地震折射層析成像法在隧道勘察中的應(yīng)用

劉世奇

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

地震折射層析法(The tomographic method)是近十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的地震折射解釋方法。它有效地克服了一般折射解釋方法的缺點(diǎn)，是目前較先進(jìn)的折射解釋方法。

介紹了使用Plotrefa軟件中的折射層析法解釋隧道圍巖分級(jí)的效果，并與傳統(tǒng)地震折射解釋方法效果進(jìn)行比較，參照其他地球物理方法解釋結(jié)果，證明了該方法在隧道圍巖分級(jí)應(yīng)用方面的有效性及優(yōu)越性。

1 地震折射層析法的基本原理

方法的關(guān)鍵是對(duì)模型進(jìn)行射線追蹤。射線追蹤的方法較多，如早期的打靶法和彎曲法;20世紀(jì)80年代提出的程函方程有限差分法和最小走時(shí)樹(shù)方法［1－2］。程序采用了二維最小走時(shí)樹(shù)方法。

二維最小走時(shí)樹(shù)方法由Nakanishi和Yamaguchi于1986年提出［3］，后來(lái)得到了不斷的發(fā)展和完善。這種方法以費(fèi)馬原理和惠更斯－菲涅爾原理為理論基礎(chǔ)，克服了傳統(tǒng)方法的缺陷，計(jì)算速度較快，可一次性地追蹤到整個(gè)空間任一節(jié)點(diǎn)的全局最小走時(shí)路徑和最小走時(shí)。該方法原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，而且能夠適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)模型。首先對(duì)模型進(jìn)行射線追蹤，計(jì)算炮點(diǎn)至檢波點(diǎn)間的最小走時(shí);然后與實(shí)測(cè)初至波走時(shí)進(jìn)行比較，通過(guò)修改模型，反復(fù)疊代，使計(jì)算與實(shí)測(cè)初至波走時(shí)之差達(dá)到最小，則此時(shí)的速度模型即為反演結(jié)果。

二維最小走時(shí)樹(shù)方法首先將二維地質(zhì)模型離散化為一定數(shù)量的四邊形單元，每個(gè)單元內(nèi)速度均勻，速度的非均勻性體現(xiàn)在各個(gè)單元間的速度變化。每個(gè)單元的四邊都分布著一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，射線只通過(guò)這些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳播。

根據(jù)惠更斯原理，地震波傳播到某一節(jié)點(diǎn)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)成為一個(gè)新的波源向四周傳播子波，其傳播路徑只與相鄰單元的節(jié)點(diǎn)有關(guān)。根據(jù)費(fèi)馬原理，只計(jì)算相對(duì)于子波源與檢波點(diǎn)距離減少的節(jié)點(diǎn)的旅行［3－6］。

2 處理關(guān)鍵技術(shù)

編輯好軟件所需的初至?xí)r間文件及地形文件，即可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演。在進(jìn)行反演前，要給定初始速度模型，模型一般按層狀模型給出(二層或三層)。模型可以是其他解釋方法的解釋結(jié)果(如時(shí)間場(chǎng)法、互換時(shí)法等)，也可以根據(jù)地質(zhì)模型自行設(shè)計(jì)。

層析反演對(duì)初始速度模型的依賴較小。如果初始模型給的合適，可以加快反演進(jìn)度，否則，反演的時(shí)間要長(zhǎng)一些。特別對(duì)速度橫向不均勻、速度漸變層，層析法反演的結(jié)果與初始速度模型出入較大。

初次反演后，可根據(jù)反演結(jié)果改變模型層，如果速度層起伏較大，則應(yīng)設(shè)較多的層。各層的初始速度值參照初次反演結(jié)果。層參數(shù)設(shè)定好后，即可設(shè)定迭代次數(shù)(最多不超過(guò)10次)，各參數(shù)設(shè)定好后即可再次反演，直到反演誤差滿足要求為止(小于5 ms)。

3 野外測(cè)線布置

與一般的折射法相比，層析法則要求更多的炮點(diǎn)，特別是速度橫向不均勻變化的地方，應(yīng)加密炮點(diǎn)。另外應(yīng)測(cè)量每一個(gè)檢波點(diǎn)和炮點(diǎn)的高程和平面坐標(biāo)，這樣才能使反演更精確，否則反演的擬合誤差有可能較大，不能滿足勘探要求。一般說(shuō)來(lái)，24道排列應(yīng)有5～8炮(本次勘察所用炮數(shù)為7炮)。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

工區(qū)位于內(nèi)蒙古赤峰地區(qū)，隧道地處燕山余脈與陰山的交匯地帶，是內(nèi)蒙古高原向松遼平原的過(guò)渡地段，地貌屬剝蝕中低山區(qū)，是大青山的東緣地區(qū)。地表大部覆蓋新黃土，植被稀疏，僅個(gè)別溝谷中有人工林發(fā)育。隧道所經(jīng)山脈海拔高程一般在1 106～1 163m之間，最高點(diǎn)(里程為DK467+160.0)海拔高程1 163m，隧道最大埋深68m。隧道范圍穿越地層較單一，地表覆蓋為第四系上更新統(tǒng)坡洪積(Q3dl+pl)新黃土;洞身范圍經(jīng)過(guò)的地層為二疊系中統(tǒng)(P2)砂巖。

測(cè)試采用Geomitrics公司NZ24道地震儀，24道接收，道間距10m;每排列布設(shè)7個(gè)炮點(diǎn)，炮點(diǎn)沿線位貫通。同時(shí)該工區(qū)還采用人工源大地電磁法勘察。

圖1是隧道傳統(tǒng)地震折射表層剝?nèi)シń忉尦晒?，可以看出，DK467+250～DK467+280里程段洞身處圍巖縱波速度為2.5 km/s，推斷該處存在斷層(F1)。

圖1 傳統(tǒng)地震折射表層剝?nèi)シń忉尦晒?/p>

由于圖1中F1的推斷所依靠的是縱波速度的橫向急劇下降，然而表層剝?nèi)シń忉屵^(guò)程中，得到此低速的檢波點(diǎn)只有3個(gè)點(diǎn)，勉強(qiáng)可以得到這個(gè)速度。同時(shí)該速度可能是手工解釋過(guò)程中的誤差所致，該速度的真實(shí)性需要其他地球物理方法的驗(yàn)證方能證明。這也是傳統(tǒng)地震折射解釋方法(表層剝?nèi)シ?、T0法等)的缺陷之一，在精度上存在較大誤差。

因此，我們嘗試用層析成像法解釋該隧道折射數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖2)。

圖2 地震折射層析成像法解釋成果

對(duì)比圖1及圖2中可以看出，總體上兩種方法解釋的測(cè)區(qū)縱波分布呈現(xiàn)一致性，這也側(cè)面驗(yàn)證了層析成像法的準(zhǔn)確性。于此同時(shí)，在細(xì)部刻畫(huà)及深部反應(yīng)中，層析成像法大大優(yōu)于傳統(tǒng)解釋方法。

根據(jù)等值線的分布，圖2中可以清晰看出波速的分布情況，DK467+260～DK467+340里程段存在橫向低速異常，推斷該處存在斷層(F1)。即圖1中勉強(qiáng)推斷的斷層F1在層析成像圖中可以清晰得出結(jié)論。

同時(shí)，圖1中的解釋成果缺乏深部信息，這點(diǎn)在圖2中也有了明顯改觀。等值線的走勢(shì)可以清楚判識(shí)地層深部波速分布情況，為深部地層的地質(zhì)解釋提供了新的地球物理依據(jù)。

圖3給出了該區(qū)段人工源大地電磁解釋成果，圖中的電阻率等值線分布與圖2的縱波速度等值線存在總體一致性，圖2中推斷斷層的位置，圖3中該處同樣存在橫向電阻率的高低阻分界，間接證明了地震折射層析成像法的精確可靠。

圖3 人工源大地電磁法(GDP－32解釋成果)

5 結(jié)束語(yǔ)

折射層析成像法對(duì)于圍巖波速的細(xì)致分層，能夠?yàn)樗淼涝O(shè)計(jì)提供更為直接的幫助。尤其對(duì)速度橫向不均勻、速度界面起伏較大或速度漸變層等情況，該方法都有較好的解釋效果。與傳統(tǒng)解釋方法相比，該方法能夠得到更為細(xì)致的波速分布情況及斷層構(gòu)造。

本次隧道勘察中采用了地震折射層析法并結(jié)合其他物探技術(shù)，相互佐證，綜合分析后，對(duì)成果進(jìn)行綜合解譯，準(zhǔn)確反映了隧道的地質(zhì)情況，是一次成功的工程地質(zhì)勘察。

應(yīng)注意的是，折射層析成像法在野外布置上需更多的炮點(diǎn)，特別是在速度變化或地形變化較大的地方應(yīng)加密炮點(diǎn)。另外，應(yīng)對(duì)檢波點(diǎn)和炮點(diǎn)位置及地面高程進(jìn)行測(cè)量，才能取得高質(zhì)量的成果。

［1］韓永琦，李來(lái)喜，昌彥君．地震折射層析法在隧道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試中的應(yīng)用［J］．工程地球物理學(xué)報(bào)，2004，1(5):412-417．

［2］張?jiān)泼?，顧漢明，師學(xué)明．基于MORSER曲射線追蹤的SIRT聲波層析成像［J］．工程地球物理學(xué)報(bào)，2004，2(3):167-176

［3］Nakanishi I，Yamaguchi K．A numerical experiment on nonlinear image reconstruction from first－arrival times for two-dimensional island arc structure［J］．J．Phys．Earth，1986，34(2):195-201

［4］Moser T J．Shortest path calculation of seismic rays［J］．Geophysics，1991，56(1):59-67

［5］Cao S，Greenhalgh S．Calculation of the seismic firstbreak time field and its ray path distribution using a minimum travel-time tree algorithm［J］．Geophys．J．int，1993，114(3):593-600

［6］劉洪，孟凡林，李幼銘．計(jì)算最小走時(shí)和射線路徑的界面網(wǎng)全局方法［J］．地球物理學(xué)報(bào)，1995，38(6):823-832