利用地震波CT技术精细化探测隧洞间岩溶构造

蔡连初，缪念有

（1.浙江华东工程安全技术有限公司，浙江杭州，310014；2.华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，310014）

0 引言

地震波CT探测技术的基本原理是利用地震波穿透地层，通过观测地震波的走时或振幅，经计算反演重建地质体内部的结构图像,根据成像物理量的不同分为波速成像或衰减系数成像。波速成像是最常用的地震波CT方法。近年来，随着计算机技术的发展和工程地球物理观测技术的进步，二维地震波CT技术和探测精度不断提高，在工程中的应用也日益广泛。由于二维地震波CT是对目标体的“切片”式探测，单一地震波CT剖面无法了解岩溶等三度地质体的全貌，而三维地震波CT技术仍在理论研究阶段，因此采用多个交叉地震波CT剖面对目标体进行多方位的探测，然后利用专门的绘图软件将各剖面的地震波CT探测成果绘制成三维实体图形。根据三维实体图形中低波速围岩的空间分布，分析判断溶蚀构造的形态，实现对隧洞间岩溶构造的精细化探测，达到查明岩溶构造全貌的目的。

1 溶蚀构造探测条件分析

地震波在地层中的传播速度与岩石的物理性质、内部结构及其环境条件有关，主要影响因素有：岩性、孔隙度、孔隙中的填充物、密度、埋藏深度以及地质年代等。对于一给定的探测区域，如果岩性相同，密度、埋深、地质年代等基本不变，则影响地震波速度变化的主要是孔隙度和孔隙中的填充物。

威利等人在1956年提出时间平均方程，用以描述地震波速度与岩石孔隙度的关系：

式中:V——地震波的速度；

Vm——岩石骨架的波速；

VL——孔隙中充填物的波速；

φ——岩石的孔隙度。

当孔隙度为零时,地震波的速度等于岩石骨架的速度；当孔隙度为100%时,地震波的速度等于孔隙中充填物的速度。孔隙中的充填介质往往包含松散的固体、气体、液体或混合流塑体，相对由致密造岩矿物组成的岩石骨架，各种填充介质的地震波速度要低得多，必然导致含孔隙岩石波速的降低。由于溶蚀作用通常导致岩石内部孔隙率增大，地震波速度变小，因此利用地震波CT技术可以探测溶蚀构造。根据地震波CT图像中低波速区的分布形态可以分析判断围岩中溶蚀构造的空间分布状况。

2 地震波CT探测成果

某水电站工程区岩性主要为三叠系中统大理岩，在近东西向应力场控制下形成一系列近南北向展布的紧密复式褶皱和陡倾角的压性或压扭性走向断裂，并伴有NEE-EW向张性或张扭性断层构造，近地表区溶蚀构造较为发育，对引水隧洞的运行安全构成隐患。利用多条平行的引水隧洞在高程1 567 m平面内布置接收点和激发点，对引水洞区域进行了地震波CT探测，图1为其中一段存在明显低速区域的CT等值线图。

图1 1-2号引水隧洞间桩号K15+756～856段地震波CT波速等值线图（单位：km/s）Fig.1 Contour lines of the CT wave velocity at the pile mark K15+756～856 between tunnel No.1 and No.2

从图1中可以看出，1-2号引水隧洞间K15+756～856段连续分布波速小于3.8 km/s的低速区，其波速远低于新鲜完整岩石的波速（6.4 km/s），低速区几乎贯通两条引水隧洞之间，推测为溶蚀发育区。

3 三维精细化处理

1号引水隧洞和2号引水隧洞洞径为13 m，相邻两洞壁间距为48 m，可充分利用隧洞高度布置多个地震波CT剖面。为了对图1中发现的低速区域进行进一步详细探测，在桩号K15+775～821段沿隧洞高度方向10 m范围内布置3条激发测线和3条接收测线，测线间距为5 m，共获得9个地震波CT探测剖面。为保证观测系统足够的射线密度和射线正交性，激发点距和接收点距均为1 m。

将各个二维剖面作平面内最短射线路径搜索计算波速，综合实测的9个剖面，得到三维空间波速阵列，经专用立体绘图软件处理绘制三维等值面图，并进行实体填充，最终成果清晰、直观地体现了探测区域内波速分布情况，如图2所示。

从图2可以看出，在高程1 567～1 577 m范围内，低波速区呈NEE走向并向上方和下方延伸，为了更清晰地观察低速区波速变化情况，将图2沿桩号K15+795作垂直隧洞轴线剖切得到剖面图，见图3所示。图3中的波速等值线也反映出低速区向竖直方向延伸的特征，由此推测该区域内发育的溶蚀构造倾角较陡，并沿铅直方向延伸。后经钻孔验证，洞间岩体内发育NEE向溶蚀宽缝，倾角陡立，局部扩大为溶洞。

图2 1-2号引水隧洞桩号K15+775～821段地震波CT三维波速等值面图（单位：m/s）Fig.2 3-d contour surfaces of the CT wave velocity at the pile mark K15+775～821 between tunnel No.1 and No.2

图3 1-2号引水隧洞桩号K15+795垂直洞轴线剖面图Fig.3 Profile on the vertical section at the pile mark K15+795 between tunnel No.1 and No.2

4 结语

本次洞间岩溶探测采用多交叉剖面二维地震波CT探测方法，得到三维可视化成果，极大地提高了地震波CT探测成果的质量和探测精度，是利用二维地震波CT技术对三度地质体进行高精度三维勘探的有益探索。

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