城市地震勘探中聲噪壓噪的試驗研究

劉建生, 蔣正中, 羅水余, 雍 凡

(1.中國地質(zhì)科學院 地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 065000;2.國家現(xiàn)代地質(zhì)勘查工程技術研究中心，廊坊 065000)

0 引言

城市的快速建設和可持續(xù)發(fā)展進程使地震勘探服務于越來越多的城市[1]，在高效快速采集地震數(shù)據(jù)的同時，遇到了城市道路需要無損化施工，硬化的路面無法埋置地震檢波器，城市中特有的人文活動及各種噪聲帶來的較強干擾，影響了地震數(shù)據(jù)的采集效果等問題[2]。地震檢波器檢波干擾信號通常來自地面的振動干擾和空氣中的噪聲干擾，其中的噪聲干擾是城市地震勘探面臨解決的難題，這些噪聲的頻率、速度與有效信號重疊在一起，很難將它們完全分開，極大地降低了地震資料的信噪比以及分辨率。

噪聲來源復雜，大體歸為環(huán)境噪聲、次生噪聲和系統(tǒng)噪聲，如在地震激發(fā)前就存在的風噪、聲噪(可控震源車噪音)等干擾；又如放炮后產(chǎn)生的，主要由于介質(zhì)的不均勻造成的彈性波的散射，以及來自于任意方向的、相位變化毫無規(guī)律的波的疊加等還有儀器自身產(chǎn)生的噪聲[3-4]。

所有地震勘探方法包括石油勘探、煤田勘查和工程勘察等，都在數(shù)據(jù)采集中特別重視對環(huán)境噪聲的壓噪，通常采用在地面挖坑深埋檢波器來避免空氣中的音頻噪聲，也有挖坑埋設檢波器，采用地震檢波器防噪盔[5],但是在城市地震勘探中，受硬化地面限制，往往現(xiàn)有壓噪措施都無法順利實現(xiàn)，大多數(shù)情況下只能采用組合檢波加后期數(shù)據(jù)處理方式實現(xiàn)。本項研究試圖在城市地震勘探數(shù)據(jù)采集過程中，直接壓制音頻。城市地表可分為兩種情況：①城市綠化帶和一些空地可以正常埋置檢波器;在綠化帶和空地;檢波器可以正常埋置;組合檢波；②水泥混凝土地面和柏油路面，無法正常埋置檢波器，通常采用石膏粘接或者檢波器重靴安置檢波器。城市地震勘探中的干擾來自地面和空氣中，筆者專門針對空氣中傳播的聲噪開展降噪研究[6]，利用目前工業(yè)上獲得廣泛應用的聲障墻的材料，開展現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集實驗，以期找到減小聲波干擾進行噪聲壓制的有效辦法。

1 地震勘探設備選用

地震勘探采用美國Geometrics 公司生產(chǎn)的Geode地震儀，28Hz檢波器進行數(shù)據(jù)采集，北奧特種車有限公司生產(chǎn)的KZ28可控震源作激發(fā)震源。

2 地震降噪試驗內(nèi)容

聲學噪聲是地震記錄上常見的噪聲，主要來自于震源激發(fā)，在單炮記錄上表現(xiàn)為視速度為340 m/s的線性的相關噪聲。對于可控震源激發(fā)的記錄，在小偏移距的地震道還可以觀測到由震源機械工作產(chǎn)生的噪聲。在城市環(huán)境中，較強的環(huán)境噪聲也會造成地震記錄上部分隨機噪聲。

2.1 隔音降噪試驗

地震勘探中，環(huán)境噪聲在隨機噪聲中占有很大比重，而風噪和各種聲噪占據(jù)很大成分。本次研究首先分析地震記錄中的典型聲學噪聲的特點和產(chǎn)生原因，然后選用微孔聲障材料、透明聲障材料、發(fā)泡鋁材料、真空雙層金屬罩和水袋等材料制作了降噪裝置，并在室內(nèi)對比了各種裝置的隔音效果。

城市環(huán)境中各種各樣的聲音通過空氣傳播直接被檢波器接收[7]，在炮集上表現(xiàn)的斜率-速度為340 m/s的聲噪。降低聲噪或者消除聲噪通常有前期的物理降噪和后期的數(shù)字處理降噪。前期的數(shù)據(jù)采集時物理方法降低聲噪更直接有效。聲噪的物理阻斷方法有很多：①吸音聲障材料隔斷;②給聲音傳播增加一個屏蔽層，使其產(chǎn)生衰減達到隔斷作用。

圖 1為第一類隔斷聲音傳播常見材料：發(fā)泡鋁、微孔聲障材料、右透明聲障材料。它們的特點是直接吸收聲音。發(fā)泡鋁除了超輕的特性外，具有吸音，隔音，吸能及電子屏蔽電磁波的作用，這些特性使它在軍事，火車，輪船，建筑等領域受到廣泛重視。

圖1 幾種降噪裝置Fig.1 Several noise reduction devices

水袋降噪是屬于第二類降噪裝置，是在檢波器周圍建立聲音屏蔽層，聲噪由空氣-水袋-空氣-檢波器傳播過程，產(chǎn)生衰減達到降噪目的(圖2)。

圖2 水袋降噪裝置Fig.2 Water bag noise reduction device

真空雙層金屬罩降噪裝置(圖3)是由真空不銹鋼器皿構成的，像保溫瓶那樣在雙層玻璃中間有銀鍍層，抽真空后密封即可保溫、隔熱、阻礙聲音傳播。

在室內(nèi)采用固定聲源持續(xù)穩(wěn)定發(fā)聲，測量有降噪裝置和無降噪裝置，分貝差異，檢驗隔音降噪效果，統(tǒng)計如表1所示。

表1 室內(nèi)隔音降噪試驗比對表Tab.1 Comparison table of indoor sound insulation and noise reduction test

圖3 真空雙層金屬罩降噪裝置Fig.3 Vacuum double-layer metal cover noise reduction device

2.2 降噪材料試驗布置

為驗證幾種優(yōu)選降噪裝置在實際地震勘探數(shù)據(jù)采集中各種裝置降噪效果與施工便利性，開展了野外單炮記錄的降噪實驗，先后試驗了填土掩埋法、真空盆覆蓋法和水袋覆蓋法等。

地震波激發(fā)時震源激發(fā)的聲波，在地震記錄上表現(xiàn)為速度為340 m/s的高頻同相軸，容易辨識且出現(xiàn)具有極高的可重復性。因此本次降噪試驗對比重點研究了各種降噪方法，對由震源激發(fā)所引起的聲波干擾的壓制作用[8]。為檢驗對比工作的重復性和選取合適的分析窗口，首先進行了偏移距試驗。布置了72道2 m道間距的檢波器排列，其中1道～24道與25道～48道為同一位置重復布置的對比檢波器組。采用錘擊震源在第49道位置激發(fā)。試驗結(jié)果見圖 4，速度為340 m/s的聲波在地震記錄上清晰可見，當偏移距大于24 m之后，聲波與面波易于分離。同一位置的兩組檢波器波形一致性好。因此選取偏移距為26 m～50 m范圍的檢波器道進行聲波降噪試驗對比。

圖4 分析窗口試驗Fig.4 Analysis window test

一共開展了四組對比試驗，試驗方法是在同一位置布置兩組24道檢波器，采用24磅重錘在最小跑間距為26 m的位置激發(fā)，中間激發(fā)觀測系統(tǒng)。

2.2.1 填土掩埋法和地表插置的檢波器對比

填土掩埋法既將檢波器挖坑埋置，試圖用土來隔絕聲波。試驗結(jié)果如圖 5所示，1道～12道為填土掩埋的檢波器，24道～48道為地表插置的檢波器。從結(jié)果可以看到，聲波在1道～48道上都能明顯看到聲波干擾。填土掩埋法并不能壓制聲波干擾。

圖5 填土掩埋法和地表插置檢波器單炮記錄對比Fig.5 Comparing the single shot records of the earth-filling method and the ground surface geophone

2.2.2 水袋覆蓋法和填土掩埋法對比

1道～24道在檢波器上覆蓋水袋使之與空氣隔絕，25道～28道為填土掩埋的檢波器，二者并排布置。試驗結(jié)果如圖 6所示，由于水袋的存在，地震記錄中的1道～24道對聲波噪音較25道～48道略有減弱，且波形由于聲波在空氣水界面的投射與反射作用，變得較為破碎。

圖6 水袋覆蓋法和填土掩埋法單炮記錄對比Fig.6 Comparison of single shot records between water bag cover method and earth fill method

2.2.3 真空盆覆蓋法和水袋覆蓋法對比

最后對比了真空盆覆蓋法和水袋覆蓋法，其中1道～24道為真空盆覆蓋，25道～48道為水袋覆蓋。結(jié)果如圖 7所示，經(jīng)過多次疊加后，地震記錄上能夠看到高頻的聲波干擾，真空盆覆蓋對聲波的衰減要優(yōu)于水袋覆蓋法。

圖7 真空盆覆蓋法和水袋覆蓋法單炮記錄對比Fig.7 Comparison of single shot records between vacuum basin covering method and water bag covering method

2.2.4 真空盆覆蓋法和填土掩埋法對比

1道～24道為填土掩埋的檢波器，25道～28道為在檢波器上覆蓋真空盆使之與空氣隔絕，二者并排布置。試驗結(jié)果如圖 8所示，由于聲波不能在真空中傳播，真空盆隔絕了部分聲波，使得地震記錄中的25道～48道對聲波噪音較1道～24道有明顯地衰減。

圖8 真空盆覆蓋法和填土掩埋法單炮記錄對比Fig.8 Comparison of single shot records of vacuum basin covering method and filling and burying method

2.2.5 地震剖面測量對比試驗

在野外降噪試驗結(jié)果的基礎上，選用水袋覆蓋法在北京通州開展了地震剖面測量對比試驗[9-10]。試驗區(qū)位于北京市通州區(qū)雙埠頭村，測線長度為沿路近東西向布置，長度為1 075 m。測線東南西面分別為東六環(huán)、潞苑北大街和201省道，交通繁忙。測線北距雙埠頭村村民聚居地約380 m，人文活動較為頻繁。多條高壓線穿過測線，電磁干擾較為明顯，施工區(qū)為典型的城市高背景噪聲環(huán)境。采用Geode地震儀，28 Hz檢波器進行數(shù)據(jù)采集，KZ28可控震源作激發(fā)震源。采集參數(shù)如下：掃描頻率為10 Hz ～130 Hz，掃描長度為12 s，記錄長度為2 s，記錄道數(shù)為216道，道間距為5 m，炮間距為20 m，采樣率為1 ms，采用固定排列接收。為對比水袋覆蓋法降噪效果，在試驗測線上用同一套儀器和震源以及相同的采集參數(shù)，分別采集了檢波器上覆蓋水袋和直接暴露在空氣中的兩組數(shù)據(jù)進行對比。從圖9可以看到，相同位置上兩個炮集直達波、折射波、反射波面波具有高度的一致性，說明試驗重復性好。由圖9(b)可以清晰看到,可控震源激發(fā)的聲波干擾(黑框位置)，由圖9(a)可以看到，聲波的干擾被有效壓制了。除此之外，總體上來說，覆蓋水袋的記錄上雜亂的環(huán)境噪聲影響看上去要比未做降噪處理的地震記錄要小，但由于二者并非是同一時間采集，因此不能嚴格論證降噪效果。

圖9 降噪試驗單炮對比Fig.9 Comparison of single shots in noise reduction test(a)采用水袋覆蓋地震記錄;(b)未做降噪處理的地震記錄

數(shù)據(jù)處理在Omega地震數(shù)據(jù)處理平臺上開展，兩套數(shù)據(jù)采用了同一流程，主要包括有空間屬性建立、靜校正處理、振幅處理、干擾波消除、疊前反褶積、速度分析、剩余靜校正和疊加等。

對比圖 10(a)和圖10(b)可以看出，兩組數(shù)據(jù)反映的地下反射界面的信息高度一致，基巖界面清晰可見，第四系內(nèi)部也存在較好的分層。在反射較弱的區(qū)域(箭頭所指)，可以看到，采用水袋覆蓋降噪裝置的剖面反射軸的能量，要略強于未作降噪處理的剖面。在1 s 以下反射波能量很弱的區(qū)域(黑框區(qū)域)，采用水袋覆蓋法降噪的剖面中的隨機噪音要弱于未做降噪處理的剖面。

圖10 降噪試驗地震剖面對比Fig.10 Comparison of seismic profiles of noise reduction test(a)采用水袋覆蓋地震記錄;(b)未做降噪處理的地震記錄

3 結(jié)束語

通過現(xiàn)場不同場景的對比試驗結(jié)果，筆者認為要實現(xiàn)完全壓制聲噪干擾很困難，聲音在空氣中傳播到檢波器附近時會產(chǎn)生能量足夠被檢波器感應到的震動，而這種震動可以通過檢波器周圍的罩子、地面、空氣等傳導至檢波器。雖然水袋覆蓋法能在一定程度上降低聲噪干擾，但是卻不能完全消除。

1)填土法對聲波衰減效果不明顯，原因可能是檢波器埋置深度不夠，聲波造成的地表振動依然能夠傳播到檢波器上。

2)由于聲波不能在真空中傳播，真空盆覆蓋法對聲波的衰減作用較為明顯，但在硬化路面布置較為困難，且成本高。

3)由于水和空氣存在較大的阻抗差異，聲波在通過水/空氣界面時將損失較多的能量，因此水袋覆蓋法也能起到對聲波的衰減作用。然而由于聲波依然可以在水中傳播，加之覆蓋范圍有限而且覆蓋不能做到完全緊密，所以也不能完全隔絕聲波噪聲，但是水袋覆蓋法材料成本低，由于水袋的形狀的可塑性，在硬化路面也可以做到對不同類型檢波器的貼合。因此，水袋覆蓋法是在城市地下空間地震勘查中較為適宜的聲學降噪方法。