兩種可控震源的淺層地震六分量波場特征

李 維，郭高源，王 赟，張丁凡，曹瑜珈，吳志芳，張寶劍，錢榮毅

(1.中國地質(zhì)大學(xué) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.中國地質(zhì)大學(xué) “MWMC”研究組，北京 100083；3.杭州友孚科技有限公司，杭州 浙江 311200；4.中國地震局 地球物理研究所，北京 100081；5.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣州 廣東 510225；6.福建省地震局，福州 福建 350001)

1 引 言

三維固體空間中任意一點在受外力作用情況下發(fā)生變形和位移，除產(chǎn)生平移位移外(記錄在平動三分量上)，還會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，記錄在旋轉(zhuǎn)三分量上[1,2]，一般稱之為六分量記錄。傳統(tǒng)檢波儀器只記錄了平動三分量，旋轉(zhuǎn)地震儀可記錄旋轉(zhuǎn)三分量。由于地震動的旋轉(zhuǎn)分量較弱，對觀測儀器靈敏度要求較高，早期由于旋轉(zhuǎn)地震儀發(fā)展并不成熟，旋轉(zhuǎn)運動并未引起人們的足夠重視[3,4]。隨著近些年現(xiàn)代傳感和信息技術(shù)的發(fā)展，多種旋轉(zhuǎn)地震儀獲得了較快的發(fā)展，觀測和利用地震動的旋轉(zhuǎn)信號成為當(dāng)前地震學(xué)研究的熱點[5]。

近20年來，旋轉(zhuǎn)地震觀測在天然地震與火山活動監(jiān)測、勘探地震和淺層地震工程勘查以及地震對建筑影響評價等多個領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān)注、試驗和應(yīng)用[6]。其中，與淺層工程勘查相關(guān)的，Igel等[7]給出了利用六分量地震的水平向平動加速度與垂直旋轉(zhuǎn)率速近似求取水平相速度的新方法，成為工程地震中利用六分量觀測反演淺層橫波速度結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)[8]。Barak等[9]提出利用奇異值分解可實現(xiàn)不同分量上面波和體波的識別與提取，以用于不同的勘探目的。在Igel等人工作的基礎(chǔ)上，Lin等[10]利用天然遠(yuǎn)震六分量地震記錄獲得瑞雷波相速度，進而反演上地殼淺層橫波速度；Moro等[11，12]和討論了利用單點或排列上觀測的六分量地震記錄，聯(lián)合Rayleigh和Love面波進行淺層橫波速度結(jié)構(gòu)的反演；Schmelzbach等[13]則進一步提出利用稀疏的六分量觀測替代密集排列觀測，可大幅度降低采集成本，實現(xiàn)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的屬性反演。Sollerger等[14]證明了在單一臺站平動三分量偏振分析法無法分離時域重合的波場，聯(lián)合利用旋轉(zhuǎn)分量有利于有效分離時域重合的波場。

由于城市地震勘查特殊環(huán)境的要求，除傳統(tǒng)的重錘和機械式可控震源車外，電火花和甲烷氣爆震源在國內(nèi)不同地區(qū)的淺層工程勘查中進行了有益的嘗試[15-18]。由于頻帶寬，主頻高，且相對綠色環(huán)保，國內(nèi)曾在廣州城區(qū)的淺層速度調(diào)查試驗了這兩種震源；地震觀測中，除記錄了傳統(tǒng)的平動三分量加速度外[19]，還利用北京大學(xué)研制的光纖旋轉(zhuǎn)地震儀[20,21]記錄了旋轉(zhuǎn)三分量記錄。盡管天然地震領(lǐng)域已對六分量記錄特征進行了詳細(xì)的觀測、分析和研究，但在主動源激發(fā)條件下，不同類型震源及其激勵的旋轉(zhuǎn)運動特征研究較少。因此，有必要從不同源類型以及旋轉(zhuǎn)運動特征差異的角度探索兩種源和旋轉(zhuǎn)觀測應(yīng)用于淺層勘查的適用性與可行性。

2 觀測試驗

2.1 地質(zhì)背景

本次試驗主要位于廣州市區(qū)。廣州市區(qū)以第四系海陸沖積層為主，淤泥與砂層厚度大，一般大于20～50 m，沖積層主要由粗砂、沙礫堆積物組成；市區(qū)珠江兩岸和南沙區(qū)淤泥及砂層厚度大，在南沙區(qū)，淤泥及夾砂淤泥層厚達25～45 m；珠江三角洲的平原區(qū)沉積土厚度一般為20～60 m，最厚83 m，軟土厚度在中、北部地區(qū)多為5～20 m，南部濱海平原區(qū)達25～45 m；基巖為白堊系、第三系紅色碎屑巖沉積，屬于軟質(zhì)巖；膠結(jié)物為鈣鐵硅質(zhì)的碎屑巖屬硬質(zhì)巖；低丘地區(qū)含花崗巖、變質(zhì)巖、隱伏灰?guī)r等硬質(zhì)巖，巖溶土洞發(fā)育；沿海還存在填土結(jié)構(gòu)[22,23]。廣州地處亞熱帶，雨量充沛，地下水發(fā)育，是復(fù)雜地質(zhì)條件產(chǎn)生次生災(zāi)害的主要因素之一[24]，因此，探明市區(qū)淺層速度結(jié)構(gòu)是城市規(guī)劃、建設(shè)和運行管理中的關(guān)鍵性基礎(chǔ)工作。

2.2 數(shù)據(jù)采集

本次甲烷爆炸震源共采集了12震源點的觀測數(shù)據(jù)，編號如表1所示，震源埋深均為10 m，引爆能量6.7MJ,每處震源點設(shè)置了1或2個觀測點，其中3個震源點及其對應(yīng)的接收點位于佛山市，9個震源點及其對應(yīng)的接收點位于廣州市區(qū)(圖1a)，其中S25和S15的觀測系統(tǒng)如圖1(b)、圖1(d)所示。電火花震源試驗只有1個震源點和1個接收點，位于廣州市南沙區(qū)；進行信號激發(fā)時，將電極放置在小河底固定的位置，進行一段時間內(nèi)的多次激發(fā)，均使用相同震源參數(shù)，在距震源約141 m遠(yuǎn)處的固定觀測點進行信號接收(圖1c)。甲烷爆炸震源和電火花震源的每一個觀測點都采集了南北向、東西向和垂直向下方向的平動加速度以及繞這三個軸的旋轉(zhuǎn)速率，共六個分量的數(shù)據(jù)，其中平動加速度數(shù)據(jù)采樣頻率200 Hz，旋轉(zhuǎn)速率采樣頻率為250 Hz。

圖1 工區(qū)概況和測線布置Fig.1 Geographic map of work area注：圖(a)黃色虛線外點位于廣州市，其余位于佛山市；圖(b)、(d)中紅色為源點，藍色為檢波點;圖(c)中紅色為檢波點，藍色為源點

表1 甲烷震源及對應(yīng)觀測點情況

2.3 數(shù)據(jù)處理

將10次電火花震源信號從長時間的地震記錄中截取出來，并從這10次地震信號數(shù)據(jù)在主頻帶的相位譜，圖2中，可以看出10次數(shù)據(jù)在5～20 Hz的一致性較好，高頻較差，與實際電火花震源的主頻是20 Hz有關(guān)，因此對數(shù)據(jù)進行疊加處理，以獲得信噪比較高的目標(biāo)信號。同時對甲烷爆炸震源和電火花震源激發(fā)采集的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括去均值、去線性趨勢和波形尖滅以及RT旋轉(zhuǎn)，將采集到的南北向(North-South, NS)、東西向(East-West, EW)和地向(Underground, UD)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為徑向(Radial,R)、切向(Transverse,T)和垂向(Vertical,Z)數(shù)據(jù)，以便于進一步的分析使用。

圖2 電火花震源10次采集數(shù)據(jù)的相位譜Fig.2 Phase spectra of observed data for 10 times by electric spark source

3 數(shù)值模擬與分析

3.1 建模與模擬參數(shù)

將廣佛地區(qū)的地質(zhì)資料、巖土地層的歸一性劃分方案[23]與在廣州市進行的地質(zhì)調(diào)查獲得的地震橫波勘探結(jié)果，結(jié)合波速測井劃分的第四紀(jì)松散層層序劃分的結(jié)果[25]，設(shè)置數(shù)值模擬的地層模型介質(zhì)參數(shù)見表2。

表2 數(shù)值模擬淺層模型參數(shù)

在震源能量設(shè)置時，由于地下介質(zhì)實際情況復(fù)雜且未知，且甲烷震源具有一定的埋深，因此爆炸做功能力參數(shù)[26]無法確定，本文數(shù)值模擬時，直接將甲烷震源引爆的總能量6.7 MJ視為震源處的震源振幅系數(shù)與模擬中的地震子波相乘。

根據(jù)表2的地層劃分以及震源的能量設(shè)置，進行二維各向同性半空間介質(zhì)中的數(shù)值模擬。在模型的上邊界采用自由表面條件，模擬自由地表[27]；在左、下和右邊界采用人工吸收邊界條件，吸收地震波能量，模擬半無限空間。設(shè)置數(shù)值模擬的時間差分精度為2階，空間差分精度為6階，時間采樣間隔0.1 ms，X和Z方向網(wǎng)格間距均為2 m。震源子波使用Ricker子波，通過將子波加載在X和Z方向的應(yīng)力分量上的爆炸震源來模擬甲烷爆炸震源；由于電火花震源的方向性較好，將子波加載到Z向速度分量的Z向集中力源來模擬電火花震源；根據(jù)實際震源激發(fā)時的情況，將爆炸震源點設(shè)置于自由地表以下10 m處，Z向集中力源設(shè)置于自由地表以下4 m處，接收線放置在自由地表處，采用單邊觀測系統(tǒng)。

3.2 理論波場與觀測記錄對比

3.2.1 甲烷震源

選擇甲烷震源的震源點S15的兩個接收點的實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進行對比分析，其中，S15的近源觀測點與震源相距約97 m，遠(yuǎn)源觀測點與震源點距離約335 m，觀測系統(tǒng)如圖1 (d)所示。

將實測數(shù)據(jù)與二維三分量模擬數(shù)據(jù)進行對比，進行比較的分量為實測數(shù)據(jù)的R、Z方向平動分量和T向旋轉(zhuǎn)分量(RT)，對應(yīng)模擬數(shù)據(jù)的X、Z方向平動分量和Y方向旋轉(zhuǎn)分量(RY)。對模擬數(shù)據(jù)進行減采樣至與實測數(shù)據(jù)頻率相同，并將數(shù)值模擬中直接記錄的平動分量速度(m·s-1)進行一階時間求導(dǎo)計算,得到與實測數(shù)據(jù)物理單位一致的加速度(m·s-2)，記錄的旋轉(zhuǎn)分量均為旋轉(zhuǎn)速率(rad·s-1)。

進行爆炸源數(shù)值模擬時，將子波主頻設(shè)置為20 Hz，理論地震記錄如圖3所示。從圖3可以看出：X、Z、RY三個分量上都有能量較弱的直達、折射和反射波以及能量較強的面波。從模擬的結(jié)果中抽取與甲烷震源S15近、遠(yuǎn)觀測點相同偏移距的單道記錄，與實測數(shù)據(jù)對比時域波形，結(jié)果如圖4與圖5所示?？梢钥闯?，實際記錄以面波為主，幾乎看不見弱能量的反射波，說明實際地層對地震波吸收衰減作用很強。

圖4 甲烷震源S15近源點單道記錄Fig.4 Single trace waveform records by methane source in near receiver of source No.15

圖5 甲烷震源S15遠(yuǎn)源點單道記錄Fig.5 Single trace waveform records by methane source in far receiver of source No.15

從S15近源點觀測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的對比(圖4)中可以發(fā)現(xiàn)：二者的地震波震相吻合較好；模擬數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)都是平動Z分量能量最強，X分量次之；模擬和實際觀測的平動和旋轉(zhuǎn)分量振幅相差2個數(shù)量級，能量差較大。主要原因有兩個：一是模擬中使用的震源子波振幅系數(shù)為震源的引爆能量，但實際震源引爆能量絕大部分都會在源區(qū)損耗，小部分以彈性波的能量向外傳播，振幅傳播能量轉(zhuǎn)換率遠(yuǎn)小于1，但模擬中設(shè)置為1；二是數(shù)值模擬假設(shè)均勻彈性介質(zhì)，未考慮實際介質(zhì)的黏彈性對地震波的吸收衰減。

圖5為S15遠(yuǎn)源點觀測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的對比。除與圖4顯示相同的規(guī)律外，不同的是，遠(yuǎn)源點的平動分量實測數(shù)據(jù)較模擬數(shù)據(jù)弱了3個數(shù)量級，旋轉(zhuǎn)分量弱了2個數(shù)量級。與近源點觀測數(shù)據(jù)對比，振幅均進一步衰減，但平動分量振幅減小了1個數(shù)量級，而旋轉(zhuǎn)分量振幅衰減非常少，并且近源點觀測數(shù)據(jù)的頻率明顯高于遠(yuǎn)源觀測點的頻率，這與地震波傳播時的幾何擴散和吸收衰減作用相關(guān)。需要特別說明的是：近、遠(yuǎn)源點實際觀測數(shù)據(jù)的對比特點——平動分量衰減較快，旋轉(zhuǎn)分量衰減較慢，與天然地震領(lǐng)域已有的認(rèn)識[5,28]是相反的。這說明甲烷爆炸震源作為淺層工程地震中的人工可控震源，在300多米的距離也可以激發(fā)足夠強度的旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)分量的觀測是可行的。

上述分析的結(jié)論也可以從功率譜的對比中得到佐證。圖6為S15近、遠(yuǎn)接收點觀測數(shù)據(jù)的六分量功率譜，顯然，平動分量的高頻信號功率衰減了許多，三個分量的功率大幅減小；旋轉(zhuǎn)分量除了高頻信號衰減較明顯外，整體功率衰減較少，并且在10～30 Hz頻帶內(nèi)的功率增強，由于在平動分量上該頻帶的功率幾乎沒有增強，因此可能是地層的不均勻性引起的。

圖6 S15近、遠(yuǎn)接收點的六分量功率譜Fig.6 Six-component power spectra of observed data in near and far receivers of source No.15

3.2.2 電火花震源

根據(jù)電火花震源實際地震記錄的頻譜特征，設(shè)子波主頻為15 Hz。鑒于實際采集過程中震源能量未知，因此模擬時使用與甲烷震源相同的能量參數(shù)。模擬獲得如圖7所示的三分量記錄，圖中主要能量明顯為面波，反射波與直達波能量較弱。

圖7 Z向集中力源理論地震記錄Fig.7 Theoretical seismic records by Z-directional concentrated force source

抽取偏移距140 m的單道記錄，與疊觀測數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果如圖8所示。由圖8可見，模擬結(jié)果和實測數(shù)據(jù)波形、震相、走時特征差異均很大，這是由于電火花震源在水中激發(fā)，實際記錄為多次連續(xù)激發(fā)疊加的結(jié)果，而數(shù)值模擬為固體層模型中的單次激發(fā)結(jié)果。由于采用相同震源能量，因此電火花理論模擬結(jié)果與爆炸震源模擬結(jié)果的振幅量級近似；但在141 m觀測的電火花信號能量比甲烷震源335 m的遠(yuǎn)源點的能量更弱，比理論模擬能量進一步減弱了一個量級。因此，與甲烷爆炸震源激發(fā)的六分量記錄相比，電火花震源激發(fā)的平動和旋轉(zhuǎn)分量弱了許多，電火花震源激發(fā)能量有限。

圖8 電火花震源單道記錄Fig.8 Single trace waveform records by spark source

3.3 兩種可控震源分析

3.3.1 電火花震源

對電火花震源激發(fā)的六分量地震數(shù)據(jù)進行時頻譜與振幅譜分析，結(jié)果見圖9、圖10，圖中顯示電火花震源的主能量以20 Hz以下的低頻為主，頻帶較窄，且平動分量比旋轉(zhuǎn)分量強近40 dB；低頻信號存在頻散現(xiàn)象，應(yīng)是以面波為主。在時頻譜圖9中，各個分量的能量團位于不同的低頻帶中：平動的R、T分量以較高頻為主，Z分量以低頻為主；旋轉(zhuǎn)分量中的R分量以低頻能量較強，T分量以高頻為主，而Z分量由低頻至高頻都有較強能量。平動和旋轉(zhuǎn)分量的不同的時頻特點提示利用旋轉(zhuǎn)分量可能提供額外的不同于平動分量的有效信息。

圖9 電火花觀測數(shù)據(jù)時頻譜Fig.9 Time-frequency spectra of observed data by spark source

圖10 電火花震源六分量振幅譜Fig.10 Six-component amplitude spectra of observed data by spark source注：實線為平動分量；虛線為旋轉(zhuǎn)分量

利用平動R、T、Z三分量數(shù)據(jù)繪制質(zhì)點矢端偏振圖，通過質(zhì)點在三個平面上的偏振特點判斷地震波的類型。將電火花震源記錄分為0～0.7 s、0.7～1.4 s、1.4～2.0 s三個時窗，根據(jù)其時頻特點對感興趣的信號進行帶通濾波再繪制矢端圖。圖11為0.7～1.4 s的矢端圖，從圖11中看到質(zhì)點的橢圓偏振較強，地震信號在10 Hz以下頻帶中含有能量很強的Rayleigh面波；1.4 s以后，如圖12所示，8 Hz以下面波能量減弱，體波較強，在8～14 Hz存在較強面波信號。從各時窗的矢端圖推斷電火花震源的頻帶中，有能量較強的是Rayleigh面波，除此之外，R、T分量上較強的能量說明還存在Love面波。

圖11 0.7～1.4 s時窗濾波后矢端圖Fig.11 Particle polarization diagram after band-pass filtering from 0.7 seconds to 1.4 seconds

圖12 1.4～2.0 s時窗的濾波后矢端圖Fig.12 Particle polarization diagrams after band-pass filtering from 1.4 seconds to 2.0 seconds

3.3.2 甲烷震源

甲烷震源S25的兩個接收點分別位于珠江兩側(cè)，源檢距分別約為212 m和727 m，觀測系統(tǒng)如圖1(b)所示，其中近源點與震源在珠江的同側(cè)，遠(yuǎn)源點位于另一側(cè)。從兩個觀測點的六分量時頻譜圖13和圖14可以看出：甲烷震源激發(fā)的地震信號頻率豐富，與電火花震源明顯不同。近、遠(yuǎn)源點時頻譜特征對比顯示：近源點旋轉(zhuǎn)分量上高頻信號能量突出，遠(yuǎn)源點觀測數(shù)據(jù)除了整個頻段的能量衰減外，10 Hz以下的低頻信號能量相比近源點減弱非常明顯，高頻信號也有所減弱，估計是珠江河道對面波傳播產(chǎn)生的影響。

圖13 S25近源接收點觀測數(shù)據(jù)時頻譜Fig.13 Time-frequency spectra of observed data in near receiver of source No.25

圖14 S25遠(yuǎn)源接收點觀測數(shù)據(jù)時頻譜Fig.14 Time-frequency spectra of observed data in far receiver of source No.25

從近、遠(yuǎn)接收點的六分量振幅譜(圖15)可以看出：平動與旋轉(zhuǎn)分量上的主頻能量在近、遠(yuǎn)接收點處存在近20 dB的衰減；近源點的高頻成分在遠(yuǎn)源點上明顯衰減，旋轉(zhuǎn)分量上的高頻成分衰減更明顯，與時頻特點相同；在近源點50～90 Hz的高頻段平動與旋轉(zhuǎn)分量均存在較強能量，說明甲烷氣爆震源頻帶較寬。

圖15 S25的六分量振幅譜Fig.15 Six-component amplitude spectra of observed data by source No.25

分別對S25的近、遠(yuǎn)源點觀測數(shù)據(jù)做40 Hz以上的高通濾波，繪制矢端圖，如圖16所示，近源點結(jié)果中看不到明顯的橢圓偏振或線性偏振，應(yīng)該是面波和體波產(chǎn)生了混疊；遠(yuǎn)源點則是以線性偏振的體波為主，估計是河流造成面波衰減，使遠(yuǎn)源點的體波得到凸顯。而在近源點時頻譜圖14中，40 Hz以上高頻信號在旋轉(zhuǎn)分量中能量非常強，結(jié)合矢端圖分析可以認(rèn)為高頻面波在旋轉(zhuǎn)分量更加明顯，說明旋轉(zhuǎn)分量有助于提供高頻面波信息。

圖16 S25觀測數(shù)據(jù)40 Hz高通濾波后矢端圖Fig.16 Particle polarization diagrams of observed data of source No.25 after 40 Hz high-pass filtering

從S25近源點的記錄中截取出1.0～3.0 s時窗。從帶通濾波后的矢端圖(圖17)結(jié)合其時頻譜圖13和圖14可看出：質(zhì)點的橢圓偏明顯，說明近源點1.0 s之后10 Hz以下為能量非常強的面波，該信號在近源點時頻譜上能量很強，在遠(yuǎn)源點時頻譜上能量非常弱，河道減弱了該頻段的面波信號。

圖17 S25近源點1.0～3.0 s時窗濾波后矢端圖Fig.17 Particle polarization diagram after band-pass filtering from 1 second to 3 seconds in near receiver of source No.25

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬以及野外現(xiàn)場的兩種震源試驗數(shù)據(jù)分析，可以獲得如下結(jié)論：

1)甲烷爆炸震源激發(fā)的六分量地震信號，頻帶寬、能量強，在300多米距離內(nèi)可觀測到平動分量衰減較快，旋轉(zhuǎn)分量衰減較慢的特點，且旋轉(zhuǎn)分量具有足夠能量，因此在淺層工程地震中，旋轉(zhuǎn)分量的觀測是可行的；

2)河道會使六分量地震信號中10 Hz以下的面波信號大幅衰減，也會一定程度上使在旋轉(zhuǎn)分量上更為凸顯的高頻信號能量衰減；

3)電火花震源激發(fā)的地震信號，頻帶窄、能量較弱，其中平動與旋轉(zhuǎn)分量的頻率響應(yīng)差異較大，因此旋轉(zhuǎn)分量的觀測能夠提供平動分量以外的有效信息；并且信號包含較強的面波信號，旋轉(zhuǎn)分量可在面波信息發(fā)掘中發(fā)揮作用；

致謝 感謝北京大學(xué)電子工程與計算機科學(xué)學(xué)院李正斌教授團隊和中國地震局地球物理研究所李彩華研究團隊提供的六分量觀測數(shù)據(jù)。