[发明专利]瑞利面波探测地下空洞边界方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种瑞利面波探测地下空洞边界方法，属于空洞边界定位技术领域。

背景技术

天然形成或人工挖凿形成的地下空洞，对城市基础建设具有潜在巨大隐患。地震勘探以其高分辨率特点在空洞探测中相较于其他地球物理方法具有显著优势，其中瑞利面波勘探技术已经成为该方面的研究热点，比如MASW、ReMi、AARW和Spiking Fileter Analysis在空洞、地下管道探测中的应用，究其原因是因为瑞利面波在近地表的能量要远大于其他弹性波。近地表存在不均匀体时，沿近地表传播的瑞利面波会发生散射现象，散射的强度取决于不均匀体与周围介质的物性差异。当地下存在空洞时，空洞和四周介质的接触面是自由边界，产生的散射波达到最强，当空洞为规则形状，比如下水道或天然气管道的衬砌，瑞雷面波在衬砌的边界的顶角处产生散射瑞利面波和体波。

广义S变换时频分析方法是非平稳信号分析的有效方法，可以在频率域和时间域对非平稳信号进行分析，该方法相较于其他时频分析方法，能够提供较高的时间和频率分辨率以达到识别微弱信号的目的，可以用于探测由地下不均匀体引起的面波散射波的到时，当地下空洞规则时，可以用于探测由空洞前后角点处引起的散射面波的分别到时。

在地下空洞探测方法研究中，将瑞利面波技术和时频分析方法相结合，可以在相当高的精度下探测浅层地下空洞的位置，且该方法简单易行，可以发展为一种实时现场探测方法。

发明内容

本发明的目的在于克服在探测地下空洞位置的方法中，其他地球物理方法存在许多局限性或者不适用于实时探测的缺陷，通过将瑞利面波技术和广义S变换技术相结合，提供一种瑞利面波探测地下空洞边界方法，以便达到快速实时探测地下空洞的目的。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种瑞利面波探测地下空洞边界方法，具体包括以下步骤：

(1)野外地震面波散射数据采集：野外地震面波散射数据采集和普通反射地震勘探数据采集流程采集相同，当地下存在空洞时，弹性波和空洞发生作用，导致由体波到面波的转换以及由面波到体波的转换，散射面波在所有的散射转换波中的能量是最强的，这为采用广义S变换时频分析方法提取散射面波的到时提供了条件。

(2)数据预处理：对野外采集的单炮数据进行预处理工作，步骤如下：

(2a)去除随机噪声的影响，提高地震的信噪比；

(2b)根据单炮地震记录上的面波同相轴的时距关系求取面波的波速；

(2c)通过广义S变换时频分析方法计算某道数据直达面波的到时，然后将该时间减去该道偏移距与面波速度之商，即可得到震源峰值延迟时间；

(2d)通过FK滤波去除直达面波，以增强散射面波的相对强度。

(3)采用广义S变换时频分析方法提取散射面波到时：对步骤(2)中得到的面波散射波记录，选取几道进行广义S变换，从时频图上拾取地震面波散射记录的到时。如果探测的空洞为一规则形状，则可以通过广义S变换拾取到来自空洞近震源边界和远震源边界的散射面波记录的到时。如果探测的空洞为不规则形状，则只能拾取到空洞作为一个散射点的散射面波到时。

(4)计算空洞边界位置：d1和d2分别为待求的空洞近震源边界和远震源边界距震源的距离，x为某点检波器距震源的距离，h为空洞顶层的埋深。在h＜＜(d-x)的情况下，有：

d=(t-tdelay)v+x2---(1)]]>

其中v为面波速度，d为待求的空洞距震源的距离，t为广义S变换时频分析方法提取到的散射面波的到时，tdelay为步骤(2c)中提取得到的震源峰值延迟时间。若空洞形状规则，则根据步骤(3)中拾取的分别来自近震源边界和远震源边界的散射面波的到时计算边界到震源的距离，达到探测空洞的目的。