一种改进的确定折射面深度的哈莱斯方法

本发明属于地震勘探技术
技术领域：
，具体涉及一种改进的确定折射面深度的哈莱斯方法。
背景技术：
：折射波物探方法起源于二十世纪三、四十年代，二十世纪五十年代折射波物探仪器得到迅速发展。折射波方法作为一种成熟的浅层物探方法，具有操作简单、工作效率高、易于解释和初至清晰等优点，这些优点是反射波方法不具备的，也是折射波方法继续存在的原因。折射波物探方法主要包括波前法、延迟时间法、截距时间法、哈莱斯法、共轭点法、t0法、互换法、广义互换法和褶积成像法。其中哈莱斯法是一直普遍使用的方法。当时计算机技术和高等数学还没有广泛应用于物探领域，使得在现在看来很容易用高等数学方法精确计算的问题，采用了手动绘图，从而增加了工作强度。在现在看来这些问题可以用计算机自动处理，而产生这一切的原因是由于人们惯性思维，对前人工作习以为常造成的。据此本发明将提出一种改进的确定折射面深度的哈莱斯方法。参考文献：刘四新,朱怡诺,王旭东,等.工程地震折射波解释方法研究进展[j].吉林大学学报（地球科学版）,2018,48(2):350-363.熊章强，方跟显.浅层地震勘探[m].北京：地震出版社,2002:79-90.北京铀矿地质研究所浅层地震组，浅层地震探测方法与技术[m].北京:原子能出版社,1982:41-84.喻岳钰,曹代勇,邢春颖,等.黄土塬区模型约束折射静正技术应用研究[j].地球物理学进展,,2016,31(3):1373-1380.葛双成,李小平,邵长云,等.地震折射和电阻率法在水库坝址勘察中的应用[j].地球物理学进展,2008,23(4):1299-1303.stevends.,jefferyjn.,sethw.,etal.usingnear-surfaceseismicrefractiontomographyandmultichannelanalysisofsurfacewavestodetectshallowtunnels:afeasibilitystudy[j].journalofappliedgeophysics,2013,99:60-65.ruckerml.integratingseismicrefractionandsurfacewavedatecollectionandinterpretationforgeotechnicalsitecharacterization[c]//conferenceonappliedgeophysics.missouri:geophysics,2006.王洪.折射波法在坝址病害探查中的应用研究[d].长沙：中南大学,2007.thurberc.,ritsemaj.theoryandobservations:seismictomographyandinversemethods[j].treatiseongeophysics,2007,1:323-360.sheehan,jacobr,williame.,etal.anevaluationofmethodsandavailablesoftwareforseismicrefractiontomographyanalysis[j].journalofenvironmentalandengineeringgeophysics,2005,10(1):21-34.thornburghhr.wave-frontdiagramsinseismicinterpretation[j].americanassociationofpetroleumgeologistsbulletin,1930,14:185-200.schenckfl.refractionsolutionsbywavefronttargeting:abstract[j].aapgbulletin,1963,47(9):1775-1776.gardnerlw.anarealplanofmappingsubsurfacestructurebyrefractionshooting[j].geophysics,1939,44(4):247.ewingm,woollard,vineac,etal.geophysicalinvestigationsintheemergedandsubmergedatlanticcoastalplain:partⅳ：capemay，newjersey，section[j].geologicalsocietyofamericabulletin,1940,51:1821-1840.adachir.onaproofoffundamentalformuraconcerningrefractionmethodofgeophysicalprospectingandsomeremarks[j].kumamotojournalofsciencelsera:mathematicsphysics&chemistry,1954,2:18-23.motal.determinationofdipsanddepthsofgeologicallayersbytheseismicrefractionmethod[j].geophysics,1954,19(2):242.johnsonsh.interpretationofsplit-spreadrefractiondataintermsofplanedippinglayers[j].geophysics,1976,41(3):418.halesfw.ananaccurategraphicalmethodforinterpretingseismicrefractionlines[j].geophysicalprospecting,1958,6(3):285-294.hagedoornjg.theplus-minusmethodofinterpretingseismicrefractionsections[j].geophysicalprospecting,1959,7(2):158-182。技术实现要素：针对以上技术问题，本发明提出一种改进的确定折射面深度的哈莱斯方法，如图1，具体流程如下：步骤1：通过野外相遇时距曲线观测系统记录、做出折射波相遇时距曲线，取无盲区的公共数据部分；步骤2：用公式（1）计算和，得到时距曲线t1和t2时距曲线斜率随位置的变化曲线；（1）ij是折射面的临界角，αj是折射面倾角，v1是第一层介质波速，x是时距曲线位置坐标，j=1,2,3,…,n，n为记录最大序号；步骤3：用公式（2）和（3）计算折射面倾角αj和临界角ij，αj为正时逆时针旋转，为负时顺时针旋转；（2）（3）步骤4：用公式（4）计算法线深度坐标序列yj；（4）t为互换时，tj为时距曲线的竖直坐标；t2j为在曲线t2中，依次读取点xj的对应竖直坐标；步骤5：对序列yj进行排序，取最小值，令其对应的水平坐标为xk，并令n=n-k；k为计算过程中循环变量；步骤6：令j=1开始做下面循环，用公式（8）计算法线深度，直到j=n；（5）公式（5）中k为记录点号（6）（7）（8）步骤7：绘制法线深度随坐标的变化曲线。公式（8）的推导过程在地震折射波勘探中经常采用相遇时距曲线观测系统，如图2所示。其中s1为第一个地震激发点，沿图2向右依次布置检波器作为接收点，s2点也作为其中一个接收点；再以s2作为第二个激发点，沿图1向左依次布置检波器作为接收点，同理，s1点也作为其中一个接收点。o点作为折射面上的一点，由s1发出地震波经过no，在b点被接收；由s2发出的地震波经过mo，在a点被接收。以上过程相当于从o点发出两束地震波ob和oa。下面研究o点、b点和a点的关系。如图3，o点位于折射面上，点b和点a是地面上两个接收点，oba三点定圆，oc是折射面的法线，cd垂直于水平线ab，∠cob=∠coa=∠cab=∠cba=∠i,∠afc=∠2i，i是折射面的临界角，其数值满足公式（9）。其中v1是上层介质波速，v2是下层介质波速。de是过o点切线，∠bed=∠dco=∠α，α是折射面倾角。（9）如图3，δoac中，（10）在δobc中，（11）（12）（13）在δobc中，（14）所以：（15）如图4是折射波的相遇时距曲线，t1是曲线s1的走时，t2是曲线s2的走时，t为互换时。参看图2，可以得到：（16）（17）公式（16）中的是地震波由s1点出发，经过n，到m，最终到达s2的时间，也就是互换时t；v1是覆盖层的速度。（18）由公式（5）、（7）和（10）得到：（19）又（5）如图4，在t2曲线上取一点e，过e做与竖直线ea成θ角度的直线，见公式（13），在该直线上取一点d，使fd=gb，bd=t-t1，则ce=t2-ac=t2-bd=t2-t+gb=t1+t2-t=t’。在δecd中，cd=x。（20）上述工作提示我们，在时距曲线s2上取一点e，做直线ed与竖直线ea成θ角度，在直线ed上取一点d，使db=t-t1，显然，满足上述条件的点只有一个。δecd中的cd就是ab之间距离x，t’=ce，根据公式（12）可以确定折射点位置。在目前折射波勘探方法中，公式（12）中的临界角i和折射面倾角α被认为是不能确定的，所以确定图3中b点位置时，忽略了折射面倾角影响，临界角i也是采用根据时距曲线斜率近似计算得到的，上述处理增大了计算结果的误差；在确定折射面位置时，采用了人工手动绘图的方法，无疑增加了劳动强度。造成上述的原因是发现物探方法时，高等数学和计算机技术没有普及，并且在习惯势力作用下，到目前为止人们没有考虑该方法的改进。在目前的折射波物探方法中，经常用到公式（1）：又（1）当时的物探工作者受到自身高等数学的限制，没有认识到公式（1）中的和可以用高等数学方法计算的，所以认为折射面倾角α和临界角i是不能通过公式（1）计算的，于是采用了一系列的初等数学近似计算，不考虑折射面倾角α的变化，这样产生理论上系统误差是必然的。在高等数学中，图4中对两条时距曲线t1和t2求斜率即可得到和，进而可以计算出，如公式（2）、（3）。又（2）又（3）公式（2）和（3）中的j=1,2,3,…,n，n为数据点数目。定义在两条时距曲线t1和t2中，定义其水平坐标序列为:（21）两条曲线的t1和t2竖直坐标序列分别为：（22）（23）由于波路的可逆性，上述两条曲线t1和t2的序列数目是相等的。在曲线无盲区部分最右端的t1曲线上选择点e’，其坐标为(xm,tm)，m=1。通过该点，做斜率为（90°-θ）的直线，该直线的方程为：（24）公式（24）中，j=1,2,3,…,n。从图4中e’点开始，根据公式（21），取坐标xj，j=1,2,3,…,n计算对应的竖直坐标tj；在曲线t2中，依次读取点xj的对应竖直坐标t2j，由公式（4）计算序列yj。又（4）对序列yj进行排序，取最小值，令其对应的水平坐标为xk，并令n=n-k，k为记录序号。令j=1开始做下面循环，直到j=n。在曲线无盲区部分最左端的t2曲线上选择点e，其坐标为（xm,tm），m=1，通过该点，做斜率为（90°+θ）的直线，该直线的方程为：（25）公式（25）中，j=1,2,3,…,n。从图4中e点开始，取坐标xj，并根据公式（25），依次取j=1,2,3,…,n计算对应的竖直坐标tj；在曲线t1中，依次读取点xj的对应竖直坐标t1j，由公式（4）计算序列yj。又（4）对序列yj进行排序，取最小值，令其对应的水平坐标为xk，则：又（5）又（6）又（7）又（8）上述公式中h’根据公式（5）得到。注意到公式（7）中的αj是可正可负的。当αj为正时，公式（7）中第三项为正值，否则为负值。这样，就得到了折射面法线深度的一组坐标（xj,hj）。在此基础上绘制法线深度随坐标的变化曲线。有益技术效果：由于提出哈莱斯方法时，高等数学应用范围有限，物探工作者没有计算出折射面倾角和临界角。我们提出的改进方法用高等数学计算出折射面倾角，从理论上消除了忽略折射面倾角产生的误差，一定会增强计算结果的准确性。目前哈莱斯法采用作图方法，这必然会产生较大的误差，改进的方法完全采用解析方法，计算精度大为提高；改进方法全部用计算机处理，减轻了劳动强度。通过钻孔验证，证实了改进方法确定的折射面深度更加符合实际。附图说明图1为本发明实施例的一种改进的确定折射面深度的哈莱斯方法流程图；图2为本发明实施例的折射波勘探中的观测系统；图3为本发明实施例的确定折射点示意图；图4为本发明实施例的从时距曲线上确定接收点ab之间距离；图5为本发明实施例的折射波相遇时距曲线；图6为本发明实施例的t1时距曲线的斜率；图7为本发明实施例的t2时距曲线的斜率；图8为本发明实施例的临界角随位置的变化；图9为本发明实施例的折射面倾角随位置的变化；图10为本发明实施例的改进哈莱斯法确定的折射面深度；图11为本发明实施例的目前哈莱斯方法确定的折射面深度。具体实施方式下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明，本发明提出一种改进的确定折射面深度的哈莱斯方法，如图1所示，具体流程如下：步骤1：通过野外相遇时距曲线观测系统记录、做出折射波相遇时距曲线，取无盲区的公共数据部分，如图5；步骤2：根据公式（1）计算和，得到时距曲线t1和t2时距曲线斜率随位置的变化曲线，如图6，图7；又（1）ij是折射面的临界角，αj是折射面倾角，v1是第一层介质波速，x是时距曲线位置坐标，j=1,2,3,…,n；步骤3：根据公式（2）和（3）计算折射面倾角αj和临界角ij，如图8，图9，这αj为正时逆时针旋转，为负时顺时针旋转；又（2）又（3）步骤4：由公式（4）计算法线深度坐标序列；又（4）t为互换时，tj为时距曲线的竖直坐标；t2j为在曲线t2中，依次读取点xj的对应竖直坐标，n为采样点数；步骤5：对序列yj进行排序，取最小值，令其对应的水平坐标为xk，并令n=n-k，k为计算过程中循环变量；步骤6：令j=1开始做下面循环，用公式（8）计算法线深度，直到j=n；又（5）公式（5）中k为记录点号又（6）又（7）又（8）步骤7：绘制法线深度随坐标的变化曲线，如图10。改进的哈莱斯法与目前哈莱斯法比较图11是用目前哈莱斯法确定的折射面深度图，与用改进的哈莱斯法确定的折射面深度（图10）比较，两者确定的基岩面起伏大体相似，但用改进的哈莱斯法确定的折射面深度细节比较丰富，其原因是改进的哈莱斯法考虑了折射面倾角的变化，而目前方法由于不能确定折射面倾角，因而没考虑折射面倾角的变化，使得计算得到的折射面起伏缺少了细节变化。为了验证用改进的哈莱斯法确定折射面位置方法的有效性，我们在64650m位置设置一处钻孔，在17-26m的深度处，每格1m取岩芯5块，分别用sd-01泥岩密度测定仪测定其密度，取其平均值，取两位有效数字，并列表如表1。表1泥岩密度随深度变化深度/m17181920212223242526密度/g/cm32.12.12.12.12.22.22.22.42.42.4从表1中可以看出，泥岩密度在17m-20m深度处为2.1g/cm3，在21-23深度处为2.2g/cm3,24-26m深度处为2.4g/cm3。泥岩密度在24m深度处有突变，按照目前哈莱斯法确定的深度在深度26m前没有应该没有泥岩密度显著变化，而实际上泥岩密度的突变发生在24m深度附近，与改进的哈莱斯法确定的折射面深度相当，所以我们认为改进方法确定的结果更符合实际。当前第1页12