利用微動(dòng)方法研究吉林市淺層二維剪切波速度結(jié)構(gòu)

李洪麗

(吉林大學(xué) 地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130026)

0 引言

微動(dòng)方法沒(méi)有固定的震源，它是利用地球本身存在的由于人類活動(dòng)和自然現(xiàn)象等帶來(lái)的微動(dòng)信號(hào)來(lái)研究地殼淺層信息。該方法以其操作簡(jiǎn)單、施工方便、探測(cè)成本低、對(duì)周圍環(huán)境無(wú)破壞、適用范圍廣等優(yōu)勢(shì)，被越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)、外研究者采用。通過(guò)微動(dòng)的頻譜特性來(lái)研究微動(dòng)在時(shí)間和空間上的變化,進(jìn)而獲得探測(cè)區(qū)域地殼淺層速度結(jié)構(gòu)。地殼淺層速度結(jié)構(gòu)能為活動(dòng)斷裂、強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)模擬、地?zé)豳Y源勘查以及地震工程場(chǎng)地評(píng)估等地質(zhì)問(wèn)題提供幫助[1]。高分辨S波速度結(jié)構(gòu)反演還能很好地反映地下介質(zhì)低速層的空間變化，為地球淺部圈層耦合性關(guān)系、強(qiáng)震孕震環(huán)境及區(qū)域動(dòng)力學(xué)機(jī)制等研究提供重要參考[2]。隨著國(guó)內(nèi)、外關(guān)于地震學(xué)理論和方法研究的不斷發(fā)展，基于地震背景噪聲數(shù)據(jù)的微動(dòng)方法在研究地殼淺層速度結(jié)構(gòu)成像、地球內(nèi)部波速結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化關(guān)系,以及測(cè)定地震水平位置等方面獲得了眾多有意義的研究成果。在地殼淺部數(shù)十米至數(shù)百米深度的波速結(jié)構(gòu)探測(cè)中，微動(dòng)探測(cè)方法已經(jīng)在地質(zhì)調(diào)查、土木工程等實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域得到了大力推廣，并且取得了良好的應(yīng)用效果。

從微動(dòng)信號(hào)中提取面波頻散曲線的方法主要有，空間自相關(guān)法(SPAC 法)、頻率-波數(shù)法(F-K 法)、H/V譜比法等，其中空間自相關(guān)法最為常用[3-4]。Aki[5]提出了空間自相關(guān)法的概念，研究了在平穩(wěn)隨機(jī)波動(dòng)理論假設(shè)下一維和二維的空間自相關(guān)理論及應(yīng)用實(shí)例;何正勤等[6]采用空間自相關(guān)法，研究了地殼淺層1 km～2 km深度的橫波速度結(jié)構(gòu)，通過(guò)與鉆井結(jié)果比對(duì)，驗(yàn)證了該方法對(duì)于確定物性差異性大的地層界面是可靠的；徐佩芬等[7]基于自相關(guān)法提取地震臺(tái)站微震信號(hào)相速度頻散曲線，并反演得到地殼淺層S波速度結(jié)構(gòu)，結(jié)果與人工地震探測(cè)結(jié)果較為吻合，驗(yàn)證了SPAC法估算地殼S波速度結(jié)構(gòu)的可行性;李細(xì)兵等[8]利用空間自相關(guān)法獲得一個(gè)凹陷盆地基本速度結(jié)構(gòu)和各層深度分布范圍，結(jié)果顯示該區(qū)域的土層結(jié)構(gòu)接近人工地震勘探解釋結(jié)果；張寶龍等[1]利用密集臺(tái)陣接收的數(shù)據(jù)，基于微動(dòng)和面波層析成像方法,獲得了在五大連池火山區(qū)尾山火山錐地區(qū)地表至700 m深度的地殼淺層三維S波速度結(jié)構(gòu)；謝朋等[9]利用微動(dòng)探測(cè)方法獲取潛江市浩口中學(xué)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)分層，并與鉆孔結(jié)果對(duì)比，表明微動(dòng)探測(cè)方法能較好地分辨地層結(jié)構(gòu)；盛勇等[10]通過(guò)提取頻散曲線和視S波速度分層，描述了地層的速度結(jié)構(gòu)及地?zé)岙惓Ｌ卣?，表明微?dòng)勘探能有效地在地?zé)豳Y源勘查中應(yīng)用。上述研究成果表明，微動(dòng)法近年來(lái)在地質(zhì)調(diào)查實(shí)際中應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，并且該方法也是行之有效的研究方法之一。

1 野外數(shù)據(jù)采集與研究方法

采用微動(dòng)方法(空間自相關(guān))，對(duì)吉林市某地區(qū)地?zé)峥碧絽^(qū)域地殼淺層S波速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，研究過(guò)程包括野外采集數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的原始地震數(shù)據(jù)進(jìn)行瑞雷波相速度頻散曲線提取，再對(duì)提取得到的頻散曲線進(jìn)行擬合反演，進(jìn)而獲得研究區(qū)域地下1 000 m 深度的地殼淺層二維S波速度結(jié)構(gòu)剖面。野外觀測(cè)儀器為短周期地震儀(圖1)10臺(tái)，為了減小由于噪聲源方位分布不均勻而帶來(lái)的對(duì)面波頻散曲線可靠性的影響，野外觀測(cè)所用10臺(tái)短周期地震儀布置位置采用多重圓觀測(cè)系統(tǒng)(圖2)。每組如圖2所示布設(shè)10臺(tái)短周期地震儀，其中中心點(diǎn)為觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)，放一臺(tái)短周期地震儀，外圍距中心點(diǎn)的距離分別為50 m、100 m、200 m，共計(jì)觀測(cè)5個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，形成一條觀測(cè)剖面，每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間不少于15 h，研究深度為地表以下1 000 m以內(nèi)地層。五個(gè)觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)，分別記作S4-1、S4-2、S4-3、S4-4、S1-8。

圖1 短周期地震儀

圖2 微動(dòng)單點(diǎn)觀測(cè)系統(tǒng)(三重圓形臺(tái)陣)示意圖

微動(dòng)方法主要目的是，從觀測(cè)的噪聲信號(hào)中提取瑞雷波相速度頻散曲線，并用瑞雷波相速度頻散反演地下S波速度結(jié)構(gòu)，所以提取準(zhǔn)確的頻散曲線至關(guān)重要。本研究采用空間自相關(guān)(SPAC)方法，該方法是基于微動(dòng)信號(hào)在時(shí)間和空間上平穩(wěn)隨機(jī)分布這一假設(shè)。在該假設(shè)條件下，對(duì)相距為r的兩個(gè)點(diǎn)的微動(dòng)記錄作空間相關(guān)運(yùn)算。Aki給出了方位平均后的空間自相關(guān)函，數(shù)可以用零階貝塞爾函數(shù)來(lái)表示：

ρ(r,f)=J0(2πfr/c(f))

(1)

式中:r為兩臺(tái)站間的距離;f為頻率;c(f)為瑞雷波相速度;ρ(r,f)為方位平均后的自相關(guān)系數(shù);J0為第一類零階貝塞爾函數(shù)[5]。式(1)適用于基階面波能量為主，利用垂向記錄分量進(jìn)行空間自相關(guān)提取瑞雷面波頻散的情形。

空間自相關(guān)系數(shù)的計(jì)算大致分為時(shí)域(窄帶濾波法)和頻域兩大類。時(shí)域空間自相關(guān)系數(shù)求取的步驟為：①獲取記錄良好的原始記錄，對(duì)每段選取的記錄平均分成若干段，分段時(shí)要保證可以覆蓋足夠多的頻率信息；②對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同中心頻率的窄帶濾波處理，得到以濾波器中心頻率為自變量的近似單色波記錄；③將單頻記錄的距離為r的臺(tái)站對(duì)按式(2)計(jì)算空間自相關(guān)系數(shù)，并將相同臺(tái)站對(duì)的結(jié)果進(jìn)行平均；④循環(huán)步驟②和步驟③，計(jì)算出一系列頻率值所對(duì)應(yīng)臺(tái)站對(duì)的空間自相關(guān)系數(shù)，對(duì)所得的空間自相關(guān)系數(shù)按式(3)兩兩取方位平均，得到用于計(jì)算頻散的平均自相關(guān)系數(shù)。

(2)

(3)

空間自相關(guān)系數(shù)的頻率域計(jì)算公式為式(4)。

(4)

平面上圓形排列臺(tái)陣中各臺(tái)站的位置一般用極坐標(biāo)形式表示。以參考點(diǎn)為圓心，θ為臺(tái)站方位角，S(r,θ,f)為參考點(diǎn)記錄與其他記錄點(diǎn)的互功率譜，S(0,f)和S(r,f)分別為參考點(diǎn)和與其距離r的另一點(diǎn)記錄的自功率譜；Re為取實(shí)部，確保空間自相關(guān)系數(shù)為實(shí)數(shù)。

頻域計(jì)算相對(duì)于時(shí)域計(jì)算的優(yōu)勢(shì)是去掉了多次窄帶濾波過(guò)程，只利用一次傅里葉變換后完全在頻率域內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，因此大大加快了運(yùn)算速度,所以本研究是在頻率域進(jìn)行計(jì)算的。

頻域空間自相關(guān)系數(shù)求取的步驟：①選取良好的記錄數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分段；②將分段后的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換得到頻率域數(shù)據(jù)，在頻率域內(nèi)分別計(jì)算對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)段的自功率譜和互功率譜，然后將各段數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行平均；③將平均后的自功率譜和交叉譜結(jié)果代入式(4)計(jì)算方位平均，便可得到方位平均的空間自相關(guān)系數(shù)。

2 野外數(shù)據(jù)處理及結(jié)果討論

野外數(shù)據(jù)采集過(guò)程中盡量避開(kāi)有大量人為因素干擾的區(qū)域，經(jīng)過(guò)5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)累計(jì)50臺(tái)短周期地震儀的記錄，完成5個(gè)觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的微動(dòng)信息數(shù)據(jù)采集工作。其中觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)S4-1的部分原始采集數(shù)據(jù)波形如圖 3 所示，可以看出各個(gè)地震儀記錄波形一致性較好，表明采集到的微動(dòng)信息可靠。

圖3 S1點(diǎn)的10臺(tái)短周期地震儀接收的部分連續(xù)地震背景噪聲數(shù)據(jù)

在計(jì)算各觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)空間自相關(guān)系數(shù)前，先整理5個(gè)觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的各地震儀接收到的原始數(shù)據(jù)，再分別進(jìn)行去均值、去傾斜、去尖脈沖等數(shù)據(jù)預(yù)處理工作。將每個(gè)短周期地震儀垂直分量噪聲數(shù)據(jù)按照時(shí)間進(jìn)行分段處理，然后對(duì)所有分段數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，按照用一臺(tái)短周期地震儀的傅里葉譜與另一個(gè)臺(tái)的傅里葉譜的共軛計(jì)算自相關(guān)系數(shù)，再對(duì)自相關(guān)系數(shù)波形進(jìn)行平滑處理，得到各觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的自相關(guān)系數(shù)曲線。數(shù)據(jù)處理過(guò)程中將信噪比較低、未能呈現(xiàn)第一類零階貝塞爾曲線形態(tài)的自相關(guān)系數(shù)曲線剔除。最后通過(guò)分析自相關(guān)系數(shù)波形的零點(diǎn)和極點(diǎn)，與第一類零階貝塞爾函數(shù)零點(diǎn)和極點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到五個(gè)觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的面波相速度頻散曲線(圖4)。

圖4 瑞雷面波相速度頻散曲線

采用CPS330軟件分別對(duì)上述5個(gè)觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的面波相速度頻散曲線進(jìn)行線性反演，求取各觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的一維速度模型[11]。再分別對(duì)各觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的一維速度模型進(jìn)行插值處理并合成，最終獲得該研究區(qū)域地表以下1 000 m以內(nèi)的淺表地下介質(zhì)二維S波速度剖面(圖5)。

圖5 研究區(qū)域地殼淺層二維S波速度剖面

S波速度對(duì)于地層內(nèi)的流體、溫度變化和介質(zhì)性質(zhì)十分敏感。S波速度結(jié)構(gòu)研究有助于分析研究區(qū)域地下介質(zhì)物理狀態(tài)。地下介質(zhì)巖性是影響地震波速的決定因素，介質(zhì)中存在的裂隙和孔隙度是基本影響因素。另外，地下介質(zhì)孔隙中的不同填充物、介質(zhì)的風(fēng)化和破碎帶以及埋藏深度都會(huì)對(duì)地層波速產(chǎn)生影響。結(jié)合吉林市周邊地區(qū)地層劃分表，從獲得的1 000 m深度的S波速度結(jié)構(gòu)剖面圖(圖5)中可以分析出：研究區(qū)域內(nèi)S波速度整體由地表至地下隨地層的深度增大呈增大趨勢(shì)，研究區(qū)域在深度上可分為三層，第一層速度較低，底界面深度在100 m～150 m左右，為第四紀(jì)和晚新生代(新近紀(jì))沉積地層；第二層S波速度在1 000 m/s左右，底界面深度在550 m左右，推測(cè)為早新生代(古近紀(jì))沉積地層；第三層地層速度約1 800 m/s，推測(cè)為中生代(侏羅紀(jì))沉積地層。由于不同巖性的地層速度不同，再者由于沉積年代以及沉積環(huán)境的差別，即使是同一巖性的地層速度也會(huì)存在一定的差異，所以依據(jù)單一S波速度參數(shù)所分層位可能具有一定的誤差。

另外，由于地震波速在氣體和液體中傳播速度低于在固體(巖石骨架)中的傳播速度，裂隙的存在會(huì)使地震波傳播速度減慢。由此可推測(cè)出在第三層中顯示的兩個(gè)明顯的低速區(qū)可能為含水區(qū)。

3 結(jié)論

利用由10 臺(tái)短周期地震儀組成的短周期地震儀臺(tái)陣，在吉林某工區(qū)開(kāi)展了連續(xù)地震背景噪聲觀測(cè)，共選取觀測(cè)目標(biāo)點(diǎn)5個(gè)，組成一個(gè)觀測(cè)剖面。利用微動(dòng)方法首次獲得該區(qū)域地表至地下1 000 m深度的淺層S波速度結(jié)構(gòu)剖面。結(jié)果表明：地表至地下1 000 m之間S波速度整體隨深度具有線性增加的趨勢(shì)；研究區(qū)整體分為三層：由淺至深依次為第四紀(jì)和新近紀(jì)沉積層，古近紀(jì)沉積層和中生代(侏羅紀(jì))沉積層；在第三層中550 m～950 m區(qū)域存在兩個(gè)低速異常區(qū)，推測(cè)為富含水區(qū)域。該微動(dòng)觀測(cè)結(jié)果將為該區(qū)域今后開(kāi)展地?zé)崽綔y(cè)、野外地質(zhì)調(diào)查等研究工作提供重要參考。