微動勘探頻散曲線響應特征模型分析與應用實例

微動勘探頻散曲線響應特征模型分析與

應用實例【摘要】為獲取城市地下空間表層結構，當前探測手段主要是基于鉆探和物探方法，前者成本高、周期長，而后者成本低、效率高，二者同時對環(huán)境提出較高的要求。但是在城市中存在各式各樣的電磁干擾和振動影響，這些干擾都增加了數(shù)據(jù)處理難度和地球物理解譯的多解性，以致電磁法、反射地震法探測應用受限。微動勘探具有綠色、低成本、簡便快捷、抗干擾能力強等特點，使其在城市勘探中廣泛應用。在實際應用中如何通過頻散曲線特征識別不良地質體、劃分地層是微動勘探的核心問題。本文基于單一均勻、遞增層狀、夾低速層狀和夾高速層狀四種理論模型，深入分析不同模型下微動頻散曲線和頻譜響應特征，表明可以利用頻散曲線中斜率極值、“之”字拐點和視速度變化來定位低速、高速夾層的深度范圍。一個實際例子表明，通過微動勘探頻散曲線響應特征變化，可以有效劃分城市地下表層結構、確定采空區(qū)、孤石埋深，為地質解釋和后續(xù)建設工作提供可靠依據(jù)。【關鍵詞】城市地下空間；微動勘探；面波；頻散曲線0引言近年來，城市地下空間探測在城市發(fā)展與建設規(guī)劃中的作用越來越重要，近地表地質結構、城市表層橫波速度是道路風險防護、隧道盾構、建筑地基工程勘察中重要地層物性參數(shù)［1］。面對嘈雜城市生活空間與復雜不良地質體，相應探測手段主要是基于鉆探和物探方法，在識別異常和提高分辨率方面正面臨著不斷挑戰(zhàn)。為獲取城市地下空間表層結構，鉆探方法成本高、周期長，探測異常分辨率最高，但僅是“一孔之見”；而物探方法成本低、效率高，實施類型多、前提條件苛刻，二者同時對環(huán)境保護提出較高要求。鑒于城市空間存在各式各樣電磁和波動干擾，采用物探方法識別隧道、路害和溶洞電磁異常和波阻抗界面，地球物理數(shù)據(jù)反演難度和多解性增加，導致較為成熟的電磁法、反射地震勘探在城市地下空間探測中應用受限。相對而言，微動勘探是近年發(fā)展起來獲取淺層橫波速度、刻畫表層結構的地球物理勘探方法，在美洲稱為被動源面波(Passivesurfacewave)，在日本稱為微動(Micro-tremor)，在歐洲稱為環(huán)境隨機振動(Ambientvibration)，該方法已在無損檢測和場地評價領域得到廣泛應用，并取得了良好探測效果［2］。在20世紀末期，日本學者岡田基于安藝和卡朋的天然源地震勘探方法，經過系統(tǒng)化研究與實踐，提出一種新的天然源面波勘探法，即微動勘探。作為綠色、方便的天然地震方法的一種補充，微動勘探主要是利用天然地震噪聲中的面波信息，基于不同頻率段面波代表不同深度界面速度信息，除了識別殼幔結構、沉積基底界面等外，在強電磁干擾、強背景噪音的城市環(huán)境中探測城市地下空間結構方面具有重要地位。然而，隨著這項技術在各個領域的不斷實踐與發(fā)展，實際應用中面臨著如何通過頻散曲線特征識別不良地質體等關鍵地質解釋問題。本文基于單一均勻、遞增層狀、夾低速層狀和夾高速層狀理論模型，通過正演深入分析其頻散曲線響應特征，揭示地下空間垂向速度結構，最后以一個實際應用例子說明通過這種方法建立城市地下空間結構的有效性。1微動勘探基本原理微動勘探基于地震波動原理，地震波在自由界面分界處會產生質點以逆時針橢圓方向振動的瑞雷面波［3-4］。微動信號主要是由海浪、風、地球自轉以及人文活動產生低頻信號，這些信號的頻率和振幅具有時間和空間隨機性，在一定時間范圍內又具有統(tǒng)計穩(wěn)定性［5］。基于地表地震臺站觀測，在均勻介質中的瑞雷面波，其相速度一般不會隨著面波頻率成分變化而改變；而在層狀介質中，面波相速度大小卻與面波的頻率成分有關，頻率越低，面波越代表深部信息，也就是常說面波頻散特征?？梢酝ㄟ^布置特定幾何形狀的觀測臺陣，利用目前主流的空間自相關法(SPAC)、擴展空間自相關法(ESPAC)和頻率-波數(shù)法(F-K)等算法可計算頻譜并提取頻散曲線，最后反演得到地層橫波速度模型［6］。然而，由于物探方法的多解性，僅通過速度參數(shù)劃分地層、識別地質異常體是遠遠不夠的。目前，微動勘探在實際應用中越來越聚焦到如何通過頻散曲線特征識別不良地質體等關鍵問題。因此，本文開展了這方面的研究。2理論模型頻散曲線特征分析針對微動勘探數(shù)據(jù)分析，除了提取頻散曲線的核心算法之外，理論模型頻散曲線特征分析對于獲取速度模型的地質解釋具有重要的指導意義。作者們根據(jù)大量淺鉆揭示的城市地下空間近地表結構，依此設計了四種最常見的城市地下物性模型，分別是單一均勻、遞增層狀、夾低速層狀和夾高速層狀，用來模擬實際情況。下面基于四種理論模型，深入分析不同模型下微動頻散曲線和頻譜響應特征，總結出確定城市地下空間結構速度異常的頻散曲線特征，用來指導近地表結構地質解釋。2.1均勻半空間模型均勻半空間模型屬于純粹的理論模型。雖然實際情況與此模型偏離較大，復雜的多，但通過分析其頻散曲線特征，可以證明面波在均勻地層中速度隨著頻率變化的關系，為地質解釋提供一種大的背景因素。這里，作者們設計均勻半空間地質模型參數(shù)包括：橫波速度Vs(300m/s)、縱波速度Vp(600m/s)、密度P(1.8g/cm3)，圖1展示了模型正演獲得的理論頻散曲線(a)和實際頻譜(b)。由均勻地質模型正演頻散曲線對比圖可以看出，當頻率大于3Hz時，面波不會發(fā)生頻散現(xiàn)象，而視速度略低于相速度300m/s、為一固定值，不隨頻率增加而產生變化。這種模型和面波頻散曲線特征建立了微動勘探劃分地層的解釋理論基礎。圖1 均勻半空間模型頻散曲線對比圖2.2速度遞增層狀模型理論上隨著地下空間深度增加、地下壓力增大，橫波速度也會隨之變大，例如城市建在巨厚的第四系沉積地層之上、建筑地基較厚的情況。由此，本文設計一組四層水平層狀介質的速度遞增型地質模型；若沒有明顯分界面，速度連續(xù)遞增模型與其相類似。作者們設計速度遞增層狀模型參數(shù)包括：第一層層厚4m，橫波速度200m/s，第二層層厚4m，橫波速度250m/s，第三層層厚6m，橫波速度300m/s，最后一層橫波速度400m/s，詳細參數(shù)見圖2(a)所示。從圖2(a)正演模擬的理論面波頻散曲線中可以看出，面波表現(xiàn)為多階模式，從下到上分別為基階面波、第一階面波和第二階面波。頻散曲線的斜率隨頻率的增加而減小。從圖2(a)實際頻譜圖可以看出：在0?30Hz范圍內，主要以基階面波為主，探測深度為2?40m；在30?70Hz范圍內，以高階頻散曲線為主，探測2m深度以內的橫波速度。從圖2(a)面波H-V曲線中可以看出，相速度與視速度隨著深度的增加而增加，在深度15m以后，速度趨于固定，與理論模型基本一致。因此，可以利用頻散曲線的斜率變化情況劃分地層。2.3四層夾低速層狀模型在實際勘探中經常遇到地層中存在低速夾層的情況，比如采空區(qū)或者隧道。因此，本文基于速度遞增層狀模型，設計了一組四層水平介質中含低速夾層的地質模型。四層夾低速層狀模型參數(shù)包括：第一層層厚4m，橫波速度200m/s，第二層軟弱夾層厚度4m，橫波速度120m/s，第三層層厚6m，橫波速度300m/s，最后一層橫波速度400m/s，詳細參數(shù)見圖2(b)。從圖2(b)的正演模擬的理論面波頻散曲線中可以看出，由于低速夾層的存在，頻散曲線的斜率在10hz左右表現(xiàn)為極小值，通過半波長理論計算的深度正是低速層所在的位置。從圖2(b)實際頻譜圖可以看出：在5?30Hz范圍內，主要以基階面波為主，探測深度為2?30m。從圖2(b)含低速夾層地質模型面波H-V曲線中可以看出，在低速層的位置，相速度表現(xiàn)為“之”字形態(tài)，與此同時，視速度有明顯的下降，隨著深度的增加，相速度與視速度也相應增加。在14m以后，速度趨于固定，與理論模型基本一致。因此，可以利用頻散曲線中斜率的極小值、“之”字形態(tài)拐點和視速度的下降來確定低速夾層的深度范圍。

2.4四層夾高速層狀模型類似于四層夾低速層狀模型，實際勘探中也會遇到地層中存在高速夾層的情況，比如花崗巖地區(qū)的孤石、軟弱地基處理時的拋石擠淤。本文設計了一組四層水平介質中含高速夾層的地質模型。四層夾高速層狀模型參數(shù)包括：第一層層厚4m，橫波速度150m/s，第二層高速夾層層厚4m，橫波速度300m/s，第三層層厚6m，橫波速度200m/s，最后一層橫波速度400m/s。詳細參數(shù)見圖2(c)。從圖2(c)正演模擬的理論面波頻散曲線中可以看出，由于高速夾層的存在，頻散曲線的斜率在15Hz左右表現(xiàn)為極大值，通過半波長理論計算的深度與高速層所在的位置基本一致。從圖2(c)實際頻譜圖可以看出：在5?30Hz范圍內，主要以基階面波為主，探測深度范圍2?30m。從圖2(c)含高速夾層地質模型面波H-V曲線中可以看出，在高速層的位置，相速度同樣表現(xiàn)為“之”字形態(tài)，而視速度都會出現(xiàn)明顯的增大，隨著深度的增加，視速度也相應的回落，最后視速度趨于固定，與理論模型基本一致。因此，可以利用頻散曲線中斜率的極大值、“之”字形態(tài)拐點和視速度的變化來確定高速夾層的深度范圍。以上考慮的四種模型分別代表著均勻表層、巨厚地基、采空區(qū)和孤石情況，基本上模擬了實際城市地下空間近地表結構。通過模型正演，由面波頻散曲線和視速度變化特征可以定位地下低速、高速夾層深度范圍，其地質解釋的依據(jù)可以是頻散曲線中斜率極值、“之”字拐點和視速度變化異常特征。圖2速度遞增層狀及夾層模型頻散曲線、頻譜和H-V曲線對比圖3應用實例在北京某輸水工程修建環(huán)路、封閉供水之前，需要針對隧道盾構開展城市表層地質結構調查，精細落實盾構路線地下0-60m范圍隧道、路害及其不良地質體的地下分布情況，重點查清地下10?30m異常體分布，物探測線詳見圖3所示。圖3 物探測線示意圖根據(jù)盾構施工要求，隧洞采用復合式雙層襯砌結構，外襯采用直徑6m鋼筋混凝土預制管片，厚度為0.3m，隧洞底界面高程在35m左右，距離地面最深近30m。城市表層地質結構調查通過微動勘探方法，需要查明隧洞施工區(qū)域地層巖性以及該區(qū)域是否存在不良地質體。在微動勘探前期，該區(qū)已開展瞬變電磁法探測和SQ21鉆孔，這些資料將為微動勘探解釋與驗證提供了很好的基礎。3.1觀測臺陣根據(jù)前期相關文獻調研和對比試驗，面波頻散譜能量集中度較高的是嵌套式等邊三角形和圓形臺陣，以致本次城市微動勘探采用了三重圓正三角型嵌套的觀測臺陣，延測線均勻設置測點，測點間距12m。每個測點共布設10個臺陣，臺陣外圍、中間和內測邊長分別為16m、8m、4m，參見圖4觀測臺陣示意圖。地震信號接收采用2.5Hz檢波器，采樣率設置2.56ms，采樣時間長度20分鐘。測點施工順序由西向東布置，60m深的鉆探孔SQ21位于測線以南20m處。基于微動勘探三重圓正三角型嵌套的觀測臺陣理論計算，探測深度一般為最大臺陣邊長的2?5倍左右，即有效探測深度50-70m，該觀測臺陣滿足探測深度要求。圖4觀測臺陣示意圖3.2數(shù)據(jù)處理

基于連續(xù)觀測臺站數(shù)據(jù)，作者利用空間自相關法（SPAC）提取各測點的頻散曲線和頻譜特征，特別針對30m以淺近地表設計了地震數(shù)據(jù)處理流程。數(shù)據(jù)處理流程主要分為三個階段，即預處理、提取頻散曲線和特征反演。首先，在預處理階段，仔細瀏覽每個臺陣獲得的數(shù)據(jù)，并將地震記錄分為10?20段，剔除噪聲干擾相對較大的記錄段，設置頻率、速度范圍，分別計算單個記錄的頻散譜。然后，將每個臺陣3次記錄得到頻散譜合成作為該臺陣的頻散譜圖，進行空間分析、頻散特征對比，最終確定相速度與頻率的分布關系。并利用遺傳算法反演得到橫波速度，最后對測線上的每個測點進行插值平滑可得到橫波速度剖面圖。各測點頻率-速度圖詳見圖5所示，8個測點總體表現(xiàn)為低頻頻散嚴重，高頻趨于收斂；低頻發(fā)散特征與理論模型具有很大的相似性。(a)測點S1(b)測點(a)測點S1(b)測點S2(c)測點測點S3(d)測點S4(e)測點S5(f)測點S6(g)(e)測點S5(f)測點S6(g)測點S7(h)測點測點S7圖5實測面波頻譜圖由于面波能量主要集中在一個波長深度范圍內，當波長明顯大于排列（臺陣）尺度時，不能正確測量對應頻率的相速度。所以，當頻率低于4Hz時，在頻散譜中較低頻段存在的相速度降低的現(xiàn)象是不合理的，在提取相速度時采用大于4Hz的頻段。通過面波頻譜圖可以看出，面波能量主要集中在5?30Hz范圍內。根據(jù)面波勘探基本理論，當?shù)貙訋r性發(fā)生變化時，面波會產生階躍現(xiàn)象。結合SQ21鉆井資料，從圖5的面波頻譜圖中可以發(fā)現(xiàn)，第一次階躍現(xiàn)象出現(xiàn)在15?17Hz左右，主要是由土層和卵石層的分界面導致的；第二次階躍現(xiàn)象出現(xiàn)在8?12Hz左右，主要是由卵石層和基巖層的分界面導致的。3.3地質解釋與討論通過微動勘探各測點數(shù)據(jù)的面波頻譜，按照頻散曲線中斜率極值、“之”字拐點和視速度變化異常三類特征開展地質解釋，可以獲得明顯的速度界面特征，如圖5中的紅色箭頭所示。圖6同時展示了該測線瞬變電磁、微動成果剖面，結合SQ21鉆孔資料揭示的三層結構顯示，清楚可見微動剖面縱向上可以分為三套大層與之相對應，具體地質解釋說明如下：層為土層，微動剖面視速度隨深度增加而緩慢增加，整體小于250m/s；。瞬變電磁剖面視電阻率小于150Q.m,厚度約5?9m。瞬變電磁剖面兩端可能受噪聲影響，出現(xiàn)了高電阻率異常，與微動剖面存在一定差異。層為卵石層，低速與高速夾層混雜堆積，視速度較上層有明顯提高，介于250?500m/s之間，瞬變電磁剖面視電阻率介于150?300Q.m之間，厚度約10?45m，其中夾土卵石層視速度和電阻率明顯偏低。與電磁剖面相比較，微動剖面揭示的中間卵石層橫向分布展現(xiàn)一定的規(guī)律性，展示出偏西方向卵石層分布面積更大、更深。其中，海拔高程30?40m和20?30m之間，埋深范圍20m位置上下，有明顯的高電阻率和高速異常，建議盾構隧道在此深度布設。層為基巖層，微動剖面視速度基本上大于500m/s，而視電阻率普遍大于300Q.m，基巖面由西向東逐漸抬升。平面位置35和70處存在高速頂面，推測二者之間存在隱伏斷裂，構成地下水運移通道。(a)瞬變電磁法剖面(b)微動勘探剖面(b)微動勘探剖面圖6 瞬變電磁、微動勘探剖面成果對比圖通過上述地質解釋和分析可以看出，作為城市地下空間探測的主流手段，兩種物探方法取得較為一致的結果，與地表鉆孔資料驗證情況良好。相比而言，微動剖面縱向上具有更高的分辨率，橫向上更容易開展地質解釋和建立近地表模型。因此，基于微動頻散曲線中斜率極值、“之”字拐點和視速度