是任意點D的t0值公式，由此可得D點的折射界面法線深度h為：(10)令和則式10可以寫為：(11)因此只要從相遇時距曲線中分別求出各個觀測點的t0值和K值，就可以得出各個點的界面深度h。從上述的公式可以看出，只要從時距曲線上讀取t1，t2和互換時T，就可以算出各個點的t0值，并可以在圖上繪制相應的t0(x)曲線（圖3(b)中所示）。關于K值的求?。焊鶕?jù)斯奈爾定律可將K值表達式寫成：(12)由式12可以看出，只要求得波速V1和V2則很容易得出K值。其中V1