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同度物探SSP地震散射技术的原理及测试方法

2024-02-06科学

SSP地震散射剖面技术是近年发展起来新的观测与资料处理方法,其以波动传播的逆散射成像技术为基础,当地震波入射到波阻抗变化的异常体时,异常体作为新的被动震源向周围介质散射能量。根据观测到的散射波的运动学与动力学记录确定异常体的位置、形状与力学性状。 SSP技术 是适合山区复杂地质条件的浅层地震剖面技术,它可同时确定岩土介质的波速分布和岩土界面的位置与形态,可展现垂直剖面内岩、土介质波速的分布、岩土界面深度与形态,结果图像直观、分辨率高。实际应用中,该技术曾在汶川地震灾区边坡勘察中已取得了很好的效果。

SSP技术的原理及测试方法

SSP地震散射技术的理论基础是地震波传播的散射理论。岩土介质中地震波的传播满足波动方程:

(2-1)

当地震波遇到岩性变化、地质构造等波阻抗变化界面时发生反射和散射,反射和散射波返回到接收点时被记录下来,成为反射和散射记录。反射波产生于大尺度的界面,散射波产生在变化急剧的小尺度局部异常体。用a(r)表示小尺度局部异常强度,称为散射强度。散射强度定义为异常体波速与背景波速的平方差异的百分比,用异常强度分布表征地质结构的不均匀特征。a(r)的规则排列可反应大的反射界面。波速平方的差异实际上表征介质模量的差异。在此定义下介质的波动方程可表为:

(2-2)

其中U为总的地震波场,它是由入射波场和反射波场Ur和散射波场Us之和组成:

(2-3)

将2-3式带入到2-2式,并考虑通常条件下散射波场比入射场与反射弱得多,采用波恩BORN近似,可得到入射波、反射波和散射波分别满足的方程(2-4)和(2-5):

(2-5)

(2-4)式是入射波和反射波满足的方程,(2-5)式是散射波满足的方程。以上分析说明,实际的地震记录中,是入射波、反射波和散射波的叠加,反射波产生于大尺度界面,散射波铲射关于小尺度异常体。散射波方程表明散射波是一个被动有源场,异常体的作用相当于一个被动的场源,在入射波惯性力的激励下产生散射波。通过接收散射波就可以确定域内散射点的位置,散射能量的大小、散射点的力学性状。反射波研究的是大尺度反射界面,散射波研究的是孤立散射点,散射点的集合可追踪反射面。

石油与煤炭等资源勘探中,关心的是比波长大得多的大尺度构造,因而主要研究反射波,发展起反射地震勘探技术。在工程勘察与工程检测中,地质对象与工程对象的尺度与波长相当,地质灾害体与工程缺陷往往是孤立体,尺度不大,不能形成强烈反射,不能用反射理论处理,更适合散射理论。因而在工程物探领域有必要开展散射波传播规律的研究和相应的资料处理技术,充分反映具有层状和不连续体两种特性的混合结构特征。采空区内煤层缺失、顶板塌落、上覆地层变形开裂,造成局部剧烈变化。采空区的地质特点不能仅用反射理论来研究,应该使用反射+散射混合模型。TST和SSP技术正是建立在反射+散射混合模型基础上的地震勘探新技术,原本用于隧道内的地质超前预报,现采用地表观测方式,用于煤矿采空区的探测。

SSP地震散射剖面技术的观测布置是根据波速分析和二维视速度滤波的要求设计的,是一个空间观测系统。该方法在地表布置地震观测剖面,激发点(炮点)距一般取6-8m,接收点距2-4m。实际观测中使用12-24道地震仪,检波器埋入深度20-50cm,本次测试采用锤击激震。

这项研究表明散射地震技术比反射地震技术更适合山区复杂地质条件的地震勘探,为山区的地震勘探探索出一条新的途径。