2021-4-9 | 地质学论文
首先通过扇形观测系统获取钻孔或平硐的首波走时数据(ti),然后通过求解大型矩阵方程来获取两孔之间速度剖面图像,根据速度剖面图像可以直观准确地判断异常体大小分布。层析成像中的反演方法可分为线性方法和非线性方法两种,非线性方法主要有:遗传算法、模拟退火法和神经网络法等。在体波层析成像中,使用线性反演方法的较多,如奇异值分解法(SVD)、共轭梯度法(CG)和最小二乘法(LSQR)等(见图2)。典型的联合迭代图像重建法(SIRT)不利于同一迭代的第j条射线的修改值来计算第j+1条射线的修改值,而是把第k轮迭代中由所有射线得到的修改值保存起来,在本轮对射线迭代结束时求某种平均$f,然后由fk+1=fk+$f对每个象元的慢度作修改,并留作下一轮迭代使用。最小二乘法(LSQR)求解的是ATAx=ATb,具有计算量小的优点,并且能很容易地利用矩阵的稀疏性简化计算,因而适合求解大型稀疏问题。
数值模拟
本文为了比较SIRT算法和LSQR算法求解大型稀疏矩阵方程的能力,建立如图3所示模型进行速度层析成像反演。左边设置4个激发点,右边12个检波点接收。模型背景速度为3000m/s,异常区域速度分别为5000m/s和2000m/s,其反演结果见图4。从图4中分析得出,在SIRT算法中,获得的数据量较少,而未知像素较多,得到的系数矩阵通常是大型的稀疏矩阵,因而方程组都是欠定的,甚至是严重欠定的。所以采用SIRT的反演方法,波速异常区域虽然可以大致反映出来,但与原始模型有一定误差,如右图中较小的速度变大,较大的速度变小,此误差源于SIRT方法的局限性;LSQR的反演方法,具有数值稳定、能充分利用矩阵稀疏性减少计算量等特点,所以采用LSQR法取得了较好的结果,波速异常区域在图4(a)中明显反映出来,与原始模型吻合,且波速误差较小。通过两种算法模型的对比分析得出,LSQR算法在精度、效率和稳定性三个方面都能达到较好的平衡,运用LSQR算法进行层析处理能获得较为满意的图像。
工程实例
1.工区概况及勘探目的
坝址区地层主要出露因民组(Pyt2)和落雪组(Plt2)两组地层,为一套浅变质的碳酸盐岩。坝址发育的地表岩溶类型有:溶缝、溶沟、溶槽、溶洞、溶蚀洼地。本次地震CT探测主要目的是探查坝址区右岸K25岩溶区发育分布情况。岩体中弹性波的传播特征主要取决于岩体的物理力学性质,除本身强度外,在很大程度上受岩体结构面性质及其组合关系的控制。受风化卸荷影响的岩体,其物理力学性质及强度与新鲜基岩存在较大差异,且风化与卸荷程度不同的岩体结构和强度也会不同,这些差异和变化都可以通过CT成像中的波速分布情况来判断。该水电站平硐、钻孔声波测试成果表明,坚硬完整的碳酸盐岩声波速度较高,一般在5000m/s左右,受溶洞的影响,则呈现低波速,一般在3500m/s以下,这种明显的波速差异为平硐地震CT法的应用提供了地球物理前提。
2.工作方法及成果分析
本次地震CT采用一硐发射、另一硐接收的观测方式。具体步骤是观测射线网络;根据射线的疏密程度及成像精度划分规则的成像单元;运用射线追踪理论椭圆约束法;采用的最小二乘法形成被测区域的波速图像;根据图像中的波速分布情况来重建探测区域内岩体空间分布。信号采集器为R24地震仪,以及与之配套的高灵敏地震检波器。激发方式采用炸药震源,采样间隔100us,道间距为310m,主频30kHz检波器接收做全硐观测。图5为右岸850m高程地震CT成果图,测试区域跨PD56、PD58和LPD24平硐,由剖面的波速图像可看到,完整性较好的岩体波速以4000~5000m/s为主,而位于PD58平硐硐深22m左右的上游硐壁附近,存在波速为2000~2250m/s低速异常区(k25)。后通过对此低速异常区进行开挖验证,近似椭圆型岩溶区,其内溶蚀角砾发育、有泥质填充,与周围岩体速度差异大,异常明显。利用硐间层析成像技术,直观划分了岩体速度分布情况,准确的探明了岩溶发育区的空间分布及走向情况。
3.与平硐波速测试对比
图6为PD58平硐内进行的地震波速、单孔声波及跨孔声波的岩体波速测试。从图中可以看出,三种方法得到的岩体波速大致呈相同的趋势,位于PD58平硐硐深20m左右的位置都出现明显速度降低,与地震CT探测成果相吻合。
结语
本文利用硐间层析成像技术,直观准确地判断了岩溶发育区某水电站右岸坝址区岩体质量,探明了喀斯特洞穴的空间分布及走向情况,为水电站坝址设计提供了必要的地球物理参数。层析成像成果与该地区单孔声波及跨孔声波所测的岩体波速相吻合,表明了地震层析成像技术是一种高分辨率探测岩溶发育区的有效手段。(1)CT图像重建与许多因素有关,在反演方法上,进行了模型试算,得出最小二乘正交分解法(LSQR)的效果较联合迭代重建法(SIRT)有一定的提高,LSQR算法在精度、效率和稳定性三个方面都能达到较好的平衡。(2)在岩溶地区的工程勘察中,地震层析成像技术在划分岩体速度分布情况及探查岩溶或者岩体破碎带等方面具有良好的效果,并与地震波CT和单孔声波测试、跨孔声波测试等物探方法吻合较好,表明了地震层析成像技术是一种高分辨率探测岩溶发育区的有效手段。（本文图、公式略）
本文作者：谭显江 付小明 丁亮清 余志奇 刘涛 单位：武汉 长江工程地球物理勘测武汉有限公司 武汉市政工程设计研究院有限责任公司