高分辨率折射波层析成像法在城市物探中的应用

王　强，王道光

(1.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080；2.中国水利水电第五工程局有限公司，成都 610066)



高分辨率折射波层析成像法在城市物探中的应用

王强1，王道光2

(1.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080；2.中国水利水电第五工程局有限公司，成都 610066)

摘要：城市现代化过程中，地下工程建设不断增加，工程修建等对地下地质体稳定性存在一定影响，城市中莫名会出现一些“天坑”。为了预防及减少这些灾害发生，文章采用高分辨率折射波层析成像技术对地下地质体进行勘探。文章介绍了折射波层析成像的基本原理，并通过工程实例介绍了该方法的工作流程，该方法数据量大、分辨率高、结果直观，能通过纵波速度剖面图准确确定地下地质体物理性状。

关键词：高分辨率；地震折射波法；层析成像；城市地质；勘探

0引言

社会在进步，城市在发展，地上建筑越来越多，路面以下也随着变得越来越复杂。直至近些年各地“天坑”不断出现，各种“天坑”吞人、吞车现象偶有发生，造成经济财产损失，甚至生命代价，使得人们越来越关注城市地质。在不破坏地表情况下，为了预防并减少这种意外损失，采用地球物理勘探是一种有效的方法，文中使用高分辨率折射波层析成像法来进行城市地质勘探。

1高分辨率折射波层析成像法的基本原理

层析成像(Computed Tomography简称CT)技术在上世纪70年代末开始被广泛用于医学领域[1]，随后在工程勘探中逐渐得到应用。折射波层析成像就是将医学中各种射线源换成地震波震源。

层析成像技术采用交叉射线扫描介质内部，根据介质质量与介质中地震波传播速度呈现相关性来判定介质质量。通过数学理论方法来进行计算、反演出介质内部速度分布图，从而判定介质内部质量。该勘探方法，对人体无害，数据量大，分辨率高，因此已被广泛应用于各类工程。

CT层析成像技术数据处理的关键是对模型进行射线追踪。将介质划分成若干微小单元，仅在单元中速度分布均匀，且每个单元四边中存在一定数量的节点，地震波沿单元四边节点进行传播，惠更斯和费马原理，只需计算出波的传播路径及旅行时即可，见图1。

图1　速度单元、节点及炮点到检波点间的射线路径

本次项目的资料处理采用骄佳(GEOGIGA)公司软件，使用最小2乘法对初始速度模型进行反演，给定初始速度及模型层数后，通过反复迭代计算[2]，结果以速度谱形式呈现。

2应用实例

2.1工程概况

辽阳街街道发生过一次塌陷，塌陷直径达数米，修复后需要对修复质量进行检查，避免类似灾害再次发生，现拟采用物探手段进行勘探。

2.2工作布置

在辽阳街指定范围，采用浅层地震折射波层析成像方法进行勘探。测线顺辽阳街方向平行布置3条勘探线，其中路中轴线1条，两侧步道板上各1条，长度均为210m。本次勘探检波器为36道，人工锤击震源，多次垂直叠加。每个折射层析成像法排列设计7个炮点，每条测线完成3个层析成像法排列，共计21炮[1]。

完成工作量统计见表1。

表1　物探完成工作量统计表

2.3使用仪器及方法技术

本次使用仪器为美国SI公司全数字化地震勘探采集系统，该地震采集系统具有高精度、高保真度、高分辨率等优点。通过现场试验，观测系统参数选择如下：

1)道距：3m

2)采集通道：36道

3)采样率：0.5ms

4)记录长度：512ms

5)炮点距：全排列放炮

6)检波器：数字化宽频检波器

本次野外施工采用65 kg夯锤锤击厚铁板作为震源，每个记录进行多次锤击叠加，直至记录清晰。施工炮点与检波器位置排列如图2所示，每个排列≥7炮，排列长度为105 m，滚动向前施工。施工中检波器与地面采用特制底座连接，耦合情况良好，每个检波器接收效果良好。

图2　激发点与接收点排列方式

2.4资料解释

各测线浅层地震折射波层析成像成果如下：

测线L1浅层地震折射波层析成像剖面图见图3。

图3 L1测线(0～210m)浅层地震折射波层析成像剖面图

由图3可以看出：在测线的10～36 m，52～78 m，深度约18m，76～94 m，136～148 m，深度约7～9 m，及154～169 m，深度约12m处出现了5个明显的纵波低速异常区域，根据波速与介质密度的关系，推测这些区域为不密实区。

测线L2浅层地震折射波层析成像剖面图见图4。

图4L2测线(0～210m)浅层地震折射波层析成像剖面图

由图4可以看出：在测线的58.5～88.5 m，深度约21m，94～112 m，深度约6m，及153～172 m，深度约10m处出现了3个明显的纵波低速异常区域，根据波速与介质密度的关系，推测这些区域为不密实区。

测线L3浅层地震折射波层析成像剖面图见图5。

图5L3测线(0～210m)浅层地震折射波层析成像剖面图

由图5可以看出：在测线的34～76 m，深度约18m，82～100 m，深度约12m，及136～167 m，深度约9m处出现了3个明显的纵波低速异常区域，根据波速与介质密度的关系，推测这些区域为不密实区。

为了验证勘探成果，选取测线L2进行浅层地震反射波法校核，其反射波法速度谱剖面图见图6。

图6　L2测线(210m)浅层地震

由图6可以看出：在测线的34～55 m，深度约12～15 m；在测线的51～63 m、在测线的68～118 m，深度约7～10 m；在测线的145～152 m、在测线的160～167 m，深度约8～12 m；在测线的152～160 m、在测线的167～180 m，深度约7～10 m，这几处出现了明显的异常区域，同相轴发生错位、不连续，推测在该区域地下介质不密实[2]。

辽阳街探测异常统计见表2。

本次物探共在辽阳街3条测线中发现异常11处，并对L2测线进行了其他方法验证，验证结果基本一致。

3结论

本次物探工作采用了浅层地震折射层析成像方法与浅层地震反射波法相结合，两种方法中得到的异常点位置清晰、一致，能够互相印证，充分证明本方法在城市物探中的适用性与准确性。

表2　物探异常点汇总

参考文献：

[1]和锐，杨建思，张翼.地震层析成像方法综述[J].北京：Ct理论与应用研究，2007，16(1)：35-48.

[2]庄天戈.CT原理与算法[M].上海：上海交通大学出版社，1992：77-97.

中图分类号：P631.22

文献标识码：B

[作者简介]王强(1985-)，男，黑龙江绥滨人，工程师；王道光(1981-)，男，四川内江人，工程师。

[收稿日期]2015-11-28

文章编号：1007-7596(2016)01-0091-03