地震GPS在地震勘探中的应用研究Word格式.docx

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地震勘探是近代发展变化最快的地球物理方法之一。

它的原理是利用人工激发的地震波在弹性不同的地层内传播规律来勘探地下的地质情况。

在地面某处激发的地震波向地下传播时，遇到不同弹性的地层分界面就会产生反射波或折射波返回地面，用专门的仪器可记录这些波，分析所得记录的特点（如波的传播时间、振动形状等），收到的地震波信号与震源特性、检波点的位置与地震波经过的地下岩层的性质和结构有关。

通过专门的计算或仪器处理，能较准确地测定这些界面的深度和形态，判断地下岩层的性质和形态。

地震勘探是钻探前勘测石油与天然气等资源的重要手段，在煤田和工程地质勘查、区域地质研究和地壳研究等方面，也得到广泛应用。

近年来，应用天然震源的各种地震勘探方法也不断得到发展。

我们生活的空间有一维、二维、三维和多维之说，地震勘探也是如此。

地震勘探中的一维勘探是观测一个点的地下情况；

二维勘探是观测一条线下面的地下情况；

三维勘探是观测一块面积下面的地下情况；

若在同一地区不同时间重复做三维地震勘探，则可称之为四维地震勘探。

四维是观测同一块面积下面不同时间的地下变化情况。

根据地质任务和达到的目的不同，可采用不同维的勘探方法。

现在地震勘探中多应用二、三维地震勘探。

按照地质工作从较大范围概略了解到小范围详细研究的工作程序和与煤炭工业基本建设需要相适应的原则，地震勘探工作可划分为概查（找煤）、普查、详查、精查和采取勘探5个阶段，根据资源及地质情况可以简化后合并。

（1）概查

概查一般应在煤田预测与区域地质调查或在重力、磁法、电法工作的基础上进行。

其主要任务是寻找煤炭资源，并对工作地区有无进一步工作价值做出评价。

地质任务及工作程度要求：

a）初步了解覆盖层厚度及变化情况。

b）初步了解工作地区构造轮廓。

c）初步了解含煤地层的分布范围。

d）提供参数孔和找煤孔孔位。

（2）普查

普查应在概查的基础上或在已知有勘探价值的地区进行。

a）初步查明覆盖层的厚度，当厚度大于时测线上的解释误差不大于9﹪。

b）初步查明区内基本构造轮廓，了解构造复杂程度，控制可能影响矿区划分的主要构造。

初步查明落差大于的断层，并了解其性质、特点及延伸情况，断层在平面上的位置误差不大于。

在测线上主要目的层深度解释误差不大于9﹪。

c）初步了解岩浆岩对主要煤层的影响范围。

（3）详查

详查应在普查的基础上，按照煤炭工业布局规划的需要，选择资源条件好、开发比较有利的地区进行。

a）查明勘探区的构造形态，控制勘探区边界和区内可能影响井田划分的构造，评价勘探区构造复杂程度。

查明落差大于的断层性质及其延伸情况，其平面位置误差不大于。

b）主要煤层底板的深度大于时，解释误差不大于5%；

小于时解释误差不大于。

c）控制煤层隐伏露头位置，其平面位置误差不大于。

d）覆盖层厚度大于时，其解释误差不大于7%；

e）了解古河床、古隆起、岩浆岩等对主要煤层的影响范围。

f）初步了解主要煤层厚度变化趋势。

g）了解勘探区内煤层（成）气的赋存情况。

（4）精查

精查一般以井田为单位进行。

精查工作的主要地段是矿井的第一水平（或先期开采地段）和初期采取。

a）查明井田边界构造及矿井第一水平有关的边界构造。

b）查明第一水平内落差等于和大于的断层，断层平面位置误差不大于，基本查明初期采取内落差不大于的断层（地震地质条件复杂的地区应基本查明落差不大于的断层），并对小构造的发育程度、分布范围作出评述。

c）控制第一水平面内主要煤层的底板标高，其深度大于时，解释误差不大于3%；

d）控制第一水平或初期采取内主要煤层露头位置，其平面位置误差不大于。

e）覆盖层厚度大于时，其解释误差不大于5%；

f）圈出第一水平内主要煤层受古河床、古隆起、岩浆岩等的影响范围。

g）研究第一水平范围内主要煤层厚度变化趋势。

h）对区内可能有利用前景的煤层（成）气的赋存情况作出初步评价。

（5）采取勘探

采取地震勘探的任务是为矿井设计、生产矿井预备采区设计提供地质资料，其地质构造成果应能满足井筒、水平运输巷、总通风巷及采取和工作面划分的需要。

勘探范围由矿井建设单位或生产单位确定。

a）二维勘探应查明落差10米以上的断层，其平面位置误差用控制在50米以内；

三维勘探应查明落差5米以上的断层（地震地质条件复查地区查明落差8米以上断层），其平面位置应控制在30米以内。

b）进一步控制主要煤层底板标高，其深度大于200米时，解释误差二维勘探不大于2%；

三为勘探不大于1.5%。

深度小于200米时，解释误差二维不大于6米；

三维不大于4米。

c）查明采取内主要煤层露头位置，其平面位置误差二维勘探不大于50米；

三维勘探不大于30米。

d）当覆盖层厚度大于200米时，其解释误差不大于2%；

小于200米时解释误差不大于6米。

e）进一步圈出区内主要煤层受古河床、古隆起、岩浆岩等的影响范围。

f）解释区内主要煤层厚度变化趋势。

g）解释较大陷落柱等其他地质现象。

二维地震勘探是将多个检波器与炮点按一定的规则沿一直线（称测线）排列，在测线上打井、放炮和接收。

采集完一条测线再采集另一条测线。

最后得出反映每条测线垂直下方地层变化情况的剖面图（二维剖面图）。

三维地震则是将多道（必要时可达上千道、上万道）检波器布成十字状、方格状、环状或线束状等，炮点与检波点在同一块面积上，形成面积形状接收由地下返回地面的地震波。

然而，不管哪种地震勘探，都需要有测量工作的配合。

地震勘探测量工作就是把设计图上的测网、测线移植到实地上去，求得测线各点的实际位置，供勘探施工，并计算出端点、激发点、检波点、测线转折点的实地平面坐标和高程，供室内、外各工序使用。

只有地震勘探测量工作达到相应的精度要求才能满足地震勘探的精度，从而完成地震勘探的任务。

随着测量技术的不断提高，测量的精度也越来越高，促使地震勘探的准确性在不断的提高。

地震勘探测量的任务：

为地震勘探设计和研究地层构造提供必须的资料。

根据勘探设计的要求，在实地布设勘探测线和测线网。

放样激发点和检波点。

提供测量成果表和高程数据表

本论文主要结合地震勘探应用GPS的实践，总结、探讨GPS应用中的一些理论和实践问题，尤其针对测量过程中应用RTK、手持GPS等测量仪器放样的精度要求等问题进行较深入讨论和研究，力求研究、探讨出适合现在GPS仪器在煤矿地震勘探测量中的要求。

为不断发展的先进仪器、技术在地震勘探中应用奠定基础，以促进地震勘探的发展。

2、现有有关地震勘探测量的规范及其不适用性

2.1现有地震勘探测量的规范

现有的有关煤炭地震勘探的测量规范较全面、完整的只有《煤炭资源勘探工程测量规范》（1987年制定）。

在《煤炭煤气层地震勘探规范》（200年制定）中也有少量提到对测量的要求。

1）、地震勘探控制点的要求

最近发行的“煤炭资源勘探工程测量规范”（1987年实施）中规定勘探工程测量平面控制的一般发展层次如下：

国家等级点——基本控制点——勘探控制点（简称勘控点）。

勘探区内已有的“军控点”和其他埋石点，可根据其精度情况，作为相应级别的控制点使用。

勘控点在基本控制点的基础上加密，进行地质工程测量可发展三次，物探工程测量可发展四次。

当进行大比例尺平板仪地质填图时，其密度每平方公里不应少于2点。

勘控点的精度要求是：

对附近基本控制点平面位置中误差不大于1米；

对

附近基本控制点的高程中误差，平丘地不大于0.2米，山地不大于0.5米。

地形分类标准

平丘地勘探区绝大部分地面坡度在6°

以下，高差在150米以下。

山地勘探区绝大部分地面坡度在6°

以上，高差在150米以上。

2）、地震勘探放样要求

（

）、地震勘探工程测量主要是布设测网，测定剖面线上的检波点、爆炸点。

测线应布设成直线，应地形限制必须转折测线时，转折点一般应与爆炸点重合。

弯曲单次剖面施测时，以爆炸点为测站，逐点测定检波点。

多次叠加剖面转折处，分别设置附加段各类点，仍按原顺序进行，但应在编号上加“，”，以示区别。

（2）、地震测线的布设，应根据测线形状、控制点分布情况，采用以下方法确定起始点与布设方向：

极坐标法；

导线法；

角线交会法；

确定测线方向，因尽量连测二个已知点方向。

测线应闭合在两个已知点之间，连侧段前加“导”字，区别于测线。

（3）、地震测线成格网状时，应布设垂直于测线的控制基线，其精度按勘控点要求执行。

基线用“正倒镜分中法”，侧线用一次倒镜法定向。

测定水平角和垂直角时，基线测两测回。

长度测定，基线用钢尺单向二次测定，互差应不大于2厘米；

侧线可用钢尺或军用电话线丈量，困难时，也可用相应精度的其他方法测定。

量距时温度和鉴定尺长时温度差超过±

10℃，尺长改正数大于尺长1/10000时，应加温度和尺长的改正。

尺段两端的坡度大于2﹪时，应进行倾斜改正。

基线、测线跨越沟、河时，长度可用视距法或解析法测定。

视距最大长度，对基线为200米，测线为250米，往返侧较差分别为1/250和1/200。

用解析法测定时，所量起始边应不小于与所求边的1/10。

基线、测线长度和限差按表2.1规定执行。

基线、测线长度和限差表2.1

类别

项目

基线

测线

基线最大长度（km）

6

9

全长允许闭合差（m）

1.5

3.0

方位角闭合差

距离相会误差

1/1200

1/600

注：

L为基线、测线长度（以公里计），n为测站数。

当采用正摄影像地图判定爆炸点位置时，所判定位置偏差应不大于图上2毫米。

1）地震测线应按设计进行测量。

定线前应做好勘探工作，以使测线尽可能为直线。

如遇障碍物（如村庄、水塘等）无法连续施工时，测线可平行移动不大于1/4线距；

如平行移动仍无法避开时，可在整数道土提前转折，转折角不大于6°

，转折段偏离原设计位置的垂直距离不应大于1/3线距，并应回到原设计的侧线位置和方向上。

2）对于线束状地震勘探，接收线、炮线不准偏移或转折。

3）测线号和测线桩号应由西向东，由南向北递增。

测线桩号以米为单位。

炮点检波点位置应有明显可靠标志，必要时侧线端点应设置永久性标志。

4）线宽、弯曲测线、三维地震勘探应提供激发点、检波点的坐标和高程。

宽线测线布置应采用线性正交排列型。

弯曲侧线地震勘探应通过计算确定激发点位置，以尽量保证覆盖次数均匀；

测线转折时转折角一般宜小于30°

并应在侧线拐弯处设置激发点和检波点。

5）在需进行地形静校正的地区，应沿测线实测地形剖面。

6）每测定一条侧线后应及时进行计算，并绘出标有明显地形地物的测线草图。

未经计算闭合的测线不得进行地震工作。

7）测量原始数据和计算成果必须有专人检查和核算，发现问题要及时补正。

8）测量成果表和高程数据表应打印或用黑色墨汁抄写，并装订成册。

9）测量原始资料和计算成果资料每个施工期结束后10日内上交。

10）测量精度要求

激发点、检波点对附近堪控点平面位置中误差不大于5m。

激发点、检波点对附近堪控点高程中误差不大于0.5m。

测线闭合长度不大于9km，基线长度不大于6km。

测线全长允许闭合差不大于

m,基线不大于

m（L为测线或及线长度，以km为计）。

测线方位角闭合差不大于

，基线不大于

，多边形不大于

；

三维地震测线方位角闭合差不大于

（n为测站数）。

测线长度相对误差不大于1/600,基线长度不大于1/1200；

三维地震测线长度相对误差不大于1/1000.

2.2现有规范不适用性分析

对于上述第一个规范，它主要是对老式仪器（钢尺、水准仪、经纬仪等）提出要求。

但是对于现在实际工作中控制测量主要应用静态GPS，而放样主要用到RTK、手持GPS及全站仪等。

对于现代仪器，它的要求可以轻易达到，已经失去了规范性。

而对于第二个规范中的一些要求过低，对于现代测量可轻易满足，有的要求要按其精度实施，甚至会出现错误。

以下对其进行具体分析。

规定中要求：

则两倍中误差的极限误差可以达到10米。

现在有的地震勘探部门要求线距40m，道距10m，即每两条线之间的距离为40米，而每条检波点线上两点之间的距离为10米。

则按照现有规定就会出现以下现象：

图1

如图1，本应放样在A、B两点上的检波点如果按照规范就可放样到a、b点，而且精度完全满足要求，但是很明显A、B点位置对换，这已经是明显的错误。

这种现象是完全由可能出现的，所以说现有的规范已不适应现代地震勘探的要求。

地震勘探技术适应于任何地区，无论是平丘地区，还是山地。

根据煤矿的矿藏的分布特点，地震勘探主要应用于山地。

对于平丘地区，激发点、检波点对附近堪控点平面位置中误差不大于5m，激发点、检波点对附近堪控点高程中误差不大于0.5m。

还有可能达到要求，但是对于山地，特别是坡度比较大的山地中，这种精度很难达到。

举例说明：

图2

如图2，假设某山地的坡度为45°

，点A发生2米的平面误差，则他的高程误差也将是2米。

如果按照规定限差10米的精度进行放样，那激发点、检波点对附近堪控点高程中误差不大于0.5m的要求将很难达到。

因此如此大的平面误差很难保证得到好的高程值。

现有的规范还有其他不适用的地发，但是通过上述两点已可以说明现有的规范已经不再适用于现代地震勘探的测量要求，所以有必要研究、分析、探讨出适合现代技术发展和地震勘探要求的测量精度要求。

3、现代地震勘探测量要求分析

3.1通过地震勘探部门要求的分析

通过分析地震勘探的任务不难看出地震勘探对于测量的精度要求并不高，特别是对于平面误差的要求比较低，高程的要求也不高，对于最小需要解译的误差才要求6米。

但是他对于放样点之间的相对位置精度要求比较高。

随着测量技术的不断发展，现在GPSRTK的精度已经达到厘米级，而手持机的精度也可达到亚米级，相应的对地震勘探测量的精度也应提出新的要求。

通过地震勘探部门现在对测量的要求进行研究，分析出适合现代地震勘探测量精度的要求。

以朱家河煤矿三维地震勘探为例，他们的地质任务是：

（1）、查明测区内煤层中落差≥5m的断层，解释落差5m以下断层、断点，并解释断层的性质、落差、倾角等要素和位置，平面位置误差不大于20m。

（2）、查明测区内主要可采煤层的底板起伏情况和厚度变化趋势，煤层底板深度误差小于1.5％。

（3）、查明勘探区内小窑采空区的范围。

但是在朱家河三维地震的测量任务中对于精度要求并没有明确提出，只是说明其工程测量要求及精度按《煤田资源勘探工程测量规程》和《煤炭煤层气地震勘探规范》执行。

由上述朱家河煤矿三位地震勘探的地质任务可以分析出，他要求的最后平面误差不大于20米，按100米的煤层底板计算，它要求得深度误差不大于1.5米。

但是这是要求的最后误差，勘探过程中包括测量误差和地震勘探自身的误差，为了保证最后要求达到的误差，就需要在最开始的测量中保证比他高的精度。

目前地震勘探工程测量的精度要求是1m,放样坐标和理论设计坐标差值限定一般为0.3m,静校正对高程的要求为0.5m,这对RTK测量来说是很容易达到的。

但RTK作业中缺乏检核条件,个别点可能出现粗差[11]。

3.2通过已有规范的分析

经过多年的勘探测量，我国煤矿储量已经基本探清，大面积的勘探已经结束，现在进行的是局部区域范围的探查，因此中小比例尺的勘探测量已经很少进行，而且很多时候进行的是1：

1000、1：

2000、1：

5000等比例尺的勘探测量。

通过对2002年发布的《山区地震勘探测量技术规范》的研究（虽然他是关于石油的地震勘探测量技术规范，但是毕竟都是地震勘探测量的规范），探讨适合煤炭地震勘探的测量要求。

在《山区地震勘探测量技术规范》中要求：

接收点、激发点对于最近的测量控制点的平面位移中误差，在地震勘探成果图上二维地震不得大于0.4mm，三维地震不得大于0.3mm，高程中误差要求见表3.1（接收点、激发点高程中误差）。

表3.1接收点、激发点高程中误差

地震勘探成图比例尺

1：

10000

25000

50000

100000

高程中误差

±

1.0

2.0

以二倍中误差作为本标准中各项限差指标。

根据上述精度，按照1：

10000比例尺计算接收点、激发点对于最近的测量控制点的平面位移中误差，二维地震的实际精度不得大于4m,三维地震的实地精度不得大于3m.按照1：

2000比例尺推断，则他二维地震的实地精度不得大于0.8m，三维地震的实地精度不得大于0.6米。

高程中误差为0.2m。

上述精度只是简单的推断，对于更注重相对平面位置的煤炭地震勘探测量测量来说，接收点、激发点对于最近的测量控制点的平面位移中误差并不要求那么高的精度，相对的中误差为1m相对比较合理一些。

在根据2000年发布的《煤炭煤层气地震勘探规范》可以认为激发点、检波点对附近堪控点高程中误差不大于0.5m也是比较合理的。

随着测量技术的不断进步、GPS的精度的不断提高，功能的不断完善，他的应用也越来越广泛。

特别是在地震勘探中，GPS已基本代替原有的测量的工具，静态GPS可作控制测量，RTK、手持机可用于放样。

在实际工程当中，GPS发挥出更加经济、高效的作用。

4、静态GPS在地震勘探测量中的应用

现在静态GPS在地震勘探测量中主要用于控制测量。

4.1GPS基本原理

GPS定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的。

用户用GPS接收机再某一时刻同时接收三颗以上的GPS卫星信号，测量出测站点（接收机天线中心）Q至三颗以上GPS卫星的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站P点的位置。

如图1.1所示,在待测点Q设置GPS接收机,在某一时刻t同时接收到3颗（或3颗以上）卫星S1、S2、S3所发出的信号。

通过数据处理和计算,可求得该时刻接收机天线中心（测站点）至卫星的距离ρ1、ρ2、ρ3。

根据卫星星历可查到该时刻3颗卫星的三维坐标（Xj,Yj,Zj）,j=1,2,3,从而由下式解算出Q点的三维坐标（X,Y,Z）:

图4.1GPS定位测量原理

根据其运动状态可以将GPS定位分为静态定位和动态定位。

其中静态定位指的是对于固定不动的待定点，将GPS接收机安置于其上，观测数分钟乃至更长的时间，以确定该点的三维坐标，又叫绝对定位。

静态测量模式又分常规静态和快速静态。

常规静态测量：

主要用于建立大地控制网、地壳运动监测网、长距离检校基线及精密工程控制网等.主要应用于煤炭物探测量控制网的布设；

快速静态测量：

主要用于控制网的建立及加密、工程测量、地籍测量等.主要用于煤炭物探测量的加密控制测量.

GPS测量按其精度划分为AA、A、B、C、D、E级。

GPS快速静态定位测量可用于C、D、E、级GPS控制网的布设。

各级GPS测量的用途：

AA级主要用于全球性的地球动力学研究、地壳形变测量和精密定轨。

A级主要用于区域性的地球动力学研究和地壳形变测量。

B级主要用于局部形变监测和各种精密工程测量。

C级主要用于大、中城市及工程测量的基本控制网。

D、E级主要用于中小城市、城镇计测图、地籍、土地信息、房产、物探、勘测、建筑施工等的控制测量。

4.2地震勘探中控制点的要求

地震勘探测量属于工程测量的一种，根据《全球定位系统测量规范》中的分级和各级GPS测量的用途可知地震勘探测量的控制点的精度可按照D、E级精度要求。

因此各精度要求可参照《全球定位系统测量规范》的要求：

各级GPS网相邻点间基线长度精度用下式表示，并按表1规定执行。

式中：

——标准差，mm；

a——固定误差，mm；

b——比例误差系数；

d——相邻点间距离，mm.

表4.1精度分级

级别

固定误差a,mm

比例误差系数

D

≤10

E