复杂城市环境下地球物理勘探技术研究进展

刘铁华，刘 铁，程光华，师学明，化希瑞，张 邦

(1中铁第四勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430063;2中国地质调查局 南京地质调查中心，江苏 南京 210016；3中国地质大学 地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074)

1 引 言

随着城市地下空间开发利用国家战略的推进，建设过程中经常遇到地下地质情况不明、城市复杂环境下探测技术存在瓶颈等困难[1]。由于城市环境复杂、干扰因素众多，传统的地质钻探、挖探、触探等手段不能做到全覆盖或不能实现连续勘察，及时勉强开展了勘探工作，其勘探精度有限，多个城市地铁等市政轨道交通中出现常规勘探方法无法实施的情况。如昆明地铁5号线圆通山-翠湖公园站穿越房屋密集区段，由于地表建筑物阻挡造成700 m范围钻探无法实施，同时常规物理勘探方法也无法有效实施，从而导致勘探盲区。在深圳地铁、徐州地铁等市政轨道交通中也出现过类似情况。此外，复杂城市地质勘察对不良地质，诸如岩溶、不均匀风化体、人防空洞、地下水渗流通道、水囊、软弱夹层等，现阶段勘察手段难以做到全面、详细的探查识别，会带来很大的设计、施工安全隐患。

为更好地推动城市高质量发展，加强城区地质勘探技术发展，有必要对复杂城市环境下的抗干扰、高精度的地球物理勘探技术与装备进行研究与实践。

2 复杂城市环境地球物理勘探技术现状

城市环境的地球物理勘探技术是随着城市的发展逐步发展起来的，因国内外在城市开发方式上的不同，从而导致其在城市环境地球物理勘探技术发展方面表现出不同的发展情况，可以概括为：国外城市开发早，但针对城市复杂环境的地球物理勘探技术相对滞后；国内勘探技术与城市发展步骤紧密关联，并取得了系统性技术优势。

2.1 国内外城市地球物理勘探技术

全球范围内，发达国家或地区城市经过最近100年的高速发展，已经形成了以立体化拓展城市空间解决“城市病”为主要导向的城市地下空间开发格局，形成了地下轨道交通导向型、全功能全深度型、紧凑型集约型和绿色环保型开发模式[2]，开发过程中有严格的阶段分割，勘察阶段场地相对单一，没有明显的建筑物阻挡和强干扰存在，所采用地球物理勘探技术与常规方法基本一致，常采用地震反射波法、高密度电阻率成像和面波法。例如，日本主要使用面波法、浅层地震反射法勘探；加拿大主要使用地质雷达法、高密度电阻率成像法、浅层地震反射波法勘探；新加坡主要使用高密度电阻率成像、浅层地震反射波法、测井及井中物探。

我国系统性针对城市区域地下空间的地球物理勘探工作始于2003年，以北京、上海、广州、南京、天津、杭州为城市地质调查试点地区，勘探精度满足不了工程设计要求，综合采用了高精度重磁、电磁法勘查、地震纵横波勘探、测井、井中物探等方法，另外辅以钻探法开展了城市尺度的地下地质综合探测。城市环境的探测过程中，地面往往为正常的城市环境，各类人文活动照常进行，这给探测工作在空间和数据质量两个方面带来了严重的限制。经过近20年的技术积累和工程实践，在适用于复杂城市环境的探测技术中有所突破，具有代表性的是多匝小回线瞬变电磁法、射频大地电磁法、光纤声波传感技术和二维微动剖面探测技术[3]。

2.2 复杂城市环境地球物理勘探技术

城市环境中开展地球物理工作，其作业环境差异加大，环境的复杂性主要体现在作业场地限制和数据干扰强两个方面。具体地，在城区环境中由于建筑物和交通的阻隔导致用于开展探测的空间不连续，通常表现为被分割的狭小空间，且其地面多为硬化地面，这些条件极大程度上限制了需要一定测线长度和需要良好地面耦合的地球物理勘探方法的实施；由于城市中存在大量的通讯、路灯等公共设施和大量的工业、商业场所，导致整个城市环境中存在持续的机械波和电磁波干扰，且这些干扰具有随机性。此外，由于城市物权归属管理比较完善，在开展探测工作时需要考虑场地物权方的管理要求，对作业方式要求即做即走、不留痕迹，进一步限制了地球物理探测技术的实施。总体而言，在城市环境中开展地球物理勘探工作，需要满足几点：①狭小空间要求；②抗干扰要求；③高效作业要求；④绿色环保要求。

图1 典型城区环境与郊区环境对比示意图Fig.1 A comparison diagram of typical urban environment and suburban environment

经过数十年的技术发展，得益于现在通讯和电子技术的迅猛发展，地球物理勘探技术在密集空间适用性和技术抗干扰性方面有所成就。

2.2.1 密集空间探测技术

复杂城市环境中因密集分布着各类交通线路和建筑物，留给地质勘探的空间极为有限，可用作业空间为方向随机分布的街道和局部小范围空地。大部分地球物理勘探技术需要连续作业空间，这就导致测线布置需要根据勘探目的进行设计。在基于被动源平稳信号的特征信息提取技术中，主动源地震面波技术、微动台阵技术、微动谱比技术和分布式光纤声波传感技术的抗干扰能力较强，其中微动和光纤声波传感技术因同时具备抗干扰要求和绿色环保要求被引起注意并得到应用。

1)地质雷达法。该方法借助发射天线定向发射的高频(10～1 000 MHz)电磁短脉冲在地下传播，检测被地下地质体反射或透射回来的信号，基于电磁波在介质中的传播时间、速度与动力学特征实现地质探测的方法。在城市复杂环境下，所采用的地质雷达设备需要具有良好的屏蔽措施，目前100 MHz以下的地质雷达天线屏蔽效果不太理想，无法适用于城市复杂环境的探测工作，通常采用的天线频率位于100 MHz～400 MHz之间，只应用于10 m以内的管线、空洞、人防工程等浅表层地质目标体探测。

2)地震映像法。即单点地震反射波法，是基于反射波法最佳偏移距技术发展而来的，该方法以相同的偏移距逐步移动激发点和接受点进行地震探测。该方法对隐伏地层或目标体进行连续扫描，可现实20 m以内的浅表层管线、覆盖层、岩溶等地质目标体探测。因无法确定地层速度，解释成果在深度方向精度较低，仅采用经验速度进行半定量解释。

地震映像法数据采集较快，抗干扰能力弱，勘探深度有限。按资料处理解释的思路不同可以分为两种解释模式：波形特征解释法和频率特征解释法。波形特征解释法通过追踪分析不同地震波(折射波、面波、反射波、绕射波等)的波场信息进行解释，来探测地下介质的变化；频率特征解释法是基于对波形剖面的时频分析结果为基础，通过分析不同时间段的频率特征进行地质结构的解释。

图2 典型地震映像法成果剖面Fig.2 Typical seismic mapping results profile

图2为我国南方城市某公路一处岩溶检测的地震映像法成果图，图2(a)为波形特征解释法剖面，通过波形的连续性和绕射特征可以判定出岩溶发育的位置和深度，图2(b)为频率特征解释法剖面，低频区域对应的是岩溶发育区。

3)多匝小回线瞬变电磁技术。瞬变电磁法在城市勘探中遇到三个方面的困难：线圈过大、盲区影响勘探有效深度和抗干扰能力弱，其应用受到严重限制，因此发展出施工相对灵活的多匝小回线采集装置的瞬变电磁技术，在保证勘探精度的同时，更加适应复杂环境勘探的需要。为了降低或避免盲区的影响，在实现多匝小回线瞬变电磁技术时就出现两种策略：通过快速关断技术来实现一次场的影响，进而实现压缩盲区的效果；另外一种方案，是采用了一对上下平行共轴的相同线圈，其中分别通以反向电流作为发射源，在两个线圈合成的一次场零磁通平面上进行测量对地中心耦合的纯二次场[4]。多匝小回线瞬变电磁技术可有效消除接收线圈本身的感应电动势且减少旁侧影响，实现了瞬变电磁法0～100 m的浅层勘探，且抗干扰能力强，可用于城市环境的地质勘探。

多匝小回线瞬变电磁技术相较于常规瞬变电磁法设备所获取的数据，原始数据质量改善明显，适合于城市部分地区的岩溶、覆盖层等探测工作。数据采集过程中，应避免5 m范围内的金属、构筑物对电磁波场的扰动影响，此类近场干扰会对数据质量带来直接的干扰，进而给解释带来困难。

4)射频大地电磁法。射频大地电磁法(RMT)是在地质雷达法、可控源音频大地电磁法(CSAMT)和大地电磁法(MT)的基础上发展起来的一种浅部频率域电磁勘探方法[5]。RMT以无线电台、潜艇等发射的高频电磁波作为信号源，通过采集远区的电磁场计算视电阻率等参数，最终实现浅地表电性结构的探测。RMT探测频带约为1 k～1 000 kHz，设备小巧，适用于城市环境100 m以浅的探测。

近年来，浅地表环境中介质的电阻率和介电常数各向异性已逐渐被人们所认识(Linde, 2004; 王帮兵，2009)，随着计算机的快速发展，RMT三维反演也已经逐渐被应用于实际生产中，并在数据解释方面发挥着重要作用[6]。2003年。Newman等采用RMT法对某一地下垃圾场进行了勘探，旨在探明地下是否发生渗漏污染等情况。Newman对RMT数据进行了二维、三维反演，对比结果发现二维反演结果揭示的垃圾埋藏深度及范围均偏大，而三维反演结果能够精确地圈定垃圾坑的范围。另一方面，为了压制RMT反演多解性和提高反演可靠性，RMT与其他方法的联合反演得到了更多的发展和应用。Candansayar和Tezkan(2008)从RMT和DC联合反演的方法原理、合成理论数据以及野外实际数据的联合反演等方面做了详细的介绍，并成功探测了德国凯尔彭实验基地断层位置。将RMT和DC进行反演，不仅清晰地查明了地表浅部小尺度目标体以及深部的电性特征，同时极大地减小了反演结果的非唯一性，提高了反演结果模型分辨率，实际勘查效果良好。

射频大地电磁法作为电磁法一种重要浅部频率域电磁勘探技术，在城市环境应用中不可避免地受到工区旁边电磁性介质的影响，在相对开阔或干扰稳定的情况下开展工作为宜。

5)微动谱比技术。微动谱比法也被称为微动H/V谱比法、单点H/V谱比法或Nakamura方法，是基于单点三分量数据中水平分量和垂直分量的谱比特征进行地层属性反演的勘探技术。该方法最早由Nogoshi和Igarashi提出，之后经Nakamura(1989,2000)推广应用到场地效应评价方面，因其简便经济、对环境无干扰等很多优点，特别适合应用到城市中，很快在世界各地得到应用。2001年欧盟SESAME(Site Effect S Assess mentusing Ambient Excitation)项目开展的地脉动专题研究系统地分析了可能会对结果产生影响的测试条件和参数，共总结归纳出9种参数，包括采集和仪器参数、现场土和拾振器耦合参数、修正的土-拾振器耦合、附近结构影响、地下结构影响、天气条件影响、地下水位影响、结果的测试时间稳定性、噪声源的影响等，并精心设计了数据采集和结果比较的实验方案，评估各参数对微动谱比法结果稳定性的影响。基于国内外众多学者的实践，认为场地微动谱比的谱形非常稳定，只有少数例外；在软土场地上有一卓越峰值，在坚硬场地上几乎是平的；微动谱比的峰点与地表和基底水平向地震动谱比的基阶卓越频率相关等。

微动谱比法理论基础和结果与场地动力特性的关系一直没有得到学术界的一致公认，成为场地动力特性估计中最有名的争论焦点。Horike(1993)、Bard(1994)、Kudo(1995)、Bard(1999)、Mucciarelli(2001)、卢滔(2006)、罗桂纯(2014)[7]等曾对微动谱比法进行了批驳性的论述。具体争论点有三个：首先，微动主要成分是体波还是面波；其次，为什么微动谱比与场地的放大因子相关，也就是地表和基底水平向地震动谱比相关；第三，是否在任何地方用微动谱比替代水平向地震动谱比都是有效的。

实际观测和数值模拟结果都表明，微动谱比的幅值会随微动中各波成分变化，阻抗比和泊松比对瑞利波椭圆率幅值也有重要影响(Kudo，1995)，很难直接估计场地的放大效应。应用中微动谱比与地震动H/V的谱形有较好的相关性，相似程度取决于场地条件(Sawada，2004；Zhao，2003)。微动谱比法的分析计算看起来极其简单，具体实施时在观测系统、观测条件、记录的选取方法、具体计算细节、结果的分析解释等方面都有不同的选择，还没有统一的规范。不同研究者选择不同，结果必然会有差别，其中可能还会有一些误用，在此基础上对微动谱比法进行研究，必然很难达成统一认识结论。需通过研究，建立微动谱比法一般的数据采集、分析和结果解释的规范。

目前，大多数研究者倾向于微动谱比的竖向信号主要成分为瑞利波，水平成分为瑞利波和勒夫波及它们的高阶分量(Okada，2003；Arai，2000)，微动谱比可以用瑞利波基阶椭圆率解释，用体波解释微动谱比的观点将被放弃(Satoh，2001；Horike，2001)。Sánchez-Sesma，et al.(2007)将扩散场理论扩展到弹性动力学领域[8]，Perton，et al.(2009)探讨了三维弹性介质中扩散场的能量均分理论[9]，扩散场为全波场，包含了P波、S波和面波，且其中体波和面波的比例是确定的(García-Jerez，et al.，2016)[10]。尽管峰值依赖于场地速度结构和噪声源的位置有多种解释，如瑞利波椭圆率、勒夫波艾力相位或S波共振等，微动谱比法总可以给出场地的基阶共振频率或卓越周期。如果基岩定义为波速大于1 500 m/s，微动的H/V与地震动的H/V、水平谱比的峰值频率总是很一致；但是微动谱比曲线的峰值小于3(Satoh，2001)、覆盖层与基岩波阻抗比非常小或基岩埋藏非常浅时，需要格外小心。

微动谱比技术因其采取采集长周期微震信号后再从平稳信号中提取谱比曲线的策略，且获取的速度本质上为真地层速度，天然具有抗干扰能力和高精度特征，这点在复杂城市环境的勘探技术中具有明显优势，但该方法在反演过程中比较依赖初始模型速度，这要求该方法需要在掌握较为准确的表层速度前提下开展。

2.2.2 抗干扰探测技术

复杂城市环境中因充斥了各类电磁波和机械波干扰源，需要针对这两类干扰源需在方法和设备上进行突破。抗电磁波干扰方面，主要采用各类电磁波屏蔽技术，目前可实现100 MHz以上的电磁波的有效屏蔽，基本满足工程应用要求，但该频段探测深度有限，严重限制了应用范围。抗机械波干扰方面，主要干扰源为随机的强震干扰，抗干扰有两种策略：提高震源信号的抗干扰能力和提高数据特征提取技术的抗干扰能力。基于这两种策略就被分为两个方面的抗机械波干扰方法：基于城市可控震源的地震反射波法和基于被动源平稳信号的特征信息提取技术。在基于被动源平稳信号的特征信息提取技术中，主动源地震面波技术、微动台阵技术、微动谱比技术和分布式光纤声波传感技术的抗干扰能力较强，其中微动和光纤声波传感技术因同时具备抗干扰要求和绿色环保要求引起了业内的注意，并得到应用。

2.2.2.1 主动源地震面波技术

利用人工震源激发产生的弹性波在介质中传播，通过分析、处理和提取面波频散信息，反演地下横波速度等地层属性的变化规律，进而实现地质结构探测的方法。实施过程中，通常将单分量垂直检波器成排列布置，在排列一端移动偏移距情况下激发震源，获取地震面波记录，再对获取的数据进行频散曲线提取和反演，进而获得地层属性。

图3 微动台阵法的不同装置类型Fig.3 Different types of devices used in the micro-platform formation method

1951年Dobrin[11]利用主动源瑞利波信号研究地球内部结构，指出可借助原子弹爆炸试验激发的地震面波信号为地下速度结构提供更多的信息；1960年，Hoykallen等人通过改变检波器的间距和激振器的频率，计算出了不同频率的瑞利波相速度；1973年，F.K.Chang和R.F.Ballard等人利用瞬态瑞雷波研究了浅部地质问题；1982年日本VIC株式会社研制出了稳态面波法的GR810型佐藤全自动勘察机[12],用以解决工程地质勘查问题；1983年，Stokoe和Nazarian[13]提出了瞬态面波谱分析法(SASW)，用瞬态激振产生瑞利波信号，从两道检波器组观测到的瞬态瑞利波记录中提取出了频散曲线；1987年，中铁第四勘察设计院集团有限公司(原铁道部第四勘察设计院)首先引进GR810型设备开始了稳态面波勘探，主要用于地基勘察、地基加固效果评价、人防工程和岩溶洞穴探测的工作[14]；1989年，杨成林[15]自行研究了稳态面波勘探系统，将其应用在第四系地层分层和地基处理效果评价；1996年，刘云桢等人[16]研制了SWS瞬态法的多道采集和处理系统；1999年，美国Kansas大学地质调查所面波研究课题组提出了多道面波分析的方法(MASW)[17]，该方法利用重锤敲击铁板激发产生震源，多道直线型检波器排列采集地震信号，进而提取地震信号中的面波频散曲线，最终获得排列下方地层的横波速度剖面。之后，很多学者(刘江平，2003；夏江海，2005；Luo，2009；张大洲，2010；邵广周，2015；Yin，2016)从探测深度、探测精度、横向分辨能力、频散曲线形成机理和多阶联合反演等方面对主动源多道面波进行了研究，在实际生产应用中具有较高的分辨率和勘探干扰能力。

主动源地震面波技术采用直线规则排列方式进行数据采集，通常沿街道布置测点，辅以人工或机械震源，作业过程简单、高效，对浅部地层结构有较好的分辨能力，反演所获取的速度为真实地层速度，具有工程设计参考意义，但是在房屋密集区作业中无法满足测点规则布置的要求，且勘探深度有限。

2.2.2.2 微动台阵技术

地表时刻存在着的由人文活动、海浪等非地震引起的微弱振动称为微动。其表现为连续的扰动，在常规地震勘探中被作为噪音背景处理。微动台阵技术是以平稳随机过程理论为依据，通过特定观测装置获取天然垂直向下的微动信号，从微动信号中提取面波的频散曲线，对频散曲线进行地层属性反演的技术，具有较强的抗机械干扰能力。按照数据采集的装置类型不同，可分为“直线型”、“内嵌三角型”、“同心圆型”、“十字型”、“L型”等(图3)，内嵌三角型和直线型台阵方式为最常采用形式。

基于天然存在的被动源噪声信号的互相关函数提取格林函数，进而对地下结构成像是瑞利波研究的新途径。Aki(1957年)和Capon(1969年)分别用空间自相关法(SPAC法)[18]和频率-波数法(F-K法)[19]从微动信号中提取面波频散曲线；随后，众多学者(Claerbout，1968；Cox，1973；Duval，1993；Weaver、Lobkis，2001)在透射场互相关计算、空间自相关理论与时间域互相关理论联系、互相关运算与格林函数关联性等方面进行了研究。2003年，Campillo与Paul首次实现了从噪声中恢复瑞利波格林函数[20]，2004年，Shapiro等人从连续记录的噪声数据中提取出了台站间的面波格林函数，并获得瑞利面波的群速度频散曲线。2010年，Tasi和Moschetti推导了空间自相关理论与时域互相关理论的精确关系表达式，指出噪声记录的频域互相关谱也可以通过Aki公式计算相速度[21]。徐佩芬采用二维微动剖面探测法应用于煤矿陷落柱探测[22](2009年)和浅表层的孤石探测[23](2012年)，取得了较好的效果。之后，微动台阵技术得到了广泛的应用，研究尺度从近地表结构到上地幔岩石圈构造，研究内容从瑞利波群速度、相速度特征到噪声源分布特征等。

此外，以微动台阵为基础的短周期密集台阵微动测技术(Lin et al.，2013; Schmandt and Clayton，2013; Nakata et al.，2015; Chang et al.，2016; Liu et al.，2017a，b; Bao et al.，2018; Wang et al.，2018; Wei et al.，2018; Mordret et al.，2019)逐渐成为国内外浅部地层结构探测领域的一项重要手段[24]。该技术相较于传统宽频带地震探测具有高分辨、省时省钱、绿色环保等优点。

微动台阵技术因其采取采集长周期微震信号后再从平稳信号中提取频散曲线的策略，天然具有抗干扰能力，这点在复杂城市环境的勘探技术中具有明显优势。但是，由于微动信号中高频能量较弱，因此对浅部地层结构的分辨能力较差；由于该方法通常是基于不规则方向多个观测点间信号计算的平均频散谱，导致频散谱收敛性欠缺或整体速度偏大，所获取的频散曲线速度值与真实面波速度差距较大，并且所用装置布置空间越大误差越大，最终导致探测精度降低。

2.2.2.3 光纤声波传感技术

近年来发展的光纤声波传感技术，是一种由感知光纤和光学信号解调仪组成的地震观测系统，通常被称为分布式光纤声波传感器(DAS，如Hartog,et al.，2013，张丽娜等，2020)，该系统能够以较低的成本实现超密集的观测，有望提高浅层速度结构成像的精度。光纤声波传感技术的基本原理为：通过探测激光脉冲在光纤内部散射体产生的相位变化，实现光纤轴向应变的测量，每一小段光纤均等效为一个单分量应变传感器，进而通过该“等效应变传感器”进行光纤所在位置的地震震动(震动引起的光纤轴向应变量)。单一解调仪可实现几千米到几十千米范围内的常规频带地震信号采集(约100s～49.5KHz，Parker,et al.，2014)，极大地降低了观测成本。

2011年，地震勘探领域DAS首次得到应用(Mestayer，et al.，2011)[25]。之后国际上，地震学界开展了一系列的研究工作，探讨了DAS在天然地震学研究(Lindsey，et al.，2017)、浅层结构成像(Zeng，et al.，2017)、介质变化监测(Mateeva，et al.，2017)等方面的应用。DAS的高观测密度优势在浅层结构面波成像中可以得到很好的应用。国内相关研究有待开展，2018年7月中国科学院测量与地球物理研究所在白家疃北京国家地球观象台开展了一次DAS观测实验。实验使用国产DAS设备采集落锤震源激发产生的地震波信号，并通过与光纤共址的检波器获取的地震数据进行了对比，验证了DAS的可靠性[26]。

随着光纤声波传感技术发展，其理论基础和技术流程较为完善。如何基于既有光纤进行信号采集目前还较为困难，若重新铺设专用光纤在经济、效率和质量上都很难被市场接受，距离工业化生产应用还需在应用技术上进一步研究。

2.3 多源地震勘探技术

在适用于复杂城市环境中的各种技术中，同时满足较大范围深度勘探和复杂环境适应性的技术有主动源面波法、微动台阵法和微动谱比法，其中主动源面波法可以用常规检波器或光纤声波传感器实现。正如前文诉述，各个方法在复杂城市环境应用中各有优缺点，如果能够在各个方法之间取长补短，将会在勘探效率和质量上有所提升，基于这样的需求已有相关研究。

2.3.1 双源面波勘探技术

双源面波法要求在一条测线上布置低频检波器，分别采集多道瞬态面波数据(主动源面波数据)和天然源面波数据(直线型微动台阵数据)，然后提取了人工源和天然源的综合频散曲线，反演生成了测线下方的横波速度剖面。在整个过程中，因为天然源面波数据提取的频散谱中为视面波速度，需要格外关注人工源和天然源的面波速度关系。

1998年，王振东[27]首先提出了双源面波勘探的构想，指出可以利用主动源面波数据和被动源面波数据进行联合处理；2005年起，堪萨斯地质调查局(KGS)的Park等人[28-32]利用双源面波数据进行了联合勘察的研究，指出联合成像能够拓展探测的深度和提高多阶模式频散曲线提取精度，并编制了数据处理软件；2010年，Zor E.等人[33]联合主动源与被动源面波数据对土耳其Izmit海湾地区沉积盆地的横波速度结构进行了成像，提高了探测精度和深度。2016年，Lin等人[34]利用布置在同一条测线上的检波器与宽频带地震台站采集了双源面波数据，然后通过拉东变换和时频分析方法提取了主动源和被动源的瑞利面波基阶频散曲线，并反演获得了测线下方的横波速度剖面，结果表明联合成像的方法极大地提高了勘探的最大深度。

此外，多道被动源面波分析技术(Multi- Channel Analysis of Passive Surface Wave，MAPS)给双源面波实施提供了一条新途径[35]。该技术基于直线型装置情况下的被动源数据，先通过背景噪声的互相关获取与被动源信号等价的主动源数据道集，然后基于该数据道集提取频散曲线和面波成像[36]。

双源面波勘探技术需要基于多道面波观测方式进行，要求测点布置需要沿着规则直线布置，在城市环境中仅能沿街实施工作，在同样沿线性走向的轨道交通勘探中往往实施困难。

2.3.2 多源频率域地震勘探技术

双源面波勘探技术在勘探精度和勘探深度上得到了综合改进，在复杂城市环境中开展双源面波工作仅能沿街道布置，而在房屋密集区开展工作极为困难。针对复杂城市环境中遇到的勘探难题，在总结既有适用于城市复杂环境技术与装备的基础上，笔者提出了一种集成主动源面波、微动台阵技术和微动谱比技术的多源频率域地震波勘探技术，并以该技术为基础研发了一款适用于复杂城市环境的分布式、多频段、多分量地震采集系统，实现了复杂城市环境的抗干扰、高精度地球物理勘探。

图4 多源频率域地震勘探技术流程Fig.4 Flow chart of seismic exploration in multi-source frequency domain

多源频率域地震勘探技术在双源面波勘探技术的基础上，再融合微动谱比法反演技术而形成多源频率域地震勘探技术，可实现复杂城市环境的“局部规则、全局随机”测点布置形式，完全响应复杂城市环境中“狭小空间、抗干扰、高效率、绿色环保”四要求的高精度地球物理勘探。总体可分为以下四步：

1)获取多源频率域地震数据。假设需要在某城市环境中进行固定区域的地质勘探，区域内测点设计尽量均匀分布，更多测点同步采集数据，每个测点均进行三分量低频数据采集，区域范围内主动源与被动源的联合采集测线随机布置。

2)分析区域微动数据中视面波速度的转换系数。通常情况下，同一测线内的被动源面波计算的频散谱速度为真实面波速度的视速度，各频率视速度与真实速度存在差别。此外，主动源面波所获得频散谱表现为高频段分辨率高于低频段，而被动源数据对应频散谱表现为低频段频散谱相对更好。双源面波频散谱可通过各自频散谱与一特定转换系数矩阵后相加获得，这一过程实现了被动源面波速度的校正和两种频散谱的融合。确定转换系数矩阵时需要考虑每个测点的装置类型对系数的影响，以“转换后的频散曲线在浅部对应速度相对稳定”为系数调整的标准。

3)测点单元剖分。因为数据采集时采用多采集站同步采集，一次采集覆盖范围较大，处理时需要将测点剖分成大小合适的小单元。剖分需要满足以下几个原则：①单一测点单元内采集站个数不小于4；②最近采集站间距离小于20 m为宜；③单元内各采集站位置的连线方向与附近双源面波测线方向相同或相近为宜，不能满足该条件时各采集站尽量均匀分布。

4)特征曲线计算与联合反演。在采集的三分量数据中，每个单元内进行微动台阵频散谱和微动谱比曲线的计算。基于同一单元的频散曲线，根据经验公式建立初始模型，再进行频散曲线和谱比曲线的联合反演，反演后即可获得每个检波器位置的地层速度分布情况。最终将每个采集站的探测速度成果归位到三维空间坐标，获取地层速度形3D数据体。

3 结 论

由于城市发展的差异，我国在城市勘探领域遇到了国外同行更为复杂的建筑物阻隔与强干扰影响，经过数十年的方法创新和技术积累，已经在密集空间探测技术、抗干扰探测技术和多源勘探技术方面有了突破。在众多适用于复杂城市环境的勘探技术中，微动谱比技术、密集台阵微动测技术、光纤声波传感技术等抗干扰探测技术在满足密集空间要求的情况下具有作业效率高和绿色环保特点，将是复杂城市环境下勘探技术的方向。多源地震勘探技术集成了主动源面波、微动台阵技术和微动谱比技术，在实际生产中获得了理想的勘探效果，具有广阔的应用前景。