地震繞射波法在管線探測上的數值模擬研究

劉文伍，田慶福，余森林

(南京測繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

地震繞射波法在管線探測上的數值模擬研究

劉文伍*，田慶福，余森林

(南京測繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

由于探測深度大且不受電磁干擾影響，地震波法是管線探測特別是非金屬管線探測中應用較多的方法之一，常規地震波法往往都是根據探測剖面上反射同相軸來判斷地下管線的位置，其受鄰近并行管線及多次波干擾影響大。繞射偏移成像方法具有偏移歸位、壓制干擾、提高探測精度的作用，本文對多波繞射偏移成像方法應用于管線探測的可行性進行了研究，給出了不同類型繞射波旅行時的詳細計算公式；通過正演模擬數據重點對比分析了地震繞射波法與常規地震映像法的探測效果，結果表明：①地震繞射波法采用多道同時接收，激發次數少，探測效率高；②地震繞射波法通過繞射偏移歸位且成果采用能譜圖顯示，表達直觀，探測精度高，探測效果明顯優于常規地震映像法。

管線探測；地震映像法；繞射波；偏移成像；數值模擬

1 引 言

隨著科學技術的發展、城市化建設進程的加快，電力、通訊電纜已多采用地下埋設的方式，與供水、排水、排污、工業管道等構成了密集的城市地下管線系統[1，2]。由于各種管線權屬單位不同且缺乏溝通、管線施工過程中存在違反管線鋪設規定的現象、管線施工建設不按規定進行竣工測量及城市地下管線檔案管理不完善等原因造成大量地下埋設管線位置不清，給后期管線的維護和搶修帶來極大困難。由于缺乏準確翔實的管線資料，在城市建設施工過程中，經常會發生“管線打架”、“停電斷水”等事故，造成重大經濟損失和不良的社會影響[2，3]。

地下管線位置不清帶來的問題日益凸顯，地下管線管理也被各級政府部門所重視，通過近年來物探工作者的不斷研究和實踐，管線探測技術方法得到了較快發展，根據探測原理及利用物性差異的不同，管線探測方法主要分為電磁感應法、直流電法、地質雷達法、高精度磁法及人工地震法[2～6]。人工地震法由于具有探測深度大且不受電磁干擾影響等特點，在管線探測上有著較為廣泛的應用，但由于現今地震波法通常都是根據探測剖面上反射同相軸來判斷地下管線的位置(地震映像法)，其探測精度及準確性受鄰近并行管線及多次波的影響較大[4，7～9]。

本文針對現階段地震波法管線探測的特點及不足，對多波繞射偏移成像方法應用于管線探測的可行性進行了研究，對地震繞射偏移成像的原理進行了介紹并給出了不同類型繞射波旅行時的詳細計算公式；通過正演模擬數據對比分析了多波繞射偏移成像方法與常規地震映像法的探測效果，證明了多波繞射偏移成像方法應用于管線探測的可行性及優勢，為高精度管線探測提供了一種新思路、新方法。

2 原理介紹

地震體波根據質點震動方向與傳播方向的關系可以分為縱波(P)和橫波(S)，橫波包括SH型橫波與SV型橫波兩種，其中縱波和SV型橫波可以相互轉化，但不論是非轉換波(縱波、橫波)還是轉換波，都蘊含著探測區域的地質信息[10]。物理地震學的基本觀點認為繞射是最基本的，反射波是反射界面上所有小面積元產生的繞射波的總和，疊前繞射偏移技術是基于射線偏移基礎上使反射波自動歸位到真實成像點上的一種成像方法，具有壓制干擾、提高探測精度的作用[11～13]。

2.1 疊前繞射偏移原理

疊前繞射偏移成像方法首先將研究區域進行網格劃分(如圖1所示)，形成一系列網格單元并給定慢度參數，然后假設研究區域內某個網格單元(第m個網格單元)為異常點，計算任一炮檢對(第k炮，i檢波點)以該點為繞射點的繞射波旅行時tki，把對應道對應時刻的振幅值或振幅絕對值疊加后所得振幅值Am放置在該網格。

(1)

其中值Aki表示第k炮，第i檢波點記錄上對應旅行時刻的振幅值，M表示共M炮，N表示共N個檢波點。

同理，遍歷所有網格單元，只要網格足夠精細，就能得到滿足精度要求的成像。在繞射偏移疊加過程中，若某網格單元為異常點位置，則不同地震記錄道對應時刻的記錄點具有相關振幅，疊加能量強；反之，若某網格單元非異常點位置，則不同地震記錄道對應時刻的記錄點相關性差，疊加能量弱。即真正異常點所在位置的網格單元疊加后的總振幅增大，非異常點所在位置的網格單元疊加后的總振幅相對減弱，該方法方便、快捷，能將異常構造輪廓自動偏移到真實的空間位置上。

圖1 網格單元剖分示意圖

2.2 繞射旅行時計算

在疊前繞射偏移成像原理的基礎上，根據縱波、橫波、轉換波(P-SV、SV-P)的動力學及運動學特點，分別分析推導不同種類波的旅行時。

2.2.1 非轉換波旅行時計算

(1)繞射縱波旅行時計算

(2)

其中，xm，ym表示繞射點的橫、縱坐標，xS，yS分別表示震源的橫、縱坐標，xR，yR分別表示接受點的橫、縱坐標，vp為縱波傳播速度，可通過直達縱波求取。

(2)繞射橫波旅行時計算

(3)

其中，xm，ym表示繞射點的橫、縱坐標，xS，yS分別表示震源的橫、縱坐標，xR，yR分別表示接受點的橫、縱坐標，vs為橫波傳播速度，可通過直達橫波求取。

2.2.2 轉換波旅行時計算

(1)P-SV轉換繞射波旅行時計算

P-SV轉換繞射波旅行時由兩部分組成，第一部分為震源到繞射點以縱波速度傳播的旅行時，第二部分為繞射點到接收點以橫波速度傳播的旅行時：

(4)

其中xm，ym表示繞射點的橫縱坐標，xS，yS分別表示震源的橫縱坐標，xR，yR分別表示接受點的橫縱坐標，vp，vs分別表示縱、橫波速度，可分別通過直達縱波、橫波求取。

(2)SV-P轉換繞射波旅行時計算

同理，SV-P轉換繞射波旅行時由兩部分組成，第一部分為震源到繞射點以橫波速度傳播的旅行時，第二部分為繞射點到接收點以縱波速度傳播的旅行時：

(5)

其中，xm，ym表示繞射點的橫縱坐標，xS，yS分別表示震源的橫縱坐標，xR，yR分別表示接受點的橫縱坐標，vp，vs分別表示縱、橫波速度，可分別通過直達縱波、橫波求取。

3 數值模擬

3.1 單管線模型

3.1.1 模型參數與觀測方式

結合現實情況，研究地震波在傳播過程中遇到管線時的傳播規律與波場特征，對比傳統地震映像法，驗證繞射偏移成像方法應用于管線探測的可行性及優勢。建立如圖2所示模型。模型長 10 m、深度6 m，管線異常的直徑為 0.3 m，中心位于深度 4 m處。背景模型“1”及管線異常“2”的模型參數具體如表1所示。

模型參數 表1

圖2 單管線模型及觀測系統布置圖

數值模擬選用主頻為300 Hz的雷克子波，剖分網格大小為0.05 m×0.05 m。模擬采用彈性波方程進行計算，解方程方法為交錯網格有限差分法，吸收邊界采用PML吸收邊界[14～16]，全排列接收，道間距為 0.5 m，共19道；炮間距為 5 m，共3炮，采樣間隔為 0.01 ms，記錄長度為 80 ms。

3.1.2 波場快照與波場記錄

通過對第一炮不同時刻波場快照(如圖3所示)觀察分析可知：16.1 ms左右時縱波繞射波到達接收點位置；26.5 ms左右P-SV轉換繞射波到達接收點位置；33.3 ms左右時SV-P轉換繞射波到達接收點位置；42.9 m左右時橫波繞射波到達接收點位置。結合數值模擬波場記錄信號，標出了各種波的類型，具體如圖4所示。

圖3 不同時刻波場快照

圖4 數值模擬地震記錄

3.1.3 繞射偏移成像反演

根據上述介紹的繞射偏移成像方法，對模擬數據進行多波反演成像，反演成果如圖5所示，圖中黑色圓圈為管線模型實際位置。

圖5 單管線模型繞射波反演成果圖

3.1.4 地震映像法

針對上述單管線模型，用常規地震映像法(自激自收)進行數據采集，移動步距為 0.5 m，共21次激發接收，時間剖面如圖6所示，根據時間剖面上縱波繞射波、轉換繞射波(自激自收觀測系統導致P-SV、SV-P轉換波到時相同)及橫波繞射波同相軸都能判斷管線的水平位置，根據縱、橫波波速即可求得管線埋深。

圖6 單異常地震映像法時間剖面

3.1.5 模擬實驗小結

(1)地震繞射波法與傳統地震映像法均能對單管線進行有效探測，但由于地震繞射波法采用多道接收，激震次數少(模擬實驗中為3次激震)，探測效率更高；

(2)地震繞射偏移成像中，由于受直達橫波的影響，縱波繞射波、P-SV轉換繞射波及SV-P轉換繞射波成像效果相對橫波繞射波成像效果較差，但4種波均能對管線位置有較好的反映，4種波具有相互印證的效果；

(3)地震繞射偏移成像反演結果反映的是位置信息，結果更直觀。

3.2 雙管線模型

3.2.1 模型參數與觀測方式

雙管線模型參數及觀測方式與單管線模型完全相同，只是將單管線異常改為雙管線異常，兩根管線的水平位置分別位于 4 m、 6 m處，深度均為 4 m，具體模型如圖7所示。

圖7 雙管線模型及觀測系統布置圖

3.2.2 繞射偏移成像反演

根據上述介紹的繞射偏移成像方法，對模擬數據進行多波反演成像，反演結果如圖8所示，圖中黑色圓圈為管線模型實際位置。

圖8 雙管線模型繞射波反演成果圖

3.2.3 地震映像法

針對上述雙管線模型，用常規地震映像法(自激自收)進行數據采集，同樣移動步距為 0.5 m，共21次激發接收，時間剖面如圖9所示，可以發現，對于雙管線模型，由于管線間的相互影響，從時間剖面上我們無法斷出管線的位置及深度。

圖9 雙異常地震映像法時間剖面

3.2.4 模擬實驗小結

(1)地震繞射偏移成像中的縱波繞射波與橫波繞射波能較準確地對雙管線位置進行成像，由于橫波繞射波不受直達波的影響，成像精度更高；

(2)地震繞射偏移成像中的P-SV轉換繞射波及SV-P轉換繞射波由于自身能量較弱且受直達橫波干擾影響，成像效果不佳；

(3)從地震映像時間剖面上只能觀察到兩個管線的繞射波相互疊加、干涉，無法判斷管線的位置。

4 結 語

文章對多波繞射偏移成像方法應用于管線探測的可行性進行數值模擬研究；對地震繞射偏移成像的原理進行了介紹并給出了不同類型繞射波旅行時的詳細計算公式；通過正演模擬數據重點對比分析了多波繞射偏移成像方法與常規地震映像法的探測效果，結果表明：地震繞射波法采用多道同時接收，激發次數少，探測效率高；地震繞射波法通過繞射偏移歸位且成果采用能譜圖顯示，表達直觀，探測精度高，探測效果明顯優于常規地震映像法；地震繞射波法探測中，橫波繞射波效果最佳。本研究成果可為地震繞射波法應用于管線探測提供理論依據。

目前，地震繞射偏移成像法中地震波的傳播速度是通過直達波到時求取，其在實際探測過程中存在一定誤差，如何在高效(小排列、少激震次數)探測過程中獲得準確速度參數是今后一個時期內的重要攻關課題。

[1] 周鴻流，俞建林. 城市地下管線分類及物探探查方法應用研究[J]. 工程地球物理學報，2014(1)：133～136.

[2] 王勇. 城市地下管線探測技術方法研究與應用[D]. 長春：吉林大學，2012.

[3] 張漢春. 非開挖特深管線的探測技術分析及展望[J]. 地球物理學進展，2010(3)：1092～1097.

[4] 肖順，張永命，任建平. 地震映像法在超深管線探測中的應用[J]. 城市勘測，2014(1)：170～172.

[5] 閆振寧，于會山，宋審宇. 地下非金屬管線探測方法分析[J]. 聊城大學學報(自然科學版)，2009，22(1)：44～46.

[6] 趙永峰，鞠春華，伊商鵬. 探地雷達在非金屬管線探測中的應用[J]. 城市勘測，2009(3)：131～133.

[7] 丁榮勝，張殿成，王仕昌等. 高密度電阻率法和地震映像法在采空區勘察中的應用[J]. 物探與化探，2010(6)：732～736.

[8] 王治華，仇恒永，楊振濤等. 地震映像法及其應用[J]. 物探與化探，2008(6)：696～700.

[9] 楊良權，李波，魏定勇等. 地震映像法在垃圾坑勘察中的應用[J]. 地球物理學進展，2012(4)：1788～1794.

[10] 陸基孟. 地震勘探原理[M]. 東營：石油大學出版社，2011.

[11] 張偉. 疊前時間偏移成像影響因素研究[D]. 北京：中國地質大學，2010.

[12] 劉玉金，李振春，黃建平等. 繞射波疊前時間偏移速度分析及成像[J]. 地球物理學進展，2013(6)：3022～3029.

[13] 馬婷. 轉換波疊前時間偏移方法研究[D]. 西安：長安大學，2011.

[14] 武英婷. 交錯網格高階有限差分法的彈性波波場數值模擬[D]. 西安：西安理工大學，2010.

[15] 鄧帥奇. 全空間彈性波場數值模擬與逆時偏移成像方法研究[D]. 徐州：中國礦業大學，2012.

[16] 李振春，張華，劉慶敏等. 彈性波交錯網格高階有限差分法波場分離數值模擬[J]. 石油地球物理勘探，2007(5)：510-515+610+482-483.

The Numerical Simulation Research of Seismic Diffracted Wave Method on the Pipeline Detection

Liu Wenwu，Tian Qingfu，Yu Senlin

(Nanjing Institute of Surveying，Mapping & Geotechnical Investigation Co.Ltd，Nanjing 210019，China)

Deep detecting depth and not affected by electromagnetic interference，seismic wave method is one of commonly used method in pipeline detection. Conventional seismic wave method is based on the detection section to determine the position of underground pipeline and the detection results affected by the adjacent parallel pipeline and multiple wave. Diffraction migration imaging method is useful for migration homing，suppress interference and improve the detection accuracy. In this paper，the multiple wave diffraction migration imaging method is studied to pipeline detection. Through the forward modeling data，analysis detection effect of diffraction migration imaging method and the conventional seismic image method，the results show that： ①Using multi-channel receive，Seismic diffraction method has higher detection efficiency；②Through diffraction migration homing and using the energy spectrum diagram to displaythe results，diffraction migration imaging results intuitive，detection of high precision，detection effect is superior to conventional seismic image method.

pipeline detection；seismic image method；diffracted wave；migration imaging；numerical simulation

1672-8262(2017)01-158-07

P631.4

A

2016—11—09 作者簡介：劉文伍(1973—)，男，高級工程師，主要從事地下管線探測等相關技術管理工作。