CN114114401B - 利用轴对称探头在地面激发的sh波进行浅层勘探的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用轴对称探头在地面激发的SH波进行浅层勘探的方法：轴对称发射探头扎在地面，激发圆周方向振动，以SH波方式传播；沿发射探头径向放置阵列接收探头，测量不同源距处SH波波形，接收圆周方向振动；对SH波波形进行处理，得到波数‑频率分布曲线和时差频散曲线；将波数‑频率分布曲线转换为波数的倒数，得到深度‑时差关系曲线；在波数‑频率平面将高阶模式波分布曲线延伸到波数为0的频率轴上，获得对应的频率，获得地层深度；根据实际的时差频散曲线假设模型，计算时差频散曲线，与实测时差频散曲线对比，修改模型及其参数重新计算，与实测的时差频散曲线一致后，其模型即实际测量地层的模型。本发明提高了勘探精度和空间分辨率。
Description
技术领域
本发明属地面各种工程施工中地层物理参数测量和岩性评价的专用仪器技术领域，更具体的说，是涉及一种利用轴对称探头在地面激发的SH波进行浅层勘探的方法。
背景技术
在地面勘探和地下空间开发过程中，地层的横波速度参数是非常重要的，可以用其评价地层岩性、检测地下采空区、设计施工方案。目前的地面声波勘探有浅剖和面波勘探两种方法。浅剖主要用反射波方法进行勘探，面波用接近于横波速度的面波进行勘探。它们激发的振动位移的方向均是与地面垂直的。这种激发方式产生的声波以纵波、横波及其耦合的面波等方式共同存在。其中面波的幅度大，反射波的幅度小。因为各种波本身耦合在一起，导致测量波形复杂，有用信息提取遇到困难，勘探的空间分辨率不高，进一步提高受限制。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，提高勘探的空间分辨率，本发明提出一种利用轴对称探头在地面激发的SH波进行浅层勘探的方法，该方法激发的声波以SH波方式在地层中传播，只与地层的横波速度有关，与地层的纵波不耦合，也没有面波存在，实际测量的波形单纯，特征曲线没有叠加，容易识别，勘探精度特别是薄层的分辨率得到了提高。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明利用轴对称探头在地面激发的SH波进行浅层勘探的方法，包括以下过程：
1)将轴对称的发射探头扎在地面上，激发圆周方向的振动，所有激发源同时激发获得沿圆周方向的轴对称振动，在地层中以SH波方式传播；其中，发射探头包括圆管和激发源，在圆管的底部圆周方向均匀分布激发源；
2)在地面上沿发射探头半径方向放置阵列接收探头，测量不同径向半径处SH波波形，接收沿圆周方向的振动；其中，沿半径方向接收时，所有接收探头的接收方向均一致，与半径方向垂直；
3)利用相位法对记录的SH波波形进行处理，获得不同频率的波数、时差，得到波数-频率分布曲线和时差频散曲线；其中，时差为速度的倒数；
4)当地层均匀时，将一阶的波数-频率分布曲线转换为波数的倒数，得到深度-时差关系曲线，获得不同深度处的横波时差；其中，横波时差为横波速度的倒数；
5)当地层界面距离地面比较近，地层很薄时，在波数-频率平面上将高阶模式波分布曲线延伸到波数为0的频率轴上，获得对应的频率fn(n＝1,2,...)，利用频率值和地层的横波速度vs按照谐振频率公式获得对应的地层界面的深度
6)对于深度方向是多层的介质，在波数-频率平面上有多个模式波曲线，并且明显不满足双曲线规律分布时，采用正演的方式进行处理；根据实际的时差频散曲线和已知的地质资料假设模型，给出模型参数计算时差频散曲线，与实测的时差频散曲线对比，修改模型及其参数重新计算，计算的时差频散曲线与实际测量的时差频散曲线一致以后，其模型就是实际测量地层的模型。
步骤1)中所述发射探头中的激发源均扎在地里，每个激发源都激发圆周方向的振动，并且振动方向一致，均沿同一个圆周方向，所有的激发源均同时激发。
步骤2)中所述阵列接收探头位于发射探头的外部，所有接收探头之间采用等间距放置或非等间距放置，沿发射探头的同心圆的圆周方向接收，用多个接收探头记录多个不同径向距离的波形，在一个半径方向的接收阵列中，所有接收探头均只接收同一个水平方向的振动，该振动方向与半径方向垂直，将水平方向的振动转换为电压信号。
步骤3)中用相位法提取不同源距所接收波形中的相位信息，获得不同频率的相位差，将相位差转换为地层的横波时差，得到声波的时差频散曲线。
步骤4)中深度-时差关系曲线的获得过程：从阵列接收波形所获得的波数-频率平面上的基阶斜直线出发，将斜直线上的波数取倒数得到深度，将该波数除以频率得到时差，将不同深度的时差画在一起得到深度-时差关系曲线。
步骤5)中在波数-频率平面上，用双曲线规律拟合所得到的高阶模式波分布曲线，将双曲线向低频延长到频率轴获得频率值，用最低阶的频率f1和地层的横波速度vs获得对应的地层界面的深度这是地层中横波波阻抗差异最大的深度；其中，vs是地层的横波速度，通过频散曲线中的直线段的得到。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明在地面进行发射和接收，发射的振动位移沿圆周方向，用圆周方向多个等间距的发射探头同时激发，在每个圆周位置的位移都相同。产生的圆周方向的振动是轴对称的。这样的振动只以地层的横波速度传播，是SH波，与纵波和面波不耦合，也不激发其它类型的波，特别是幅度大的面波。
(2)本发明中的圆周方向的振动以SH波的形式在地层中传播，遇到界面时产生的反射波也只有SH波，没有纵横波和面波。波形形状简单，波形中包含的模式波单纯。
(3)本发明中SH波的频散曲线简单，一阶模式波的频散曲线是直线，高阶模式波的频散曲线是双曲线。因为没有其它耦合波，只有地层的横波速度作为频散曲线的渐近线。
(4)本发明用SH波的频散曲线进行的浅层勘探空间分辨率高。
(5)本发明是一个全新的地面勘探方法，所测量的横波速度参数是一个全新的参数，与反射波和面波勘探所测量的横波速度不同，它是另外一个振动方向的横波速度，与面波勘探的振动位移垂直，或者说是另一个垂直方向振动的横波速度。
(6)本发明所获得的地层横波速度与面波勘探所获得的横波时差是相互垂直的，与面波勘探的横波速度一起组合便于人们研究地层的裂缝、应力方向和各向异性分布。
附图说明
图1是地面SH波激发方式和激发探头结构示意图；
图2是地面SH勘探发射和接收示意图；
图3是沿径向接收的横波的二维谱；
图4是从阵列测量波形提取的频散曲线实例。
附图标记：1-圆管；2-激发源；3-阵列接收探头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明利用轴对称探头在地面激发的SH波进行浅层勘探的方法，包括以下过程：
1)将轴对称的发射探头扎在地面上，激发圆周方向的振动，所有激发源同时激发获得沿圆周方向的轴对称振动，在地层中以SH波方式传播。其中，发射探头包括圆管1和激发源2，在圆管1的底部圆周方向均匀分布激发源2。
在地面激发SH波有两个条件，一个是圆周方向的振动，另外一个必须满足轴对称要求。在所有的圆周角上振动位移一致。这是由柱坐标下应力、应变的基本公式决定的，具体见附录。
根据SH波激发的需要，如图1所示，在地面用一节粗的圆管1，其下面安装激发圆周方向位移的激发源2，沿圆周方向均匀分布。这些激发源2均扎到地里，每个激发源2都激发圆周方向的振动，并且振动方向一致，均沿同一个圆周方向，所有激发源2均同时激发，在圆管1所在圆周上激发沿圆周方向均匀分布的位移uθ，这样的位移在所有的圆周方位角上接近相同，整个振动按照SH波的特征传播。
2)在地面上沿发射探头半径方向放置阵列接收探头3(即通常在地面横波勘探用的横波探头，接收水平方向振动)，测量不同径向半径处SH波波形，接收沿圆周方向的振动，如图2所示。沿半径方向接收时，所有接收探头的接收方向均需一致，与半径方向垂直。单个发射探头发射，阵列接收探头3同时接收。
其中，所述阵列接收探头3位于发射探头的外部，所有接收探头之间可以采用等间距放置，也可以采用非等间距放置，分布在不同的源距，所接收到的响应波形有一定的时间差。沿发射探头的同心圆的圆周方向接收，用多个接收探头记录多个不同径向距离的波形，在一个半径方向的接收阵列中，所有接收探头均只接收同一个水平方向的振动，该振动方向与半径方向垂直，将水平方向的振动转换为电压信号。
3)利用相位法对记录的SH波波形进行处理，获得不同频率的波数、时差，得到波数-频率分布曲线和时差频散曲线。
图3所示是地下深度方向没有波阻抗界面时，沿半径方向所接收到的波形的二维谱。只有一个以地层横波速度传播的声波，该速度是真正的地层横波速度，沿圆周方向振动。不同于普通的地面勘探(浅层剖面勘探和面波勘探)所得到的面波速度。注意，地面勘探接收到的大幅度信号的传播速度是面波速度、接近于地层的横波速度。
这个SH波以地层的横波速度沿各个方向传播，波阵面是半球面，在地面沿半径也以地层的横波速度传播，能够被接收到。不同的源距其所接收到的SH波波形有延迟，利用相位法提取不同源距所接收波形中的相位信息，获得不同频率的相位差，进一步转换为地层的横波时差(横波速度的倒数)可以得到声波的时差频散曲线。该时差频散曲线是直线，如图4中最下面的直线所示。而且在任何频率处均具有相同的时差，即每个频率所获得的时差是一样的。
4)当地层均匀时，将一阶的波数-频率分布曲线转换为波数的倒数，得到深度-时差(速度的倒数)关系曲线，获得不同深度处的横波时差。
具体地，从阵列接收波形所获得的波数-频率平面上的基阶斜直线出发，将斜直线上的波数取倒数得到深度，将该波数除以频率得到时差(频率除以波数得到速度)，将不同深度的时差画在一起得到深度-时差关系曲线。
当地层均匀时，在探头激发频率范围内的所有频率获得的时差都是一样的，在频率-时差所构成的平面上是一条水平直线。如图4中(频率-时差曲线)最下面的那条时差频散曲线所示。将时差与频率的直线关系通过图3所示的二维谱分布转换为时差与深度的关系，便可以得到横波时差与深度的关系图。具体转换方法是：图3所示的波数与频率的二维谱给出了波数-频率所在平面上，二维谱的分布区域，该分布区域刻画了横波时差，即二维谱的极大值所在位置的波数与频率的商为时差。二维谱是斜直线分布时，时差为其斜率，是常数，不随频率改变。通过这个斜直线可以将每个频率转换为波数，每个频率所对应的时差为这个波数所对应的时差，波数的倒数为波长，将波长视为该方法所能够测量到的最大深度便得到时差随波长或深度的变化规律。
当地层下面有岩石变化时，SH波会发生反射和透射，这时可以用反射波勘探方法进行处理，例如偏移、叠加等等。与原来的勘探方法不同之处在于此刻的反射波中只有SH波，没有各种耦合的面波，如勒夫波、伪锐利波和横波等。波形单纯，波长短、空间分辨率高。
5)当地层界面距离地面比较近，地层很薄时，在波数-频率平面上将高阶模式波分布曲线延伸到波数为0的频率轴上，获得对应的频率fn(n＝1,2,...)，利用频率值和地层的横波速度vs按照谐振频率公式获得对应的地层界面的深度
当地层界面距离地面比较近，地层很薄时，反射波变成了模式波，这时在地面接收到的波形其时差频散曲线出现了双曲线形状的模式波。在波数-频率平面上，用双曲线规律拟合所得到的高阶模式波分布曲线，将双曲线向低频延长到频率轴获得频率值，利用该双曲线与频率轴的交点的最低频率值f1和地层的横波速度vs可以获得对应的地层界面的深度这是地层中横波波阻抗差异最大的深度。其中，vs是地层的横波速度，通过时差频散曲线中的直线段的得到，即直线形状的时差频散曲线的倒数值。
6)对于深度方向是多层的介质，在波数-频率平面上有多个模式波曲线，并且彼此明显不满足双曲线规律分布时，则采用正演的方式进行处理。根据实际的时差频散曲线和钻孔取芯等其它已知的地质资料假设模型，给出模型参数计算时差频散曲线，与实测的时差频散曲线对比，修改模型及其参数重新计算，计算的时差频散曲线与实际测量的时差频散曲线一致以后，其模型就是实际测量地层的模型。
附录
建立柱坐标系(r,θ,z)，对于各向同性介质，张海澜‘井孔的声场与波’P230页给出了用纵波势函数横波势函数χ、η描述位移/>的公式：
其中，纵波势函数满足纵波波动方程：/>横波有两个势函数χ、η均满足横波波动方程：/> 表示z方向的单位矢量，vc是固体介质的纵波速度。vs是固体介质的横波速度。横波波动方程是矢量方程。对于正弦激励e-iωt，横波波动方程变成：/>其中：/>利用横波波动方程，uz可以写成：
应力与应变的关系为：
主应变：
剪切应变：
各向同性介质中应力和应变的关系为：
主应力：σrr＝λΔ+2μεrrσθθ＝λΔ+2μεθθ，σzz＝λΔ+2μεzz
剪切应力：σrθ＝2μεrθσzθ＝2μεzθσrz＝2μεrz
其中：体积形变Δ＝εrr+εθθ+εzz
轴对称应变和应力变成：
代人各向同性介质中应力和应变的关系后可以看到：体积形变Δ与圆周方向的位移uθ无关：在所有的主应力计算中，都没有uθ。uθ只出现在剪切形变和/>和剪切应力σrθ＝2μεrθσzθ＝2μεzθ中，不与其它位移和应力耦合，是独立存在的，可以独立求解。这组独立的变量uθ、σrθ、σzθ所构成的响应为SH波。用uθ作为求解变量，则
激励源给出圆周方向的位移uθ或给出切向应力σzθ，其解的形式相同，只相差一个因子
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种利用轴对称探头在地面激发的SH波进行浅层勘探的方法，其特征在于，包括以下过程：
1)将轴对称的发射探头扎在地面上，激发圆周方向的振动，所有激发源同时激发获得沿圆周方向的轴对称振动，在地层中以SH波方式传播；其中，发射探头包括圆管和激发源，在圆管的底部圆周方向均匀分布激发源；
2)在地面上沿发射探头半径方向放置阵列接收探头，测量不同径向半径处SH波波形，接收沿圆周方向的振动；其中，沿半径方向接收时，所有接收探头的接收方向均一致，与半径方向垂直；
3)利用相位法对记录的SH波波形进行处理，获得不同频率的波数、时差，得到波数-频率分布曲线和时差频散曲线；其中，时差为速度的倒数；
4)当地层均匀时，将一阶的波数-频率分布曲线转换为波数的倒数，得到深度-时差关系曲线，获得不同深度处的横波时差；其中，横波时差为横波速度的倒数；
5)当地层界面距离地面比较近，地层很薄时，在波数-频率平面上将高阶模式波分布曲线延伸到波数为0的频率轴上，获得对应的频率fn(n＝1,2,...)，利用频率值和地层的横波速度vs按照谐振频率公式获得对应的地层界面的深度
6)对于深度方向是多层的介质，在波数-频率平面上有多个模式波曲线，并且明显不满足双曲线规律分布时，采用正演的方式进行处理；根据实际的时差频散曲线和已知的地质资料假设模型，给出模型参数计算时差频散曲线，与实测的时差频散曲线对比，修改模型及其参数重新计算，计算的时差频散曲线与实际测量的时差频散曲线一致以后，其模型就是实际测量地层的模型。
2.根据权利要求1所述的利用轴对称探头在地面激发的SH波进行浅层勘探的方法，其特征在于，步骤1)中所述发射探头中的激发源均扎在地里，每个激发源都激发圆周方向的振动，并且振动方向一致，均沿同一个圆周方向，所有的激发源均同时激发。
3.根据权利要求1所述的利用轴对称探头在地面激发的SH波进行浅层勘探的方法，其特征在于，步骤2)中所述阵列接收探头位于发射探头的外部，所有接收探头之间采用等间距放置或非等间距放置，沿发射探头的同心圆的圆周方向接收，用多个接收探头记录多个不同径向距离的波形，在一个半径方向的接收阵列中，所有接收探头均只接收同一个水平方向的振动，该振动方向与半径方向垂直，将水平方向的振动转换为电压信号。
4.根据权利要求1所述的利用轴对称探头在地面激发的SH波进行浅层勘探的方法，其特征在于，步骤3)中用相位法提取不同源距所接收波形中的相位信息，获得不同频率的相位差，将相位差转换为地层的横波时差，得到声波的时差频散曲线。
5.根据权利要求1所述的利用轴对称探头在地面激发的SH波进行浅层勘探的方法，其特征在于，步骤4)中深度-时差关系曲线的获得过程：从阵列接收波形所获得的波数-频率平面上的基阶斜直线出发，将斜直线上的波数取倒数得到深度，将该波数除以频率得到时差，将不同深度的时差画在一起得到深度-时差关系曲线。
6.根据权利要求1所述的利用轴对称探头在地面激发的SH波进行浅层勘探的方法，其特征在于，步骤5)中在波数-频率平面上，用双曲线规律拟合所得到的高阶模式波分布曲线，将双曲线向低频延长到频率轴获得频率值，用最低阶的频率f1和地层的横波速度vs获得对应的地层界面的深度这是地层中横波波阻抗差异最大的深度；其中，vs是地层的横波速度，通过频散曲线中的直线段的得到。
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