多道瞬態(tài)面波頻散曲線提取方法

趙 敏,李才明,李大虎,藺佳斌

(1.成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院,成都 610059;2.四川省地震局工程地震研究院,成都 610041; 3.成都工程檢測研究所,成都 610041)

多道瞬態(tài)面波頻散曲線提取方法

趙 敏1,李才明1,李大虎2,藺佳斌3

(1.成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院,成都 610059;2.四川省地震局工程地震研究院,成都 610041; 3.成都工程檢測研究所,成都 610041)

多道瞬態(tài)面波勘探頻散曲線的提取方法對面波的勘察具有非常重要的作用。合理地使用面波勘察與頻散曲線提取方法,一方面能準(zhǔn)確反映和區(qū)分地下不同巖層的界面,滿足工程勘察的需要;另一方面,該方法大大節(jié)省投資,簡化了現(xiàn)場工作程序,縮短勘察周期,提高了工作質(zhì)量和效率。

面波勘探;多道瞬態(tài)面波法;頻散曲線

多道瞬態(tài)面波法(以下簡稱面波法),利用其頻散特性和傳播速度與巖土物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性可以解決諸多工程地質(zhì)問題。常規(guī)的面波勘探只是一次采集一點的資料,而多道面波勘探技術(shù)則是通過連續(xù)的排列移動,同時收集面波資料和反射資料。由于面波勘探對淺部地層分辨率高等特點,使得面波勘探在工程勘察與檢測中得到了廣泛地應(yīng)用,并取得了較好的地質(zhì)效果,多道瞬態(tài)面波法也越來越引起人們的重視,但是對面波的頻散曲線提取還未能取得良好的效果。本文通過對頻散曲線的提取方法做了對比研究,得到了反映地層速度的反演結(jié)構(gòu)圖。

一、面波測深原理

利用面波沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑?在多層介質(zhì)中相速度發(fā)生變化,其頻散特性和傳播速度與巖土物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性等特征。同一波長的面波的傳播特性反映了地質(zhì)條件在水平方向的變化情況,不同波長的面波的傳播特性反映著不同深度的地質(zhì)情況。面波波速近似等于剪切波波速,并具有密切相關(guān)性,相關(guān)式為:Vm=Vs×(0 87+1.12μ)/(1+μ),式中μ為泊松比,即面波波速與介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。從完整巖石至流塑狀土體的面波速度Vm≈0.92Vs～0.97Vs(Vs為彈性波速橫波速度)。

二、頻散曲線的提取方法

頻散曲線的變化規(guī)律與地質(zhì)條件和巖土介質(zhì)的結(jié)構(gòu)性狀(如地層厚度、波傳播速度等)存在著內(nèi)在聯(lián)系,分析、研究和利用這種內(nèi)在聯(lián)系,就可以達到探測地質(zhì)體的目的。從瞬態(tài)面波中提取頻散曲線的方法較多,效果各異,因此頻散曲線的真實性決定了最終探測結(jié)果的可靠性。本文在以往二維 F—k域法簡要的基礎(chǔ)上,給出了一種新的頻散曲線的提取方法:F—V域波場分離法。

F—k域法是當(dāng)前常用的從瞬態(tài)記錄中提取面波的方法,它是建立在二維傅立葉變換的基礎(chǔ)上的,利用瑞雷波與直達波、折射波和聲波等存在視速度和頻率之間的差異來提取瑞雷波,但是這種提取方法必須同時采用多道記錄 (一般6道以上),因此所獲取的頻散曲線是多道的綜合效應(yīng),是在排列長度范圍內(nèi)的加權(quán)平均,不易探測小規(guī)模的目標(biāo)體和局部異常;F—V域波場分離法則是利用面波與體波在速度上的差異以及對不同介質(zhì)的響應(yīng)來提取頻散曲線的,作者基于這種方法所提取的頻散曲線在劃分地層,推斷地下的速度結(jié)構(gòu)都取得了良好的效果。以下展示了兩種不同域的頻散譜(圖 1和圖 2),對比可以發(fā)現(xiàn),在 F—V域中頻散點的分布比較均勻,保真性好;圖 3為經(jīng)過 F—V域提取的頻散曲線先建立地層模型再進行的反演擬合,得到了理想的擬合誤差和地層結(jié)構(gòu),為下一步求取地層速度奠定了基礎(chǔ)。

圖 4為基于 F—V域波場分離法處理得到實測面波反演層速度結(jié)構(gòu)解釋成果圖,反映了隨深度變化的頻散曲線,圖 5是鉆探揭露的地層柱狀圖,對比兩者可以發(fā)現(xiàn),其層位的劃分具有良好的一致性,同時還可以看出,瑞雷波的速度隨深度的增加而升高。

三、工程實例應(yīng)用

以下是在某工區(qū)進行的瞬態(tài)面波勘探情況,為探測采空區(qū)的存在位置,在勘探過程中,數(shù)據(jù)采集使用 SE2404EP型綜合工程探測儀,檢波器為重慶地質(zhì)儀器制造廠生產(chǎn)的地震檢波器(主頻 4 Hz),12道接收,采樣間隔0.5 ms,采樣長度 500 ms,道間距 1米,偏移距 9米,等道距直線排列觀測系統(tǒng),20磅大錘敲擊震源。經(jīng)過頻散曲線的提取和反演,得到的解釋成果如下:MB-1點 (圖 6):頻散曲線光滑連續(xù),分層特征明顯,無空洞表現(xiàn),4.6～8.0米深度平均波速相對較低,推測周圍局部存在采空區(qū),巖層較松散;MB-2點 (圖 7):0～6.6米深度頻散曲線光滑連續(xù),6.6～7.2米深度曲線較散亂,波速減小,推測為煤層 (低速軟層)或采空區(qū),7.2～16米深度受上層影響曲線較散亂,平均波速 317 m/s。

四、結(jié)束語

多道瞬態(tài)面波勘探頻散曲線的提取方法對面波的勘察具有非常重要的作用,只有提取的頻散曲線符合地層的模型才能正確地反映出層速度結(jié)構(gòu)圖。合理地使用面波勘察與頻散曲線提取方法,一方面能準(zhǔn)確反映和區(qū)分地下不同巖層的界面,指出其精確厚度和各層的波速,探測深度能夠滿足工程勘察的需要;另一方面,所測波速能夠直接反映巖土的物理力學(xué)性質(zhì),因此,該方法不僅大大節(jié)省投資,而且明顯地簡化了現(xiàn)場工作程序,縮短勘察周期,提高了工作質(zhì)量和效率,必將在諸多工程領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。

[1] 楊成林.瑞雷波勘探[M].北京:地質(zhì)出版社,1993.

[2] 劉云禎,王振東.瞬態(tài)面波法的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)及應(yīng)用實例[J].物探與化探,1996,20(1):28-33.

[3] 李哲生.瞬態(tài)多道瑞利波勘探技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用[J].工程勘察,1996(3):66-68.

2010-10-26

趙敏(1985—),女,碩士研究生,研究方向:重磁電。

P642

A

1007-7111(2010)12-0116-02

(責(zé)任編輯 張佑法)