甘肅臨夏機(jī)場二維微動剖面探測

劉白云 陳九輝 劉云全 趙 莉 孫艷萍

1 中國地震局地質(zhì)研究所地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市華嚴(yán)里甲1號,100029 2 甘肅省地震局,蘭州市東崗西路450號,730000 3 甘肅省敦煌文物保護(hù)研究中心,蘭州市張?zhí)K灘800號,730000 4 新疆建雅道路建設(shè)工程有限公司,新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)沙雅縣人民北路,842200 5 中國鐵塔股份有限公司甘肅省分公司,蘭州市火星街1201號,730050

淺層結(jié)構(gòu)層速度和層厚的差異,尤其松散沉積層和基巖之間的速度差異及沉積層厚度,是決定場地響應(yīng)的主要因素。微動探測方法為覆蓋層厚度、地層及隱伏斷層等淺層探測提供了新途徑[1]。微動是指地球時刻發(fā)生的微小振動,在任意時間和地點(diǎn)都能觀測到[2]。微動探測是通過反演布設(shè)的觀測臺陣采集的數(shù)據(jù)來獲得被檢測體下方介質(zhì)的剪切波速度結(jié)構(gòu)。本文利用微動探測技術(shù),勘測擬建的臨夏機(jī)場建設(shè)區(qū)覆蓋層厚度、地層結(jié)構(gòu)與分層,探明是否存在隱伏斷層等不良地質(zhì)體,為后續(xù)工程施工建設(shè)提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

擬建機(jī)場位于臨夏盆地,在宏觀地貌上屬于青藏高原東北邊緣向黃土高原東北邊緣過渡的構(gòu)造波及區(qū),青藏高原的階段性隆升對盆地的形成、演化及地貌結(jié)構(gòu)具有重要影響[3]。研究區(qū)內(nèi)部由北秦嶺斷裂、雷積山斷裂和馬銜山圍成擠壓型坳陷盆地[4],盆地內(nèi)部分布有大夏河和洮河。盆地以臨夏市為界分為東盆地與西盆地,西盆地第四紀(jì)沉積物厚度達(dá)千米以上,受青藏高原隆升影響,地層變形顯著;與西盆地相比,東盆地沉積厚度明顯較薄,受構(gòu)造運(yùn)動影響也較小,故東盆地內(nèi)部地層穩(wěn)定且產(chǎn)狀近水平,其頂部僅有約200 m厚的黃土覆蓋堆積[5]。

2 原理與方法

2.1 頻散曲線的提取

微動是由體波(P、S波)和面波(Rayleigh、Love波)共同組成的復(fù)雜振動[6],其中面波的能量占絕大部分。盡管微動信號的振動幅度與頻率不一定完全符合某一規(guī)律,但在一定時間范圍內(nèi)具有平穩(wěn)特征,可利用時間與空間上的平穩(wěn)隨機(jī)過程來證明。微動探測以平穩(wěn)隨機(jī)過程的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)提取相速度頻散曲線,然后反演地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的剪切波速度,進(jìn)而反推介質(zhì)結(jié)構(gòu)。

假定微動信號符合平穩(wěn)隨機(jī)過程,其波譜的樣本函數(shù)X(t,ξ(r))可表示為:

X[t,ξ(r)]=exp(iωt+iKξ)d[Z(ω,K)]T

(1)

式中,ω=2πf為角頻率,K=(kr1,kr2)為波數(shù)矢量,Z為正交隨機(jī)過程,t為時間。

對于微動臺陣2個測量點(diǎn)觀測到的波形記錄,其自相關(guān)函數(shù)S為:

S(t,r1,r2-r1)=E[X*(t,r1)·X(t,r2)]

(2)

式中,E為期望,*為共軛,r為觀測半徑。

空間自相關(guān)系數(shù)在頻率域內(nèi)表示為:

(3)

2.2 S波速度結(jié)構(gòu)反演

利用實(shí)測觀測臺陣的相速度頻散曲線進(jìn)行反演,得到臺陣中心點(diǎn)下方被探測結(jié)構(gòu)體1D的剪切波速度結(jié)構(gòu)。獲得每個臺陣實(shí)測相速度頻散曲線后,利用式(4)將每個臺陣中心點(diǎn)vr-f曲線轉(zhuǎn)換成視S波速度曲線VX-H[7],再對中心點(diǎn)之間的視S波速度值進(jìn)行內(nèi)插與光滑等處理,最終獲得整個探測剖面的視S波速度圖像:

(4)

式中,vr為瑞利波相速度,ti為周期。

3 數(shù)據(jù)采集及處理

3.1 觀測系統(tǒng)

微動探測形式有圓形臺陣和直線臺陣等多種類型的觀測系統(tǒng)[8]。實(shí)際工程中,根據(jù)項(xiàng)目探測的需求及場地條件的不同,需要布設(shè)不同形式的觀測臺陣。在布設(shè)圓形臺陣時,常采用多重圓嵌套的形式來布設(shè)測量點(diǎn),圓形臺陣的探測深度可達(dá)到臺陣半徑的3～5倍以上。多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明,三重及以上圓形臺陣更容易探測到地層分界面附近的波速突變特征[9]。

本文微動探測測量位置位于擬建的甘肅省臨夏機(jī)場航站樓所在地,地表第四系覆蓋層巨厚, 測區(qū)內(nèi)地勢平坦?？紤]到此次探測既要探測覆蓋層厚度與地層結(jié)構(gòu)分布,還要探測在測區(qū)是否存在隱伏斷層,故在航站樓南面和北面分別布設(shè)AA′和BB′測線進(jìn)行對比驗(yàn)證,長度分別為440 m和380 m(圖1)。其中,沿AA′測線布設(shè)的是三重圓形臺陣觀測系統(tǒng),共由3個圓形臺陣(A1、A2、A3)組成,每個圓形臺陣由中心測點(diǎn)和內(nèi)、中、外3圈共10個測量點(diǎn)組成,具體結(jié)構(gòu)見(圖2(a))。完成1個圓形臺陣觀測數(shù)據(jù)采集后,將所有觀測儀器挪動至下一個圓形臺陣,依次循環(huán)。BB′測線觀測場地選擇在機(jī)場所在冉坪村的水泥路面上,布設(shè)為直線型觀測系統(tǒng),測量點(diǎn)間距為8 m(圖2(b)),分2段探測,單條測線長度為190 m,在第1個觀測段完成數(shù)據(jù)采集后,按標(biāo)號順序?qū)x器平移到下一個觀測段繼續(xù)測量。

圖1 微動測線布設(shè)Fig.1 Layout of microtremor survey lines

圖2 微動觀測系統(tǒng)布設(shè)Fig.2 Layout of microtremor observation arrays

3.2 儀器及參數(shù)

本文數(shù)據(jù)采集儀為EPS便攜式微功耗寬頻帶地震儀,具有傳遞函數(shù)穩(wěn)定、體積小、功耗低等特點(diǎn),其時間校正及各套儀器間的時間同步均由記錄儀內(nèi)置授時系統(tǒng)自動完成。儀器技術(shù)參數(shù)如下:周期為5 s,通道數(shù)為3,A/D轉(zhuǎn)換為24位,采樣頻率為100 Hz,時間穩(wěn)定度為5×10-7s,標(biāo)定方式為方波標(biāo)定,頻帶范圍為1～200 Hz。

3.3 數(shù)據(jù)采集

為確保各測點(diǎn)地理位置坐標(biāo)的準(zhǔn)確性,每次正式測量前,先使用高精度GPS測量儀RTK測定微動儀位置,然后架設(shè)儀器,過程中輕拿輕放儀器,架設(shè)完成后對儀器工作狀態(tài)進(jìn)行檢查,確保供電、零位與授時等一切正常,之后觀測人員與車輛撤離至遠(yuǎn)場位置。篩選數(shù)據(jù)時,選擇所有儀器均穩(wěn)定工作的時段的波形記錄。圓形臺陣的數(shù)據(jù)采集時長平均約為1 h(圖3),線性臺陣數(shù)據(jù)采集時長平均約為25 min(圖4)。

圖3 圓形臺陣觀波形記錄Fig.3 Waveform records of circle observation arrays

圖4 線性臺陣波形記錄Fig.4 Waveform records of linear observation arrays

3.4 微動數(shù)據(jù)處理

對于獲得的平穩(wěn)微動數(shù)據(jù)記錄,先按設(shè)定時長將其分成不同的小段,分別計算傅里葉譜和功率譜。在此基礎(chǔ)上,計算各臺陣所有測量點(diǎn)兩兩組合的空間自相關(guān)系數(shù),并取方位平均,擬合第一類零階Bessel函數(shù)。給定頻率值f,計算與其對應(yīng)的相速度vr,可獲得AA′測線3個圓形臺陣(圖5)和BB′測線(圖6)對應(yīng)的相速度頻散曲線。然后將上述相速度頻散曲線vr-f轉(zhuǎn)換成視S波速度隨深度H變化的曲線VX-H,再進(jìn)行各臺陣視S波速度相互插值與光滑計算,最終獲得整個測量剖面的2D視S波速度結(jié)構(gòu)剖面(圖7)。

圖5 AA′測線相速度頻散曲線與反演剪切波速度結(jié)構(gòu)Fig.5 Phase velocity dispersion curves and the inverted shear wave velocity structure of AA′ survey line

圖6 BB′測線相速度頻散曲線與反演剪切波速度結(jié)構(gòu)Fig.6 Phase velocity dispersion curve and the inverted shear wave velocity structure of BB′ survey line

圖7 二維微動視S波速度剖面Fig.7 2D microtremor apparent S-wave velocity profile

4 討 論

2D視S波速度(VX)剖面的解譯原則為從已知的鉆孔等基礎(chǔ)資料推斷反演剖面所代表的構(gòu)造信息,解釋過程中還需結(jié)合區(qū)域或者近場的地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)等方面的信息?；鶐r面與覆蓋層交界面及不同地質(zhì)時代地層間分界面等的巖性差異較大,是區(qū)分速度結(jié)構(gòu)的分界面,可利用微動測深法較好地確定其埋深分布。對比本次圓形和線性臺陣觀測系統(tǒng)分別反演獲得的二維視S波速度剖面可以看出,兩者反映的地層分層基本一致,均可細(xì)分為10個速度層位,各層層狀起伏小,呈近水平向或向一個方向傾斜。該測區(qū)可參考標(biāo)定的地勘資料僅有甘肅鐵道綜合工程勘察院有限公司根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、區(qū)域地質(zhì)資料及該單位參與附近相關(guān)的房建所得的勘察成果,認(rèn)為機(jī)場建設(shè)區(qū)黃土厚度約為160 m,之下為卵石等碎石類土,下伏有新近系上新統(tǒng)泥巖、夾砂巖。以獲得的視S波速度結(jié)構(gòu)剖面作為本次2D微動剖面追蹤、解釋相應(yīng)巖性層的依據(jù)。在此基礎(chǔ)上,考慮臨夏機(jī)場建設(shè)區(qū)的速度背景條件、速度梯度變化過程及圖像形態(tài)等因素,綜合分析VX剖面特征,對VX剖面中的地層巖性分層給出定性與定量解釋。本次VX實(shí)測剖面(AA′)特征如下:

1)黃土狀粉土層:位于①～⑥層間,VX小于600 m/s。通過該視S波速度剖面推測,該區(qū)第四系黃土覆蓋層厚約120 m,是施工建設(shè)的關(guān)鍵層位,其災(zāi)害效應(yīng)與其厚度和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。各層層狀除在測線中部位置的第④層上、下界面有一定程度的上拱與下凹外,其余各層層狀起伏小、近水平。相近地勘資料表明,該層為Ⅱ級普通土,灰黃、淡黃色,土質(zhì)均勻,含有蟲孔及鈣化菌絲,稍濕,稍密,大規(guī)模分布于擬建機(jī)場的黃土塬上。

2)卵石、基巖強(qiáng)風(fēng)化層:位于剖面⑦～⑨層間,VX介于600～750 m/s,埋深約120～170 m。與地勘資料對應(yīng),該層位代表的卵石層為青灰色,顆粒呈渾圓狀,周圍砂土充填,稍濕,中密-密實(shí),Ⅲ級硬土。

對比2個2D視S波速度結(jié)構(gòu)剖面發(fā)現(xiàn),在200 m深度內(nèi),AA′視S波速度剖面代表的巖層產(chǎn)狀整體呈水平狀,BB′視S波速度剖面代表的巖層產(chǎn)狀整體向南傾斜。2個剖面距離相近,但反演結(jié)果有一定的差別,可能是因?yàn)锳A′視S波速度剖面是由圓形臺陣觀測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)反演的,這種形式的臺陣頻散圖譜能量集中度高且測線長度相對于線性臺陣觀測系統(tǒng)較長,能夠?qū)崿F(xiàn)大深度與射線交叉覆蓋好的微動觀測數(shù)據(jù)采集,反演得到的視S波速度結(jié)構(gòu)剖面分辨率也較高。而BB′視S波速度剖面是由線性臺陣觀測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)反演得到的,其在測線兩端射線覆蓋率低,反演獲得的視S波速度剖面長度只有測線總長度的一半。此外,整個視S波速度剖面由各測點(diǎn)結(jié)果經(jīng)內(nèi)插光滑得到,導(dǎo)致線性臺陣觀測系統(tǒng)與圓形臺陣觀測系統(tǒng)探測到的結(jié)果有一定差異。

從AA′視S波速度剖面中還可以看出,40～90 m深度之間地層有局部起伏變化,這可能代表著該層存在部分褶皺隆起或凹陷。2個剖面反映的地層結(jié)構(gòu)均無明顯錯動,說明場區(qū)應(yīng)無隱伏斷層等不良地質(zhì)體的存在。

5 結(jié) 語

利用2D微動小臺陣探測技術(shù)實(shí)測擬建的臨夏機(jī)場,獲得其航站樓建設(shè)區(qū)2條2D視S波速度結(jié)構(gòu)剖面,結(jié)合已有的宏觀地質(zhì)與鉆孔地勘等資料綜合解釋該場地第四系覆蓋層與基巖面埋深、地層結(jié)構(gòu)分層及延伸形態(tài)。結(jié)果表明,地層在橫向與縱向上無明顯錯斷,由此判斷建設(shè)區(qū)無隱伏斷層通過。