登封观星台地基超高密度背景噪声探测

刘旭， 钱荣毅*， 兰澜， 刘迪， 金文元

(1.中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院， 北京 100083； 2.中国地质大学(北京)海洋学院， 北京 100083)

古建筑作为地域文化的代表和城市意象的主体标志，不仅在天文科技和建筑方面拥有极高的价值，而且在美学和艺术方面拥有极高的造诣，其独特的历史文化更是渊远流长。千百年来，古建筑地基一直遭受着降水、地震等自然因素的破坏，引起不均匀沉降，导致古建筑倾斜或坍塌，如苏州虎丘塔[1]、平遥古城城墙[2]、大雁塔[3]等。因此，全面了解古建筑地基是否存在发生不均匀沉降或存在不良地质体是在保护古建筑的关键环节之一，对于古建筑和历史文化的保护具有重要意义。

在地基探测方面，许多学者已经做了大量工作。张志鹏[4]针对房屋地基利用探地雷达技术探测沉陷裂隙，为后续建筑工程施工提供依据。姚丽芳等[5]采用三维直流并行高密度电法与瞬变电磁法查清某场地范围内的岩溶分布及发育情况。Zong等[6]通过反射波信号的振幅和相位特征检测高层建筑基桩的完整性，测试结果符合工程标准，验证了其有效性。欧阳锋等[7]利用瑞雷面波快速检测地层的剪切波速度，进行地层划分，分析地基处理效果。瑞雷面波法在建筑工程当中多用于覆盖层分层和探测覆盖层厚度等[8]。不会对地区造成任何实质性的损害，而且能够更加准确地得出地基更加全面的质量情况[9]。

其中，瑞雷波可以通过背景噪声技术来提取，背景噪声技术最早由是地震学家Aki[10]提出用来研究地下结构。相比较主动源地震方法，背景噪声探测技术无需使用夯击、炸药等人工源，适应各种复杂工区[11]，可针对文物进行无损探测，达到文物保护的初衷。背景噪声面波成像已广泛应用于区域层析成像[12-13]、盆地特征研究[14]、滑坡特征研究[15]、矿区采空区塌陷的研究[16]以及活动断层的研究[17]。背景噪声指来自具有未知位置、未知源信号和未知时间源的分布的随机噪声[18]。将高密度台站记录到的噪声记录进行两两互相关，可以得到以其中一个台站作为震源，其他台站接收的虚拟源地震记录[19]。利用虚拟地震单炮记录中的面波信号，提取相应的频散信息，可以反演探测区域内的地下横波速度，即可了解探测区域的地质构造，以及有关性质和相应地层的动力学特征参数，达到岩土工程勘探之目的[20]。

基于此，现采用超高密度背景噪声探测观星台地基，在观星台周围布设6条测线采集24 h数据进行互相关计算，叠加得到高信噪比虚拟地震单炮记录，利用相移法提取虚拟地震单炮记录中的面波频散曲线，设立10米10层模型，反演得到地下0～10 m地层的S波速度结构， S波速度处于170～340 m/s。探测结果显示观星台地基成层性良好，无低速异常体，层位与探槽情况吻合，推测地基结构坚实稳固。超高密度背景噪声探测不仅在古今建筑地基进行无损探测，进行稳定性评价和安全预防具有重要意义，同时可建立地下层位速度与地基承载力特征值之间关系，可有效评价场地地基承载力，为观星台后续修缮工作提供数据基础，以及对古今建筑物地基探测提供方法和技术依据。

1 观星台所在区域工程地质概况

登封观星台位于河南省登封市告城镇,登封观星台作为第一批全国重点文物保护单位，是中国现存最古老的天文台，也是世界文化遗产“天地之中”的重要组成部分[21]。登封观星台是中国传统地中概念的实物见证,是元代天文学高度发达的实物见证，在中外天文学交流中扮演了重要角色[22]。

观星台是一砖石混合建筑结构,由台体和石圭两部分组成,台高约9.36 m,连台顶小室高约12.95 m,台顶各边长8.28 m,基底各边长16.52 m,如图1所示。在观星台东侧距台体约15 m进行探槽工作，探槽深7 m，结构分别是:①砂质黄土填土，深度0～2.1 m；②粉质黄土，深度2.1～2.8 m；③细砂，深度2.8～3.3 m；④砂卵石层，深度3.3～3.6 m；⑤黏土，深度3.6～4.6 m；⑥卵石层，深度4.6～7.0 m，此层未穿透。通过探槽情况可知，研究区域填土层、砂土层和卵石层之间地层纵向分层明显，具有一定的波阻抗差异，地层横向延展性良好，具有较好开展超高密度线性阵列的背景噪声实验的地球物理研究条件。

图1 登封观星台和测线L2Fig.1 Dengfeng astronomical observatory and measuring line 2

2 数据采集及处理分析

2.1 数据采集

根据探测目标、观星台体位置，综合场地房屋布局等情况，在观星台台体四周共布置基础背景噪声探测测线6条,如图2所示。L4、L1距离台体底部东西两侧各10 m,L3、L2距离台体底部东西两侧各3 m,L6、L5离台体底部南北两侧2.5、3.5 m。其中L1～L4道数均为99道，L5道数为51道，L6道数为48道，各测线道间距均为1 m，采样率为1 ms，采集时长均为24 h。本次探测仪器使用Smartsolo IGU-16HR_5 Hz单分量节点式地震仪,如图3所示。

图2 背景噪声探测测线Fig.2 Ambient noise measuring lines

图3 仪器布设和测线L1Fig.3 Instrument layoutand measuring line1

2.2 噪声源分析

测区周围的主要噪声源为集市的人文活动和周围道路上的车辆行驶产生的噪声, 如图4所示，其中237省道距离观星台相对较近(约100 m)，存在活动频繁的重型卡车，其产生的噪声对本次背景噪声勘探影响较大。背景噪声成像方法使用随机背景噪声作为震源，但并非所有噪声都可利用，只有噪声来源于稳相区内[23]，才是有效噪声源，对干扰噪声源需要进行处理压制。本次通过使用功率谱密度和原始波形对数据进行分析评价，进而选取合适的预处理方法和参数。

通过L2测线原始噪声波形记录，如图5所示，可以看出在早晚高峰时间段(红色方框)噪声能量强。其中，路上的交通是地震记录中经常出现的强烈相干噪声的来源，L5为东西向测线，某一时刻噪声记录(图6)中，可以看出车辆行驶的方向，图6(a)中直线同相轴为汽车垂直测线方向(南北向)行驶，图6(b)中双曲型波形为汽车沿着测线方向(东西向)行驶。从整个波形视速度看，噪声来源多位于稳相区，汽车噪声呈高视速度波形，其噪声源多位于非稳相区。从L1测线24 h噪声功率谱图(图7)可以看出，噪声能量主要集中在5～20 Hz，全时段还存在持续的50 Hz

图4 研究区主要噪声源分布图Fig.4 Distribution of main noise sources in the study area

图5 L2线部分道原始噪声波形Fig.5 L2 part of original noise waveform

图6 L5某一时刻原始噪声波形Fig.6 L5 Original noise waveform at a certain moment

图7 L1线原始噪声功率谱密度图Fig.7 L1 original noise power spectral density graph

工业电干扰及18～21 Hz的施工噪声干扰。

综合分析L1～L6测线的原始噪声数据，总结该测区地震背景噪声有以下特点：①噪声能量主要集中在5～20 Hz,这部分能量噪声视速度较高(>900 m/s),推测为省道汽车产生的噪声，震源位置位于非稳相区，需要在互相关处理前后压制该噪声；②存在50、20 Hz的单频持续性噪声干扰；③夜晚平静时段和白天繁忙时段都存在稳相区噪声。

2.3 数据处理及分析

常规背景噪声数据处理过程包括：①数据预处理；②互相关计算及叠加；③频散曲线提取和反演。

2.3.1 数据预处理

互相关方法在时间域和频域会受到强信号的影响，为了消除可能由仪器异常或故障、接收器附近的非平稳噪声源等因素引起的较大振幅信号影响互相关计算的质量，在数据预处理过程中需要将数据进行归一化处理。在时域和频域存在不同的振幅平衡方法，采用了时间域one-bit归一化方法和频率域谱白化方法[24]。one-bit归一化方法平衡了时域中的振幅，并将所有正振幅赋值为1，所有负振幅赋值为-1。消除了时域波形上的振幅差异细节。谱白化(或频域归一化)是将噪声数据通过傅里叶变换到频率域，在选用频带的范围内的将幅值谱归一化，再通过傅里叶反变换将数据转换到时间域，以拓宽背景噪声信号的频带。同时对每条测线的24 h原始噪声记录去除仪器响应、去趋势、滤波等。

2.3.2 互相关计算及叠加

将24 h的数据切割成40 s的小段，相邻段数据有10 s重叠，每道数据被分割为2 880段。将不同道之间相同时间段的数据进行互相关计算并叠加，分别以每一道为虚拟炮点生成虚拟单炮记录。如图8所示，互相关计算叠加后的虚拟单炮记录，东西向与南北向测线均可以提取到高信噪比的面波信号，其面波能量强、同相轴连续、清晰可见。

2.3.3 频散提取及反演

由于相关结果中存在高视速度的干扰，采用频率-波数(F-K)滤波滤除速度高于600 m/s的干扰，从而突出面波。为了探测地下10 m的速度信息，从虚拟单炮记录数据中，使用相移法选择20道面波数据进提取频散曲线，如图9所示。从频率-相速度图中可以看出， 面波能量团比较集中，可以准确提取面波频散曲线。

设置10米10层初始模型，对提取的频散曲线数据进行迭代15次计算后均方根值(root mean square，RMS)约为4.35 m/s，误差约为1.78%，各层速度值(绿色圆点)对应效果好，数据质量高，如图10所示。将各测线虚拟炮集提取的频散曲线进行计算反演，得到各测线地下10米S波速度图，如图11所示，其中L6测线左端因房屋原因，导致测线左端反演结果未能L1相交。S波成像结果清楚地显示了横向均匀性和纵向成层性，各测线S波波速整体上大致分为三层：①0～3 m，S波速度范围为 170～230 m/s；②3～5 m，S波速度范围为230～280 m/s；③5～10 m，S波速度范围为 290～340 m/s。结合探槽数据，速度结构与地层具有明显的相关性。第1层和第2层的速度界面为粉质黄土层与细砂层的分界面；第2层和第3层速度界面为黏土层与卵石层的分界面。L2、L3测线S波速度图中，观星台所在位置(40～60 m)，低速层较薄，大约2.5 m，是由于观星台台体有一定的压实效果，在6 m以内速度均为层状分布。L1、L4测线S波速度图中，低速层较靠近观星台测线稍厚，大约3.5 m，为空旷的土地，无载体压实效果。L5、L6测线S波速度图中，观星台所在位置(14～37 m)，低速层深度与L2、L3测线一致，约为2.5 m，整体成层性良好，无低速下沉或高速突起等异常。

图8 互相关虚拟单炮记录Fig.8 Correlation virtual shot record

图9 频率-相速度图Fig.9 Frequency-phase velocity

图10 S波速度反演图Fig.10 S-wave velocity inversion diagram

图11 各测线S波速度图Fig.11 S-wave velocity of each survey line

在东西向与南北向测线相交位置，低速与高速层速度值吻合效果好，如L2与L5测线相交位置，在3 m处速度值均约为240 m/s，在6 m处速度值均约为280 m/s。相邻测线速度结构对应效果良好，例如，在L1、L2测线中10～30 m、60～80 m两处位置高速体隆起均比较集中，同时，高速层轮廓比较一致；在L3、L4测线中40～60 m位置处高速体隆起均比较集中，20、70～80 m两处高速突起、轮廓比较一致。

根据以上分析，各个剖面位置S波速度由浅到深都是均匀变化、层状分布，不存在低速异常体、局部突变等现象，因此，判断在观星台周围地基中不存在不良地质体，反映地基结构坚实稳固，具有一定的稳定性。

3 结论

基于布设在河南省登封观星台6条测线(495台)24 h超高密度背景噪声数据，提取了20～60 Hz的瑞雷面波相速度频散曲线，反演了观星台周围的地下0～10 m高分辨率S波速度结构图像，得到以下结论。

(1)成像结果清楚地显示了横向均匀性和纵向成层性，结合探槽数据，速度结构与地层具有明显的相关性。浅层主要为人工填土为主，速度值较低，深部受卵石影响，速度值较大。S波速度剖面是均匀变化、层状分布，不存在低速异常体、局部突然变化等现象，因此，判断在观星台周围地基中不存在不良地质体，反映地基结构坚实稳固，具有一定的稳定性，为观星台进行预防安全问题提供数据支持。

(2)超高密度背景噪声成像方法由于不依赖人工震源和无线采集的特性，极大地降低了勘探的繁琐性和成本，在文物地基探测还具有不损害文物的优势。因此，超高密度背景噪声探测在古建筑地基探测及稳定性评价进行安全预防具有重要意义。