HRT4(层析成像))

1、5.弹性波层析技术 层析成像(CT)可选择声波速度层析成像(简称声波CT)和地震波速度层析成像(简称地震波CT)等弹性层析技术，也可选择电磁波吸收系数层析成像或电磁波速度层析成像(简称电磁波CT)等。被探测目的体与周边介质存在电性或波速差异，具有电性差异的应选用电磁波CT，具有波速差异的宜选择声波CT或地震波CT；同时存在电性和波速差异的可根据条件选择其中一种；当条件复杂时，可同时采用两种CT方法。成像区域周边至少两侧应具备钻孔、探洞及临空面等探测条件，被探测目的体宜相对位于扫描断面的中部，其规模大小与扫描范围具有可比性，异常体轮廓可由成像单元组合构成。下面主要介绍弹弹性层析技术。弹性层析技术

2、是在八十年代兴起，在近年得到迅速发展的一种地球物理反演解释方法。借鉴了医学上CT技术X射线断面扫描诊断的基本原理，利用大量的地震波信息进行特殊 的反演计算，从而得到被测区内岩体地震波速度分布规律。 与常规的弹性穿透波速测定相比，弹性层析成像技术具有较高的分辨率，更有助于全面细致地对岩体进行质量评价，圈定地质异常体的空间位置及分析岩体风化程度等。弹性波层析技术与弹性波测试方法相类似，有声波类和地震波类两种，虽然两种方法都是以弹性波在岩体内的传播特征为理论依据，但由于各有特点，可以相互补充，但不能彼此取代。5.1理论与方法 地球物理层析成像是在探测地质体外部发射物理信号（如声波、地震波、电磁波等）

3、，接收携带地质体内部信息的信号，利用计算机图像重建方法，重建物体内部二维或三维图像。该技术的最大特点是在不损坏物体的条件下，探知物体内部结构的几何形态和物理参数分布。其数学基础是Radon变换及其反变换，建立投影方程，利用数值方法求解方程组，重建地球物理参数图像。层析成像的目的是确定一个图像函数 ( , )f x y观测数据可以表示为它沿路径L的积分 ( , )( , )Ldf x y dl 其中 ( , )d 称为投影函数，变量 与波的入射角有关，与射线的路径有关。当 L为直线时， 即入射角， 为射线相对于坐标原点的法向距离，上式称为二维经典Radon变换； 当 L为曲线时，称其为沿曲线积分

4、的广义Radon变换。把图像划分为 J个互不重叠的象元，用象元内 ( , )f x y的平均值 jf代替 ( , )f x y，即可得到图像的数字化版。则1Jiijjijda fe1,2,.,iI式中 ija为第 条射线在 iij象元中的长度，数据 id可以是 迭代计算走时与实测走时之差， if是波速扰动， ie为数据观测误差。化为线性方程组，可表示为矩阵方程dAfe式中 A上是超定的，实际上可能是欠定的，其没有精确解，常用最小二乘法或最小范数准则获取解估计。对于方程 为大型稀疏矩阵，含有大量的零元素，方程表面dAfe表面上超定而实际上欠定的问题，以及数据误差影响的问题，用优化准则和正则化方法

5、解决。常用的大型稀疏矩阵方程组的数值解法有以下七种：直接反投影（BPT）、代数重建（ART）、联合迭代重建（SIRT）、最小共轭梯度法（LSCG）、正交变换投影法（LSQR）、正则化LSQR法（RLSQR）以及最大熵法。5.2观测系统选取 地震波层析成象观测系统可分为全方位观测系统、三边激发接收观测系统和单纯的跨孔激发观测系统三大类。理论分析和数值模拟试验结果证明全方位观测系统的成象效果最佳，三边激发接收观测系统次之。单纯的跨孔激发观测系统对沿井方向的二度异常体的探测能力、对三度异常体在垂直井方位的控制能力较低，特别是当井向探测范围较井间距为小时更是如此。观测系统布置对层析成象精度的影响的实质

6、是射线分布和投影角度的影响。 sssRRRsssRRRsssRRRRRRssRRsR全 方 位 观 测 系 统三 方 激 发 接 收 观 测 系 统井 间 观 测 系 统 在野外生产中不要说全方位观测系统无法布置，甚至三边激发接收观测系统也用不了。用得最多还是跨孔激发接收观测系统。为保证其探测能力，一般采用合适井深和井间距比，除了有足够射线透外，还应使透射线正交或有较大的交角。 跨孔激发接收观测系统又可分为全程激发接收观测系统（即一孔一点激发另一孔全孔接收），用于井深与井间距比小于2倍井间地震波层析成像测试；和叠加接收观测系统（多个全程激发接收观测系统叠加，重叠段为全程激发接收观测系统激发或接

7、收点的1/3）。用于井深与井间距比大于2倍井间地震波层析成像测试。 实例实例5-15-1：边坡松弛带探测：边坡松弛带探测 天龙湖水电站位于阿坝州藏族自治茂县较场乡境内。在岷江叠溪地震湖，小海子天然堰塞坝址上修坝、上游200米处取水、沿岷江右岸至小寨建厂发电。本区位于岷江山脉南部，地貌以侵蚀构造高中山为主，最高海拔高程4769米，相对高差10003000米，总的地势为北高南低。区内山高峻陡，河谷狭窄。天龙湖水电站取水口处为一高陡边坡，湖面高程2147.5米，坡顶2500米，高差为约350米，坡角为5060。 250024002300220010020030040050060025006号 平 硐

8、1号 平 硐湖 水 面地 表地 震 影 像 带地 震 影 像 激 发 段地 震 影 像 接 收 段高 程 （ 米 ）点 距 （ 米 ）地 震 影 像 布 置 示 意 图工程区位于松潘甘孜褶皱带的巴颜喀拉冒地槽褶皱带内、南邻后龙门山冒地槽褶皱带，东北邻杨子准地台的摩天岭台隆，靠近青藏高原东边界的岷江断裂。边坡岩体为志留系浅变质砂岩，结晶灰岩和碎屑岩。因多次构造错动，边坡十分破碎。为探测边坡岩体卸荷情况，在勘探平硐与山顶间作地震波层析成像测试工作。6号平硐长为146米，而它与山顶距离为350米，采用了全程激发接收观测系统，激发、接收点距为4米。地表激发，平硐内接收。采用仪器为吉林工业大学工程地质研

9、究所ES2404E型地震仪，软件为成都理工大学井间地震波层析成象程序。其地震波层析成像图如下：02 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 0-2 0 0-1 5 0-1 0 0-5 00-2 0 0-1 5 0-1 0 0-5 001 .8 01 .9 02 .0 02 .0 52 .1 02 .1 52 .2 02 .2 52 .3 0地表与P D 6 平硐间地震波层析成像影像图P D 6 平硐地表V p (k m /s )卸荷带 从地震波层析成像图可以准确地圈出边坡的卸荷带：即波速小于2050米/秒的阴影带。这从后期在坡顶处打勘探平硐时，当掘进30米，平硐出现

10、了严重跨塌得以证明。另外，通过计算，其射线分布图如下：射线不是直线而是弯曲的。 实例实例5-25-2：地基灌浆效果检测：地基灌浆效果检测 龙爪河引水工程是一座专为县城供水中型水利工程。拦河坝为浆砌条石坝顶溢流重力坝，最大坝高71.4米，溢流净宽40米。枢纽位于龙爪河左、右两支流的汇口下游80米处。 坝区为中切割台状低中山区，海拔高程10761200米，河谷狭窄呈“V”字型。谷底宽约35米，两岸多是悬崖绝壁，平均地形坡度6070。林木繁茂，植被良好。 坝区出露地层，除第四系覆盖层外，基岩为中生界白垩系夹关组下部地层（K2J1）及侏罗系上统蓬莱组（J3P）。坝基为J3P地层，为砂岩，泥岩及泥质粉砂

11、岩、粉砂质泥岩互层。坝区地层产状单一，局部层间有挠曲，总体上地层产状为走向NE25，倾向SE，倾角330。坝区末发现断层，但层间错动使岩体产生较多的软弱夹层及破碎带。层间剪切错动也使部份岩层产生厚度变化及相变。基础不能满足设计要求，进行了灌浆处理。采用声速测井，地震波层析成像等方法对灌浆效果进行了评价。 灌浆前、后都作了地震波层析成像测试。井间距为1012米，井深为1518米。采用了全程激发接收观测系统。激发、接收点距为0.5米。测试剖面基本上顺岩层走向。其地震波层析成像图如下： 024681 01 2-1 2-1 0-8-6-4-20-1 2-1 0-8-6-4-20M 2 2 右0 5 号

12、孔与M 2 6 右0 5 号地震影像图M 2 2 右0 5M 2 6 右0 5V p (k m /s)024681 01 21 4-1 8-1 6-1 4-1 2-1 0-8-6-4-1 8-1 6-1 4-1 2-1 0-8-6-4J K 2 5 号孔J K 2 4 号孔JK 2 5 号孔与JK 2 4 号孔间地震影像图1 .0 02 .0 03 .0 04 .0 05 .0 0(灌后)(灌前) 灌后出现了大于4000米/秒条带状高波速影像区，而灌前低速区受到压缩。两张地震波层析成像图对比可明显地看出灌浆的效果，但也反映低速的泥岩（泥岩破碎带）可灌性差。另外，条带状高波速影像也说明了灌浆浆液

13、主要沿层面裂隙渗透而扩散固结地层，这就是层状地层固结灌浆起固结作用的机制。实例实例5-35-3：闸墩质量检测：闸墩质量检测 白禅寺电航工程位于涪江下游，河谷开阔呈“U”字型。拦水坝由取水闸，14孔泄洪闸和堆石坝组成。建设完工后，进行了安检。在部份闸墩上打孔检测，因砼体质量差，进行了灌浆处理。灌浆完工后，利用检查孔作了单孔、双孔穿透声波测井和部份闸墩的地震波层析成像测试工作。双孔穿透声波测试孔间距为10米，采用仪器为长江工程地球物理勘测研究院制造的LX-A型岩土工程质量检测分析仪。纵波速度在4000米/秒，小值也在3000米/秒以上，测试结果基本上达到原定声波指标。地震波层析成像测试井间距为10

14、米，井深达37米，采用了叠加观测系统。地震波层析成像图上15米和26米深处可见条带状低速异常。推测闸墩在此深度有裂缝存在。这从在测试期间，向孔中注水时，闸墩15米左右（在水面以上）处外围出现喷水可以证明。从这个实例说明，地震波层析成像法能更准确更清楚判断闸墩质量缺陷的性质及部位。051 0-3 5-3 0-2 5-2 0-1 5-1 0-50-3 5-3 0-2 5-2 0-1 5-1 0-506 号墩051 0-3 5-3 0-2 5-2 0-1 5-1 0-50-3 5-3 0-2 5-2 0-1 5-1 0-509 号墩051 0-3 5-3 0-2 5-2 0-1 5-1 0-50-3 5-3 0-2 5-2 0-1 5-1 0-501 .5 02 .0 02 .5 02 .7 53 .0 03 .5 04 .0 01 0 号墩Vp(km/s)缺陷缺陷缺陷缺陷缺陷缺陷缺陷实例实例5-45-4：武都水库地震波层析成像成果图：武都水库地震波层析成像成果图高 程 （ m）平 距 （ m）JK33 JK35剖 面 弹 性 波 层 析 成 像