地震散射法勘探TST隧道超前预报技术

地震散射法勘探TST隧道超前预报技术

地震反射基于分层均匀地质模型，而地震散射是基于非均匀地质模型的勘探方法，因而地震散射是地震反射的升级版，具有更高的分辨率。地震散射理论较早是由K.Aki （1980）在所著的‘定量地震学’中提出来的。他在研究地震波在非均匀的地壳与上地慢中传播时，发现在密度和弹性模量非均匀情况下会产生散射波。推导了散射波产生与传播的控制方程，并给出了散射波场的理论解。上世纪80-90年代，应用散射波理论研究地球深部结构的非均匀性曾取得丰硕的成果。N.布莱斯坦等在地震成像方法研究中，用速度异常表征地质体的非均匀性，也推导出类似的地震散射波方程。两者的物理含义是相同的，但N.布莱斯坦的表达方式更为简捷。从K.AKI提出地震散射理论到现在已经40多年过去了，散射理论在地震勘探领域并没有引起足够的重视，目前国内外的地震勘探仍然采用反射方法。

地震散射理论是非均匀地质模型下弹性波传播的理论，当然也适用于均匀介质场合。在均匀弹性介质中，地震波传播的控制方程为：

(1)

这是一个齐次方程，其中波速v为常数。该式表明，在均匀介质中地震波是沿直线传播。当遇到边界时才产生反射波与折射波。

在非均匀地质体中，波速v是空间的分布函数。N.布莱斯坦将波速分布表示为缓变波速v0和陡变系数α(r)的组合形式；

（2）

这里的α（r）是波速平方差的百分比，实际上是介质力学模量差异的百分比，称为散射系数，其物理作用类似于反射系数。它仅在非均匀介质的界面上不为零。

在非均匀介质中，地震波场不但有入射波，还有散射波。总的波场u是入射波uI 与散射波us之和；

（3）

将（2）和（3）式带入到（1）式，在散射波us比入射波uI小得多时（波恩假定）有；

（4）

得到非均匀介质中入射波与散射波分别满足的控制方程：

(5)

该方程组是地震散射勘探的理论基础。其中前一方程为入射波的传播规律，后一方程为散射波的传播规律。散射波方程为非齐次方程，右端项为等效力源。该式表明，入射波场激励的加速度与散射系数之积是产生散射波的力源。该散射力源具有点源的特点，向周围发射散射波。散射波的强度与散射强度、入射波激励强度成正比。

散射勘探中地表记录到的散射波是地下各散射体的散射之和（K.Aki，1978）：

（6）

该式表明，散射波记录与散射强度α（r）的大小、入射波激振的加速度成正比，与散射体的距离成反比。由于散射体的局部性，散射波的传播具有局域性。

既然每个接收点的记录包含着附近区域所有散射体散射波的总合，就可通过多点激发和多点接收的散射记录，重建地下散射系数α（r）的分布与波速V0分布的图像。这两点就是地震散射波勘探的基本目标。

散射波法勘探的目的是获得散射系数α的分布和V0的分布。前者代表地质界面的位置，后者直接反应地层的岩性与力学性状。这两幅图像可以展现非均匀地质结构的基本特征。低波速表示地层松散、风化强烈、疏松、岩溶、空洞、断层带等，高波速对应岩体完整、孤石、注浆体等地质与工程对象

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