基于数值模拟分析的弹性波CT岩溶探测能力研究与应用.pdf
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1、工程地球物理学旅Vol.20,No.3第2 0 卷第3期2023年5月中文引用格式:罗术,金俊俊,甄大勇,等.基于数值模拟分析的弹性波CT岩溶探测能力研究与应用J.工程地球物理学报,2 0 2 3,2 0(3):330-336.英文引用格式:Luo Shu,Jin Junjun,Zhen Dayong,et al.Application of the elastic wave tomography in karst explorationJJ.Chinese Jour-CHINESE JOURNAL OF ENGINEERING GEOPHYSICSnal of Engineering Geo
2、physics,2023,20(3):330-336.May,2023基于数值模拟分析的弹性波CT岩溶探测能力研究与应用罗术,金俊俊,甄大勇,赵思为(1.云南省交通规划设计研究院,云南昆明6 50 0 0 0;2.中铁二院工程集团有限责任公司,四川成都6 10 0 31)摘要:岩溶勘探是工程地质勘察中的难点和重点。由于岩溶发育极不规律,并且城市轨道交通建设对岩溶勘察精度提出了更高的要求,使得岩溶勘探面临巨大的挑战。目前,岩溶勘察多采用钻探和物探相结合的勘探方法,其中弹性波CT(Ela s t i c W a v e Co m p u t e r i z e d T o m o g r a p
3、h y)利用初至波走时反演地层速度探测溶洞,相较于其他物探方法,具有更高的精度,但存在“低速色盲”陡倾层状异常难以探测、小规模溶洞分辨能力有限等问题。本文基于数值模拟分析探究弹性波CT岩溶探测能力,数值模拟分析结果表明:弹性波CT能够有效探测规模大于观测点距的溶洞异常;溶洞异常响应与其规模大小有关,规模越大,速度异常越显著;陡倾层状低速异常速度反演断面表现出“X型分布特征。为提高岩溶探测精度,建议综合弹性波CT单孔对无约束反演解译结果和钻探资料构建溶洞初始模型,再进行连剖面约束反演。通过将该方法应用于实际岩溶探测,并进行数值模拟对比论证,表明本文提出的反演方法能够有效提高复杂岩溶探测精度。关键
4、词:岩溶;数值模拟;探测能力;反演中图分类号:P631.4doi:10.3969/j.issn.1672-7940.2023.03.005文献标识码:A文章编号:16 7 2 7 940(2 0 2 3)0 30 330 0 7Application of the Elastic Wave Tomographyin Karst ExplorationLuo Shu,Ji n Ju n j u n,Zhen Dayong?,Zhao Siwei?(1.Yunnan Communications Consulting&Design Institute,Kunming Yunnan 650000,C
5、hina;2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd,Chengdu Sichuan 610031,China)Abstract:Due to the extremely irregular development of karst structures,and the higher re-quirements for the accuracy of karst exploration(widely known as the difficulty and key pointin engineering geological survey)i
6、n construction of urban rail transit,karst exploration is fa-收稿日期:2 0 2 2 12-12基金项目:云南省交通规划设计研究院有限公司科研项目(编号:ZL一2 0 2 0 一0 3)第一作者:罗术(198 3一),男,高级工程师,硕士,主要从事工程地球物理勘探应用与研究工作。E-mail:通讯作者:金俊俊(1993一),男,工程师,硕士,主要从事工程地球物理勘探应用与研究工作。E-第3期cing great challenges.At present,karst exploration mostly adopts the exp
7、loration methodcombining drilling and geophysical prospecting,among which,elastic wave computerizedtomography uses the travel time of the first arrival wave to invert the formation velocity todetect karst caves.Compared with other geophysical prospecting methods,it has higher ac-curacy,but coupled w
8、ith such problems as“low-speed color blindness,difficulty in detec-ting steep layered anomalies and limited resolution of small-scale caves.This paper ex-plores the karst detection ability of elastic wave CT based on numerical simulation analysis.The results of numerical simulation analysis show tha
9、t:elastic wave CT can effectivelydetect cave anomalies whose scale is larger than the distance between observation points;The anomalous response of the cave is related to its scale,the larger the scale,the moresignificant the velocity anomaly;The velocity inversion sections with steeply dipped lay-e
10、red low-velocity anomalies show“Xx distribution characteristics.In order to improve theaccuracy of karst detection,this paper proposes to combine the unconstrained inversion inter-pretation results of elastic wave CT and drilling data to construct the initial model of karstcave,and then carry out co
11、nstrained inversion with continuous section.By applying thismethod to actual karst detection,and comparing and demonstrating through numerical simu-lation,it shows that the inversion method proposed in this paper can effectively improve thedetection accuracy of complex karst.Key words:karst;numerica
12、l simulation;detection ability;inversion1 引 言我国岩溶发育地区分布十分广泛,随着国家铁路和城市轨道交通建设的不断发展,对高标准工程项目的需求日益增多,所面临的工程地质问题复杂性也日趋增大,对工程地质勘察的精度要求也越来越高。岩溶发育对工程建设会产生重大的地质影响。在工程建设中,岩溶探测精度直接关系后期施工安全和成本预算,以及运营阶段人民的生命财产安全。因此,准确探测岩溶发育形态、空间分布范围、规模大小已成为铁路及城市轨道交通建设的重要目标。现阶段,岩溶勘察主要采用钻探和物探相结合的勘察手段。钻探具有精度高但探测范围小的特点,物探则具有探测范围广但精度
13、有限的特点,综合两种勘探手段,取长补短,有利于提高岩溶勘察精度,为工程建设保驾护航。目前岩溶勘察物探方法较多,根据物理场的不同可分为电磁类方法和地震类方法。电磁类代表性物探方法包括瞬变电磁法、直流电法、电磁波透视法、地质雷达法等;地震类代表性物探方法包括微动法、瞬态源面波法、浅层反射法、弹性波CT(Ela s t ic W a v e罗术,等:基于数值模拟分析的弹性波CT岩溶探测能力研究与应用331Computerized Tomography)法等2 。弹性波 CT法采用井中激发一接收的探测方式,相较于地面地震类物探方法,激发、接收点位于目标地层内,更靠近异常,同时避免了近地表软土层对弹性波
14、的吸收衰减作用,使得探测分辨率得到极大的提高3。而电磁类物探方法受城市复杂电磁环境干扰严重,并且存在显著的体积效应,对溶洞探测精度有限。弹性波CT法起源于Radon于19 17 年提出的Radon变换,Radon变换的基本原理奠定了层析成像理论的数理基础。随着计算机技术的飞速发展,CT成像法在计算效率和计算精度方面都取得了长足的进步。初至波走时计算方法形成了基于高频近似射线理论的方法,如最短路径法(Shortest Path Method,SPM)4.5,基于程函方程数值解法的有限差分法(FiniteDifferenceMethod,FD)6.7、快速推进法(Fast MarchingMeth
15、od,FMM)8、快速扫描法(Fast SweepingMethod,FSM)9,基于惠更斯原理的波前构建法(Wavefront Construction,WFC)10),基于频率域波动方程数值解法(Frequency一domainWaveE-quation,FWQ1 等。弹性波CT成像广泛地应用于油气勘探地震332资料处理和井间地震12 ,煤炭资源勘探陷落柱、断层探测,水利领域堤坝缺陷探测、防渗墙检测13-15,桥隧勘探隧道围岩分级、岩溶探测16 1等。然而,弹性波CT方法本身也存在“低速色盲”、分辨力有限、陡倾层状异常难以探测等问题。对此,本文通过数值模拟,进一步分析弹性波CT探测岩溶反演
16、速度响应规律,为弹性波CT岩溶探测工程实践中的数据处理和解释提供参考。2弹性波 CT法基本原理工程地球物理学报(Chinese Journal of Engineering Geophysics)aT=s?(,y,z)(2)将图1中节点代入式(2)可得平面波外推公式:T+1.j+1=Ti,+/2(hs)-(Ti,+1-T+1,)(3)弹性波CT速度反演算法包括代数重建法、遗传算法、模拟退火法、阻尼最小二乘法等,各类方法特点不再赞述17-2 0 1第2 0 卷式(1)进一步展开可以得到式(2):弹性波CT法是利用观测到的初至波旅行时、振幅等信息反演介质速度、衰减系数等参数的物探方法。由于在实际应
17、用中,弹性波初至旅行时信息观测精度较高,通常利用初至波旅行时求取速度。弹性波CT计算介质速度包括初至波旅行时正演计算和速度反演计算两方面。本文以程函方程的有限差分数值求解方法为例介绍走时计算。高频弹性波波动方程经过化简得到程函方程:IVTI=s(1)利用有限差分方法求解程函方程便可以获得震源到介质中任一点初至波走时。首先将介质模型离散化为矩形网格,从震源点所在的单元网格出发,求解程函方程其他网格节点走时,并逐步扩展至所有网格节点上的走时,在获取所有网格单元节点走时数据后,从接收点出发沿最大梯度方向返回震源点,以此获得最小走时路径及相应走时。图1为程函方程有限差分方程求解示意图,Tu+L82T1
18、J图1程函方程有限差分求解示意图Fig.1 Schematic diagram of finite difference solutionof eikonal equation3数值模拟目前,城市轨道交通隧道多采用盾构机掘进,而隐伏岩溶使盾构机掘进过程中面临着巨大的安全风险。因此,盾构机进场前需要提前对岩溶进行处理,岩溶勘探精度既关系到施工阶段设备安全,又决定了工程成本预算。为了既能解决工程问题,又能高效地完成工程建设,需要进一步提高岩溶勘探精度。关于弹性波CT探测面临的问题已有众多学者进行了研究,主要包括低速不敏感、陡倾层状异常分辨能力差、小异常分辨能力弱以及观测误差影响等。这些问题均是客观
19、存在且无法回避的问题。对此,笔者认为在对上述问题有深刻认识之后,在生产实际中保持足够的警惕,综合多方面地质信息则可最大限度降低上述不利因素的影响,提高勘探精度。因此,笔者拟从正演模拟入手,探究弹性波CT针对小规模低速异常、陡倾层状异常的响应规律,以指导实际生产应用。3.1小型溶洞异常为了探究弹性波CT对不同规模大小溶洞的分辨能力,本文建立如图2(a)所示的物理模型,1+1Jj+1模型参数、观测系统及子波主频均参考实际设置。其中,模型大小为15mX30m,模型背景速度取T.J4500m/s代表灰岩,并放置3个速度为150 0 m/s的矩形代表溶洞,溶洞规模分别取0.5m0.5 m、1 m 1 m
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