微動線型臺陣快速探測方案設計

李得博 李井岡 廖武林

1 中國地震局地震研究所,武漢市洪山側路40號,430071 2 中國地震局地震大地測量重點實驗室,武漢市洪山側路40號,430071 3 湖北省地震局,武漢市洪山側路48號,430071

微動臺陣探測是從臺陣采集的微動信號中提取瑞雷波頻散曲線,反演得到地下介質橫波速度結構的一種新興天然源面波探測方法[1]。該方法具有抗干擾能力強、場地限制小、勘探耗時短等優(yōu)勢[2],在工程領域受到廣泛關注[3-6]。利用微動進行二維剖面探測需要大量觀測儀器,但儀器數量相對整個測線是有限的,為克服該難題,可開展?jié)L動式數據采集,這種數據采集方式特別適合于因有建筑物等限制,通常只能沿交通公路采用線型臺陣進行觀測的城市區(qū)域[7]。同時,文獻[8-9]將主動源面波多道分析(MASW)中共中心點成像的概念引入微動探測,提出共中心點(CMP)道集重組分析方法,可有效提高微動探測的效率和適用性,在城區(qū)淺層地質調查中具有較好的應用效果。

本文根據微動線型臺陣高效滾動的觀測特點與共中心點道集重組的基本原理,結合實踐經驗,設計一套適應于不同微動線型臺陣的快速探測方案輸出系統(tǒng),并討論不同參數下理論輸出方案的特點,再通過城區(qū)具體場地進行實驗觀察,以分析其可行性和有效性。

1 方案設計

1.1 基本原理

本文方案設計原理如圖1所示,圖中空心圓為檢波器位置,實心圓為互相關中點,共中心點(CMP)為用于計算互相關的檢波器對中點位置。通常1個排列中檢波器自相關計算僅得到1個共中心測點;道集重組后,檢波器1、2、3組成的CMP道集1和檢波器2、3、4組成的CMP道集2可分別進行自相關計算,得到2個測點。

圖1 共中心點道集重組分析概念圖Fig.1 Conceptual diagram of common midpoint(CMP) gather rearrangement analysis

對每組CMP道集采用SPAC法提取頻散曲線。假設微動在時空上符合平穩(wěn)隨機過程,且以基階面波為主,經初步計算,微動記錄f、g的相關系數COHf,g(ω,r)為:

(1)

式中,ω為角頻率,r為檢波器對間距,Af(ω)和Ag(ω)分別為f和g的自功率譜,CCf,g(ω,r)為f和g的互功率譜,Re(·)為取復數實部。對f和g的相關系數方位平均后得到空間自相關系數SPACf,g(ω,r),其計算公式為:

(2)

式中,φ為方位角。將空間自相關系數擬合第一類零階Bessel函數,最小誤差ε為:

(3)

式中,J0(·)為第一類零階Bessel函數,c(ω)為瑞雷波相速度,m為檢波器對個數。

1.2 參數及流程

已知檢波器總數為Q,目標探測深度為H,橫向探測精度為D,理論探測長度為Xg。1個排列中包括多組CMP道集,每組CMP道集中參與空間自相關計算的道數(即分組道數)為a,臺間距為d,測點數為b。規(guī)定測線前進方向為前方,第1次排列結束后依次移動后方N道至測線前方,沿測線如此重復滾動n次,完成(n+1)個排列,可得到總測點數S、實際探測長度X、儀器布設里程L和預估探測總用時T。

根據野外觀測及工程實踐經驗:1)目標探測深度約為最大計算距離的5倍,最大計算距離指CMP道集中自相關計算中心與最遠檢波器的距離;2)1次排列同步采集時長為30 min,單次移臺損失時長約為10 min。為保證數據質量,通常采集時長不小于15 min,周圍環(huán)境有明顯干擾時可適當延長觀測時間;數據采集所用儀器集成度高、輕量便攜,單次移臺損失時間僅依據臺陣規(guī)模和作業(yè)人數來確定,一般為5～10 min。

圖2 參數計算流程Fig.2 Flowchart of parameter calculation

圖3 方案輸出系統(tǒng)界面Fig.3 Interface of scheme output system

1.3 方案對比

城區(qū)淺層探測一般布設半徑數米至數十米的小型臺陣,探測深度在100 m以內[10]。結合城市微動探測特點和儀器配置情況,將檢波器總數16臺、目標探測深度100 m、橫向探測精度(測點距)5 m、理論探測長度200 m作為城市道路淺層探測常規(guī)方案的輸入參數,并以此為基準,對比不同參數理論輸出方案的特點、優(yōu)勢或注意事項。

1.3.1 不同檢波器總數

結合圖4和表1可知,儀器數量小于單測點空間自相關計算所需道數時,輸出方案無效;而針對有效探測方案,隨著檢波器總數增加,分組道數相等,總測點數及實際探測長度基本不變,排列個數及探測用時顯著減少,探測效率大大提高。

表1 不同檢波器總數的輸出方案對比Tab.1 Comparison of output scheme for different number of geophones

圖4 不同檢波器總數的輸出方案Fig.4 Output scheme for different number of geophones

1.3.2 不同目標探測深度

結合圖5和表2可知,目標測深超出5倍最大計算距離時,輸出方案無效;針對有效探測方案,隨著探測目標深度增大,總測點數及實際探測長度基本保持不變,分組道數、排列個數及探測總用時顯著增加。值得注意的是,目標深度過淺導致分組道數減少,可能引起測點頻散成像的分辨率下降,實際觀測中應予以考慮。

表2 不同目標探測深度的輸出方案對比Tab.2 Comparison of output scheme for different target detection depths

圖5 不同目標探測深度的輸出方案Fig.5 Output scheme for different target detection depths

1.3.3 不同橫向探測精度(測點距)

結合圖6和表3可知,當測點距過小、探測深度較淺時,為達到目標測深,需更多檢波器參與自相關計算,致使超出儀器總數,輸出方案無效;針對有效探測方案,隨著橫向精度(測點距)增加,分組道數、排列個數及總測點數減少,相應的總探測耗時減小,實際探測長度不隨測點距發(fā)生顯著改變。橫向精度(測點距)過大雖能正常輸出方案,但對應分組道數減小可能導致測點頻散成像的分辨率下降,實際觀測中應予以考慮。

圖6 不同橫向探測精度的輸出方案Fig.6 Output scheme for different lateral detection accuracy

1.3.4 不同理論探測長度

結合圖7和表4可知,理論探測長度小于1個排列長度時,無需臺陣平移,輸出方案無效;針對有效探測方案,隨著理論探測長度增加,分組道數不變,頻散分辨率不變,但排列個數、總測點數及總用時呈線性增加,相應的工作量增大,實際探測長度趨近于理論值。

表4 不同理論探測長度的輸出方案對比Tab.4 Comparison of output scheme for different theoretical detection length

圖7 不同理論探測長度的輸出方案Fig.7 Output scheme for different theoretical detection length

2 現場實驗

2.1 場地及儀器

選取武漢市中心城區(qū)某瀝青道路(30.541°N,114.346°E)作為實驗觀測場地(圖8),場地總長80 m,可探測長約60 m,路面平整,周邊區(qū)域道路縱橫、建筑密布、車流量大,天然源較為豐富。

圖8 實驗場地Fig.8 Experimental site

實驗采用節(jié)點式UGL-3C檢波器,該設備集成度高、性能較好。UGL-3C記錄通道數為3道,固有頻率為4.5 Hz,內置GPS自動授時可保證臺站間時間同步性。選定采樣率為250 Hz,臺站有效同步觀測時間不小于30 min。實驗開始前將16臺儀器加裝三角錐,增強與地面耦合,并進行一致性檢測(圖9),結果表明,在有效頻段(1～25 Hz)內儀器的一致性較好,符合微動探測要求。

圖9 一致性檢測結果Fig.9 Consistency test results

2.2 數據采集

數據采集時,采用與檢波器匹配的UGL-3C探測系統(tǒng),該系統(tǒng)由主設備、路由站和檢波器組成[11],其優(yōu)勢在于:1)自動識別儀器編號與臺陣序號并進行配置;2)實時監(jiān)測數據采集質量并顯示各節(jié)點工作狀態(tài);3)人為發(fā)送控制指令啟動采集且數據通過Wi-Fi無線傳輸至主設備,能很好地配合實驗數據采集。

本文數據采集觀測方案由微動線型臺陣快速探測方案程序給出。由方案分析可知,檢波器總數越多探測越高效,因此將全部16臺檢波器均用于觀測;在有限長場地實現排列多次滾動觀測分析,確定探測深度為40 m,重點考慮橫向探測精度(測點距)。由圖10可知,當測點距為1 m時,儀器數量過少,不足以達到預估探測深度;當測點距為3 m時,臺站布設里程為105 m,超出場地總長,不符合要求;當測點距為4 m時,1次排列就有60 m,無法實現連續(xù)滾動觀測;而當測點距為2 m時,在該實驗場地可滾動觀測3次,完成4次排列,實際探測長度為62 m,儀器布設里程為78 m,符合場地要求。

圖10 現場實驗輸出方案Fig.10 Output scheme of field experiment

為提高數據質量,減小近源干擾,實驗選在05:00～07:00時段進行。首先沿測線將所有檢波器按2 m臺間距依次布設,并通過Wi-Fi路由站連接至主設備;然后設置臺間距、分組道數等排列所需參數,啟動采集;采集中檢波器狀態(tài)信息和瑞雷波垂直分量數據可無線傳輸至主設備,在此過程中可實時監(jiān)控各位置測點的完成進度;30 min后第1次排列采集結束,最終獲得8個測點格式為SG2的數據文件,包含臺陣中臺站的相對位置信息和波形數據。第1次排列數據采集過程如圖11所示。

圖11 第1次排列數據采集過程Fig.11 Data acquisition process in the first array

第1次排列采集結束后,按圖10(b)所示觀測方案,將后方8臺檢波器移至測線最前方對應臺站位置,進行下1次排列的數據采集,依次循環(huán)向前滾動3次,共完成4次排列,得到32個測點數據。在此過程中,通過主設備可一鍵設定坐標并啟動采集,僅需保證移臺時檢波器位置準確,可節(jié)省記錄坐標和等待授時的時間。采集結束后,整條測線共得到32個實際測點,探測長度為62 m,與理論參數一致,實際用時約2.5 h,與預估時長相符。

2.3 數據處理

在數據采集過程中已將截取和解編的測點數據以SG2格式文件通過Wi-Fi無線傳輸至主設備。對于單測點,僅需讀取CMP道集中帶有坐標及時長等參數的臺站波形記錄(圖12(a)),經濾波、去均值及去傾斜等預處理后即可計算出各臺站對空間自相關系數,擬合不同間距臺站對空間自相關系數(圖12(b))與第一類零階Bessel函數單調遞減部分,得到測點頻散譜(圖12(c))。

圖12 實測頻散曲線提取過程Fig.12 Extraction process of measured dispersion curve

對于城區(qū)淺層地下空間結構探測,通常僅需了解地層剖面速度的相對變化,利用式(4)計算一維視橫波速度,可避免反演多解性,較快地反映地層速度的相對變化[12]:

(4)

式中,vx,i為第i個頻率值的視橫波速度,vr,i為第i個頻率值的瑞雷波速度,ti為對應頻率值的周期。依次循環(huán)計算32個測點的頻散曲線,再運用克里金插值法進行橫向插值,即可快速獲得橫向精度為2 m的微動二維視橫波速度剖面(圖13)。

圖13 二維視橫波速度剖面Fig.13 2D apparent S-wave velocity profile

3 結 語

微動線型臺陣探測具有抗干擾性強、場地限制小、勘探耗時短的特點,在城市地層勘探方面具有較大優(yōu)勢。通過研究微動線型臺陣快速探測方案,能夠根據場地條件和設計要求確定主要采集參數,制定合理觀測方式,提高外業(yè)觀測效率,為臺陣布設和平移提供參考,適用于城市淺地表、長距離、高精度勘探。

微動線型臺陣快速探測方案可借助高集成探測系統(tǒng)(如UGL-3C)實現實時監(jiān)控、無線傳輸及自動截取等功能,后期可進一步優(yōu)化探測過程,使該方案具有更高的應用價值,以滿足城區(qū)淺層微動精細化和快速化探測需求。