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某石灰岩岩溶场地P波和S波联合跨孔地震层析成像
现场下方为广泛的石灰岩基岩，先前的岩土工程开挖显示出起伏的岩头、溶蚀通道、大型洞穴系统和悬挑。石灰岩上覆盖着约13.5m厚的第四系冲积层，该区域几乎达到表面饱和。在两个40m深、接近垂直的钻孔之间，利用P波和水平极化S波对空洞进行跨孔地震层析测量，在表面上间隔20m。
石灰岩溶洞示意(非本测试实景)
测试方法：跨孔地震层析成像
跨孔地震层析成像，通常是在两个或多个钻孔之间，利用水平和亚垂直地震波射线路径的走时，在2D或3D结构中，对详细结构成像，能够提供高空间分辨率的P波和S波地震波速图像，主要用来描绘地质结构。
图1 地震跨孔层析成像原理与2D成果
图2 一般跨孔层析成像系统构成
测试方法：P波与S波的区别
P波比S波更容易生成和记录，P波层析成像测量通常更容易进行，例如使用火花震源和水听器串，不需要对震源或接收器进行直接耦合或对准，P波走时拾取通常比S波走时拾取更容易、更准确。因此，P波地震层析成像目前为进行孔间高分辨率地质构造勘探的标准方法。
相对而言，S波层析成像测量更复杂一些，美国土壤测试材料委员会（ASTM D44282000）针对井间S波地震测试提出的建议是在每个接收器位置使用三分量检波器，并确保震源和接收器与井壁的良好耦合。此外，水平极化S波震源的方向是产生一致S波的一个重要参数。为了更好地确定横波走时，建议反转横波震源的激发方向，从而改变横波到达的极性。由于这些原因，很少进行S波跨孔地震层析成像。
尽管存在这些挑战，S波层析成像测量与传统P波层析成像测量相比具有许多潜在优势，例如，由于S波速度较低，波长较短，近地表测绘分辨率较高，且不受地下水影响。此外，地震纵波和横波层析数据的联合采集和解释使得能够计算弹性模量参数，对土壤或岩石参数对地下进行更详细的描述。
图3 S波跨孔层析成像系统部分优势（短波长≈高分辨率，不受地下水位影响）
测试设备：GeotomographieP波+S波跨孔地震层析成像系统
本次高分辨率P波层析测量和S波层析测量，震源移动步距为1m，P波和S波接收阵列上的接收器模块间距为1m，震源激发在接收阵列平行范围内自下而上进行，以确保相邻接收器排列之间的高度重叠和井间材料的密集采样。为了生成和记录P波地震信号，使用了SBS42孔中火花震源和BHC5型24通道水听器链。P波信号采样频率为32 kHz。横波信号由水平极化的BIH-SH型S波震源产生，并由MBAS-D型多站三分量检波器链阵列记录，采样频率为16kHz。火花器和水平极化S波源均由5kV的IPG5000脉冲发生器供电。
图4 Geotomographie公司在本项目中所使用的设备
IPG5000脉冲发生器产生的高能电脉冲能通过电缆传输至孔中震源。对于P波源，火花通过电极放电，水蒸发，迅速膨胀和坍缩，主要产生地震纵波。对于水平极化的S波源，许多电磁线圈放置在铜板附近。当电流流动时，铜板和线圈相互排斥，导致铜板撞击井壁侧面。这种侧向机械冲击主要产生水平极化的S波。S波震源通过气囊与井壁气动耦合，S波震源和接收器通过旋转硬软管与地面对齐。四到八次的信号叠加确保了高信噪比，尽管在城市环境中运行，交通、建筑和电气噪声都很强烈。
Geotomographie四川凉山测试现场
某石灰岩岩溶场地测试结果分析
测试结果：速度剖面
图5 P波（a）和S波（b）走时的层析反演成果，显示出与钻孔的良好相关性
纵波和横波断面图如图所示，断面图侧面显示了BH1和BH2的钻孔记录。两个断面图显示了三个区域，这三个区域也在钻孔日志中观察到。上部15m以饱和冲积层的低P波速度（~1500m/s）为特征。在岩溶石灰岩开始的冲积层下方，基岩边界处的波速度和横波速度似乎急剧增加（波速度：5800m/S，横波速度：2750m/S）。
在大约12至19m的海拔高度之间，在BH2附近观察到一个大型低速带（纵波：2700至3600m/s；横波：1000至2000m/s），该低速带几乎横向延伸至BH1。如BH2钻孔记录所示，该区域可能是一个较大的、部分填充的空腔（见图5）。在此低速区下方，纵波的速度从5000m/s增加到6500 m/s，横波的速度从2300m/s增加到3800 m/s。
然而，两张断层照片都表明石灰岩不是均质的，在这些深度也可能存在一些较小的空洞或非均质（范围为3至6m）。特别是，S波断面图显示出比P波断面图更多的不均匀性，S波速度在2000到3800m/s之间，P波速度仅在5000到6500m/S之间。相对而言，从最小到最大横波速度的范围因此增加了90%，而纵波速度仅增加了30%。
在层析测量之后，钻取了另外两个钻孔BH3和BH4，以验证结果，BH3确认了层析图中解释的空洞的存在。P波和S波层析成像与钻孔测井之间的良好相关性进一步为我们的解释提供了更多的信心。
测试结果：纵横波速比、泊松比、体积模量、杨氏模量和剪切模量
图6 弹性参数：（a）Vp/Vs比，（b）体积模量，（c）杨氏模量和（d）剪切模量
一旦确定了纵波和横波速度，并且断面图中存在可靠性，现在就可以计算钻孔之间二维平面上的弹性模量。这些模量，即纵横波速度比、泊松比、体积模量和杨氏模量，如图6所示。此外，剪切模量通过利用横波速度和估计密度值确定，如图7所示。为了估计密度，我们对Paasche等人采用了类似的方法，即使用 S波速度的k均值聚类将断面图划分为三个不同的区域（图7（a））。这些区域（图7（b））被解释为由：
密度为1500kg/m3的冲积层组成；
密度为1900kg/m3的中度风化石灰岩；
密度为2500kg/m3的完整石灰岩。
图6 密度分区和剪切模量：（a）k-均值聚类，将断面图像分为三个区域，（b）将密度值分配给三个区域，以及（c）计算剪切模量
体积模量的范围从不切实际的负值到大约100 GPa。体积模量的结构与P波分布相似。另一方面，杨氏模量和剪切模量类似于横波速度分布，大多数区域的杨氏模量范围为10-100GPa，剪切模量范围大多为5-50GPa。
弹性参数是纵波和横波速度的加权组合，因此可用于地质构造的解释。因此，弹性参数被用来确定低速区的大小，低速区被解释为空腔。根据弹性参数界面，空腔的尺寸约为16.5至19 m长，6至7 m高。解释的空腔形状的变化可能表明其尺寸和位置的不确定性。通过将解释的空洞与BH3的钻孔测井进行比较，可以清楚地看出，P波层析成像和体积模量的相关性优于S波层析成像及其导出的弹性剪切模量。尽管如此，当BH3与空腔相交时，Vp/Vs比和类似的泊松比显示出较高的可变性。
P波和S波联合跨孔地震层析成像优点及应用前景
相对于传统的P波跨孔层析成像方法，P+S波联合地震跨孔层析系统，除提高了速度剖面的分辨率和可靠性外，可进一步提供纵横波速比、泊松比、体积模量、杨氏模量和剪切模量等土动力学参数，增强地质解释，这些在联合解释中是很有用的，尤其是小应变剪切模量是大型建筑工程的重要弹性参数。
弹性参数也可用于确定未来隧道的地震易损性，因为Wang和Munfakh（2001）表明地震恢复力取决于周围材料的刚度。另一个好处是，弹性参数可以改善隧道掘进机（TBM）穿透率的预测。如果在更大范围内或有问题的环境中收集弹性参数，这些参数可能在建设项目的经济和时间规划中发挥重要作用，因为Ghasemi等人（2014）表明，可以使用抗压强度、岩石脆性，岩体中薄弱面和不连续面方向之间的距离。因此，弹性参数可能有助于TBM穿透率的建模。
参考文献：
Julius K. von Ketelhodt, et al. Elastic Parameters from Compressional and Shear Wave Tomographic Survey: A Case Study from Kuala Lumpur, Malaysia[J]. Journal of Environmental and Engineering Geophysics, 2017, 22(4):427-434.
