CN103616714A - 瑞利面波探测地下空洞边界方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种瑞利面波探测地下空洞边界方法，属于空洞边界定位技术领域。该方法包括以下步骤：(1)野外地震面波散射数据采集：野外地震面波散射数据采集和普通反射地震勘探数据采集流程采集相同；(2)数据预处理；(3)采用广义S变换时频分析方法提取散射面波到时：对步骤(2)中得到的面波散射波记录，选取几道进行广义S变换，从时频图上拾取地震面波散射记录的到时；(4)计算空洞边界位置。本发明可以探测地下空洞的位置，为城市基础选址做指导，避免不必要的危害。相比较于其他地球物理方法，本发明可以定量探测地下空洞，提高探测的精度。本发明可以应用于地下空洞的实时探测，节省人力物力和花费的时间，缩短作业工期。

Description

瑞利面波探测地下空洞边界方法

技术领域

本发明涉及一种瑞利面波探测地下空洞边界方法，属于空洞边界定位技术领域。

背景技术

天然形成或人工挖凿形成的地下空洞，对城市基础建设具有潜在巨大隐患。地震勘探以其高分辨率特点在空洞探测中相较于其他地球物理方法具有显著优势，其中瑞利面波勘探技术已经成为该方面的研究热点，比如MASW、ReMi、AARW和Spiking FileterAnalysis在空洞、地下管道探测中的应用，究其原因是因为瑞利面波在近地表的能量要远大于其他弹性波。近地表存在不均匀体时，沿近地表传播的瑞利面波会发生散射现象，散射的强度取决于不均匀体与周围介质的物性差异。当地下存在空洞时，空洞和四周介质的接触面是自由边界，产生的散射波达到最强，当空洞为规则形状，比如下水道或天然气管道的衬砌，瑞雷面波在衬砌的边界的顶角处产生散射瑞利面波和体波。

广义S变换时频分析方法是非平稳信号分析的有效方法，可以在频率域和时间域对非平稳信号进行分析，该方法相较于其他时频分析方法，能够提供较高的时间和频率分辨率以达到识别微弱信号的目的，可以用于探测由地下不均匀体引起的面波散射波的到时，当地下空洞规则时，可以用于探测由空洞前后角点处引起的散射面波的分别到时。

在地下空洞探测方法研究中，将瑞利面波技术和时频分析方法相结合，可以在相当高的精度下探测浅层地下空洞的位置，且该方法简单易行，可以发展为一种实时现场探测方法。

发明内容

本发明的目的在于克服在探测地下空洞位置的方法中，其他地球物理方法存在许多局限性或者不适用于实时探测的缺陷，通过将瑞利面波技术和广义S变换技术相结合，提供一种瑞利面波探测地下空洞边界方法，以便达到快速实时探测地下空洞的目的。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种瑞利面波探测地下空洞边界方法，具体包括以下步骤：

(1)野外地震面波散射数据采集：野外地震面波散射数据采集和普通反射地震勘探数据采集流程采集相同，当地下存在空洞时，弹性波和空洞发生作用，导致由体波到面波的转换以及由面波到体波的转换，散射面波在所有的散射转换波中的能量是最强的，这为采用广义S变换时频分析方法提取散射面波的到时提供了条件。

(2)数据预处理：对野外采集的单炮数据进行预处理工作，步骤如下：

(2a)去除随机噪声的影响，提高地震的信噪比；

(2b)根据单炮地震记录上的面波同相轴的时距关系求取面波的波速；

(2c)通过广义S变换时频分析方法计算某道数据直达面波的到时，然后将该时间减去该道偏移距与面波速度之商，即可得到震源峰值延迟时间；

(2d)通过FK滤波去除直达面波，以增强散射面波的相对强度。

(3)采用广义S变换时频分析方法提取散射面波到时：对步骤(2)中得到的面波散射波记录，选取几道进行广义S变换，从时频图上拾取地震面波散射记录的到时。如果探测的空洞为一规则形状，则可以通过广义S变换拾取到来自空洞近震源边界和远震源边界的散射面波记录的到时。如果探测的空洞为不规则形状，则只能拾取到空洞作为一个散射点的散射面波到时。

(4)计算空洞边界位置：d1和d2分别为待求的空洞近震源边界和远震源边界距震源的距离，x为某点检波器距震源的距离，h为空洞顶层的埋深。在h＜＜(d-x)的情况下，有：

$d=\frac{(t-\mathrm{tdelay})v+x}{2}---\left(1\right)$

其中v为面波速度，d为待求的空洞距震源的距离，t为广义S变换时频分析方法提取到的散射面波的到时，tdelay为步骤(2c)中提取得到的震源峰值延迟时间。若空洞形状规则，则根据步骤(3)中拾取的分别来自近震源边界和远震源边界的散射面波的到时计算边界到震源的距离，达到探测空洞的目的。

该发明的有益效果在于：本发明技术产生的明显效果有：一是可以探测地下空洞的位置，为城市基础选址做指导，避免不必要的危害；二是相较于其他地球物理方法，本发明可以定量的探测地下空洞，提高探测的精度；三是可以应用于地下空洞的实时探测，节省人力物力和花费的时间，缩短作业工期。

附图说明

图1是本发明实施例中探测空洞流程图。

图2是本发明实施例中单炮数据垂直分量图。

图3是本发明实施例中去除直达面波及首波之后的面波散射记录图。

图4是本发明实施例中距离震源10m处单道记录时频图。

图5是本发明实施例中观测系统图。

图6是本发明实施例中数值模拟得到的单炮数据垂直分量图。

图7是本发明实施例中距震源14m处检波器直达面波时频图。

图8是本发明实施例中去除直达面波及首波之后的面波散射记录图。

图9是本发明实施例中距离震源14m处散射瑞利面波单道记录时频图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

实施例

瑞利面波探测地下空洞边界方法，其野外数据采集及数据处理流程如图1所示，具体步骤如下：

(1)野外地震面波散射数据采集：野外地震面波散射数据采集和普通反射地震勘探数据采集流程采集相同。图2为数值模拟的单炮数据，最小偏移距为5m。从图中可以看出当地下存在空洞时，弹性波和空洞发生作用，导致由体波到面波的转换以及由面波到体波的转换，但是散射面波在所有的散射转换波中的能量是最强的，这为采用广义S变换时频分析方法提取散射面波的到时提供了条件。

(2)数据预处理：对野外采集的单炮数据进行预处理工作，其步骤如下：

(2a)去除随机噪声的影响，提高地震的信噪比。

(2b)根据单炮地震记录上的面波同相轴的时距关系求取面波的波速。

(2c)通过广义S变换时频分析方法计算某道数据直达面波的到时，然后将该时间减去该道偏移距与面波速度之商，即可得到震源峰值延迟时间。

(2d)通过FK滤波去除直达面波，以增强散射面波的相对强度。图3为经FK滤波去除了直达面波和首波之后的地震记录，由于散射面波的传播速度和直达面波的传播速度相同，所以在用FK滤波去除直达面波的过程中，也将视速度为正的散射面波去除了，但这并不影响利用本发明实施例方法探测空洞的位置。

(3)广义S变换时频分析方法提取散射面波到时：对步骤(2)中得到的面波散射波记录，选取几道进行广义S变换，从时频图上拾取地震面波散射记录的到时。如图4所示，选取距震源10m处检波器记录的地震波，对其进行广义S变换，从图中可以拾取两个峰值即为规则空洞近震源和远震源边界散射面波的到时。如果探测的空洞为一规则形状，则可以通过广义S变换拾取到来自空洞近震源边界和远震源边界的散射面波记录的到时。如果探测的空洞为不规则形状，则只能拾取到空洞作为一个散射点的散射面波到时。

(4)计算空洞边界位置：如图5所示，圆点代表震源激发点位置，d1和d2分别为待求的空洞近震源边界和远震源边界距震源的距离，x为某点检波器距震源的距离，h为空洞顶层的埋深。在h＜＜(d-x)的情况下，有：

$d=\frac{(t-\mathrm{tdelay})v+x}{2}---\left(1\right)$

其中v为面波速度，d为待求的空洞距震源的距离，t为广义S变换时频分析方法提取到的散射面波到时。tdelay为步骤(2c)中提取得到的震源峰值延迟时间。若空洞形状规则，则可根据步骤(3)中拾取的分别来自近震源边界和远震源边界的散射面波的到时计算边界到震源的距离，达到探测空洞的目的。

针对上述过程方法，进一步采用数值模拟试验进行验证：

(1)图6为数值模拟得到的瑞利面波在地下空洞存在情况下传播时，地表检波器记录到的地震记录垂直分量。震源为0.04s峰值延迟的30Hz雷克子波，空洞周围介质的纵波、横波以及介质密度分别为1000m/s、200m/s、2000kg/m³，空洞宽2m，高2m，洞顶埋深2m，近震源边界距震源40m，远震源边界距震源42m。通过直达瑞利面波提取到的同相轴的到时，可计算得到瑞利面波波速为189.9696m/s，这和理论结果190.1972m/s.几乎一致。图7为距震源14m处检波器直达面波时频图。距震源14m处检波器直达面波到时为0.1140s，则震源延迟：0.1140-14/190＝0.0403，这和理论震源峰值延迟也几乎相等。

(2)通过FK滤波去除直达面波，以得到散射瑞利面波：

(3)通过广义S变换拾取来自左右边界的到时，近震源边界的到时为0.3835s，远震源边界的到时为0.4155s。

(4)计算空洞边界：

近震源边界位置d1＝((0.3835-0.0403)*190+14)/2＝39.63m；

远震源边界位置d2＝((0.4155-0.0403)*190+14)/2＝42.664m；

通过计算结果和理论结果对比，可验证本发明的正确性和实用性。从探测空洞的过程可验证本发明的方便快捷优点，可以应用于空洞的实时探测。

进一步地，在不同参数组合下(空洞尺寸及埋深)采用上述方法进行计算验证，具体结果如表1所示。结果显示，充分验证了本发明探测空洞边界方法的有效性和正确性。

表1不同参数情况下空洞左右边界探测效果验证数据

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种瑞利面波探测地下空洞边界方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)野外地震面波散射数据采集：野外地震面波散射数据采集和普通反射地震勘探数据采集流程采集相同，当地下存在空洞时，弹性波和空洞发生作用，导致由体波到面波的转换以及由面波到体波的转换，散射面波在所有的散射转换波中的能量是最强的，这为采用广义S变换时频分析方法提取散射面波的到时提供了条件；

(2)数据预处理：对野外采集的单炮数据进行数据预处理，具体步骤如下：

(2a)去除随机噪声的影响，提高地震的信噪比；

(2b)根据单炮地震记录上的面波同相轴的时距关系求取面波的波速；

(2c)通过广义S变换时频分析方法计算某道数据直达面波的到时，然后将该时间减去该道偏移距与面波速度之商，即可得到震源峰值延迟时间；

(2d)通过FK滤波去除直达面波，以增强散射面波的相对强度；

(3)采用广义S变换时频分析方法提取散射面波到时：对步骤(2)中得到的面波散射波记录，选取几道进行广义S变换，从时频图上拾取地震面波散射记录的到时；如果探测的空洞为一规则形状，则可以通过广义S变换拾取到来自空洞近震源边界和远震源边界的散射面波记录的到时；如果探测的空洞为不规则形状，则只能拾取到空洞作为一个散射点的散射面波到时；

(4)计算空洞边界位置：d1和d2分别为待求的空洞近震源边界和远震源边界距震源的距离，x为某点检波器距震源的距离，h为空洞顶层的埋深；在h＜＜(d-x)的情况下，有：

$d=\frac{(t-\mathrm{tdelay})v+x}{2}---\left(1\right)$

其中：v为面波速度，d为待求的空洞距震源的距离，t为广义S变换时频分析方法提取到的散射面波的到时，tdelay为步骤(2c)中提取得到的震源峰值延迟时间；若空洞形状规则，则根据步骤(3)中拾取的分别来自近震源边界和远震源边界的散射面波的到时计算边界到震源的距离，达到探测空洞的目的。

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