地震波法

地震波法（通用11篇）

地震波法 篇1

0 引言

随着我国公路、铁路、水利、矿山及其他工程建设的飞速发展, 隧道工程也大量出现。影响隧道及井巷工程掘进安全的地质因素较多, 其中断层构造、破碎带、软弱层及含水体是最主要的异常体, 因此必须对此进行超前探测与预报, 为工程掘进提供可靠的技术保障。地震波法超前探测的目标是要建立和完善一套实时的巷道前方地质体的动态监测与预报系统, 并可以指导隧道地质施工过程中的相关问题, 保证工程施工安全, 提高经济效益。

1 隧道地质超前探测

隧道地质超前探测指根据隧道洞内外地质调查、掌子面素描及隧道开挖揭示的洞身围岩条件变化趋势的结果, 运用数学、概率论、逻辑学、物理学、地质学、计算机科学等各学科知识, 结合探测人员经验, 对隧道施工可能遇到的各种不良地质体及可能发生的各种地质灾害的性质、分布位置、规模进行判断和探测, 并根据判断和探测结果提出应采取地质灾害预防和处理的措施。因此, 隧道地质超前探测包括隧道工程可行性研究阶段、勘察设计阶段和施工阶段的探测。

2 地震波探测原理

不同岩层物理性质的差异, 导致地震波在不同岩层中的传播速度也不同。

2.1 地震波探测的基本原理

震波勘探是由震源激发的地震波在向下或向前传播时, 遇到不同的波阻抗界面时, 在界面处发生反射、透射 (折射) 等现象, 这些在不同波阻抗界面发生的反射、透射 (折射) 地震波可被排列于震源附近的检波器所接收, 从而形成可用于地震解释的原始数据。

2.2 弹性介质和理论基础

某物体在外力作用下产生形变, 当外力去掉之后, 物体能迅速恢复到受力前的形态和大小, 物体这种特性称为弹性, 该介质称之为弹性介质。自然界大部分物质都可以在一定的外力作用下呈现出弹性的性质。

在弹性理论的研究中, 根据介质的不同特征可分为各向同性和各向异性两类。所有弹性性质和空间方向无关的称之为各向同性介质;反之则为各向异性介质。在矿井地震波勘探中, 人工地震震源是在很短的时间内激发的脉冲式地震波, 激发的能量对于探测前方的岩层和接收点处介质所产生的作用力较小, 因此, 可以将它们看作弹性介质, 并可以用弹性理论来研究地震波的传播问题。研究表明, 大部分岩、煤的机制在地震勘探中都可以看作各向同性介质, 从而可以利用一些基本弹性理论来进行地震波研究。

在隧道地震波勘探中主要是研究人工激发的地震波在岩、煤介质中的传播规律, 以探测前方地质构造和岩层的分布等。研究的理论中, 通常把岩、煤介质看作各向同性的弹性介质, 把地震波看作弹性波。

2.3 波的分类

地震波分为面波和体波两大类。面波又可分为瑞利波和勒夫波两种, 体波又可分为纵波和横波两种。现将各种波的特征分别进行阐述。

2.3.1 面波

根据弹性力学理论, 面波又分为勒夫波和瑞利波。瑞利波是沿介质与大气层接触的自由表面传播的面波, 具有频率低、速度接近于横波波速且衰减慢等特点, 在一般地震勘探中是一种干扰波。勒夫波使岩石质点运动类似SH波, 运动没有垂向位移, 岩石运动在垂直于传播方向上, 在水平面内从一边到另一边。由于勒夫波常具有很大振幅, 能在建筑物地基之下造成水平剪切, 是破坏性最强大的波。

2.3.2 纵波

弹性介质中质点的振动方向与波的传播方向互相平行的波称为纵波。纵波中介质点受到交变拉压应力作用并产生伸缩变形, 故纵波亦称压缩波 (或P波) 。而且, 由于纵波中的质点疏密相间, 故又称为疏密波。

2.3.3 横波

质点的振动方向与波的传播方向垂直, 这样的波称为“横波”。横波的特点是质点的振动方向与波的传播方向相互垂直。在横波中波长通常是指相邻两个波峰或波谷之间的距离。横波中介质点受到剪切应力的作用而产生切变形变, 故横波又称为切变波。

3 地震波法超前探测工作方法

隧道地震波法超前探测工作方法是建立在经典弹性波理论基础上, 形成的反射波法超前探测技术。图1为波反射法地质探测程序。开展隧道地质探测工作, 首先要对所处的地质环境有一个整体的把握, 其具体内容主要包括:地质资料的收集、整理及分析;地质调查;隧道洞内地质调查和掌子面地质素描;隧道地质探测工作方法的选择, 以及后期的探测实施等。下面分别对各个阶段的工作内容作简单介绍。

1) 地质资料的收集、整理及分析阶段的工作主要是收集所在地区的区域地质、工程地质和水文地质的资料, 了解隧道通过的地区地层、地质构造的分布情况、工程地质及水文地质的条件, 对隧道施工过程中可能遇到的各种地质条件及可能发生的地质灾害做出预判, 为隧道工程地质勘探提供科学的依据。通过这个阶段的工作, 达到明确隧道施工地质超前探测的重点工作区段的目的。

2) 结合地质调查的工作, 确定隧道施工地质超前探测工作的重点区段包括:断层及其破碎带的地理位置;岩溶可能发育的部位;煤层分布位置;隧道可能穿过的采、废弃矿巷的部位;浅埋隧道穿越强风化岩脉的部位;节理密集发育岩体分布位置;含水体分布位置。

3) 隧道洞内地质调查和掌子面的地质描述工作由于是沿着隧道的边墙进行的, 其主要内容有:地层及岩性描述;地层分界面产状及位置确定;地质构造的位置、产状规模的测定及其性质描述;节理裂隙统计;确定临空面滴水位置;特殊地质现象的描述等。

4) 隧道地质探测工作方法的选择应当遵守这样几个原则:有牢固的理论基础;很少占用掌子面的施工时间;适用性强;操作简单;能适应隧道施工的需要;对隧道施工所面临的地质问题具有很强的针对性。

5) 在选定探测方法之后可以开始进行掌子面的探测工作。在掌子面的探测过程中, 应重点注意以下几个问题:①探测要在掌子面通风一段时间, 降低其附近温度后进行;②洞内管线, 特别是动力管线对探测信号的反射和接受均有一定程度的影响, 为此应尽量避免信号传输线与洞内管线的交叉接触, 减小这种原因造成的信号干扰;③洞内施工与探测工作不要同时进行;④掌子面施工台架对探测也有一定的影响, 因此, 探测过程应该尽量将施工的台架移动到探测的场地之外。

4 结语

综上所述, 在隧道的施工过程中, 通过采用地震波法超前探测技术对前方的地质构造异常进行有效的预测预报。地震波法超前探测技术在我国隧道工程中发挥着巨大的指导作用, 为巷道掘进及安全生产提供了重要的技术保障。隧道施工在日常生产过程中, 存在较多安全隐患, 完全依靠地质技术人员的经验, 防范地质灾害的发生, 其工作量和责任都十分重大。利用地震波法超前探测技术, 既可减轻技术人员的工作压力, 又可增加地质预测的准确率, 具有较好的应用效果。

摘要：随着隧道里程的快速增长, 隧道施工的安全越来越重要。地质地震波法作为一种主要的超前探测技术, 在国内隧道工程中取得了诸多成功应用的探测实例。同时在应用中, 不同探测方法也存在不少问题。文章主要对超前探测中应用较为广泛的地震波探测技术加以阐明, 指出隧道超前探测中地震波的种类, 并进一步提出地震波法超前探测的工作方法。

关键词：隧道施工地质,地震波法,超前探测

参考文献

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[2]赵存明, 沈斐敏.公路施工隧道地质灾害超前预报技术分析[J].中国安全生产科学技术, 2006 (4) :13-15.

[3]杜立志.隧道施工地质地震波法超前探测技术研究[J].吉林大学, 2008.

[4]鲁光银.隧道地质灾害反射波法探测数值模拟及围岩F-AHP分级研究[D].中南大学, 2009 (9) .

地震波法 篇2

多偏移距地震映像法应用技术研究

在地震映像方法勘探中,不同偏移距获得的地震波所包含的信息是不一样的,同时,偏移距也是影响地震分辨率的一个主要因素,合理选取偏移距能取得更好的勘探效果.本文结合对向家坝至上海高压输电线路湖北咸宁段塔基岩溶地带采用浅层地震多偏移距映像勘探技术勘察的实例,应用共偏移距处理技术,抽取映像法勘探结果中不同偏移距下的多条地震剖面作对比研究,分析不同偏移距下地震波对于地质异常体的.反映,探讨适合多波联合勘探的最佳接收窗口内的最佳偏移距,以提高勘探效率和精度.

作 者：徐涛 许顺芳 Xu Tao Xu Shunfang  作者单位：中国地质大学,地球物理与空间信息学院,武汉,430074 刊 名：工程地球物理学报 英文刊名：CHINESE JOURNAL OF ENGINEERING GEOPHYSICS 年，卷(期)： 06(3) 分类号：P631.4 关键词：地震映像法   多偏移距   面波   岩溶  

地震斗篷：让地震波远离建筑物等 篇3

电影中，隐形斗篷可以轻轻松松帮助小魔法师哈利·波特骗过守门人以及他的猫。但法国和英国物理学家表示，隐形斗篷实际上也可以用来帮助建筑物免受地震破坏。这听起来是否太过科幻呢?答案是“不”。

目前，法国马赛菲涅耳研究所的斯特凡·伊诺克及其研究小组正在研究隐形斗篷背后的物理学其它方面的应用。他们的研究成果便是“地震斗篷”，能够让冲击波、暴风浪或者海啸在所遮蔽的物体面前变成“瞎子”，进而达到保护建筑物的目的。

这种斗篷是如何工作的呢?

地震波的两个主要分类——体波和面波，前者可以穿透到更深的地球内部，后者则在地表传播一这一点非常重要。伊诺克小组的研究发现显示，控制体波非常复杂，很难实现，但在常规工程学框架内对面波进行控制还是可以做到的。研究小组成员、英国利物浦大学的塞巴斯蒂安·古纳佑表示，由于面波的破坏性更大，如果能对其进行控制必然造福人类。

据悉，这种概念上的隐形斗篷将由几个大型同心塑料环制成，塑料环将紧贴地面。为了让面波平稳地通过塑料环，科学家必须对环的硬度和弹性进行密切控制。穿过这个斗篷的地震波将被压缩成在压力和密度方面均处于极小程度的波动，进而能够沿着一条快速通道传播。这条通道可以被设计成弓形，通过调整塑料环的特性引导地震波远离斗篷内的物体。一旦离开斗篷，地震波便立即回到最初的强度。

这些神奇的塑料环可以让建筑物在地震发生时“隐形”，除此之外，斗篷本身也是不可见的。根据古纳佑的建议，应该将地震斗篷安放在建筑物地基位置。为了保护一座横跨10米的建筑，每一个塑料环的直径需要在1至10米左右，厚度则在10厘米上下。

器官呵护器可移植跳动中的心脏

在心脏移植过程中，通常情况下心脏是停止跳动的，只有手术结束，主持医生才能重新“激活”心脏，让它重新跳动起来。现在不一样了，美国TransMedics公司研制出一套装置，可以让切下来的心脏一直保持跳动，移植手术的实施过程也变得更为容易。

TransMedics公司研制的“器官呵护系统”允许医生在心脏从捐献者体内摘除后最长12小时内为患者进行移植，而且心脏仍然保持跳动。相比之下，利用当前的冷冻技术，心脏在体外的标准存活时间只有4到6个小时。

据悉，这家总部设于马萨诸塞州的公司共筹集了2760万美元B系列资金。他们研制的机器可以为捐献的心脏提供温暖而富含营养物质的充氧血液，直至移植手术一切准备就绪。据了解，捐献的心脏被保存在一个无菌隔间，这个隔间与体内的环境类似，允许心脏在体外保持正常机能。借助于生命维持系统，TransMedies的机器同样可以利用一台无线连接的监视器完成诊断工作，这是实施心脏移植手术前医学必须要进行的一项工作。

地震波法 篇4

隧道地震波预报技术由于其具有速度快、成本低及分辨率高等特点,是目前较为广泛应用的隧道超前预报技术,作为一种新兴的隧道探测方法,已经取得了一些成果,但是作为一种地质预报方法,在工作方法和资料处理解释上都还不太成熟,尚未有一套完整的地震波动方程正、反演数值模拟理论,因此其分辨率相对太低,精度也远远达不到目前隧道地质超前预报技术的要求和标准。正演数值模拟对地震反演以及时间剖面解释相当重要,目前方法主要有三种:有限差分法、有限元法和伪谱法。有限差分法的算法简单快速,却有难以克服的频散效应,将会降低数值模拟结果的分辨率;有限元法模拟是目前为止最精确的一种正演模拟方法,但它对计算机内存要求很高,计算量大,让人难以承受;而权衡精度和效率,伪谱法是一种更为有效的数值模拟方法,具有高精度、节省计算时间、节省存储空间,并且对于计算区域内的介质性质变化不用特别处理、适用于较小存储空间的计算机等其他方法不可替代的优点。在二维介质中,用伪谱法做波传播的正演数值模拟由来已久。随着实际地震勘探的深入以及工作地区地层的日趋复杂,复杂地层以及各向异性介质中地震波传播的研究愈来愈受到重视。伪谱法的研究近年还有成果发表,由此可见,这项研究有其实际的意义和前景,本文将以介绍地震波伪谱法正演数值方法为基础,探讨伪谱法数值模拟方法在隧道超前预测地震波场中的应用。

2 伪谱法的基本原理

以横波为例,波动方程:

undefined(2-1)

式中:fx为震源的水平分量,λ和μ为拉梅常数。拉梅常数可以表示为P波速度Vp、S波速度Vs和密度ρ的函数:

undefined

(2-2)

纵波波动方程:

undefined(2-3)

在伪谱法中是用有限差分来实现对时间的积分,用傅氏变换实现空间微分,下面就推导弹性波传播的伪谱法公式。

2.1 空间微分

伪谱法是用傅氏变换实现空间微分,需要用统一的空间格点来离散。

设a(x)为一连续函数,它的连续傅氏变换对为如下形式:

undefined

(2-4)

采样时,只能取有限个值,分别在x=0,△x,2△x,……,(N-1)△x处取值,那么可以将上式离散化,得离散傅氏变换对为:

undefined

(2-5)

其中undefined,所以undefined(ωx)也有N个值,并且:

undefined

则其偏微分的表达式为:

undefined

用u(x)表示位移,其二阶空间微分可以表示为:

undefined

2.2 时间积分

对时间采用差分格式,时间的二阶微分的差分格式如下:

undefined

代入(2-3)式得:

undefined

等式右边的空间微分可通过傅氏以及傅氏变换与求导的关系求得,等式左边通过计算前两个时刻的位移值u逐渐迭代计算获得。

2.3 网格的划分

由于伪谱法中对空间导数的算法是通过傅氏变换得到,因此在对位移u取离散值时,需取2n个(n为正整数)值才能够进行计算。因此,在数值模拟的网格划分上必须以2n为网格点数的划分点。

2.4 源函数

正演模拟中的震源采用球腔对称胀缩震源,即

undefined

其中,

g(t)=Acos(2πf0(t-t0)exp{-B(t-t0)2fundefined}) (2-14)

h(x)=exp[-β(x-x0)2] (2-15)

式中:g(t)为雷克子波;A为振幅;B,β均为衰减系数;x0为震源位置;t0为延迟时间;f0为主频。

2.5 波动方程逆时偏移成像

波动方程逆时偏移方法是在反射地震勘探中提出的一种高精度的地下构造成像方法,在石油地震勘探中已经得到了广泛研究。

逆时偏移算法根据波动方程有限差分求解过程在时间上的可逆性,将地震记录作为偏微分方程求解的初始条件,以上行波传播时间等于零作为成像条件,输出的偏移结果是上行波传播时间等于零时的空间域地震波场,该过程相当于在地下的地层界面上进行观测的结果。有限差分逆时偏移算法可以输出地震波传播过程中任意时刻的波场值,这对于研究地震波在复杂介质中的传播现象十分有用,且它不受介质速度变化的限制。逆时偏移方法是基于爆炸反射面的假设,对叠加数据进行偏移处理。爆炸反射面假设叠加数据中t时刻的所有能量都来自t/2时刻的反射,把叠加数据中的能量逆时间传回到t/2时刻(零时刻),可以得到该时刻所对应深度上的反射系数的大小并描述地下界面的空间分布。处理过程中,将地下介质的弹性波传播速度减半,即可进行全程逆时偏移。

以建立的伪谱法隧道超前预报地震波正演数值模拟方法为基础,由各向同性介质的弹性波方程,类同于伪谱法正演方程的建立,可以建立各向同性弹性波多波叠后偏移方程:

undefined

u表示波场的位移值,x表示横向坐标,t表示地震波传播时间,△t为时间步长,ρ为地震波传播相应的介质密度,λ和μ为拉梅系数。方程(2-16)的求解还需要合适的初值条件和边界条件。设输入资料的最后时刻为T,则地下节点的初始条件为:

u(x,t)=0 (t≥T) (2-17)

具体过程如下所述:从输入资料的最后时刻点T开始,依次将资料波场值u0(x,T-n△t)赋予相应的地表边界节点(n=0,1,2,…,N一1;N为采样点数),再通过(2-17)式求出地下节点的波场值uT-(n+1)。重复此过程,一直推算到输入资料的0时刻为止,相应地可得到地下节点T-△t时刻到0时刻的波场值。从波场传播的角度来说,这一计算过程可以看成是伪谱法正演过程的逆过程。在各向同性波场偏移中,可以将地下介质的波速减半,利用逆时延拓算法将地表记录从T时刻向下延拓至0时刻,0时刻的地下波场描述的就是地下反射地质体的位置,其输出结果即为逆时深度偏移的最终偏移剖面。如果是在各向异性介质中,波速是传播方向的复杂的函数,因而无法对地下介质的速度减半,但可通过采样时间减半的办法,即取延拓时间步长为输入资料采样间隔的一半,也可以实现0时刻的波场成像。其FORTRAN程序实现流程图如图2-1。

3 模拟结果

弹性波动方程逆时偏移法适用于任意复杂的地质构造,可以偏移任意倾角的界面,也适用于层间参数强烈间断的情况,且有较高的精度,如果是将单炮集的记录作为地面边界条件,计算出零时刻地下各点的波场值,便为叠前偏移;如果以自激自收记录或者叠加剖面作为地面边界条件,计算出零时刻地下各点的波场值,便为叠后偏移。本文以P波为例,建立零偏移距的伪谱法正演数值模型模拟叠后时间剖面,从而进行逆时偏移归位的数值计算,对隧道逆时深度偏移法进行检验。

为了更贴近实际工程,结合多种可能存在的地质构造面,建立相对复杂的构造面模型。图3-1(a)是该复杂构造面的地质模型图,图3-1(b)是该地质模型的零偏移距时间剖面,图3-1(c)是该地质模型的逆时深度偏移剖面图。

如图3-1(c)所示,在80m、90m、100m、120m、140m、160m、170m处,基本出现了各个地层的几何偏移归位,但由于地震波接受各个地层几何位置的限制,存在能量上的差异,振幅各有不同,且偏移成像结果基本上和地质构造模型相符合。

4 工程应用

4.1 工程简介

某海底隧道全长5.95km,采用三孔建设形式穿越海域,两侧为行车主洞,各设三车道,中间一孔为服务隧道,服务隧道上部为逃生通道和检修车通道,下部为市政管廊,从陆域向海域开挖。其中海域段长约4.2 km,隧道最深在海平面下约70m。隧道开挖遇到的主要地层:第四系人工填筑土,海相沉积淤泥粘土层,冲洪积粘土、沙层和燕山晚期黑云母花岗岩。对隧道所在地区地质构造起控制作用的断层主要有两个:一是走向NE45°左右、与海岸线近于平行的长乐-绍安深断裂,最新活动年代为晚更新世早期,属于华夏式构造体系的主干压性断层;二是走向NW215°左右,与长乐-绍安深断裂走向垂直的九龙江断裂带,它形成于晚侏罗世,晚第四纪有较弱的活动;主要的断层及其破碎带在海底形成了风化槽地,由此引发的海水倒灌,曾经造成特大型隧道突水。

4.2 现场布置情况

现场仪器通过TGP206系统进行数据采集。接收器钻孔直径为42mm,接收器钻孔深1.8-2.0m,向外向下斜20度钻孔;第一个炮孔距接收器20m,炮孔直径为38-42mm,炮孔深1.5m;呈水平面为基准,向下倾20度钻孔;共24个孔,间距2.0m ,1-24#孔的总距离为46m;所有钻孔,包括接收器钻孔、炮孔均距隧道底面0.5-1m,尽量沿一条水平线布置。

4.3 数值计算结果及分析

用TGP206采集的地震数据,先通过TGPwin2.0处理系统进行预处理,获得P波、SH波、SV波经过分离后的时间剖面。然后通过本文编制的弹性波动方程逆时深度偏移程序对已有数据进行逆时深度偏移,得到逆时深度偏移剖面,并与隧道实际开挖结果进行比对,对该工程进行资料的解释。

图4-1为经过预处理分离后左壁的P、SH、SV波形图;图4-2为同侧三波逆时深度偏移剖面图,横坐标表示以掌子面所在位置为原点,沿隧道开挖方向的深度,纵坐标显示的厚度表示预报距离内在水平方向研究的岩体厚度。从上往下依次为P波、SH波、SV波的相关逆时偏移剖面图。

P波、SH波、SV波的相关逆时偏移归位剖面图中,绿色与黄色分布明显,即多次出现反射界面,并通过偏移归位计算,其几何结构位置能够清晰地显示出来。

如图4-2(a)P波逆时偏移剖面图所示,在距离隧道掌子面前方8m、16m、28m、30m、32m、38m、42m、47m、98m等处出现反射界面的偏移归位。

如图4-2(b)SH波逆时偏移剖面图所示,在距离隧道掌子面前方8m、16m、24m、26m、28m、32m、40m等处出现反射界面的偏移归位。

相比纵波而言,横波在富含水的岩性分界面上较纵波敏感。因此,由SH波反映出来的异常带,有可能存在一些充水带或有岩溶发育带。

隧道实际开挖过程中,ZK11+678-671出现线状水;ZK11+670-668有小断层且出现线状水,;ZK11+666-650出现大裂隙,且顶板有下沉现象, ZK11+650处有一小断层,ZK11+650-647有断层破碎带,有线状流水;Z11+599-585多处渗水,有线状水,有股状水,为一富水带。掌子面里程桩号为Z11+696,将地质体所在里程桩号转化为掌子面前方具体深度,并进行对比分析,对比结果如表4-1所示:

由以上表格可知,运用弹性波动方程的逆时深度偏移法能够实现隧道超前预报前方地质体的偏移归位,能够较为准确地获得前方地质体的具体位置,且其算法简单实用,具有一定的理论意义与现实意义。

5 结论

隧道超前预报条件下的波动方程数值模拟伪谱法,在波动方程合成的地震记录中保持了地震波传播的运动学和动力学特征。隧道超前预报条件下的叠加与偏移,与传统的反射波法勘探差异较大,在伪谱法数值模拟的基础上,结合弹性波动方程逆时深度偏移法建立的零偏移距正演时间剖面模拟地质模型的叠后时间剖面,通过地质模型的建立,以及工程应用的验证,能够较为准确的分辨出掌子面前方构造面的分布位置,该方法具有一定的可行性。但在如何更加真实地模拟隧道超前预测复杂的地形、界面、自由表面条件等方面尚需进一步研究。

参考文献

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[6]张秉铭.各向异性介质中弹性波数值模拟和偏移研究.北京:中国科学院地球物理所,1997.

地震波法 篇5

反演法在提高地震资料信噪比中的应用

t-x预测滤波法是噪音衰减的.通用且有效的方法,但是在噪音背景中存在平行同相轴时将产生假同相轴及出现子波畸变和振幅衰减等现象,这是因为噪音的存在影响了滤波器的计算.利用反演法对理论模型和实际数据进行了滤波处理,该方法可以有效地消除一般t-x预测滤波处理中存在的缺陷.实际应用表明,这种方法更能满足对地震资料高分辨率、高信噪比和高保真的要求,处理效果更接近实际.

作 者：印兴耀 张波 吴国忱 张繁昌 作者单位：石油大学地球资源与信息学院,刊 名：石油大学学报(自然科学版) ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF THE UNIVERSITY OF PETROLEUM，CHINA(EDITION OF NATURAL SCIENCE)年，卷(期)：200125(5)分类号：P631.443关键词：预测滤波 信噪比 反演 分辨率

地震波法 篇6

关键词： 波动方程；有限差分；透明边界条件；透明度

1 引 言

地震波波动方程数值模拟[1-4]是地震勘探方法中的一项重要手段。在真实世界中，勘探地震波一旦被激发之后，就会在介质空间向外不断地传播出去。如果我们可以将无限的介质空间全部装进计算机中进行模拟，就可以完整的模拟地震波在整个空间的传播过程，但是，计算机资源无法满足我们这一要求，所以我们只能将感兴趣的有限的介质空间区域在计算机上进行模拟计算，人为地限定在一个有限的区域内进行数值模拟计算，因此在四周人为地界定造成了边界，这个边界叫做计算边界（或称人工边界）[5]。因为它的存在，波传播到计算边界时必然会产生反射波，这些来自各个计算边界的人为反射严重干扰了波在介质中传播，因此，我们需要设法消除或者是削弱边界反射。

Reynolds[6]在1978年通过对波动方程的分解得到了透明边界（Transparent Boundary）条件，可以有效的削弱由于计算边界引起的边界反射。所谓透明边界，可以比喻为一块玻璃，当有一束光照射时，光线会穿透过去而不产生明显的反射，因此我们称这块玻璃是透明的。但是事实上，这样理想的完全透明的玻璃是不存在的，光束照射到玻璃上是必然有部分能量被反射反射回来的，差别仅在于发射的强弱而已。透明度好的玻璃，其反射回来的光线能量较低，而透明度差的玻璃，其反射或能量耗散则较高。同理，在地震波数值模拟使用透明边界条件来消除因计算边界引起的边界反射时，也会产生一部分反射地震波，不能全部穿透过边界，因此波动方程模拟的透明边界的好坏，也可以借用玻璃的透明度概念来刻画。即边界条件对边界反射衰减效率较高的时候，我们称之为透明度较高，反之，就是透明度较低。显然，我们希望采用的边界条件的透明度越高越好。所以，透明边界的透明度是一个值得我们进行深入研究的课题。

2 模拟方法与边界条件

2.1 波动方程的差分方程建立

在油气地震勘探中，常常接收并使用的是地震P波资料，因此，常常使用声波方程来替代地震波方程，即用声波在介质中来描述地震波在介质中的传播过程。为此，我们研究二维介质模型空间 以及时间区间 中传播。在此空间上声波的传播速度为 。因此，在此空间的声波的传播方程[7]为：

（1）

上式中：

为波场振幅值；

。

其中， 为 Dirichlet函数，即： 其它情况为0， 为地震子波函数。

有限差分法数值模拟的基本思想理论：就是以差分方程替代微分方程。因此，有限差分法的重点就是将微分方程改写成差分方程。因此需要对声波方程（1）建立差分格式方程。将上述空间按照 做等间距剖分，以及时间用 做等间距剖分。分别对（1）式中的时间导数和空间导数做Taylor展开，可以得到关于时间导数做二阶中心差分和空间导数做四阶中心差分。

经过整理后可以得到，关于声波方程（1）式的差分方程如下：

（2）

其中： 表示在第k时刻时，网格点（ i ， j）的波场振幅值。

2.2 边界条件

本文在进行数值计算模拟时，为了消除或削弱因计算边界而引起的边界反射，所采用的邊界条件是Reynolds[6]在1978年通过对声波方程分解得到的透明边界条件，如下各式：

上边界条件为：

（3）

下边界条件为：

（4）

左边界条件为：

（5）

右边界条件为：

（6）

以上各式中： 。

同样，对上式中的各偏导数对应的做Taylor展开，可以得到对应的差分格式方程为：

上边界的差分格式：

（7）

下边界的差分格式：

（8）

左边界的差分格式：

（9）

右边界的差分格式：

（10）

2.3 数值实验

以上两个小节给出了声波方程和透明边界条件的差分格式，下面我们将模拟一个，大小为1024m×1024m，波传播速度v= 3000m/s的均匀介质模型。模拟时的空间采样间隔为 ，时间采样间隔为 ，使用的子波震源函数为：

（11）

上式中： 为子波主频， 为延迟因子， 为衰减因子。

实验时，我们取： ， ， 。

模拟计算的波场快照如下图1所示：

图1 均匀模型不同时刻的波场快照

Fig.1Snapshot of wave field in inhomogeneous model in different time.

从图1中（a），（b），（c）和（d）分别是在50 ms，100 ms，150 ms和250 ms的波场快照。从图中可以清晰的看到波场从50ms传播到150ms波场以圆向外传播，到达250ms时刻时波场已经传播到边界，这时波场有一部分波穿透边界条件没有反弹回来，而剩下一部分被反弹。

3 模拟计算

从图1可以看到，当波传播到模型边界时，很明显有反射的存在，也就是透明边界条件下的模型边界的地震波有明显的反射，这也就正如在前言中讲的“透明边界”，实际上并不能真正的做到完全透明，当地震波传播到边界时，还有一部分反射，而这个反射波有多大，又与什么因素有关？即透明边界的透明度及其影响因素。这正是本节需要研究讨论的。

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为了更好的说明透明边界的透明度，笔者打算从以下两个方面研究讨论，一方面是模型不同介质对透明度的影响；另一方面是不同频率下的波对透明度的影响。

3.1 介质对透明度的影响

为了说明对于不同介质模型对透明边界条件透明度的影响，因此笔者选用了三种介质模型，对透明边界的透明度的研究讨论，三种介质分别是：空气、水和岩石。为了保证模拟实验的可靠性，在实验时除了波在不同介质中的传播速度不一样以外，其他参数均一样。数值模拟计算是在模型大小为1024m×1024m的空间中进行，其中在空气中的声波速度为v=340m/s，水中的声波速度为v=1500m/s，在岩石中的波传播速度为v=4500m/s，模拟时采用的空间采样间隔为 ，时间采样间隔为 ，选用的震源子波函数为（11）式，子波主频 ，震源坐标位置为（160m，512 m）。

使用上述有限差分数值模拟法，以上三种介质模型的模拟快照结果，如下图2所示。

图2不同介质模型的波场快照

Fig.2 Snapshot of wave field in the different medium model.

從图2中能够很清楚的看到，当地震波传播到边界时有一部分波穿过透明边界，但是明显的还有一部分反射波。而且反射波相对直达波的强弱是不一样的，也就是说不同介质的模型的透明度是不一样的。从反射波的能量来看，很显然空气介质下透明边界条件的透明度是最差的，透明边界条件的透明度最好的是在岩石介质模型时，而水介质条件下的透明边界条件的透明度介于空气和岩石之间。表明在本实验的速度变化范围之内，波速越高，边界条件的透明度也好。

3.2 频率对透明度的影响

从上一节我们看到，在不同的介质的模型条件下的透明边界条件的透明度是不一样的。而在这一节将讨论不同频率对透明边界条件透明度的影响。

为了更好的说明实验结果，采用的模型是上一节中的介质模型中的水介质（如下图3中（A）所示），模型空间大小为1024m×1024m，波传播速度为v=1500m/s，模拟时采用的空间采样间隔、时间采样间隔以及所选用的震源子波函数均与3.1节所采用的一样，其中S1点为震源，其坐标位置为 ，模拟时间长度250 ms。数值模拟实验时采用的频率从5Hz到150Hz，每隔5Hz取一个频率值进行实验，总共31次实验。

图3 水介质模型

Fig.3 Water medium for the model.

要想得到透明边界条件的透明度，我们只能够通过反射波来得到透明边界条件的透明度。因此，要想得到不同频率对透明边界条件的透明度的影响，那就需要先得到一个纯反射波。我们在进行的31次数值实验的时候，记录下了源点的震动情况，此时得到的记录既含有反射波，又含有反射波。因此为了得到一个纯反射波记录，我们需要剔除直达波。实际上要剔除直达波只需要用含有反射波和直达波的记录减去对应的直达波就可以了。因此我们为了得到一个只含有直达波的记录，做了另外一组数值模拟实验，实验使用的模型及参数和上面的参数一样，只是将震源点放在了模型S2 点（如图3中（B）所示），这样保证了在模拟的250 ms内，反射波不能到达记录点，此时得到的记录就只含有直达波，用既含有反射波又含有直达波的记录减去只含有直达波的记录就得到了一个纯反射波。具体处理方法如图4所示。

图4 a为只含有直达波，b为即含有直达波又含有反射波，c为a-b只含有反射波

Fig.4 ‘a’ contains direction and reflection wave， ‘b’ is the only contain direction waveand ‘c’ is the ‘a’-‘b’ and only reflection wave.

图4是在频率 情况下，得到的记录。其中图4中a是既含有反射波又含有直达波的记录，b是只含有直达波的记录，用a减去b就得到了图4中的c只含有反射波的记录。我们将从图4中的c反射波，提取出不同频率下的反射波的最大值，最终可以得到31次实验的反射波的最大值，绘成曲线如下图5所示。

图5不同频率成分对透明度影响

Fig.5 Effect of different frequency component of transparency.

从图5可以看到，不同频率对透明边界条件的透明度是有一定影响。从曲线上看，在低频时透明度相对更好，当频率增大时，透明度很明显的相对降低。当频率大于40Hz透明度呈线性减弱的趋势。

4 结 论

本文通过对波动方程有限差分法正演模拟时所采用的透明边界条件的透明度分析讨论，得到如下结论：（1）透明边界条件对人工边界能起到较好的吸收效果；（2）不同介质的模型对透明边界条件的透明度有一定的影响，实验采用三种介质模型模拟，结果得到：声波在空气中传播时透明边界条件的透明度最差，在岩石中传播时透明边界条件的透明度最好，在水中传播的透明度介于空气和水之间；（3）不同频率成分对透明边界条件的透明度有一定影响，从实验结果曲线来看，低频时透明度相对更好，当频率增大时，透明度很显然相对降低。当频率大于40Hz透明度呈线性减弱趋势。然而，从实验结果来看，在进行数值实验时需要选择好模拟参数，以求得更好的模拟结果。

参考文献

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[7] 田力，余嘉顺，唐红.封闭空间声场的计算机仿真初步研究[J].计算机科学，2003.

地震波法 篇7

地震台接收到的地震波资料中, 由于受到观测环境、测量误差、以及地面微震动等因素影响, 不可避免地含有一些干扰噪声, 因此降噪成为地震资料处理中的重要环节。地震波信号属于非平稳信号, 频域特性随时间而变化。

目前, 对于非平稳信号的研究, 小波变换方法得到了广泛的应用。小波变换具有多分辨率分析的特点[1], 而且小波变换在时间域和频率域同时具有良好的局部化性质, 能在小波域很好地实现信噪分离。

1992年斯坦福大学的Donoho和Johnstone教授于提出小波阈值降噪法, 该方法在最小均方误差意义下可达近似最优, 并且可取得较好的视觉效果, 该方法具有实现简单、计算量小的优点, 得到了深入的研究和广泛的应用。本文将基于MATLAB语言使用小波阈值降噪方法对地震数据进行分析处理研究。

1 理论及研究方法

小波变换具有很强的去数据相关性[2], 它能够使信号的能量在小波域集中在一些大的有限的系数中;而噪声的能量却分布于整个小波域内。

在地震波信号中, 有用信号通常表现为低频信号或比较平稳的信号, 而噪声信号则表现为高频信号, 因此降噪过程可按如下方法进行处理:对地震信号进行小波分解, 选择合适小波并确定分解层次;对小波分解的高频系数进行阈值降噪处理;对处理后的小波系数进行重构, 即为小波阈值降噪后的信号。

1.1 小波基、分解层数及阈值的选取

本文将运用Daubenchies小波对地震波资料进行分析。Daubechies函数是由著名的小波分析学者Inrid Daubechies对尺度取2的整数幂构造的小波函数[3]。一般简写为dbN, N代表小波的阶数。随着N的增大, 小波尺度函数和小波函数的光滑性也越来越好, 但紧支撑集中非零项的个数也会相应增加, 这将给信号重构带来一定的不稳定性, 因此本文将选择的小波基函数。

本文选取小波基的原则[4]是:在选用同样的阈值及分解层数的情况下, 利用Daubenchies家族不同的小波基对地震波资料进行阈值降噪分析处理, 评价结果, 选择最优小波基。

小波分解层数的确定:在确定小波基后, 对地震波资料进行多层阈值降噪分析, 选择降噪效果显著且信号不失真的层数作为小波分解层数。

小波阈值降噪的重点是小波系数的估计, 本文将采用软阈值[5]的方法, 阈值的选取通过matlab语言中的wdcbm函数得到。

1.2 降噪效果评价标准

为了能够选择出最佳的小波消噪参数, 需要设定评价标准作为消噪效果的依据。本文采用的衡量信号消噪指标有信噪比, 峰值误差以及均方根误差[6]。一般认为降噪后信噪比越大, 降噪后峰值误差越小, 原始信号和降噪后的信号均方根误差越小, 降噪信号就越接近原始信号, 降噪的效果也就越好。

2 计算示例与分析

本文采用的数据资料是2010年06月13日03:26分在尼科巴群岛 (北纬7.7, 东经91.9) 发生的7.6级地震, 九江台站记录到的地震波数据。该震中距离九江地震台站约为3470公里。方位角约为231度。截取时间段为:03:32-04:32。数据分为BHZ, BHE, BHN三个方向, 以下将以BHZ方向的一个小时的地震波数据为例进行小波阈值降噪处理分析。

假设全局阈值thr=5.0584, 分解分解层数N=8, 对Daubenchies家族小波基阈值降噪评价结果如表1。

一般认为具有较大的信噪比以及有较小的峰值误差和最小均方误差的小波基比较适合。通过对上表的对比分析, 本文折中选择db7做为阈值降噪的小波基函数。

在确定db7作为小波基后, 以BHZ方向为例, 对地震波进行多层分解, 然后分别对低频和高频部分各处进行小波重构。从图1可以看出, BHZ方向低频部分重构在进行到第10层时, 开始失真, 故不需要更高层次的分解。BHZ方向高频部分重构从第1层到第7层, 降噪效果不明显, 也不考虑。第8层, 第9层两个层次中, 第8层在降噪效果以及逼近原始波形方面比较优秀, 因此本文将选取8层, 作为小波阈值降噪的

根据前文所述, 本文的BHZ方向地震波数据可选取db7作为小波基, 进行8层分解, 阈值根据Birge-massar方法分层确定。为了方便对比分析, 其他两个方向采用相同的参数。对地震波的三个方向数据分别做小波阈值降噪处理, 并将降噪后的重构信号与使用MSDP软件通过SK模型仿真后的地震波信号, 进行对比分析。

BHZ方向:原始信号与小波阈值降噪后信号信噪比snr1=20.5281, 原始信号与SK模型仿真后信号信噪比snr2=-47.4002;原始信号与小波阈值降噪后信号峰值误差η1=0.0034, 原始信号与SK模型仿真后信号峰值误差η2=259.5201;原始信号与小波阈值降噪后信号最小均方误差mse1=1.2357e+007, 原始信号与SK模型仿真后信号最小均方误差

其他两个方向, 应用同样的方法, 取得了相似的效果。从图二可以看出, 通过小波阈值降噪重构的信号, 比SK模型仿真后的信号更加逼近原始波形, 在尽量保留低频部分的基础上, 取得了良好的高频降噪效果。

3 结果与讨论

不同台站观测到的地震波信号在形态上存在不同程度的差异, 很多全国性的数据处理标准在不同的地方往往会出现较大的差异, 甚至不能使用。本文针对九江地震台记录到的地震波地特性, 运用小波阈值降噪方法处理受到干扰的地震波信号。本文认为这对于该地震事件, 三个方向地震波数据的阈值降噪应采用db7函数作为小波基, 进行八层小波分解, 采用Birge-massar方法得到的分层阈值进行小波阈值降噪法处理, 并对该方法的处理结果进行了分析, 认为是适合本地区的噪声处理和识别的一种合理方法。

参考文献

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地震波法 篇8

(1) 我国是一个资源大国, 煤炭资源是我国的重要储备能源之一, 煤炭资源的开发及其应用与国家经济发展、社会民生等密切相关。随着社会经济的发展, 人们对于煤炭的需求量逐渐提升, 煤矿开采企业面临着巨大的经济压力。我国煤炭资源储备丰富, 然后有相当多的煤炭资源开采困难, 这是由于我国多数的煤炭资源分布情况复杂, 煤炭资源勘探复杂。传统的二维地震技术适合于地势平缓地区, 不适宜于一些地貌复杂多变的地区。

实际上, 目前很多的未探明资源皆分布在地势复杂地区。经济的发展推动了地震勘探技术的发展, 三维地震勘探技术得以发展。 在此趋势下, 我国的煤炭勘探范围不断扩大, 利用三维地震勘探技术, 煤炭开采信息的处理及其分析应用更加快捷, 三维地震勘探技术具备良好的综合效益, 对于我国煤田勘探工作的开展意义深远。

(2) 地震勘探体系比较复杂, 它具体包括了反射勘探环节、透射勘探环节、三维勘探环节、矢量地震勘探等环节。三维地震勘探方法是一种比较先进的地震勘探方法, 其利用反射波进行地下三维地质构造特征的获取, 能够解决复杂地区的资源勘探工作难题。随着资源开采规模的扩大, 我国煤田构造勘探开采难度不断提升, 有些隐藏在地表复杂地区的煤炭成为勘探工作的主要目标。

2地表复杂地区的常见勘探问题

我国的很多煤炭资源分布在地表复杂区域, 这些地表环境复杂的地区, 存在相当多的开采问题。复杂的地表环境影响到低降速带参数的调查精度, 这些地貌严重、地形复杂的地区也不利于勘探技术后期数据信息的处理。这些地表复杂的区域影响了定点、井深的正常选择, 并且这些地质条件复杂的区域容易出现一系列的多次波、折射波、鸣震等干扰, 不利于获得精确的反射信号信噪比。由于炮点及其检波点的情况, 也会导致地震资料采集资料的降低。

3地表复杂区煤田三维地震勘探方案的具体应用

(1) 该勘探地区位于内蒙古的某区域, 该区域是高原地形, 地势西高东低, 它的西部是高原区域, 东部是丘陵沟壑区。东部地区的地表高程为1300米到1587米。该区域沟壑纵横, 存在严重的地表水土流失情况, 西部地区的高程为1350米到1610米, 地势相对平缓, 东高, 中南部偏低, 类似于盆地地貌, 存在较为严重的风蚀沙化地貌。丘陵沟壑纵横, 沙地面积占据整体面积的五分之一, 丘陵环绕, 地貌复杂。这些客观的环境因素严重影响到三维地震勘探工作的正常开展。

(2) 该地区的地形地貌非常复杂, 在实践过程中, 需要加强信号发射、数据采集、低速带调查等工作。在山石区域, 需要进行检波器的加固。在多沙区域, 需要将检波器埋于坑中, 进行环境数据采集资料的提升。为了满足地质勘探工作的正常开展, 进行试验工作方案的优化是必要的。

在试验应用过程中, 做好井中激发试验是必要的。在地形比较稳定的区域, 可以利用炸药作为地震震源。在试验过程中, 针对那些地形复杂区域, 炸药法无法开展, 需要因地制宜改进试验方法。在地表复杂地区中, 它的潜水面比较深, 不能将炸药进行潜水面以下的激发, 并且该地区沟壑纵横, 地表存在大量的砂石, 如果进行炸药激发, 很容易出现孔壁坍塌情况, 从而导致试验的失败。为了解决这种问题, 需要进行钻头的优化改进, 做好钻壁的加固工作, 从而保证试验的正常开展。

可控震源试验也是一种良好的操作方法, 它在井中进行试验的激发, 成本比较大, 它的试验成功率也比较低, 可以进行可控震源的应用, 做好数据采集试验工作。在信号接收过程中, 需要将各个中频检波器进行组合, 方便进行信号数据的接收。在进行数据接收过程中, 需要针对不同的地形, 进行一系列的检波器固定方法的采用。在岩石区域, 进行检波器的固定。在砂砾区域, 进行检波器的掩埋, 确保试验工作的正常开展。

(3) 在低速带调查实践中, 为了保证所采集信息的质量, 需要进行折射波法的应用, 进行多道接收方式的应用, 保证获得良好的数据采集资料。在该区域应用中, 为了保证数据处理的质量, 需要进行高频信号的加强及其保护, 保证信噪比的提升。为了获得正确的静校正参数, 需要深入研究低速带调查信息, 根据高质量的低速带调查数据, 绘制低速带的平面分布图, 进行深入的分析, 进行静校正参数的得住。在曲线的绘制过程, 针对那些变化幅度比较小的数据进行平均值方式的计算, 利用计算机进行时距曲线的绘制, 再做好表层划分层位的细节工作。

静校正主要目的是减小或者消除低速带厚度变化和地表高程变化对于地震波地质成像的影响。由小折射、微测井等常规方法得到的低降速带较差结论, 受客观条件限制不能作为静校正参数选择的主要依据。因此本次的资料处理, 需参考低速带调查资料并结合处理软件的其他方法进行静校正:基础工作。以原始单炮资料及地表高程数据为基础, 利用“高精度拾取多域多次迭代静校正”模块计算静校正量。

在静校正过程中, 需要利用正确的数据进行折射层的划分, 针对共中心点、共接收点、共炮点等信息做好数据分析工作, 从而得出有效的静校正参数, 保证获得正确的共炮点域、共偏移距域, 得到相对短波长静校正量, 获得精确的数据。在做好基础数据的校正工作后, 需要解决中高频及剩余高频静校正的工作, 实现自动剩余静校正的开展, 保证反射波同相轴分辨率的提升。在操作过程中, 信号的采集及其激发的影响条件很多, 为了提升信噪比信号的质量, 需要做好滤波剔除等工作, 保证剩余校正工作的正常开展。

(4) 通过对子波处理方案的优化, 可以保证不同检波点的能量均衡, 保证所接收波形的一致性。在该数据处理过程中, 可以进行振幅恢复校正技术的应用。进行常规振幅补偿的处理, 进行地表一致性模型的应用, 保证振幅补偿处理资料的提升。

我国的煤炭资源丰富, 随着社会对于煤炭需求量的增加, 煤炭资源面临日益枯竭的危机, 虽然国家进行了一系列的节能减排工作的开展, 但是我国能源消耗水平依旧是比较高的, 有必要加大针对传统能源的勘探力度。通过对三维煤炭地震勘探技术的应用, 可以解决复杂地区的煤炭勘探问题, 最大程度的降低地形限制及其环境的负面影响。在这种形势下, 普通的传统设备难以做好信号激发及其数据收集工作, 这极大影响了勘探工作的正常开展。通过对三维地震勘探技术的应用, 可以保证勘探工作的精确性。

勘探工作的质量取决于所获取数据地精确度, 传统的勘探设备及其设备不利于数据精确性的提升, 进而出现一系列的煤炭资源流失及其经济损失状况。通过对三维地震勘探技术的应用, 可以保证在复杂的区域信息中获得精确的数据。

4结束语

三维地震勘探技术的应用符合了社会经济发展的趋势, 当下矿产资源的勘探不再仅仅局限于地势平缓地区的勘探, 更多的是针对地势复杂区域的勘探。三维地震勘探技术对于科研人员的职业素质要求比较高, 国家有必要进行煤田资源勘探专业体系的健全, 以满足我国能源勘探工作的要求。

摘要：为了满足现阶段煤田工作的需要, 进行三维地震勘探法的应用是必要的。三维地震勘探方法广泛应用于地表复杂地区的勘探工作, 这得益于该勘探法的技术优势。文章就三维地震勘探法技术进行分析, 进行其应用现状及其所面临问题进行剖析, 旨在解决地表复杂地区的实践应用问题, 比如检波点的偏移过大问题。通过对地表复杂地区的勘探技术数据采集分析, 解决地表复杂地区的勘探问题, 满足矿产工程的应用需要。

地震波法 篇9

1 地震超前探测方法

1.1 地震超前探测原理

地震超前探测是利用反射地震波法,通过布置在巷道侧帮的小药量炸药震源激发产生地震波,地震波在煤岩体中以球面波形式传播,当遇到煤岩体波阻抗差异界面(例如断层、岩石破碎带和陷落柱等异常)时,一部分地震信号反射回来,一部分信号折射进入前方煤岩体中,反射的地震信号被三分量地震检波器接收[2,3],如图1所示。

在矿井地震超前探测数据采集时,三分量检波器接收来自于前方、侧帮和后方的地震信号。其中前方反射信号是超前探测的有效信号,而直达波及侧帮和后方等的反射信号均为干扰信号。掘进工作面前方反射界面的反射波时距曲线公式为:

式中:α为波阻抗反射界面与巷道轴线的夹角;L为接收点到反射界面与巷道轴线交点处距离;v为煤岩体波速;x为炮检距。

各接收点到掘进工作面前方的反射界面之间地震波的传播距离随着炮检距增加而减小,而反射界面到激发点,反射波传播的距离都是基本相等的,故从近炮检点到远炮检点,地震波旅行时随着炮检距增加而减小。而直达波和后方反射波的斜率正好与前方反射波相反,炮检距越小则所接收到的信号越早[4]。

1.2 超前探测资料处理解释

地震偏移成像是地震资料处理的核心[5]。偏移成像的方法较多,但矿井地震资料通常采用叠前深度克希霍夫偏移方法进行处理。叠前深度克希霍夫偏移最重要的参数是偏移孔径[6,7],偏移孔径即偏移所需要的波场范围值,偏移孔径过小会影响偏移成像的精度,而过大的偏移孔径会增加计算时间,还会在积分过程中引入干扰,降低信噪比。

首先利用速度分析的结论进行射线追踪计算,求得每个成像点的时间和路径,再利用如下公式计算地震资料最佳孔径深度偏移,即:

式中:I(x,y,z)为积分偏移的结果;u为地震波记录值;w为权函数,用于修正上行波振幅值;e为单位向量,用于将三分量检波器的位置映射到笛卡尔坐标系中;A为取第一菲涅尔带为偏移孔径;Fc为权函数用于给偏移孔径约束边界镶边。

矿井地震解释利用纵横波的偏移成果,主要解释纵波资料,参考横波资料。其偏移剖面中颜色越黑代表振幅越强,振幅异常区域即表明该处存在波阻抗异常,煤矿中引起波阻抗异常的主要有如下几种地质异常体:采空区、陷落柱、断层和煤层破碎带,这4种异常体在地震剖面上的振幅由强到弱大致顺序为采空区、陷落柱、断层破碎带、煤层裂隙带,其中陷落柱和断层破碎带容易在横向上形成较大范围的异常,波场特性比较相似。

根据理论分析和实际解释经验可知,矿井地震解释应遵循几点原则:

1)认识矿井及已揭露巷道的地质情况,有助于对地质异常的定性解释;

2)由于产生转换横波需要一定的地质条件,转换横波资料不如纵波资料丰富,因此解释时应以纵波信息为主;

3)由于液体介质中切变模量为0,因此水中没有横波。根据速度剖面可直接计算纵横波速度比和泊松比,纵横波速度比的大幅度上升或泊松比的突然增大通常表示有含积水体存在。

2 导水构造探测

峰峰矿区某矿182311工作面位于三采区南翼,韦武神岗背斜西翼,东为182309工作面,西为182313工作面,南至SF53断层,北至三采区胶带上山,三采区胶带机巷、轨道巷及回风巷已形成系统,东侧182307工作面正在向前掘进,182303工作面正在进行回采,无其他采掘情况。煤层走向变化较大,NW83°~NW48°~NE25°,倾角8°~24°,倾向SE。煤层比较稳定,结构比较简单,煤层不含夹矸,煤层厚3.60~4.40 m。直接顶为砂页岩,厚4.05 m,灰黑色、性脆、致密、节理发育;直接底为粉砂岩,厚8.40 m,灰黑色,含有大量植物化石及石英砂岩,顶部有黄铁矿薄膜;老顶为中粒砂岩,厚24.84 m,灰白色,厚层状,具波状层理;老底为细粒砂岩,厚2.70 m,灰黑色,薄层状,具波状层理。

现场探测时在巷道侧帮布置1个炮孔和多个接收孔,接收孔间距为1.5 m,离底板高度1 m。由于受现场干扰因素影响,第2、4、5、21道数据质量较差,舍弃,其余数据可用。

探测结果以探测时的掘进工作面为0 m位置,成果图中横坐标表示超前探测距离。由图2偏移剖面可知,在24 m和49 m附近存在2处明显波阻抗异常区(黑色的区域),虽然影响范围较小,但同相轴连续且振幅较强,可能为小断层界面。其余零星分布的波阻抗异常同相轴不连续,很难判断为界面,推断可能为煤层各向异性或处理过程中噪音的影响。

根据同相轴的连续性和振幅异常属性提取纵波偏移剖面中的异常界面,如图3所示。图3中提取了9个异常界面,其中3个异常界面集中在49 m异常区域附近,其余均为孤立分布。

图4是由速度剖面直接计算的纵横波速度比和泊松比曲线,显然在45~49 m附近出现了纵横波速度比陡然上升和泊松比大幅增加的情况,据此能够作为对该异常区富含水的辅助判断。

通过对地质异常区钻探验证,在182311回风巷探测正前方50 m处见一导水异常。对导水异常区进行预治理和底板注浆加固后,掘进揭露为落差0.8 m的小断层,附近煤层底板岩层松软破碎且附近煤层底板出现渗水等水文地质异常现象。

3 结语

1)在峰峰矿区复杂地质条件下,采用地震勘探法成功超前探测了掘进工作面前方的小断层,并对其导水性进行了预测预报,取得了较好的地质效果,为矿井的高效安全掘进提供了实用的地质保障手段。

2)先物探预报水文地质异常,后钻探对巷道底板含水层富水地段及构造导水地段进行验证和注浆改造加固处理,是治理水文地质异常区,消除突水隐患的技术基础。

参考文献

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地震波法 篇10

随着国家基础工程建设项目的不断增多,在建设和生产实践过程中,经常会遇到各类不同的地质灾害现象,比如采空区、岩溶、滑坡、地面塌陷、地裂缝等,这些地质灾害不仅严重地妨碍了工程建设进度,造成了巨大的经济损失,而且还威胁着人类生命财产的安全,因此必须查明地质灾害体的空间分布范围、规模,为防治工程设计、施工、监测预报提供相关技术参数。

对于地质灾害的调查,常规勘探手段为钻探,由于钻探方法是一种以点带面的勘探手段,勘察周期长,费用高,而且布置的钻孔数量和勘察范围都有限,对于一些隐伏的不良地质情况难以进行准确探测,因此在很多情况下,不能从宏观角度上把握地质灾害发生的范围和方向,从而也很难查明地质灾害体的整体空间分布特征,使地质灾害治理设计带有很大的不确定性。但是一般地质灾害的发生,常表现出许多地球物理异常特征,比如电阻率、波阻抗、介电常数、速度等异常特征。这为我们采取相应的地球物理方法来探测地质灾害的空间分布情况提供了前提条件,并且地球物理方法具有低成本、高效快捷、效果直观等优点,可以提供基础性地质勘察资料,被广泛地应用于地质灾害调查工作中。因此本文就结合地震映像法在探测煤矿采空区、岩溶发育带、地裂缝、山体滑坡等地质灾害方面的实例,来浅述其在地质灾害调查方面的应用效果[1~6]。

1 地震映像法原理

地震映像法,又称地震共偏移距法,是以相同的小偏移距逐步移动测点来接收地震信号,在地面或水面对地下目标体进行连续扫描,利用多种地震波信息来探测地下介质变化的浅层地震勘探方法,勘探深度比地质雷达的勘探深度大。在地震映像测量过程中,一般采用单点激发,单个检波器进行接收。仪器记录后,激发点和接收点同时向前移动一定的距离(称为点距),重复上述过程可获得一条地震映像时间剖面。

地震映像法的主要特点是可以利用反射波、折射波、面波等多种弹性波作为有效波来进行探测,也可以根据探测目的要求仅采用一种特定的地震波作为有效波,本文主要用反射波作为有效波。由于其炮检距小,激发点和接收点之间的反射波近似垂直,类似于自激自收,因而采集到的数据信噪比高,且测量点设在激发和接收距离的中点,该点正反映了偏移距范围内的地下岩层、岩性的变化,由于每个记录道都采用了相同的偏移距,利用专门的地震资料处理软件进行全面分析、处理和计算,得到地震时间剖面。当地层连续时,地震时间剖面表现为反射波同相轴连续,反射振幅强;当地层缺失时,地震时间剖面表现为局部反射波同相轴不连续、能量弱,甚至出现“空白”。其原理示意图见图1所示。由于采用的是单炮激发、单道接收,在资料处理过程中不需要进行动校正、叠加等处理,节省了资料处理时间,避开了动校正对浅层反射波的拉伸、畸变影响,可以全部保留反射波动力学特征,减少了处理误差,因此得到了广泛的应用[7~9]。

2 应用实例

在地质灾害调查工作中,综合考虑勘探深度、仪器性能和地质条件等因素,选择适宜的激发方式、采样长度、偏移距、点距等参数,合理地布置测线,尽可能在野外采集到信噪比和分辨率都比较高的资料,为室内处理提供良好的基础数据。下面就结合实际的工程例子,来说明应用地震映像法如何查清采空区、岩溶、地裂缝、滑坡等地质灾害问题,并取得良好的勘探效果。

2.1 采空区调查

山东某公路段出现不同程度的沉陷、错动,经调查当地小煤窑越界开采形成大量不明采空区,破坏了地基的稳定性,从而导致了公路不同程度的开裂、沉陷。由于其煤层埋深比较浅,一般为20~30 m左右,所形成的采空区破坏性强,对公路的运营造成了比较大的危害。为确定该路段沉陷详情,圈定出采空区范围、规模,为下一步该段公路的维护和治理提供详细的地质资料,因此对该区进行了地震映像法勘探。煤层采空区在地震映像记录上主要表现为煤层反射波的中断,同相轴不连续,或出现一些低频、零乱的弱反射。为此我们总共布置4条与公路走向垂直的地震映像测线,偏移距8m,点距1m,大锤激发,各测线分别发现了多处采空区,其中图2为Ⅱ号测线的深度剖面图,从图中可见在水平距离57~70m、深度大概20~23m左右发现一处煤层反射波中断、同相轴不连续异常现象,经推断而且被钻孔所验证为采空区,为公路的注浆治理提供了准确位置,取得了良好的效果。

2.2 岩溶的调查

某场地欲建设30多层的高楼大厦,因此建设之前须进行地质灾害评价项目,保障建筑设施的安全。该区地形缓慢,出露的基岩为灰岩,但其岩溶裂隙比较发育,其充填物主要为水和粘土,对该区的建设具有潜在的危害,因此须勘探出岩溶的分布范围及其埋深,以便于采取相应的方法进行处理。由于我们要探测的是灰岩中发育的岩溶,与上下围岩所形成的界面的反射系数都比较大,容易形成两组或多组反射波信号,并且其振幅强、频率较低,而非岩溶区则岩体完整密实,信号振幅较弱或无反射界面。为此我们现场布置了6条剖面,每条剖面之间的距离为20m,偏移距为8m,点距为1m,准确地探测出了岩溶的发育位置,如图3所示,岩溶存在的范围大概在水平距离17~26m、深度18~33 m处。从后续治理的注浆量来看,此处消耗的水泥、砂浆量最大,注浆效果良好,说明地震映像法探测岩溶发育情况是可行的。

2.3 地裂缝灾害的调查

在陕西某黄土地区欲建设一条高速公路,然而该地段地裂缝比较发育,在地表就可见裂缝水平位移最大处有近1m之宽,局部地表出现断裂塌陷,同时地下还存在更多的隐伏的地裂缝,严重地威胁高速公路的建设,因此我们采取了地震映像方法进行探测,布置多条测线与地裂缝的走向垂直,偏移距为6m,并且跨过已知的地裂缝,按已知到未知的思路调查本地段的地裂缝灾害。从图4可以看出在水平距离18~24m处存在明显的反射波异常区,同相轴中断,导致上下层位错动、扭曲,推断解释为地裂缝的反映,并且其深度在18m左右,最后通过地表人工挖孔验证,裂缝形态与物探推断形态吻合较好。

2.4 滑坡地质灾害的调查

贵州某山区新城址由于建设在山脚下,而后面山高坡陡,其斜坡坡度在25°~60°左右,加上当地雨水较多,极易形成滑坡,需开展专门性的地质灾害勘查评估和对策研究,其中一项内容就是滑坡地质灾害的勘探。该地区地表覆盖第四系残积土、粘土,基岩由三叠系灰岩组成,由于连续下雨,局部地段受重力和拉力作用下已出现微小的裂缝,因此必须尽快进行治理。经过现场调查确定其滑坡面就是灰岩的顶界面,我们的主要任务就是探测出滑坡面的埋深,确定滑动面形态,为综合治理提供参考。由于滑坡面的波阻抗相对于上下介质差异很大,容易形成较强的反射界面,满足地球物理探测的前提,为此我们同样选择了地震映像勘探方法,现场布置了纵测线5条,横测线8条,偏移距为8 m,点距1 m,基本上查清楚了该区的滑坡面埋深及形态。图5为某纵测线的深度剖面图,从图中可以看出滑坡面的埋深大概在15~25m左右,西薄东厚。在水平距离1~46m处,灰岩面波形均匀完整,推断此地段滑坡体未发生滑移,而从47m处开始,由于剪切应力的作用下,岩体发生变形,裂隙比较发育,岩石内在联系受到严重破坏,形成比较大的拉张裂缝,导致反射波同相轴错动,滑坡面从此处开始比较发育,且呈现往下滑移的趋势,其滑坡面的位置如图中黑线所示,为一船底形滑面滑坡,对下面的村庄危害极大,因此通过结合地震映像资料,我们对此滑坡进行了有效的治理,避免了滑坡地质灾害的发生。

3 结论

地震映像法能够较直观而形象地反映出目标体的形态、产状等,比较经济有效地探测出采空区、岩溶发育、地裂缝、滑坡等不良地质现象的平面分布范围和空间展布情况,其效果优于其它物探方法,同时该方法对于制定治理地质灾害的最优对策能够提供较全面、可靠的物探依据,有效地弥补了钻探方法的不足。

但我们也要认识到,该方法也受场地和接地条件等制约,并且偏移距有时候不好确定,因此对于探测条件较为复杂的地质灾害体,应当综合应用其它物探方法,结合钻探、岩土试验等勘察手段,丰富其勘探效果,为地质灾害治理提供更加丰富的基础性资料。

参考文献

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地震波法 篇11

1 中国抗震设计规范中底部剪力法的计算

按照中国建筑抗震设计规范GB50011-2001的规定，各楼层可仅考虑一个自由度。结构的水平地震作用下底部剪力标准值FEK，应按下列公式确定：

当建筑物为n层时，各楼层处地震力标准值为Fn。由于基底剪力法仅考虑了基本振型的影响，因而在高振型的影响下，顶部位移及惯性力加大。因此，在基底剪力法中，用顶部附加荷载△Fn近似考虑高振型的影响。地震力沿高度分布简图如图1所示，顶层的等效惯性力记为Fn+△Fn。

Fn和△Fn的计算公式如下：

式中：FEK———结构总水平地震作用标准值

α1———相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数值;应按规范第5.1.4条确定

Geq———结构等效总重力荷载代表值

Fi———质点i的水平地震作用标准值

Gi、Gj———分别为集中于质点i、j的重力荷载代表值，应按规范第5.1.3条确定

Hi、Hj———分别为质点i、j的计算高度

δn———顶部附加地震作用系数

△Fn———顶部附加水平地震作用

Ts———特征周期，根据场地类别和近震、远震，按规范表5.1.4-2采用

T———结构自振周期

T1———结构基本自振周期

2 美国统一建筑法规（UBC）中底部剪力法的计算

按照美国统一建筑法规(UBC)的规定，结构在水平地震作用下，底部剪力标准值FEK应按下列公式确定(为便于与中国的抗震规范比较，有些符号做了改动)：

式中：

等效地震力的竖向分布为：

顶层的等效惯性力为：

式中：FEK———结构总水平地震作用标准值

Geq———结构等效总重力荷载代表值

Gi、Gj、———分别为集中于质点i、j的重力荷载代表值

Hi、Hj———分别为质点i、j的计算高度

△Fn———顶部附加水平地震作用

Fi———质点i的水平地震作用标准值

T1———结构基本自振周期

Z———由UBC规范表16-I中给出的地震区系数

I———由UBC规范表16-K中给出的重要性系数

S———由UBC规范表16-J中给出的由场地土特征确定的场地系数

Rw———由UBC规范表16-N可中给出的结构类型系数

3 UBC规范中系数应用于中国抗震规范

由上节的公式中可看出，中国的建筑抗震规范通过标准反应谱曲线和地震列度αmax来确定基底剪力放大系数，而UBC规范则通过地震区系数E(与αmax类似)、结构的重要性系数I、场地土特性系数S及结构类型系数Rw来确定基底剪力的放大系数。

从基底剪力的表达式来看，α1等效于。

关于等效地震力的竖向分布表达式，两者的唯一区别是中国建筑抗震规范引进了顶部附加地震作用系数δn，而UBC规范中将顶部附加地震作用近似为0.07T1。

通过以上分析可看出，如果我们使等于α1，并将δn的影响考虑进去，则可完全利用UBC荷载定义来按照中国GB50011-2001的规定进行抗震分析。下面介绍一下具体实施办法。

首先，求出结构的基本自振同期。最简单的方法是按照UBC中的方法A估算出结构的基本自振周期。表达式如下：

式中：Hn———结构总高度

Ct———对钢抗弯框架为0.0853(英制单位为0.035)

Ct———对钢筋砼抗弯框架和偏离支撑框架为0.0731(英制单位为0.030)

Ct———对所有其他建筑物为0.0488 (英制单位为

引入转换系数将其代入UBC规范的有关公式中可得到:

根据中国的建筑抗震规范, 令

如果将I定义为φ，即

并将Z定义为αmax，以及取S=1

由此可知，如果按UBC荷载的格式输入如下的数据，则计算结果将与中国建筑抗震规范(GB50011-2001)相同。

将：ZONE输入为αmax

I输入为1(单层点)或0.85(多层点)

式中：

T1分别为结构的基本振周期，可按UBC中的A方法估计。αmax和Ts分别为中国建筑抗震规范中的地震影响系数最大值和地基土质的特征周期。