天然源面波勘探臺陣對比試驗(yàn)

李 娜 何正勤， 葉太蘭 房慎沖

1）中國北京100081中國地震局地球物理研究所

2）中國北京100081中國地震局地震觀測與地球物理成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3）中國北京100039國家測繪工程技術(shù)研究中心

引言

淺層橫波速度是工程勘察中重要的地層物性參數(shù)，如何快速、準(zhǔn)確地獲取橫波速度是目前需要探索的問題.面波勘探是近年發(fā)展的一種新的獲取淺層橫波速度的地球物理勘探方法，具有簡便快速、成本低廉、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，已在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好的探測效果（趙明，1996；萬建華，2007；劉康和，魏樹滿，2010）.面波勘探包括人工源面波勘探和天然源面波勘探（劉云禎，王振東，1996；王振東，1998；王建文等，2010），本文主要討論天然源面波勘探方法.

目前，在美洲、歐洲和日本等國家和地區(qū)，天然源面波勘探在無損檢測和場地評價中的應(yīng)用日益廣泛.在不同地區(qū)和國家，天然源面波有不同的稱謂，在美洲稱作被動源面波（passive surface wave），在日本稱作微動（micro-tremor），而在歐洲卻稱作環(huán)境隨機(jī)振動（ambient vibration），在我國有稱作被動源的也有稱作天然源的.盡管其名稱各異，但實(shí)質(zhì)相同（趙東，2010；毋光榮等，2013），都指的是利用噪聲中的面波信息探測淺層速度結(jié)構(gòu)的方法.該方法最早是由安藝（Aki，1957）和卡朋（Capon，1969a，b；Capon et al，1969）提出來的.后來岡田（Okada et al，1990；Okada，1998）在此基礎(chǔ)上經(jīng)過10余年的研究與實(shí)踐，將其系統(tǒng)化并由此提出一種新的被動源物探方法——微動探查法（余凱，毋光榮，2012）.20世紀(jì)80年代末至90年代初，天然源勘探技術(shù)由王振東等首次引入我國，在1986年證明了L形臺陣空間自相關(guān)的可行性（王振東，1990；李慶春等，2006）.1992年北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院首次在北京進(jìn)行了一次目的層深達(dá)2 400m的微動勘查試驗(yàn)并獲得令人滿意的效果.近年來，天然源勘探方法在國內(nèi)外逐漸得到推廣應(yīng)用，尤其在日本及歐美，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工程與環(huán)境地球物理領(lǐng)域.在我國，陶夏新等（2001）用圓形臺陣資料對廈門地下50m深度范圍的速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了反演.葉太蘭（2004）和何正勤等（2007）在北京市多個場點(diǎn)布設(shè)同心圓形臺陣進(jìn)行天然源勘探試驗(yàn)，為北京的地?zé)豳Y源開發(fā)提供了0—3km深度的速度結(jié)構(gòu)，并作為確定地?zé)徙@孔位置的依據(jù).Liu等（2000）用嵌套式三角形臺陣觀測技術(shù)測定地表60m深度范圍的速度結(jié)構(gòu)，與橫波測井結(jié)果進(jìn)行了對比研究；Satoh等（2001）通過布設(shè)不規(guī)則臺陣用擴(kuò)展空間自相關(guān)法處理后，反演得到了我國臺灣地區(qū)臺中盆地1.4km深度范圍的速度結(jié)構(gòu)；Arai和Tokimatsu（2004）根據(jù)三分量微動記錄資料用H／V方法反演得到地層淺部的S波速度結(jié)構(gòu)，再將其與測井資料對比，證實(shí)了該方法的可行性；Scherbaum等（2003）根據(jù)微動資料用單臺和臺陣技術(shù)測定了德國科隆市附近的淺部橫波速度剖面；Estrella和Gonzalez（2003）用圓形臺陣空間自相關(guān)法探測了墨西哥國立自治大學(xué)場址2km深度范圍內(nèi)的淺層速度結(jié)構(gòu)并與頻率－波數(shù)方法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者獲得的速度結(jié)構(gòu)吻合.大量應(yīng)用實(shí)例表明天然源面波勘探是一種經(jīng)濟(jì)快捷且行之有效的物探方法，以其野外觀測方便、無需人工源、不受電磁干擾等優(yōu)勢在城市工程物探中發(fā)揮著重要作用（李建軍，2008；付微等，2012）.

在上述眾多工程應(yīng)用中，研究人員大多采用圓形或三角形等單一臺陣，發(fā)現(xiàn)關(guān)于采用組合陣型實(shí)施探測及其對比試驗(yàn)的報道比較少.為了有效提高天然源面波勘探法的實(shí)用性，本研究在天水市黃土覆蓋區(qū)同一場地開展了三角型、圓形、L型、直線型等4種不同臺陣排列的對比試驗(yàn)，其目的是為了通過試驗(yàn)結(jié)果對比各種臺陣的探測效果，擇優(yōu)得到一種既能確保探測效果、又便于測點(diǎn)布設(shè)的探測方式.在介紹組合陣型試驗(yàn)前，首先回顧一下面波勘探方法的基本原理.

1 天然源面波勘探方法基本原理

天然源面波勘探是采集按特定方式布設(shè)臺陣的噪聲記錄，計(jì)算頻譜圖并從中提取頻散曲線，進(jìn)而反演得到地下淺部介質(zhì)橫波速度結(jié)構(gòu)的地球物理探測方法（張維等，2012，2013）.其關(guān)鍵問題是如何從采集的數(shù)據(jù)中提取頻散曲線.目前微動臺陣觀測數(shù)據(jù)頻散曲線的提取方法主要有兩種，一種是空間自相關(guān)法（spatial autocorrelation method，簡寫為SPAC）（Aki，1957），另一種是頻率－波數(shù)法（Capon，1969a，b；Capon et al，1969；冉偉彥，王振東，1994）.

1.1 空間自相關(guān)法

空間自相關(guān)法要求臺陣布設(shè)為圓形，在圓心處布置一個檢波器，其余檢波器均勻布置在多個半徑不同的圓周上，形成嵌套同心圓形排列或者等邊三角形排列.假定中心點(diǎn)A（0，0）與圓周上任一點(diǎn)B（γ，θ）記錄的角頻率為ω的面波信號分別為μ（0，0，ω，t）與μ（γ，θ，ω，t），其空間自相關(guān)函數(shù)為

式中，μ為面波信號，γ為圓周上接受點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離，θ為方位角，ω為角頻率.在圓形臺陣所有方向的空間自相關(guān)函數(shù)的算數(shù)平均值為空間自相關(guān)系數(shù)ρ，則

積分可得

式中，J0（χ）是第一類零階貝塞爾函數(shù)，k為波數(shù)，c（ω）是角頻率為ω的面波相速度，即

空間自相關(guān)法通過獲得角頻率ω不同時刻的空間自相關(guān)系數(shù)，將式（2）經(jīng)過方位平均，然后代入式（3）與第一類零階貝塞爾函數(shù)擬合，即可獲得頻率不同的面波傳播速度c（ω），進(jìn)而獲得瑞雷波的頻散曲線.

1.2 擴(kuò)展空間自相關(guān)法

由于空間自相關(guān)法適用于圓形規(guī)則接收點(diǎn)，在實(shí)際操作中當(dāng)受地形條件限制只能布設(shè)不規(guī)則臺陣時，也可以采用空間自相關(guān)法.這種在不規(guī)則臺陣通過計(jì)算自相關(guān)系數(shù)再擬合貝塞爾函數(shù)計(jì)算相速度的方法稱為擴(kuò)展空間自相關(guān)法（extended spatial autocorrelation method，簡寫為ESPAC）（Ling，Okada，1993；趙東，2010）.

空間自相關(guān)法是保持圓周半徑不變，改變頻率，得到自相關(guān)系數(shù)隨頻率的變化關(guān)系；而擴(kuò)展空間自相關(guān)法是保持頻率不變，改變圓周半徑（廖成旺等，2007），計(jì)算自相關(guān)系數(shù)并與貝塞爾函數(shù)擬合，求得自相關(guān)系數(shù)隨距離的變化關(guān)系.不同半徑下頻率為f的空間自相關(guān)系數(shù)S定義為

式中，r0n表示所改變的半徑，γ0對應(yīng)第一類零階貝塞爾函數(shù)J0，n代表所改變的半徑數(shù)，E表示擬合誤差.

擴(kuò)展空間自相關(guān)法一般采用二維排列采集，如三角形、圓形、L形、十字形（趙東，2010）.如果天然源面波的能量各個方向相當(dāng)或者天然源面波的能量主要來自一個方向，則可以采用直線形排列，這種勘探方法在野外工作中更容易實(shí)施.

1.3 頻率－波數(shù)法

頻率－波數(shù)法是在頻率－空間域提取面波相速度，假定記錄中的主要成分為面波，利用微動數(shù)據(jù)的頻率－波數(shù)譜中能量較強(qiáng)的峰值帶確定頻散曲線.頻率－波數(shù)法的臺陣布設(shè)比空間自相關(guān)法靈活，但需要的測點(diǎn)較多，需要7個以上檢波器，并要求在研究區(qū)域盡量均勻分布，且檢波器之間的距離應(yīng)盡量不等（葉太蘭，2004）.

頻率－波數(shù)法是根據(jù)最大似然法理論從天然源記錄中求取瑞雷波的頻率－波數(shù)功率譜，并用不同中心頻率的窄帶濾波器提取各個頻率成分的面波相速度（李建軍，2008）.由于天然場信號的主要部分是基階振型面波，功率譜中峰值對應(yīng)的波數(shù)k與基階波動信號對應(yīng)，從而求得頻率為f時的相速度為

然后再通過頻率－波數(shù)功率譜的方位角確定某個頻率成分面波的傳播方向

進(jìn)而求出不同頻率f對應(yīng)的相速度，即可獲得一條相速度頻散曲線.

空間自相關(guān)法和頻率－波數(shù)法在天然源面波勘探中都得到了廣泛的應(yīng)用.空間自相關(guān)法所需接收點(diǎn)少、頻率寬，對于所提取的低頻部分面波信息有利，較難分辨高階面波；頻率－波數(shù)法臺陣布設(shè)靈活，所需接收點(diǎn)多，容易分辨高階面波，但分辨率較低，且當(dāng)目標(biāo)層較深時，其工作量太大，臺陣布設(shè)比較困難.

通過對天然源面波勘探方法的回顧，說明臺陣的布局形狀對于勘探效果都是至關(guān)重要的.因此開展臺陣布局的對比試驗(yàn)，對于天然源面波勘探方法的發(fā)展和技術(shù)提升都具有十分重要的意義.

2 臺陣對比試驗(yàn)

本文在天水盆地進(jìn)行了4種常見臺陣陣形的對比試驗(yàn).天水盆地位于青藏高原東北邊緣，隴中盆地東南隅，秦嶺北麓，黃土高原南麓，分布著大面積濕陷性黃土（張志龍，2003）.黃土疏松干燥、彈性差、速度低，對地震波的激發(fā)和接收都十分不利，而且覆蓋層中縱向物性差異較小，造成常規(guī)地震反射及折射法在這種黃土區(qū)難以實(shí)施.而面波勘探法反映的是不同波長范圍介質(zhì)的整體性質(zhì)，易于揭示這種物性隨深度漸變介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征，因此在黃土區(qū)首選面波勘探法.

本次面波勘探試驗(yàn)點(diǎn)選在天水市秦州區(qū)G316線與G30高速交叉路口西北側(cè)的一個部隊(duì)訓(xùn)練場內(nèi)，場地平坦板實(shí)、寬闊無建筑物，非常便于布設(shè)任意陣形.加上試驗(yàn)時間選在周六上午，訓(xùn)練場及周邊都非常安靜，干擾較小.

2.1 不同臺陣陣形的觀測系統(tǒng)

分別設(shè)置三角形、圓形、L形、直線形等4種臺陣，對這4種臺陣依次進(jìn)行天然源面波勘探試驗(yàn).三角形臺陣為三層嵌套，外層邊長為32m，中層邊長為16m，內(nèi)層邊長為8m；圓形臺陣半徑為14.6m，圓周上等間距布設(shè)23個檢波器，道間距為4m，并在圓心位置布設(shè)一個檢波器；L形臺陣道間距為2m，在水平方向和垂直方向共布設(shè)24個檢波器；直線形臺陣道間距為2m，共布設(shè)24個檢波器.4種臺陣的布設(shè)方式如圖1所示，實(shí)心圓表示放置檢波器的位置.

圖1 微動臺陣測點(diǎn)布局（a）嵌套式等邊三角形臺陣；（b）圓形臺陣；（c）L形臺陣；（d）直線形臺陣Fig.1 The layout of micro-tremor arrays（a）Nested equilateral triangles array；（b）Circle array；（c）L-shape array；（d）Linear array

2.2 數(shù)據(jù)采集參數(shù)

在臺陣排列試驗(yàn)中，為確保不同臺陣探測效果的可比性，4種臺陣均采用同一組（24個）主頻為2Hz的垂直向檢波器接收信號.為了加強(qiáng)檢波器與地面的耦合，布設(shè)時盡量將專門加長的12cm尾椎全部插入密實(shí)的地面.數(shù)據(jù)采集使用德國DMT公司生產(chǎn)的Summit數(shù)字地震儀.由于該地震儀是24位A／D轉(zhuǎn)換，其動態(tài)范圍完全能夠滿足天然源面波記錄的要求，所以未采用前置放大和前置濾波等手段，避免了可能伴隨的儀器噪聲的帶入.數(shù)據(jù)采集采用的參數(shù)為：采樣間隔8ms，記錄時長6min，每種臺陣重復(fù)記錄3次.在數(shù)據(jù)采集時段，對測線附近進(jìn)行了封閉式警戒，嚴(yán)禁車輛、行人靠近，盡量避免人為活動對數(shù)據(jù)采集的干擾.

2.3 頻散曲線的提取與對比

鑒于ESPAC是SPAC數(shù)據(jù)處理的擴(kuò)展和改進(jìn)方法，SPAC數(shù)據(jù)只是ESPAC數(shù)據(jù)的一種特例，因此上述4種臺陣記錄的數(shù)據(jù)都可以用ESPAC方法來提取頻散曲線，這樣對比得到的差異才能歸屬于臺陣的不同.本次數(shù)據(jù)處理是用驕佳公司的面波處理軟件完成的.在數(shù)據(jù)處理前仔細(xì)對每個臺陣進(jìn)行數(shù)據(jù)瀏覽，將記錄分成10—20段后，剔除干擾相對較大的噪聲記錄段，然后設(shè)置頻率、速度范圍，分別計(jì)算單個記錄的頻散譜后再將每個臺陣3次記錄得到的頻散譜合成作為該臺陣的頻散譜圖.所有臺陣按上述方法處理后的頻散譜如圖2所示.

圖2 4種臺陣的頻散譜（a）嵌套式等邊三角形臺陣；（b）圓形臺陣；（c）L形臺陣；（d）直線形臺陣Fig.2 Dispersive spectra of four arrays（a）Nested equilateral triangles array；（b）Circle array；（c）L-shape array；（d）Linear array

因?yàn)槊娌ǖ哪芰恐饕性谝粋€波長的深度范圍內(nèi)，當(dāng)波長明顯大于排列（臺陣）尺度時，將不能正確測量出對應(yīng)頻率的相速度.所以在本次試驗(yàn)中當(dāng)頻率低于5Hz時，其波長已明顯大于臺陣的最大尺度（30—46m），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，因此在提取相速度時，圓形、三角形和L形臺陣只采用大于5Hz的頻段；直線形臺陣尺度相對較大，可以選用大于4Hz的頻段，提取頻散譜中能量最強(qiáng)的點(diǎn)繪制不同陣形的頻散曲線，如圖3所示.

明乎此，讓我們來審視當(dāng)今文學(xué)、繪畫、音樂、舞蹈、書法、建筑等學(xué)科門類的審美訴求。當(dāng)前，這些學(xué)科門類中一些學(xué)者和藝術(shù)家往往誤把基于道德、政治等社會批評的“尚拙”“斥巧”與基于技巧、技藝等的藝術(shù)批評混同為一，以至于出現(xiàn)了以丑為美、以怪為美、以俗為美的不良藝術(shù)追求。這種不良風(fēng)尚的生成并且成為氣候，在一定程度上是由于受到近古時期以來的宋明理學(xué)影響而形成的，有其歷史文化的背景。但“尚拙”“斥巧”的審美選擇，并非中國文化的全部傳統(tǒng)，我們應(yīng)該檢討自宋代之后若干文化范疇的被誤讀和誤用問題，還原其本來面貌。

從圖2的頻散譜和圖3的頻散曲線可以看出：4種臺陣提取的頻散曲線數(shù)值很相近；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，L形和直線形臺陣相對分散；三角形臺陣在5—40Hz范圍的頻散譜能量峰值域都十分清晰，圓形臺陣除了在高頻20—32Hz范圍有分叉外，其余頻段均與三角形臺陣的結(jié)果相似；L形臺陣低頻段（5—8Hz）比直線形臺陣差，高頻段（8—40Hz）比直線形臺陣好.

圖3 4種臺陣的頻散曲線Fig.3 Dispersion curves for four arrays Red line stands for nested equilateral triangle array，blue line for circle array，purple line for L-shape array，and light blue line for linear array

試驗(yàn)對比結(jié)果表明：在場地條件寬闊、便于布設(shè)的情況下，應(yīng)該首選嵌套式等邊三角形和圓形臺陣，這樣既能確保頻散曲線提取的可靠性，又能深淺兼顧（2—80m）；在場地條件狹窄的情況下，當(dāng)目標(biāo)探測深度較淺（小于20m）時，可選取L形臺陣；當(dāng)所需探測深度范圍為20—80m時，可選取直線形臺陣，這樣不僅可以縮短布陣時間，而且可以保證探測的有效性.綜上，臺陣陣形的選取，要根據(jù)場地條件和探測要求等綜合因素來合理選取.

3 天然源與人工源面波聯(lián)合勘探

通過不同臺陣天然源面波勘探的試驗(yàn)得知，三角形、圓形、L形和直線形臺陣的頻散譜都很接近，但是前3個臺陣在高頻段的抗人為干擾能力較強(qiáng)，直線形臺陣相對較差，尤其是在24—40Hz頻帶范圍內(nèi)信噪比較低.但在人口密集的城區(qū)，直線形臺陣是這幾種排列中實(shí)施效率最高、對場地條件要求最低的陣形.因此如果能找到提高高頻段信噪比的方法，直線形臺陣無疑是一種最佳的選擇.

人工源面波勘探的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，高頻段提取的頻散曲線可信度高，但受激發(fā)能量的限制，一般探測的最大深度僅有20—30m.我們試圖用人工源面波勘探的方法來彌補(bǔ)直線形臺陣在高頻段的不足，于是在同一試驗(yàn)場地開展了人工源與天然源面波聯(lián)合勘探試驗(yàn).

3.1 面波聯(lián)合勘探的數(shù)據(jù)采集

人工源面波勘探按照震源的不同，分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法兩種.穩(wěn)態(tài)法是通過激振器產(chǎn)生固定頻率的瑞雷波，可以測得單一頻率波的傳播速度；瞬態(tài)法是通過瞬態(tài)激震產(chǎn)生一定頻率范圍的瑞雷波.穩(wěn)態(tài)瑞雷波勘探所用設(shè)備笨重，激發(fā)能量小，頻率范圍有限；而瞬態(tài)瑞雷波勘探設(shè)備輕便，分辨率高，探測深度較深，檢測速度快，可以有效分離干擾波與各階面波信息，在實(shí)際工作中應(yīng)用廣泛.本文所指的面波聯(lián)合勘探是指將人工源與天然源面波勘探結(jié)合起來探測地下介質(zhì)橫波速度結(jié)構(gòu)的一種組合探測方法.

該試驗(yàn)仍然在上述場地進(jìn)行，人工源采用60kg夯源，分別在3個不同偏移距（10，20和30m，見圖4中炮點(diǎn)1，2，3）的位置激發(fā)，數(shù)據(jù)采集仍使用Summit地震儀，采樣間隔為0.25ms，記錄長度為1 024ms.為獲得高信噪比的面波記錄，在每個炮點(diǎn)分別進(jìn)行5—6次垂直疊加.人工源記錄的單炮文件保存后，其排列不動，改變采樣間隔為8ms、記錄長度為6min接收地脈動信息，并重復(fù)記錄3個6min時長的記錄供數(shù)據(jù)處理擇優(yōu)選用.

圖4 天然源與人工源面波聯(lián)合勘探的觀測系統(tǒng)Fig.4 Surface wave observation system of joint exploration with artificial and natural sources

3.2 面波聯(lián)合勘探的頻散曲線提取

本次試驗(yàn)中，人工源面波勘探采用多通道面波法（multi-channel analysis of surface wave，簡寫為MASW）處理數(shù)據(jù)，天然源面波勘探采用擴(kuò)展空間自相關(guān)法處理數(shù)據(jù).首先將人工源采集的3個不同炮點(diǎn)的單炮記錄，分別用MASW中的頻率－波數(shù)法處理后通過線性疊加得到頻散譜（圖5a），疊加的目的是為了提高信噪比.可以看出，頻散譜中的強(qiáng)能量團(tuán)主要集中在9—33Hz頻段，的確明顯地提高了高頻段頻散曲線提取的可靠性.

圖5 人工源（a）和天然源（b）的頻散譜以及二者的線性疊加譜（c）Fig.5 Dispersive spectra of artificial（a）and natural sources（b）as well as the linear superposition of both spectra（c）

圖5 c是人工源（圖5a）與天然源（圖5b）頻散譜線性疊加的結(jié)果.該結(jié)果在整個頻段的能量集中度都得到明顯提高，有效頻段得到顯著拓寬，最低頻率可達(dá)4Hz左右，比圓形、三角形和L形臺陣（圖2）都要低，充分顯示出二者結(jié)合的優(yōu)勢，達(dá)到了我們所期望的效果.說明這種在相同排列上實(shí)施人工源與天然源面波聯(lián)合的勘探方法不僅探測效率高、對場地條件要求低，而且探測效果好，具有明顯優(yōu)勢.

3.3 速度結(jié)構(gòu)的反演

從人工源與天然源合并疊加的頻散譜（圖5c）中，取各個頻率對應(yīng)能量最強(qiáng)點(diǎn)的軌跡就得到了相速度頻散曲線的觀測值（圖6a）.到目前為止我們已完成了面波勘探中頻散曲線的提取這項(xiàng)關(guān)鍵性的基礎(chǔ)工作，不管采用哪一種面波勘探方法，得到頻散曲線后其速度結(jié)構(gòu)的反演方法都是相似的.

由于面波頻散曲線與地層介質(zhì)的厚度、速度（vP，vS）和密度都相關(guān)，用頻散反演地層結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算實(shí)際上是一個非線性反演問題，常規(guī)的線性反演方法得到的結(jié)果一般對初始模型均有較強(qiáng)的依賴性，即對于同一條頻散曲線用不同的初始模型將會得到不同的反演結(jié)果，其理論值都能與觀測值很好地擬合.面波反演的相關(guān)研究表明，基于遺傳算法的面波反演計(jì)算速度快、全局搜索能力較強(qiáng)，對初始模型的依賴性比其它的線性反演方法要小得多，所以在速度模型的反演中采用該算法.在初始模型的構(gòu)建中，由實(shí)測頻散曲線用半波長經(jīng)驗(yàn)方法（楊成林，1989；趙東等，1995；趙東，2010）估算速度－深度分布作為反演的初始模型.在反演中，vP及密度與vS的關(guān)系是根據(jù)淺表土層的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系換算得到，因?yàn)槲覀冇玫臋z波器頻率較低，人工激發(fā)不易獲得可靠的vP信息.

圖6b中的黑色折線是不同初始模型利用上述相速度頻散曲線通過遺傳算法反演得到的淺層橫波速度結(jié)構(gòu)，將這些模型進(jìn)行平均得到最終的反演結(jié)果（圖6b中紅色折線）.在反演結(jié)果中，位于深度14m處界面與后來收集到的在試驗(yàn)場地附近鉆孔ZKTS1揭示的強(qiáng)風(fēng)化泥巖頂面十分吻合（圖6b，c）（曾立峰等，2012）.深度0—14m是第四系覆蓋層，速度隨深度變化的梯度較大，符合該地區(qū)的沉積環(huán)境.圖6b中的藍(lán)色折線是在該鉆孔中的剪切波速測試結(jié)果，可以看出面波勘探反演得到的速度結(jié)構(gòu)與剪切波速測試結(jié)果基本吻合.在0—50m深度范圍內(nèi)，明顯的速度變化分為3層，其所對應(yīng)的巖性分別為第四紀(jì)沉積、強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中－微風(fēng)化泥巖.在強(qiáng)風(fēng)化泥巖（深度約14—42m）地層中，面波反演的速度略高于測井結(jié)果，通過計(jì)算波速得到二者的偏差為8%，其它兩層的速度值非常接近.通過該實(shí)例說明，人工源與天然源面波聯(lián)合勘探得到的橫波速度結(jié)構(gòu)是可靠的.

圖6 聯(lián)合勘探反演的速度結(jié)構(gòu)（a）頻散曲線；（b）速度結(jié)構(gòu)；（c）鉆孔柱狀圖Fig.6 The velocity structure obtained from inversion of joint exploration（a）Dispersion curve；（b）Velocity structure；（c）Borehole histogram

4 討論與結(jié)論

通過本文上述試驗(yàn)，在同一場地布設(shè)4種不同的常見微動臺陣陣形進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并分別提取頻散曲線，然后將其對比分析.結(jié)果表明：4種臺陣提取的頻散曲線數(shù)值很相近，但頻散譜能量集中度具有不同的差異，即頻散譜能量集中度最高的是嵌套式等邊三角形和圓形臺陣；L形臺陣在8—40Hz頻段的集中度也較高，但在頻率小于8Hz的低頻段能量帶變寬且有跳躍；直線形臺陣的能量相對分散，但仍可識別其頻散曲線的軌跡.

上述結(jié)果表明，在面上布設(shè)均勻分布的臺陣（嵌套式等邊三角形和圓形臺陣）有利于接收來自不同方向的隨機(jī)微動信息，通過方位平均得到的空間自相關(guān)系數(shù)及相應(yīng)的相速度頻散曲線具有較高的精度和可靠性，保持了傳統(tǒng)微動臺陣的優(yōu)勢.由于L形和直線形臺陣具有方位指向性，致使抵抗不規(guī)則人為干擾的能力較差，在一定程度上使得頻散譜能量集中度受到影響，會給相速度頻散曲線的提取帶來一定誤差.因此在場地較平坦、寬敞的條件下，為了保證勘探結(jié)果的可靠性，應(yīng)首選嵌套式等邊三角形和圓形臺陣開展天然源面波勘探工作.

在場地狹窄不具備布設(shè)等邊三角形和圓形臺陣的情況下，如果采用直線形臺陣進(jìn)行單一的天然源微動探測，其探測結(jié)果的可靠性將會受到影響，但在同一條直線形臺陣上分別實(shí)施人工源與天然源的數(shù)據(jù)采集，合并二者的頻散譜并通過分段剔除人為干擾、多時段疊加等提高信噪比的手段比較有效.這些措施大大提高了頻散譜的能量集中度，并使有效信息在低頻段有一定的拓展.這種聯(lián)合勘探反演得到的速度結(jié)構(gòu)分層不僅與鉆探揭示的巖性分層十分吻合，而且其各層速度值與鉆孔橫波測井的結(jié)果也非常接近，證實(shí)了上述聯(lián)合勘探方法的可靠性.

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