复杂介质结构中折射剖面资料的处理

复杂介质结构中折射剖面资料的处理

0地震地质解释的作用对活动的错误进行监测已成为城市规划、重大工程和城市民防灾害的重要因素之一，引起了政府部门和工程部门的广泛关注。在活动缺陷的检测中，地震方法是专业人员最常用的方法。活断层的地震探测主要有反射和折射2种方法,折射方法在解决一些特殊的地质构造任务时具有独特的作用,它可以补充反射方法资料的不足,使反射方法的地质解释容易进行,如用来追踪浅层界面或没有稳定反射的界面,寻找和追踪断层,研究构造顶部和确定折射层的地质年代等。传统的可应用于小数据量、简单结构模型的折射资料处理方法不能应用于城市活断层探测中的复杂介质结构模型;广义互换法或基于延迟时间的解释方法虽然可以处理非常不规则的折射层,但要求倾角不能太大;波前法在理论上可适用于任意复杂结构模型,但波场正演计算的困难却阻碍了这些方法的实际应用,而有限差分算法可应用于任意复杂结构模型波场的计算。本文用Lecomte等的有限差分波场计算方法作正演(Lecomteetal.,2000),用初至波建立速度结构模型,在此基础上,用哈格多恩折射波前成像原理(Hagedoorn,1959)重建折射界面,并用此方法对福州城市活断层折射探测试验中在义序完成的2条折射剖面资料进行处理。1基于惠更斯原理的有限差分算法Vidale基于一阶程函方程的有限差分解,用中心扩张法给出了复杂结构中波场的1种计算方法(Vidale,1988,1990),但在强速度对比模型中,波场发生奇变(Podvinetal.,1991)。为了解决这一问题,一些学者基于波场的物理特征,提出了若干改进方法(Podvinetal.,1991;Qinetal.,1992;Aldridgeetal.,1992;Holeetal.,1995;Afnimaretal.,2000;Lecomteetal.,2000)。在诸多方案中,尤以Lecomte等的算法最为成功。该算法基于波场的物理特征,全面应用惠更斯原理,不仅克服了最初有限差分算法产生的波场奇变,而且该算法稳定,计算速度快。我们首先对Hole的有限差分算法程序进行了改进,用Lecomte计算地震走时的5个算子代替Hole计算单个格点地震波到时的公式,然后用简单的2层模型计算走时,与用几何地震学方法计算的结果进行比较以检验该改进方法的有效性和精度。对于水平平界面均匀层和倾斜平界面均匀层2种模型,用边长为5m的正方形对模型(模型规模:10km×6km)进行网格化,上、下层的速度比为1∶4～1∶8,用几何地震学方法计算的首波走时与用改进的有限差分算法计算的首波走时之差,在水平平界面情况下最大误差为0.16ms;倾角为5°～40°的倾斜平界面情况下,最大误差为0.33ms;而用Hole的算法对这2种模型进行计算,水平和倾斜平界面情况下最大误差分别达1.75与3.71ms。由上面的计算可以看出,Lecomte算法明显优于Hole程序中所用的走时算法,比较计算结果也表明了改进方法的有效性。2复杂结构界面加减法哈格多恩(Hagedoorn,1959)从理论上已证明,对于相遇观测系统,折射界面位于正向传播波场走时和反向传播波场走时之和等于互换时间的点上,这就是著名的哈格多恩折射波前成像原理。哈格多恩根据几何地震学原理,给出了1种用相遇观测系统折射地震资料求取水平均匀层折射界面的几何作图法———加减法。这种方法不能应用于横向变化介质结构,Aldridge等(1992)对Vidale(1988)的有限差分算法进行了改进,给出了复杂结构中折射界面的1种自动重建方法。本文基于Lecomte的5个地震走时算子(Lecomteetal.,2000)对Hole等(1995)的程序进行了改进,用该方法做正演计算,可求出给定模型的正向传播走时场T(1)将原始记录转换成Promax所需的sgy格式。(2)用Promax提供的神经网络初至到时读取方法CCLA(Cascade—CorrelationLearningArchiture)读取初至波到时。(3)用折射波走时曲线的截距时间建立初始模型,然后用初至波走时反演建立速度模型,反演程序为Hole的反投影算法反演程序。(4)计算正、反向传播走时波场T(5)据T(6)用MATLAB成图。3福州折射试验数据的处理3.1炮点桩距及检波器接收情况在福州城市活断层折射探测试验中,在义序完成了2条折射剖面,2测线近EW走向,被1条宽约20m近SN走向的公路分开,其观测系统如图1所示。编号为SS4-1的剖面长285m,共布设4个炮点,炮点桩号分别为15,156,300与585(Shot1～4),接收范围为15～300m。桩号为15(Shot1),300(Shot3)的2炮构成相遇观测系统,记录如图2a,2b所示。编号为SS4-2的剖面长555m,剖面布设了9个炮点,桩距分别为-155m,0m,141m,285m与552m(Shot5～9)的5个炮点接收范围为0～285m,炮点桩号分别为0,270,411,552(Shot11～14)的4个炮点,接收范围为270～550m。分别在0桩号的2炮(Shot6,Shot11)和552桩号的2炮(Shot9,Shot14)构成相遇观测系统,记录如图3a,3b,3c,3d所示。2个剖面的道间距均为3m,96道60Hz检波器接收,仪器采样率为0.25ms。义序地处郊区,在施工中对交通和行人进行了管制,记录质量很好,拾得初至波到时1080个,用前述流程对资料进行了处理。3.2波前走时曲线拟合图4(图版Ⅰ)为SS4-1测线的初至波前图。有3组初至波,分别是盖层直达波,来自盖层底部和基岩顶部的折射波。图5(图版Ⅰ)为哈格多恩原理成像图。盖层P波速度从小桩号的0.75km/s增加到大桩号的1.5km/s。第2层和第3层为常速层,其P波速度值分别为3.4与5.0km/s。盖层厚度从0桩号的22.5m增加到285桩号的28m。图6(图版2)为初至波走时曲线拟合图。由图6可以看出,除第1炮大桩号资料干扰大、拟合结果较差外,其余各段观测走时与理论走时拟合较好。SS4-2测线的哈格多恩原理折射成像结果如图7(图版2)所示,波组与SS4-1类似,分别为盖层直达波、盖层底部和基岩顶部折射波,盖层厚度从0桩号的26m增加到552桩号的30m,P波速度在0～411桩号间为1.45km/s,在411～555桩号间为1.15km/s,第2层的速度在411桩号前后分别为2.6与2.0km/s,第3层顶界面速度为4.8km/s,最终走时拟合情况如图8(图版2)所示。SS4-1,SS4-2两测线结果表明,该区域浅层为3层结构,盖层的速度变化较大,根据P波速度,第2层可能为强风化层,速度为2～3.4km/s左右,第3层顶面为花岗岩质的基岩,P波速度为4.8～5.0km/s左右,其界面最深约为58m,最浅约为52m。4异常折射剖面的正演计算本文采用Lecomte的波场计算方法,对Hole的有限差分算法程序进行了改进。在此基础上,根据哈格多恩折射波前成像原理,开发出了1种复杂介质结构中折射资料的处理方法与软件,并用此方法对福州城市活断层折射探测试验中在义序完成的2条折射剖面资料进行了处理。Lecomte算法基于波场的物理特征进行波前扩张,克服了Vida