夯擊震源多道地震面波信號(hào)識(shí)別試驗(yàn)研究

周會(huì)鵬，丁美青，張恩澤，胡雄武

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽淮南232001）

夯擊震源多道地震面波信號(hào)識(shí)別試驗(yàn)研究

周會(huì)鵬，丁美青，張恩澤，胡雄武

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽淮南232001）

巖土工程領(lǐng)域中，有效探測(cè)地層的層位、厚度、地下構(gòu)造等具有重要的研究意義；近年來，面波勘探方法已逐漸應(yīng)用于巖土工程勘察，傳統(tǒng)錘擊震源面波勘探能量弱、信噪比低、受環(huán)境因素影響較大，嚴(yán)重影響該方法的勘探效果；用連續(xù)夯擊作為地震激發(fā)能量源彌補(bǔ)了錘擊震源的不足，提高了面波勘探的信噪比和探查精度；利用面波勘探在相同場(chǎng)地條件下采用錘擊震源和連續(xù)夯擊震源進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，探討震源的使用對(duì)探查精度和分辨率的影響，為以后復(fù)雜地質(zhì)條件下使用夯擊震源面波勘探提供理論和技術(shù)依據(jù)。

面波勘探； 錘擊震源； 夯擊震源； 試驗(yàn)研究

在地震勘探中，使用的震源方式多以人工震源為主，如炸藥，錘擊，偽隨機(jī)。其中使用大錘作為震源，雖然經(jīng)濟(jì)成本很低，但是錘擊的能量低，探測(cè)的深度較淺，受到噪聲干擾的程度也大，當(dāng)錘擊金屬墊板時(shí)，經(jīng)常伴隨著很強(qiáng)的干擾波，每次激發(fā)均受到大錘和金屬墊板的耦合轉(zhuǎn)換效率的影響，若耦合的情況較差，產(chǎn)生的面波多數(shù)均為噪聲而無法探測(cè)地下地質(zhì)情況，需要經(jīng)過多次錘擊；錘擊震源效果亦受到地面的影響，在松散軟弱的地層信號(hào)質(zhì)量較差，勘探的效果就會(huì)大大的降低。因此可以采用夯擊震源，夯擊震源具有較高的信噪比，其攜帶方便，成本較低，對(duì)地下地質(zhì)情況具有較高的分辨率，夯擊震源的頻率可以控制，對(duì)干擾的控制較為有利，可以在地面環(huán)境較差的情況下進(jìn)行施工。

二十世紀(jì)八十年代，夯擊作為震源最初由Barbier提出，隨后出現(xiàn)了SIST技術(shù)，利用編碼方式使用電動(dòng)機(jī)夯擊震源進(jìn)行勘探并取得了看良好的效果，之后，夯擊震源運(yùn)用在復(fù)雜地區(qū)中進(jìn)行高分辨率的三維地震勘探，在2002年David和Jack等人對(duì)夯擊震源的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出沖擊夯的橫波激發(fā)源。我國夯擊震源的發(fā)展處在初步階段，2006年6月份在武漢舉辦的第二屆環(huán)境與工程地球物理國際會(huì)議中，由中國地質(zhì)大學(xué)和北京艾達(dá)天地巖土技術(shù)有限公司發(fā)表的《淺層高分辨率沖擊疊加地震采集系統(tǒng)及應(yīng)用效果》一文涉及了對(duì)電動(dòng)機(jī)式夯擊震源的研究，并取得了較好的勘探效果。夯擊震源系統(tǒng)是調(diào)查構(gòu)造，勘查資源的理想震源，使用可控的震源來代替人工大錘激發(fā)和炸藥震源，夯擊震源逐漸向小型物探單位以及城市工程物探單位發(fā)展，解決中小型地震勘探工作中震源激發(fā)的各個(gè)方面問題，節(jié)約成本，自主研究夯擊震源并且創(chuàng)造，對(duì)于地震勘探領(lǐng)域有著深遠(yuǎn)的意義。

1 夯擊震源面波勘探原理

在層狀介質(zhì)中，瑞雷面波是由SV波（質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)發(fā)生在與波的傳播面相垂直的面內(nèi)的波）與縱波干涉而成，且瑞雷面波的能量主要集中在介質(zhì)自由表面附近，其能量衰減與R1/2成正比，比體波的衰減慢很多。面波相速度與頻率有關(guān)，這種速度隨頻率變化的曲線稱為頻散曲線，因而面波還具有頻散特性。利用層狀介質(zhì)中面波的頻散曲線和傳播速度與巖石物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性可達(dá)到勘探的目的。不同的頻率成分具有不同的相速度，不同的波長的面波特征反映不同深度內(nèi)的地層情況。通過：

（1）

（2）

式中：X為諧波振動(dòng)，w為頻率，r1和r2分別為點(diǎn)r1和r2到原點(diǎn)的距離，A為振幅。

通過對(duì)比可得到

（3）

可求得

（4）

面波的VR和振動(dòng)的頻率有關(guān)，通過連續(xù)夯擊得到不同頻率的VR，通過反演可以得到不同介質(zhì)深度的速度進(jìn)而可以判斷巖層的層位，解釋地下構(gòu)造。

連續(xù)夯擊淺層地震勘探系統(tǒng)由偽隨機(jī)作為震源，加速度傳感器，檢波器，地震儀組成，夯擊震源面波勘探現(xiàn)場(chǎng)布置如圖1所示。使用偽隨機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生不同頻率的地震波，由地震檢波器對(duì)地下傳播的反射地震面波進(jìn)行收集，再將物理信號(hào)能量波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由電纜線傳輸至地震儀，地震儀采集傳感器、加速度檢波器的地震信號(hào)，并進(jìn)行調(diào)理、放大、存儲(chǔ)以及傳輸?shù)裙ぷ鳎铀俣葌鞲衅鞴潭ㄔ趥坞S機(jī)上，采集偽隨機(jī)的加速度信息，將第一個(gè)排列的檢波器作為參考檢波器，將其他檢波器接收到的地震波信號(hào)和參考檢波器接收的地震波信號(hào)作對(duì)比，當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ诓煌橘|(zhì)中傳播，由于各層介質(zhì)的組成成分不同，因而其地層的密度不同，地震波在不同的介質(zhì)中會(huì)形成不同的傳播速度，根據(jù)面波的傳播速度得出地下地層的速度情況，由此可判斷地下的地質(zhì)構(gòu)造情況。

圖1 夯擊震源面波勘探現(xiàn)場(chǎng)布置圖

2 連續(xù)夯擊與錘擊震源的區(qū)別和優(yōu)越性

連續(xù)夯擊與傳統(tǒng)錘擊震源相比具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）連續(xù)夯擊與錘擊震源產(chǎn)生的地震波經(jīng)過大地傳播能量被逐漸吸收導(dǎo)致信號(hào)衰減。兩種震源的激發(fā)方式，信號(hào)的頻率，頻寬及振動(dòng)波形特征，都具有明顯的差異。（2）連續(xù)夯擊可以控制偽隨機(jī)振動(dòng)的頻率來控制地震波信號(hào)的強(qiáng)弱和識(shí)別信號(hào)之間的差異，錘擊振源受到大錘與金屬墊板的耦合情況的影響，易產(chǎn)生二次敲擊，造成干擾，信號(hào)質(zhì)量較差。（3）連續(xù)夯擊震源采用連續(xù)掃描信號(hào)，偽隨機(jī)連續(xù)夯擊產(chǎn)生的地震波的能量強(qiáng)，大大提高了地震波的穿透能力。與錘擊震源相比，勘探的深度也是錘擊勘探深度的幾倍。連續(xù)夯擊利用多次的疊加可以消除隨機(jī)干擾，壓制噪聲，要比錘擊的信噪比高的多。

3 試驗(yàn)工作

3.1 測(cè)區(qū)地質(zhì)概況

本次試驗(yàn)工作所在區(qū)域位于安徽省淮南市某地，最古老的地層是霍邱群，原巖主體形成時(shí)代屬于新太古界。在新元古界和寒武紀(jì)，淮南地區(qū)的沉積環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，發(fā)生海相沉積，形成一套完整的地層，在石炭系至二疊系發(fā)育了數(shù)十層煤層。淮南的煤炭資源占安徽省煤炭資源總量的70 %；淮南市地處淮河中游，因此淮南地區(qū)地下水資源豐富，從上到下，可劃分四個(gè)含水層和三個(gè)隔水層。測(cè)區(qū)南面為一條山脈，連接舜耕山逆沖推覆構(gòu)造斷層，鉆孔揭露的基巖面埋深約為8m，基巖面上部均為第四系砂粘土覆蓋。由于地震波在不同巖層傳播的周期和波長不同，可形成良好的頻散曲線，是較為有利的面波勘探地震地質(zhì)條件。

3.2 儀器設(shè)備及采集參數(shù)

綜合考慮勘查區(qū)地質(zhì)概況及地震地質(zhì)條件，確定最佳采集參數(shù)，具體地震工作方法如下：

儀器。使用加拿大Geopen技術(shù)公司生產(chǎn)的Miniseis24多功能地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)地震儀。

震源?！巴酥Z森BS50-2” 沖擊夯激發(fā)偽隨機(jī)，18磅鐵錘激發(fā)錘擊。

檢波器。4.5Hz低頻檢波器。

采集參數(shù)及觀測(cè)系統(tǒng)。錘擊震源面波勘探采樣間隔0.5ms，采樣點(diǎn)數(shù)2k，采樣時(shí)間1s。夯擊震源面波勘探采樣間隔2ms，采樣點(diǎn)數(shù)16k，采樣時(shí)間32s，前置增益0dB，數(shù)據(jù)記錄為SEGY格式；觀測(cè)系統(tǒng)采用單邊排列，最小偏移距1m，道間距1m，24道接收。

4 面波信號(hào)識(shí)別分析

4.1 頻譜分析

為對(duì)比分析夯擊震源和錘擊震源面波勘探地震波信號(hào)的強(qiáng)弱和識(shí)別信號(hào)之間的差異，將上述試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行F-K變換，得到速度-頻率譜，結(jié)果如圖2所示。

（a）夯擊震源速度-頻率譜 （b）錘擊震源速度-頻率譜

夯擊震源面波頻率在4-50Hz范圍內(nèi)，有效拾取范圍在8-44Hz范圍內(nèi)，8Hz以下頻譜分散且不連續(xù)，收斂較差。人工錘擊震源面波頻率在4-50Hz范圍內(nèi)，有效拾取范圍在10-43Hz范圍內(nèi)，8Hz以下頻譜分散且不連續(xù)，收斂較差。對(duì)比夯擊震源和人工錘擊震源頻散譜，夯擊震源攜帶豐富的低頻信息，反映深部信息量大，且高頻部分連續(xù)性較好。面波識(shí)別及信號(hào)質(zhì)量明顯優(yōu)于錘擊震源。

4.2 勘探深度分析

對(duì)比分析夯擊震源和錘擊震源面波勘探頻散譜，對(duì)上述得到的頻散譜提取頻散曲線，進(jìn)行速度-深度變換，得到夯擊震源和錘擊震源速度-深度曲線對(duì)比分析圖如圖3所示。

（a）夯擊震源速度-深度曲線 （b）錘擊震源速度-深度曲線

圖3 夯擊震源和錘擊震源速度-深度曲線對(duì)比分析

通過頻散譜提取頻散曲線，并進(jìn)行速度-深度變換得知：夯擊震源面波勘探有效勘探深度在1-42m范圍內(nèi)，人工錘擊震源面波勘探深度1-34m范圍內(nèi)。夯擊震源產(chǎn)生的地震波的能量強(qiáng)，大大提高了地震波的穿透能力，不僅能夠反映深部地質(zhì)信息，表層地質(zhì)信息的分辨率也不差于人工錘擊震源。在復(fù)雜地形條件下，夯擊震源面波勘探更具有優(yōu)勢(shì)。

5 工程實(shí)例

5.1 地質(zhì)條件

唐縣～尚市隧洞屬于湖北省鄂北地區(qū)水資源配置工程。隧洞所處為丘陵地區(qū)，隧洞埋深較淺。隧洞主要穿過Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖區(qū)，施工中極易發(fā)生坍塌事故。本次勘探區(qū)域?yàn)镈K172+444～172+756段里程位于長312m，勘探里程區(qū)域隧道圍巖屬III類圍巖，局部穩(wěn)定性差。圍巖為下元古界萬和店群獅子口組（Pt1s）灰綠色、灰白色白云鈉長片麻巖，呈弱風(fēng)化狀。上覆巖體厚30～70m。該段巖石單巖石強(qiáng)度為中硬巖；巖體完整程度為較完整；結(jié)構(gòu)面狀態(tài)起伏粗糙，裂隙寬度l～ 5mm，石英脈充填；地下水活動(dòng)狀態(tài)為有滲水或滴水現(xiàn)象。

為查明隧道開采前方松散軟弱夾層的分布情況，隧道頂部為松散性較好的第四系黃土，為良好面波激發(fā)條件，嘗試采用夯機(jī)震源法面波勘探技術(shù)對(duì)其進(jìn)行勘探，結(jié)合地質(zhì)條件，并在數(shù)據(jù)采集，處理環(huán)節(jié)采取相應(yīng)措施，獲得較好的效果。

5.2 數(shù)據(jù)采集

本次勘探目的為驗(yàn)證多道夯機(jī)震源在工程勘察中的應(yīng)用效果，數(shù)據(jù)采集使用Geopenminiseis24地震探測(cè)儀，使用12個(gè)4.5Hz垂直分離低頻檢波器來接收數(shù)據(jù)信號(hào)，檢波器間距2m，檢波器與夯機(jī)震源間距2m，各檢波器與地表耦合良好，信號(hào)激發(fā)方式為夯機(jī)擊振，采用共偏移方式滾動(dòng)采集。采樣時(shí)間32s,采樣間隔2ms，采樣點(diǎn)數(shù)16K。將采集到的面波數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，并做好各炮排列中心點(diǎn)的高程測(cè)量記錄。

5.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理使用Geogigasurfaceplus8.0模塊進(jìn)行處理。多道面波分析技術(shù)的關(guān)鍵在于頻散曲線的提取，該模塊提供相移法、F-K法、自相關(guān)法（SPAC）法三種頻散計(jì)算方法。通過試驗(yàn)得知SPAC法對(duì)夯機(jī)震源多道面波法頻散計(jì)算效果較好。數(shù)據(jù)采集流程如下所示：

載入夯機(jī)震源地震數(shù)據(jù)，進(jìn)行低通濾波處理；使用SPAC法進(jìn)行頻散分析，選擇合適頻率范圍與聚焦系數(shù)；對(duì)生成的F-V頻率譜進(jìn)行頻散曲線拾??；進(jìn)行速度深度變化，獲取深度速度曲線；對(duì)各控制點(diǎn)進(jìn)行高程變換，生產(chǎn)剪切波速度等值線圖。

5.4 成果解釋

剪切波速是場(chǎng)地評(píng)價(jià)巖土體強(qiáng)度的重要參數(shù)，瑞雷波速與剪切波速具有一定的數(shù)量對(duì)應(yīng)關(guān)系。VR=0.92VS～0.95VS。這為面波勘探在工程勘探提供理論基礎(chǔ)。根據(jù)剪切波速之間的差異進(jìn)行對(duì)比、解釋，對(duì)勘察區(qū)域范圍內(nèi)軟弱帶進(jìn)行分析判斷。

根據(jù)上述原理，以里程為橫坐標(biāo)，根據(jù)測(cè)量的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行高程校正，高程為縱坐標(biāo)建立剪切波速度等值線剖面圖。

圖4 夯擊震源和錘擊震源剪切波速度剖面圖

通過使用冷色調(diào)表示，對(duì)測(cè)線范圍內(nèi)剪切波速度剖面圖分析如下：

DK172+444～DK172+494里程范圍內(nèi)，20～40m深度范圍內(nèi)速度明顯大于后半段里程。由于DK172+444～DK172+494部分，隧道已經(jīng)進(jìn)行開挖，隧道開挖后的空腔對(duì)面波傳播產(chǎn)生影響。范圍圈定較為準(zhǔn)確。

DK172+550～DK172+600里程范圍內(nèi)，從剪切波速度剖圖觀察可知，0～30m范圍內(nèi)，剪切波速度相對(duì)較高，是由于該里程高程較大，表層黃土風(fēng)化，基巖出露，表層速度相對(duì)較高。

DK172+444～172+756里程范圍，根據(jù)隧道設(shè)計(jì)所在高程100m～120m范圍沒有巖體軟弱破碎帶的分布。

6 結(jié)論

在工程巖土勘探領(lǐng)域，人工錘擊震源適用于平整固實(shí)的土地，且錘擊震源能量弱，衰減快，受噪聲干擾的程度大；夯擊震源所激發(fā)的地震波抗干擾能力強(qiáng)，信噪比較高，且有很高的分辨率和勘探精度。

通過對(duì)比分析夯擊震源和人工錘擊震源速度-頻率譜和速度-深度曲線，夯擊震源攜帶豐富的低頻信息，對(duì)深部勘探分辨率明顯高于人工錘擊震源。此外，夯擊震源在淺表層的勘探精度也比較高，勘探效果良好，對(duì)地層厚度的劃分和地質(zhì)構(gòu)造的探查有很明顯的反映。為往后再激發(fā)條件復(fù)雜地區(qū)應(yīng)用夯擊震源進(jìn)行面波勘探工作提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

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2012-12-01

安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201510361116）；安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：KJ2016A192）

周會(huì)鵬（1994-），男，安徽六安人，研究方向?yàn)閹r土工程，電話：15855445282。

P631

B

1671-4733（2017）01-0034-004

10.3969/j.issn.1671-4733.2017.01.011