地震波层析成像技术的实现及应用高燕和

1工程勘察1994年第1期地震波层析成像技术的实现及其工程应用高燕和魏树满（水电部能源部天津勘测设计院天津300222）[提要]本文介绍了地震波层析成像技术的基本原理，以及反演计算方法与图像生成的基本过程，并通过工程实例说明其应用效果。[Abstract]Thefundamentalprinciple,methodforcalculationandprocedureareintroducedinthispaperandtheoutcomeofapplicationindescribedthroughpracticalexamples.1序言地震波层析成像技术是在80年代兴起的，在近几年得到发展的一种地球物理反演解释方法，它是借鉴于医学上的CT（ComputerTomography）基本原理，利用大量的地震波信息进行反演计算，得到被测试区域岩体地震波速度的分布形态，在对岩体进行质量评价、划分岩体风化程度、圈定地质异常体等方面具有较高的实用价值。目前这一技术在水利水电工程的勘察中已被应用。2地震波透射层析成像的基本原理地震波透射层析成像是利用地震波对于地质体的透射投影，来重新构成地质体内部地震波速度的分布形态，根据地震波速度与地质体的对应关系，进行岩体的分类和评价。地震波速度和岩体特性一般都具有较好的对应关系，致密完整的岩体地震波速度较高，而疏松破碎的岩体地震波速度较低。对于整个围岩而言，当其是均匀介质时（没有异常体），地震波的穿透速度是单一的，当有低速介质存在时（视为异常体），地震波穿透这些低速介质时则产生时间差（旅行时增加）。根据一条射线所产生的时间差来判别低速介质的具体位置是困难的，因为它的位置可能在整个射线的任何一处，这时如果再有另一条（或多条）射线在同一低速介质中穿透，则这一低速介质就具有了一定的限定，采用相互交叉的致密射线穿透网络，对低速介质在空间上具较强的限定，层析成像就是利用适当的反演计算方法构制速度图像，从而获得低速介质的分布位置。3反演计算与图像生成反演计算时首先把被测区域划分成若干等面积的成像单元，其目的是实现地震波透射空间的离散化，并对成像单元进行编号（图1），设被测区域共有m个成像单元，Sj为第j个成像单元的地震波速度的倒数（慢度），对于每条地震波射线可写成lijjlijjidlyxSdlyxVT)()(1（1）式中：i=1,2,3…,n；j=1,2,3…,m；n----射线总条数；m---成像单元的个数；Ti----第I条射线的旅行时；)(yxVj----第j个成像单元的速度值；)(yxSj---第j个成像单元的慢度值；lij---第i条射线通过第j个成像单元内的长度；)(yxVj=1/)(yxSj。将每个成像单元的)(yxVj、)(yxSj视为常数，则可将式（1）写成级数形式：2mjijiyxSjlT1)(（2）从数学角度看式（2）实际上上一个线性方程组：mSmSSnmSmSSmSmSSTlllTlllTn22n11n(3)222212112121111lll2求解式（3）可得到每个成像单元内的地震波慢度值Sj，其倒数即为地震波速度值Vj，然后再采用平滑插值数技术绘制地震波速度等值线图。对式（3）方程组的求解方法有多种，如联合迭代法SIRT、代数重建法ART、共轭梯度法、阻尼最小二乘法等。这里采用的是ART法，这种方法在解大型稀疏线性方程组方面具有收敛速度快、占用计算机内存少等优点。ART算法的基本思想是先给出每个单元内的初始值（Vj或Sj），然后将所得到的投影值残差一个一个沿其射线方向均匀地反投影回去，不断地校正Vj或Sj值，直到满足要求为止。以上过程用数学表达式表示：)0(jS初始值ijmjijmjkjijikjkjllSlTSS121)()()1(（4）式中)1(kjS---第j个单元内第k+1次迭代的慢度值；)(kjS---第j个单元内第K次迭代的慢度值；----阻尼因子（02）。由于给出的收敛标准E在实际工作的反演迭代过程中有时很难达到，为提高效率，可在反演时给出最大迭代次数Kmax，用以双重制约程序的运行。反演迭代计算与图像生成按以下顺序实现，迭代程序使用FORTRAN77语言编写。启动程序后，首先调入存放激发点坐标、接收点坐标。地震波旅行时间的数据文件，然后显示菜单：（1）x方向的总长度（m）（5）单元内地震波最大速度值（km/s）（2）y方向的总长度（m）（6）收敛精度E（3）x方向的单元长度（m）（7）阻尼系数（4）y方向的单元长度（m）（8）最大迭代次数Kmax按上述输入后，即可进行反演计算。反演迭代完成后，得到了每个单元的速度值，然后启动AUTOCAD的接口程序，在AUTOCAD下实现速度等值线图的输出。启动绘制等值线程序，显示菜单：3（1）等值线的间距；（2）绘制等值线的下限速度值；（3）绘制等值线的上限速度值。完成上述输入后，即可在AUTOCAD的支持下输出被测区域内的地震波速度等值线图。4应用实例4-1地质概况黄河大柳树水利枢纽坝址目前尚处于可行性研究阶段，该坝址区岩性主要为寒武系中统香山群第四亚群浅变质长石石英砂岩夹千枚岩。由于该区历经多次构造运动，断层、裂隙极为发育，岩体被切割成大小不等的块体，完整性较差。加之该区处于干旱的沙漠气候，风化作用强烈。4-2野外工作方法为对该区岩体进行工程地质评价提供依据，利用现有平硐进行了地震波穿透测试，测试时采用相邻平硐之间相互激发与接收，激发点距为5m，振源使用炸药，接收点距为2m，观测纵波旅行时，使用仪器为ES-1210F工程地震仪。这样在被测区域形成许多纵横交叉的穿透射线，有利于保证反演计算的精度。4-3资料整理与解释在此仅举PD304~PD306测试成果为例。在反演计算时，把被测区域划分成2m2m的规则成像单元，利用射线在成像单元内所经过的路径和相应的旅行时，建立线性方程组，通过反演计算程序求解方程组，得到每个成像单元的地震波速度值，而后平滑插值，并绘制地震波速度等值线图（图2）。地震波速度的分布与岩体风化程度有密切的关系，由边坡到山体内部地震波速度随着岩体风化强度的减弱而增加。除此以外，岩体的局部构造和结构对波速的影响也很突出，在断层破碎带、裂隙密集处，地震波速度明显下降（PD304洞底处），这些在波速图像中都有明显反映。4结束语层析成像技术是一种新的解释方法，反演计算的结果能很好地反映被测区的地质形态、结构构造、物理力学性质。其解释精度和观测系统、观测精度、成像单元的划分、反演计算方法有关。利用地震波层析成像技术解决有关的地质问题，对于我们还是刚刚起步，实际应用的资料尚不够充分，文中谬误和不妥之处难免，敬请指正。