第32卷7期2020年7月中国煤炭地质COAL GEOLOGY OF CHINAVol.32No.7Jul.2020doi:10.3969/j.issn.1674-1803.2020.07.11文章编号:1674-1803(2020)07-0050-05浅层地下空间探测中的多道面波谱分析法张燕生(中国煤炭地质总局勘查研究总院㊀北京㊀100039)摘㊀要:面波具有能量强㊁传播过程衰减慢㊁频散特性等特点,在浅层地下勘查领域中可以弥补其他地球物理方法的不足,受到业内的广泛关注㊂结合天然源微动和人工面源激发在勘探深度和分辨率上的各自表现,多道面波谱分析法越来越成为主流的面波勘探方法之一㊂依据城市道路路基结构模型,从面波产生机理检波器排列布设㊁数据处理流程以及工程应用中应该注意的问题等几个方面,梳理介绍了多道面波谱分析法及相关提取频率速度曲线的方法㊂关键词:多道面波谱分析法;频散曲线;面波;剪切波;观测台阵;空间自相关法;频率波数法;微动中图分类号:P631.4㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:AMultichannel Surface Wave Spectral Analysis in Shallow Underground Space ProspectingZhang Yansheng(Exploration and Research Institute,CNACG,Beijing 100039)Abstract :Surface wave has features of intensive energy,slow attenuation in propagation process,frequency dispersion property etc.Thus in shallow underground prospecting domain can make up insufficient in other geophysical methods,thus get wide attention in the bined with natural source microtremor and artificial surface source shot respective performances on prospecting depth and resolution,the multichannel surface wave spectral analysis becomes increasingly one of mainstream surface wave prospecting methods.The paper has sorted and introduced multichannel surface wave spectral analysis and related frequency and velocity curves extraction methods from aspects of technical method principles,geophone arrangement and layout,data processing flow and issues to be noted in engineering applications.Keywords :multichannel surface wave spectral analysis;frequency dispersion curve;surface wave;shear wave;surveillance network;spatial autocorrelation method;frequency -waves method;microtremor作者简介:张燕生(1968 ),男,高级工程师,硕士,长期从事地球物理勘探工作㊂收稿日期:2020-01-05责任编辑:孙常长0㊀引言浅层地下空间(0~200m)的综合开发和利用越来越成为社会关注的重点㊂城市地下轨道交通设计㊁综合管廊建设㊁海绵城市规划都需要查明地下空间地质情况,如:岩性分层㊁基岩面埋深及起伏㊁活动断裂㊁地裂缝㊁孤石㊁空洞㊁富水性等条件㊂涉及浅层地下空间探测的方法很多,根据电磁特性目标体常用的勘探法有地质雷达㊁高密度电法㊁瞬变电磁法等;而对于具有波阻特性目标体,常采用地震波法,如反射波法㊁折射波法以及面波法等㊂这些地球物理勘探方法在不同的物性差异方面各有其优势,在探测深度及分辨率方面能力也各不相同㊂不同于地球深部勘探,在超浅层(0~100m,或称为近地表)的地下空间探测中,我们关注的目标体尺度更小及分层更为细化,因此需要更高的空间分辨率和分层能力㊂另一方面,由于人类活动对地下空间的改造,如铺路㊁桩基㊁地下商场㊁管廊建设㊁地铁等,使得超浅层地下空间的横向变化大,甚至会出现上层介质波阻抗大于下层介质波阻抗的层状地下结构,如图1所示的城市道路路基及以下岩土的层状结构㊂图1㊀城市道路路基层状结构Figure1㊀Urban road bed layered structure7期张燕生:浅层地下空间探测中的多道面波谱分析法51㊀在超浅层地下空间探测中,地质雷达可以较好地解决5m 以浅的目标体探测,但在5~50m,地震反射波法和瞬变电磁法存在着比较大的浅部探测盲区,高密度电法和其他电磁法又由于存在较大的体积效应,分辨率较低,很难满足探测精度和准确率的要求㊂近年来,面波勘探法因其所需的勘探场地小㊁施工简便快速㊁成果直观㊁分辨率较高等优点越来越受到业内的关注㊂这种方法是利用各地层间自由表面中传播的面波进行探测,因面波的能量较强㊂利用这种方法既可以克服反射地震波法的浅层勘探盲区,又可以避开折射波法要求下层波阻抗必须大于上层波阻抗的苛刻条件,非常适合解决城市环境中可能存在的上层波阻抗高于下层波阻抗的地下空间探测问题㊂采集面波信号后,通过频谱分析可以方便地解算出不同深度层的面波速度或视剪切波速度,从而获取地层的岩土动力学参数,为工程地质勘察提供依据㊂本文从技术原理㊁检波器布设㊁数据处理流程及工程中应注意的问题等几方面,介绍超浅层地下空间探测中的多道面波分析法的及其应用㊂1㊀面波的产生方式常见的面波有瑞雷波(Rayleigh Waves)和勒夫波(Love Waves)两种㊂其中,勒夫波是水平剪切波进入薄层且以大于临界角度入射到自由表面时产生的全反射并产生相干作用,在自由表面产生的干涉波,该波的质点仅在水平方向运动;而瑞雷波是当纵波和剪切波以大于临界角度入射到薄层或自由表面时,产生全反射并发生相互间的干涉,在自由表面附近形成不均匀波,这种波的质点运动轨迹是入射面内的逆进椭圆,其短轴走向与波的走向一致,长轴则垂直地面,如图2所示㊂这两种面波振幅都是以远离自由表面的距离指数地衰减,而瑞雷波能量最强㊁振幅最大㊁频率最低,容易识别也易于利用垂向单分量检波器测量,所以面波勘探一般是指瑞雷面波勘探,同时由于瑞雷波相速度与剪切波速度有一定的比例关系,可以通过面波勘探获得地层的剪切波速度信息,为进一步岩土分析提供依据㊂图2㊀瑞雷波的振动传播Figure 2㊀Rayleigh wave vibrating propagationRayleigh 在1885年通过求解沿自由表面传播的波动方程,从理论上证明了瑞雷波的存在[1]㊂从20世纪50年代开始,地球物理学家们通过波的频散特性,利用天然地震记录中的瑞雷波了解地球内部结构㊂随着认识的不断进步,人们逐步抛开天然地震面波记录分析大尺度大地构造过分依赖时间和空间的制约,寻求利用地球上无处不在的天然微动中的面波信息来推断地球浅部构造的方法,进而利用环境人文活动所产生的微小震动或是人工震源产生的面波信号进行较小勘探范围内的超浅层地下空间探测,进一步降低数据采集中对记录时间和场地面积的要求㊂针对超浅层㊁小尺度目标体探测,面波从震源来源的角度可分为主动源面波和被动源面波㊂其中被动源面波又可分为天然源面波和环境噪音源面波㊂前者是利用天然震动,如地震㊁雷电㊁潮汐以及大气变化等天然因素产生的面波;后者则利用的环境人文活动,如行驶的汽车火车㊁工业震动等所产生的面波㊂而主动源面波则常常是利用人工夯击㊁机械重锤或可控震源的方式在地面激发面波㊂无论是天然源(或环境噪音源)微动,还是采用人工激发的地表震动,在地球表面接收到的都是一种由体波和面波共同组成的混合振动波和派生波,这其中面波的能量能够占到总信号能量的70%以上[2],这为超浅层勘探中的面波利用提供了有利的条件㊂2㊀多道面波分析法面波在均匀介质中传播时速度v R 与波的频率f(或者说波长λ)无关,不会发生频散,而在非均匀介质中传播时,就具备频散特性,即面波在非均匀介质中传播的速度v R 是面波频率f 的函数,是随频率变化而变化的㊂Nazarian 等1983年提出了面波谱分析法(SASW)[3],利用一对检波器接收瑞雷波,然后通过对瑞雷波扫频分析,在频率域获得频散曲线,进而用正演模型法或最小平方法进行反演,求得随深度变化剪切波速度剖面㊂这种方法在上个世纪的工程地质领域取得到广泛的应用,随后由Miller 等人通过改进SASW 法,提出了多道面波谱分析法MASW [3],它克服了SASW 法为获得一个测点的频谱曲线需要多次重复激发和接收的缺点,大大地提高了采集效率㊁压制了噪音㊁提高了信噪比,是一种快速便捷获取各测点频散曲线的方法,已成为目前超浅层面波探测的主要技术手段之一㊂3㊀场源及排列选择根据不同的勘探深度和目标以及不同的施工场地条件,面波勘探可以选择不同的场源和排列布设方式㊂52㊀中㊀国㊀煤㊀炭㊀地㊀质第32卷根据场源不同分为两大类面波法:主动源面波法和被动源面波法,它们具有各自的特点和排列布设方式㊂3.1㊀主动源面波法主动源面波法是面波探测中最常用的一种方法,由于该方法具有明确的炮检位置关系,因此可以非常方便地利用偏移距的优化来提高频散曲线成像质量和勘探效果,利用线形的滚动观测获得最可信的面波剖面成像,其基本的观测排列方式如图3所示,其中,X 1是最小偏移距,D 是排列长度,采用线形滚动排列㊂图3㊀主动源常规观测系统Figure 3㊀Active source conventional surveillance system检波器排列长度D 与可采集的最大波长有关,它决定了最大勘探深度Z max ㊂同时由于地滚波的垂向深度大约相当于波长的一半,所以震源的激发频率也限制着最大所能达到的深度㊂另一方面,地震波只会在离震源达到或超过所期望获的波长的一半的距离时,才能以平面波的形式传播[5],所以最小偏移距应为:X 1ȡ0.5λmax ㊂道距Δx 约等于最大纵向分辨率㊂面波高频分量会在传播过程中迅速衰减,因此在更关注近地表的超浅层信息的探测中,所采用的偏移距就不能过大,以免造成远偏移距采集信噪比太弱,影响后期数据处理㊂工程中常采用道间距1米的24道/48道排列㊂采用陆地拖曳式检波器串施工可以成倍地提高野外采集效率[6]㊂在条件允许的情况下,尽可能使用可控震源,因为它可以提供更大的激发能量,更稳定的宽频信号(更低的低频截止频率),并且可以直接得到相关前的频率扫描记录㊂但是在超浅层勘探中往往不具备大型车载可控震源的使用条件,而人工锤击所能提供的冲击能量又太弱(一般只能达到30m 以浅的勘探深度)的时候,利用方便移动的机械重锤人工激发方式是一个较好的选择,它可以激发出比人工锤击主频更低的地震波信号㊂由于面波的探测深度是波长的一半,因此激发更低频率的子波,意味着利用低频检波器接收可以预期获得更深的探测深度㊂通过线形排列的滚动采集以及后期数据处理和谱分析,可以方便地得到一条测线的在深度域的剪切波速度剖面㊂3.2㊀被动源面波法由于现实施工中,主动源面波法可能会遇到探测深度达不到要求或主动震源施工条件受限等情况,因此,被动源面波法逐渐地在超浅层工程勘察中业界的关注㊂这种方法是由早期利用天然地震面波勘探大地深部构造的方法发展演变过来的,它又主要分为两种方法:一种是利用震动频率低于1Hz 的天然微动(地震㊁雷电㊁潮汐以及大气变化等产生的微弱的大地震动)作为震源的方法,另一种是利用几赫兹的人文环境震动(如路边的汽车㊁工业环境震动等)作为震源的方法㊂前者是一种远场源长波面方法,又称为长波微动法,后者是一种近场源面波方法,又称为常时微动法㊂与主动源面波法相比,虽然其震源信号的振幅和形态都随时空变化而发生改变,但在一定的时空范围内具有统计稳定性,被动源面波法就是以平稳随机过程理论为依据,杂乱的微动信号中通过空间自相关(SPAC 法)[7]或是频率-波数法(F -K 法)[8]提取瑞雷波的频散曲线㊂3.2.1㊀台阵排列布置如果具备宽阔的施工场地的条件,被动源面波法应尽量采用密集台阵的检波器布设方法,该方法相较于天然地震台阵,是尽量利用更密集的采集间距和更小尺度的场地面积,采集微动信号,然后通过后期的预处理和频谱分析获得更为精细的成像效果㊂通常采用的布阵方式如图4所示㊂图中每个规则阵列可以获得中心点位置的剪切波速度测深曲线,可以通过台阵的滚动,获取整个测区的不同深度层位的视截切波速度信息㊂如果低频检波站数量充足,可以考虑在整个测区布满台站矩阵,一次性部署㊁快速收割数据,这样可以极大地减少野外采集时间和人工成本,提高采集的效率,同时可以使得数据预处理㊁及空间自相关更加灵活,提高处理后的信噪比㊂图4㊀微动探测中常用的几种台阵布列方式Figure 4㊀Frequently used surveillance network layoutpattern in microtremor survey7期张燕生:浅层地下空间探测中的多道面波谱分析法53㊀图5㊀测区内台阵测网布置Figure5㊀Surveillance network layout in survey area 3.2.2㊀线形排列布置如在城市道路附近或其他缺少空旷施工条件的地方,可以考虑部署类似于主动源面波法所采用的线形排列或者不规则路径排列㊂这种排列所涉及的谱分析法是背景噪声互相关技术(Noise Correlation Function,NCF)㊂由于此种排列布置可以与主动源面波的排列一直,可以利用同一套设备同时采集双源信号,弥补被动源勘探浅部信息缺失或分辨率差的缺陷,后期通过处理将主动源的浅部信息和被动源的深部信息进行拼接,实现高分辨率㊁大深度的勘探效果㊂4㊀多道面波谱分析原理与流程4.1㊀多道面波谱分析法的工作流程虽然涉及的具体算法不同,但主动源和被动源面波的工作流程是接近的㊂主要包括以下几个步骤:①采集时间域多道数据记录;②估计每个测点(或台阵中心)的频率域速度曲线;③把频率速度曲线转换在线形成频率域速度剖面;④进行二维反演形成深度域速度剖面;⑤利用Surfer或其他成图软件形成三维地震成果图㊂4.2㊀谱分析方法原理主动源面波与被动源面波(微动探测)在数据处理和谱分析方面虽各有侧重和不同,但现在流行的数据处理方式都是通过对多个测道(或台站)的数据进行预处理,然后进行频率域谱分析,他们都可以归结为多道面波谱分析法(MASW)㊂4.2.1㊀频率-波数法原理针对线形排列主动源面波探测,常常用到频率波数法(F-K法)进行多道瞬态面波分析,F-K法是对在时间-空间域记录的波场进行二维傅里叶变换,在频率-波数域分析信号特征的一种方法㊂针对一个时空记录f(x,t),进行傅里叶变换,可以得到一个频率波数域的函数:Fω,t()=N k,ω()D k,ω()=12πʏ+ - ʏ+ - f x,t()exp-iωt+ikx()d t d x(1)式中,ω为角频率,k为波数,x为空间坐标,t为时间,根据分层介质中的面波理论,面波对应F(k,ω)中极点的留数贡献,留数由D(k,ω)=0决定,在频率-波数域对应面波的能量具有极大值,按照极大值频率(Ω)和波数,再由公式V R=Ω/k可以计算特定频率下的相速度,重复计算多个频率的计算就可以得到对应的频散曲线㊂4.2.2㊀空间自相关法原理在微动探测中,多用到的是空间自相关法(SPa-tial AutoCorrelation,SPAC)提取速度曲线㊂这种方法的理论基础是稳定随机过程理论㊂微动是一种随时间t和位置矢量ξ(r,θ)的变化而变化的自然现象,某一段时间的微动记录可以看成为稳定的随机过程的样本函数X(t,ξ(r,θ)),在空间上存在自相关性㊂设地表A(0,0)㊁B(r,θ)两点的微动记录分别为:X t,0,0()=ʏ+ - ʏ2π0exp iωt()dξω,Φ()X t,r,θ()=ʏ+ - ʏ2π0exp iωt+irk cosθ-Φ()() dξω,Φ()(2)定义A㊁B两点的空间自相关函数S(r,θ)为:S r,θ()=ʏ+ - ʏ2π0exp irk cosθ-Φ()()h(ω,Φ)dΦ() dω=ʏ+ - gω,r,θ()dω(3)其中gω,r,θ()=ʏ2π0exp irk cosθ-Φ()()h(ω,Φ)dΦ称为空间协方差函数,h(ω,Φ)为频率-方位密度㊂取空间协方差函数gω,r,θ()的方位平均: g-ω,r()=12πʏ2π0g(ω,r,θ)dθ=12πʏ2π0ʏ2π0exp irk cosθ-Φ()()h(ω,Φ)dΦdθ54㊀中㊀国㊀煤㊀炭㊀地㊀质第32卷=ʏ2πJ 0rk ()h ω,Φ()d Φ=g ω,0,0()J 0rk ()(4)定义ρ(ω,r )为角频率ω的空间自相关系数,则可得到:ρω,r ()=g -(ω,r )h 0(ω)=J 0(rk )(5)式其中θ为波的入射角,h 0(ω)为中心点的频率方位密度,J 0为第I 类零阶贝塞尔函数,rk =2πfr /c (f )为零阶贝塞尔函数宗量,c (f )为波的传播速度㊂首先将微动记录分成若干时间窗的数据段,剔除干扰记录,通过不同中心频率的窄带滤波提取出各个频率成分f ,在对不同f 通过方向平均后求得空间自相关系数ρ(ω,r )㊂从而求出零阶贝塞尔函数的宗量rk ,再由rk =2πfr /c (f )求出相速度c (f ),最终获得频散曲线㊂4.2.3㊀频散曲线反演频散曲线(或剖面)的反演是多道面波分析法中一个重要环节㊂为了得到更为精确的地下介质的深度域的速度信息,常常用到两类反演方式,一类是线形反演方法,如最小二乘法㊁阻尼最小二乘法㊁广义逆法以及OXAM 法等㊂另一类为非线性全局优化算法,如模拟退火法㊁遗传算法㊁人工神经网络法以及蒙特卡洛算法等㊂这些反演算法各有优缺点,根据实际需要,优选出其中之一算法,对最终成果的呈现具有非常重要的作用㊂5㊀工程中应注意的问题①要尽量避免在高落差区域使用面波法探测㊂这是由于大尺度的地表起伏(比如落差大于排列长度的10%)会对面波的传播产生巨大的阻碍作用㊂而平整或缓坡地形则比较有利于面波的传播,适宜采用面波法㊂②在条件允许的情况下,要尽量采用主动源法,这有利于利用高频信号进行超浅层成像㊂③如果施工条件不允许或还需要获得较为深部(30~100m)的地下信息,最好采用主动源与被动源结合的方式探测,这样可以更好地刻画地层信息㊂④在采用人工锤击或机械落锤作为冲击震源的主动源探测时,如果环境噪声振动比较大或是远偏移距接收信号比较弱,可以考虑采用3~5次的垂直叠加来压制环境噪声;同时注意,过多的垂叠次数必不能带来更好信噪比,反而降低数据分辨率㊂⑤在近场源面波探测中,记录时间窗口并不是越长越好,这是因为震源可能来自于不同方位,记录周期过长反而会降低数据信噪比和分辨率㊂6㊀结束语多道面波谱分析法作为目前面波勘探中最常用的方法,在浅层地下空间的探测中具有非常良好的发展前景,它为我们提供了一种简单便捷的获取地下介质中的剪切波传播速度的方法㊂随着检波器台站设备的日趋完善,今后有望出现更多的双源面波探测实例㊂参考文献:[1]Rayleigh L.On Waves Propagated along the plane surface of an elas-tic solid [J].Proceedings of the London Mathematic Society,1885,s1-17(1):4-11.[2]ToksöZ M N,Lacoss R T.Microseisms:ModeStructure and Sources[J].Science,1968,159(3817):872–873.[3]Narzarian S,Stokeo K H,Hudson W e 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