表面波探测中CMP分析
发布时间:2012-05-25
表面波探测中CMP分析
林宏一
(应用地质股份公司 OYO Corporation)

1.序言
        土木建设领域的地质勘测中掌握10m的S波速度模型,在结构体耐震设计方面是非常重要的。以前,为了达到该目的,可以采用传统孔中PS测井。另一方面,表面波(以下称瑞利波)的位相速度主要反映地盘的S波速模型,所以能测量人工振动产生的表面波的位相速度,推断地盘的S波速度的手法(表面波探测)也能尝试应用。到目前为止,我国进行的表面波探测是通过计算两个地震仪间的互相关,求出位相速度的方法,主要是采用振动器等激发定波动。
        针对这种情况,Park et al.(1999)研究出了一种方法,将由重锤落下等冲击震源而激发的震波,通过设置在测量线上的多个地震仪进行采集后,根据频率领域的相对速度进行积分处理,将在时间-距离领域观测到的波形,直接转换成频率-位相速度领域(的数据)(MASW:Multi-channel Analysis of Surface Waves)。该方法是由Park et al.(1999)提出,在两个地震仪数据的互相关中,不仅能直观分离困难的实体波和高次模式的表面波,而且具有能够防止空间图像失真问题的优点。Xia et al.(1999)多次采用该方法,做成了二次元S波速度断面。
        利用这种方法,为了能在低频领域精确确定位相速度,如Park et al.(1999)中所指出的,需要将地震仪分布的长度范围增加。但是,随着分布长度的增长,在相同分布范围内的速度模型即使发生变化,(地震仪的测试数据)也会将其平均化,从而可能降低空间方向的分辨率(林.铃木,2000)。为提高空间分辨率,就需要在尽可能短的空间内确定位相速度,那么这个要求又与为精确测定速度需要收集尽可能长的范围内的数据这一要求相矛盾。在这里,作者提出了解决这两者矛盾的方法。

2.CMP分析
        图-1(a)是表面波探测记录例。分布范围的中央部分,表面波的后续波相对速度发生着明显变化,我们认为这附近速度模型会变化。图-1(b)是该数据频率领域的相对速度。位相速度曲线分离成2根或3根,这样采集位相速度就困难了。分析区间内速度模型变化时的离线曲线特征与林.西泽(2000)的物理模式实验结果相协调。其中,为了简化讨论,Parketal(1999)的多波道分析认为,是从进行分析的全部跟踪中,把正在研究的所有双跟踪组合抽出,计算的互相关之和。针对该想法,如果绘制互相关中心位置,使用的地震检波仪的位置和中心位置的关系如图-2(a)所示。互相关的中心位置存在于不同场所,所以分析区间内速度模型变化时,图-1的位相速度精度就变低。为了防止这种情况,我们认为如图-2(b),中心位置使用相同数据组合进行数据分析会比较有效果。以下,把这种分析称作CMP(Common Mid Point)分析。但是,从一个起振点记录中,假设仅采用形成的CMP组合进行分析,大量的组合就浪费了,以图-2(a)为例,来自5个跟踪正在研究的组合数是10组,CMP组合就成为两组(图-2(c))。Park et al.(1999)的多通道分析精度的好处是同时分析多个跟踪,只采用CMP组合精度就变低。那么,研究的是振点不同的数据中,分析中心位置相同的数据,并计算离散曲线(图-2(d))。下面总结了数据采集法和分析法。

图-1 表面波探测获取的测量记录例(a)
        和其频率领域的相对速度分布(b)

图-2 表面波探测中CMP分析概念。●是互相关的中心,○是震检波器的位置
 

3.数据采集法
        数据采集类似于反射法地震探测。终端起振作为基础,地震检波器固定在测线端比较好(图-3)。起振点间隔与受振点间隔相同是期望值,不过如果考虑到探测效率和分辨率,起振点间隔比受振点间隔粗点比较好。测量中,受振点间隔是0.5-2m,起振点间隔是2-4m。在反射法中,如果这种测量方法采用CDP电缆和CDP开关,就能很容易操作。

图-3  CMP表面波探测的测量的几何学例

4.分析法
        对于采集的多个记录,以前每次共同起振点记录时都运用Park et al.(1999)的多通道分析,求出离散曲线。由此研究的CMP分析顺序总结如下。
①首先,在获取的所有共同起振点的每个记录中,计算所有双跟踪组合的互相关。
②其次,从全起振点记录中,收集相同场所双跟踪中间点的所有互相关。
③把相同受振点间隔的波重合,无论是相同受振点间隔,还是受振点间隔不同但有互相关,波形都可以重合在一起。
④中间点相等,不过受振点间隔不同的互相关无法直接重合。因此,首先重合求出的同一受振点间隔数据的互相关,再按照受振点间隔排列求出的记录。这可以在位相速度分析中作为共同起振点间隔处理,根据受振点间隔抽出该地点的固有位相差。下面是模拟共同起振点记录。
⑤模拟共同起振点记录运用Park et al.(1999)的多通道分析。首先,每次跟踪转换成频率领域,其次,按照起振点距离(受振点间隔)分配位相漂移,并使空间方向一体化。这样就能将距离-时间的模拟共同起振点记录转换成频率领域的相对速度分布。
⑥在频率-位相速度图表中,读取每个频率中振幅最大的位相速度,绘制位相速度曲线。

图-4  数值实验中采用的速度结构模式
 
5.数值实验例
                                                                                                                                      测量顺序(时间)
图-5  数值实验中测量几何学。段差位置是60m距离左右。
 
        为了显示该方法的有效性,我们来进行一个数值实验。图-4是数值实验中采用的模式,图-5是测量的几何学。图-6是起振点位置35.8m的相同起振点记录和其频率领域的相对速度分布。段差位置是60m波形,相对速度就发生变化,位相速度曲线也分离成两根。

图-6  起振点位置35.8m的相同起振点记录(a)和其频率领域的相对速度分布(b)
 
        针对该数据采用所有起振点记录进行了CMP分析。图-7显示其结果。得知,在把形成CMP互相关按照受振点间隔排列的疑似共同起振点的记录中,不存在共同起振点记录中所见到的相对速度急剧变化。另外,用该频率范围相对速度的分布,得知位相速度汇总成1支。

图-7  CMP分析获取的模拟相同起振点记录(上段)和其频率领域的相对速度分布(下段)

6.实际资料应用例
        在图-1中实际表面波探测记录中应用该方法。图-8显示的是通过CMP分析获取的疑似共同起振点记录和其频率领域的相对速度分布。在图-1中,CMP距离分布的前半位置是173m及后半位置是201m。不存在共同起振点记录中所见到的相对速度急剧变化,继而得知离散曲线汇总成1支。

图-8  对于图-1中显示的记录应用CMP分析的结果。模拟相同起振点记录(上段)和其频率领域的相对速度分布(下段)
 
7.小结
         采用人工振源的表面波探测中,简单捕捉地基模型水平方向变化进行测量和分析。该方法的特点是:作为互相关处理多个起振点和受振点的波形数据,最后就没必要进行位相或位相速度的加法和平均。以前采用两个受振器的表面波探测,从间隔不同的受振器记录中求出各自单独的位相速度。如果受振器间隔比波长大,就无法通过空间图像失真正确计算为位相速度。因此,只能分析采集波形记录的一部分信息。针对这种情况,McMechan and Yedlin(1981)和Park et al.(1999)的多通道分析是一种从不同受振点间隔的多个波形记录中求出直接位相速度的方法,能采用波形的所有信息。本论文发展了该方法,它是通过总结受振点间隔的不同记录的互相关作为疑似共同起振点记录,从不同起振点的多个记录中就能直接计算出直接位相速度。通过采用该方法,不仅能在表面波探测的多通道分析中提高水平方向的分辨率,而且使用两个受振器,即使以前的表面波探测的多通道分析也可以进行。

<参考文献>
林 宏一.西泽 修,2001,采用激光多普勒效应示振器的表面波物理模型实验,物理探测学会第104次学术演讲会论文集,16-20.
林 宏一.铃木晴彦,2000,二次元结构中表面波的传播及其离散曲线,物理探测学会第103次学术演讲会文集,226-230

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