基于微动方法的浅层结构探测实验设计与实施

2023-02-20李洪丽屈丽娟

实验室研究与探索 2023年11期

田有，李洪丽，屈丽娟

（吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026）

0 引言

微动探测法是地表浅层结构勘探实验方法，其具有高效、低成本、无污染、抗干扰等优点，已经成为城市无损勘探的热门研究方向之一［1］。微动探测作为有效的城市工程勘察手段，在地质分层、断层构造探测、岩溶探测、不良地质体探测及无损检测等领域发挥着重要作用。近年来，微动探测技术虽然取得了较大的发展，但是多围绕基阶瑞雷面波进行反演研究，对于高阶面波的反演应用较少。微动信号能量组成以基阶面波为主，还含有高阶面波、体波、散射波等多种形式的能量波。研究发现，高阶面波也携带大量的地下浅层结构信息，尤其对于浅层目标探测区域，高阶频散曲线对地下浅层的结构变化与地质参数更为敏感，不仅能对浅部低速层有更好的响应，还能加快收敛速度，提高地层结构反演结果的分辨率。为了减少不同频率下面波的频散现象对反演结果带来的不利影响，提取高阶面波频散曲线，高阶频散曲线与基阶频散曲线联合反演将会大大提高反演解的精确性［2-3］。基于此，采用基阶和高阶频散曲线联合反演的微动面波法。

将野外科研项目“长白山火山密集台阵观测与地壳结构精细结构成像”中的微动探测内容引入本科实践教学，为学生提供一次近地表浅层结构探测的实践机会［4］。

1 实验原理与方法

微动是时刻存在于地球表面的微弱震动，也是一种包含体波与面波的复杂震动，其中面波能量占70%以上［5］。微动探测法是在背景噪声成像理论的基础上发展起来的一种新型地球物理探测手段，为城市地下空间精细探测提供了新思路［6］。由此，将上述科研项目内容设计成适合学生操作完成的“基于微动方法的校园浅层结构探测实验”项目。

1.1 微动实验原理

虽然微动不易被人类察觉，但是带来大量的地下几米到几百米的浅层结构信息。据此设计微动探测实验，探测仪器为三分量地震仪。微动探测法根据台站布设方式可分为单台法和阵列法，本实验中采用阵列法进行探测。该方法不受城市内部人为因素干扰，如电磁波、噪声等。提取微动中面波频散信号后对面波频散曲线进行反演成像，就可以获得探测区域浅层地下精细结构［7-9］。

1.2 面波频散曲线提取方法

面波频散曲线提取，简单来说，就是求出各频率（或周期）的面波成分与其相速度的关系［10］。提取方法主要分为空间自相关法和频率-贝塞尔变换法。为了提取高阶面波频散数据，获得更高精度的校园浅层结构，采用第2 种方法进行面波频散曲线的提取，即频率-贝塞尔变换法。该方法适用于阵列中心下方地层结构的探测，在满足水平层状模型假设的前提下，台站位置可根据探测区域地表条件随机布置［11-12］。

1.3 面波频散曲线反演方法

三分量地震仪观测台站提取到的瑞雷面波相速度频散曲线，根据瑞雷面波相速度与地层厚度、密度、纵波（P）速度和横波（S）速度之间的关系，对提取数据进行反演，最终获得探测区域地下浅层横波速度结构。瑞雷面波频散曲线反演方法有很多，可根据探测区域具体情况进行选择，由于本实验在校园内进行，很容易建立初始模型，因此采用拟牛顿法（BFGS）进行反演较为合适。由于反演结果精度主要受横波速度和地层厚度的影响，密度和纵波速度变化的影响相对不明显，因此对于拟牛顿法而言，一般只要给定地层厚度就可进行横波速度结构反演［13］。

拟牛顿法是在牛顿反演法的基础上拓展而来，可按照以下步骤进行运算：

步骤1设定初始模型x0和初始矩阵b0；设置模型所需要的精度ε，此时k＝0。

步骤2如果满足（gk为目标函数的梯度），达到设定条件，迭代就停止；否则，继续计算模型下降方向

步骤3沿着下降方向搜索步长因子αk，迭代模型为：xk＋1＝xk＋αkdk，然后校正bk＋1使得拟牛顿条件成立。

步骤4进入下一次迭代，若满足k＝k＋1，则返回步骤2［13］。

2 实验数据采集与处理

2.1 实验数据采集

实验所用仪器为30 台三分量地震仪，如图1 所示，实验前需要对仪器进行一致性校验。为了便于放置实验仪器，尽可能地满足地层水平均匀的假设前提，实验地点选定在校园西侧草坪。自西向东平行布设1～3 号共3 条测线，测线间距分别设定为9 m（1 和2号线间距）与8 m（2 和3 号线间距）；每条测线上均匀布设10 台三分量地震仪，台站间距为5 m。仪器数据采集时长设定为6 h，采样频率设定为100 Hz。

图1 三分量地震仪

2.2 实验数据处理

实验数据处理流程是：从30 台三分量地震仪6 h观测数据的垂直分量中提取瑞雷波相速度基阶和高阶频散曲线，然后对频散曲线进行反演，最终获得地下浅层横波速度结构。

2.2.1 数据预处理

对于30 台三分量地震仪采集到的原始数据，需要进行数据导出与格式转换。将原始数据存储格式由“.mseed”文件转换为便于进一步处理的“.sac”格式，再利用sac软件对数据垂直分量进行去均值、去趋势和1～20 Hz带通滤波处理。将处理后的各台站采集的微动数据按测线1～3 分成3 组，每组10 台仪器两两之间进行互相关计算和叠加，得到互相关谱；在不同频率下对互相关谱进行频率或者波数扫描并进行积分变换，获得频散能量分布图（频散谱）。如图2 所示，从上到下分别为测线1、2 和3 的频散能量分布。此过程计算方法较多，根据以往经验选取梯形积分公式插值和汉克尔函数进行频谱计算。

图2 3条测线频散能量分布

2.2.2 频散曲线提取

为满足二维勘探的需要，选取分别与3 条测线方向垂直且经过3 条测线中点的剖面作为研究对象，进行频散曲线的提取。为提高结果精确度，选择人机交互式提取方法。手动选取若干个能量最大点，计算程序将自动搜索并补齐频散曲线范围，按预先设定要求提取各阶频散曲线。

2.2.3 浅层地下结构反演

利用拟牛顿法对提取的基阶和高阶频散曲线进行联合反演。反演过程中，假设地层密度、纵波速度已知，给定一个简单参考模型，对地层进行等间隔划分，主要对层厚和各层横波速度进行反演。单个初始模型的梯度类反演算法容易陷入局部极小值，因此采用以参考模型为中心值，在±0.1 km／s的扰动区间内随机生成20 个初始模型参与反演，同时限制反演的上下限为±0.2 m／s。分别对提取到的上述3 条测线的基阶和高阶频散曲线进行联合反演，获得3 条测线中心点处地下30 m内的横波速度结构图，如图3～5 所示。

图3 测线1中点处地下横波速度结构

图4 测线2中点处地下横波速度结构

图5 测线3中点处地下横波速度结构

利用反演得到的速度结构模型进行正演计算，得到理论频散曲线，如图6～8 所示。可以看出，无论基阶还是高阶理论频散曲线，都与实际提取出的频散点拟合程度很高，说明反演结果较好，方法适用。进而通过插值方法，可以获得垂直于3 条测线中心点的速度结构剖面，如图9 所示。

图6 测线1中对应理论频散曲线与实际频散点拟合图（上面曲线代表高阶频散数据，下面曲线代表基阶频散数据）

图7 测线2中对应理论频散曲线与实际频散点拟合图（上面曲线代表高阶频散数据，下面曲线代表低阶频散数据）

图8 测线3中对应理论频散曲线与实际频散点拟合图（上面曲线代表高阶频散数据，下面曲线代表低阶频散数据）

图9 横波速度剖面

3 实验结果分析

经过数据采集、预处理、互相关计算、频散曲线提取、横波速度结构反演等实验步骤，获得了实验区域3条平行测线中点垂直于测线方向的速度结构剖面图。从图9 可以看出，该实验区域地下3 m 深度附近存在明显的低速异常，推测该区域地下可能有管道通过，埋深在地下3 m左右。查阅实验区域的现有探地雷达探测资料，显示该区域地下深度3 m处确实存在管道，如图9（a）所示。管道布设方向与测线方向近似平行，埋深3 m左右，实验结果与实际相符。此外，由剖面图还可以看出，横波速度整体呈现出随着深度的增加而增大的变化趋势，但变化不均匀，这表明实验区域浅部地层并不十分平整，推测可能是由校园建设中多次挖掘、填埋导致的结果。