井間地震層析成像在鐵道勘察中的應(yīng)用研究

趙廣茂 孟憲波

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 天津 300052)

1 概述

巖溶對鐵路橋梁、路基建設(shè)影響較大,在鐵路勘察中必須將巖溶規(guī)模、邊界探測準(zhǔn)確。巖溶經(jīng)常發(fā)育在可溶性的純灰?guī)r地層或斷層破碎帶、巖溶與圍巖之間,一般存在著明顯的波速差異。基于波速差異，可以利用井間地震層析成像技術(shù)進(jìn)行兩孔之間的巖溶探測,地震層析成像技術(shù),以其分辨率高的特點而主要應(yīng)用于精細(xì)構(gòu)造和目標(biāo)的探測[1-5],自20世紀(jì)90年代以來,井間地震層析成像技術(shù)逐步進(jìn)入實用化階段。

2 井間地震層析成像原理

井間地震層析成像是在兩個鉆孔間采用一發(fā)多收的扇形觀測系統(tǒng),組成密集交叉的射線網(wǎng)絡(luò),如圖1所示,最后經(jīng)過反演得到兩孔之間的彈性波速度分布圖像：堅硬完整的地層波速較高,而節(jié)理裂隙、溶蝕洞穴發(fā)育處,會出現(xiàn)波速異常,波速呈現(xiàn)相對低速,從而可以確定巖溶的分布情況。反演采用SIRT算法也稱聯(lián)合迭代重建法[6-10],圖2為井間地震層析成像反演流程圖[11]。

圖1 井間地震層析成像觀測系統(tǒng)

圖4 井間地震層析與聲波測井結(jié)果(圖中虛線為驗證鉆孔)

圖2 井間地震層析成像反演流程

3 井間地震層析成像試驗

在京滬線某段進(jìn)行井間地震層析成像巖溶勘察試驗,鉆孔布置情況見圖3,發(fā)射鉆孔為zk03,接收鉆孔為zk09,孔深50 m,孔間距35 m。為檢驗井間地震層析成像在巖溶探測中的效果,在zk03與zk09之間布置兩個檢驗鉆孔zk05,zk07,孔深為50 m。本工區(qū)水位深度16.8 m。

圖3 試驗鉆孔布置示意(單位：m)

井間地震層析成像試驗震源采用德國生產(chǎn)的SWG1005電脈沖電火花震源(能量1 kJ),工作頻率在500 Hz以上,檢波器采用德國產(chǎn)AQ-2000型水中地震檢波器串接收,記錄儀選用NZ-24地震儀,采樣率為0.02 ms；測試段為地下10 m至50 m,激發(fā)點間距1.0 m,接收點間距1.0 m。對每個接收點,激發(fā)孔中自下而上逐點激發(fā)；聲波測井采用PSJ-2型數(shù)字測井儀。

圖4中剖面為zk03發(fā)射zk09接收的井間地震層析圖像,兩側(cè)曲線為zk03和zk09的聲波測井曲線。從圖中可以看到,zk03位置地下19～21 m聲速與地震波速均表現(xiàn)為高速,地下34～42 m均表現(xiàn)為低速,地震縱波速度3 000 m/s以下；zk09位置地下23～33 m聲速與地震縱波速度均表現(xiàn)為高速,該高速層從左到右一直貫通,應(yīng)為同一地層,在地下37～44 m均表現(xiàn)為低波速。

為檢驗井間地震層析成像在巖溶探測中的效果,從圖4層析成像剖面中截取出中間鉆孔zk05～zk07段,之后與中間鉆孔的巖芯照片進(jìn)行對比驗證。圖5為zk05～zk07段層析成像剖面與zk05和zk07的聲波測井曲線對比。圖6為zk05鉆孔巖芯照片,圖7為zk07鉆孔巖芯照片。

圖5中層析成像剖面及聲波測井曲線揭示，zk05位置地下37～42 m為低速反映,推斷為溶洞,從zk05的巖芯照片圖6中可以看到37～43 m為溶洞；圖5中層析成像剖面及聲波測井曲線揭示zk07位置地下37～43 m為低速反映,推斷為溶洞,從zk07的巖芯照片圖7中可以看到37～43 m為溶洞,從而說明本次層析成像與聲波測井綜合分析結(jié)果是正確的。

圖5 井間地震層析與聲波測井結(jié)果

圖6 zk05鉆孔巖芯照片

圖7 zk07鉆孔巖芯照片

4 結(jié)論

通過井間地震層析成像和聲波測井兩種地球物理方法進(jìn)行鐵路路基巖溶的探測,得出如下結(jié)論：

(1)通過鉆孔巖芯照片驗證井間地震層析成像反演結(jié)果是準(zhǔn)確的,在鐵路路基巖溶探測中可利用井間地震層析成像來圈定溶洞的位置、埋深、規(guī)模；

(2)聲波測井可提高地層劃分的準(zhǔn)確度,井間地震層析成像與聲波測井相結(jié)合進(jìn)行兩孔間的巖溶勘察,可提高對巖溶探測分層的精度,為鐵路提供更精確的巖溶勘察資料。

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