地震折射層析成像在覆蓋層厚度探測(cè)中的應(yīng)用研究

摘 要：目前主要利用反射波法和折射波法來確定覆蓋層厚度，折射波法初至容易識(shí)別，資料解釋較容易，但是傳統(tǒng)折射解釋方法卻有著許多限制，對(duì)于速度橫向不均勻、下覆地層起伏變化較大或速度漸變、存在透射地形地質(zhì)情況，傳統(tǒng)折射解釋方法一般都不能給出較好的結(jié)果。地震折射層析成像有效地克服了一般折射解釋方法的這些缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：折射層析成像；折射波法；初至；覆蓋層厚度

引言

折射層析成像是基于對(duì)初至波進(jìn)行射線追蹤反演，構(gòu)建相應(yīng)的速度層析成像圖，由此確定地質(zhì)體中速度異常。與傳統(tǒng)的折射波法相比，折射層析成像最大的優(yōu)點(diǎn)是在縱向梯度變化的速度層、強(qiáng)烈的水平速度變化地層、大傾角地層、隱伏層和任意地形起伏下，都可以通過折射波初至獲取復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu)，給出較好的反演結(jié)果。

1 折射層析成像基本原理

折射層析成像法是通過對(duì)初至波進(jìn)行射線追蹤反演，構(gòu)建相應(yīng)的速度層析成像圖，由此可以確定地質(zhì)體中速度異常體的大小、位置、物性等參數(shù)。

（1）初至拾取。在地震記錄中實(shí)際觀測(cè)到的初至包含直達(dá)波、回折波、折射波或三者組合的初至波，主要在近地表層進(jìn)行傳播，一般能量較強(qiáng)，便于識(shí)別，且可追蹤性好，其走時(shí)包含了近地表層介質(zhì)的速度信息。初至的正確拾取是折射層析反演工作的關(guān)鍵，起跳點(diǎn)的識(shí)別是初至拾取的難點(diǎn)所在，關(guān)系著反演結(jié)果的可靠性。圖1左側(cè)窗口為初至拾取窗口，右側(cè)窗口為走時(shí)曲線顯示窗口，紅色為根據(jù)地震記錄拾取初至后的時(shí)距曲線，綠色為根據(jù)觀測(cè)系統(tǒng)某次正演計(jì)算得到的時(shí)距曲線，兩曲線通過不斷正演，反演計(jì)算后，達(dá)到一定誤差精度要求后便構(gòu)建出相應(yīng)的速度層析成像圖。

（2）速度模型的建立。層析反演過程中，初始模型的選取至關(guān)重要，初始模型與實(shí)際結(jié)果越接近，層析反演計(jì)算速度越快，效果越好。過于簡(jiǎn)化的模型可能使結(jié)構(gòu)中有意義的信息被忽略，復(fù)雜的模型可能使反演的不確定性增強(qiáng)，同時(shí)可能引入虛假信息。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，初始模型應(yīng)該根據(jù)測(cè)井資料或速度譜等資料來確定。實(shí)際反演過程中，可能先驗(yàn)信息不足，給定與實(shí)際結(jié)果相近的初始速度模型難度較大，一般是通過給定常速初始模型進(jìn)行反演計(jì)算。層析反演過程中，需對(duì)速度加以約束限制，速度約束值范圍越接近實(shí)際速度的變化范圍，計(jì)算速度越快反演效果越好。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，應(yīng)該根據(jù)測(cè)井資料以及速度譜等資料來確定速度約束值。

（3）射線追蹤正演。本次使用Geogiga公司的折射層析成像模塊進(jìn)行處理，方法的關(guān)鍵是對(duì)模型進(jìn)行射線追蹤，程序中使用的射線追蹤方法基于惠更斯和費(fèi)馬原理，聯(lián)合使用最短路徑法和彎曲射線法，首先用最短路徑法尋找全局最短路徑，然后再用彎曲射線法尋找局部最優(yōu)，該方法運(yùn)算速度較快且準(zhǔn)確性高。

（4）迭代反演。折射層析成像的實(shí)質(zhì)是反演，即根據(jù)初至?xí)r間推斷地下速度結(jié)構(gòu)。從反演角度講，網(wǎng)格剖分較大時(shí)每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)通過的射線越多，越利于反演，但從正演角度講，網(wǎng)格剖分過大則會(huì)降低正演精度，從而直接影響反演的精度。實(shí)際計(jì)算時(shí)，網(wǎng)格剖分要同時(shí)兼具兩者才能取得更好的反演效果。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

某水電站左、右岸江面以上均分布Ⅱ級(jí)階地，河床總體上河谷相對(duì)開闊，呈基本對(duì)稱的“V”字型峽谷，為斜向河谷，下伏基巖為玄武巖、杏仁狀玄武巖、花崗閃長(zhǎng)巖等，巖性復(fù)雜。

折射層析成像法主要用于探測(cè)覆蓋層厚度和壩址巖體的波速分層情況，文章以下壩址Z11剖面來進(jìn)行舉例說明。圖2 為Z11測(cè)線示意圖。

2.2 外業(yè)工作方法

此次外業(yè)數(shù)據(jù)采集使用美國(guó)SI公司的S-Land全數(shù)字化地震勘探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，單個(gè)采集站控制36個(gè)接收道，28Hz數(shù)字化檢波器。外業(yè)數(shù)據(jù)采集使用夯錘作為震源，每個(gè)記錄進(jìn)行多次疊加，確保每一個(gè)檢波道的初至清晰。為提高解釋精度，采用縱測(cè)線觀測(cè)系統(tǒng)，并用13個(gè)以上不同炮檢距激發(fā)，保證目的層有足夠射線。

2.3 折射層析資料處理

基于上章節(jié)所述的原理與處理流程，在取得有效折射波地震資料后，對(duì)折射波地震記錄進(jìn)行了初至拾取，速度模型建立時(shí)底層速度是根據(jù)聲波測(cè)井實(shí)測(cè)數(shù)值取值，測(cè)區(qū)玄武巖的新鮮完整巖塊的波速取值5.8km/s，變質(zhì)砂巖及泥巖的新鮮完整巖塊波速取值4.5km/s。表層速度取1.0km/s左右，速度模型最大深度設(shè)置為100m～120m。迭代反演網(wǎng)格設(shè)置為道間隔距一半（即2.5m×1.5m），初至提取誤差設(shè)置為0.5ms，最大反演次數(shù)設(shè)置為12次，有效的將反演單炮擬合誤差控制在5ms以下。圖3為處理流程的示意圖。

2.4 折射層析成果分析

Z11剖面表層主要由沙土、碎石、卵石、礫石、塊石組成，下伏基巖為砂泥巖。長(zhǎng)度555米，兩個(gè)排列共激發(fā)42炮，最遠(yuǎn)偏移距離為102.5米。由折射層析反演速度剖面推測(cè)覆蓋層、全風(fēng)化層速度0.75km/s～1.9km/s，厚度24.5m～34.6m；強(qiáng)風(fēng)化速度1.9km/s～2.7km/s，厚度9.5m～34.6m；弱風(fēng)化上段速度2.7km/s～3.55km/s，厚度24.7m～45.6m；深度78.1m以下為弱風(fēng)化下段，速度大于3.55km/s，解釋結(jié)果與鉆孔資料較吻合。

3 結(jié)束語

影響折射層析反演結(jié)果的因素主要有觀測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)質(zhì)量、正反演算法、目標(biāo)區(qū)域的形態(tài)及性質(zhì)等方面，合理的觀測(cè)系統(tǒng)可以獲得研究區(qū)域較密集的射線覆蓋，為最終的成像打下良好的基礎(chǔ)。正反演算法直接關(guān)系到地震層析成像的速度和精度，網(wǎng)格劃分、正反演所采用的計(jì)算方法、初始速度模型的選擇等都是其主要的影響因素。目標(biāo)區(qū)域的形態(tài)及性質(zhì)決定射線的聚散程度和分布情況，在參數(shù)選擇時(shí)，應(yīng)盡可能根據(jù)近地表調(diào)查資料得到的某些參數(shù)的精確值，或者從已知地質(zhì)背景知識(shí)得到的某些參數(shù)的取值范圍和模型空間的參數(shù)分布特點(diǎn)，然后建立相應(yīng)的速度模型來進(jìn)行初至的射線追蹤反演。

作者簡(jiǎn)介：付運(yùn)祥（1964，4-），男，籍貫：云南通海，學(xué)歷：本科，研究方向：地球物理。