岩溶地层面波频散特征及其勘探应用

摘要

面波勘探技术是一种很成熟的浅层地震勘探方法，在工程勘察分辨率和探测精度方面具有较好的应用效果。常规的面波勘探方法只能一次采集某一点的资料，然而多道瞬态面波法则可以通过滚动式采集，收集较多的面波资料和地震波信息，最终处理的结果是一个地质剖面，更能真实的反映地层下的地质情况。采用多道瞬态面波技术在一定程度上能提高工程探测的分辨率和探测精度。论文基于多道瞬态面波法为技术手段，利用几种典型的地质结构模型进行交错网格有限差分正演模拟，在不同地层结构体中频散曲线均表现出了不同的形态特征。
　　论文先对两种固体介质构成的半空间（两层固体介质和多层固体介质）频散曲线进行了理论计算;并对频散曲线提取方法（τ-p变换算法、f-k变换算法和相移法）进行了研究。利用构建几种典型地层结构模型，运用交错网格2阶时间差分近似，交错网格12阶空间差分近似，进行面波正演模拟，研究面波在这些不同地层结构（半空间均匀介质含溶洞模型、水平地表含溶洞和倾斜地表含溶洞模型、软夹层模型、断层结构模型、灰岩层含空洞模型）里的传播特点，同时也获取了在这些地层结构中的波场快照和频散信息，对其波场快照和频散曲线进行对比分析，得到了在不同地层中频散曲线均表现出不同的形态特征和结论，为多道瞬态面波技术在工程地质勘察中的应用提供了科学指导。最后通过两个现场探测岩溶地层试验，对比发现，瑞雷波法对浅层地质异常体具有更高的分辨力，与其它的方法相比精确度更高。由此，可确定多道瞬态瑞雷波法对岩溶地层勘探是一套有效的勘探方法。
　　论文同时指出了多道瞬态面波技术应用方面的不足及今后的研究方向，特别是非层状复杂地质结构（如:采空区、裂隙夹缝等）中传播特性和频散特性研究，往往在这些复杂地质结构中探测精度不高，导致了错误的地质异常解释。应着重加强散射特性、衰减特性和椭圆极化特性等研究来提高瑞雷波多属性信息的充分利用，从而增强瑞雷波勘探复杂地质结构能力。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 选题意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩溶区域异常体物探方法研究现状

1．2．2 瑞雷波在岩溶地层探测的应用现状

1．2．3 主要存在的问题

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

2 瑞雷面波勘探理论

2．1 瑞雷面波的形成及传播特征

2．1．1 均匀半空间瑞雷面波的形成

2．1．2 瑞雷面波的传播特征

2．2 瞬态瑞雷面波法勘探技术原理

2．2．1 勘探的方法原理

2．2．2 勘探仪器的选取

2．3．3 野外勘探工作方法

3 瑞雷面波的频散特征研究

3．1 频散、相速度和群速度

3．2 瑞雷面波的理论频散计算

3．2．1 两层固体介质构成的半空间

3．2．2 多层介质瑞雷波频散计算方法

3．3 瑞雷面波的频散曲线提取方法研究

3．4 本章小结

4 岩溶地层中不良地质体模型算例和频散分析

4．1 弹性波动方程的有限差分

4．1．1 初始条件和震源函数

4．1．2 波动方程的高阶交错网格有限差分

4．1．3 边界条件

4．2 半空间均匀介质模型瑞雷波正演模拟

4．2．1 半空间均匀介质模型正演模拟

4．2．2 半空间均匀介质中含溶洞模型正演模拟

4．3 层状地质模型瑞雷波正演模拟

4．3．1 水平地表下溶洞模型中瑞雷波正演模拟

4．3．2 倾斜地表下溶洞模型中瑞雷波正演模拟

4．3．3 软夹层型模型瑞雷波正演模拟

4．3．4 断层地质模型瑞雷波正演模拟

4．3．5 灰岩地层中含空洞模型瑞雷波正演模拟

4．4 本章小结

5 瞬态瑞雷波法数值模拟的工程验证

5．1 皖南地区合福高铁岩溶路基注浆质量检测试验

5．1．1 现场工程地质概况

5．1．2 现场勘探方案设计

5．1．3 数据处理与频散分析

5．1．4 探测成果分析

5．2 淮南洞山灰岩地层隧道探测试验

5．2．1 现场工程地质及水文地质概况

5．2．2 现场勘探方案设计

5．2．3 数据处理与频散分析

5．2．4 探测成果分析

5．3 本章小结

6 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果