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同度物探SSP地震散射技術的原理及測試方法

2024-02-06科學

SSP地震散射剖面技術是近年發展起來新的觀測與資料處理方法,其以波動傳播的逆散射成像技術為基礎,當地震波入射到波阻抗變化的異常體時,異常體作為新的被動震源向周圍介質散射能量。根據觀測到的散射波的運動學與動力學記錄確定異常體的位置、形狀與力學性狀。 SSP技術 是適合山區復雜地質條件的淺層地震剖面技術,它可同時確定巖土介質的波速分布和巖土界面的位置與形態,可展現垂直剖面內巖、土介質波速的分布、巖土界面深度與形態,結果影像直觀、分辨率高。實際套用中,該技術曾在汶川地震災區邊坡勘察中已取得了很好的效果。

SSP技術的原理及測試方法

SSP地震散射技術的理論基礎是地震波傳播的散射理論。巖土介質中地震波的傳播滿足波動方程式:

(2-1)

當地震波遇到巖性變化、地質構造等波阻抗變化界面時發生反射和散射,反射和散射波返回到接收點時被記錄下來,成為反射和散射記錄。反射波產生於大尺度的界面,散射波產生在變化急劇的小尺度局部異常體。用a(r)表示小尺度局部異常強度,稱為散射強度。散射強度定義為異常體波速與背景波速的平變異數異的百分比,用異常強度分布表征地質結構的不均勻特征。a(r)的規則排列可反應大的反射界面。波速平方的差異實際上表征介質模量的差異。在此定義下介質的波動方程式可表為:

(2-2)

其中U為總的地震波場,它是由入射波場和反射波場Ur和散射波場Us之和組成:

(2-3)

將2-3式帶入到2-2式,並考慮通常條件下散射波場比入射場與反射弱得多,采用波恩BORN近似,可得到入射波、反射波和散射波分別滿足的方程式(2-4)和(2-5):

(2-5)

(2-4)式是入射波和反射波滿足的方程式,(2-5)式是散射波滿足的方程式。以上分析說明,實際的地震記錄中,是入射波、反射波和散射波的疊加,反射波產生於大尺度界面,散射波鏟射關於小尺度異常體。散射波方程式表明散射波是一個被動有源場,異常體的作用相當於一個被動的場源,在入射波慣性力的激勵下產生散射波。透過接收散射波就可以確定域內散射點的位置,散射能量的大小、散射點的力學性狀。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點,散射點的集合可追蹤反射面。

石油與煤炭等資源勘探中,關心的是比波長大得多的大尺度構造,因而主要研究反射波,發展起反射地震勘探技術。在工程勘察與工程檢測中,地質物件與工程物件的尺度與波長相當,地質災害體與工程缺陷往往是孤立體,尺度不大,不能形成強烈反射,不能用反射理論處理,更適合散射理論。因而在工程物探領域有必要開展散射波傳播規律的研究和相應的資料處理技術,充分反映具有層狀和不連續體兩種特性的混合結構特征。采空區內煤層缺失、頂板塌落、上覆地層變形開裂,造成局部劇烈變化。采空區的地質特點不能僅用反射理論來研究,應該使用反射+散射混合模型。TST和SSP技術正是建立在反射+散射混合模型基礎上的地震勘探新技術,原本用於隧道內的地質超前預報,現采用地表觀測方式,用於煤礦采空區的探測。

SSP地震散射剖面技術的觀測布置是根據波速分析和二維視速度濾波的要求設計的,是一個空間觀測系統。該方法在地表布置地震觀測剖面,激發點(炮點)距一般取6-8m,接收點距2-4m。實際觀測中使用12-24道地震儀,檢波器埋入深度20-50cm,本次測試采用錘擊激震。

這項研究表明散射地震技術比反射地震技術更適合山區復雜地質條件的地震勘探,為山區的地震勘探探索出一條新的途徑。