井间地震层析成像在铁道勘察中的应用研究

赵广茂 孟宪波

(铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津 300052)

1 概述

岩溶对铁路桥梁、路基建设影响较大,在铁路勘察中必须将岩溶规模、边界探测准确。岩溶经常发育在可溶性的纯灰岩地层或断层破碎带、岩溶与围岩之间,一般存在着明显的波速差异。基于波速差异，可以利用井间地震层析成像技术进行两孔之间的岩溶探测,地震层析成像技术,以其分辨率高的特点而主要应用于精细构造和目标的探测[1-5],自20世纪90年代以来,井间地震层析成像技术逐步进入实用化阶段。

2 井间地震层析成像原理

井间地震层析成像是在两个钻孔间采用一发多收的扇形观测系统,组成密集交叉的射线网络,如图1所示,最后经过反演得到两孔之间的弹性波速度分布图像：坚硬完整的地层波速较高,而节理裂隙、溶蚀洞穴发育处,会出现波速异常,波速呈现相对低速,从而可以确定岩溶的分布情况。反演采用SIRT算法也称联合迭代重建法[6-10],图2为井间地震层析成像反演流程图[11]。

图1 井间地震层析成像观测系统

图4 井间地震层析与声波测井结果(图中虚线为验证钻孔)

图2 井间地震层析成像反演流程

3 井间地震层析成像试验

在京沪线某段进行井间地震层析成像岩溶勘察试验,钻孔布置情况见图3,发射钻孔为zk03,接收钻孔为zk09,孔深50 m,孔间距35 m。为检验井间地震层析成像在岩溶探测中的效果,在zk03与zk09之间布置两个检验钻孔zk05,zk07,孔深为50 m。本工区水位深度16.8 m。

图3 试验钻孔布置示意(单位：m)

井间地震层析成像试验震源采用德国生产的SWG1005电脉冲电火花震源(能量1 kJ),工作频率在500 Hz以上,检波器采用德国产AQ-2000型水中地震检波器串接收,记录仪选用NZ-24地震仪,采样率为0.02 ms；测试段为地下10 m至50 m,激发点间距1.0 m,接收点间距1.0 m。对每个接收点,激发孔中自下而上逐点激发；声波测井采用PSJ-2型数字测井仪。

图4中剖面为zk03发射zk09接收的井间地震层析图像,两侧曲线为zk03和zk09的声波测井曲线。从图中可以看到,zk03位置地下19～21 m声速与地震波速均表现为高速,地下34～42 m均表现为低速,地震纵波速度3 000 m/s以下；zk09位置地下23～33 m声速与地震纵波速度均表现为高速,该高速层从左到右一直贯通,应为同一地层,在地下37～44 m均表现为低波速。

为检验井间地震层析成像在岩溶探测中的效果,从图4层析成像剖面中截取出中间钻孔zk05～zk07段,之后与中间钻孔的岩芯照片进行对比验证。图5为zk05～zk07段层析成像剖面与zk05和zk07的声波测井曲线对比。图6为zk05钻孔岩芯照片,图7为zk07钻孔岩芯照片。

图5中层析成像剖面及声波测井曲线揭示，zk05位置地下37～42 m为低速反映,推断为溶洞,从zk05的岩芯照片图6中可以看到37～43 m为溶洞；图5中层析成像剖面及声波测井曲线揭示zk07位置地下37～43 m为低速反映,推断为溶洞,从zk07的岩芯照片图7中可以看到37～43 m为溶洞,从而说明本次层析成像与声波测井综合分析结果是正确的。

图5 井间地震层析与声波测井结果

图6 zk05钻孔岩芯照片

图7 zk07钻孔岩芯照片

4 结论

通过井间地震层析成像和声波测井两种地球物理方法进行铁路路基岩溶的探测,得出如下结论：

(1)通过钻孔岩芯照片验证井间地震层析成像反演结果是准确的,在铁路路基岩溶探测中可利用井间地震层析成像来圈定溶洞的位置、埋深、规模；

(2)声波测井可提高地层划分的准确度,井间地震层析成像与声波测井相结合进行两孔间的岩溶勘察,可提高对岩溶探测分层的精度,为铁路提供更精确的岩溶勘察资料。

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