雙源面波勘探技術(shù)在工程中的應(yīng)用研究

毋光榮 余 凱 何效周 姜文龍

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450003）

雙源面波勘探技術(shù)在工程中的應(yīng)用研究

毋光榮 余 凱 何效周 姜文龍

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450003）

簡(jiǎn)要回顧面波勘探的發(fā)展歷程及相關(guān)處理方法，著重分析了天然源與人工源面波勘探的特點(diǎn)，嘗試采用“L”陣型進(jìn)行雙源面波勘探技術(shù)研究，解決一定深度范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)波速探測(cè)問(wèn)題。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，資料處理，獲取了天然源信號(hào)與人工源信號(hào)合成后的能量譜，為地質(zhì)巖性劃分，橫波波速測(cè)定提供了基礎(chǔ)資料。

面波勘探；雙源面波勘探；天然源面波；人工源面波；空間自相關(guān)法；頻率—波數(shù)法

早在20世紀(jì)50年代，國(guó)外就有人開始研究天然源面波勘探技術(shù)了，Aki和Capon分別在1957年和 1969 年采用空間自相關(guān)法（SPAC法）和頻率-波數(shù)法（F-K法），從天然場(chǎng)源信號(hào)中提取了面波，并求出面波頻散曲線。之后，人們開始把天然源與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)[1,2]。

1976年，LewisJ.Katz用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)天然源中的面波頻譜進(jìn)行了分析，并對(duì)觀測(cè)中的臺(tái)站布置方式進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，用天然源方法評(píng)價(jià)局部場(chǎng)地地質(zhì)效應(yīng)是一種比較經(jīng)濟(jì)可行的方法。

1978年，Katz和Be11on利用在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州的 Beatty采集的天然源面波數(shù)據(jù)對(duì)該地的場(chǎng)地效應(yīng)進(jìn)行了評(píng)估，把該地場(chǎng)的響應(yīng)譜與天然源的功率譜進(jìn)行了比較，認(rèn)為利用天然源方法對(duì)場(chǎng)地效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估能結(jié)果可靠。

上述工作都只是利用天然源信號(hào)中的短周期面波來(lái)研究地下淺部地層的速度結(jié)構(gòu)，研究深度僅有幾十米。

1982年，HiroshiKagami等人開始利用長(zhǎng)周期天然源信號(hào)研究深部土壤層的特性，研究區(qū)域第四紀(jì)地層深達(dá)上千米。

1991年，J.Mora1es等人研究了深達(dá)上百米的沉積盆地中的天然源特性，討論了長(zhǎng)周期微動(dòng)和盆地沉積層卓越周期之間的關(guān)系。之后的十幾年中，微動(dòng)方法逐漸應(yīng)用于地下構(gòu)造的研究，探測(cè)深度也從剛開始的幾十米發(fā)展到上千米。岡田廣（Okada）在前人研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)十余年的研究和實(shí)踐，系統(tǒng)地提出了一種天然源物探方法——微動(dòng)勘查方法。

1994年岡田廣和凌甦群在F-K法中引入自回歸模型（AR模型）算法推定相速度，從資料處理結(jié)果看，此方法比傅里葉變換提高了推定值的穩(wěn)定性，進(jìn)一步完善了微動(dòng)勘查法[3,4]。

雙源面波勘探是利用天然微動(dòng)勘探解決深部地質(zhì)分層問(wèn)題、人工源面波勘探解決淺部地質(zhì)分層問(wèn)題。兩者相結(jié)合取長(zhǎng)補(bǔ)短，獲取一定深度范圍內(nèi)的地質(zhì)信息，從而進(jìn)行地質(zhì)巖性劃分，橫波波速測(cè)定，場(chǎng)地效應(yīng)評(píng)價(jià)等方面具有重要意義。

1 雙源面波勘探

面波是一種特殊的地震波，與縱波和橫波不同，是一種在地表傳播的波。面波分瑞利波與勒夫波。由于瑞利波能量最強(qiáng)且振幅最大，容易識(shí)別與測(cè)量，所以通常稱的面波勘探即為瑞利波勘探。雙源面波勘探是人工源面波與天然源面波相結(jié)合的一種新型勘探方法。

天然源與人工源采集地震信號(hào)存在比較大的區(qū)別，主要體現(xiàn)在原始信號(hào)上：在能量、環(huán)境等條件較理想的情況下，人工源采集到的原始信號(hào)中能很清晰的分辨出各種不同類型的地震波（如圖1所示）；而天然源采集到的原始信號(hào)則無(wú)跡可尋，雜亂無(wú)章（如圖2所示）。

1.1 天然源面波

地球表層時(shí)刻存在著的一種微弱波動(dòng)，主要由自然界和人類的各種活動(dòng)激發(fā)產(chǎn)生。如風(fēng)、潮汐、氣候等自然現(xiàn)象的變化和火山活動(dòng)引起的地面震動(dòng)，這種地面微動(dòng)信號(hào)中攜帶著與地表淺層介質(zhì)有關(guān)的面波信息。

理論上來(lái)講，天然源信號(hào)可以看作是一種穩(wěn)定的隨機(jī)過(guò)程，是隨時(shí)間和位置適量而變化的一種自然現(xiàn)象，某一時(shí)間段的微動(dòng)記錄可以作為穩(wěn)定隨機(jī)過(guò)程的樣本函數(shù)來(lái)看待（如圖2）。同時(shí)，可用時(shí)間與空間上的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程進(jìn)行描述。天然源面波（微動(dòng)）勘探方法就是以這種平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程理論為依據(jù)，從微動(dòng)信號(hào)中提取面波頻散曲線，然后通過(guò)對(duì)頻散曲線的反演，得到地下橫波的速度結(jié)構(gòu)[4,5,6]。

1.2 人工源面波

依據(jù)激振方式，人工源面波又分為穩(wěn)態(tài)面波和瞬態(tài)面波。穩(wěn)態(tài)面波是利用激振器激發(fā)一定頻率范圍內(nèi)的地震波，經(jīng)分析處理，提取面波頻散曲線，經(jīng)反演獲得地層波速參數(shù)。在工程上常利用瞬態(tài)面波法進(jìn)行面波勘探。瞬態(tài)面波勘探基于瑞利波運(yùn)動(dòng)學(xué)特征和動(dòng)力學(xué)特征，其核心是利用了層狀介質(zhì)中面波的頻散特征和傳播速度與巖土物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性，即不同的頻率成分具有不同的相速度。因此，與天然源面波勘探一樣，其關(guān)鍵技術(shù)是準(zhǔn)確提取頻散曲線。

人工源面波勘探在工程中的應(yīng)用，已經(jīng)有無(wú)數(shù)很成功的例子，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，技術(shù)很成熟。然而，震源問(wèn)題一直是不能進(jìn)一步推廣的重大制約因素，信號(hào)質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到最終的測(cè)試效果[4,6,7]。

2 技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用實(shí)例

2.1 技術(shù)特點(diǎn)

天然源面波采集的信號(hào)主要為低頻信號(hào)，因而多應(yīng)用于勘查地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、探討大地構(gòu)造等大深度的勘探方法，淺部往往有一定的盲區(qū)。人工源面波采集的信號(hào)主要為高頻信號(hào)，勘探深度20m左右，主要用于淺部工程勘探。根據(jù)兩者勘探技術(shù)特點(diǎn)，采用相對(duì)高頻的檢波器用于天然源面波勘探，利用人工源面波彌補(bǔ)天然源面波淺部勘探的缺陷，通過(guò)人工源面波與天然源面波相結(jié)合，反應(yīng)地表一定深度范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)波速。

2.2 應(yīng)用實(shí)例

雙源面波勘探中,人工源主要探測(cè)淺部信號(hào)、天然源主要探測(cè)中深部信號(hào)，從而完整地了解地層分布情況。

選擇L型排列，道間距5m，使用24個(gè)檢波器。陣型如圖3所示。

人工源采集信號(hào)，經(jīng)分析處理后所得頻譜如圖4所示。

由于采用人工錘擊，采集到的地震信號(hào)低頻信號(hào)基本缺失，頻率主要分布在 12～32Hz之間，其對(duì)應(yīng)的深度也較淺，因而無(wú)法從能量譜中分析中深部地層分布情況（如圖4所示）。

天然源采集信號(hào)，經(jīng)分析處理后所得頻譜如圖5所示。

圖5為天然源采集到的信號(hào)，圖中低頻信號(hào)豐富，探測(cè)深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人工源，然而高頻信號(hào)少，頻率主要集中在 2～8Hz之間，因而無(wú)法從能量譜中分析淺部地層的分布情況（如圖5所示）。

根據(jù)人工源和天然源的各自特點(diǎn)，將兩者探測(cè)成果合并，如圖6所示。

由圖 6，天然源信號(hào)與人工源信號(hào)合成后的能量譜，可以清晰的看出高頻與低頻信號(hào)的變化趨勢(shì)，從而為后期處理帶來(lái)便利，進(jìn)一步完善了數(shù)據(jù)質(zhì)量。

通過(guò)天然源與人工源結(jié)合，探索雙源面波勘探新技術(shù)是一種很好的嘗試。通過(guò)與鉆孔資料對(duì)比，雙源面波勘探成果與實(shí)際地層基本相符，只是在天然源信號(hào)低頻部分（即最深處）稍有差別。

3 結(jié) 語(yǔ)

由于受爆炸震源的制約，淺層折射波法地震勘探在水利水電工程上的應(yīng)用越來(lái)越少。目前，正試圖探索天然源面波勘探與人工源面波勘探相結(jié)合，在不使用爆炸震源的基礎(chǔ)上，較好地完成高精度地質(zhì)勘探工作。

通過(guò)試驗(yàn)研究，雙源面波勘探具有簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、適用性強(qiáng)、分辨率高的特點(diǎn)，在不斷完善的基礎(chǔ)上，探索研究高階面波的發(fā)生規(guī)律、識(shí)別提取方法和對(duì)頻散曲線形態(tài)的影響。

[1] 趙東.被動(dòng)源面波勘探方法與應(yīng)用[J].物探與化探.2010.6(34):759～764

[2] 王振東.面波勘探技術(shù)要點(diǎn)與最新進(jìn)展[J].物探與化探.2006.1(30):1～6

[3] 楊成林.瑞雷波勘探[M].地質(zhì)出版社:北京,1993

[4] 王建文.雙源面波地震勘察在煤層采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào).2010.4(7):403～407

[5] 李 凱.面波勘探技術(shù)在工程勘察中的應(yīng)用進(jìn)展[J].工程地球物理學(xué)報(bào).2011.1(8):97～104

[6] 李建軍.天然源面波勘探方法研究[D].桂林工學(xué)院.2008

[7] 肖柏勛.瑞雷面波勘探技術(shù)述評(píng)[J].工程地球物理學(xué)報(bào).2004.1(1):38～47

10.3969/j.issn.1008-1305.2014.01.016

TV221.2

B

1008-1305（2014）01-0047-04

毋光榮（1965年-），男，高級(jí)工程師。

水利部“948”項(xiàng)目（編號(hào)：201131）資助。