長周期地脈動觀測在西安地區地下構造調查中的應用

劉建軍，李躍明，車愛蘭

（1.西安交通大學 強度與振動教育部重點實驗室，陜西 西安 710049；2.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

0 前言

地脈動是具有豐富內涵的地球物理信息，是體波與面波的集合體，由地下震源處產生的地脈動信號經過不同地下構造的多次折射與反射，積累了觀測區域場地固有物理信息。

西安市位于渭河斷陷盆地中段南部，西安凹陷的東南隅。西安凹陷是渭河斷陷盆地中的沉積中心之一，周邊被四條深大斷裂帶所切圍，且地下黃土層覆蓋較深。有關黃土地區地脈動頻譜特征已有學者對其進行過較為深入的分析。石玉成將黃土地區的脈動頻譜曲線分為主峰型、主峰山脈型、雙峰或多峰型與混合型。不同的黃土地形與地貌對同一震源產生的地脈動波有著不同的過濾和改譜作用，與場地卓越周期與場地土層的剛度、厚度、以及分層情況密切相關。同時地脈動還具有一定的區域性特點，在黃土地區，地下構造的淺層由于結構松散，強度低，處于流塑狀態，在發生強烈地震時，上部軟土強度急劇下降，甚至呈流動狀態。

長周期地脈動觀測[1]是確定場地卓越周期和結構動力特性的重要手段，是獲取場地土層宏觀動力特征的一種簡單快捷方法。通過觀測地面或建筑結構的地脈動信號，利用快速傅里葉變換(FFT)將觀測到的地脈動信號轉換到頻域中進行分析，得到場地的卓越周期與固有頻率等參數，再由此進行實際工程分析和評估。所以長周期微動觀測在黃土地區有良好的應用前景，在工程抗震和防震減災中具有很大的應用價值[2]。其卓越周期是場地土類型劃分、震害預測及建筑場地選址與評價、地震小區劃、重要建筑和精密設施場地的工程抗震評價[3]與分析計算的重要依據。

本文對西安地區開展的長周期地脈動觀測選擇了兩個區域：西安交通大學校園（觀測區 1），及西安市東西、南北主干道（觀測區2），共布置24個觀測點。

1 長周期地脈動觀測儀與數據處理分析方法

1.1 長周期地脈動觀測儀

地脈動測量裝置為高靈敏度的地震儀器系統，其中包括檢波器和帶有放大器、濾波器、記錄器以及波形顯示器的地震儀 (數據采集主機)等。觀測時必須排除測點附近人為活動與各種動力源的干擾。本次觀測實驗使用SPC-35與ES-CORDER兩種觀測儀，觀測儀主要技術參數如表1所示。

SPC-35地脈動儀包括三個部分：三分量探頭（水平 2方向 NS，EW 及上下 1方向 UD）；ES-CORDER地脈動儀包括速度型三份量檢波器（LE-3D：水平2方向NS，EW及上下1方向UD）及數據采集儀LS-7000SH。

表1 微動測試儀的主要技術參數

1.2 數據處理分析方法

長周期地脈動觀測實驗數據處理分析方法主要有三種：離散傅里葉快速變換；1/4波長準則以及剪切波速的確定；Nakamura方法。

（1）地脈動的波形是由各種不同頻率波組成的，在波形中各種頻率波占有量多少的分析就是頻譜分析。微動信號頻譜分析的基本思想是采用離散傅里葉快速變換(FFT)方法對觀測到的地脈動信號進行轉換分析。隨時間t變化量X (t)的離散傅里葉快速變換為

功率譜P(w)用X(w)及其復共軛X'(w)表示為

功率譜用來表示波形中各頻率成分之能量大小。

（2）1/4波長準則以及剪切波速的確定，假定場地地層不存在軟弱夾層時，即為雙層構造（表層土層及下部基巖），表層土層的卓越頻率f可以表示為

由此可以看出表層的卓越頻率 f為表層土層的剪切波速度VSS除以表層厚度H的4倍，也就是表層厚度H中1/4波長的剪切變形時的振動數，稱為 1/4波長準則[4]。而對于剪切波波速通常根據鉆孔資料利用加權平均波速法確定。

（3）微動數據分析中的Nakamura方法[5-6](微動水平分量與豎向分量譜比法)現已成為場地動力特性分析的主要方法，Nakamura認為，AH/AV的值與場地條件有關，在越硬的巖石上這個比值越大。以往的研究表明地脈動FFT頻譜的H(S)/V(S)峰值能反映出場地的固有周期，其中H(S)/V(S)是FFT頻譜的EW和NS兩個水平分量經過矢量合成與UD垂直分量的比值。

2 觀測數據的采集與處理

2.1 觀測數據采集與波形分析

在地表進行表層地脈動觀測時，盡可能選在平坦、周圍無交通振動及工程振動地方。測試儀器采用速度型檢波器，將檢波器水平置于自由表面，分別測試場地東西向(EW)，南北向(NS)和垂直向(UD)三個方向的地脈動信號。觀測時必須嚴格把握測量環境。觀測中選取記錄周期為60 min，采樣步長0.01 s，總采樣點為360000個。每個測點進行一小時觀測時程，西安交通大學校內以及西安市區共布置24個測點，測點波形如圖1所示。

圖1 西安地區長周期地脈動波形圖示例Fig.1 Examples of wave form of long period microtremor in Xi’an area.

從圖1可以看出：（1）地脈動源是平穩的，而且是一種平穩的隨機過程。（2）任何特定時間所觀測的一組波點呈高斯正態分布，地脈動過程的期望值為零。（3）各觀測點地脈動波形X(t)由無數多個頻率分量，并且為強度相等的正弦波疊加而成。從波形上看，本次地脈動觀測得到了精度較高的結果。

關于地脈動的振幅特性，從大量觀測數據曲線中看出：水平方向的振幅大于垂直方向的振幅，而且場地土層堅硬則振幅小，土層松軟則振幅大。即使是同一類土層，不同時間、不同地域、其振幅差異很大，因此，觀測期間的環境條件應嚴格把握。

2.2 觀測數據分析

2.2.1 傅里葉快速變換(FFT)結果

圖2 300秒數據的選擇Fig.2 The choice of 300 s data.

本次數據處理首先從 24個觀測點處的觀測數據中選出較為平穩的數據段，進行FFT分析，計算出水平2成分（H）與上下1成分（V）的傅立葉譜。具體處理方法如下：從15分鐘的觀測數據中選出大約時長為300sec的比較安定的時間帶，每個時間帶為32768個數據（如圖2所示）；同時對觀測數據加窗8次，如圖3所示；進行平滑化之后，就可得到各個觀測點三個方向的傅里葉譜，如圖4所示。關于窗函數的選擇應兼顧下述三方面：（1）窗長 T要盡量長；（2）主瓣要高度集中，邊瓣盡量小，最好無負邊瓣；（3）存貯要小，計算時間短。本次數據分析中采用漢寧窗。

圖3 數據轉換的光滑化Fig.3 Smoothing the data conversion.

圖4 FFT 頻譜示例Fig.4 Examples of FFT spectrum.

由圖4可以看出：地脈動的FFT頻譜特征受整個區域的自然條件所制約。地基土層起著濾波器作用，有選擇地濾掉某些成分，有選擇地放大了某些頻譜成分，使譜型局部受到改造。軟土層對高頻信號有濾波作用，對低頻信號起放大作用，而硬土層則相反。

經過對24個測點進行上述過程處理后得出：西安地區地下構造一階固有頻率在0.292 Hz左右，說明此波震源處于地下150 m左右的深度，而與此固有頻率相對應的H/V值為2.917，根據AH/AV值與場地條件之間關系，推斷出該測點處地下構造為基巖；而西安地區地下構造二階固有頻率在0.359 Hz左右，H/V值為2.619，說明該波來自地下淺部層，所處區域為硬土層；西安地區地下構造三階固有頻率為0.452，H/V值為2.545，說明此波同樣來自淺層，區域的地下物理構造為土層。

2.2.2 H/V頻譜分析結果及土層厚度的反演

從每個觀測點的 60分鐘的波形記錄中選取 4段相對穩定的記錄數據，每段數據長度為5分鐘，分別對其進行H/V分析，再求4組H/V的平均值作為每個觀測點的H/V頻譜分析結果，如圖5所示。

圖5 代表觀測點H/V頻譜Fig.5 H /V spectrums of someobservation points.

讀取H/V頻譜峰值，得到對應觀測點的卓越頻率以及卓越周期，根據傅光耀《黃土地裂場地橋梁結構地震反應分析》[7]選取表層剪切波波速為161 m/s，通過1/4波長準則反演得到該觀測場地的覆蓋土層厚度如表2所示

根據表2中H/V頻譜結果及反演土層厚度，本文以觀測區1南北干道，觀測區2東西與南北主干道為例，作出該觀測區地下土層大致分布圖，如圖6所示。為了驗證實驗結果的正確性，將該結果與參考文獻[7]的鉆孔資料進行比較。該文對西安地區進行了由西南至東北方向的鉆孔勘探，經過對大量勘探資料分析后，推斷出西安地區基巖以上的覆蓋土層總厚度大約在150 m左右[7]。由此可見，本文結果與文獻[7]所得結果較接近，說明此次觀測實驗所得結論是合理的。

表2 觀測點H/V頻譜結果及反演土層厚度

為了更清楚了解地脈動波經不同地域傳播以后，波形的幅頻相頻出現不同變化以及不同地下物理構造對于波的傳播有著不同的影響，從五個不同測點的測量數據中選出五組300 s時間段，對該五組數據進行水平分量與豎向分量譜值之比，結果如圖7所示。

由圖7可以看出：西安地區H/V頻譜第一峰值所對應的震源位于地下150 m左右，且地下震源處為堅硬的基巖。由同一震源產生的地脈動波經不同厚度以及特性的巖土層傳播后，在地表會產生不同的響應。隨著地脈動波繼續向地表層傳播，五個不同測點處的水平分量與豎向分量譜值之比趨于相同，說明在地表淺層部分地質構造相似。地下構造中的每層土性質和層厚，對地脈動的頻率成分有重要的影響，它能增強或削弱入射波群中的個別波，具有濾波，選頻特性。盡管地脈動源是隨機的，地脈動信號也是隨機的，但由于波的多重反射和折射，地脈動在傳播過程中積累了反映場地土層固有特性的信息，它是一種不隨時間變化的固有信息，使地脈動信號具有某種規律性。

任何區域的地震頻譜、地脈動頻譜和地震烈度之間存在一定的內在關系。地脈動卓越周期小，地震烈度小，地震頻譜的卓越周期也?。环粗?，在地脈動卓越周期大的地區，地震烈度和地震頻譜的卓越周期也大，它們之間有很強的相關性。在一定的時間空間的尺度范圍內，地脈動表現為一個平穩的隨機過程，故可利用地脈動頻譜在時間域、空間域的各種特性進行觀測區地下物理構造的解釋。

圖6 觀測區地下土覆蓋層厚度分布圖Fig.6 Thickness of soil covering in the observation area.

圖7 五測點測量結果的對比Fig.7 Comparison of H/V values from 5 different observation points.

3 結論

本文通過對西安地區進行長周期地脈動觀測，對大量觀測數據進行分析處理后，得出以下結論：

(1) 在一定的時間空間尺度范圍內，地脈動為一種平穩的隨機過程；任何特定時間所觀測的一組波點呈高斯正態分布，地脈動過程的期望值為零；各觀測點地脈動波形X(t)由無數多個頻率分量，并為強度相等的正弦波疊加而成。

(2) 觀測區域的地下構造固有頻率在0.3 Hz左右。利用1/4波長準則可以計算出西安地區地下黃土覆蓋層的厚度大約在150 m左右。

(3) 地基土層起著濾波器作用，有選擇地濾掉某些成分，放大了某些頻譜成分，使譜型局部受到改造。軟土層對高頻信號有濾波作用，對低頻信號起放大作用，而硬土層則相反。因而，不同的場地土對地脈動的響應具有頻率依賴性以及頻率選擇效應。

(4) 通過表層長周期地脈動觀測，可以直接把握該地區場地的振動特性，大量研究學者發現：對于同一地區地下物理構造，通過長周期地脈動觀測所得的固有頻率與發生地震時的震動頻率基本一致，只是二者的振幅相差很大，有時高達幾千倍[6]。因此通過長周期地脈動觀測得到的結果具有十分重要的應用價值。如這一結果可用于如下各個領域：已有建筑物的抗震評價；建筑物的抗震設計；地基分類；地基改良效果檢驗；滑坡危險程度研究；地熱跡象研究等。

[1]Mura Naka. A method for dynamic character estimation of subsurface using microtremor on the ground surface[J]. Q R of Rtri, 1999, 30 (1):25-33.

[2]吳志堅.常時微動測試在汶川地震甘肅災區建筑結構震害調查中的應用[J].西北地震學報，2009，31（1）:86-90.

[3]張衛華.常時微動測試在抗震設計上的應用[J].華南地震，2008，27（3）:96-99.

[4]陶夏新，劉曾武，郭明珠，等.工程場地條件評定中的地脈動研究[J].巖土力學.2001，21(4)：18-23.

[5]Nakamura Y.A method for dynamic characters estimation of subsurface using microtremors on the ground surface[R]. R of RTRI, 1989,30:25-33.

[6]Che Ailan，1watate Takahiro，Ge Xiurun. Study on the applicability of frequency spectrum of micro—tremor and dynamic characteristics of sudace ground in Asia area[J].Journal of Zhejiang University(SCIENCE)，2006，7(11)：1856-1863.

[7]傅光耀.黃土地裂場地橋梁結構地震反應分析[D].西安：長安大學，2007.