淺層地震折射資料的個(gè)性化自動(dòng)解釋

彭緒洲，李進(jìn)敏，陳新球

(中國(guó)電建集團(tuán) 北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024)

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淺層地震折射資料的個(gè)性化自動(dòng)解釋

彭緒洲，李進(jìn)敏，陳新球

(中國(guó)電建集團(tuán) 北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024)

淺層地震折射是工程物探最常用的經(jīng)典手段之一。對(duì)非常規(guī)模式、非標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)系統(tǒng)所采集的淺層地震折射數(shù)據(jù)進(jìn)行個(gè)性化自動(dòng)解釋，是工程物探工作者多年來(lái)孜孜以求的目標(biāo)。通過(guò)某水電站橫河地震折射剖面勘探實(shí)例，根據(jù)資料解釋的流程和步驟重點(diǎn)介紹了數(shù)據(jù)的重建過(guò)程、資料個(gè)性化自動(dòng)解釋的關(guān)鍵步驟和結(jié)果、在解釋過(guò)程中通過(guò)人機(jī)交互方式充分融合解釋人員工程經(jīng)驗(yàn)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。展示了對(duì)非常規(guī)模式、非標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)系統(tǒng)的淺層地震折射數(shù)據(jù)進(jìn)行個(gè)性化自動(dòng)解釋的靈活性和高效性。

淺層地震折射勘探；折射波法；個(gè)性化；人機(jī)交互；自動(dòng)化解釋

1 引 言

淺層地震折射波法是工程物探重要手段之一，應(yīng)用最早，方法最成熟，自20世紀(jì)50年代開(kāi)始，在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛和深入，尤其在水利水電行業(yè)的覆蓋層厚度探測(cè)方面發(fā)揮了巨大的作用。20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著信號(hào)增強(qiáng)型數(shù)字地震儀器的普及和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，淺層地震折射數(shù)據(jù)分析和資料解釋逐漸由自動(dòng)解釋替代手工解釋[1]。令人遺憾的是，目前的淺層地震折射資料的自動(dòng)解釋[2-7]軟件只能適應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)系統(tǒng)下所采集到的、特定格式的數(shù)據(jù)，在實(shí)際工作中，數(shù)據(jù)采集的觀測(cè)系統(tǒng)是可變和可靈活擴(kuò)展的，甚至是非標(biāo)準(zhǔn)的，解釋方法也是多樣可選的，解釋人員對(duì)資料的認(rèn)識(shí)和理解也會(huì)因?yàn)楦髯缘慕?jīng)驗(yàn)而有所不同。解釋過(guò)程中的這種個(gè)性化思想，在純手工解釋中可以表現(xiàn)得淋漓盡致，得心應(yīng)手。但在傳統(tǒng)意義上的自動(dòng)解釋中常常是捉襟見(jiàn)肘，或必須采用人工方式進(jìn)行前期大量的數(shù)據(jù)整理和編輯工作，顯得十分笨拙、繁瑣和效率低下，有時(shí)甚至是無(wú)能為力。

本文介紹一種能適應(yīng)多種數(shù)據(jù)格式、標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)系統(tǒng)的淺層地震折射數(shù)據(jù)的個(gè)性化自動(dòng)解釋方法，采用更為靈活的人機(jī)交互模式，充分體現(xiàn)解釋人員的個(gè)性化認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，表現(xiàn)出強(qiáng)大的靈活性和適應(yīng)性，其基本架構(gòu)及流程如圖1所示。

圖1 流程及架構(gòu)Fig.1 Process and structure chart

2 解釋過(guò)程及方法

2.1 預(yù)處理

2.1.1 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

“格式轉(zhuǎn)換”是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互識(shí)別彈性波的第一步。在工程物探工作中，針對(duì)不同的彈性波測(cè)試方法生產(chǎn)的儀器各式各樣，各儀器采集數(shù)據(jù)的格式都不一樣，所以，首先要將各類儀器所采集的波形數(shù)據(jù)讀取出來(lái)，轉(zhuǎn)換成可以處理的統(tǒng)一的自定義格式數(shù)據(jù)[8]，以備后續(xù)處理。對(duì)源數(shù)據(jù)(如CSP、SEG1、SEG2、SEGD、SEGY等格式)進(jìn)行讀取轉(zhuǎn)換，保證原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并形成統(tǒng)一格式，如圖2所示。這種對(duì)多種數(shù)據(jù)格式的適應(yīng)，不僅突破了傳統(tǒng)淺層地震折射資料自動(dòng)解釋系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)格式專屬性的要求，而且還便于原始數(shù)據(jù)共享和交換；特別是在進(jìn)行多臺(tái)不同數(shù)據(jù)格式儀器同時(shí)工作的資料解釋時(shí)，更顯高效快捷。

圖2 “格式轉(zhuǎn)換”界面Fig.2 Format conversion interface diagram

2.1.2 數(shù)據(jù)整理編輯及編輯

“數(shù)據(jù)整理及編輯”包括：折射波初至拾取、數(shù)據(jù)信息編輯、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)重建(合并、拆分、抽道)等[9-13]。它是對(duì)經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換后的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，也是個(gè)性化自動(dòng)解釋必不可少的準(zhǔn)備工作。

在實(shí)際工作中，受地形地質(zhì)條件限制，常常會(huì)采用非常規(guī)、非標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在以前的手工解釋過(guò)程中，只能將一張張?jiān)加涗浥帕凶x數(shù)，非常煩瑣，且容易出錯(cuò)。通過(guò)“數(shù)據(jù)重建”可將原來(lái)分布于各文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽道重排，直接得到符合常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)系統(tǒng)模式的數(shù)據(jù)，以便于波組識(shí)別和初至波讀取。

圖3為怒江流域某水電站前期覆蓋層勘探的地震波原始記錄及抽道數(shù)據(jù)重建后的記錄對(duì)比圖。在怒江等深切河谷中，由于落差大、水流紊亂，不具備采用漂浮電纜進(jìn)行順河水上淺層地震折射的工作條件，常常使用“互換法”[14]這種非常規(guī)、非標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行橫河剖面的數(shù)據(jù)采集，得到的原始記錄是如圖3(a)中所示的多張單炮記錄。從這些單炮記錄中完全識(shí)別不出哪個(gè)是有效波，但通過(guò)按剖面上的炮點(diǎn)順序分別對(duì)多張?jiān)加涗浀哪骋坏肋M(jìn)行“抽道”處理，就可以將其編輯為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)，成為一張漂亮的、完整的、易于識(shí)別的折射波記錄，如圖3(b)所示。

圖3 單炮原始記錄及重建記錄對(duì)比Fig.3 Contrast of original and reconstructed records

2.2 個(gè)性化自動(dòng)解釋

本文以地震折射勘探方法為例來(lái)說(shuō)明人機(jī)交互自動(dòng)化解釋過(guò)程?！敖⒔忉寘?shù)”是個(gè)性化自動(dòng)解釋必須的過(guò)程，包括：根據(jù)所設(shè)計(jì)的觀測(cè)系統(tǒng)來(lái)選擇用于解釋的相應(yīng)原始數(shù)據(jù)、剖面性質(zhì)(陸域、水域、水陸混合)、在解釋過(guò)程中是否添加地形數(shù)據(jù)、炮井深度校正選擇及相應(yīng)參數(shù)設(shè)置、折射盲區(qū)處理方式選擇等。

本文所說(shuō)的剖面性質(zhì)選擇是指勘探剖面所處的環(huán)境，對(duì)于水域或水陸混合剖面來(lái)說(shuō)，工程上常常需要?jiǎng)澐殖鏊捉缑?，在建立解釋參?shù)時(shí)確定剖面性質(zhì)后，在進(jìn)行個(gè)性化自動(dòng)解釋時(shí)就能根據(jù)水下地形資料劃分出水底界面，并自動(dòng)計(jì)算出覆蓋層的有效速度值和底界面位置。

炮井深度校正是保證解釋精度必須進(jìn)行的工作，不同的激發(fā)介質(zhì)有不同的波速值。解釋人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行合理分析，通過(guò)人機(jī)交互方式進(jìn)行正確取值，從而保證資料的解釋精度。

在理論上，折射盲區(qū)是不解釋的區(qū)域，也就不存在折射盲區(qū)處理方式選擇的問(wèn)題，但是在實(shí)際工作中，由于地形和折射界面的起伏的影響，折射盲區(qū)常常不易識(shí)別和判斷，因此，個(gè)性化解釋就是解釋人員根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)正確識(shí)別和判斷折射盲區(qū)的范圍，合理選擇其處理方式，讓解釋成果更符合實(shí)際情況。

“時(shí)距曲線”和“計(jì)算解釋”是個(gè)性化自動(dòng)解釋的核心過(guò)程，時(shí)距曲線是資料解釋的基礎(chǔ)。在繪制出時(shí)距曲線后，解釋人員首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)合理確定直達(dá)波與折射波的置換點(diǎn)及相應(yīng)的表層有效速度值；然后按所設(shè)定解釋參數(shù)自動(dòng)計(jì)算出相關(guān)的過(guò)程參數(shù)，如t0法中的θ值、t0值等；最后，解釋人員根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)分段確定折射界面的速度值，并自動(dòng)計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的折射界面埋深和高程。在這個(gè)過(guò)程中有大量靈活的人機(jī)交互過(guò)程，讓解釋人員的個(gè)性化思想得到充分體現(xiàn)。

表層有效速度[15]和界面速度[16]取值的正確性和合理性是解釋精度的決定性因素。在實(shí)際工程中，表層介質(zhì)常常是非均勻和非連續(xù)的，折射界面也會(huì)因?yàn)閹r性的橫向變化、地質(zhì)構(gòu)造或破碎帶的存在而呈現(xiàn)出分段性[17-20]，因此，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)合理確定表層有效速度值及折射界面的分段，不僅充分體現(xiàn)了解釋人員的個(gè)性化素質(zhì)和水平，同時(shí)也能得到良好的解釋成果。

圖4 個(gè)性化解釋成果Fig.4 The personalized interpretation section

圖5 個(gè)性化解釋剖面成果Fig.5 Personalized interpretation section results

2.3 成果及輸出

完成解釋的物探成果剖面需要轉(zhuǎn)換成地質(zhì)人員所需要的物探地質(zhì)成果圖，解釋成果圖已包括相應(yīng)的地球物理和地質(zhì)信息，如：表層地震縱波速度、界面速度、覆蓋層厚度、基巖面形態(tài)，地層巖性及分界、構(gòu)造帶(破碎帶)的位置及分布范圍等，但制圖比例以及一些附加的勘探布置信息不能在此生成，故采用數(shù)據(jù)接口將物探解釋部面生成DXF文件，可在CAD軟件中直接打開(kāi)，按照比例尺要求，結(jié)合地質(zhì)情況添加必要的綜合信息而得到的完整的物探地質(zhì)成果圖，如圖5所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

淺層地震折射資料個(gè)性化自動(dòng)解釋成功實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，充分體現(xiàn)了解釋人員的個(gè)性化思想和經(jīng)驗(yàn)，得到合理的、反映真實(shí)地質(zhì)情況的物探成果，大大提高了物探資料解釋的效率及準(zhǔn)確性，其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

1)可處理多種數(shù)據(jù)格式的原始地震數(shù)據(jù)，尤其是在同一工程中使用多種不同型號(hào)(數(shù)據(jù)記錄格式不同)儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，適應(yīng)性更強(qiáng)。

2)對(duì)非常規(guī)模式、非標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)系統(tǒng)下的淺層地震折射資料進(jìn)行解釋。

3)自動(dòng)提取炮井深度校正速度和表層有效速度，解釋人員也可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行賦值，讓解譯結(jié)果更真實(shí)地反映實(shí)際地質(zhì)情況。

4)可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分段求取折射界速度、劃分巖性橫向變化范圍、確定斷層和破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造的位置和規(guī)模。

[1]趙德亨,田鋼,王幫兵.淺層地震折射波法綜述[J].世界地質(zhì),2005,24(2):188-193.

[2]劉晶.折射波法地震勘探資料的計(jì)算機(jī)處理[J].勘察科學(xué)技術(shù),1991(5):58-59.

[3]劉國(guó)華,梁志強(qiáng),肖梅.淺層折射地震處理解釋軟件研制及可視化編程技術(shù)[C]//中國(guó)地球物理學(xué)會(huì).中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)第二十一屆年會(huì)論文集.2005:631-632.

[4]彭驍,王鵬.淺層地震折射波法在候家梁隧道地質(zhì)勘查中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2013,10(5):631-636.

[5]韓永琦,李來(lái)喜,昌彥君.地震折射層析法在隧洞圍巖松動(dòng)圈測(cè)試中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2004,1(5):412-417.

[6]高建榮,張曉培,牛建軍.淺層折射波數(shù)據(jù)處理軟件的開(kāi)發(fā)[J].上海國(guó)土資源,2005(2):41-45.

[7]畢明霞，史新華，黃漢明，等.各種格式的地震數(shù)據(jù)查詢與讀取[J].廣西物理，2010,13(3): 51-54.

[8]羅福龍.地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)綜述和展望[J].中國(guó)石油勘探,2007,12(2):41-46.

[9]楊宇山,李媛媛.地震初至波拾取的三重相關(guān)法[C]//中國(guó)地球物理學(xué)會(huì).中國(guó)地球物理第二十一屆年會(huì)論文集.2005:236-238.

[10]馮蔚.基于相關(guān)的多重分形地震初至檢測(cè)分析[C]//中國(guó)地球物理學(xué)會(huì).中國(guó)地球物理2010——中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)第二十六屆年會(huì)、中國(guó)地震學(xué)會(huì)第十三次學(xué)術(shù)大會(huì)論文集[C].2010:334-336.

[11]倪宇東,祖云飛,李海翔,等.可控震源地震數(shù)據(jù)初至?xí)r間拾取方法[J].石油地球物理勘探,2010,45(6):793-796.

[12]顧漢明,周鴻秋.折射波初至?xí)r間的自動(dòng)拾取[C]//中國(guó)地球物理學(xué)會(huì).1990年中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)第六屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.1990:735-737.

[13]羅省賢,李錄明.地面地震初至波層析反演復(fù)雜表層速度結(jié)構(gòu)方法[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2004，19(S1):30-34.

[14]陳新球,趙黨軍,彭緒洲,等.水上地震折射互換法誤差分析[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2008，5(1)：14-18.

[15]唐湘蓉,彭緒洲,陳新球.淺析淺層折射地震資料解釋中檢波距選擇的合理性[J].物探化探計(jì)算技術(shù),2010,32(4):341-344.

[16]單娜琳,程志平.起伏界面折射波射時(shí)距曲線及其解釋[J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào),1996(1):52-57.

[17]林孝城.水域地震反射波法在巖土工程勘察中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2015,12(2):240-245.

[18]季天愚,李澈.黃土塬非縱地震資料處理技術(shù)研究[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2014,11(2):218-223.

[19]李永銘,譚天元,黃易.地震勘探技術(shù)在碎裂結(jié)構(gòu)巖體探測(cè)中的應(yīng)用研究[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2015,12(4):508-513.

[20]熊昌盛,顧漢明,陳毅敏,等.提高淺層地震折射波法在隧道勘察效果的舉措[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2004,1(5):452-456.

Automatic and Personalized Interpretation of Shallow Seismic Refraction Data

Peng Xuzhou,Li Jinmin,Chen Xinqiu

(BeijingEngineeringCorporationLtd.,PowerChina,Beijing100024,China)

Shallow seismic refraction is one of the most common methods of engineering geophysical exploration. Personalized interpretation of data collected by unconventional or nonstandard data acquisition system is the ultimate aim of geophysical engineers. Taken a cross river seismic refraction exploration of a hydropower station as an example,this paper illustrates the process and methods of data reconstruction and human-computer interaction processing and interpretation with personalized experience of engineers. This method of personalized automatic interpretation of refraction is flexible and high efficient for unconventional or nonstandard shallow seismic refraction data.

shallow seismic refraction exploration; refraction; personalized interpretation; human-computer interaction; automatic interpretation of refraction

1672—7940(2016)06—0712—05

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.06.005

彭緒洲(1967-)，女，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程物探工作。E-mail:pengxuzhou@126.com

P631.4

A

2016-06-22