相邻道瞬态瑞雷波法在黄土区洞穴探测中的应用

相邻道瞬态瑞雷波法在黄土区洞穴探测中的应用

1从共炮点原始地震数据中提取的瑞雷面波瑞利瞬态波是近年来迅速发展起来的一种平坦高分辨率勘探技术。由于其野外施工方便、速度快、分辨率高、成本低、层面介质中的频散特性，以及瑞利波速与岩石物理力学性质的相关，因此应用于土木工程勘察、公路基础调查、地下空洞和埋地测量、道路长度破坏检测等领域。目前国内外普遍采用二维视速度滤波法从共炮点原始地震记录中提取瑞雷面波,它是利用瑞雷面波与直达波、声波和反射波等干扰波之间存在明显的视速度差异的特性来提取瑞雷面波,但是该方法无法消除视速度相近的反射波干扰,而且其后必须采用多道记录(一般不少于6道)获取频散曲线,所获取的频散曲线是多道的综合效应(即多道的加权平均,若道间距为1.0m,其结果为测线方向5.0m范围内的加权平均),从而降低了瑞雷面波法探测的纵横向分辨率,对小规模和局部异常不敏感,难以满足高精度探测的要求。常规瑞雷面波频散曲线计算方法是一种等频率间隔方法,浅层分辨率高、深层分辨率低。因此,如何从瞬态记录中正确提取瑞雷面波以及改进频散曲线的计算方法,提高频散曲线的横、纵向分辨率,是当前急需解决的问题。2基本原则2.1地表冲击试验瞬态瑞雷面波法勘探工作原理如图所示。它是在地表沿测线方向安置数个低频检波器,形成接收排列。在排列的两端按一定的偏移距采用落锤方法敲击地表产生瞬时冲击力,激发一定频率范围的瑞雷面波。瑞雷面波由检波器采集接收后传输给地震仪,由地震仪记录下来,然后送到室内提取瑞雷面波和计算频散曲线,通过频散曲线的定量反演进行地质解释。在使用瑞雷面波勘探地下空洞时,当瑞雷面波的勘探深度与地下空洞的深度相当时,频谱曲线就会出现异常跳跃,据此可以判断地下空洞的横向分布和深度位置。2.2-p域时间轴上截距τ-ρ变换是将t-x域的共炮点地震记录映射到它们的τ-p域。t-x域和-ρ域之间的数学关系为:-t-px,p=dt/dx=1/v,其中为τ-p域时间轴上截距,p为τ-p域时距曲线的瞬时斜率。通过τ-p变换,在t-x域内相互交叉重叠的复杂波场,变换到-p域内则各自分离,将地震记录经τ-p变换后,再进行切除干扰波、保留瑞雷面波,然后反变换回t-x域,就可达到提取瑞雷面波的目的。各地震波场在τ-x域和τ-p域对应关系如图2所示。该方法提取的瑞雷面波用于进行相邻道频散曲线计算,所获频散曲线是相邻两道之间的综合效应,提高了瑞雷面波法探测的纵横向分辨率。2.3距相对过大、深入基金低、分辨率低设沿波传播方向x互相关函数r式中u采用频率等间隔的快速傅里叶变换计算相邻道频散曲线,造成低频段采样间距相对过大,深层分辨率低。采用傅立叶积分变换离散公式直接计算每个接收道的瑞雷波相位谱,进而计算相邻两个接收道的瑞雷波相位差、瑞雷波频散曲线,可以使频率离散间隔随着频率的增加而增大,使低频段获得较高的采样点数和较高的分辨率,有效改善低频段的分辨能力,从而提高了瞬态瑞雷面波的勘探深度,拓展其应用领域。3工程实例3.1便道下土壤条件分析由中铁大桥局承建的桃花峪黄河大桥是郑州市境内规划的第四座跨黄河公路大桥,设计全长7691.5m。南岸引桥施工便道地处黄河南岸桃花峪邙山风景区,邙山是在晚更新世时期由邻近地区起尘后在下风方向沉降堆积而成。便道下方分布着数量不明的黄土高原传统窑洞,给重型施工机械带来了安全隐患。为了查明便道下方窑洞的分布情况,我们采用高分辨率瑞雷面波法沿便道左右幅各做1条连续测线,计2条剖面。该便道为之字形排布,沿测线方向均见有挖方、填方情况。3.2观测系统设计本次瑞雷面波勘探选用SE2404EX型综合工程探测仪,3.5Hz低频检波器,震源选用63.5kg标准贯入试验锤重锤锤击。通过现场干扰波调查和最佳偏移距试验,本次瑞雷面波勘探采用24道检波器直线等间距排列、两端激发、单边接收、两次覆盖的观测系统。前后排列首尾相接,即前一个排列的最后一道为后一排列的第一道。单个排列为直线,整个测线为折线。观测系统示意图如3所示:图中O1和O2为激发点,S1、S2、…S23、S24为等间距检波点。主要采集参数如下:接收道数:24道,检波点距:1m,偏移距:8m,采样间隔:0.2ms,记录长度:400ms,激发方式:落锤。3.3相邻道法联合提取波场及剖面本次瑞雷面波资料处理采用河南省路通物探科技开发有限公司与中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院联合开发的“瑞雷面波资料处理与解释软件”系统。资料处理流程如图5所示。各流程的作用如下:(1)设置观测系统:根据野外施工记录资料,按顺序导入共炮点地震记录文件。设置各共炮点记录文件的炮点坐标、偏移距、检波间距、道数、采样点数和采样间隔等参数;(2)提取瑞雷面波:鉴于二维滤波(f-k域)方法无法消除视速度相近的反射波干扰,该系统采用-p变换方法来消除直达波、发射波、声波和随机干扰等干扰波的影响,以突出及加强瑞雷面波,使震相清晰可辨,从而有效分离瑞雷面波,满足采用相邻道法计算频散曲线的要求。图6为共炮点地震原始记录,图7为采用-p变换滤波后地震记录,该图中波场分离明显,瑞雷面波清晰可辨。采用人机交互方式,在-p域与时空域联合提取瑞雷面波,确保提取瑞雷面波的准确性,提高勘探成果的可靠性;(3)计算频散曲线:采用改进后的相邻道法计算频散曲线,既消除了常规方法的平均效应,提高了瑞雷面波法的纵、横向分辨率和检测精度,能真实反映地下较小范围内的局部异常,又提高了深处低频段的分辨能力和瑞雷面波勘探的深度。图8为采用高分辨率相邻道计算获取的频散曲线。可见,频散曲线圆滑,拐点清晰可辨,横向规律性好,局部异常特征明显,满足反演要求。(4)反演解释:由高分辨率相邻道计算获取的频散曲线定量反演出瑞雷面波层速度数据即可绘制沿线20m深度范围内的瑞雷面波速度剖面(如图9所示)。瑞雷面波的解释主要是结合频散曲线特征和瑞雷面波速度剖面图进行。从实测频散曲线(如图8所示,该图是第29排列的频散曲线)可以看出,344道~340道之间频散曲线在深度约11m~16m处出现震荡,特征清晰,出现明显的“之”字型拐点,空洞边界特征明显。瑞雷面波速度剖面显示,在沿线330~340m之间深度约15m处出现一个明显的低速区。结合该处频散曲线特征和瑞雷面波速度剖面图初步判断该处为窑洞,遂在该处进行了钻孔取芯,取芯结果显示,该处0-15m为黄土层,土质均匀坚硬,分层性不太明显,15m以下为长约8m的典型黄土高原窑洞,与勘探结果吻合