微動(dòng)勘探頻散曲線響應(yīng)特征模型分析與應(yīng)用實(shí)例

微動(dòng)勘探頻散曲線響應(yīng)特征模型分析與

應(yīng)用實(shí)例【摘要】為獲取城市地下空間表層結(jié)構(gòu)，當(dāng)前探測(cè)手段主要是基于鉆探和物探方法，前者成本高、周期長(zhǎng)，而后者成本低、效率高，二者同時(shí)對(duì)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(dòng)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(cè)應(yīng)用受限。微動(dòng)勘探具有綠色、低成本、簡(jiǎn)便快捷、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，使其在城市勘探中廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中如何通過(guò)頻散曲線特征識(shí)別不良地質(zhì)體、劃分地層是微動(dòng)勘探的核心問(wèn)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(dòng)頻散曲線和頻譜響應(yīng)特征，表明可以利用頻散曲線中斜率極值、“之”字拐點(diǎn)和視速度變化來(lái)定位低速、高速夾層的深度范圍。一個(gè)實(shí)際例子表明，通過(guò)微動(dòng)勘探頻散曲線響應(yīng)特征變化，可以有效劃分城市地下表層結(jié)構(gòu)、確定采空區(qū)、孤石埋深，為地質(zhì)解釋和后續(xù)建設(shè)工作提供可靠依據(jù)?！娟P(guān)鍵詞】城市地下空間；微動(dòng)勘探；面波；頻散曲線0引言近年來(lái)，城市地下空間探測(cè)在城市發(fā)展與建設(shè)規(guī)劃中的作用越來(lái)越重要，近地表地質(zhì)結(jié)構(gòu)、城市表層橫波速度是道路風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)、隧道盾構(gòu)、建筑地基工程勘察中重要地層物性參數(shù)［1］。面對(duì)嘈雜城市生活空間與復(fù)雜不良地質(zhì)體，相應(yīng)探測(cè)手段主要是基于鉆探和物探方法，在識(shí)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(jié)構(gòu)，鉆探方法成本高、周期長(zhǎng)，探測(cè)異常分辨率最高，但僅是“一孔之見(jiàn)”；而物探方法成本低、效率高，實(shí)施類(lèi)型多、前提條件苛刻，二者同時(shí)對(duì)環(huán)境保護(hù)提出較高要求。鑒于城市空間存在各式各樣電磁和波動(dòng)干擾，采用物探方法識(shí)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(dǎo)致較為成熟的電磁法、反射地震勘探在城市地下空間探測(cè)中應(yīng)用受限。相對(duì)而言，微動(dòng)勘探是近年發(fā)展起來(lái)獲取淺層橫波速度、刻畫(huà)表層結(jié)構(gòu)的地球物理勘探方法，在美洲稱(chēng)為被動(dòng)源面波(Passivesurfacewave)，在日本稱(chēng)為微動(dòng)(Micro-tremor)，在歐洲稱(chēng)為環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)(Ambientvibration)，該方法已在無(wú)損檢測(cè)和場(chǎng)地評(píng)價(jià)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好探測(cè)效果［2］。在20世紀(jì)末期，日本學(xué)者岡田基于安藝和卡朋的天然源地震勘探方法，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)化研究與實(shí)踐，提出一種新的天然源面波勘探法，即微動(dòng)勘探。作為綠色、方便的天然地震方法的一種補(bǔ)充，微動(dòng)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(shí)別殼幔結(jié)構(gòu)、沉積基底界面等外，在強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)背景噪音的城市環(huán)境中探測(cè)城市地下空間結(jié)構(gòu)方面具有重要地位。然而，隨著這項(xiàng)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的不斷實(shí)踐與發(fā)展，實(shí)際應(yīng)用中面臨著如何通過(guò)頻散曲線特征識(shí)別不良地質(zhì)體等關(guān)鍵地質(zhì)解釋問(wèn)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(guò)正演深入分析其頻散曲線響應(yīng)特征，揭示地下空間垂向速度結(jié)構(gòu)，最后以一個(gè)實(shí)際應(yīng)用例子說(shuō)明通過(guò)這種方法建立城市地下空間結(jié)構(gòu)的有效性。1微動(dòng)勘探基本原理微動(dòng)勘探基于地震波動(dòng)原理，地震波在自由界面分界處會(huì)產(chǎn)生質(zhì)點(diǎn)以逆時(shí)針橢圓方向振動(dòng)的瑞雷面波［3-4］。微動(dòng)信號(hào)主要是由海浪、風(fēng)、地球自轉(zhuǎn)以及人文活動(dòng)產(chǎn)生低頻信號(hào)，這些信號(hào)的頻率和振幅具有時(shí)間和空間隨機(jī)性，在一定時(shí)間范圍內(nèi)又具有統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性［5］?；诘乇淼卣鹋_(tái)站觀測(cè)，在均勻介質(zhì)中的瑞雷面波，其相速度一般不會(huì)隨著面波頻率成分變化而改變；而在層狀介質(zhì)中，面波相速度大小卻與面波的頻率成分有關(guān)，頻率越低，面波越代表深部信息，也就是常說(shuō)面波頻散特征?？梢酝ㄟ^(guò)布置特定幾何形狀的觀測(cè)臺(tái)陣，利用目前主流的空間自相關(guān)法(SPAC)、擴(kuò)展空間自相關(guān)法(ESPAC)和頻率-波數(shù)法(F-K)等算法可計(jì)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(guò)速度參數(shù)劃分地層、識(shí)別地質(zhì)異常體是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。目前，微動(dòng)勘探在實(shí)際應(yīng)用中越來(lái)越聚焦到如何通過(guò)頻散曲線特征識(shí)別不良地質(zhì)體等關(guān)鍵問(wèn)題。因此，本文開(kāi)展了這方面的研究。2理論模型頻散曲線特征分析針對(duì)微動(dòng)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(duì)于獲取速度模型的地質(zhì)解釋具有重要的指導(dǎo)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(jié)構(gòu)，依此設(shè)計(jì)了四種最常見(jiàn)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(lái)模擬實(shí)際情況。下面基于四種理論模型，深入分析不同模型下微動(dòng)頻散曲線和頻譜響應(yīng)特征，總結(jié)出確定城市地下空間結(jié)構(gòu)速度異常的頻散曲線特征，用來(lái)指導(dǎo)近地表結(jié)構(gòu)地質(zhì)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(shí)際情況與此模型偏離較大，復(fù)雜的多，但通過(guò)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(guān)系，為地質(zhì)解釋提供一種大的背景因素。這里，作者們?cè)O(shè)計(jì)均勻半空間地質(zhì)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(shí)際頻譜(b)。由均勻地質(zhì)模型正演頻散曲線對(duì)比圖可以看出，當(dāng)頻率大于3Hz時(shí)，面波不會(huì)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(chǎn)生變化。這種模型和面波頻散曲線特征建立了微動(dòng)勘探劃分地層的解釋理論基礎(chǔ)。圖1 均勻半空間模型頻散曲線對(duì)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(huì)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(shè)計(jì)一組四層水平層狀介質(zhì)的速度遞增型地質(zhì)模型；若沒(méi)有明顯分界面，速度連續(xù)遞增模型與其相類(lèi)似。作者們?cè)O(shè)計(jì)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(xì)參數(shù)見(jiàn)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(shí)際頻譜圖可以看出：在0?30Hz范圍內(nèi)，主要以基階面波為主，探測(cè)深度為2?40m；在30?70Hz范圍內(nèi)，以高階頻散曲線為主，探測(cè)2m深度以?xún)?nèi)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(shí)際勘探中經(jīng)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(shè)計(jì)了一組四層水平介質(zhì)中含低速夾層的地質(zhì)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(xì)參數(shù)見(jiàn)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(guò)半波長(zhǎng)理論計(jì)算的深度正是低速層所在的位置。從圖2(b)實(shí)際頻譜圖可以看出：在5?30Hz范圍內(nèi)，主要以基階面波為主，探測(cè)深度為2?30m。從圖2(b)含低速夾層地質(zhì)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(shí)，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(yīng)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(diǎn)和視速度的下降來(lái)確定低速夾層的深度范圍。

2.4四層夾高速層狀模型類(lèi)似于四層夾低速層狀模型，實(shí)際勘探中也會(huì)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(shí)的拋石擠淤。本文設(shè)計(jì)了一組四層水平介質(zhì)中含高速夾層的地質(zhì)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(xì)參數(shù)見(jiàn)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(guò)半波長(zhǎng)理論計(jì)算的深度與高速層所在的位置基本一致。從圖2(c)實(shí)際頻譜圖可以看出：在5?30Hz范圍內(nèi)，主要以基階面波為主，探測(cè)深度范圍2?30m。從圖2(c)含高速夾層地質(zhì)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(huì)出現(xiàn)明顯的增大，隨著深度的增加，視速度也相應(yīng)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(diǎn)和視速度的變化來(lái)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(shí)際城市地下空間近地表結(jié)構(gòu)。通過(guò)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(zhì)解釋的依據(jù)可以是頻散曲線中斜率極值、“之”字拐點(diǎn)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(duì)比圖3應(yīng)用實(shí)例在北京某輸水工程修建環(huán)路、封閉供水之前，需要針對(duì)隧道盾構(gòu)開(kāi)展城市表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查，精細(xì)落實(shí)盾構(gòu)路線地下0-60m范圍隧道、路害及其不良地質(zhì)體的地下分布情況，重點(diǎn)查清地下10?30m異常體分布，物探測(cè)線詳見(jiàn)圖3所示。圖3 物探測(cè)線示意圖根據(jù)盾構(gòu)施工要求，隧洞采用復(fù)合式雙層襯砌結(jié)構(gòu)，外襯采用直徑6m鋼筋混凝土預(yù)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(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查通過(guò)微動(dòng)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(zhì)體。在微動(dòng)勘探前期，該區(qū)已開(kāi)展瞬變電磁法探測(cè)和SQ21鉆孔，這些資料將為微動(dòng)勘探解釋與驗(yàn)證提供了很好的基礎(chǔ)。3.1觀測(cè)臺(tái)陣根據(jù)前期相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研和對(duì)比試驗(yàn)，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(tái)陣，以致本次城市微動(dòng)勘探采用了三重圓正三角型嵌套的觀測(cè)臺(tái)陣，延測(cè)線均勻設(shè)置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距12m。每個(gè)測(cè)點(diǎn)共布設(shè)10個(gè)臺(tái)陣，臺(tái)陣外圍、中間和內(nèi)測(cè)邊長(zhǎng)分別為16m、8m、4m，參見(jiàn)圖4觀測(cè)臺(tái)陣示意圖。地震信號(hào)接收采用2.5Hz檢波器，采樣率設(shè)置2.56ms，采樣時(shí)間長(zhǎng)度20分鐘。測(cè)點(diǎn)施工順序由西向東布置，60m深的鉆探孔SQ21位于測(cè)線以南20m處。基于微動(dòng)勘探三重圓正三角型嵌套的觀測(cè)臺(tái)陣?yán)碚撚?jì)算，探測(cè)深度一般為最大臺(tái)陣邊長(zhǎng)的2?5倍左右，即有效探測(cè)深度50-70m，該觀測(cè)臺(tái)陣滿(mǎn)足探測(cè)深度要求。圖4觀測(cè)臺(tái)陣示意圖3.2數(shù)據(jù)處理

基于連續(xù)觀測(cè)臺(tái)站數(shù)據(jù)，作者利用空間自相關(guān)法（SPAC）提取各測(cè)點(diǎn)的頻散曲線和頻譜特征，特別針對(duì)30m以淺近地表設(shè)計(jì)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(gè)階段，即預(yù)處理、提取頻散曲線和特征反演。首先，在預(yù)處理階段，仔細(xì)瀏覽每個(gè)臺(tái)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(duì)較大的記錄段，設(shè)置頻率、速度范圍，分別計(jì)算單個(gè)記錄的頻散譜。然后，將每個(gè)臺(tái)陣3次記錄得到頻散譜合成作為該臺(tái)陣的頻散譜圖，進(jìn)行空間分析、頻散特征對(duì)比，最終確定相速度與頻率的分布關(guān)系。并利用遺傳算法反演得到橫波速度，最后對(duì)測(cè)線上的每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行插值平滑可得到橫波速度剖面圖。各測(cè)點(diǎn)頻率-速度圖詳見(jiàn)圖5所示，8個(gè)測(cè)點(diǎn)總體表現(xiàn)為低頻頻散嚴(yán)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(cè)點(diǎn)S1(b)測(cè)點(diǎn)(a)測(cè)點(diǎn)S1(b)測(cè)點(diǎn)S2(c)測(cè)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)S3(d)測(cè)點(diǎn)S4(e)測(cè)點(diǎn)S5(f)測(cè)點(diǎn)S6(g)(e)測(cè)點(diǎn)S5(f)測(cè)點(diǎn)S6(g)測(cè)點(diǎn)S7(h)測(cè)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)S7圖5實(shí)測(cè)面波頻譜圖由于面波能量主要集中在一個(gè)波長(zhǎng)深度范圍內(nèi)，當(dāng)波長(zhǎng)明顯大于排列（臺(tái)陣）尺度時(shí)，不能正確測(cè)量對(duì)應(yīng)頻率的相速度。所以，當(dāng)頻率低于4Hz時(shí)，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(shí)采用大于4Hz的頻段。通過(guò)面波頻譜圖可以看出，面波能量主要集中在5?30Hz范圍內(nèi)。根據(jù)面波勘探基本理論，當(dāng)?shù)貙訋r性發(fā)生變化時(shí)，面波會(huì)產(chǎn)生階躍現(xiàn)象。結(jié)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(dǎo)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(dǎo)致的。3.3地質(zhì)解釋與討論通過(guò)微動(dòng)勘探各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的面波頻譜，按照頻散曲線中斜率極值、“之”字拐點(diǎn)和視速度變化異常三類(lèi)特征開(kāi)展地質(zhì)解釋?zhuān)梢垣@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(shí)展示了該測(cè)線瞬變電磁、微動(dòng)成果剖面，結(jié)合SQ21鉆孔資料揭示的三層結(jié)構(gòu)顯示，清楚可見(jiàn)微動(dòng)剖面縱向上可以分為三套大層與之相對(duì)應(yīng)，具體地質(zhì)解釋說(shuō)明如下：層為土層，微動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gòu)隧道在此深度布設(shè)。層為基巖層，微動(dòng)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(cè)二者之間存在隱伏斷裂，構(gòu)成地下水運(yùn)移通道。(a)瞬變電磁法剖面(b)微動(dòng)勘探剖面(b)微動(dòng)勘探剖面圖6 瞬變電磁、微動(dòng)勘探剖面成果對(duì)比圖通過(guò)上述地質(zhì)解釋和分析可以看出，作為城市地下空間探測(cè)的主流手段，兩種物探方法取得較為一致的結(jié)果，與地表鉆孔資料驗(yàn)證情況良好。相比而言，微動(dòng)剖面縱向上具有更高的分辨率，橫向上更容易開(kāi)展地質(zhì)解釋和建立近地表模型。因此，基于微動(dòng)頻散曲線中斜率極值、“之”字拐點(diǎn)和視速度