CN104360390B - 基于cmpcc二维面波的吸收散射综合分析法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地球物理检测和勘察领域，具体涉及基于CMPCC二维面波的吸收散射综合分析法。该方法包括CMPCC方法数据处理与分析步骤1与步骤2，其特征在于：对步骤2下的频散曲线文件进行数据格式转换，并对转换后的数据进行频率或深度域的相速度和吸收散射系数成图，依据瑞雷面波理论，对这两个物理参数的异常进行分析解释，本发明在保留CMPCC横向分辨率高的基础上，明显提高了纵向分辨率，且可较好地确定异常性质，并进行分析解释。本发明用于多个检测项目的实践证明本发明效果显著，在0～20米深度范围内，对薄层分辩、道路塌陷及性质、湿陷性黄土圈定、空洞及岩溶探查、管线调查等应用效果良好，是目前城市道路病害最有效的探查方法。
Description
技术领域
本发明属于地球物理检测和勘察领域，涉及共中心点互相关道集（CMPCC）二维面波的数据处理和分析解释方法，具体涉及基于CMPCC二维面波的吸收散射综合分析法。
背景技术
单点多道瞬态面波（Multi-channel Analysis of Surface-Wave，简称MASW）方法是Park et al（1999a）首先提出的。在生产中，为了提高低频段相速度的精度，可以扩展排列长度（增加道数），但这将降低测点的横向分辨率。相速度的精度与横向分辨率是一对矛盾。为此，日本Hayashi和Koichi于2004年首先提出了共中心点互相关道集（Common MidPoint Cross Correlation，简称CMPCC）方法。
在工作布置和数据采集上，按CMPCC方法要求进行。CMPCC方法的数据处理与分析步骤如下：
1. 按CMPCC方法要求对数据进行编排，并形成CMP道集；
2. 对所有CMP道集拾取频散曲线及其质量系数，并形成文件；
3. 对频散曲线文件，在一维模型下进行一维反演，并形成二维深度-横波速度断面图；
4. 在二维深度-横波速度断面图下进行分析解释。
本方法的最大优点是提高了横向分辨率，压制了随机干扰，提高了可靠性，详细内容参考《Development of Surface-wave Methods and Its Application to SiteInvestigations》，Kyoto University Research Information Repository，Issue Date：2008-03-24，Http://hdl.handle.net/2433/57255。
在大量的实验分析总结下，我公司韩永琦发现上述方法的最大缺陷是步骤3、4。在地下结构复杂的情况下，对反映地下复杂结构的频散曲线进行一维反演，将损失大量的地下信息，还可能畸变地下异常，造成分辨率下降和错误解释。
发明内容
本发明目的是提供一种基于CMPCC二维面波的吸收散射综合分析法，应用该方法能够提高CMPCC二维面波的分辨率和解释可靠性。
实现本发明目的的技术方案如下：一种基于CMPCC二维面波的吸收散射综合分析法，包括CMPCC方法数据处理与分析步骤1与步骤2，其特征在于：对步骤2下的频散曲线文件进行数据格式转换，并对转换后的数据进行频率或深度域的相速度和吸收散射系数成图，依据瑞雷面波理论，对这两个物理参数的异常进行分析解释，具体步骤如下：
（1）、按CMPCC方法要求对数据进行排列位置编辑，并形成CMP道集；
（2）、对所有CMP道集拾取频散曲线及其质量系数，并形成文件；
（3）、数据格式转换；对频散曲线文件进行数据格式转换，产生美国Golden公司下Surfer软件可以读取的数据文件；数据格式转换程序中，将CMP道集位置转换为文件的第1列，频率自高往低转化为第2列，每个频率对应的相速度及其质量系数转化为第3、4列即Z1、Z2坐标，将加权平均相速度和频率转化的视深度作为第5列，将均方根相速度和频率转化的视深度作为第6列；在频率与视深度的转换中，采用加权平均相速度和均方根相速度这两种速度分别作为转换速度，然后计算半波长作为视深度；加权平均相速度按式（1）计算、均方根相速度按式（2）计算、视深度按式（3）计算：
（4）、制作分析解释图件；在美国Golden公司的Surfer软件下，形成频率-相速度拟断面图和频率-吸收散射系数拟断面图；或形成视深度-相速度拟断面图和视深度-吸收散射系数拟断面图；频率-相速度拟断面图和频率-吸收散射系数拟断面图一般适合于15HZ、７米以内的分析解释；视深度-相速度拟断面图和视深度-吸收散射系数拟断面图则适合于15HZ、７米以下的分析解释；
（5）、分析解释；在瑞雷面波理论的基础上进行分析解释，涉及到瑞雷波的传播、相速度、散射、吸收、衰减和干涉；在检测场地周围地面调查的基础上，综合相速度和吸收散射系数进行分析解释。
本发明提供的吸收散射综合分析法是在现有CMPCC方法基础上的创新，数据处理与分析处理步骤1与步骤2按照现有CMPCC方法，而后进行CMPCC二维面波频散曲线的数据格式转换、分析解释图件和分析解释方法。本发明的突出创新点在于：步骤4涉及的频率-相速度拟断面图、频率-吸收散射系数拟断面图、视深度-相速度拟断面图与视深度-吸收散射系数拟断面图，这四种参数图在国际上前所未有，是申请人首次独创的；步骤5中将频散曲线的质量系数赋予新的物理意义，作为瑞雷面波在传播过程中介质的吸收散射系数是申请人首次独创的分析参数。本发明提供的吸收散射综合分析法在保留CMPCC横向分辨率高的基础上，明显提高了纵向分辨率，且可较好地确定异常性质，并进行分析解释。
本发明用于多个检测项目的实践证明本发明效果显著，在0～20米深度范围内，对薄层分辩、道路塌陷及性质、湿陷性黄土圈定、空洞及岩溶探查、管线调查等应用效果良好，是目前城市道路病害最有效的探查方法。
附图说明
图1是CMPCC二维面波频率－相速度拟断面图，
图2是CMPCC二维面波频率－吸收散射系数拟断面图，
图3 是CMPCC二维面波视深度－相速度拟断面图，
图4是CMPCC二维面波视深度－吸收散射系数拟断面图。
具体实施方式
实施例1，本实施例是某铁路K263+040～087段路基左肩的检测实例。因路基塌陷，需要查清塌陷原因，确定整治方案。工作布置：48道排列，道间距1米，炮间距1米，最大偏移距5.5米，共55炮记录，按CMPCC要求进行数据采集。数据处理与分析步骤如下：
（1）、按CMPCC方法要求对数据进行排列位置编辑，并形成CMP道集；
（2）、对所有CMP道集拾取频散曲线及其质量系数，并形成文件；
（3）、数据格式转换；对频散曲线文件进行数据格式转换，产生美国Golden公司下Surfer软件可以读取的数据文件；数据格式转换程序中，将CMP道集位置转换为文件的第1列，频率自高往低转化为第2列，每个频率对应的相速度及其质量系数转化为第3、4列即Z1、Z2坐标，将加权平均相速度和频率转化的视深度作为第5列，将均方根相速度和频率转化的视深度作为第６列；在频率与视深度的转换中，采用加权平均相速度和均方根相速度这两种速度分别作为转换速度，然后计算半波长作为视深度；加权平均相速度按式（1）计算、均方根相速度按式（2）计算、视深度按式（3）计算：
（4）、制作分析解释图件；在美国Golden公司的Surfer软件下，形成频率-相速度拟断面图和频率-吸收散射系数拟断面图；频率-相速度拟断面图和频率-吸收散射系数拟断面图一般适合于15HZ、７米以内的分析解释；视深度-相速度拟断面图和视深度-吸收散射系数拟断面图则适合于15HZ、７米以下的分析解释；
（5）、分析解释；分析解释是在瑞雷面波理论的基础上进行的，涉及到瑞雷波的传播、相速度、散射、吸收、衰减和干涉；在检测场地周围地面调查的基础上，综合相速度和吸收散射系数进行分析解释。具体分析如下：
从图2提供的频率-吸收散射系数拟断面图反映：在K263+048～080段，26HZ以上存在明显异常；而图1提供的频率-相速度拟断面图表明相速度较低，小于150米/秒，说明路基填筑物较软，饱水，吸收明显，为饱水湿馅型沉降。
050～068段，10～18HZ间存在不均匀吸收散射异常，与相速度高低相间速度异常相对应。推测本段存在施工中未发现窑洞的可能，建议钻孔验证，进行注浆处理。深度估计5～9米，范围050～068段。
75～078段存在垂直条带状吸收散射系数异常，推测本段存在饱水湿馅型沉降。建议换阻水填料压实处理。
验证情况：本段检测确认路基下存在空洞，派人员昼夜看守，组织整治过程中K263+060段发生了塌陷，钻孔验证空洞深度8.4米，与CMPCC二维面波方法探测的路基空洞吻合。
实施例２，本实施例是岩溶勘察示例，目的是与井间地震CT结果进行对比。工作布置：48道排列，道间距1米，炮间距1米，最大偏移距1.5米，共51炮记录，按CMPCC要求进行数据采集。数据处理与分析步骤如下：
（1）、按CMPCC方法要求对数据进行排列位置编辑，并形成CMP道集；
（2）、对所有CMP道集拾取频散曲线及其质量系数，并形成文件；
（3）、数据格式转换；对频散曲线文件进行数据格式转换，产生美国Golden公司下Surfer软件可以读取的数据文件；数据格式转换程序中，将CMP道集位置转换为文件的第1列，频率自高往低转化为第2列，每个频率对应的相速度及其质量系数转化为第3、4列即Z1、Z2坐标，将加权平均相速度和频率转化的视深度作为第5列，将均方根相速度和频率转化的视深度作为第６列；在频率与视深度的转换中，采用加权平均相速度和均方根相速度这两种速度分别作为转换速度，然后计算半波长作为视深度；加权平均相速度按式（1）计算、均方根相速度按式（2）计算、视深度按式（3）计算：
（4）、制作分析解释图件；在美国Golden公司的Surfer软件下，形成视深度-相速度拟断面图和视深度-吸收散射系数拟断面图；视深度-相速度拟断面图和视深度-吸收散射系数拟断面图适合于15HZ、７米以下的分析解释；
（5）、分析解释；分析解释是在瑞雷面波理论的基础上进行的，涉及到瑞雷波的传播、相速度、散射、吸收、衰减和干涉；在检测场地周围地面调查的基础上，综合相速度和吸收散射系数进行分析解释。具体分析如下：
从图3提供的视深度-相速度拟断面图反映：视深度4至8米间存在不规则低速区，是岩溶发育的主要区域；在图4提供的视深度-吸收散射系数拟断面图上，在同样的深度区域异常清楚。验证情况：钻孔与地震CT资料显示，岩溶在此段发育，但本结果分辨率更高。
Claims (1)
1.一种基于CMPCC二维面波的吸收散射综合分析法，包括CMPCC方法数据处理与分析步骤（1）与步骤（2），其特征在于：对步骤（2）下的频散曲线文件进行数据格式转换，并对转换后的数据进行频率或深度域的相速度和吸收散射系数成图，依据瑞雷面波理论，对这两个物理参数的异常进行分析解释，具体步骤如下：
（1）、按CMPCC方法要求对数据进行排列位置编辑，并形成CMP道集；
（2）、对所有CMP道集拾取频散曲线及其质量系数，并形成文件；
（3）、数据格式转换：对频散曲线文件进行数据格式转换，产生美国Golden公司下Surfer软件可以读取的数据文件；数据格式转换程序中，将CMP道集位置转换为文件的第1列，频率自高往低转化为第2列，每个频率对应的相速度及其质量系数转化为第3、4列即Z1、Z2坐标，将加权平均相速度和频率转化的视深度作为第5列，将均方根相速度和频率转化的视深度作为第6列；在频率与视深度的转换中，采用加权平均相速度和均方根相速度这两种速度分别作为转换速度，然后计算半波长作为视深度；加权平均相速度按式（1）计算、均方根相速度按式（2）计算、视深度按式（3）计算：
式（1）
式（2）
式（3）
式中，为第j个频散点的加权平均相速度，为第j个频散点的均方根相速度，j则从最高频率至最低频率，、为第i个频散点的相速度和频率，则是频散曲线的最高频率，为转换的视深度；当式（3）中用代换，则是均方根相速度转换的视深度；
（4）、制作分析解释图件：在美国Golden公司的Surfer软件下，形成频率-相速度拟断面图和频率-吸收散射系数拟断面图；或形成视深度-相速度拟断面图和视深度-吸收散射系数拟断面图；频率-相速度拟断面图和频率-吸收散射系数拟断面图一般适合于15HZ、7米以内的分析解释；视深度-相速度拟断面图和视深度-吸收散射系数拟断面图则适合于15HZ、7米以下的分析解释；
（5）、分析解释：在瑞雷面波理论的基础上进行分析解释，涉及到瑞雷波的传播、相速度、散射、吸收、衰减和干涉；在检测场地周围地面调查的基础上，综合相速度和吸收散射系数进行分析解释。
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