首先通過扇形觀測系統獲取鉆孔或平硐的首波走時數據(ti),然后通過求解大型矩陣方程來獲取兩孔之間速度剖面圖像,根據速度剖面圖像可以直觀準確地判斷異常體大小分布。層析成像中的反演方法可分為線性方法和非線性方法兩種,非線性方法主要有:遺傳算法、模擬退火法和神經網絡法等。在體波層析成像中,使用線性反演方法的較多,如奇異值分解法(SVD)、共軛梯度法(CG)和最小二乘法(LSQR)等(見圖2)。典型的聯合迭代圖像重建法(SIRT)不利于同一迭代的第j條射線的修改值來計算第j+1條射線的修改值,而是把第k輪迭代中由所有射線得到的修改值保存起來,在本輪對射線迭代結束時求某種平均$f,然后由fk+1=fk+$f對每個象元的慢度作修改,并留作下一輪迭代使用。最小二乘法(LSQR)求解的是ATAx=ATb,具有計算量小的優點,并且能很容易地利用矩陣的稀疏性簡化計算,因而適合求解大型稀疏問題。

數值模擬

本文為了比較SIRT算法和LSQR算法求解大型稀疏矩陣方程的能力,建立如圖3所示模型進行速度層析成像反演。左邊設置4個激發點,右邊12個檢波點接收。模型背景速度為3000m/s,異常區域速度分別為5000m/s和2000m/s,其反演結果見圖4。從圖4中分析得出,在SIRT算法中,獲得的數據量較少,而未知像素較多,得到的系數矩陣通常是大型的稀疏矩陣,因而方程組都是欠定的,甚至是嚴重欠定的。所以采用SIRT的反演方法,波速異常區域雖然可以大致反映出來,但與原始模型有一定誤差,如右圖中較小的速度變大,較大的速度變小,此誤差源于SIRT方法的局限性;LSQR的反演方法,具有數值穩定、能充分利用矩陣稀疏性減少計算量等特點,所以采用LSQR法取得了較好的結果,波速異常區域在圖4(a)中明顯反映出來,與原始模型吻合,且波速誤差較小。通過兩種算法模型的對比分析得出,LSQR算法在精度、效率和穩定性三個方面都能達到較好的平衡,運用LSQR算法進行層析處理能獲得較為滿意的圖像。

工程實例

1.工區概況及勘探目的

壩址區地層主要出露因民組(Pyt2)和落雪組(Plt2)兩組地層,為一套淺變質的碳酸鹽巖。壩址發育的地表巖溶類型有:溶縫、溶溝、溶槽、溶洞、溶蝕洼地。本次地震CT探測主要目的是探查壩址區右岸K25巖溶區發育分布情況。巖體中彈性波的傳播特征主要取決于巖體的物理力學性質,除本身強度外,在很大程度上受巖體結構面性質及其組合關系的控制。受風化卸荷影響的巖體,其物理力學性質及強度與新鮮基巖存在較大差異,且風化與卸荷程度不同的巖體結構和強度也會不同,這些差異和變化都可以通過CT成像中的波速分布情況來判斷。該水電站平硐、鉆孔聲波測試成果表明,堅硬完整的碳酸鹽巖聲波速度較高,一般在5000m/s左右,受溶洞的影響,則呈現低波速,一般在3500m/s以下,這種明顯的波速差異為平硐地震CT法的應用提供了地球物理前提。

2.工作方法及成果分析

本次地震CT采用一硐發射、另一硐接收的觀測方式。具體步驟是觀測射線網絡;根據射線的疏密程度及成像精度劃分規則的成像單元;運用射線追蹤理論橢圓約束法;采用的最小二乘法形成被測區域的波速圖像;根據圖像中的波速分布情況來重建探測區域內巖體空間分布。信號采集器為R24地震儀,以及與之配套的高靈敏地震檢波器。激發方式采用炸藥震源,采樣間隔100us,道間距為310m,主頻30kHz檢波器接收做全硐觀測。圖5為右岸850m高程地震CT成果圖,測試區域跨PD56、PD58和LPD24平硐,由剖面的波速圖像可看到,完整性較好的巖體波速以4000~5000m/s為主,而位于PD58平硐硐深22m左右的上游硐壁附近,存在波速為2000~2250m/s低速異常區(k25)。后通過對此低速異常區進行開挖驗證,近似橢圓型巖溶區,其內溶蝕角礫發育、有泥質填充,與周圍巖體速度差異大,異常明顯。利用硐間層析成像技術,直觀劃分了巖體速度分布情況,準確的探明了巖溶發育區的空間分布及走向情況。

3.與平硐波速測試對比

圖6為PD58平硐內進行的地震波速、單孔聲波及跨孔聲波的巖體波速測試。從圖中可以看出,三種方法得到的巖體波速大致呈相同的趨勢,位于PD58平硐硐深20m左右的位置都出現明顯速度降低,與地震CT探測成果相吻合。

結語

本文利用硐間層析成像技術,直觀準確地判斷了巖溶發育區某水電站右岸壩址區巖體質量,探明了喀斯特洞穴的空間分布及走向情況,為水電站壩址設計提供了必要的地球物理參數。層析成像成果與該地區單孔聲波及跨孔聲波所測的巖體波速相吻合,表明了地震層析成像技術是一種高分辨率探測巖溶發育區的有效手段。(1)CT圖像重建與許多因素有關,在反演方法上,進行了模型試算,得出最小二乘正交分解法(LSQR)的效果較聯合迭代重建法(SIRT)有一定的提高,LSQR算法在精度、效率和穩定性三個方面都能達到較好的平衡。(2)在巖溶地區的工程勘察中,地震層析成像技術在劃分巖體速度分布情況及探查巖溶或者巖體破碎帶等方面具有良好的效果,并與地震波CT和單孔聲波測試、跨孔聲波測試等物探方法吻合較好,表明了地震層析成像技術是一種高分辨率探測巖溶發育區的有效手段。（本文圖、公式略）

本文作者：譚顯江 付小明 丁亮清 余志奇 劉濤 單位：武漢 長江工程地球物理勘測武漢有限公司 武漢市政工程設計研究院有限責任公司