CN117724167A - 一种近地表岩土体物理力学参数三维演变规律估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近地表岩土体物理力学参数三维演变规律估算方法，属于地球探测与信息技术技术领域，通过采用三维地质勘探数据进行联合反演同步获得纵波速度与横波速度进而估算泊松比、压缩模量、弹性模量、内摩擦角岩土体物理力学参数并求取相邻期次的变化。本发明提供了一种近地表岩土体物理力学参数三维演变规律估算方法，能快速及无损地获取近地表三维区域性岩土体原位的物理力学参数。

Description

一种近地表岩土体物理力学参数三维演变规律估算方法

技术领域

本发明属于地球探测与信息技术领域，尤其是涉及一种近地表岩土体物理力学参数三维演变规律估算方法。

背景技术

物理力学参数是近地表岩土工程建设中的十分关心的核心问题。实验室岩芯测定法和地球物理测井资料解释法是岩土体物理力学参数获取中常用的方法，但它们通常提供的是该钻孔处的一维岩石力学参数分布，并且相关费用较高，周期很长且具有破坏性。如何快速准确无损地表征近地表三维岩土体物理力学参数，是当前岩土体工程建设研究所面临的实际问题。地震纵、横波速度与各种岩土体物理力学参数之间存在紧密的关系。

当前岩土体物理力学参数演变规律估算方法主要有实验室岩芯测定法和地球物理测井资料解释法。这两种方法能较为准确地提供钻孔处的一维岩石物理力学参数，但成本高、周期长且仅仅只能反映该钻孔点处的静态物理力学信息，而无法刻画区域性的三维岩土体物理力学变化信息。如何快速无损获取近地表三维岩土体物理力学性质及变化规律是当前工程地质与水文地质研究的难点问题。针对该问题，本发明专利提出采用时移地震勘探数据进行不同期次数据的联合反演以获得纵波速度与横波速度进而估算岩土体物理力学参数变化，能够无损、快速、准确地获得三维近地表高密度的岩土体物理力学参数变化信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种近地表岩土体物理力学参数三维演变规律估算方法，解决现有技术存在的传统的计算方法只能提供钻孔处的一维岩石物理力学参数，成本高、周期长且仅仅只能反映该钻孔点处的静态物理力学信息，而无法刻画区域性的三维岩土体物理力学变化信息的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种近地表岩土体物理力学参数三维演变规律估算方法，包括以下步骤：

步骤1、首先开展多期三维地震勘探，然后对采集的三维地震勘探数据进行观测系统定义、坏炮与坏道剔除预处理；

步骤2、对预处理的所有期次三维地震勘探数据进行面波分离，然后对分离的面波进行频散能量成像并提取频散曲线；

步骤3、对预处理的所有期次三维地震勘探数据进行初至拾取；

步骤4、根据步骤2提取的第一期三维地震勘探数据的频散曲线进行面波联合反演获得横波速度；

步骤5、将步骤4获得的横波速度根据泊松比转换为纵波速度，作为初至层析反演的初始纵波速度模型，以初始纵波速度模型为基础，利用步骤3拾取的第一期初至信息开展初至层析反演求取纵波速度；

步骤6、评估纵波速度、横波速度与现有地质资料是否符合地质规律；若不符合，将纵波速度转换为横波速度作为步骤4面波联合反演的初始模型，重复步骤4~步骤5，直到获得符合地质规律的纵波速度与横波速度，并将符合地质规律的纵波速度与横波速度作为第一期的最终纵波速度与横波速度；

步骤7、以步骤6获得的纵波速度与横波速度分别作为后一期初至层析反演与面波反演的初始模型，根据步骤4~步骤6计算下一期的纵波速度与横波速度，重复上述步骤获得所有期次的纵波速度与横波速度；

步骤8、根据各期计算的纵波速度与横波速度估算所有期次的泊松比、压缩模量、弹性模量、内摩擦角岩土体物理力学参数并求取相邻期次的变化。

优选的，步骤2中对预处理的所有期次三维地震勘探数据进行面波分离，然后对分离的面波进行频散能量成像并提取频散曲线的具体过程如下：

步骤S21、根据面波的频率与视速度范围采用3DFKK或拉东变换进行面波分离后切除面波以外区域以最大限度提高三维地震数据中面波信噪比；

步骤S22、对分离后的地震面波采用高分辨拉东变换、多重信号分类或时频分析方法进行面波相速度与群速度的频散能量成像；

步骤S23、在频散能量成像数据基础之上采用人工智能或手动的方式拾取频散曲线。

优选的，步骤3包括如下步骤：

步骤S31、对三维地震勘探数据进行滤波及线性动校正以提高初至区域地震信号质量；

步骤S32、采用人工拾取或人工智能自动初至拾取方法进行地震初至拾取。

优选的，步骤4中采用群速度与相速度、基阶与高阶频散曲线中的一种或多种频散曲线进行面波联合反演。

优选的，步骤5中将横波速度转换为纵波速度的泊松比获取方式为采用测井曲线、室内物理力学测试及经验估算的方式。

优选的，步骤7中后一期初至层析反演的初始模型为前一期层析反演的最终纵波速度，后一期面波反演的初始模型为前一期面波联合反演最终的横波速度。

优选的，步骤8中岩土体物理力学参数的具体计算如下：

步骤S81、根据各期次的最终纵波速度与横波速度，求取三维空间各点的纵波速度与横波速度的比值及泊松比：

；

式中为泊松比，/>、/>分别为纵波速度与横波速度；

步骤S82、根据测井曲线、室内物理力学试验或经验公式通过空间插值的方式求取各点的密度，其中经验公式如下：

；

式中为纵波速度，/>为密度；

步骤S83、根据纵波速度与横波速度及步骤S82求取的密度，计算动压缩模量、动弹性模量及动剪切模量：

（1）动压缩模量计算公式如下：

；

式中为纵波速度，/>为密度，/>为横波速度；

（2）动弹性模量计算公式如下：

；

式中为纵波速度，/>为横波速度；

（3）动剪切模量计算公式如下：

；

式中为横波速度，/>为密度；

步骤S84、根据步骤S81计算的泊松比求取内摩擦角：

；

式中为泊松比。

因此，本发明采用上述一种近地表岩土体物理力学参数三维演变规律估算方法，通过采用三维地质勘探数据进行联合反演同步获得纵波速度与横波速度进而估算岩土体物理力学参数。该方法能快速及无损地获取近地表三维区域性岩土体原位的物理力学参数，为后续岩土工程建设及灾害评估能提供可靠依据，具有较大的实用价值及创新性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明一种近地表岩土体物理力学参数三维演变规律估算方法的整体流程图；

图2为本发明实施例的分离的面波图；

图3为本发明实施例的频散能量成像图；

图4为本发明实施例拾取的频散曲线图；

图5为本发明实施例的拾取的地震初至图；

图6为本发明实施例最终估算的弹性模量三维图；

图7为本发明实施例动弹性模量三维图及不同深度水平切片。

具体实施方式

以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，一种近地表岩土体物理力学参数三维演变规律估算方法，包括以下步骤：

步骤1、首先开展多期三维地震勘探，然后对采集的三维地震勘探数据进行观测系统定义、坏炮与坏道剔除预处理；

步骤2、对预处理的所有期次三维地震勘探数据进行面波分离，然后对分离的面波进行频散能量成像并提取频散曲线，具体过程如下：

步骤S21、根据面波的频率与视速度范围采用3DFKK或拉东变换进行面波分离后切除面波以外区域以最大限度提高三维地震数据中面波信噪比；

步骤S22、对分离后的地震面波采用高分辨拉东变换、多重信号分类或时频分析方法进行面波相速度与群速度的频散能量成像；

步骤S23、在频散能量成像数据基础之上采用人工智能或手动的方式拾取频散曲线；

步骤3、对预处理的所有期次三维地震勘探数据进行初至拾取，包括如下步骤：

步骤S31、对三维地震勘探数据进行滤波及线性动校正以提高初至区域地震信号质量；

步骤S32、采用人工拾取或人工智能自动初至拾取方法进行地震初至拾取；

步骤4、根据步骤2提取的第一期三维地震勘探数据的频散曲线进行面波联合反演获得横波速度；其中采用群速度与相速度、基阶与高阶频散曲线中的一种或多种频散曲线进行面波联合反演；

步骤5、将步骤4获得的横波速度根据泊松比转换为纵波速度，作为初至层析反演的初始纵波速度模型，以初始纵波速度模型为基础，利用步骤3拾取的第一期初至信息开展初至层析反演求取纵波速度；其中将横波速度转换为纵波速度的泊松比获取方式为采用测井曲线、室内物理力学测试及经验估算的方式；

步骤6、评估纵波速度、横波速度与现有地质资料是否符合地质规律；若不符合，将纵波速度转换为横波速度作为步骤4面波联合反演的初始模型，重复步骤4~步骤5，直到获得符合地质规律的纵波速度与横波速度，并将符合地质规律的纵波速度与横波速度作为第一期的最终纵波速度与横波速度；

步骤7、以步骤6获得的纵波速度与横波速度分别作为后一期初至层析反演与面波反演的初始模型，根据步骤4~步骤6计算下一期的纵波速度与横波速度，重复上述步骤获得所有期次的纵波速度与横波速度；其中，后一期的初至层析反演的初始模型为前一期层析反演的最终纵波速度，后一期的面波反演的初始模型为前一期面波联合反演最终的横波速度；

步骤8、根据各期计算的纵波速度与横波速度估算所有期次的泊松比、压缩模量、弹性模量、内摩擦角岩土体物理力学参数并求取相邻期次的变化；其中岩土体物理力学参数的具体计算如下：

步骤S81、根据各期次的最终纵波速度与横波速度，求取三维空间各点的纵波速度与横波速度的比值及泊松比：

；

式中为泊松比，/>、/>分别为纵波速度与横波速度；

步骤S82、根据测井曲线、室内物理力学试验或经验公式通过空间插值的方式求取各点的密度，其中经验公式如下：

；

式中为纵波速度，/>为密度；

步骤S83、根据纵波速度与横波速度及步骤S82求取的密度，计算动压缩模量、动弹性模量及动剪切模量：

（1）动压缩模量计算公式如下：

；

式中为纵波速度，/>为密度，/>为横波速度；

（2）动弹性模量计算公式如下：

；

式中为纵波速度，/>为横波速度；

（3）动剪切模量计算公式如下：

；

式中为横波速度，/>为密度；

步骤S84、根据步骤S81计算的泊松比求取内摩擦角：

；

式中为泊松比。

实施例

以某煤田四维地震勘探数据为例对该方法流程进行说明。

步骤1、在该煤田研究区开展了四个期次的三维地震勘探（四期三维地震数据采用同一位置同一观测系统），相邻间隔时间为半年左右。对该四期三维地震数据进行观测系统定义、剔除坏炮和坏道等预处理；

步骤2、设置频率范围为8~50hz，视速度范围为200~1500m/s，对预处理后的地震数据根据设定的面波的频率与视速度范围采用3DFKK进行面波分离后切除面波以外区域以最大限度提高三维地震数据中面波信噪比。在此基础之上，采用多重信号分类方法及时频分析方法分别进行相速度与群速度频散能量成像，最后人工手动拾取面波的相速度与群速度频散曲线。分离后的面波如图2所示。频散能量成像图如图3所示。拾取的面波频散曲线如图4所示。其中，图2为对地震数据采用十字交叉域3DFKK进行面波分离并切除后的面波。从该图中可以清晰地看到反射振幅较强且呈明显线性特征的瑞雷波信号。图3为对图2数据采用多重信号分类方法进行的相速度频散能量成像图。从该图中可以看到两个明显的频散能量团，其中左侧的为基模态瑞雷波频散能量；右侧的为第一高阶瑞雷波频散能量。图4为根据图3的频散能量的极大值拾取的频散能量曲线，其中拾取图3左侧基模态瑞雷波频散能量的极大值可获得基模频散曲线，拾取图3右侧第一高阶模态瑞雷波频散能量的极大值可获得第一高阶模态频散曲线。从图3中拾取的频散曲线可以看到该点基模态中对应浅部高频的相速度约为280m/s，与深部相对应的低频端相速度约为900m/s；第一高阶模态中最低相速度为550m/s，最高相速度大于1000m/s。高质量、多模态的频散曲线为后续面波反演提供了良好基础。

步骤3、对预处理后的地震数据采用人工拾取的方法手动拾取初至。拾取的地震初至如图5所示，图5中白色*点为采用人工手动拾取的方法拾取的地震波初至起跳时间，利用该初至时间可进行后续的折射波层析反演。

步骤4、根据区内35个地质钻孔数据、测井曲线及步骤2拾取的频散曲线变化规律对整个研究区域分割成3个典型区域。

步骤5、每个典型区域选择1个特征点（该特征点附近有钻孔且相速度与群速度频散曲线质量较佳作为特征点选取标准）采用瑞雷波相速度、群速度联合反演方法对第一期面波频散曲线进行联合反演。将该联合反演获得的横波速度作为该区域内所有点的面波反演初始模型；

步骤6、以步骤5获得的初始模型对该区域内所有点的频散曲线进行相速度反演获得横波速度；

步骤7、对该横波速度进行平滑并根据井孔测井曲线的泊松比转换为纵波速度；

步骤8、以该纵波速度作为初始模型利用步骤3拾取的地震初至信息进行层析反演获得近地表的纵波速度；

步骤9、提取步骤6和步骤8获得的纵波速度与横波速度水平切片与垂直切片，发现局部区域与现有地质信息存在细节刻画不是很清晰。因此将步骤8的纵波速度根据步骤7中的泊松比转换为横波速度重新作为面波反演的初始模型。在此基础之上重复步骤6~步骤8，获得更为合理的纵波速度与横波速度。

步骤10、以步骤9获得的纵波速度与横波速度分别作为第二期面波反演与初至层析反演的初始模型，根据步骤6~步骤8计算第二期的纵波速度与横波速度。以此类推获得所有四期的纵波速度与横波速度。

步骤11、根据步骤10的四期纵波速度与横波速度计算泊松比、压缩模量、弹性模量、内摩擦角等岩土体物理力学参数。最终估算的弹性模量三维图如图6所示。最终估算的弹性模量三维图及不同深度水平切片如图7。图7为采用纵波速度与横波速度计算的弹性模量三维图，从该图中可以看到整个区域的弹性模量三维空间分布特征，进一步提取其高程1300~1250米之间间隔10米的水平切片，从水平切片可以看到该研究区域弹性模量总共可以分为三个区域，东北侧及西南侧弹性模量相对较小，中间区域弹性模量相对较大，且总体呈北西-南东走向。进一步对比不同深度水平切片可以发现，随着深度越深，中部较大的弹性模量区域也变得更大，这与该区域基岩面的构造起伏总体趋势是一致的，从侧面也说明了本方案采用的地震数据进行物理力学参数估算，尤其是弹性模量估算是比较合理可靠的。

因此，本发明采用上述一种近地表岩土体物理力学参数三维演变规律估算方法，通过采用三维地质勘探数据进行联合反演同步获得纵波速度与横波速度进而估算岩土体物理力学参数。该方法能快速及无损地获取近地表三维区域性岩土体原位的物理力学参数，为后续岩土工程建设及灾害评估能提供可靠依据，具有较大的实用价值及创新性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种近地表岩土体物理力学参数三维演变规律估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、首先开展多期三维地震勘探，然后对采集的三维地震勘探数据进行观测系统定义、坏炮与坏道剔除预处理；

步骤2、对预处理的所有期次三维地震勘探数据进行面波分离，然后对分离的面波进行频散能量成像并提取频散曲线；

步骤3、对预处理的所有期次三维地震勘探数据进行初至拾取；

步骤4、根据步骤2提取的第一期三维地震勘探数据的频散曲线进行面波联合反演获得横波速度；

步骤5、将步骤4获得的横波速度根据泊松比转换为纵波速度，作为初至层析反演的初始纵波速度模型，以初始纵波速度模型为基础，利用步骤3拾取的第一期初至信息开展初至层析反演求取纵波速度；

步骤6、评估纵波速度、横波速度与现有地质资料是否符合地质规律；若不符合，将纵波速度转换为横波速度作为步骤4面波联合反演的初始模型，重复步骤4~步骤5，直到获得符合地质规律的纵波速度与横波速度，并将符合地质规律的纵波速度与横波速度作为第一期的最终纵波速度与横波速度；

步骤7、以步骤6获得的纵波速度与横波速度分别作为后一期初至层析反演与面波反演的初始模型，根据步骤4~步骤6计算下一期的纵波速度与横波速度，重复上述步骤获得所有期次的纵波速度与横波速度；

步骤8、根据各期计算的纵波速度与横波速度估算所有期次的泊松比、压缩模量、弹性模量、内摩擦角岩土体物理力学参数并求取相邻期次的变化。

2.根据权利要求1所述的一种近地表岩土体物理力学参数三维演变规律估算方法，其特征在于，步骤2中对预处理的所有期次三维地震勘探数据进行面波分离，然后对分离的面波进行频散能量成像并提取频散曲线的具体过程如下：

步骤S21、根据面波的频率与视速度范围采用3DFKK或拉东变换进行面波分离后切除面波以外区域；

步骤S22、对分离后的地震面波采用高分辨拉东变换、多重信号分类或时频分析方法进行面波相速度与群速度的频散能量成像；

步骤S23、在频散能量成像数据基础之上采用人工智能或手动的方式拾取频散曲线。

3.根据权利要求1所述的一种近地表岩土体物理力学参数三维演变规律估算方法，其特征在于，步骤3包括如下步骤：

步骤S31、对三维地震勘探数据进行滤波及线性动校正；

步骤S32、采用人工拾取或人工智能自动初至拾取方法进行地震初至拾取。

4.根据权利要求1所述的一种近地表岩土体物理力学参数三维演变规律估算方法，其特征在于：步骤4中采用群速度与相速度、基阶与高阶频散曲线中的一种或多种频散曲线进行面波联合反演。

5.根据权利要求1所述的一种近地表岩土体物理力学参数三维演变规律估算方法，其特征在于：步骤5中将横波速度转换为纵波速度的泊松比获取方式为采用测井曲线、室内物理力学测试及经验估算的方式。

6.根据权利要求1所述的一种近地表岩土体物理力学参数三维演变规律估算方法，其特征在于：步骤7中后一期初至层析反演的初始模型为前一期层析反演的最终纵波速度，后一期面波反演的初始模型为前一期面波联合反演最终的横波速度。

7.根据权利要求1所述的一种近地表岩土体物理力学参数三维演变规律估算方法，其特征在于，步骤8中岩土体物理力学参数的具体计算如下：

步骤S81、根据各期次的最终纵波速度与横波速度，求取三维空间各点的纵波速度与横波速度的比值及泊松比：

；

式中为泊松比，/>、/>分别为纵波速度与横波速度；

步骤S82、根据测井曲线、室内物理力学试验或经验公式通过空间插值的方式求取各点的密度，其中经验公式如下：

；

式中为纵波速度，/>为密度；

步骤S83、根据纵波速度与横波速度及步骤S82求取的密度，计算动压缩模量、动弹性模量及动剪切模量：

（1）动压缩模量计算公式如下：

；

式中为纵波速度，/>为密度，/>为横波速度；

（2）动弹性模量计算公式如下：

；

式中为纵波速度，/>为横波速度；

（3）动剪切模量计算公式如下：

；

式中为横波速度，/>为密度；

步骤S84、根据步骤S81计算的泊松比求取内摩擦角：

；

式中为泊松比。