多道瞬態面波頻散曲線提取方法

趙 敏,李才明,李大虎,藺佳斌

(1.成都理工大學信息工程學院,成都 610059;2.四川省地震局工程地震研究院,成都 610041; 3.成都工程檢測研究所,成都 610041)

多道瞬態面波頻散曲線提取方法

趙 敏1,李才明1,李大虎2,藺佳斌3

(1.成都理工大學信息工程學院,成都 610059;2.四川省地震局工程地震研究院,成都 610041; 3.成都工程檢測研究所,成都 610041)

多道瞬態面波勘探頻散曲線的提取方法對面波的勘察具有非常重要的作用。合理地使用面波勘察與頻散曲線提取方法,一方面能準確反映和區分地下不同巖層的界面,滿足工程勘察的需要;另一方面,該方法大大節省投資,簡化了現場工作程序,縮短勘察周期,提高了工作質量和效率。

面波勘探;多道瞬態面波法;頻散曲線

多道瞬態面波法(以下簡稱面波法),利用其頻散特性和傳播速度與巖土物理力學性質的相關性可以解決諸多工程地質問題。常規的面波勘探只是一次采集一點的資料,而多道面波勘探技術則是通過連續的排列移動,同時收集面波資料和反射資料。由于面波勘探對淺部地層分辨率高等特點,使得面波勘探在工程勘察與檢測中得到了廣泛地應用,并取得了較好的地質效果,多道瞬態面波法也越來越引起人們的重視,但是對面波的頻散曲線提取還未能取得良好的效果。本文通過對頻散曲線的提取方法做了對比研究,得到了反映地層速度的反演結構圖。

一、面波測深原理

利用面波沿介質表面傳播,在多層介質中相速度發生變化,其頻散特性和傳播速度與巖土物理力學性質的相關性等特征。同一波長的面波的傳播特性反映了地質條件在水平方向的變化情況,不同波長的面波的傳播特性反映著不同深度的地質情況。面波波速近似等于剪切波波速,并具有密切相關性,相關式為:Vm=Vs×(0 87+1.12μ)/(1+μ),式中μ為泊松比,即面波波速與介質的物理力學性質密切相關。從完整巖石至流塑狀土體的面波速度Vm≈0.92Vs～0.97Vs(Vs為彈性波速橫波速度)。

二、頻散曲線的提取方法

頻散曲線的變化規律與地質條件和巖土介質的結構性狀(如地層厚度、波傳播速度等)存在著內在聯系,分析、研究和利用這種內在聯系,就可以達到探測地質體的目的。從瞬態面波中提取頻散曲線的方法較多,效果各異,因此頻散曲線的真實性決定了最終探測結果的可靠性。本文在以往二維 F—k域法簡要的基礎上,給出了一種新的頻散曲線的提取方法:F—V域波場分離法。

F—k域法是當前常用的從瞬態記錄中提取面波的方法,它是建立在二維傅立葉變換的基礎上的,利用瑞雷波與直達波、折射波和聲波等存在視速度和頻率之間的差異來提取瑞雷波,但是這種提取方法必須同時采用多道記錄 (一般6道以上),因此所獲取的頻散曲線是多道的綜合效應,是在排列長度范圍內的加權平均,不易探測小規模的目標體和局部異常;F—V域波場分離法則是利用面波與體波在速度上的差異以及對不同介質的響應來提取頻散曲線的,作者基于這種方法所提取的頻散曲線在劃分地層,推斷地下的速度結構都取得了良好的效果。以下展示了兩種不同域的頻散譜(圖 1和圖 2),對比可以發現,在 F—V域中頻散點的分布比較均勻,保真性好;圖 3為經過 F—V域提取的頻散曲線先建立地層模型再進行的反演擬合,得到了理想的擬合誤差和地層結構,為下一步求取地層速度奠定了基礎。

圖 4為基于 F—V域波場分離法處理得到實測面波反演層速度結構解釋成果圖,反映了隨深度變化的頻散曲線,圖 5是鉆探揭露的地層柱狀圖,對比兩者可以發現,其層位的劃分具有良好的一致性,同時還可以看出,瑞雷波的速度隨深度的增加而升高。

三、工程實例應用

以下是在某工區進行的瞬態面波勘探情況,為探測采空區的存在位置,在勘探過程中,數據采集使用 SE2404EP型綜合工程探測儀,檢波器為重慶地質儀器制造廠生產的地震檢波器(主頻 4 Hz),12道接收,采樣間隔0.5 ms,采樣長度 500 ms,道間距 1米,偏移距 9米,等道距直線排列觀測系統,20磅大錘敲擊震源。經過頻散曲線的提取和反演,得到的解釋成果如下:MB-1點 (圖 6):頻散曲線光滑連續,分層特征明顯,無空洞表現,4.6～8.0米深度平均波速相對較低,推測周圍局部存在采空區,巖層較松散;MB-2點 (圖 7):0～6.6米深度頻散曲線光滑連續,6.6～7.2米深度曲線較散亂,波速減小,推測為煤層 (低速軟層)或采空區,7.2～16米深度受上層影響曲線較散亂,平均波速 317 m/s。

四、結束語

多道瞬態面波勘探頻散曲線的提取方法對面波的勘察具有非常重要的作用,只有提取的頻散曲線符合地層的模型才能正確地反映出層速度結構圖。合理地使用面波勘察與頻散曲線提取方法,一方面能準確反映和區分地下不同巖層的界面,指出其精確厚度和各層的波速,探測深度能夠滿足工程勘察的需要;另一方面,所測波速能夠直接反映巖土的物理力學性質,因此,該方法不僅大大節省投資,而且明顯地簡化了現場工作程序,縮短勘察周期,提高了工作質量和效率,必將在諸多工程領域發揮越來越大的作用。

[1] 楊成林.瑞雷波勘探[M].北京:地質出版社,1993.

[2] 劉云禎,王振東.瞬態面波法的數據采集處理系統及應用實例[J].物探與化探,1996,20(1):28-33.

[3] 李哲生.瞬態多道瑞利波勘探技術在巖土工程勘察中的應用[J].工程勘察,1996(3):66-68.

2010-10-26

趙敏(1985—),女,碩士研究生,研究方向:重磁電。

P642

A

1007-7111(2010)12-0116-02

(責任編輯 張佑法)