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        瑞雷波在地質(zhì)勘探中的研究

        2021-06-29 02:08:38高彩燕王克翠劉麗君林鑫豪
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年17期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)模型研究

        高彩燕 王克翠 劉麗君 林鑫豪

        (龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院,福建 龍巖364400)

        1 概述

        瑞雷波勘探作為一種經(jīng)濟(jì)、快速、有效的勘探方法,得到了廣泛的應(yīng)用。目前瑞雷波正演模擬方法主要有Thomson_uhaskell法、δ矩陣法、ABO法_uzena法、RT矩陣法[1-4]等,這些方法都是利用瑞利波頻散方程進(jìn)行瑞利波正演模擬的瑞利波勘探方法。與目前其它地球物理方法相比,瑞雷波勘探具有經(jīng)濟(jì)快速、適用范圍廣、場(chǎng)地影響小、探測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)單、激發(fā)信號(hào)易激發(fā)、有效信號(hào)能量強(qiáng)、信噪比高、易識(shí)別、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。而瑞利波檢測(cè)大多是基于對(duì)原始信號(hào)的直接處理,因此對(duì)檢測(cè)結(jié)果的解釋和檢測(cè)精度還有待進(jìn)一步提高。

        本文通過(guò)研究分析地下工程地質(zhì)異常條件下,地質(zhì)異常在彌散曲線中不同位置、大小和物理力學(xué)性質(zhì)的不同表現(xiàn),總結(jié)了地質(zhì)異常與瑞雷波頻散曲線之字形的關(guān)系,得出地質(zhì)參數(shù)對(duì)瑞雷波頻散曲線影響的特征和規(guī)律。

        2 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)

        2.1 瑞雷波探測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

        英國(guó)數(shù)學(xué)物理學(xué)家瑞利于1887年發(fā)現(xiàn)了瑞利波的存在,揭示了它在中空間的傳播特性。起初人們認(rèn)為瑞利波是危害最大的地震波。在石油地震勘探、地表反射、人工折射地震勘探中,瑞利波是一種強(qiáng)干擾波,直到20世紀(jì)50年代,人們才發(fā)現(xiàn)瑞利波在層狀介質(zhì)中具有散射特性,并逐漸作為有效波應(yīng)用于工程物探中。目前,關(guān)于瑞雷波法的研究主要涉及的問(wèn)題有三個(gè)方面:一是瑞雷波頻散曲線的正演問(wèn)題;二是瑞雷波頻散曲線的提取問(wèn)題;三是瑞雷波頻散曲線的反演問(wèn)題。

        2.2 正演方面的研究

        瑞雷波反演的前提和基礎(chǔ)是正演模擬。主要研究?jī)?nèi)容是在已知平均模型下,根據(jù)彈性波理論建立瑞利波方程,來(lái)描述瑞利波速、頻率等彈性參數(shù)之間的關(guān)系,為了了解瑞利波在特殊平均模型中的散射特性。目前在建立特征方程和求解不同介質(zhì)中的特征方程時(shí),都考慮了對(duì)鋒面瑞利波模型的探索,大多數(shù)研究都是基于層間通訊方式均勻的條件,即具有平行界面和連接界面的均勻自由表面彈性材料。

        2.3 瑞雷波頻散曲線的求取

        瑞雷波工程探索,從實(shí)際的地震記錄信號(hào)中提取瑞雷波的頻率分散特性,合理說(shuō)明工程巖土體的物理力學(xué)性質(zhì),因此瑞雷波的頻率分散曲線的要求(即面波速度的測(cè)量)可以說(shuō)是瑞雷波工程探索的最基礎(chǔ)的工作。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)原理,瑞雷波分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法,穩(wěn)定狀態(tài)下的瑞雷面波法有求相位差法、時(shí)間差法、互相關(guān)分析法三種相取速度的方法。但是,為了提取頻率色散曲線,經(jīng)常使用互相關(guān)法,該方法需要Δx≤λR,但是瑞雷面波頻率從低頻變化到高頻,其波長(zhǎng)也變化很大。高頻部分瑞雷面波波長(zhǎng)較短,經(jīng)常出現(xiàn)虛假的速度現(xiàn)象,對(duì)瑞雷面波淺層探測(cè)效果有很大影響。

        如上所述,互相關(guān)法、表面波譜法、相位展開(kāi)法、τ-p變換法、f-k域分析法等傳統(tǒng)的提取方法,在信號(hào)相位速度的提取中使用Fourier譜、最大熵譜等,這些光譜分析方法是穩(wěn)定信號(hào)處理的基礎(chǔ)上,表示了整個(gè)信號(hào)中包含的各種頻率部分。也就是說(shuō),臺(tái)的部分不行。然而,瑞雷波是典型的時(shí)變(或不穩(wěn)定的性質(zhì))信號(hào),需要在每個(gè)時(shí)刻知道信號(hào)中包含的頻率分量,在一些文獻(xiàn)中,利用Gabor變換法得到了瑞利波信號(hào)的頻譜圖,但是由于固定了頻率窗,所以需要較低的時(shí)間周長(zhǎng)具有波數(shù)分辨率,無(wú)法獲得理想的處理效果。

        3 波動(dòng)方程傳播理論

        假設(shè)地震波的傳播方式是各向同性彈性體,我們可以利用介質(zhì)的各向同性性質(zhì),根據(jù)彈性動(dòng)力學(xué)的三個(gè)基本方程,即運(yùn)動(dòng)微分方程,進(jìn)行數(shù)學(xué)變換議程。得到了波浪應(yīng)力的位移方程和一階速度有彈性的方程,這里只討論二維情況,二維各向同性介質(zhì)一階速度下的應(yīng)力波方程如下:

        其中Vx、Vz為速度分量;τxx、τzz和τxz為應(yīng)力分量;λ、μ為拉梅常數(shù)。

        4 模型設(shè)計(jì)

        本研究設(shè)計(jì)了11個(gè)典型地質(zhì)異常體模型,對(duì)其開(kāi)展瑞雷波理論正演研究,分析比較地質(zhì)異常不同位置、不同尺寸規(guī)模、不同物理力學(xué)性質(zhì)在頻散曲線上的不同表現(xiàn),歸納總結(jié)各條件下的瑞雷波頻散曲線的“之”字形規(guī)律,從而確定地質(zhì)異常狀態(tài)下,地質(zhì)參數(shù)對(duì)瑞雷波頻散曲線的影響,為瑞雷波法應(yīng)用于地下工程勘探提供理論依據(jù)。具體模型設(shè)計(jì)如下:

        (1)通過(guò)設(shè)計(jì)地質(zhì)異常體離地面的深度H=5m,10m,15m三個(gè)模型(見(jiàn)表1模型1、2、3),研究地質(zhì)異常位置對(duì)頻散曲線的影響。

        表1 不同位置的地質(zhì)異常模型參數(shù)

        (2)通過(guò)設(shè)計(jì)地質(zhì)異常體規(guī)模(即異常體的厚度)h=3m,5m,10m三個(gè)模型(見(jiàn)表2模型1、4、5),研究地質(zhì)異常體規(guī)模對(duì)頻散曲線的影響;

        表2 不同規(guī)模的地質(zhì)異常模型參數(shù)

        (3)為了研究地質(zhì)異常性質(zhì)對(duì)頻散曲線的影響,分別設(shè)計(jì)了第一、第三層介質(zhì)相同的情況下,第二層破碎帶介質(zhì)密度不同的三個(gè)模型(見(jiàn)表3模型1、6、7)。

        表3 不同性質(zhì)的地質(zhì)異常模型參數(shù)

        (1)地質(zhì)異常位置對(duì)頻散曲線的影響:

        (2)地質(zhì)異常規(guī)模對(duì)頻散曲線的影響:

        (3)地質(zhì)異常性質(zhì)對(duì)頻散曲線的影響:

        5 結(jié)論

        根據(jù)福建省礦山地球物理技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)基地的現(xiàn)狀,本章研究了相應(yīng)的瑞利波頻散曲線的變化規(guī)律,最后驗(yàn)證了瑞利波的結(jié)論,對(duì)某地下工程典型地質(zhì)異常進(jìn)行了前方模擬測(cè)量.搜索顯示:

        5.1 作為一種高精度的數(shù)值模擬方法,有限差分法的計(jì)算穩(wěn)定性和截?cái)嗾`差是理想的。

        5.2 在復(fù)雜地質(zhì)條件下的勘探中,為了深入雷波的傳播和規(guī)了解瑞律,可以利用有限波方程的差分模擬前沿來(lái)分析瑞雷波的頻散曲線,為地下水地質(zhì)條件的定性解釋提供了良好的依據(jù)。

        5.3 基于該方法,可以通過(guò)改變模型的速度、厚度等參數(shù)來(lái)分析離散曲線,以便對(duì)地表起伏、溶洞、Macia間洞、采空區(qū)等復(fù)雜地質(zhì)條件進(jìn)行研究。

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