復(fù)雜介質(zhì)結(jié)構(gòu)中折射剖面資料的處理

0地震地質(zhì)解釋的作用對活動(dòng)的錯(cuò)誤進(jìn)行監(jiān)測已成為城市規(guī)劃、重大工程和城市民防災(zāi)害的重要因素之一，引起了政府部門和工程部門的廣泛關(guān)注。在活動(dòng)缺陷的檢測中，地震方法是專業(yè)人員最常用的方法?；顢鄬拥牡卣鹛綔y主要有反射和折射2種方法,折射方法在解決一些特殊的地質(zhì)構(gòu)造任務(wù)時(shí)具有獨(dú)特的作用,它可以補(bǔ)充反射方法資料的不足,使反射方法的地質(zhì)解釋容易進(jìn)行,如用來追蹤淺層界面或沒有穩(wěn)定反射的界面,尋找和追蹤斷層,研究構(gòu)造頂部和確定折射層的地質(zhì)年代等。傳統(tǒng)的可應(yīng)用于小數(shù)據(jù)量、簡單結(jié)構(gòu)模型的折射資料處理方法不能應(yīng)用于城市活斷層探測中的復(fù)雜介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型;廣義互換法或基于延遲時(shí)間的解釋方法雖然可以處理非常不規(guī)則的折射層,但要求傾角不能太大;波前法在理論上可適用于任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型,但波場正演計(jì)算的困難卻阻礙了這些方法的實(shí)際應(yīng)用,而有限差分算法可應(yīng)用于任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型波場的計(jì)算。本文用Lecomte等的有限差分波場計(jì)算方法作正演(Lecomteetal.,2000),用初至波建立速度結(jié)構(gòu)模型,在此基礎(chǔ)上,用哈格多恩折射波前成像原理(Hagedoorn,1959)重建折射界面,并用此方法對福州城市活斷層折射探測試驗(yàn)中在義序完成的2條折射剖面資料進(jìn)行處理。1基于惠更斯原理的有限差分算法Vidale基于一階程函方程的有限差分解,用中心擴(kuò)張法給出了復(fù)雜結(jié)構(gòu)中波場的1種計(jì)算方法(Vidale,1988,1990),但在強(qiáng)速度對比模型中,波場發(fā)生奇變(Podvinetal.,1991)。為了解決這一問題,一些學(xué)者基于波場的物理特征,提出了若干改進(jìn)方法(Podvinetal.,1991;Qinetal.,1992;Aldridgeetal.,1992;Holeetal.,1995;Afnimaretal.,2000;Lecomteetal.,2000)。在諸多方案中,尤以Lecomte等的算法最為成功。該算法基于波場的物理特征,全面應(yīng)用惠更斯原理,不僅克服了最初有限差分算法產(chǎn)生的波場奇變,而且該算法穩(wěn)定,計(jì)算速度快。我們首先對Hole的有限差分算法程序進(jìn)行了改進(jìn),用Lecomte計(jì)算地震走時(shí)的5個(gè)算子代替Hole計(jì)算單個(gè)格點(diǎn)地震波到時(shí)的公式,然后用簡單的2層模型計(jì)算走時(shí),與用幾何地震學(xué)方法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較以檢驗(yàn)該改進(jìn)方法的有效性和精度。對于水平平界面均勻?qū)雍蛢A斜平界面均勻?qū)?種模型,用邊長為5m的正方形對模型(模型規(guī)模:10km×6km)進(jìn)行網(wǎng)格化,上、下層的速度比為1∶4～1∶8,用幾何地震學(xué)方法計(jì)算的首波走時(shí)與用改進(jìn)的有限差分算法計(jì)算的首波走時(shí)之差,在水平平界面情況下最大誤差為0.16ms;傾角為5°～40°的傾斜平界面情況下,最大誤差為0.33ms;而用Hole的算法對這2種模型進(jìn)行計(jì)算,水平和傾斜平界面情況下最大誤差分別達(dá)1.75與3.71ms。由上面的計(jì)算可以看出,Lecomte算法明顯優(yōu)于Hole程序中所用的走時(shí)算法,比較計(jì)算結(jié)果也表明了改進(jìn)方法的有效性。2復(fù)雜結(jié)構(gòu)界面加減法哈格多恩(Hagedoorn,1959)從理論上已證明,對于相遇觀測系統(tǒng),折射界面位于正向傳播波場走時(shí)和反向傳播波場走時(shí)之和等于互換時(shí)間的點(diǎn)上,這就是著名的哈格多恩折射波前成像原理。哈格多恩根據(jù)幾何地震學(xué)原理,給出了1種用相遇觀測系統(tǒng)折射地震資料求取水平均勻?qū)诱凵浣缑娴膸缀巫鲌D法———加減法。這種方法不能應(yīng)用于橫向變化介質(zhì)結(jié)構(gòu),Aldridge等(1992)對Vidale(1988)的有限差分算法進(jìn)行了改進(jìn),給出了復(fù)雜結(jié)構(gòu)中折射界面的1種自動(dòng)重建方法。本文基于Lecomte的5個(gè)地震走時(shí)算子(Lecomteetal.,2000)對Hole等(1995)的程序進(jìn)行了改進(jìn),用該方法做正演計(jì)算,可求出給定模型的正向傳播走時(shí)場T(1)將原始記錄轉(zhuǎn)換成Promax所需的sgy格式。(2)用Promax提供的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初至到時(shí)讀取方法CCLA(Cascade—CorrelationLearningArchiture)讀取初至波到時(shí)。(3)用折射波走時(shí)曲線的截距時(shí)間建立初始模型,然后用初至波走時(shí)反演建立速度模型,反演程序?yàn)镠ole的反投影算法反演程序。(4)計(jì)算正、反向傳播走時(shí)波場T(5)據(jù)T(6)用MATLAB成圖。3福州折射試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理3.1炮點(diǎn)樁距及檢波器接收情況在福州城市活斷層折射探測試驗(yàn)中,在義序完成了2條折射剖面,2測線近EW走向,被1條寬約20m近SN走向的公路分開,其觀測系統(tǒng)如圖1所示。編號為SS4-1的剖面長285m,共布設(shè)4個(gè)炮點(diǎn),炮點(diǎn)樁號分別為15,156,300與585(Shot1～4),接收范圍為15～300m。樁號為15(Shot1),300(Shot3)的2炮構(gòu)成相遇觀測系統(tǒng),記錄如圖2a,2b所示。編號為SS4-2的剖面長555m,剖面布設(shè)了9個(gè)炮點(diǎn),樁距分別為-155m,0m,141m,285m與552m(Shot5～9)的5個(gè)炮點(diǎn)接收范圍為0～285m,炮點(diǎn)樁號分別為0,270,411,552(Shot11～14)的4個(gè)炮點(diǎn),接收范圍為270～550m。分別在0樁號的2炮(Shot6,Shot11)和552樁號的2炮(Shot9,Shot14)構(gòu)成相遇觀測系統(tǒng),記錄如圖3a,3b,3c,3d所示。2個(gè)剖面的道間距均為3m,96道60Hz檢波器接收,儀器采樣率為0.25ms。義序地處郊區(qū),在施工中對交通和行人進(jìn)行了管制,記錄質(zhì)量很好,拾得初至波到時(shí)1080個(gè),用前述流程對資料進(jìn)行了處理。3.2波前走時(shí)曲線擬合圖4(圖版Ⅰ)為SS4-1測線的初至波前圖。有3組初至波,分別是蓋層直達(dá)波,來自蓋層底部和基巖頂部的折射波。圖5(圖版Ⅰ)為哈格多恩原理成像圖。蓋層P波速度從小樁號的0.75km/s增加到大樁號的1.5km/s。第2層和第3層為常速層,其P波速度值分別為3.4與5.0km/s。蓋層厚度從0樁號的22.5m增加到285樁號的28m。圖6(圖版2)為初至波走時(shí)曲線擬合圖。由圖6可以看出,除第1炮大樁號資料干擾大、擬合結(jié)果較差外,其余各段觀測走時(shí)與理論走時(shí)擬合較好。SS4-2測線的哈格多恩原理折射成像結(jié)果如圖7(圖版2)所示,波組與SS4-1類似,分別為蓋層直達(dá)波、蓋層底部和基巖頂部折射波,蓋層厚度從0樁號的26m增加到552樁號的30m,P波速度在0～411樁號間為1.45km/s,在411～555樁號間為1.15km/s,第2層的速度在411樁號前后分別為2.6與2.0km/s,第3層頂界面速度為4.8km/s,最終走時(shí)擬合情況如圖8(圖版2)所示。SS4-1,SS4-2兩測線結(jié)果表明,該區(qū)域淺層為3層結(jié)構(gòu),蓋層的速度變化較大,根據(jù)P波速度,第2層可能為強(qiáng)風(fēng)化層,速度為2～3.4km/s左右,第3層頂面為花崗巖質(zhì)的基巖,P波速度為4.8～5.0km/s左右,其界面最深約為58m,最淺約為52m。4異常折射剖面的正演計(jì)算本文采用Lecomte的波場計(jì)算方法,對Hole的有限差分算法程序進(jìn)行了改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)哈格多恩折射波前成像原理,開發(fā)出了1種復(fù)雜介質(zhì)結(jié)構(gòu)中折射資料的處理方法與軟件,并用此方法對福州城市活斷層折射探測試驗(yàn)中在義序完成的2條折射剖面資料進(jìn)行了處理。Lecomte算法基于波場的物理特征進(jìn)行波前擴(kuò)張,克服了Vida