地震散射法勘探TST隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)

地震反射基于分層均勻地質(zhì)模型，而地震散射是基于非均勻地質(zhì)模型的勘探方法，因而地震散射是地震反射的升級(jí)版，具有更高的分辨率。地震散射理論較早是由K.Aki （1980）在所著的‘定量地震學(xué)’中提出來(lái)的。他在研究地震波在非均勻的地殼與上地慢中傳播時(shí)，發(fā)現(xiàn)在密度和彈性模量非均勻情況下會(huì)產(chǎn)生散射波。推導(dǎo)了散射波產(chǎn)生與傳播的控制方程，并給出了散射波場(chǎng)的理論解。上世紀(jì)80-90年代，應(yīng)用散射波理論研究地球深部結(jié)構(gòu)的非均勻性曾取得豐碩的成果。N.布萊斯坦等在地震成像方法研究中，用速度異常表征地質(zhì)體的非均勻性，也推導(dǎo)出類(lèi)似的地震散射波方程。兩者的物理含義是相同的，但N.布萊斯坦的表達(dá)方式更為簡(jiǎn)捷。從K.AKI提出地震散射理論到現(xiàn)在已經(jīng)40多年過(guò)去了，散射理論在地震勘探領(lǐng)域并沒(méi)有引起足夠的重視，目前國(guó)內(nèi)外的地震勘探仍然采用反射方法。

地震散射理論是非均勻地質(zhì)模型下彈性波傳播的理論，當(dāng)然也適用于均勻介質(zhì)場(chǎng)合。在均勻彈性介質(zhì)中，地震波傳播的控制方程為：

(1)

這是一個(gè)齊次方程，其中波速v為常數(shù)。該式表明，在均勻介質(zhì)中地震波是沿直線(xiàn)傳播。當(dāng)遇到邊界時(shí)才產(chǎn)生反射波與折射波。

在非均勻地質(zhì)體中，波速v是空間的分布函數(shù)。N.布萊斯坦將波速分布表示為緩變波速v0和陡變系數(shù)α(r)的組合形式；

（2）

這里的α（r）是波速平方差的百分比，實(shí)際上是介質(zhì)力學(xué)模量差異的百分比，稱(chēng)為散射系數(shù)，其物理作用類(lèi)似于反射系數(shù)。它僅在非均勻介質(zhì)的界面上不為零。

在非均勻介質(zhì)中，地震波場(chǎng)不但有入射波，還有散射波?？偟牟▓?chǎng)u是入射波uI 與散射波us之和；

（3）

將（2）和（3）式帶入到（1）式，在散射波us比入射波uI小得多時(shí)（波恩假定）有；

（4）

得到非均勻介質(zhì)中入射波與散射波分別滿(mǎn)足的控制方程：

(5)

該方程組是地震散射勘探的理論基礎(chǔ)。其中前一方程為入射波的傳播規(guī)律，后一方程為散射波的傳播規(guī)律。散射波方程為非齊次方程，右端項(xiàng)為等效力源。該式表明，入射波場(chǎng)激勵(lì)的加速度與散射系數(shù)之積是產(chǎn)生散射波的力源。該散射力源具有點(diǎn)源的特點(diǎn)，向周?chē)l(fā)射散射波。散射波的強(qiáng)度與散射強(qiáng)度、入射波激勵(lì)強(qiáng)度成正比。

散射勘探中地表記錄到的散射波是地下各散射體的散射之和（K.Aki，1978）：

（6）

該式表明，散射波記錄與散射強(qiáng)度α（r）的大小、入射波激振的加速度成正比，與散射體的距離成反比。由于散射體的局部性，散射波的傳播具有局域性。

既然每個(gè)接收點(diǎn)的記錄包含著附近區(qū)域所有散射體散射波的總合，就可通過(guò)多點(diǎn)激發(fā)和多點(diǎn)接收的散射記錄，重建地下散射系數(shù)α（r）的分布與波速V0分布的圖像。這兩點(diǎn)就是地震散射波勘探的基本目標(biāo)。

散射波法勘探的目的是獲得散射系數(shù)α的分布和V0的分布。前者代表地質(zhì)界面的位置，后者直接反應(yīng)地層的巖性與力學(xué)性狀。這兩幅圖像可以展現(xiàn)非均勻地質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本特征。低波速表示地層松散、風(fēng)化強(qiáng)烈、疏松、巖溶、空洞、斷層帶等，高波速對(duì)應(yīng)巖體完整、孤石、注漿體等地質(zhì)與工程對(duì)象

地震散射法勘探TST隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)