CN110531414B - 一种高倾角多层界面的反射地震断层精细探测方法 - Google Patents

一种高倾角多层界面的反射地震断层精细探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高倾角多层界面的反射地震断层精细探测方法，将多个检波器和震源点布设在松动圈的范围外，然后分别计算隧道顶板接收的反射波平均振幅和隧道底板接收的反射波平均振幅；选取平均幅值较大的一侧检波器的反射信号并确定有效反射层数；然后利用绕射偏移形成偏移成像；确定第二层地震波速度的范围；选取的不同速度值分别构建不同射线传播路径并进行极化偏移；对不同偏移成像结果的能量叠加确定实际反射界面位置，并根据实际反射界面位置计算当第二层实际地震波传播速度；最后重复上述过程得出隧道界面的多层速度建模。本发明能确定实际不同界面之间传播存在路径的变化以及射线角度的改变情况，从而能有效提高探测断层位置的精确度。

Description

一种高倾角多层界面的反射地震断层精细探测方法
技术领域
本发明涉及一种反射地震断层探测方法，具体是一种高倾角多层界面的反射地震断层精细探测方法。
背景技术
隧道发育区域往往伴随岩性的变化甚至破裂，对隧洞的掘进方式以及隧道的支护方式都有所影响；另一方面，在南方许多地区，山体及地下发育溶洞，断层破碎带往往是沟通隧道及含水溶洞的良好通道，或是原先封闭的断层被隧道掘进影响应力变化而活化。
对于已有的隧道反射地震勘探技术，大体分为以下两类：建立反射波时距曲线求解反射层位和直接利用反射信号进行偏移归位。但是以上两种各自存在一定问题：时距曲线在高倾角断层条件下，由于隧道观测系统局限，方程求解复杂；直接根据信号偏移处理会由于小偏移距问题影响成像精度，并且该方法并未考虑地震波在实际不同界面之间传播存在路径的变化以及射线角度的改变，从而导致最终探测精度较低。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种高倾角多层界面的反射地震断层精细探测方法，能确定实际不同界面之间传播存在路径的变化以及射线角度的改变情况，从而能有效提高探测断层位置的精确度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高倾角多层界面的反射地震断层精细探测方法，具体步骤为：
A、在隧道顶底板分别以2m间距布置一排钻孔，各个钻孔的深度均超过隧道松动圈的范围，在每个钻孔最深处分别布置一个检波器，各个检波器均与地震仪连接；在距离隧道迎头最远的检波器后方10m的隧道右帮轴线上布置震源钻孔，震源钻孔的深度超过隧道松动圈的范围，震源点处于震源钻孔的最深处；
B、在震源点激发地震波，处于隧道顶底板的各个检波器接收到直达波信号和反射波信号反馈给地震仪，然后得出各个检波器接收到的直达波速度，计算各个直达波速度的平均速度，该平均速度即为隧道与首层界面之间的地震波速度V1；
C、分别计算隧道顶板各个检波器接收的反射波信号平均振幅和隧道底板各个检波器接收的反射波信号平均振幅，将两者的平均振幅进行比较，其中平均振幅较大的一侧对应断层倾斜方向；若底板上的检波器接收的反射信号平均幅值较大，则断层为下方靠近迎头，即向掘进方向的前方倾斜；若顶板上的检波器接收反射信号平均幅值较大，则断层上方靠近迎头，即向掘进方向的后方倾斜；
D、选取平均幅值较大的一侧检波器的反射信号，根据反射信号同相轴确定有效反射层数；根据首层反射信号的最大振幅提取波组，然后利用步骤B确定的地震波速度V1通过已知的叠前绕射偏移方法形成偏移成像，并根据步骤C中判断的断层倾向消除偏移假象，进而得出首层界面的位置和倾角；
E、在确定首层界面的位置、倾角和速度参数后，根据已有地质资料中的岩石地球物理性质确定第二层地震波速度的范围，并且根据步骤C确定的幅值较大一侧的反射信号计算第二层的主极化方向
Figure BDA0002174380600000021
F、根据首层界面的位置、倾角和速度参数，结合在确定的第二层地震波速度范围内选取的不同速度值，分别构建不同射线传播路径，基于传播路径和速度进行极化偏移；具体过程为：
Ⅰ、已知首层界面的地震波速度V1和界面倾角α1以及第二层反射信号主极化方向
Figure BDA0002174380600000022
Ⅱ、选取幅值较大的一侧中任一检波器，根据第一层界面倾角α1做出法线方向
Figure BDA0002174380600000023
和第二层信号主极化方向
Figure BDA0002174380600000024
之间夹角θ1，根据斯奈尔定律利用θ1、v1和第二层速度范围内选取的任一速度值确定地震波在第二层介质中传播方向θ2；进而得出地震波在第一层界面和第二层界面之间的传播路径；
Ⅲ、将第一层界面的传播路径和速度信息和第二层界面的传播路径和速度信息通过绕射偏移形成偏移成像，得到当前选取的第二层地震波速度值情况下的偏移成像结果；然后在第二层地震波速度范围内选取的不同速度值重复步骤Ⅱ和Ⅲ得出不同的偏移成像结果；
G、对不同偏移成像结果的能量叠加确定实际反射界面位置，并根据实际反射界面位置计算第二层实际地震波传播速度v2；
H、重复步骤E至G对第三层反射信号进行处理，直至完成所有反射信号的层数处理后，得出隧道界面的多层速度建模。
与现有技术相比，本发明先将多个检波器和震源点布设在隧道松动圈的范围之外，从而使探测的地震波尽可能的不受隧道松动圈的影响，然后激发震源后分别计算隧道顶板接收的反射波平均振幅和隧道底板接收的反射波平均振幅；将两者的平均振幅进行比较，其中平均振幅较大的一侧对应断层倾斜方向；选取平均幅值较大的一侧检波器的反射信号并确定有效反射层数；然后利用绕射偏移形成偏移成像，由于通过绕射偏移的成像会存在关于隧道轴线对称的“假象”，因此确定断层倾斜方向的情况下，可以将一侧的假象消除，得出首层界面的位置和倾角；根据已有地质资料中的岩石地球物理性质确定第二层地震波速度的范围，并且得出第二层主极化方向；根据首层界面的位置、倾角和速度参数，结合在确定的第二层地震波速度范围内选取的不同速度值，分别构建不同射线传播路径，基于传播路径和速度进行极化偏移；对不同偏移成像结果的能量叠加确定实际反射界面位置，并根据实际反射界面位置计算第二层实际地震波传播速度v2；最后重复上述过程得出隧道界面的多层速度建模。本发明能确定实际不同界面之间传播存在路径的变化以及射线角度的改变情况，从而能有效提高探测断层位置的精确度。
附图说明
图1是本发明中检波器及震源点的布设主视图；
图2是图1的俯视图；
图3是图1的左视图；
图4是本发明通过绕射偏移形成偏移成像图；
图5是将图4消除偏移假象后的偏移成像图；
图6是本发明中分层确定传播路径的示意图。
具体实施方式
下面将对本发明做进一步说明。
如图所示，本发明的具体步骤为：
A、在隧道顶底板分别以2m间距布置一排钻孔，各个钻孔的深度均超过隧道松动圈的范围，在每个钻孔最深处分别布置一个检波器，各个检波器均与地震仪连接；在距离隧道迎头最远的检波器后方10m的隧道右帮轴线上布置震源钻孔，震源钻孔的深度超过隧道松动圈的范围，震源点处于震源钻孔的最深处；这样震源和检波器均能尽可能的不受松动圈对地震波的影响(如图1至3所示)。
B、在震源点激发地震波，处于隧道顶底板的各个检波器接收到直达波信号和反射波信号反馈给地震仪，然后得出各个检波器接收到的直达波速度，计算各个直达波速度的平均速度，该平均速度即为隧道与首层界面之间的地震波速度V1；
C、分别计算隧道顶板各个检波器接收的反射波信号平均振幅和隧道底板各个检波器接收的反射波信号平均振幅，将两者的平均振幅进行比较，其中平均振幅较大的一侧对应断层倾斜方向；若底板上的检波器接收的反射信号平均幅值较大，则断层为下方靠近迎头，即向掘进方向的前方倾斜；若顶板上的检波器接收反射信号平均幅值较大，则断层上方靠近迎头，即向掘进方向的后方倾斜；
D、选取平均幅值较大的一侧检波器的反射信号，根据反射信号同相轴确定有效反射层数；根据首层反射信号的最大振幅提取波组，然后利用步骤B确定的地震波速度V1通过已知的叠前绕射偏移方法形成偏移成像，并根据步骤C中判断的断层倾向消除偏移假象，进而得出首层界面的位置和倾角；由于通过绕射偏移的成像会存在关于隧道轴线对称的“假象”，因此在步骤C确定信号来向的情况下，可以将一侧的假象消除，见图4和图5。图4为偏移结果图，其偏移结果关于轴线对称，只有一半是真实地反射界面，另一半是“假象”，图5是根据断层倾向从而消除“假象”后的偏移结果)
E、在确定首层界面的位置、倾角和速度参数后，根据已有地质资料中的岩石地球物理性质确定第二层地震波速度的范围，(即v2＝{vmin,…,vmax},
Figure BDA0002174380600000041
)，并且根据步骤C确定的幅值较大一侧的反射信号计算第二层的主极化方向
Figure BDA0002174380600000042
F、根据首层界面的位置、倾角和速度参数，结合在确定的第二层地震波速度范围内选取的不同速度值，分别构建不同射线传播路径，基于传播路径和速度进行极化偏移；具体过程为：
Ⅰ、已知首层界面的地震波速度V1和界面倾角α1以及第二层反射信号主极化方向
Figure BDA0002174380600000051
Ⅱ、选取幅值较大的一侧中任一检波器，根据第一层界面倾角α1做出法线方向
Figure BDA0002174380600000052
和第二层信号主极化方向
Figure BDA0002174380600000053
之间夹角θ1，根据斯奈尔定律利用θ1、v1和第二层速度范围内选取的任一速度值确定地震波在第二层介质中传播方向θ2；进而得出地震波在第一层界面和第二层界面之间的传播路径；
Ⅲ、将第一层界面的传播路径和速度信息和第二层界面的传播路径和速度信息通过绕射偏移形成偏移成像，得到当前选取的第二层地震波速度值情况下的偏移成像结果；然后在第二层地震波速度范围内选取的不同速度值重复步骤Ⅱ和Ⅲ得出不同的偏移成像结果；由于地震波穿过不同介质时会发射折射，因此检波器接收到的第二层界面反射信号主极化方向
Figure BDA0002174380600000054
仅仅代表地震波在检波器周边的传播方向，故需要根据斯奈尔定律利用v1、θ1和选取的v2求出θ2(如图6所示)，这样就确定了地震波在第一层界面R1和第二层界面R2之间的传播路径。
G、对不同偏移成像结果的能量叠加确定实际反射界面位置(该界面反映的是实际速度对应下的地震波在地层中传播路径)，并根据实际反射界面位置计算第二层实际地震波传播速度v2；
H、重复步骤E至G对第三层反射信号进行处理，直至完成所有反射信号的层数处理后，得出隧道界面的多层速度建模。

Claims (1)

1.一种高倾角多层界面的反射地震断层精细探测方法，其特征在于，具体步骤为：
A、在隧道顶底板分别以2m间距布置一排钻孔，各个钻孔的深度均超过隧道松动圈的范围，在每个钻孔最深处分别布置一个检波器，各个检波器均与地震仪连接；在距离隧道迎头最远的检波器后方10m的隧道右帮轴线上布置震源钻孔，震源钻孔的深度超过隧道松动圈的范围，震源点处于震源钻孔的最深处；
B、在震源点激发地震波，处于隧道顶底板的各个检波器接收到直达波信号和反射波信号反馈给地震仪，然后得出各个检波器接收到的直达波速度，计算各个直达波速度的平均速度，该平均速度即为隧道与首层界面之间的地震波速度V1；
C、分别计算隧道顶板各个检波器接收的反射波信号平均振幅和隧道底板各个检波器接收的反射波信号平均振幅，将两者的平均振幅进行比较，其中平均振幅较大的一侧对应断层倾斜方向；若底板上的检波器接收的反射信号平均幅值较大，则断层为下方靠近迎头，即向掘进方向的前方倾斜；若顶板上的检波器接收反射信号平均幅值较大，则断层上方靠近迎头，即向掘进方向的后方倾斜；
D、选取平均幅值较大的一侧检波器的反射信号，根据反射信号同相轴确定有效反射层数；根据首层反射信号的最大振幅提取波组，然后利用步骤B确定的地震波速度V1通过绕射偏移形成偏移成像，并根据步骤C中判断的断层倾向消除偏移假象，进而得出首层界面的位置和倾角；
E、在确定首层界面的位置、倾角和速度参数后，根据已有地质资料中的岩石地球物理性质确定第二层地震波速度的范围，并且根据步骤C确定的幅值较大一侧的反射信号计算第二层反射信号的主极化方向
Figure FDA0002661133760000011
F、根据首层界面的位置、倾角和速度参数，结合在确定的第二层地震波速度范围内选取的不同速度值，分别构建不同射线传播路径，基于传播路径和速度进行极化偏移；具体过程为：
Ⅰ、已知首层界面的地震波速度V1和界面倾角α1以及第二层反射信号的主极化方向
Figure FDA0002661133760000012
Ⅱ、选取幅值较大的一侧中任一检波器，根据首层界面的界面倾角α1做出法线方向
Figure FDA0002661133760000013
和第二层反射信号的主极化方向
Figure FDA0002661133760000021
之间夹角θ1，根据斯奈尔定律利用θ1、V1和第二层速度范围内选取的任一速度值确定地震波在第二层介质中传播方向θ2；进而得出地震波在首层界面和第二层界面之间的传播路径；
Ⅲ、将首层界面的传播路径和速度信息和第二层界面的传播路径和速度信息通过叠前绕射偏移方法形成偏移成像，得到当前选取的第二层地震波速度值情况下的偏移成像结果；然后在第二层地震波速度范围内选取的不同速度值重复步骤Ⅱ和Ⅲ得出不同的偏移成像结果；
G、对不同偏移成像结果的能量叠加确定实际反射界面位置，并根据实际反射界面位置计算第二层实际地震波传播速度V2；
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