1、DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202206072开放科学（资源服务）标识码（OSID）地震映像时频分析技术在岩溶探测中的应用邓 勇，唐宇豪（中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031）摘要：依托某高速铁路隐伏岩溶探测工作，面对在建工程强干扰环境影响，采用地震映像法，通过魏格纳-威尔分布算法将地震映像时间域信号转化至频率域，利用岩溶充填物与完整基岩的波阻抗和频率差异进行准确定位，通过与钻孔资料对比，表明其勘探效果良好。关键词：隐伏岩溶；地震映像；时间域；频率域；波阻抗中图分类号：P631文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)03 0143 04
2、0 引言随着高速铁路的大规模建设，对于地质勘探提出了更高的要求1。隐伏岩溶作为高铁运营与维护的一大隐患，对其进行精确定位成为一项十分重要的工作2-3。当前，岩溶探测的物探方法主要有直流电法、地震 CT 法、地震映像法和雷达法4等，受在建工程施工及电磁干扰等影响，多种地球物理方法在工作中难以获取有效信号。直流电法、雷达法受到地下钢筋网的影响，电场及电磁信号难以穿透，易出现“假异常”；地震 CT 法需预先进行钻孔工作，仅能调查孔间岩溶发育情况，不适用于大规模岩溶探测；地震映像法相较于其他方法，对施测条件的要求较低，抗电磁干扰能力强，且兼具探测速度快、成本低、无损等优点5，在路基及隧道布满钢筋网基底
3、下，进行隐伏岩溶探测能够获取大量有效信号，具有十分广泛的应用前景。相比于获取的地震映像时间域信号，经计算得到的频率域信号能更精确获取地震映像信号衰减变化情况，从而确定岩溶中心位置，为钻孔位置确定提供理论依据。本文首先阐述地震映像法及时频分析技术原理，并将其应用于西南山区某高速铁路岩溶探测工作中，圈定出岩溶异常区与最佳钻孔位置。然后通过钻孔验证，证明时频分析技术用于探测基底隐伏岩溶的可行性，实现了精确确定岩溶位置的目的。1 方法原理地震映像法属于地震类地球物理方法，是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展的物探方法。在实际生产过程中固定使用相同的偏移距，采用单点激发、单道检波器进行数据采集。由于每个
4、记录采用了相同的偏移距，地震记录上的时间变化主要为地下地质异常体的反映，拼接起来的地震时间剖面图直观反映了地下异常体的位置信息。研究区分别为可溶岩发育隧道及路堑段落，基底已铺筑钢筋网并进行混凝土填充，下部基岩均为灰岩、白云岩。根据以往经验，溶洞内充填物一般为水、空气及黏土，研究区各物质物理性质，见表1。各岩溶充填物与相邻完整基岩介质有着较明显的波阻抗（Vp）差异，具备进行隐伏岩溶探测的物性基础。表1研究区各物质物理性质介质密度/（gcm3）纵波速度Vp/（ms1）混凝土2.402.504500灰岩2.202.6045005500黏土（饱水）1.801.8515002000水1.00140016
5、00空气0.001293310360 由于隐伏岩溶的不规则形态，地震映像时间剖面有时不能直观圈定岩溶异常里程范围，造成钻孔确定岩溶顶、底板深度时出现偏差。因此，在获取同一偏移距地震映像时间剖面后，采用魏格纳-威尔分布算法计算高精度瞬时频率，其物理实质是获取地震信号的魏格纳-威尔分布来计算其时频分布，相比较传统傅里叶变换，该方法可准确地把信 收稿日期：2023 04 12作者简介：邓勇（1973），男，四川成都人。工程师，主要从事铁路工程物探研究工作。E-mail：。邓 勇，等：地震映像时频分析技术在岩溶探测中的应用 143 号描述为时间和频率的二维函数，反映出信号频率随时间的变化6。相比其他时
6、频转换方法，如小波变换和 S 变换，该方法获取的时频谱分辨率更高、速度更快、对于岩溶异常的定位更精确7。?f(ti)=+f(ti,f)df+(ti,f)df（1）(ti,f)=+z(ti+2)z(ti+2)ej2fd（2）tit?f(ti)f(ti,f)x(ti)z(ti)x(ti)z(ti)z(ti)式中：为时间 的离散形式；表示瞬时频率，为频率；为信号的魏格纳-威尔分布。是原始信号的解析信号；是信号的共轭复数。地震信号的魏格纳-威尔分布结果可以针对其提供最优的时频聚集度，从而进行瞬时频率计算。相对比较完整的围岩，地震波经过岩溶位置时高频成分快速衰减，整体表现为低频特性8，为岩溶位置的精确定
7、位提供了理论依据。2 应用实例某在建高铁隧道及路堑基底已铺筑钢筋网并进行混凝土填充，施工现场电磁干扰严重。经现场实验，地质雷达法、瞬变电磁法等电磁类方法均难以获取有效信号。研究区 1 隧道位于广西盆地向云贵高原延伸的贵州高原斜坡带段落，属溶蚀丘峰洼地地貌，丘峰呈低缓浑圆馒头状连绵起伏。隧道基底下伏基岩为二叠系下统茅口组厚-巨厚层状灰岩，施工资料显示该区域岩溶强烈发育，但其分布无规律性9-11。本文利用地震映像法进行数据采集，在铁路轨道中心线布置物探测线一条，经试验后确定以 10 m偏移距进行资料采集工作，采集过程中需确保检波器与地面耦合一致性。室内工作首先抽取原始数据中共偏移距剖面，由于震源采
8、用人工锤击，锤击力量大小不均以及地震波传播衰减特性，需对剖面时间域信号进行道间以及道内能量均衡，采用滑动时窗均衡方法，时窗长度设置为 15 ms，滑动长度设置为 5 ms。最后，对时间域剖面进行一维滤波，滤掉施工震动等低频干扰信号及工业电干扰，并尽可能保留完整基岩中地震波高频成分，提高时间域资料信噪比，分析地震剖面频率特性，选择滤波窗口为 55800 Hz。频率域利用魏格纳-威尔分布改进算法对时间域信号进行瞬时频率分析，得到高精度瞬时频率分布，其计算流程，见图 1。研究区1 地震映像时间剖面，见图 2。研究区 1 高精度瞬时频率，见图 3。原始数据共偏移距剖面定义观测系统共偏移距剖面能量均衡一
9、维滤波时间剖面图时频分析随机噪声衰减瞬时频率图图1资料处理流程 020406080100120140160180200010203040时长/ms里程/m图2研究区 1 地震映像时间剖面 瞬时频率/Hz20406080100120140160180200010203040时长/ms里程/m340320300280260240220200图3研究区 1 高精度瞬时频率路基工程 144 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）地震映像时间剖面中里程 85125、173185同相轴出现下凹，波形较为杂乱，且在深部出现强反射信号，推测为岩溶地层底板与基岩相连接
10、处产生的反射信号。在地震映像高精度瞬时频率图中，上述里程位置也均显示垂向低频异常，两者对应便可确定岩溶异常区里程范围，同时也证明时频分析技术的准确性。面对地震映像时间剖面中异常段落较长的特点，利用瞬时频率图中最小频率值位置进行钻孔验证。在 85125、173185 两处异常里程段落中，位于里程 120 和 178 处瞬时频率衰减为最低值，故在里程 120 和 178 处进行钻孔，得到里程 120 和里程 178 位置钻孔岩芯，见图 4、图 5。里程120 处可见基底发育充填溶洞，1.94.9 m 充填硬塑状粉质黏土。里程 178 位置可见基底发育无充填溶洞，顶、底板深度分别为 4.4、4.9
11、m，溶洞周围岩芯破碎。验证钻孔揭示的溶洞与频率图中条带状低频异常相对应。由此可见：通过地震映像瞬时频率能准确定位溶洞位置，亦印证地震映像时频分析技术的准确性。图4里程 120 位置钻孔岩芯 图5里程 178 位置钻孔岩芯 研究区 2 为路堑段落，基底已铺筑混凝土，下伏基岩为泥盆系上统望城坡、尧梭组白云岩、灰岩地层，利用地震映像时频技术获取的时间域与频率域，见图 6。里程 450460 段同相轴出现下凹形态，且在深部出现强反射信号。高精度瞬时频率，见图 7。450460 段出现明显低频特征。在瞬时频率最低值里程 453 处进行钻孔，获取的钻孔岩芯，见图 8。地下 8.2 m深度下充填软塑状黏土。
12、研究区 2 路堑段地震映像时频资料与研究区 2 物探异常对应一致，反映出地震映像时频分析技术在岩溶探测中具有良好的探测效果，其应用范围较广。010203040440460480500520540560里程/m时长/ms图6研究区 2 地震映像时间剖面 瞬时频率/Hz10203040440460480500520540560里程/m时长/ms340320300280260240220200图7研究区 2 高精度瞬时频率 图8里程 453 处钻孔岩芯 3 结语本文研究地震映像法时间域和频率域属性在高速铁路基底岩溶区的响应特征。（1）岩溶与相邻完整基岩介质有着较明显的波阻抗差异，在地震映像时间剖面上
13、可见明显同相轴错乱形态，深部出现多次反射波，因此可通过时间剖面圈定岩溶异常范围。（2）地震映像时间剖面确定的异常里程范围大，在确定钻孔位置从而精确获取岩溶顶、底板深度范围时，可利用频率域信号，利用频率图最小值位置进行钻孔验证。（3）利用时间剖面和频率剖面联合解释，可确定出溶洞发育情况，并利用钻孔进行验证，提升了隐伏岩溶探测的准确性，该方法在隧道及路堑段能进行岩溶精确定位。（4）受到地震波在地层中传播速度的不确定性，造成经走时确定岩溶埋深的理论与实际工作存在较大误差。虽然通过地震映像时间域和频率域信号可准确找到岩溶异常区以及最低频率位置，但对岩溶深度只能通过钻孔进行确定。参考文献(Referen
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