双源面波勘探技术在工程中的应用研究

2014-04-06毋光荣何效周姜文龙

水利技术监督 2014年1期

关键词：浅部面波微动

毋光荣余凯何效周姜文龙

（黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003）

双源面波勘探技术在工程中的应用研究

毋光荣余凯何效周姜文龙

（黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003）

简要回顾面波勘探的发展历程及相关处理方法，着重分析了天然源与人工源面波勘探的特点，尝试采用“L”阵型进行双源面波勘探技术研究，解决一定深度范围内地层结构波速探测问题。通过现场试验，资料处理，获取了天然源信号与人工源信号合成后的能量谱，为地质岩性划分，横波波速测定提供了基础资料。

面波勘探；双源面波勘探；天然源面波；人工源面波；空间自相关法；频率—波数法

早在20世纪50年代，国外就有人开始研究天然源面波勘探技术了，Aki和Capon分别在1957年和 1969 年采用空间自相关法（SPAC法）和频率-波数法（F-K法），从天然场源信号中提取了面波，并求出面波频散曲线。之后，人们开始把天然源与实际应用联系起来[1,2]。

1976年，LewisJ.Katz用实验方法对天然源中的面波频谱进行了分析，并对观测中的台站布置方式进行了研究，结果表明，用天然源方法评价局部场地地质效应是一种比较经济可行的方法。

1978年，Katz和Be11on利用在美国内华达州的 Beatty采集的天然源面波数据对该地的场地效应进行了评估，把该地场的响应谱与天然源的功率谱进行了比较，认为利用天然源方法对场地效应进行评估能结果可靠。

上述工作都只是利用天然源信号中的短周期面波来研究地下浅部地层的速度结构，研究深度仅有几十米。

1982年，HiroshiKagami等人开始利用长周期天然源信号研究深部土壤层的特性，研究区域第四纪地层深达上千米。

1991年，J.Mora1es等人研究了深达上百米的沉积盆地中的天然源特性，讨论了长周期微动和盆地沉积层卓越周期之间的关系。之后的十几年中，微动方法逐渐应用于地下构造的研究，探测深度也从刚开始的几十米发展到上千米。冈田广（Okada）在前人研究的基础上，经过十余年的研究和实践，系统地提出了一种天然源物探方法——微动勘查方法。

1994年冈田广和凌甦群在F-K法中引入自回归模型（AR模型）算法推定相速度，从资料处理结果看，此方法比傅里叶变换提高了推定值的稳定性，进一步完善了微动勘查法[3,4]。

双源面波勘探是利用天然微动勘探解决深部地质分层问题、人工源面波勘探解决浅部地质分层问题。两者相结合取长补短，获取一定深度范围内的地质信息，从而进行地质岩性划分，横波波速测定，场地效应评价等方面具有重要意义。

1 双源面波勘探

面波是一种特殊的地震波，与纵波和横波不同，是一种在地表传播的波。面波分瑞利波与勒夫波。由于瑞利波能量最强且振幅最大，容易识别与测量，所以通常称的面波勘探即为瑞利波勘探。双源面波勘探是人工源面波与天然源面波相结合的一种新型勘探方法。

天然源与人工源采集地震信号存在比较大的区别，主要体现在原始信号上：在能量、环境等条件较理想的情况下，人工源采集到的原始信号中能很清晰的分辨出各种不同类型的地震波（如图1所示）；而天然源采集到的原始信号则无迹可寻，杂乱无章（如图2所示）。

1.1 天然源面波

地球表层时刻存在着的一种微弱波动，主要由自然界和人类的各种活动激发产生。如风、潮汐、气候等自然现象的变化和火山活动引起的地面震动，这种地面微动信号中携带着与地表浅层介质有关的面波信息。

理论上来讲，天然源信号可以看作是一种稳定的随机过程，是随时间和位置适量而变化的一种自然现象，某一时间段的微动记录可以作为稳定随机过程的样本函数来看待（如图2）。同时，可用时间与空间上的平稳随机过程进行描述。天然源面波（微动）勘探方法就是以这种平稳随机过程理论为依据，从微动信号中提取面波频散曲线，然后通过对频散曲线的反演，得到地下横波的速度结构[4,5,6]。

1.2 人工源面波

依据激振方式，人工源面波又分为稳态面波和瞬态面波。稳态面波是利用激振器激发一定频率范围内的地震波，经分析处理，提取面波频散曲线，经反演获得地层波速参数。在工程上常利用瞬态面波法进行面波勘探。瞬态面波勘探基于瑞利波运动学特征和动力学特征，其核心是利用了层状介质中面波的频散特征和传播速度与岩土物理力学性质的相关性，即不同的频率成分具有不同的相速度。因此，与天然源面波勘探一样，其关键技术是准确提取频散曲线。

人工源面波勘探在工程中的应用，已经有无数很成功的例子，在国内的应用已经相当广泛，技术很成熟。然而，震源问题一直是不能进一步推广的重大制约因素，信号质量的优劣直接影响到最终的测试效果[4,6,7]。

2 技术特点及应用实例

2.1 技术特点

天然源面波采集的信号主要为低频信号，因而多应用于勘查地球内部结构、探讨大地构造等大深度的勘探方法，浅部往往有一定的盲区。人工源面波采集的信号主要为高频信号，勘探深度20m左右，主要用于浅部工程勘探。根据两者勘探技术特点，采用相对高频的检波器用于天然源面波勘探，利用人工源面波弥补天然源面波浅部勘探的缺陷，通过人工源面波与天然源面波相结合，反应地表一定深度范围内地层结构波速。

2.2 应用实例

双源面波勘探中,人工源主要探测浅部信号、天然源主要探测中深部信号，从而完整地了解地层分布情况。

选择L型排列，道间距5m，使用24个检波器。阵型如图3所示。

人工源采集信号，经分析处理后所得频谱如图4所示。

由于采用人工锤击，采集到的地震信号低频信号基本缺失，频率主要分布在 12～32Hz之间，其对应的深度也较浅，因而无法从能量谱中分析中深部地层分布情况（如图4所示）。

天然源采集信号，经分析处理后所得频谱如图5所示。

图5为天然源采集到的信号，图中低频信号丰富，探测深度远远大于人工源，然而高频信号少，频率主要集中在 2～8Hz之间，因而无法从能量谱中分析浅部地层的分布情况（如图5所示）。

根据人工源和天然源的各自特点，将两者探测成果合并，如图6所示。

由图 6，天然源信号与人工源信号合成后的能量谱，可以清晰的看出高频与低频信号的变化趋势，从而为后期处理带来便利，进一步完善了数据质量。

通过天然源与人工源结合，探索双源面波勘探新技术是一种很好的尝试。通过与钻孔资料对比，双源面波勘探成果与实际地层基本相符，只是在天然源信号低频部分（即最深处）稍有差别。