多道瞬态面波频散曲线提取方法

赵 敏,李才明,李大虎,蔺佳斌

(1.成都理工大学信息工程学院,成都 610059;2.四川省地震局工程地震研究院,成都 610041; 3.成都工程检测研究所,成都 610041)

多道瞬态面波频散曲线提取方法

赵 敏1,李才明1,李大虎2,蔺佳斌3

(1.成都理工大学信息工程学院,成都 610059;2.四川省地震局工程地震研究院,成都 610041; 3.成都工程检测研究所,成都 610041)

多道瞬态面波勘探频散曲线的提取方法对面波的勘察具有非常重要的作用。合理地使用面波勘察与频散曲线提取方法,一方面能准确反映和区分地下不同岩层的界面,满足工程勘察的需要;另一方面,该方法大大节省投资,简化了现场工作程序,缩短勘察周期,提高了工作质量和效率。

面波勘探;多道瞬态面波法;频散曲线

多道瞬态面波法(以下简称面波法),利用其频散特性和传播速度与岩土物理力学性质的相关性可以解决诸多工程地质问题。常规的面波勘探只是一次采集一点的资料,而多道面波勘探技术则是通过连续的排列移动,同时收集面波资料和反射资料。由于面波勘探对浅部地层分辨率高等特点,使得面波勘探在工程勘察与检测中得到了广泛地应用,并取得了较好的地质效果,多道瞬态面波法也越来越引起人们的重视,但是对面波的频散曲线提取还未能取得良好的效果。本文通过对频散曲线的提取方法做了对比研究,得到了反映地层速度的反演结构图。

一、面波测深原理

利用面波沿介质表面传播,在多层介质中相速度发生变化,其频散特性和传播速度与岩土物理力学性质的相关性等特征。同一波长的面波的传播特性反映了地质条件在水平方向的变化情况,不同波长的面波的传播特性反映着不同深度的地质情况。面波波速近似等于剪切波波速,并具有密切相关性,相关式为:Vm=Vs×(0 87+1.12μ)/(1+μ),式中μ为泊松比,即面波波速与介质的物理力学性质密切相关。从完整岩石至流塑状土体的面波速度Vm≈0.92Vs～0.97Vs(Vs为弹性波速横波速度)。

二、频散曲线的提取方法

频散曲线的变化规律与地质条件和岩土介质的结构性状(如地层厚度、波传播速度等)存在着内在联系,分析、研究和利用这种内在联系,就可以达到探测地质体的目的。从瞬态面波中提取频散曲线的方法较多,效果各异,因此频散曲线的真实性决定了最终探测结果的可靠性。本文在以往二维 F—k域法简要的基础上,给出了一种新的频散曲线的提取方法:F—V域波场分离法。

F—k域法是当前常用的从瞬态记录中提取面波的方法,它是建立在二维傅立叶变换的基础上的,利用瑞雷波与直达波、折射波和声波等存在视速度和频率之间的差异来提取瑞雷波,但是这种提取方法必须同时采用多道记录 (一般6道以上),因此所获取的频散曲线是多道的综合效应,是在排列长度范围内的加权平均,不易探测小规模的目标体和局部异常;F—V域波场分离法则是利用面波与体波在速度上的差异以及对不同介质的响应来提取频散曲线的,作者基于这种方法所提取的频散曲线在划分地层,推断地下的速度结构都取得了良好的效果。以下展示了两种不同域的频散谱(图 1和图 2),对比可以发现,在 F—V域中频散点的分布比较均匀,保真性好;图 3为经过 F—V域提取的频散曲线先建立地层模型再进行的反演拟合,得到了理想的拟合误差和地层结构,为下一步求取地层速度奠定了基础。

图 4为基于 F—V域波场分离法处理得到实测面波反演层速度结构解释成果图,反映了随深度变化的频散曲线,图 5是钻探揭露的地层柱状图,对比两者可以发现,其层位的划分具有良好的一致性,同时还可以看出,瑞雷波的速度随深度的增加而升高。

三、工程实例应用

以下是在某工区进行的瞬态面波勘探情况,为探测采空区的存在位置,在勘探过程中,数据采集使用 SE2404EP型综合工程探测仪,检波器为重庆地质仪器制造厂生产的地震检波器(主频 4 Hz),12道接收,采样间隔0.5 ms,采样长度 500 ms,道间距 1米,偏移距 9米,等道距直线排列观测系统,20磅大锤敲击震源。经过频散曲线的提取和反演,得到的解释成果如下:MB-1点 (图 6):频散曲线光滑连续,分层特征明显,无空洞表现,4.6～8.0米深度平均波速相对较低,推测周围局部存在采空区,岩层较松散;MB-2点 (图 7):0～6.6米深度频散曲线光滑连续,6.6～7.2米深度曲线较散乱,波速减小,推测为煤层 (低速软层)或采空区,7.2～16米深度受上层影响曲线较散乱,平均波速 317 m/s。

四、结束语

多道瞬态面波勘探频散曲线的提取方法对面波的勘察具有非常重要的作用,只有提取的频散曲线符合地层的模型才能正确地反映出层速度结构图。合理地使用面波勘察与频散曲线提取方法,一方面能准确反映和区分地下不同岩层的界面,指出其精确厚度和各层的波速,探测深度能够满足工程勘察的需要;另一方面,所测波速能够直接反映岩土的物理力学性质,因此,该方法不仅大大节省投资,而且明显地简化了现场工作程序,缩短勘察周期,提高了工作质量和效率,必将在诸多工程领域发挥越来越大的作用。

[1] 杨成林.瑞雷波勘探[M].北京:地质出版社,1993.

[2] 刘云祯,王振东.瞬态面波法的数据采集处理系统及应用实例[J].物探与化探,1996,20(1):28-33.

[3] 李哲生.瞬态多道瑞利波勘探技术在岩土工程勘察中的应用[J].工程勘察,1996(3):66-68.

2010-10-26

赵敏(1985—),女,硕士研究生,研究方向:重磁电。

P642

A

1007-7111(2010)12-0116-02

(责任编辑 张佑法)