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P波和S波聯合使用,更高分辨率的孔中勘探!
發布時間:2021-10-19 瀏覽次數:3387 來源:歐美大地

某石灰巖巖溶場地P波和S波聯合跨孔地震層析成像

現場下方為廣泛的石灰巖基巖,先前的巖土工程開挖顯示出起伏的巖頭、溶蝕通道、大型洞穴系統和懸挑。石灰巖上覆蓋著約13.5m厚的第四系沖積層,該區域幾乎達到表面飽和。在兩個40m深、接近垂直的鉆孔之間,利用P波和水平極化S波對空洞進行跨孔地震層析測量,在表面上間隔20m。


石灰巖溶洞示意(非本測試實景)


測試方法:跨孔地震層析成像

跨孔地震層析成像,通常是在兩個或多個鉆孔之間,利用水平和亞垂直地震波射線路徑的走時,在2D或3D結構中,對詳細結構成像,能夠提供高空間分辨率的P波和S波地震波速圖像,主要用來描繪地質結構。


圖1 地震跨孔層析成像原理與2D成果


圖2 一般跨孔層析成像系統構成


測試方法:P波與S波的區別

P波比S波更容易生成和記錄,P波層析成像測量通常更容易進行,例如使用火花震源和水聽器串,不需要對震源或接收器進行直接耦合或對準,P波走時拾取通常比S波走時拾取更容易、更準確。因此,P波地震層析成像目前為進行孔間高分辨率地質構造勘探的標準方法。

相對而言,S波層析成像測量更復雜一些,美國土壤測試材料委員會(ASTM D44282000)針對井間S波地震測試提出的建議是在每個接收器位置使用三分量檢波器,并確保震源和接收器與井壁的良好耦合。此外,水平極化S波震源的方向是產生一致S波的一個重要參數。為了更好地確定橫波走時,建議反轉橫波震源的激發方向,從而改變橫波到達的極性。由于這些原因,迄今為止很少進行S波跨孔地震層析成像。

盡管存在這些挑戰,S波層析成像測量與傳統P波層析成像測量相比具有許多潛在優勢,例如,由于S波速度較低,波長較短,近地表測繪分辨率較高,且不受地下水影響。此外,地震縱波和橫波層析數據的聯合采集和解釋使得能夠計算彈性模量參數,對土壤或巖石參數對地下進行更詳細的描述。



圖3 S波跨孔層析成像系統部分優勢(短波長≈高分辨率,不受地下水位影響)


測試設備:GeotomographieP波+S波跨孔地震層析成像系統

本次高分辨率P波層析測量和S波層析測量,震源移動步距為1m,P波和S波接收陣列上的接收器模塊間距為1m,震源激發在接收陣列平行范圍內自下而上進行,以確保相鄰接收器排列之間的高度重疊和井間材料的密集采樣。為了生成和記錄P波地震信號,使用了SBS42孔中火花震源BHC5型24通道水聽器鏈。P波信號采樣頻率為32 kHz。橫波信號由水平極化的BIH-SH型S波震源產生,并由MBAS-D型多站三分量檢波器鏈陣列記錄,采樣頻率為16kHz。火花器和水平極化S波源均由5kV的IPG5000脈沖發生器供電。


圖4 Geotomographie公司在本項目中所使用的設備

IPG5000脈沖發生器產生的高能電脈沖能通過電纜傳輸至孔中震源。對于P波源,火花通過電極放電,水蒸發,迅速膨脹和坍縮,主要產生地震縱波。對于水平極化的S波源,許多電磁線圈放置在銅板附近。當電流流動時,銅板和線圈相互排斥,導致銅板撞擊井壁側面。這種側向機械沖擊主要產生水平極化的S波。S波震源通過氣囊與井壁氣動耦合,S波震源和接收器通過旋轉硬軟管與地面對齊。四到八次的信號疊加確保了高信噪比,盡管在城市環境中運行,交通、建筑和電氣噪聲都很強烈。


 Geotomographie四川涼山測試現場


某石灰巖巖溶場地測試結果分析

測試結果:速度剖面


圖5 P波(a)和S波(b)走時的層析反演成果,顯示出與鉆孔的良好相關性

縱波和橫波斷面圖如圖所示,斷面圖側面顯示了BH1和BH2的鉆孔記錄。兩個斷面圖顯示了三個區域,這三個區域也在鉆孔日志中觀察到。上部15m以飽和沖積層的低P波速度(~1500m/s)為特征。在巖溶石灰巖開始的沖積層下方,基巖邊界處的波速度和橫波速度似乎急劇增加(波速度:5800m/S,橫波速度:2750m/S)。

在大約12至19m的海拔高度之間,在BH2附近觀察到一個大型低速帶(縱波:2700至3600m/s;橫波:1000至2000m/s),該低速帶幾乎橫向延伸至BH1。如BH2鉆孔記錄所示,該區域可能是一個較大的、部分填充的空腔(見圖5)。在此低速區下方,縱波的速度從5000m/s增加到6500 m/s,橫波的速度從2300m/s增加到3800 m/s。

然而,兩張斷層照片都表明石灰巖不是均質的,在這些深度也可能存在一些較小的空洞或非均質(范圍為3至6m)。特別是,S波斷面圖顯示出比P波斷面圖更多的不均勻性,S波速度在2000到3800m/s之間,P波速度僅在5000到6500m/S之間。相對而言,從最小到最大橫波速度的范圍因此增加了90%,而縱波速度僅增加了30%。

在層析測量之后,鉆取了另外兩個鉆孔BH3和BH4,以驗證結果,BH3確認了層析圖中解釋的空洞的存在。P波和S波層析成像與鉆孔測井之間的良好相關性進一步為我們的解釋提供了更多的信心。


測試結果:縱橫波速比、泊松比、體積模量、楊氏模量和剪切模量


圖6 彈性參數:(a)Vp/Vs比,(b)體積模量,(c)楊氏模量和(d)剪切模量

一旦確定了縱波和橫波速度,并且斷面圖中存在可靠性,現在就可以計算鉆孔之間二維平面上的彈性模量。這些模量,即縱橫波速度比、泊松比、體積模量和楊氏模量,如圖6所示。此外,剪切模量通過利用橫波速度和估計密度值確定,如圖7所示。為了估計密度,我們對Paasche等人采用了類似的方法,即使用 S波速度的k均值聚類將斷面圖劃分為三個不同的區域(圖7(a))。這些區域(圖7(b))被解釋為由:

  1. 密度為1500kg/m3的沖積層組成;

  2. 密度為1900kg/m3的中度風化石灰巖;

  3. 密度為2500kg/m3的完整石灰巖。


圖6 密度分區和剪切模量:(a)k-均值聚類,將斷面圖像分為三個區域,(b)將密度值分配給三個區域,以及(c)計算剪切模量

體積模量的范圍從不切實際的負值到大約100 GPa。體積模量的結構與P波分布非常相似。另一方面,楊氏模量和剪切模量更類似于橫波速度分布,大多數區域的楊氏模量范圍為10-100GPa,剪切模量范圍大多為5-50GPa。

彈性參數是縱波和橫波速度的加權組合,因此可用于地質構造的解釋。因此,彈性參數被用來確定低速區的大小,低速區被解釋為空腔。根據彈性參數界面,空腔的尺寸約為16.5至19 m長,6至7 m高。解釋的空腔形狀的變化可能表明其尺寸和位置的不確定性。通過將解釋的空洞與BH3的鉆孔測井進行比較,可以清楚地看出,P波層析成像和體積模量的相關性優于S波層析成像及其導出的彈性剪切模量。盡管如此,當BH3與空腔相交時,Vp/Vs比和類似的泊松比顯示出較高的可變性。


P波和S波聯合跨孔地震層析成像優點及應用前景

相對于傳統的P波跨孔層析成像方法,P+S波聯合地震跨孔層析系統,除提高了速度剖面的分辨率和可靠性外,可進一步提供縱橫波速比、泊松比、體積模量、楊氏模量和剪切模量等土動力學參數,增強地質解釋,這些在聯合解釋中是非常有用的,尤其是小應變剪切模量是大型建筑工程的重要彈性參數。

彈性參數也可用于確定未來隧道的地震易損性,因為Wang和Munfakh(2001)表明地震恢復力取決于周圍材料的剛度。另一個好處是,彈性參數可以改善隧道掘進機(TBM)穿透率的預測。如果在更大范圍內或有問題的環境中收集彈性參數,這些參數可能在建設項目的經濟和時間規劃中發揮重要作用,因為Ghasemi等人(2014)表明,可以使用抗壓強度、巖石脆性,巖體中薄弱面和不連續面方向之間的距離。因此,彈性參數可能有助于TBM穿透率的建模。


參考文獻:

Julius K. von Ketelhodt, et al. Elastic Parameters from Compressional and Shear Wave Tomographic Survey: A Case Study from Kuala Lumpur, Malaysia[J]. Journal of Environmental and Engineering Geophysics, 2017, 22(4):427-434.


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