多偏移距地震映像法与瞬态瑞雷波法在隧底岩溶探测中的综合应用

李 明， 雷 宛， 陈 宁, 王品丰

(1.中国能源建设集团 新疆电力设计院有限公司 乌鲁木齐 830002;2.成都理工大学 环境与土木工程学院，成都 610059;3.四川省地质矿产勘查开发局 物探大队，成都 610059;4.重庆岩土工程检测中心，重庆 401147)

多偏移距地震映像法与瞬态瑞雷波法在隧底岩溶探测中的综合应用

李 明1， 雷 宛2， 陈 宁3, 王品丰4

(1.中国能源建设集团 新疆电力设计院有限公司 乌鲁木齐 830002;2.成都理工大学 环境与土木工程学院，成都 610059;3.四川省地质矿产勘查开发局 物探大队，成都 610059;4.重庆岩土工程检测中心，重庆 401147)

介绍了综合运用多偏移距地震映像法与瞬态瑞雷波法对隧道底部隐伏岩溶探测的工作方法与主要技术，通过对偏移距地研究，分别论述了多偏移距地震映像法、瞬态瑞雷波法的基本原理和数据处理流程，以及这两种方法勘探效果的互补性。通过对实际隧道进行综合应用的实例以及最终钻孔验证，说明了多偏移距地震映像法与瞬态瑞雷波法对隧道底部隐伏岩溶探测的有效性，在勘查工作中，提供更加充分的解释依据，提高工作效率以及地质解释工作的准确性。

多偏移距； 地震映像法； 瞬态瑞雷波法； 隧底岩溶

0 引言

西南地区，铁路、公路经常要穿过地质条件比较复杂的岩溶地区，一般情况下，岩溶系统的分布具有一定规律性，岩溶发育程度最高的为灰岩，其次为白云质灰岩及白云岩，再次是泥质灰岩，而不同岩溶形态的空间分布具有不规则性；同时，岩溶水的运动性质较为复杂，为了保证岩溶隧道基底质量，消除安全隐患，勘察清楚岩溶的规模、边界，具有一定的必要性[1，7-8]。

1 工作方法及特点

1.1 常规地震映像法

常规地震映像(高密度地震勘探)是基于反射波法中最佳偏移距的技术发展起来的，以相同的偏移距逐步移动测点来接收地震信号(单点激发，单点接收)的浅层地震勘探方法。实质上，此方法用小偏移距、小点距密集的采集人工激发弹性波信息，可根据探测目的要求，仅用一种特定地震波(直达波、折射波、反射波、面波等)作为有效波，也可利用多种地震波作为有效波进行探测。常规地震映像工作原理示意图如图1所示。

图1 常规地震映像工作原理示意图Fig.1 Conventional seismic image principle diagram

常规地震映像法是一种定性、快速的普查探测方法。其主要优点是：①采集效率高，速度快；②在资料处理过程中不需要进行校正处理，可以有效地避免动校正对浅层反射波的拉伸畸变影响，从而保留反射波的全部动力学特征，不影响地震记录的分辨率。一般情况下，封闭型溶洞的地震波场特征表现为绕射波双曲线，溶洞的顶部与双曲线极小点对应，通常双曲线分布范围大于溶洞直径，利用地震波的运动学及动力学特征，定性推断地下溶洞的赋存位置和形态。其主要缺陷表现在：①不能进行能量的水平叠加，只能进行能量的垂直叠加；②探测目的层较多时，不宜确定最佳偏移距；③在映像时间剖面上可以解释异常体的水平横向位置，至于其纵向埋深、性质等无法提供确切的解释[2-4]。

1.2 多偏移距地震映像法

由于常规单偏移距法所存在的缺陷，会对勘探效果造成影响，为了进一步提高勘探精度和效率，避开常规单偏移距的局限性，通过对偏移距的选取问题进行研究，采用共偏移距处理技术，进行多偏移距联合勘探方法，即“单点激发，多点接收”，最终得到若干不同偏移距时间剖面，在不同异常段，比较并寻找合适的时间剖面，即不同异常段的最佳偏移距，通过不同最佳偏移距解决不同地质异常问题。多偏移距地震映像工作原理示意图如图2所示[5-6]。

图2 多偏移距地震映像工作原理示意图Fig.2 Multi-offset seismic image principle diagram

1.3 瞬态瑞雷波法

瑞雷波是由地表沿震源向外传播，波阵面为圆柱面。其勘探核心问题是准确获取不同频率面波的相速度Vc，不同频率的瑞雷波速度Vc的变化则反映出介质在纵向上的不均匀性，同一频率的相速度Vc在水平方向上的变化，反映出地质条件的横向不均匀性。由于瑞雷面波相较于体波而言，其频率较低，速度较低，能量较强，容易分辨，所以在揭示地下地层状结构的物探方法中具有特别的优越性。在瑞雷波勘探中由震源、接收方式以及资料处理方法的不同分为稳态瑞雷波法和瞬态瑞雷波法。

瞬态瑞雷波法勘探是利用瞬时冲击力做震源激发出瑞雷波，在脉冲作用下，产生波动。在距离震源一定距离处，使用检波器记录瑞雷波垂直分量，并对记录的瑞雷波信号做频谱分析以及处理，计算并绘制出VR-λ频散曲线，由频散曲线的特征来分析解决地质问题，其工作原理示意图见图3[1-2，11]。

图3 瞬态瑞雷波法工作原理示意图Fig.3 Transient Rayleigh wave principle diagram

2 偏移距的选取

在数据采集中，因为要利用尽可能多的信息，其工作中的难点是最佳偏移距的确定，不同的条件下最佳偏移距的选择原则不同，最佳偏移距即能够最好地反映出探测目标有效波的偏移距，有效波可以多于一个，所以最佳偏移距不仅是反射波勘探意义上的最佳，而是采集有效波的最佳偏移距，为了使在选择的偏移距上折射波、反射波、面波或其他有特征的波，在时间上尽可能互相分离，受干扰波影响小，记录信号清晰，根据所要勘探的深度及层速度来确定最佳偏移距的取值范围。

1)通过动校正拉伸与偏移距的关系确定最大偏移距。

根据动校正近似公式：

(1)

得动校正拉伸百分比为：

(2)

所以可满足动校正拉伸为D的最大偏移距为：

(3)

其中：D为动校正的拉伸，一般取值D<10%。

2)由速度误差与偏移距的关系确定最小偏移距。

常规浅层地震勘探中，对某一目的层而言，速度误差越小，则允许的偏移距则越大；反之，偏移距越小则会使速度误差越大。由此根据探测目的层所允许的动校正速度误差，可大致确定最小偏移距。

反射波时距曲线表达式为式(4)。

(4)

设速度误差为Δv，则引起的时间误差为式(5)。

(5)

(6)

其中:k=Δv/v；Δv为允许的速度误差；v为叠加速度；fmax为反射波最高频率；t0为双程旅行时[9]。

3 应用实例

3.1地质概况

xx隧道位于岩溶强烈发育的碳酸岩地区，岩体中溶蚀裂隙和构造裂隙均较为发育，局部较为破碎，基岩主要是灰岩、泥砂岩、泥质白云岩和泥灰岩等，地下水活动则较为活跃。隧底分布有一定规模和数量的隐伏溶洞或被碎石充填的空洞，拟使用多偏移距地震映像法与瑞雷波法对隧道底部20 m范围内岩溶进行综合探测。

3.2 隧底地球物理特征

在隧道进行的地震地质条件调查表明，隧道底部具备进行浅层地震勘探的地球物理条件(表1)：

表1 隧底基岩介质纵波速度参数表

封闭溶洞中空气以及充填物与围岩有较为明显的波速差异和波阻抗差异，可形成绕射波或反射波特征[7-8]。

由地震波场的理论研究及试验资料表明，各类岩溶在地震时间剖面上可得到不同的表现特征。例如，封闭型溶洞的地震波场特征表现为绕射波双曲线，封闭溶洞的顶部与双曲线极小点相对应，绕射波双曲线的分布范围略大于溶洞直径。可利用地震波的频谱、强度、波长、相位、空间位置以及地震波波的传播时间，推断地下岩溶病害的赋存位置和形态。

3.3 参数设置

3.3.1 参数试验

分别进行多次现场试验和干扰波调查，来确定观测系统和采集参数，以及获取干扰波特征，其次根据现场进行单炮试验，以及推导出的计算偏移距的经验公式，来确定基本参数，大致估算出偏移距范围为4 m～15 m，最终选择4 m为最小炮检距。野外采用了“1+2”锤击方法，来消除随机干扰波，即先敲一锤观察检波器耦合是否正常，在确保检波器耦合正常的情况下，每个测点再叠加2炮。

3.3.2 采集参数

经过以上试验，确定探测的主要采集参数为：偏移距为4 m；记录道数为12道；工作点距为1 m；排列长度为11 m。数据采集的过程中，为确保道与道之间的能量均衡，全程使用8 kg铁锤敲击铁板来激发地震波，尽可能保证叠加时敲击力度一致，并且敲击后铁锤要迅速与铁板分开，进而减少产生余震影响数据。鉴于多偏移距地震映像法与瞬态瑞雷波法在数据采集工作原理上的一致性，进行一次性采集两种方法的原始数据。需要强调的是，两种方法数据采集结合的关键问题在于检波器的选择，本次工作选用4 Hz～1 000 Hz宽频带检波器。

3.4 数据处理及剖面分析

采用骄佳地震处理软件进行数据处理，对获得的共炮点记录中不同偏移距的各道记录进行抽取，把等偏移距的地震道显示在同一时间剖面上，对比研究形成的多条不同偏移距的共深度点时间剖面记录，进行多波联合分析，为保留反映地下介质性质的多波信息，不做过多修饰性处理，必要时仅对地震映像时间剖面进行频率滤波、扩散校正处理，采用能量均衡、道间加密等技术，使剖面图更加直观。为了便于显示及研究，将不同偏移距时间剖面上同一异常区域截取合成在一张图上进行对比研究，如图4所示，为xx隧道某一异常区域12张不同偏移距时间剖面。

从图4中可以看出：①不同偏移距对异常均有响应，而小偏移距中浅层高频波并没有相互分离，各波组相互干扰影响；②随着偏移距的增大，各波组逐渐相互分离，信号逐渐清晰；③对于勘探深度只有20 m的超浅层勘探，由于偏移距过大，容易产生宽角反射对处理及解释工作带来一系列难题。通过对比，选择11 m为该异常段最佳偏移距，从该时间剖面可以看出，在该段存在浅部反射波频率减小，波速降低，波振幅变大，同相轴缺失错乱现象明显；下层面波信息中，同相轴错断明显，波速降低，面波振幅突然增大，形成下凹形态，也同样反映出这一异常。据此，对该异常段并不能进行准确地地质解释，初步推断存在两处较小空洞，或是存在一处较大填充型空洞(图5)。

图4 某异常段不同偏移距(4 m～15 m)地震映像时间剖面图Fig.4 A abnormal segment different offset (4 m～15 m) seismic time profile image

图5 异常段初步地质推断图Fig.5 Abnormal period of preliminary geological infer that figure

采用骄佳地震处理软件对该异常段进行瞬态瑞雷波处理，将时间空间域(x～t)内的一个共炮点道集地震记录，进行二维快速傅里叶变换(FFT)，将其映射成频率波数域(f～k)[10]。

在f～k域内拾取瑞雷波最大能量对应的频率f和波数k；利用关系式VR=f/k计算每个峰值频率对应的相速度VR，当下面存在溶洞时，在溶洞时程的相应位置处便会出现速度陡降等现象，最终输出视横波速度彩色剖面图，如图6所示。

图6 异常段视横波速度彩色剖面图Fig.6 Abnormal color depending on the shear wave speed profile

通过图6可以直观地看出，该段浅部存在一低速异常体，据此修改图5中地质推断的结果，表明浅部存在一局部空洞，而地震映像时间剖面中深部所显示的异常为浅部空洞所引起的假异常，最终通过地质钻孔验证2 m～8 m处确实存在一封闭型空洞，这进一步表明了多偏移距地震映像法与瑞雷波法对隧底岩溶勘探的有效性和正确性。

4 结论

通过以上实例可得出，通过选择合适的偏移距，不仅可以直接影响到地震映像记录的好坏，也关系到对地下异常体勘探的分辨能力。利用多偏移距勘探，尽可能地避免隧底地质异常体信息的丢失，进一步提高勘探结果的可信度。在实例中提到的11 m为最佳偏移距，仅仅作为该异常段的最佳偏移距，也就是说在该异常段11 m偏移距的情况下，信号清晰，干扰较少，容易对异常进行解释；而在同一隧道，不同地形条件，不同地质条件的情况下，11 m并非一定为最佳偏移距，这时候需要寻找适用于不同条件下的最佳偏移距。

由于瞬态瑞雷波处理，需要对所有单炮记录进行频散曲线的提取，这就产生了巨大的工作量，通过以上应用实例可以看出，仅仅在通过地震映像法确定异常范围以后，在对该异常段进行瞬态瑞雷波处理，提取频散曲线，得到最终的视横波速度图，大大减少了瞬态瑞雷波处理中，非异常段不必要的工作量，提高了工作效率。

通过将多偏移距地震映像法与瞬态瑞雷波法的结合，充分利用了地震映像法的优点，通过瞬态瑞雷波法很好地解决了地震映像法存在的不足，避免了瞬态瑞雷波法中大量不必要的工作量。应用在勘查工作中，能减少野外及室内数据采集处理的工作量，提供更加充分的解释依据，提高了地质解释工作的准确性。

致谢

感谢四川省地质矿产勘查开发局物探大队提供的研究工区和研究条件，以及给予本文作者的实践机会。

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Theintegratedapplicationofmulti-offsetseismicimagemethodandthetransientRayleighwaveinthebottomofthetunnelinkarstdetection

LI Ming1， LEI Wan2， CHEN Ning3， WANG Pingfeng4

(1.China energy construction group xinjiang electric power design institute co., LTD，Urumqi 830002，China;2.Chengdu university of technology college of Environmental and civil engineering，Chengdu 610059，China;3.Sichuan bureau of geology and mineral resources exploration Geophysical exploration team，Chengdu 610059，China;4.Chongqing geotechnical engineering test center，Chongqing 401147，China)

This paper introduces the integrated use of more than offset seismic image method and the transient Rayleigh wave on the bottom of the tunnel karst detection method and main technical work, through the study to offset, respectively discusses the offset seismic image method and the basic principle of transient Rayleigh wave and data processing flow, and the exploration effect of complementarity of the two methods. Based on the comprehensive application instance of the actual tunnel and the final drilling verification, illustrates how offset seismic image method and the transient Rayleigh wave on the effectiveness of the concealed karst cave at the bottom of the tunnel, in the exploration, provide more fully explain the basis, improve work efficiency and the accuracy of geological interpretation work.

multi-offset; seismic image method; Rayleigh wave; karst

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.05.13

2016-09-13 改回日期： 2016-09-30

李明(1992-)，男，硕士，主要从事工程与环境地球物理方法研究工作，E-mail：290727453@qq.com。

1001-1749(2017)05-0663-06