相鄰道瞬態(tài)瑞雷波法在黃土區(qū)洞穴探測中的應用

1從共炮點原始地震數(shù)據(jù)中提取的瑞雷面波瑞利瞬態(tài)波是近年來迅速發(fā)展起來的一種平坦高分辨率勘探技術。由于其野外施工方便、速度快、分辨率高、成本低、層面介質(zhì)中的頻散特性，以及瑞利波速與巖石物理力學性質(zhì)的相關，因此應用于土木工程勘察、公路基礎調(diào)查、地下空洞和埋地測量、道路長度破壞檢測等領域。目前國內(nèi)外普遍采用二維視速度濾波法從共炮點原始地震記錄中提取瑞雷面波,它是利用瑞雷面波與直達波、聲波和反射波等干擾波之間存在明顯的視速度差異的特性來提取瑞雷面波,但是該方法無法消除視速度相近的反射波干擾,而且其后必須采用多道記錄(一般不少于6道)獲取頻散曲線,所獲取的頻散曲線是多道的綜合效應(即多道的加權平均,若道間距為1.0m,其結(jié)果為測線方向5.0m范圍內(nèi)的加權平均),從而降低了瑞雷面波法探測的縱橫向分辨率,對小規(guī)模和局部異常不敏感,難以滿足高精度探測的要求。常規(guī)瑞雷面波頻散曲線計算方法是一種等頻率間隔方法,淺層分辨率高、深層分辨率低。因此,如何從瞬態(tài)記錄中正確提取瑞雷面波以及改進頻散曲線的計算方法,提高頻散曲線的橫、縱向分辨率,是當前急需解決的問題。2基本原則2.1地表沖擊試驗瞬態(tài)瑞雷面波法勘探工作原理如圖所示。它是在地表沿測線方向安置數(shù)個低頻檢波器,形成接收排列。在排列的兩端按一定的偏移距采用落錘方法敲擊地表產(chǎn)生瞬時沖擊力,激發(fā)一定頻率范圍的瑞雷面波。瑞雷面波由檢波器采集接收后傳輸給地震儀,由地震儀記錄下來,然后送到室內(nèi)提取瑞雷面波和計算頻散曲線,通過頻散曲線的定量反演進行地質(zhì)解釋。在使用瑞雷面波勘探地下空洞時,當瑞雷面波的勘探深度與地下空洞的深度相當時,頻譜曲線就會出現(xiàn)異常跳躍,據(jù)此可以判斷地下空洞的橫向分布和深度位置。2.2-p域時間軸上截距τ-ρ變換是將t-x域的共炮點地震記錄映射到它們的τ-p域。t-x域和-ρ域之間的數(shù)學關系為:-t-px,p=dt/dx=1/v,其中為τ-p域時間軸上截距,p為τ-p域時距曲線的瞬時斜率。通過τ-p變換,在t-x域內(nèi)相互交叉重疊的復雜波場,變換到-p域內(nèi)則各自分離,將地震記錄經(jīng)τ-p變換后,再進行切除干擾波、保留瑞雷面波,然后反變換回t-x域,就可達到提取瑞雷面波的目的。各地震波場在τ-x域和τ-p域?qū)P系如圖2所示。該方法提取的瑞雷面波用于進行相鄰道頻散曲線計算,所獲頻散曲線是相鄰兩道之間的綜合效應,提高了瑞雷面波法探測的縱橫向分辨率。2.3距相對過大、深入基金低、分辨率低設沿波傳播方向x互相關函數(shù)r式中u采用頻率等間隔的快速傅里葉變換計算相鄰道頻散曲線,造成低頻段采樣間距相對過大,深層分辨率低。采用傅立葉積分變換離散公式直接計算每個接收道的瑞雷波相位譜,進而計算相鄰兩個接收道的瑞雷波相位差、瑞雷波頻散曲線,可以使頻率離散間隔隨著頻率的增加而增大,使低頻段獲得較高的采樣點數(shù)和較高的分辨率,有效改善低頻段的分辨能力,從而提高了瞬態(tài)瑞雷面波的勘探深度,拓展其應用領域。3工程實例3.1便道下土壤條件分析由中鐵大橋局承建的桃花峪黃河大橋是鄭州市境內(nèi)規(guī)劃的第四座跨黃河公路大橋,設計全長7691.5m。南岸引橋施工便道地處黃河南岸桃花峪邙山風景區(qū),邙山是在晚更新世時期由鄰近地區(qū)起塵后在下風方向沉降堆積而成。便道下方分布著數(shù)量不明的黃土高原傳統(tǒng)窯洞,給重型施工機械帶來了安全隱患。為了查明便道下方窯洞的分布情況,我們采用高分辨率瑞雷面波法沿便道左右幅各做1條連續(xù)測線,計2條剖面。該便道為之字形排布,沿測線方向均見有挖方、填方情況。3.2觀測系統(tǒng)設計本次瑞雷面波勘探選用SE2404EX型綜合工程探測儀,3.5Hz低頻檢波器,震源選用63.5kg標準貫入試驗錘重錘錘擊。通過現(xiàn)場干擾波調(diào)查和最佳偏移距試驗,本次瑞雷面波勘探采用24道檢波器直線等間距排列、兩端激發(fā)、單邊接收、兩次覆蓋的觀測系統(tǒng)。前后排列首尾相接,即前一個排列的最后一道為后一排列的第一道。單個排列為直線,整個測線為折線。觀測系統(tǒng)示意圖如3所示:圖中O1和O2為激發(fā)點,S1、S2、…S23、S24為等間距檢波點。主要采集參數(shù)如下:接收道數(shù):24道,檢波點距:1m,偏移距:8m,采樣間隔:0.2ms,記錄長度:400ms,激發(fā)方式:落錘。3.3相鄰道法聯(lián)合提取波場及剖面本次瑞雷面波資料處理采用河南省路通物探科技開發(fā)有限公司與中國地質(zhì)大學(武漢)地球物理與空間信息學院聯(lián)合開發(fā)的“瑞雷面波資料處理與解釋軟件”系統(tǒng)。資料處理流程如圖5所示。各流程的作用如下:(1)設置觀測系統(tǒng):根據(jù)野外施工記錄資料,按順序?qū)牍才邳c地震記錄文件。設置各共炮點記錄文件的炮點坐標、偏移距、檢波間距、道數(shù)、采樣點數(shù)和采樣間隔等參數(shù);(2)提取瑞雷面波:鑒于二維濾波(f-k域)方法無法消除視速度相近的反射波干擾,該系統(tǒng)采用-p變換方法來消除直達波、發(fā)射波、聲波和隨機干擾等干擾波的影響,以突出及加強瑞雷面波,使震相清晰可辨,從而有效分離瑞雷面波,滿足采用相鄰道法計算頻散曲線的要求。圖6為共炮點地震原始記錄,圖7為采用-p變換濾波后地震記錄,該圖中波場分離明顯,瑞雷面波清晰可辨。采用人機交互方式,在-p域與時空域聯(lián)合提取瑞雷面波,確保提取瑞雷面波的準確性,提高勘探成果的可靠性;(3)計算頻散曲線:采用改進后的相鄰道法計算頻散曲線,既消除了常規(guī)方法的平均效應,提高了瑞雷面波法的縱、橫向分辨率和檢測精度,能真實反映地下較小范圍內(nèi)的局部異常,又提高了深處低頻段的分辨能力和瑞雷面波勘探的深度。圖8為采用高分辨率相鄰道計算獲取的頻散曲線?？梢?頻散曲線圓滑,拐點清晰可辨,橫向規(guī)律性好,局部異常特征明顯,滿足反演要求。(4)反演解釋:由高分辨率相鄰道計算獲取的頻散曲線定量反演出瑞雷面波層速度數(shù)據(jù)即可繪制沿線20m深度范圍內(nèi)的瑞雷面波速度剖面(如圖9所示)。瑞雷面波的解釋主要是結(jié)合頻散曲線特征和瑞雷面波速度剖面圖進行。從實測頻散曲線(如圖8所示,該圖是第29排列的頻散曲線)可以看出,344道~340道之間頻散曲線在深度約11m~16m處出現(xiàn)震蕩,特征清晰,出現(xiàn)明顯的“之”字型拐點,空洞邊界特征明顯。瑞雷面波速度剖面顯示,在沿線330~340m之間深度約15m處出現(xiàn)一個明顯的低速區(qū)。結(jié)合該處頻散曲線特征和瑞雷面波速度剖面圖初步判斷該處為窯洞,遂在該處進行了鉆孔取芯,取芯結(jié)果顯示,該處0-15m為黃土層,土質(zhì)均勻堅硬,分層性不太明顯,15m以下為長約8m的典型黃土高原窯洞,與勘探結(jié)果吻合