HRT4(層析成像))

1、5.彈性波層析技術(shù) 層析成像(CT)可選擇聲波速度層析成像(簡(jiǎn)稱(chēng)聲波CT)和地震波速度層析成像(簡(jiǎn)稱(chēng)地震波CT)等彈性層析技術(shù)，也可選擇電磁波吸收系數(shù)層析成像或電磁波速度層析成像(簡(jiǎn)稱(chēng)電磁波CT)等。被探測(cè)目的體與周邊介質(zhì)存在電性或波速差異，具有電性差異的應(yīng)選用電磁波CT，具有波速差異的宜選擇聲波CT或地震波CT；同時(shí)存在電性和波速差異的可根據(jù)條件選擇其中一種；當(dāng)條件復(fù)雜時(shí)，可同時(shí)采用兩種CT方法。成像區(qū)域周邊至少兩側(cè)應(yīng)具備鉆孔、探洞及臨空面等探測(cè)條件，被探測(cè)目的體宜相對(duì)位于掃描斷面的中部，其規(guī)模大小與掃描范圍具有可比性，異常體輪廓可由成像單元組合構(gòu)成。下面主要介紹彈彈性層析技術(shù)。彈性層析技術(shù)

2、是在八十年代興起，在近年得到迅速發(fā)展的一種地球物理反演解釋方法。借鑒了醫(yī)學(xué)上CT技術(shù)X射線斷面掃描診斷的基本原理，利用大量的地震波信息進(jìn)行特殊 的反演計(jì)算，從而得到被測(cè)區(qū)內(nèi)巖體地震波速度分布規(guī)律。 與常規(guī)的彈性穿透波速測(cè)定相比，彈性層析成像技術(shù)具有較高的分辨率，更有助于全面細(xì)致地對(duì)巖體進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，圈定地質(zhì)異常體的空間位置及分析巖體風(fēng)化程度等。彈性波層析技術(shù)與彈性波測(cè)試方法相類(lèi)似，有聲波類(lèi)和地震波類(lèi)兩種，雖然兩種方法都是以彈性波在巖體內(nèi)的傳播特征為理論依據(jù)，但由于各有特點(diǎn)，可以相互補(bǔ)充，但不能彼此取代。5.1理論與方法 地球物理層析成像是在探測(cè)地質(zhì)體外部發(fā)射物理信號(hào)（如聲波、地震波、電磁波等）

3、，接收攜帶地質(zhì)體內(nèi)部信息的信號(hào)，利用計(jì)算機(jī)圖像重建方法，重建物體內(nèi)部二維或三維圖像。該技術(shù)的最大特點(diǎn)是在不損壞物體的條件下，探知物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)和物理參數(shù)分布。其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是Radon變換及其反變換，建立投影方程，利用數(shù)值方法求解方程組，重建地球物理參數(shù)圖像。層析成像的目的是確定一個(gè)圖像函數(shù) ( , )f x y觀測(cè)數(shù)據(jù)可以表示為它沿路徑L的積分 ( , )( , )Ldf x y dl 其中 ( , )d 稱(chēng)為投影函數(shù)，變量 與波的入射角有關(guān)，與射線的路徑有關(guān)。當(dāng) L為直線時(shí)， 即入射角， 為射線相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的法向距離，上式稱(chēng)為二維經(jīng)典Radon變換； 當(dāng) L為曲線時(shí)，稱(chēng)其為沿曲線積分

4、的廣義Radon變換。把圖像劃分為 J個(gè)互不重疊的象元，用象元內(nèi) ( , )f x y的平均值 jf代替 ( , )f x y，即可得到圖像的數(shù)字化版。則1Jiijjijda fe1,2,.,iI式中 ija為第 條射線在 iij象元中的長(zhǎng)度，數(shù)據(jù) id可以是 迭代計(jì)算走時(shí)與實(shí)測(cè)走時(shí)之差， if是波速擾動(dòng)， ie為數(shù)據(jù)觀測(cè)誤差?；癁榫€性方程組，可表示為矩陣方程dAfe式中 A上是超定的，實(shí)際上可能是欠定的，其沒(méi)有精確解，常用最小二乘法或最小范數(shù)準(zhǔn)則獲取解估計(jì)。對(duì)于方程 為大型稀疏矩陣，含有大量的零元素，方程表面dAfe表面上超定而實(shí)際上欠定的問(wèn)題，以及數(shù)據(jù)誤差影響的問(wèn)題，用優(yōu)化準(zhǔn)則和正則化方法

5、解決。常用的大型稀疏矩陣方程組的數(shù)值解法有以下七種：直接反投影（BPT）、代數(shù)重建（ART）、聯(lián)合迭代重建（SIRT）、最小共軛梯度法（LSCG）、正交變換投影法（LSQR）、正則化LSQR法（RLSQR）以及最大熵法。5.2觀測(cè)系統(tǒng)選取 地震波層析成象觀測(cè)系統(tǒng)可分為全方位觀測(cè)系統(tǒng)、三邊激發(fā)接收觀測(cè)系統(tǒng)和單純的跨孔激發(fā)觀測(cè)系統(tǒng)三大類(lèi)。理論分析和數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果證明全方位觀測(cè)系統(tǒng)的成象效果最佳，三邊激發(fā)接收觀測(cè)系統(tǒng)次之。單純的跨孔激發(fā)觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)沿井方向的二度異常體的探測(cè)能力、對(duì)三度異常體在垂直井方位的控制能力較低，特別是當(dāng)井向探測(cè)范圍較井間距為小時(shí)更是如此。觀測(cè)系統(tǒng)布置對(duì)層析成象精度的影響的實(shí)質(zhì)

6、是射線分布和投影角度的影響。 sssRRRsssRRRsssRRRRRRssRRsR全 方 位 觀 測(cè) 系 統(tǒng)三 方 激 發(fā) 接 收 觀 測(cè) 系 統(tǒng)井 間 觀 測(cè) 系 統(tǒng) 在野外生產(chǎn)中不要說(shuō)全方位觀測(cè)系統(tǒng)無(wú)法布置，甚至三邊激發(fā)接收觀測(cè)系統(tǒng)也用不了。用得最多還是跨孔激發(fā)接收觀測(cè)系統(tǒng)。為保證其探測(cè)能力，一般采用合適井深和井間距比，除了有足夠射線透外，還應(yīng)使透射線正交或有較大的交角。 跨孔激發(fā)接收觀測(cè)系統(tǒng)又可分為全程激發(fā)接收觀測(cè)系統(tǒng)（即一孔一點(diǎn)激發(fā)另一孔全孔接收），用于井深與井間距比小于2倍井間地震波層析成像測(cè)試；和疊加接收觀測(cè)系統(tǒng)（多個(gè)全程激發(fā)接收觀測(cè)系統(tǒng)疊加，重疊段為全程激發(fā)接收觀測(cè)系統(tǒng)激發(fā)或接

7、收點(diǎn)的1/3）。用于井深與井間距比大于2倍井間地震波層析成像測(cè)試。 實(shí)例實(shí)例5-15-1：邊坡松弛帶探測(cè)：邊坡松弛帶探測(cè) 天龍湖水電站位于阿壩州藏族自治茂縣較場(chǎng)鄉(xiāng)境內(nèi)。在岷江疊溪地震湖，小海子天然堰塞壩址上修壩、上游200米處取水、沿岷江右岸至小寨建廠發(fā)電。本區(qū)位于岷江山脈南部，地貌以侵蝕構(gòu)造高中山為主，最高海拔高程4769米，相對(duì)高差10003000米，總的地勢(shì)為北高南低。區(qū)內(nèi)山高峻陡，河谷狹窄。天龍湖水電站取水口處為一高陡邊坡，湖面高程2147.5米，坡頂2500米，高差為約350米，坡角為5060。 250024002300220010020030040050060025006號(hào) 平 硐

8、1號(hào) 平 硐湖 水 面地 表地 震 影 像 帶地 震 影 像 激 發(fā) 段地 震 影 像 接 收 段高 程 （ 米 ）點(diǎn) 距 （ 米 ）地 震 影 像 布 置 示 意 圖工程區(qū)位于松潘甘孜褶皺帶的巴顏喀拉冒地槽褶皺帶內(nèi)、南鄰后龍門(mén)山冒地槽褶皺帶，東北鄰楊子準(zhǔn)地臺(tái)的摩天嶺臺(tái)隆，靠近青藏高原東邊界的岷江斷裂。邊坡巖體為志留系淺變質(zhì)砂巖，結(jié)晶灰?guī)r和碎屑巖。因多次構(gòu)造錯(cuò)動(dòng)，邊坡十分破碎。為探測(cè)邊坡巖體卸荷情況，在勘探平硐與山頂間作地震波層析成像測(cè)試工作。6號(hào)平硐長(zhǎng)為146米，而它與山頂距離為350米，采用了全程激發(fā)接收觀測(cè)系統(tǒng)，激發(fā)、接收點(diǎn)距為4米。地表激發(fā)，平硐內(nèi)接收。采用儀器為吉林工業(yè)大學(xué)工程地質(zhì)研

9、究所ES2404E型地震儀，軟件為成都理工大學(xué)井間地震波層析成象程序。其地震波層析成像圖如下：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地表與P D 6 平硐間地震波層析成像影像圖P D 6 平硐地表V p (k m /s )卸荷帶 從地震波層析成像圖可以準(zhǔn)確地圈出邊坡的卸荷帶：即波速小于2050米/秒的陰影帶。這從后期在坡頂處打勘探平硐時(shí)，當(dāng)掘進(jìn)30米，平硐出現(xiàn)

10、了嚴(yán)重跨塌得以證明。另外，通過(guò)計(jì)算，其射線分布圖如下：射線不是直線而是彎曲的。 實(shí)例實(shí)例5-25-2：地基灌漿效果檢測(cè)：地基灌漿效果檢測(cè) 龍爪河引水工程是一座專(zhuān)為縣城供水中型水利工程。攔河壩為漿砌條石壩頂溢流重力壩，最大壩高71.4米，溢流凈寬40米。樞紐位于龍爪河左、右兩支流的匯口下游80米處。 壩區(qū)為中切割臺(tái)狀低中山區(qū)，海拔高程10761200米，河谷狹窄呈“V”字型。谷底寬約35米，兩岸多是懸崖絕壁，平均地形坡度6070。林木繁茂，植被良好。 壩區(qū)出露地層，除第四系覆蓋層外，基巖為中生界白堊系夾關(guān)組下部地層（K2J1）及侏羅系上統(tǒng)蓬萊組（J3P）。壩基為J3P地層，為砂巖，泥巖及泥質(zhì)粉砂

11、巖、粉砂質(zhì)泥巖互層。壩區(qū)地層產(chǎn)狀單一，局部層間有撓曲，總體上地層產(chǎn)狀為走向NE25，傾向SE，傾角330。壩區(qū)末發(fā)現(xiàn)斷層，但層間錯(cuò)動(dòng)使巖體產(chǎn)生較多的軟弱夾層及破碎帶。層間剪切錯(cuò)動(dòng)也使部份巖層產(chǎn)生厚度變化及相變?；A(chǔ)不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了灌漿處理。采用聲速測(cè)井，地震波層析成像等方法對(duì)灌漿效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。 灌漿前、后都作了地震波層析成像測(cè)試。井間距為1012米，井深為1518米。采用了全程激發(fā)接收觀測(cè)系統(tǒng)。激發(fā)、接收點(diǎn)距為0.5米。測(cè)試剖面基本上順巖層走向。其地震波層析成像圖如下： 024681 01 2-1 2-1 0-8-6-4-20-1 2-1 0-8-6-4-20M 2 2 右0 5 號(hào)

12、孔與M 2 6 右0 5 號(hào)地震影像圖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 號(hào)孔J K 2 4 號(hào)孔JK 2 5 號(hào)孔與JK 2 4 號(hào)孔間地震影像圖1 .0 02 .0 03 .0 04 .0 05 .0 0(灌后)(灌前) 灌后出現(xiàn)了大于4000米/秒條帶狀高波速影像區(qū)，而灌前低速區(qū)受到壓縮。兩張地震波層析成像圖對(duì)比可明顯地看出灌漿的效果，但也反映低速的泥巖（泥巖破碎帶）可灌性差。另外，條帶狀高波速影像也說(shuō)明了灌漿漿液

13、主要沿層面裂隙滲透而擴(kuò)散固結(jié)地層，這就是層狀地層固結(jié)灌漿起固結(jié)作用的機(jī)制。實(shí)例實(shí)例5-35-3：閘墩質(zhì)量檢測(cè)：閘墩質(zhì)量檢測(cè) 白禪寺電航工程位于涪江下游，河谷開(kāi)闊呈“U”字型。攔水壩由取水閘，14孔泄洪閘和堆石壩組成。建設(shè)完工后，進(jìn)行了安檢。在部份閘墩上打孔檢測(cè)，因砼體質(zhì)量差，進(jìn)行了灌漿處理。灌漿完工后，利用檢查孔作了單孔、雙孔穿透聲波測(cè)井和部份閘墩的地震波層析成像測(cè)試工作。雙孔穿透聲波測(cè)試孔間距為10米，采用儀器為長(zhǎng)江工程地球物理勘測(cè)研究院制造的LX-A型巖土工程質(zhì)量檢測(cè)分析儀?？v波速度在4000米/秒，小值也在3000米/秒以上，測(cè)試結(jié)果基本上達(dá)到原定聲波指標(biāo)。地震波層析成像測(cè)試井間距為10

14、米，井深達(dá)37米，采用了疊加觀測(cè)系統(tǒng)。地震波層析成像圖上15米和26米深處可見(jiàn)條帶狀低速異常。推測(cè)閘墩在此深度有裂縫存在。這從在測(cè)試期間，向孔中注水時(shí)，閘墩15米左右（在水面以上）處外圍出現(xiàn)噴水可以證明。從這個(gè)實(shí)例說(shuō)明，地震波層析成像法能更準(zhǔn)確更清楚判斷閘墩質(zhì)量缺陷的性質(zhì)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 號(hào)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 號(hào)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 號(hào)墩Vp(km/s)缺陷缺陷缺陷缺陷缺陷缺陷缺陷實(shí)例實(shí)例5-45-4：武都水庫(kù)地震波層析成像成果圖：武都水庫(kù)地震波層析成像成果圖高 程 （ m）平 距 （ m）JK33 JK35剖 面 彈 性 波 層 析 成 像