隧道不良地质体的地震最小二乘反演成像方法研究

The high precision imaging of the seismic reflection data is the research hotspot and difficult subject in the technology of tunnel seismic advanced detection . On the premise of visco-elastic reflected wave propagation and imaging, this project carries out research on the high precision inversion imaging method of the adverse geological bodies on the basis of least squares migration by means of theoretical analysis, numerical simulation and field test. Through the establishment of the seismic waveform forward modeling in the viscoelastic medium and the reverse time migration method with the use of integral equation to solve the backpropagated receiver wavefield, we can study the wavefield propagation rules and imaging characteristic of typical adverse geologies in complex tunnel environment, then optimize the design of the tunnel acquisition geometry and lay the foundation of the seismic inversion. Under the inversion theory frame, we study the reconstruction of reflected wavefield in the inversion process based on the model parameters and investigate the factors of inversion convergence such as iterative form, step length, waveform matching and so on. The amplitude-preserved imaging method combined with illumination compensation is discussed to solve the weak imaging problem in the long-distance part of the tunnel. Finally a set of tunnel reflected seismic inversion method based on least squares migration is established, then apply our methods to the practical engineering project. It will be of great significance to realize the high resolution imaging of complex tunnel structure, improve the forecast accuracy and promote the development of the tunnel geological advanced prediction technology.

反射地震波的高精度成像是当前隧道地震超前探测技术研究的难点课题。本项目以隧道粘弹性反射地震波的传播和成像理论为前提，采用理论分析、数值模拟与现场试验相结合的方法，开展基于最小二乘偏移的隧道不良地质体地震反演成像方法研究。通过构建粘弹介质的波场正演模拟和基于积分方程求解检波点反传波场的逆时偏移方法，研究复杂隧道环境下，典型不良地质体的波场传播规律和成像特征，优化隧道观测系统设计，为隧道地震反演成像奠定基础。在反演理论框架下，研究基于模型参数的反射波场重构方法，分析影响反演迭代收敛性的迭代格式、步长、波形匹配等因素，提出结合观测系统能量补偿的保幅成像方法以解决隧道长距离弱成像问题。最终建立一套基于最小二乘偏移的隧道反射地震数据线性反演成像方法，将研究成果应用于工程实践，对实现隧道地震高分辨率成像，提高预报精度和推动隧道超前地质预报技术的发展具有重要意义。

隧道地震数据成像是地震反射波超前探测的关键技术和技术难点，是实现高精度、高分辨率预报的重要技术保障。针对隧道地震数据采集观测系统有限、长大距离构造成像精度低、隧道成像方法有待提高等问题，本项目以隧道地震波场传播与成像理论为基础，提出隧道不良地质体的地震波场最小二乘偏移成像方法理论。在地震波场正演模拟、隧道地震数据处理、隧道地震观测系统参数设置、线性反偏移、隧道地震波场逆时偏移成像和利用积分方程求解检波点反传波场进行最小二乘偏移等方面进行了相关研究。开展隧道探测地震波场高阶交错网格有限差分数值模拟计算，揭示了不良地质体地震波的传播形态和变化规律，得到X分量波场有利于纵波成像，Z分量波场有利于横波成像等结论。提出了隧道地震数据的频谱分析与滤波处理方法，隧道地震初至波拾取与初至校正方法，隧道地震数据反射波提取与波场分离方法，为隧道地震数据的成像和反演提供良好的数据质量。提出了基于反射波和散射波的波场传播方程，并据此开展面向不同尺度目标体的逆时偏移成像方法研究，分析典型不良地质体模型的逆时偏移成像特征。由Born近似下的散射波传播方程及反射率的定义式推导得到一次反射波的线性化正演表达式，据此，提出一种基于照明补偿的反射地震波最小二乘逆时偏移方法。利用反射波方程偏移成像公式统一逆时偏移的波场传播过程，将逆时偏移的正传波场和反传波场的定解问题统一为初值条件，使得成像具有准确的相位信息。反演迭代过程中，以照明能量补偿作为最小二乘逆时偏移的预条件算子，对迭代梯度项进行振幅补偿，提高陡倾角构造下的成像效果。本项目所提基于最小二乘偏移的隧道不良地质体高精度反演成像方法理论将对提高地震类超前探测方法的精度和可靠性，保障施工安全，推动超前地质预报方法的发展具有重要理论意义和实际应用价值。