夯击震源多道地震面波信号识别试验研究

周会鹏，丁美青，张恩泽，胡雄武

（安徽理工大学地球与环境学院， 安徽淮南232001）

夯击震源多道地震面波信号识别试验研究

周会鹏，丁美青，张恩泽，胡雄武

（安徽理工大学地球与环境学院， 安徽淮南232001）

岩土工程领域中，有效探测地层的层位、厚度、地下构造等具有重要的研究意义；近年来，面波勘探方法已逐渐应用于岩土工程勘察，传统锤击震源面波勘探能量弱、信噪比低、受环境因素影响较大，严重影响该方法的勘探效果；用连续夯击作为地震激发能量源弥补了锤击震源的不足，提高了面波勘探的信噪比和探查精度；利用面波勘探在相同场地条件下采用锤击震源和连续夯击震源进行对比试验研究，探讨震源的使用对探查精度和分辨率的影响，为以后复杂地质条件下使用夯击震源面波勘探提供理论和技术依据。

面波勘探； 锤击震源； 夯击震源； 试验研究

在地震勘探中，使用的震源方式多以人工震源为主，如炸药，锤击，伪随机。其中使用大锤作为震源，虽然经济成本很低，但是锤击的能量低，探测的深度较浅，受到噪声干扰的程度也大，当锤击金属垫板时，经常伴随着很强的干扰波，每次激发均受到大锤和金属垫板的耦合转换效率的影响，若耦合的情况较差，产生的面波多数均为噪声而无法探测地下地质情况，需要经过多次锤击；锤击震源效果亦受到地面的影响，在松散软弱的地层信号质量较差，勘探的效果就会大大的降低。因此可以采用夯击震源，夯击震源具有较高的信噪比，其携带方便，成本较低，对地下地质情况具有较高的分辨率，夯击震源的频率可以控制，对干扰的控制较为有利，可以在地面环境较差的情况下进行施工。

二十世纪八十年代，夯击作为震源最初由Barbier提出，随后出现了SIST技术，利用编码方式使用电动机夯击震源进行勘探并取得了看良好的效果，之后，夯击震源运用在复杂地区中进行高分辨率的三维地震勘探，在2002年David和Jack等人对夯击震源的结构进行改进，设计出冲击夯的横波激发源。我国夯击震源的发展处在初步阶段，2006年6月份在武汉举办的第二届环境与工程地球物理国际会议中，由中国地质大学和北京艾达天地岩土技术有限公司发表的《浅层高分辨率冲击叠加地震采集系统及应用效果》一文涉及了对电动机式夯击震源的研究，并取得了较好的勘探效果。夯击震源系统是调查构造，勘查资源的理想震源，使用可控的震源来代替人工大锤激发和炸药震源，夯击震源逐渐向小型物探单位以及城市工程物探单位发展，解决中小型地震勘探工作中震源激发的各个方面问题，节约成本，自主研究夯击震源并且创造，对于地震勘探领域有着深远的意义。

1 夯击震源面波勘探原理

在层状介质中，瑞雷面波是由SV波（质点振动发生在与波的传播面相垂直的面内的波）与纵波干涉而成，且瑞雷面波的能量主要集中在介质自由表面附近，其能量衰减与R1/2成正比，比体波的衰减慢很多。面波相速度与频率有关，这种速度随频率变化的曲线称为频散曲线，因而面波还具有频散特性。利用层状介质中面波的频散曲线和传播速度与岩石物理力学性质的相关性可达到勘探的目的。不同的频率成分具有不同的相速度，不同的波长的面波特征反映不同深度内的地层情况。通过：

（1）

（2）

式中：X为谐波振动，w为频率，r1和r2分别为点r1和r2到原点的距离，A为振幅。

通过对比可得到

（3）

可求得

（4）

面波的VR和振动的频率有关，通过连续夯击得到不同频率的VR，通过反演可以得到不同介质深度的速度进而可以判断岩层的层位，解释地下构造。

连续夯击浅层地震勘探系统由伪随机作为震源，加速度传感器，检波器，地震仪组成，夯击震源面波勘探现场布置如图1所示。使用伪随机振动产生不同频率的地震波，由地震检波器对地下传播的反射地震面波进行收集，再将物理信号能量波转化为电信号，由电缆线传输至地震仪，地震仪采集传感器、加速度检波器的地震信号，并进行调理、放大、存储以及传输等工作，加速度传感器固定在伪随机上，采集伪随机的加速度信息，将第一个排列的检波器作为参考检波器，将其他检波器接收到的地震波信号和参考检波器接收的地震波信号作对比，当地震波在不同介质中传播，由于各层介质的组成成分不同，因而其地层的密度不同，地震波在不同的介质中会形成不同的传播速度，根据面波的传播速度得出地下地层的速度情况，由此可判断地下的地质构造情况。

图1 夯击震源面波勘探现场布置图

2 连续夯击与锤击震源的区别和优越性

连续夯击与传统锤击震源相比具有以下几个特点：（1）连续夯击与锤击震源产生的地震波经过大地传播能量被逐渐吸收导致信号衰减。两种震源的激发方式，信号的频率，频宽及振动波形特征，都具有明显的差异。（2）连续夯击可以控制伪随机振动的频率来控制地震波信号的强弱和识别信号之间的差异，锤击振源受到大锤与金属垫板的耦合情况的影响，易产生二次敲击，造成干扰，信号质量较差。（3）连续夯击震源采用连续扫描信号，伪随机连续夯击产生的地震波的能量强，大大提高了地震波的穿透能力。与锤击震源相比，勘探的深度也是锤击勘探深度的几倍。连续夯击利用多次的叠加可以消除随机干扰，压制噪声，要比锤击的信噪比高的多。

3 试验工作

3.1 测区地质概况

本次试验工作所在区域位于安徽省淮南市某地，最古老的地层是霍邱群，原岩主体形成时代属于新太古界。在新元古界和寒武纪，淮南地区的沉积环境相对稳定，发生海相沉积，形成一套完整的地层，在石炭系至二叠系发育了数十层煤层。淮南的煤炭资源占安徽省煤炭资源总量的70 %；淮南市地处淮河中游，因此淮南地区地下水资源丰富，从上到下，可划分四个含水层和三个隔水层。测区南面为一条山脉，连接舜耕山逆冲推覆构造断层，钻孔揭露的基岩面埋深约为8m，基岩面上部均为第四系砂粘土覆盖。由于地震波在不同岩层传播的周期和波长不同，可形成良好的频散曲线，是较为有利的面波勘探地震地质条件。

3.2 仪器设备及采集参数

综合考虑勘查区地质概况及地震地质条件，确定最佳采集参数，具体地震工作方法如下：

仪器。使用加拿大Geopen技术公司生产的Miniseis24多功能地震数据采集系统地震仪。

震源。“威克诺森BS50-2” 冲击夯激发伪随机，18磅铁锤激发锤击。

检波器。4.5Hz低频检波器。

采集参数及观测系统。锤击震源面波勘探采样间隔0.5ms，采样点数2k，采样时间1s。夯击震源面波勘探采样间隔2ms，采样点数16k，采样时间32s，前置增益0dB，数据记录为SEGY格式；观测系统采用单边排列，最小偏移距1m，道间距1m，24道接收。

4 面波信号识别分析

4.1 频谱分析

为对比分析夯击震源和锤击震源面波勘探地震波信号的强弱和识别信号之间的差异，将上述试验采集到的数据进行F-K变换，得到速度-频率谱，结果如图2所示。

（a）夯击震源速度-频率谱 （b）锤击震源速度-频率谱

夯击震源面波频率在4-50Hz范围内，有效拾取范围在8-44Hz范围内，8Hz以下频谱分散且不连续，收敛较差。人工锤击震源面波频率在4-50Hz范围内，有效拾取范围在10-43Hz范围内，8Hz以下频谱分散且不连续，收敛较差。对比夯击震源和人工锤击震源频散谱，夯击震源携带丰富的低频信息，反映深部信息量大，且高频部分连续性较好。面波识别及信号质量明显优于锤击震源。

4.2 勘探深度分析

对比分析夯击震源和锤击震源面波勘探频散谱，对上述得到的频散谱提取频散曲线，进行速度-深度变换，得到夯击震源和锤击震源速度-深度曲线对比分析图如图3所示。

（a）夯击震源速度-深度曲线 （b）锤击震源速度-深度曲线

图3 夯击震源和锤击震源速度-深度曲线对比分析

通过频散谱提取频散曲线，并进行速度-深度变换得知：夯击震源面波勘探有效勘探深度在1-42m范围内，人工锤击震源面波勘探深度1-34m范围内。夯击震源产生的地震波的能量强，大大提高了地震波的穿透能力，不仅能够反映深部地质信息，表层地质信息的分辨率也不差于人工锤击震源。在复杂地形条件下，夯击震源面波勘探更具有优势。

5 工程实例

5.1 地质条件

唐县～尚市隧洞属于湖北省鄂北地区水资源配置工程。隧洞所处为丘陵地区，隧洞埋深较浅。隧洞主要穿过Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩区，施工中极易发生坍塌事故。本次勘探区域为DK172+444～172+756段里程位于长312m，勘探里程区域隧道围岩属III类围岩，局部稳定性差。围岩为下元古界万和店群狮子口组（Pt1s）灰绿色、灰白色白云钠长片麻岩，呈弱风化状。上覆岩体厚30～70m。该段岩石单岩石强度为中硬岩；岩体完整程度为较完整；结构面状态起伏粗糙，裂隙宽度l～ 5mm，石英脉充填；地下水活动状态为有渗水或滴水现象。

为查明隧道开采前方松散软弱夹层的分布情况，隧道顶部为松散性较好的第四系黄土，为良好面波激发条件，尝试采用夯机震源法面波勘探技术对其进行勘探，结合地质条件，并在数据采集，处理环节采取相应措施，获得较好的效果。

5.2 数据采集

本次勘探目的为验证多道夯机震源在工程勘察中的应用效果，数据采集使用Geopenminiseis24地震探测仪，使用12个4.5Hz垂直分离低频检波器来接收数据信号，检波器间距2m，检波器与夯机震源间距2m，各检波器与地表耦合良好，信号激发方式为夯机击振，采用共偏移方式滚动采集。采样时间32s,采样间隔2ms，采样点数16K。将采集到的面波数据进行保存，并做好各炮排列中心点的高程测量记录。

5.3 数据处理

数据处理使用Geogigasurfaceplus8.0模块进行处理。多道面波分析技术的关键在于频散曲线的提取，该模块提供相移法、F-K法、自相关法（SPAC）法三种频散计算方法。通过试验得知SPAC法对夯机震源多道面波法频散计算效果较好。数据采集流程如下所示：

载入夯机震源地震数据，进行低通滤波处理；使用SPAC法进行频散分析，选择合适频率范围与聚焦系数；对生成的F-V频率谱进行频散曲线拾取；进行速度深度变化，获取深度速度曲线；对各控制点进行高程变换，生产剪切波速度等值线图。

5.4 成果解释

剪切波速是场地评价岩土体强度的重要参数，瑞雷波速与剪切波速具有一定的数量对应关系。VR=0.92VS～0.95VS。这为面波勘探在工程勘探提供理论基础。根据剪切波速之间的差异进行对比、解释，对勘察区域范围内软弱带进行分析判断。

根据上述原理，以里程为横坐标，根据测量的高程数据进行高程校正，高程为纵坐标建立剪切波速度等值线剖面图。

图4 夯击震源和锤击震源剪切波速度剖面图

通过使用冷色调表示，对测线范围内剪切波速度剖面图分析如下：

DK172+444～DK172+494里程范围内，20～40m深度范围内速度明显大于后半段里程。由于DK172+444～DK172+494部分，隧道已经进行开挖，隧道开挖后的空腔对面波传播产生影响。范围圈定较为准确。

DK172+550～DK172+600里程范围内，从剪切波速度剖图观察可知，0～30m范围内，剪切波速度相对较高，是由于该里程高程较大，表层黄土风化，基岩出露，表层速度相对较高。

DK172+444～172+756里程范围，根据隧道设计所在高程100m～120m范围没有岩体软弱破碎带的分布。

6 结论

在工程岩土勘探领域，人工锤击震源适用于平整固实的土地，且锤击震源能量弱，衰减快，受噪声干扰的程度大；夯击震源所激发的地震波抗干扰能力强，信噪比较高，且有很高的分辨率和勘探精度。

通过对比分析夯击震源和人工锤击震源速度-频率谱和速度-深度曲线，夯击震源携带丰富的低频信息，对深部勘探分辨率明显高于人工锤击震源。此外，夯击震源在浅表层的勘探精度也比较高，勘探效果良好，对地层厚度的划分和地质构造的探查有很明显的反映。为往后再激发条件复杂地区应用夯击震源进行面波勘探工作提供了重要的科学依据。

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2012-12-01

安徽省大学生创新创业训练计划资助项目（项目编号：201510361116）；安徽省高等学校自然科学研究重点资助项目（项目编号：KJ2016A192）

周会鹏（1994-），男，安徽六安人，研究方向为岩土工程，电话：15855445282。

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1671-4733（2017）01-0034-004

10.3969/j.issn.1671-4733.2017.01.011