劉文伍，田慶福，余森林

(南京測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

地震繞射波法在管線探測(cè)上的數(shù)值模擬研究

劉文伍*，田慶福，余森林

(南京測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

由于探測(cè)深度大且不受電磁干擾影響，地震波法是管線探測(cè)特別是非金屬管線探測(cè)中應(yīng)用較多的方法之一，常規(guī)地震波法往往都是根據(jù)探測(cè)剖面上反射同相軸來(lái)判斷地下管線的位置，其受鄰近并行管線及多次波干擾影響大。繞射偏移成像方法具有偏移歸位、壓制干擾、提高探測(cè)精度的作用，本文對(duì)多波繞射偏移成像方法應(yīng)用于管線探測(cè)的可行性進(jìn)行了研究，給出了不同類型繞射波旅行時(shí)的詳細(xì)計(jì)算公式；通過(guò)正演模擬數(shù)據(jù)重點(diǎn)對(duì)比分析了地震繞射波法與常規(guī)地震映像法的探測(cè)效果，結(jié)果表明：①地震繞射波法采用多道同時(shí)接收，激發(fā)次數(shù)少，探測(cè)效率高；②地震繞射波法通過(guò)繞射偏移歸位且成果采用能譜圖顯示，表達(dá)直觀，探測(cè)精度高，探測(cè)效果明顯優(yōu)于常規(guī)地震映像法。

管線探測(cè)；地震映像法；繞射波；偏移成像；數(shù)值模擬

1 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、城市化建設(shè)進(jìn)程的加快，電力、通訊電纜已多采用地下埋設(shè)的方式，與供水、排水、排污、工業(yè)管道等構(gòu)成了密集的城市地下管線系統(tǒng)[1，2]。由于各種管線權(quán)屬單位不同且缺乏溝通、管線施工過(guò)程中存在違反管線鋪設(shè)規(guī)定的現(xiàn)象、管線施工建設(shè)不按規(guī)定進(jìn)行竣工測(cè)量及城市地下管線檔案管理不完善等原因造成大量地下埋設(shè)管線位置不清，給后期管線的維護(hù)和搶修帶來(lái)極大困難。由于缺乏準(zhǔn)確翔實(shí)的管線資料，在城市建設(shè)施工過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生“管線打架”、“停電斷水”等事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響[2，3]。

地下管線位置不清帶來(lái)的問(wèn)題日益凸顯，地下管線管理也被各級(jí)政府部門所重視，通過(guò)近年來(lái)物探工作者的不斷研究和實(shí)踐，管線探測(cè)技術(shù)方法得到了較快發(fā)展，根據(jù)探測(cè)原理及利用物性差異的不同，管線探測(cè)方法主要分為電磁感應(yīng)法、直流電法、地質(zhì)雷達(dá)法、高精度磁法及人工地震法[2～6]。人工地震法由于具有探測(cè)深度大且不受電磁干擾影響等特點(diǎn)，在管線探測(cè)上有著較為廣泛的應(yīng)用，但由于現(xiàn)今地震波法通常都是根據(jù)探測(cè)剖面上反射同相軸來(lái)判斷地下管線的位置(地震映像法)，其探測(cè)精度及準(zhǔn)確性受鄰近并行管線及多次波的影響較大[4，7～9]。

本文針對(duì)現(xiàn)階段地震波法管線探測(cè)的特點(diǎn)及不足，對(duì)多波繞射偏移成像方法應(yīng)用于管線探測(cè)的可行性進(jìn)行了研究，對(duì)地震繞射偏移成像的原理進(jìn)行了介紹并給出了不同類型繞射波旅行時(shí)的詳細(xì)計(jì)算公式；通過(guò)正演模擬數(shù)據(jù)對(duì)比分析了多波繞射偏移成像方法與常規(guī)地震映像法的探測(cè)效果，證明了多波繞射偏移成像方法應(yīng)用于管線探測(cè)的可行性及優(yōu)勢(shì)，為高精度管線探測(cè)提供了一種新思路、新方法。

2 原理介紹

地震體波根據(jù)質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)方向與傳播方向的關(guān)系可以分為縱波(P)和橫波(S)，橫波包括SH型橫波與SV型橫波兩種，其中縱波和SV型橫波可以相互轉(zhuǎn)化，但不論是非轉(zhuǎn)換波(縱波、橫波)還是轉(zhuǎn)換波，都蘊(yùn)含著探測(cè)區(qū)域的地質(zhì)信息[10]。物理地震學(xué)的基本觀點(diǎn)認(rèn)為繞射是最基本的，反射波是反射界面上所有小面積元產(chǎn)生的繞射波的總和，疊前繞射偏移技術(shù)是基于射線偏移基礎(chǔ)上使反射波自動(dòng)歸位到真實(shí)成像點(diǎn)上的一種成像方法，具有壓制干擾、提高探測(cè)精度的作用[11～13]。

2.1 疊前繞射偏移原理

疊前繞射偏移成像方法首先將研究區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分(如圖1所示)，形成一系列網(wǎng)格單元并給定慢度參數(shù)，然后假設(shè)研究區(qū)域內(nèi)某個(gè)網(wǎng)格單元(第m個(gè)網(wǎng)格單元)為異常點(diǎn)，計(jì)算任一炮檢對(duì)(第k炮，i檢波點(diǎn))以該點(diǎn)為繞射點(diǎn)的繞射波旅行時(shí)tki，把對(duì)應(yīng)道對(duì)應(yīng)時(shí)刻的振幅值或振幅絕對(duì)值疊加后所得振幅值A(chǔ)m放置在該網(wǎng)格。

(1)

其中值A(chǔ)ki表示第k炮，第i檢波點(diǎn)記錄上對(duì)應(yīng)旅行時(shí)刻的振幅值，M表示共M炮，N表示共N個(gè)檢波點(diǎn)。

同理，遍歷所有網(wǎng)格單元，只要網(wǎng)格足夠精細(xì)，就能得到滿足精度要求的成像。在繞射偏移疊加過(guò)程中，若某網(wǎng)格單元為異常點(diǎn)位置，則不同地震記錄道對(duì)應(yīng)時(shí)刻的記錄點(diǎn)具有相關(guān)振幅，疊加能量強(qiáng)；反之，若某網(wǎng)格單元非異常點(diǎn)位置，則不同地震記錄道對(duì)應(yīng)時(shí)刻的記錄點(diǎn)相關(guān)性差，疊加能量弱。即真正異常點(diǎn)所在位置的網(wǎng)格單元疊加后的總振幅增大，非異常點(diǎn)所在位置的網(wǎng)格單元疊加后的總振幅相對(duì)減弱，該方法方便、快捷，能將異常構(gòu)造輪廓自動(dòng)偏移到真實(shí)的空間位置上。

圖1 網(wǎng)格單元剖分示意圖

2.2 繞射旅行時(shí)計(jì)算

在疊前繞射偏移成像原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)縱波、橫波、轉(zhuǎn)換波(P-SV、SV-P)的動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)，分別分析推導(dǎo)不同種類波的旅行時(shí)。

2.2.1 非轉(zhuǎn)換波旅行時(shí)計(jì)算

(1)繞射縱波旅行時(shí)計(jì)算

(2)

其中，xm，ym表示繞射點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)，xS，yS分別表示震源的橫、縱坐標(biāo)，xR，yR分別表示接受點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)，vp為縱波傳播速度，可通過(guò)直達(dá)縱波求取。

(2)繞射橫波旅行時(shí)計(jì)算

(3)

其中，xm，ym表示繞射點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)，xS，yS分別表示震源的橫、縱坐標(biāo)，xR，yR分別表示接受點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)，vs為橫波傳播速度，可通過(guò)直達(dá)橫波求取。

2.2.2 轉(zhuǎn)換波旅行時(shí)計(jì)算

(1)P-SV轉(zhuǎn)換繞射波旅行時(shí)計(jì)算

P-SV轉(zhuǎn)換繞射波旅行時(shí)由兩部分組成，第一部分為震源到繞射點(diǎn)以縱波速度傳播的旅行時(shí)，第二部分為繞射點(diǎn)到接收點(diǎn)以橫波速度傳播的旅行時(shí)：

(4)

其中xm，ym表示繞射點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，xS，yS分別表示震源的橫縱坐標(biāo)，xR，yR分別表示接受點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，vp，vs分別表示縱、橫波速度，可分別通過(guò)直達(dá)縱波、橫波求取。

(2)SV-P轉(zhuǎn)換繞射波旅行時(shí)計(jì)算

同理，SV-P轉(zhuǎn)換繞射波旅行時(shí)由兩部分組成，第一部分為震源到繞射點(diǎn)以橫波速度傳播的旅行時(shí)，第二部分為繞射點(diǎn)到接收點(diǎn)以縱波速度傳播的旅行時(shí)：

(5)

其中，xm，ym表示繞射點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，xS，yS分別表示震源的橫縱坐標(biāo)，xR，yR分別表示接受點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，vp，vs分別表示縱、橫波速度，可分別通過(guò)直達(dá)縱波、橫波求取。

3 數(shù)值模擬

3.1 單管線模型

3.1.1 模型參數(shù)與觀測(cè)方式

結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況，研究地震波在傳播過(guò)程中遇到管線時(shí)的傳播規(guī)律與波場(chǎng)特征，對(duì)比傳統(tǒng)地震映像法，驗(yàn)證繞射偏移成像方法應(yīng)用于管線探測(cè)的可行性及優(yōu)勢(shì)。建立如圖2所示模型。模型長(zhǎng) 10 m、深度6 m，管線異常的直徑為 0.3 m，中心位于深度 4 m處。背景模型“1”及管線異?！?”的模型參數(shù)具體如表1所示。

模型參數(shù) 表1

圖2 單管線模型及觀測(cè)系統(tǒng)布置圖

數(shù)值模擬選用主頻為300 Hz的雷克子波，剖分網(wǎng)格大小為0.05 m×0.05 m。模擬采用彈性波方程進(jìn)行計(jì)算，解方程方法為交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法，吸收邊界采用PML吸收邊界[14～16]，全排列接收，道間距為 0.5 m，共19道；炮間距為 5 m，共3炮，采樣間隔為 0.01 ms，記錄長(zhǎng)度為 80 ms。

3.1.2 波場(chǎng)快照與波場(chǎng)記錄

通過(guò)對(duì)第一炮不同時(shí)刻波場(chǎng)快照(如圖3所示)觀察分析可知：16.1 ms左右時(shí)縱波繞射波到達(dá)接收點(diǎn)位置；26.5 ms左右P-SV轉(zhuǎn)換繞射波到達(dá)接收點(diǎn)位置；33.3 ms左右時(shí)SV-P轉(zhuǎn)換繞射波到達(dá)接收點(diǎn)位置；42.9 m左右時(shí)橫波繞射波到達(dá)接收點(diǎn)位置。結(jié)合數(shù)值模擬波場(chǎng)記錄信號(hào)，標(biāo)出了各種波的類型，具體如圖4所示。

圖3 不同時(shí)刻波場(chǎng)快照

圖4 數(shù)值模擬地震記錄

3.1.3 繞射偏移成像反演

根據(jù)上述介紹的繞射偏移成像方法，對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行多波反演成像，反演成果如圖5所示，圖中黑色圓圈為管線模型實(shí)際位置。

圖5 單管線模型繞射波反演成果圖

3.1.4 地震映像法

針對(duì)上述單管線模型，用常規(guī)地震映像法(自激自收)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，移動(dòng)步距為 0.5 m，共21次激發(fā)接收，時(shí)間剖面如圖6所示，根據(jù)時(shí)間剖面上縱波繞射波、轉(zhuǎn)換繞射波(自激自收觀測(cè)系統(tǒng)導(dǎo)致P-SV、SV-P轉(zhuǎn)換波到時(shí)相同)及橫波繞射波同相軸都能判斷管線的水平位置，根據(jù)縱、橫波波速即可求得管線埋深。

圖6 單異常地震映像法時(shí)間剖面

3.1.5 模擬實(shí)驗(yàn)小結(jié)

(1)地震繞射波法與傳統(tǒng)地震映像法均能對(duì)單管線進(jìn)行有效探測(cè)，但由于地震繞射波法采用多道接收，激震次數(shù)少(模擬實(shí)驗(yàn)中為3次激震)，探測(cè)效率更高；

(2)地震繞射偏移成像中，由于受直達(dá)橫波的影響，縱波繞射波、P-SV轉(zhuǎn)換繞射波及SV-P轉(zhuǎn)換繞射波成像效果相對(duì)橫波繞射波成像效果較差，但4種波均能對(duì)管線位置有較好的反映，4種波具有相互印證的效果；

(3)地震繞射偏移成像反演結(jié)果反映的是位置信息，結(jié)果更直觀。

3.2 雙管線模型

3.2.1 模型參數(shù)與觀測(cè)方式

雙管線模型參數(shù)及觀測(cè)方式與單管線模型完全相同，只是將單管線異常改為雙管線異常，兩根管線的水平位置分別位于 4 m、 6 m處，深度均為 4 m，具體模型如圖7所示。

圖7 雙管線模型及觀測(cè)系統(tǒng)布置圖

3.2.2 繞射偏移成像反演

根據(jù)上述介紹的繞射偏移成像方法，對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行多波反演成像，反演結(jié)果如圖8所示，圖中黑色圓圈為管線模型實(shí)際位置。

圖8 雙管線模型繞射波反演成果圖

3.2.3 地震映像法

針對(duì)上述雙管線模型，用常規(guī)地震映像法(自激自收)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同樣移動(dòng)步距為 0.5 m，共21次激發(fā)接收，時(shí)間剖面如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于雙管線模型，由于管線間的相互影響，從時(shí)間剖面上我們無(wú)法斷出管線的位置及深度。

圖9 雙異常地震映像法時(shí)間剖面

3.2.4 模擬實(shí)驗(yàn)小結(jié)

(1)地震繞射偏移成像中的縱波繞射波與橫波繞射波能較準(zhǔn)確地對(duì)雙管線位置進(jìn)行成像，由于橫波繞射波不受直達(dá)波的影響，成像精度更高；

(2)地震繞射偏移成像中的P-SV轉(zhuǎn)換繞射波及SV-P轉(zhuǎn)換繞射波由于自身能量較弱且受直達(dá)橫波干擾影響，成像效果不佳；

(3)從地震映像時(shí)間剖面上只能觀察到兩個(gè)管線的繞射波相互疊加、干涉，無(wú)法判斷管線的位置。

4 結(jié) 語(yǔ)

文章對(duì)多波繞射偏移成像方法應(yīng)用于管線探測(cè)的可行性進(jìn)行數(shù)值模擬研究；對(duì)地震繞射偏移成像的原理進(jìn)行了介紹并給出了不同類型繞射波旅行時(shí)的詳細(xì)計(jì)算公式；通過(guò)正演模擬數(shù)據(jù)重點(diǎn)對(duì)比分析了多波繞射偏移成像方法與常規(guī)地震映像法的探測(cè)效果，結(jié)果表明：地震繞射波法采用多道同時(shí)接收，激發(fā)次數(shù)少，探測(cè)效率高；地震繞射波法通過(guò)繞射偏移歸位且成果采用能譜圖顯示，表達(dá)直觀，探測(cè)精度高，探測(cè)效果明顯優(yōu)于常規(guī)地震映像法；地震繞射波法探測(cè)中，橫波繞射波效果最佳。本研究成果可為地震繞射波法應(yīng)用于管線探測(cè)提供理論依據(jù)。

目前，地震繞射偏移成像法中地震波的傳播速度是通過(guò)直達(dá)波到時(shí)求取，其在實(shí)際探測(cè)過(guò)程中存在一定誤差，如何在高效(小排列、少激震次數(shù))探測(cè)過(guò)程中獲得準(zhǔn)確速度參數(shù)是今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)的重要攻關(guān)課題。

[1] 周鴻流，俞建林. 城市地下管線分類及物探探查方法應(yīng)用研究[J]. 工程地球物理學(xué)報(bào)，2014(1)：133～136.

[2] 王勇. 城市地下管線探測(cè)技術(shù)方法研究與應(yīng)用[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012.

[3] 張漢春. 非開挖特深管線的探測(cè)技術(shù)分析及展望[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展，2010(3)：1092～1097.

[4] 肖順，張永命，任建平. 地震映像法在超深管線探測(cè)中的應(yīng)用[J]. 城市勘測(cè)，2014(1)：170～172.

[5] 閆振寧，于會(huì)山，宋審宇. 地下非金屬管線探測(cè)方法分析[J]. 聊城大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，22(1)：44～46.

[6] 趙永峰，鞠春華，伊商鵬. 探地雷達(dá)在非金屬管線探測(cè)中的應(yīng)用[J]. 城市勘測(cè)，2009(3)：131～133.

[7] 丁榮勝，張殿成，王仕昌等. 高密度電阻率法和地震映像法在采空區(qū)勘察中的應(yīng)用[J]. 物探與化探，2010(6)：732～736.

[8] 王治華，仇恒永，楊振濤等. 地震映像法及其應(yīng)用[J]. 物探與化探，2008(6)：696～700.

[9] 楊良權(quán)，李波，魏定勇等. 地震映像法在垃圾坑勘察中的應(yīng)用[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展，2012(4)：1788～1794.

[10] 陸基孟. 地震勘探原理[M]. 東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，2011.

[11] 張偉. 疊前時(shí)間偏移成像影響因素研究[D]. 北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2010.

[12] 劉玉金，李振春，黃建平等. 繞射波疊前時(shí)間偏移速度分析及成像[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展，2013(6)：3022～3029.

[13] 馬婷. 轉(zhuǎn)換波疊前時(shí)間偏移方法研究[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2011.

[14] 武英婷. 交錯(cuò)網(wǎng)格高階有限差分法的彈性波波場(chǎng)數(shù)值模擬[D]. 西安：西安理工大學(xué)，2010.

[15] 鄧帥奇. 全空間彈性波場(chǎng)數(shù)值模擬與逆時(shí)偏移成像方法研究[D]. 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2012.

[16] 李振春，張華，劉慶敏等. 彈性波交錯(cuò)網(wǎng)格高階有限差分法波場(chǎng)分離數(shù)值模擬[J]. 石油地球物理勘探，2007(5)：510-515+610+482-483.

The Numerical Simulation Research of Seismic Diffracted Wave Method on the Pipeline Detection

Liu Wenwu，Tian Qingfu，Yu Senlin

(Nanjing Institute of Surveying，Mapping & Geotechnical Investigation Co.Ltd，Nanjing 210019，China)

Deep detecting depth and not affected by electromagnetic interference，seismic wave method is one of commonly used method in pipeline detection. Conventional seismic wave method is based on the detection section to determine the position of underground pipeline and the detection results affected by the adjacent parallel pipeline and multiple wave. Diffraction migration imaging method is useful for migration homing，suppress interference and improve the detection accuracy. In this paper，the multiple wave diffraction migration imaging method is studied to pipeline detection. Through the forward modeling data，analysis detection effect of diffraction migration imaging method and the conventional seismic image method，the results show that： ①Using multi-channel receive，Seismic diffraction method has higher detection efficiency；②Through diffraction migration homing and using the energy spectrum diagram to displaythe results，diffraction migration imaging results intuitive，detection of high precision，detection effect is superior to conventional seismic image method.

pipeline detection；seismic image method；diffracted wave；migration imaging；numerical simulation

1672-8262(2017)01-158-07

P631.4

A

2016—11—09 作者簡(jiǎn)介：劉文伍(1973—)，男，高級(jí)工程師，主要從事地下管線探測(cè)等相關(guān)技術(shù)管理工作。