微動技術(shù)臺陣探測能力分析與應(yīng)用

陳 實(shí),牛 輝,陶鵬飛,張 靜,胡尊平

(新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院,烏魯木齊 830000)

0 引言

微動技術(shù)是一項(xiàng)被動源探測技術(shù),具有無需人工震源、無損探測、抗干擾能力強(qiáng)、場地條件要求低等優(yōu)點(diǎn),對城市復(fù)雜環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力,已為北京、雄安、青島、濟(jì)南等城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目提供了重要地質(zhì)技術(shù)資料[1-3]。同時,該項(xiàng)技術(shù)近年來廣泛應(yīng)用于采空區(qū)勘查、煤礦陷落柱調(diào)查、地下孤石探測、地層速度結(jié)構(gòu)劃分等淺表勘探工作[4-6],取得了良好的地質(zhì)調(diào)查成果。

在采集儀器方面,早先應(yīng)用廣泛的面波儀器為有線式連接,只能應(yīng)用三重圓觀測模式采集天然面波信號,設(shè)備體積大、線纜數(shù)量多,工作效率較低,難以開展大探測深度工作。2020年以來,國內(nèi)多家單位研制出集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸為一體的三分量式微動數(shù)據(jù)采集站,理論上可布設(shè)任意形狀的觀測臺陣,大大拓展了微動技術(shù)的可適用范圍。

在大量的實(shí)際工程應(yīng)用之后,微動技術(shù)的有效性得到了驗(yàn)證,但也發(fā)現(xiàn)不同參數(shù)的觀測臺陣獲得的頻散曲線有所差別。為了討論不同參數(shù)觀測臺陣的探測能力,基于項(xiàng)目組近年來的微動技術(shù)應(yīng)用成果,筆者從探測深度和縱向分辨力2個維度,確定4類臺陣參數(shù)用以評價觀測臺陣的探測能力。其中,影響臺陣探測深度的主要因素為臺陣邊長和檢波器主頻;影響觀測臺陣縱向分辨力的主要因素為臺陣形式和采樣間隔。

1 微動技術(shù)概述

1.1 基本原理

微動技術(shù)法也稱天然源面波法,是從天然微動技術(shù)信號中提取瑞利面波的頻散特性,通過對頻散曲線反演來推測地下的橫波速度結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)采集方面,微動技術(shù)臺陣形式中嵌套式三重圓臺陣有利于接收不同方向、不同波長的面波信號,數(shù)據(jù)信息豐富,應(yīng)用范圍最為廣泛(圖1)。外業(yè)工作時,在同心圓中心處放置檢波器,其余接收檢波器均勻布置在多個半徑不同的圓周上,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。

圖1 微動技術(shù)臺陣測點(diǎn)布設(shè)方式

在數(shù)據(jù)處理方面,微動技術(shù)中頻散曲線的提取方法主要有空間自相關(guān)法(SPAC)、擴(kuò)展式空間自相關(guān)法(ESPAC)和頻率-波數(shù)(F-K)法[7],筆者選取空間自相關(guān)法提取面波頻散曲線。在SPAC算法中,首先給定一組平穩(wěn)隨機(jī)信號為微動信號,假設(shè)微動信號是時間t和位置矢量X(t,ξ(r,θ))的函數(shù),某一時刻的微動信號可以看作是平穩(wěn)隨機(jī)過程的樣本函數(shù),設(shè)這一樣本函數(shù)為。設(shè)地表的兩點(diǎn)微動觀測信號分別為:

(1)

定義A、B兩點(diǎn)的空間自相關(guān)系數(shù)S(r,θ)為:

h(ω,φ)dφ]dω=

(2)

g(ω,0,0)J0(rk)

(3)

定義ρ(ω,r)為角頻率ω的空間自相關(guān)系數(shù),可得到:

(4)

用空間自相關(guān)法處理天然源面波數(shù)據(jù)時,首先將實(shí)測微動記錄分為若干個數(shù)據(jù)段,剔除有明顯干擾的數(shù)據(jù)段,將各個有效數(shù)據(jù)段進(jìn)行濾波處理并提取其功率譜,再對不同頻率分別計算中心測點(diǎn)與圓周上各點(diǎn)的空間自相關(guān)函數(shù),最終求出相速度獲得相速度頻散曲線。對于獲取的面波頻散曲線,分析曲線的頻點(diǎn)分布特征,進(jìn)行地質(zhì)分層及地層速度反演工作,并利用已知的鉆孔及地質(zhì)先驗(yàn)信息完成剖面的地質(zhì)解譯工作。

1.2 臺陣探測能力

目前,微動技術(shù)的工作方式為單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、二維剖面數(shù)據(jù)成圖,單個測點(diǎn)獲取的頻散曲線為該測點(diǎn)臺陣范圍內(nèi)不同深度地層速度的綜合反映。因此,筆者根據(jù)頻散曲線的形態(tài)特征評價臺陣的觀測能力。場地試驗(yàn)儀器為北京水電物探研究所WD-1C型智能微動勘探儀,本套儀器為WD-1型智能微動儀的升級款,實(shí)現(xiàn)了大邊長、任意形狀的觀測臺陣,可在外業(yè)工作現(xiàn)場實(shí)時顯示頻散曲線,避免盲目工作。

本次微動技術(shù)試驗(yàn)區(qū)位于烏魯木齊二號臺地北部,場地平坦寬闊,周圍無建筑物或人為干擾,并已獲取場地內(nèi)的鉆孔資料,非常有利于開展微動技術(shù)的場地試驗(yàn)。在各類采集參數(shù)的對比試驗(yàn)中,為了增強(qiáng)檢波器與地面的耦合,所有檢波器在埋設(shè)時均將12 cm長的尾椎擰緊并全部插入密實(shí)的地面。在數(shù)據(jù)采集時,為了減少人類活動對面波采集的不利影響,設(shè)立警戒線阻止行人進(jìn)入測試圓圈,以提高采集資料的信噪比。

2 臺陣探測深度

2.1 最大邊長

在微動技術(shù)中,臺陣探測深度與臺陣邊長呈正相關(guān)。為定量化討論本區(qū)最大邊長與探測深度的關(guān)系,采用嵌套式三重圓臺陣布設(shè)全部10道檢波器,臺陣最大邊長分別設(shè)置為40 m、60 m、120 m、200 m。

對比上述4條頻散曲線結(jié)果可以看出(圖2),隨著最大邊長的增大,臺陣所能采集的低頻震動信號越豐富,故增大臺陣最大邊長能有效提高探測深度。但由于WD-1C型儀器為有線連接,大邊長臺陣的工作效率顯著降低。為討論微動技術(shù)實(shí)現(xiàn)大深度探測目標(biāo)的技術(shù)路線,項(xiàng)目組選用國內(nèi)新研制的無線型智能微動探測儀,布設(shè)兩組300 m和500 m觀測臺陣。

圖2 不同臺陣邊長頻散曲線

由圖3可知,無線型微動儀可明顯加大探測深度,野外施工較為便捷。但是隨著臺陣邊長不斷增大,淺部探測盲區(qū)范圍不斷擴(kuò)大,盲區(qū)范圍與臺陣最小邊長基本一致。但大邊長無線型觀測臺陣也存在不足之處:當(dāng)邊長超過200 m范圍后,主機(jī)建立的局域Wifi網(wǎng)無法覆蓋全部檢波器,采集現(xiàn)場無法實(shí)時監(jiān)測頻散曲線質(zhì)量。

圖3 無線型儀器不同臺陣邊長頻散曲線

綜合上述不同臺陣邊長的試驗(yàn)結(jié)果,項(xiàng)目組定量統(tǒng)計了邊長與深度的對應(yīng)關(guān)系(表1)。其中深度系數(shù)n為有效探測深度H與臺陣最大邊長Lmax的比值。

表1 不同邊長臺陣探測范圍

由表1可知,不同連接方式的微動勘探儀器,臺陣的有效探測深度均與最大邊長呈正相關(guān)。在此,我們通過建立深度系數(shù)的衰減模型來計算本區(qū)內(nèi)微動技術(shù)有效探測深度H與臺陣最大邊長L的經(jīng)驗(yàn)公式。經(jīng)過對比對數(shù)函數(shù)與指數(shù)函數(shù)的數(shù)學(xué)特性,該對應(yīng)關(guān)系基本滿足指數(shù)線性方程。按最小二乘法求取擬合曲線常數(shù)后,得出本區(qū)內(nèi)微動技術(shù)有效探測深度H與臺陣最大邊長L的經(jīng)驗(yàn)公式為式(5)。

H=160.61*ln(Lmax)-421.84

(5)

從圖4可以看出,隨著臺陣最大邊長的增加,臺陣可接收的低頻數(shù)據(jù)更豐富,故有效探測深度會同步增大。但大邊長臺陣也有不足之處,深度系數(shù)隨邊長增大呈指數(shù)型衰減、淺地表高頻數(shù)據(jù)不足。此外,新疆烏魯木齊在地理位置上屬于內(nèi)陸遠(yuǎn)海區(qū),低頻信號能量較弱,故在本區(qū)的微動技術(shù)成果顯示,臺陣的勘探深度為最大邊長的2倍～5倍,倍數(shù)關(guān)系略小于內(nèi)地沿海地區(qū)。

圖4 探測深度與最大邊長關(guān)系圖

2.2 檢波器主頻

目前微動技術(shù)儀器的檢波器主頻主要有三種:2 Hz、1 Hz及0.4 Hz。本次試驗(yàn)選用2 Hz和1 Hz兩組不同主頻檢波器、應(yīng)用嵌套式三重圓臺陣采集數(shù)據(jù),探討檢波器主頻與探測深度的影響關(guān)系。

從圖5可以看出,在同邊長臺陣下,不同主頻檢波器采集的頻散曲線中淺部信息基本一致,1 Hz檢波器由于頻帶范圍更低,能獲取的曲線深度更大、深部地層速度更為可靠。但是1 Hz檢波器靈敏度高、重量大、體積大,需要埋置在地表0.3 m以下,會降低野外施工效率。

圖5 不同檢波器主頻頻散曲線

3 臺陣縱向分辨力

3.1 不同臺陣形式

目前微動技術(shù)的采集儀器理論上可實(shí)現(xiàn)任意形狀的觀測臺陣,其中嵌套式三重圓臺陣因可接收不同方向、不同波長的震動信號,應(yīng)用最為廣泛[8]。本次試驗(yàn)分別設(shè)置嵌套式三重圓、三線式、十字型、T型、L型、直線型共6種臺陣,對這6種臺陣依次進(jìn)行微動技術(shù)勘探試驗(yàn)(圖6)。

圖6 微動技術(shù)常用觀測臺陣形式

從圖7可以看出,①嵌套式三重圓及三線式兩類臺陣采集的頻散曲線收斂度高、一致性良好;②L型、T型及十字型采集的頻散曲線在160 m以下曲線出現(xiàn)明顯回拐,數(shù)據(jù)可靠性較低;③直線型與嵌套式三重圓臺陣結(jié)果相比,深部地層(>200 m)速度大于1 500 m/s,速度值明顯偏高,數(shù)據(jù)不可靠。試驗(yàn)對比結(jié)果表明:①在場地條件寬闊、便于布設(shè)的情況下,應(yīng)該首選嵌套式三重圓或三線式臺陣,這樣既能確保頻散曲線提取的可靠性,又能深淺兼顧;②在場地條件狹窄的情況下,當(dāng)目標(biāo)探測深度較淺時,可選取直線形臺陣并利用其中淺部數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯,這樣不僅可以縮短布陣時間,而且可以保證探測的有效性。綜上,要根據(jù)場地條件和探測要求等因素來合理選取臺陣陣形。

圖7 不同臺陣形式頻散曲線

3.2 采樣間隔

采樣間隔是指每秒從連續(xù)信號中提取兩次信號之間的時間間隔[9]。在其他參數(shù)相同的情況下,選取5 ms、10 ms和20 ms三種采樣間隔進(jìn)行試驗(yàn),重點(diǎn)對比三種曲線的垂向分辨力。分析上述試驗(yàn)結(jié)果可知(圖8),在100 m深度以淺,兩種曲線的拐點(diǎn)位置和幅值基本相同,但在100 m～160 m深度范圍內(nèi),5 ms采樣間隔下獲取的頻散曲線收斂程度最好。這是因?yàn)橄嗤瑫r間內(nèi)采樣間隔過大造成低頻帶采樣數(shù)據(jù)量較少而產(chǎn)生的曲線擾動,隨著采樣間隔的增大,曲線的垂向分辨力不斷降低。因此在實(shí)際工作中,采樣間隔越小,所獲得的數(shù)據(jù)量越大,曲線對薄層的分辨能力也越強(qiáng)。

圖8 不同臺陣采樣間隔頻散曲線

基于上述參數(shù)試驗(yàn)成果,筆者總結(jié)出微動技術(shù)實(shí)現(xiàn)大探測深度的技術(shù)路線,具體應(yīng)用方式見表2。

表2 微動技術(shù)大深度探測技術(shù)路線

4 工程應(yīng)用

基于以上各類采集參數(shù)對比試驗(yàn)的分析結(jié)果,筆者在厚覆蓋區(qū)隱伏斷裂勘察項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。八鋼石化斷裂在地理位置上,西起八鋼,向東經(jīng)王家溝、軸承廠至烏魯木齊石油化工總廠以東,全長約40 km。該斷裂為烏魯木齊市區(qū)范圍內(nèi)的主斷裂,具有覆蓋層厚度變化大、次級斷裂多、高傾角的復(fù)雜地質(zhì)特征,斷裂東段出露地表,西段斷層兩盤第四系厚度差異明顯,沿斷裂地下水形成大幅度的跌水[10]。

前人曾采用可控震源淺層地震技術(shù)分析了八鋼石化斷裂的分布、產(chǎn)狀、活動性及活動年代,技術(shù)成果質(zhì)量高。本項(xiàng)目組在2017年采用“微動技術(shù)+高密度電法”的綜合物探技術(shù),查明了該斷裂中段的地質(zhì)特征,斷裂西段由于覆蓋層厚度過大,2020年前人試驗(yàn)性應(yīng)用三分量諧振技術(shù)及高密度電法的綜合物探技術(shù),基本查明了西段的地質(zhì)特征。

基于本次場地試驗(yàn)成果,為了詳細(xì)查明八鋼石化斷裂西段的地質(zhì)特征,并與前人工作成果相對比,在前人工作區(qū)附近開展微動技術(shù)探測工作(圖9)。觀測臺陣選取嵌套式三重圓及直線型,其中三重圓最大邊長為200 m,直線型臺陣道間距10 m,24道檢波器。其他采集參數(shù)為:5 ms采樣間隔、1 Hz檢波器,迭代次數(shù)600次,點(diǎn)距為50 m。本次工作中,0 m、50 m及100 m三個測點(diǎn)位于公路綠化帶內(nèi),采用直線型觀測臺陣,其余測點(diǎn)為嵌套式三重圓。

圖9 測線位置布置圖

從圖10可以看出,剖面有效探測深度可達(dá)400 m。地表下有2個波速突變界面,第一個界面埋深約20 m,橫波速度為400 m/s,反映介質(zhì)較疏松,推測為晚更新世的沖洪積物;第二個界面埋深為160 m左右,其上部介質(zhì)波速變大,為400 m/s～800 m/s,其下部介質(zhì)速度為800 m/s～1400 m/s,反映介質(zhì)較致密,該層為下更新統(tǒng)砂礫巖。在剖面100 m及300 m,埋深150 m以下,存在兩組特征相近的低速凹陷帶,推斷為八鋼石化斷裂的兩組次級斷裂,斷面南傾,傾角為75°～85°,具逆沖性質(zhì),若測點(diǎn)間距縮小為20 m,異常形態(tài)將更為豐富。探測成果與前人結(jié)論基本一致,表明場地試驗(yàn)成果具有可應(yīng)用推廣性。

圖10 八鋼石化斷裂西段微動技術(shù)探測成果

5 討論與總結(jié)

筆者以探討建立微動技術(shù)大探測深度技術(shù)路線為目標(biāo),以臺陣邊長、檢波器主頻、臺陣形式及采樣間隔4類參數(shù)為觀測臺陣的技術(shù)變量,通過場地試驗(yàn)系統(tǒng)分析了臺陣的探測能力。場地試驗(yàn)結(jié)果表明:①微動技術(shù)可通過應(yīng)用“無線型低頻微動采集站”實(shí)現(xiàn)大探測深度,但是嵌套式三重圓臺陣在使用大邊長觀測臺陣時,淺部數(shù)據(jù)盲區(qū)范圍較大;②本區(qū)內(nèi)觀測臺陣探測深度與臺陣邊長呈正相關(guān),但隨著邊長增大,深度系數(shù)呈指數(shù)性降低;③對于微動技術(shù)的觀測臺陣,嵌套式三重圓及三線式臺陣數(shù)據(jù)分辨力最好,直線型施工便捷,適用于道路等場地狹窄地區(qū),但其獲取的頻散曲線深部地層速度明顯偏大,可靠性低;④對于直線型觀測臺陣,若工作區(qū)震動噪聲較小,不同方向獲取的頻散曲線一致性良好,若工作區(qū)震動噪聲大且頻繁,頻散曲線的收斂度明顯降低甚至不收斂。

基于上述場地試驗(yàn)結(jié)果,項(xiàng)目組提出了微動技術(shù)的改進(jìn)建議:①對于大邊長臺陣,建議使用嵌套式多重圓,這樣可實(shí)現(xiàn)從淺至深震動信號全采集;②對于直線型觀測臺陣,因采集道數(shù)較多,震動數(shù)據(jù)信息體量大、內(nèi)容豐富,應(yīng)從算法方面注重頻散曲線的提取技術(shù);③微動技術(shù)采集的信號為相對低頻震動,提取的頻散曲線在淺地表收斂度低,可在同測點(diǎn)實(shí)施人工源與天然源的數(shù)據(jù)采集,提升淺部面波頻散譜的能量集中度,從而獲取深度更大、精度更高的面波頻散曲線。