復(fù)雜介質(zhì)結(jié)構(gòu)中折射剖面資料的處理

復(fù)雜介質(zhì)結(jié)構(gòu)中折射剖面資料的處理

0地震地質(zhì)解釋的作用對活動的錯誤進行監(jiān)測已成為城市規(guī)劃、重大工程和城市民防災(zāi)害的重要因素之一，引起了政府部門和工程部門的廣泛關(guān)注。在活動缺陷的檢測中，地震方法是專業(yè)人員最常用的方法?；顢鄬拥牡卣鹛綔y主要有反射和折射2種方法,折射方法在解決一些特殊的地質(zhì)構(gòu)造任務(wù)時具有獨特的作用,它可以補充反射方法資料的不足,使反射方法的地質(zhì)解釋容易進行,如用來追蹤淺層界面或沒有穩(wěn)定反射的界面,尋找和追蹤斷層,研究構(gòu)造頂部和確定折射層的地質(zhì)年代等。傳統(tǒng)的可應(yīng)用于小數(shù)據(jù)量、簡單結(jié)構(gòu)模型的折射資料處理方法不能應(yīng)用于城市活斷層探測中的復(fù)雜介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型;廣義互換法或基于延遲時間的解釋方法雖然可以處理非常不規(guī)則的折射層,但要求傾角不能太大;波前法在理論上可適用于任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型,但波場正演計算的困難卻阻礙了這些方法的實際應(yīng)用,而有限差分算法可應(yīng)用于任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型波場的計算。本文用Lecomte等的有限差分波場計算方法作正演(Lecomteetal.,2000),用初至波建立速度結(jié)構(gòu)模型,在此基礎(chǔ)上,用哈格多恩折射波前成像原理(Hagedoorn,1959)重建折射界面,并用此方法對福州城市活斷層折射探測試驗中在義序完成的2條折射剖面資料進行處理。1基于惠更斯原理的有限差分算法Vidale基于一階程函方程的有限差分解,用中心擴張法給出了復(fù)雜結(jié)構(gòu)中波場的1種計算方法(Vidale,1988,1990),但在強速度對比模型中,波場發(fā)生奇變(Podvinetal.,1991)。為了解決這一問題,一些學(xué)者基于波場的物理特征,提出了若干改進方法(Podvinetal.,1991;Qinetal.,1992;Aldridgeetal.,1992;Holeetal.,1995;Afnimaretal.,2000;Lecomteetal.,2000)。在諸多方案中,尤以Lecomte等的算法最為成功。該算法基于波場的物理特征,全面應(yīng)用惠更斯原理,不僅克服了最初有限差分算法產(chǎn)生的波場奇變,而且該算法穩(wěn)定,計算速度快。我們首先對Hole的有限差分算法程序進行了改進,用Lecomte計算地震走時的5個算子代替Hole計算單個格點地震波到時的公式,然后用簡單的2層模型計算走時,與用幾何地震學(xué)方法計算的結(jié)果進行比較以檢驗該改進方法的有效性和精度。對于水平平界面均勻?qū)雍蛢A斜平界面均勻?qū)?種模型,用邊長為5m的正方形對模型(模型規(guī)模:10km×6km)進行網(wǎng)格化,上、下層的速度比為1∶4～1∶8,用幾何地震學(xué)方法計算的首波走時與用改進的有限差分算法計算的首波走時之差,在水平平界面情況下最大誤差為0.16ms;傾角為5°～40°的傾斜平界面情況下,最大誤差為0.33ms;而用Hole的算法對這2種模型進行計算,水平和傾斜平界面情況下最大誤差分別達1.75與3.71ms。由上面的計算可以看出,Lecomte算法明顯優(yōu)于Hole程序中所用的走時算法,比較計算結(jié)果也表明了改進方法的有效性。2復(fù)雜結(jié)構(gòu)界面加減法哈格多恩(Hagedoorn,1959)從理論上已證明,對于相遇觀測系統(tǒng),折射界面位于正向傳播波場走時和反向傳播波場走時之和等于互換時間的點上,這就是著名的哈格多恩折射波前成像原理。哈格多恩根據(jù)幾何地震學(xué)原理,給出了1種用相遇觀測系統(tǒng)折射地震資料求取水平均勻?qū)诱凵浣缑娴膸缀巫鲌D法———加減法。這種方法不能應(yīng)用于橫向變化介質(zhì)結(jié)構(gòu),Aldridge等(1992)對Vidale(1988)的有限差分算法進行了改進,給出了復(fù)雜結(jié)構(gòu)中折射界面的1種自動重建方法。本文基于Lecomte的5個地震走時算子(Lecomteetal.,2000)對Hole等(1995)的程序進行了改進,用該方法做正演計算,可求出給定模型的正向傳播走時場T(1)將原始記錄轉(zhuǎn)換成Promax所需的sgy格式。(2)用Promax提供的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初至到時讀取方法CCLA(Cascade—CorrelationLearningArchiture)讀取初至波到時。(3)用折射波走時曲線的截距時間建立初始模型,然后用初至波走時反演建立速度模型,反演程序為Hole的反投影算法反演程序。(4)計算正、反向傳播走時波場T(5)據(jù)T(6)用MATLAB成圖。3福州折射試驗數(shù)據(jù)的處理3.1炮點樁距及檢波器接收情況在福州城市活斷層折射探測試驗中,在義序完成了2條折射剖面,2測線近EW走向,被1條寬約20m近SN走向的公路分開,其觀測系統(tǒng)如圖1所示。編號為SS4-1的剖面長285m,共布設(shè)4個炮點,炮點樁號分別為15,156,300與585(Shot1～4),接收范圍為15～300m。樁號為15(Shot1),300(Shot3)的2炮構(gòu)成相遇觀測系統(tǒng),記錄如圖2a,2b所示。編號為SS4-2的剖面長555m,剖面布設(shè)了9個炮點,樁距分別為-155m,0m,141m,285m與552m(Shot5～9)的5個炮點接收范圍為0～285m,炮點樁號分別為0,270,411,552(Shot11～14)的4個炮點,接收范圍為270～550m。分別在0樁號的2炮(Shot6,Shot11)和552樁號的2炮(Shot9,Shot14)構(gòu)成相遇觀測系統(tǒng),記錄如圖3a,3b,3c,3d所示。2個剖面的道間距均為3m,96道60Hz檢波器接收,儀器采樣率為0.25ms。義序地處郊區(qū),在施工中對交通和行人進行了管制,記錄質(zhì)量很好,拾得初至波到時1080個,用前述流程對資料進行了處理。3.2波前走時曲線擬合圖4(圖版Ⅰ)為SS4-1測線的初至波前圖。有3組初至波,分別是蓋層直達波,來自蓋層底部和基巖頂部的折射波。圖5(圖版Ⅰ)為哈格多恩原理成像圖。蓋層P波速度從小樁號的0.75km/s增加到大樁號的1.5km/s。第2層和第3層為常速層,其P波速度值分別為3.4與5.0km/s。蓋層厚度從0樁號的22.5m增加到285樁號的28m。圖6(圖版2)為初至波走時曲線擬合圖。由圖6可以看出,除第1炮大樁號資料干擾大、擬合結(jié)果較差外,其余各段觀測走時與理論走時擬合較好。SS4-2測線的哈格多恩原理折射成像結(jié)果如圖7(圖版2)所示,波組與SS4-1類似,分別為蓋層直達波、蓋層底部和基巖頂部折射波,蓋層厚度從0樁號的26m增加到552樁號的30m,P波速度在0～411樁號間為1.45km/s,在411～555樁號間為1.15km/s,第2層的速度在411樁號前后分別為2.6與2.0km/s,第3層頂界面速度為4.8km/s,最終走時擬合情況如圖8(圖版2)所示。SS4-1,SS4-2兩測線結(jié)果表明,該區(qū)域淺層為3層結(jié)構(gòu),蓋層的速度變化較大,根據(jù)P波速度,第2層可能為強風(fēng)化層,速度為2～3.4km/s左右,第3層頂面為花崗巖質(zhì)的基巖,P波速度為4.8～5.0km/s左右,其界面最深約為58m,最淺約為52m。4異常折射剖面的正演計算本文采用Lecomte的波場計算方法,對Hole的有限差分算法程序進行了改進。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)哈格多恩折射波前成像原理,開發(fā)出了1種復(fù)雜介質(zhì)結(jié)構(gòu)中折射資料的處理方法與軟件,并用此方法對福州城市活斷層折射探測試驗中在義序完成的2條折射剖面資料進行了處理。Lecomte算法基于波場的物理特征進行波前擴張,克服了Vida