2.3　TRT6000超前预报解译原理

TRT6000超前地质预报系统应用三维地震反射技术，所以，应用TRT6000超前地质预报系统对隐伏地下水进行预报就是应用地震反射技术对隐伏地下水进行探测的技术，故其工作的理论基础为弹性波理论，工作原理为地震波反射勘探的工作原理。

2.3.1　Biot理论

地下水为双相介质，利用双相介质的地震波反射特征对隐伏地下水进行探测预报的方法为直接法。

Biot理论是研究流体饱和多孔隙固体的弹性波传播理论，该理论假设流体具有可压缩性，并能产生相对于固体的流动，形成摩擦。根据低频域Biot理论的一些基本原理，可得到如下双相介质中弹性波的传播特征。

（1）Biot理论证实了在流体饱和的多孔隙介质中存在两种纵波和一种横波。其中两种纵波一种是快速纵波；另一种是慢速纵波。1980年T.J.Plona在实验室首次观测到这种慢速纵波，从而证实了Biot理论预测的正确性。

（2）快速纵波的波速是v1。当流体和固体之间不存在相对运动时，则v1＝H/ρ。快速纵波的波速与振幅具有相同的符号，故为同相波。快速纵波就是地震勘探中经常观测到的纵波。

（3）慢速纵波为反相波，它实际上是一种扩散波，衰减十分快。

（4）当弹性波的趋肤深度和岩石孔隙直径相近时，慢速纵波的衰减最大。在低频时，趋肤深度远远大于岩石孔隙直径，这时，慢速纵波的衰减很慢。

所以，在TRT6000隧洞超前预报的探测成果资料中发现快、慢速纵波时即可直接判定隐伏地下水，并根据地震反射波的空间特征信息判定隐伏地下水的范围和位置。

2.3.2　间接法

在TRT6000隧洞超前预报的探测中，当无法直接取得勘探目标体的信号，却可以直接得到与勘探目标体直接相关并紧密伴生的另一个地质体信号时，可通过对与勘探目标体直接相关并紧密伴生的另一个地质体进行探测，从而间接对勘探目标体进行探测，这种方法为间接法。间接法在隐伏地下水的探测中使用较为普遍。

通过对隐伏地下水的储存空间进行探测，结合地下水调查结果判定隐伏地下水，这种判别、解译方法为对隐伏地下水的间接法。这种方法是TRT6000隧洞超前预报中对隐伏地下水进行探测和解译的主要方法。

隐伏地下水的贮水空间一般为相对破碎带，这些破碎带相对围岩为低波速带，其与围岩间存在波阻抗差异，故在地震反射探测中会产生反射波，从而可对其依据弹性波反射原理进行探测。

TRT6000隧洞超前地质预报在现场采集的地震波数据经过数字处理后得到三维偏移归位图像（地质层析成像）成果，这个图像成果是一个经过三维偏移归位处理后的三维地震资料数据体，它可以用定义在（x、y、z）空间每个结点的数据（振幅、频率或相位）A（xi、yi、tk）来表示。其中蕴藏了极其丰富的地质信息，而这些地质信息通过地震反射信息来表现，地震反射波信息主要有运动学信息、动力学信息和反射波特征信息三大类。运动学信息主要是指地震波反射时间、速度和同相轴特征，动力学信息主要是指地震反射波的振幅、频率、相位所含的信息，反射波特征信息主要是指同相轴的连续性、反射振幅的强弱、反射波同相轴局部的内部结构和外部形态等，在TRT6000隧洞超前地质预报解释工作主要是利用反射波特征信息为主，以运动学信息和动力学信息为辅进行解译。隐伏地下水的储存空间在TRT6000隧洞超前地质预报的图像成果中表现为较为相对集中，含反相反射波的反射波团带，且其部分具有一定的连续性或与其他同性质反射波带有连通性。

2.3.3　黏弹性介质中的地震波

波在传播过程中其机械能（动能和位能）有所损失，这种现象称为介质的吸收。

在完全弹性介质中，各体积元只受到弹性力的作用，因而只可能存在不同形式的机械能之间的相互转换，而不存在机械能的损失问题。可见，只有当介质出现一定的塑性（即只有在非完全弹性介质中）时才存在能量的吸收问题。

在非完全弹性介质中，这种能量吸收问题的定性解释有以下两种：

（1）弹性后效理论。它认为物体在外力的持续作用下内部结构发生变化，在外力小的时候不能完全恢复物体原状，存在一定的剩余应变。剩余应变的存在消耗部分弹性能量，进而产生地震波振幅的衰减。

（2）内摩擦理论。它认为介质中各质点在振动过程中发生相互的摩擦作用，使部分机械能转换为热能消耗，如同阻尼的存在会导致振动能量向其他能量的转化一样。

完全弹性介质中的应力与应变之间遵守广义胡克定律，即应力和应变之间成正比关系。在非完全弹性介质中应力与应变之间成正比的关系已不再成立，因为此时要考虑介质内摩擦力（介质不同部分之间相互摩擦，导致机械能向其他能量转化的作用力）的作用，从而建立了不同的非完全弹性介质模型。地震勘探中使用较多的是称为黏弹性体或佛格特（Voigt）体的模型。该模型假定介质的应力包括两个部分：一部分是弹性应力，满足广义胡克定律；另一部分是黏滞应力，黏滞应力与应变的时间变化率成正比。

2.3.4　介质的品质因子

品质因子Q表示地震波能量E在一个波长λ距离上的相对衰减量，可表示为

式中：为损耗因子；为能量的相对变量；δ为对数衰减率（表示地震波振幅在1个波长λ距离上或者1个时间周期T上的衰减量）。

对数衰减率δ为吸收系数α（表示地震波振幅沿传播距离x的衰减）的关系为

式（2.8）表明，吸收系数α是频率f的线性函数。这是地震勘探中吸收衰减与频率关系的基本假设。

品质因子Q是一个无量纲的量。介质Q值越大，能量的损耗越小，介质越接近完全弹性体，因此Q→∞的介质就是完全弹性介质。

由式（2.7）和式（2.8）可知，吸收系数α与品质因子Q之间的关系为

或

由式（2.9）可知，品质因子Q与吸收系数α成反比。进一步的研究表明，纵波和横波的品质因子是不同的。在泊松体（υ＝0.25）的情况下，纵波的品质因子Qp与横波的品质因子Qs之比约为9/4，即Qp/Qs≈9/4。由此可见，介质对横波的吸收要比对纵波的吸收严重。