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某石灰岩岩溶场地P波和S波结合跨孔地震层析成像

现场下方为宽泛的石灰岩基岩，先前的岩土工程开挖显示出升沉的岩头、溶蚀通路、大型洞窟系统和悬挑。石灰岩上覆盖着约13.5m厚的第四系冲积层，该区域险些达到表表鼓和。在两个40m深、靠近垂直的钻孔之间，利用P波和水平极化S波对浮泛进行跨孔地震层析丈量，在表表上距离20m。

测试步骤：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蹊径的走时，在2D或3D结构中，对具体结组成像，可能提供高空间分辨率的P波和S波地震波速图像，重要用来描述地质结构。

测试步骤：P波与S波的区别

P波比S波更容易天生和纪录，P波层析成像丈量通常更容易进行，例如使用火花震源和水听器串，不必要对震源或接管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、更正确。因而，P波地震层析成像目前为进行孔间高分辨率地质机关勘探的尺度步骤。

相对而言，S波层析成像丈量更复杂一些，美河山壤测试资料委员会（ASTM D44282000）针对井间S波地震测试提出的建议是在每个接管器地位使用三分量检波器，并确保震源和接管器与井壁的优良耦合。此表，水平极化S波震源的方向是产生一致S波的一个沉要参数。为了更好地确定横波走时，建议回转横波震源的引发方向，从而扭转横波达到的极性。由于这些原因，很少进行S波跨孔地震层析成像。

只管存在这些挑战，S波层析成像丈量与传统P波层析成像丈量相比拥有很多潜在优势，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。此表，地震纵波和横波层析数据的结合采集和诠释使得可能推算弹性模量参数，对泥土或岩石参数对地下进行更具体的描述。

图3 S波跨孔层析成像系统部门优势（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波层析丈量和S波层析丈量，震源移动步距为1m，P波和S波接管阵列上的接管器？榧渚辔1m，震源引发在接管阵列平行领域内自下而上进行，以确保相邻接管器分列之间的高度沉叠和井间资料的密集采样。为了天生和纪录P波地震信号，使用了SBS42孔中火花震源和BHC5型24通路水听器链。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纪录，采样频率为16kHz
；鸹ㄆ骱退郊疭波源均由5kV的IPG5000脉冲产生器供电。

图4 Geotomographie公司在本项目中所使用的设备

IPG5000脉冲产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，重要产生地震纵波。对于水平极化的S波源，很多电磁线圈搁置在铜板左近。当电流流动时，铜板和线圈相互倾轧，导致铜板撞击井壁侧面。这种侧向机械冲击重要产生水平极化的S波。S波震源通过气囊与井壁气动耦合，S波震源和接管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，只管在城市环境中运行，交通、构筑和电气噪声都很强烈。

某石灰岩岩溶场地测试了局分析

测试了局：速度剖面

纵波和横波断面图如图所示，断面图侧面显示了BH1和BH2的钻孔纪录。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以鼓和冲积层的低P波速度（~1500m/s）为特点。在岩溶石灰岩起头的冲积层下方，基岩天堑处的波速度和横波速度似乎急剧增长（波速度：5800m/S，横波速度：2750m/S）。

在约莫12至19m的海拔高度之间，在BH2左近观察到一个大型低速带（纵波：2700至3600m/s
；横波：1000至2000m/s），该低速带险些横向延长至BH1。如BH2钻孔纪录所示，该区域可能是一个较大的、部门填充的空腔（见图5）。在此低速区下方，纵波的速度从5000m/s增长到6500 m/s，横波的速度从2300m/s增长到3800 m/s。

然而，两张断层照片都批注石灰岩不是均质的，在这些深度也可能存在一些较幼的浮泛或非均质（领域为3至6m）。出格是，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，从最幼到最大横波速度的领域因而增长了90%，而纵波速度仅增长了30%。

在层析丈量之后，钻取了另表两个钻孔BH3和BH4，以验证了局，BH3确认了层析图中诠释的浮泛的存在。P波和S波层析成像与钻孔测井之间的优良有关性进一步为开云kaiyun电竞诠释提供了更多的信心。

测试了局：纵横波速比、泊松比、体积模量、杨氏模量和剪切模量

一旦确定了纵波和横波速度，并且断面图中存在靠得住性，此刻就能够推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。此表，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等人选取了类似的步骤，即便用 S波速度的k均值聚类将断面图划分为三个分歧的区域（图7（a））。这些区域（图7（b））被诠释为由：

1. 密度为1500kg/m³的冲积层组成
   ；

2. 密度为1900kg/m³的中度风化石灰岩
   ；

3. 密度为2500kg/m³的齐全石灰岩。

体积模量的领域从不切现实的负值到约莫100 GPa。体积模量的结构与P波散布类似。另一方面，杨氏模量和剪切模量类似于横波速度散布，大无数区域的杨氏模量领域为10-100GPa，剪切模量领域大多为5-50GPa。

弹性参数是纵波和横波速度的加权组合，因而可用于地质机关的诠释。因而，弹性参数被用来确定低速区的大幼，低速区被诠释为空腔。凭据弹性参数界面，空腔的尺寸约为16.5至19 m长，6至7 m高。诠释的空腔状态的变动可能批注其尺寸和地位的不确定性。通过将诠释的浮泛与BH3的钻孔测井进行比力，能够明显地看出，P波层析成像和体积模量的有关性优于S波层析成像及其导出的弹性剪切模量。只管如此，当BH3与空腔订交时，Vp/Vs比和类似的泊松比显示出较高的可变性。

P波和S波结合跨孔地震层析成像利益及利用远景

相对于传统的P波跨孔层析成像步骤，P+S波结合地震跨孔层析系统，除提高了速度剖面的分辨率和靠得住性表，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，加强地质诠释，这些在结合诠释中是很有效的，尤其是幼应变剪切模量是大型构筑工程的沉要弹性参数。

弹性参数也可用于确定未来隧路的地震易损性，由于Wang和Munfakh（2001）批注地震复原力取决于周围资料的刚度。另一个益处是，弹性参数能够改善隧路掘进机（TBM）穿透率的预测。若是在更大领域内或有问题的环境中网络弹性参数，这些参数可能在建设项主张经济和功夫规划中阐扬沉要作用，由于Ghasemi等人（2014）批注，能够使用抗压强度、岩石脆性，岩体中幽微面和不陆续面方向之间的距离。因而，弹性参数可能有助于TBM穿透率的建模。

参考文件：

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.